山區(qū)陡比降河段兼顧綜合效益的航道整治措施研究*

但云峰，張春澤,2，謝靈運(yùn)，2，3，周 勤，2，3，李 艷，2，3

(1. 重慶交通大學(xué)，西南水運(yùn)工程科學(xué)研究所，重慶 400010；2. 內(nèi)河航道整治技術(shù)交通行業(yè)重點(diǎn)實驗室，重慶 400074；3. 重慶西科水運(yùn)工程咨詢中心，重慶 400074)

水利工程旨在消除水害與開發(fā)利用水資源，在其建設(shè)和運(yùn)行過程中要結(jié)合工程選址的地貌與水流條件特征全面考慮生態(tài)、防洪、發(fā)電、航運(yùn)等綜合效益，如何全盤規(guī)劃各項指標(biāo)，需要在保證基本原則的情況下，通過科學(xué)方法進(jìn)行優(yōu)化考量。周建中等[1]針對三峽梯級汛期的綜合運(yùn)用，優(yōu)化已有的設(shè)計方案后，確保防洪安全的同時提高了通航保證率；王永強(qiáng)等[2]提出結(jié)合一維模型進(jìn)行約束的水電站短期調(diào)度方式，優(yōu)化向家壩水電站枯水期日發(fā)電優(yōu)化運(yùn)行方式，同時滿足了下游航運(yùn)要求；常留紅等[3]通過研究儀征水道整治工程前后水流特性發(fā)現(xiàn)，對丁壩群的整治能夠保障魚類生存的自然空間。

我國西南地區(qū)水能資源極其豐富，為貫穿西部水運(yùn)網(wǎng)，推動長江經(jīng)濟(jì)帶發(fā)展，對水資源綜合治理開發(fā)需要十分迫切。然而西南山區(qū)地形與河道來流條件復(fù)雜，整治難度大[4-8]，同時由于涉及多種水生生物多樣性保護(hù)的要求，進(jìn)一步增加了開發(fā)利用的復(fù)雜性。如何在環(huán)保優(yōu)先的前提下，最大化發(fā)電與航運(yùn)能力，發(fā)揮水利工程價值和社會效益，具有重要意義。

根據(jù)擬建老木孔航電樞紐上游環(huán)保要求，須將原規(guī)劃正常蓄水位降低1 m。在此背景下，充分利用壩址河段水面局部比降集中的特征，本文提出通過優(yōu)化航道整治方案降低壩下水頭，補(bǔ)償發(fā)電效益的設(shè)計思路。

1 工程概況及河段現(xiàn)狀

1.1 工程概況

岷江系長江上游的一級支流，是川西重要的水資源寶庫。為滿足大件運(yùn)輸，保障航運(yùn)安全，充分利用岷江水力資源實現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展，在樂山—宜賓段，以綜合開發(fā)為原則，擬建設(shè)梯級水電站并將航道等級提升至Ⅲ級。老木孔樞紐為該航電梯級的重要組成部分，規(guī)劃壩址位于大渡河江口下游約14.8 km處，壩址區(qū)內(nèi)河段較為順直，河槽寬800～1 000 m，水流平穩(wěn)，枯水期江面寬350～420 m，兩岸為Ⅰ級階地，階面寬1 200～2 300 m，兩岸山脊與河床相對高差100～120 m。針對壩線處河道特點(diǎn)，老木孔航電樞紐從左至右依次為左岸防洪堤、泄洪沖刷閘、發(fā)電廠房(8臺機(jī)組，單機(jī)引用流量368 m3/s)、船閘及右岸防洪堤。樞紐平面布置見圖1。

圖1 樞紐平面布置

由于電站上游河道中分布有珍稀魚類產(chǎn)卵場以及樂山大佛等世界遺產(chǎn)保護(hù)區(qū)，為避免對生態(tài)環(huán)境與人文景觀造成潛在威脅，須將原規(guī)劃358 m的正常蓄水位降低1 m。在研究航道整治方案過程中發(fā)現(xiàn)，由于河道地形限制，老木孔—癩兒灘河段低水期(Q=500 m3/s)集中了約1.4 m的水頭差(圖2)。如能結(jié)合航道整治方案，充分利用這部分水頭，降低水面比降，無疑對增加綜合效益起到巨大作用。

圖2 枯水期沿程水面線

1.2 河段現(xiàn)狀

1.2.1水文條件

岷江流域徑流主要來源于降水，其次為高山融雪水和地下水補(bǔ)給。5—10月的徑流主要由降雨形成，11—次年3月的徑流，主要來源于地下水，4、5月的徑流，則由降雨和融雪水混合補(bǔ)給。徑流年際變化小，而年內(nèi)變化較大。根據(jù)五通橋、高場水文站的水文資料分析得出，豐水期5—10月，主要由降雨補(bǔ)給，平均流量為4 620 m3/s，枯水期11月—次年4月，主要由地下水和融雪水補(bǔ)給。老木孔閘址多年平均流量為2 430 m3/s。

1.2.2最低通航流量

五通橋水文站統(tǒng)計資料顯示，隨著上游電站逐漸蓄水運(yùn)行，老木孔樞紐所在河段年最低來流量逐漸增加，至2015年時，來流量900 m3/s的保證率已達(dá)到95%以上。根據(jù)設(shè)計資料，擬建老木孔樞紐建成后擁有1 000萬m3調(diào)節(jié)庫容，通過其反調(diào)節(jié)可進(jìn)一步提高五通橋站的枯水流量。屆時，可選取900 m3/s作為工程河段最低通航流量，其保證率可以達(dá)到100%。

1.2.3灘險分布

老木孔樞紐下游約16 km長的河段縱坡大、水位變幅大、洲島發(fā)育、汊浩縱橫、水流分散，屬典型山區(qū)河流，河勢見圖3。由于泥沙沖積、卵石淤埋，導(dǎo)致灘險發(fā)育，其中新癩兒灘為近年形成的新灘險，各險灘分布及礙航情況見表1。

圖3 研究河段河勢

表1 各河段灘險分布

2 整治思路

根據(jù)設(shè)計方案，發(fā)電廠房與船閘布置于河道右岸(圖1)。引航道連接段直接連通秤桿磧?yōu)┥嫌沃鞑郏掳]兒灘與癩兒灘不再直接礙航，而是間接惡化連接段流態(tài)。因此，本文將針對老木孔航電樞紐下游16 km長河段建立數(shù)值模型進(jìn)行計算，并根據(jù)礙航特征將工程河段分為近壩段與遠(yuǎn)壩段兩部分展開分析(圖3)。其中，近壩段包括新、老癩兒灘段，遠(yuǎn)壩段為除上述兩灘外其他灘段。

對于遠(yuǎn)壩段，主要為淺急礙航，控制因素較少，整治措施以疏浚為主，整治難度相對較小，根據(jù)試算法確定秤桿磧?yōu)┘捌湎露问杩Ｉ疃龋员ＷC最低通航流量時滿足Ⅲ級航道2.4 m水深要求。針對近壩段，對兩種總體思路(主要包括：疏浚新、老癩兒灘之間原有航道；在老癩兒灘右側(cè)開通直槽并通過對灘頭灘尾進(jìn)行疏浚來改善船閘連接段水流條件)進(jìn)行深入分析和優(yōu)化比選，并不斷優(yōu)化方案，探索兼顧補(bǔ)償電站發(fā)電水頭和保證通航條件的整治措施。

3 數(shù)學(xué)模型及驗證

3.1 模型設(shè)計

建立老木孔—犍為庫尾整體二維數(shù)學(xué)模型，計算區(qū)域采用混合網(wǎng)格劃分，采用有限體積法進(jìn)行計算。按照下游犍為電站引用流量設(shè)計500、900、2 000、4 000 m3/s 4個工況。模型下邊界由犍為電站回水位確定。

水流連續(xù)方程：

(1)

動量方程：

(2)

(3)

式中：ξ為水位(m)；h為水深(m)；p、q為x、y方向的單寬流量(m3·s-1·m-1)；C為謝才系數(shù)(m1/2/s)；Ω為科氏力系數(shù)(s-1)；f為風(fēng)摩擦力系數(shù)；v、vx、vy分別為風(fēng)速及其在x、y方向的分量(m/s)；t為時間。

3.2 模型驗證

為檢驗該模型的可靠適用性，針對水面線進(jìn)行驗證。采用實測的枯、中水期(Q為794、1 290 m3/s)的瞬時水面線進(jìn)行驗證。經(jīng)驗證與率定，該河段主槽糙率范圍為0.033～0.034，岸灘糙率范圍為0.033～0.036。模型水位與原型相差較小，誤差多在±0.1m內(nèi)(圖4)，滿足水面線相似要求。另外，由于中水期實測資料不足，遠(yuǎn)壩段岸灘糙率參照近壩段進(jìn)行取值。

圖4 研究河段模型糙率驗證

4 方案優(yōu)化與分析

4.1 遠(yuǎn)壩段疏浚結(jié)果

對于秤桿磧?yōu)┘捌湎掠胃麟U灘，主要按設(shè)計水位以下2.4 m疏浚，疏浚寬深見表2。其中，老木孔樞紐建成后最低通航流量提升至900 m3/s，使流星灘段航深滿足Ⅲ級航道標(biāo)準(zhǔn)，無需整治。

表2 遠(yuǎn)壩段疏浚范圍

為方便對比整治效果，采取同一工況條件下(最低通航流量900 m3/s)對遠(yuǎn)壩段沿程水位進(jìn)行比照，整治后，水面比降有所調(diào)整但變化位置限于灘段附近局部區(qū)域，遠(yuǎn)壩段入口(即近壩段下游出流邊界)水位降低0.119 m(圖5)。其他500、2 000、4 000 m3/s 3個工況整治后邊界水位分別降低0.144、0.042、0.023 m。

圖5 遠(yuǎn)壩段最低通航流量水位(Q=900m3s)

4.2 近壩段方案初選

按照樞紐布置方案，發(fā)電廠房出流受癩兒灘阻水影響，下游壅水顯著，發(fā)電水頭損失嚴(yán)重。為保障發(fā)電效益，推薦兩種方案作為補(bǔ)救措施，見圖6。

圖6 設(shè)計方案

設(shè)計方案1：對發(fā)電廠房下游進(jìn)行疏浚，疏浚范圍連接原有河道深泓，以天然水面線(Q=500 m3/s)以下2.4 m疏浚。設(shè)計方案2：在廠房下游開通直槽，疏浚至天然水面線(Q=500 m3/s)以下2.4 m貫穿癩兒灘，后通過船閘連接段與下游主航道平順連接。

通過二維數(shù)值模擬獲得了不同方案下的流速及水位，先將各工況的整治后流速進(jìn)行對比，見表3。根據(jù)JTJ 305—2001《船閘總體設(shè)計規(guī)范》，船閘連接段平行航線縱向流速、垂直航線的橫向流速限值分別為2.00、0.30 m/s，回流流速限值為0.40 m/s。由此可見，設(shè)計方案2在僅僅挖通直槽的措施下難以達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)，而設(shè)計方案1經(jīng)疏浚原有航槽后，右岸連接段流速滿足要求。

表3 設(shè)計方案連接段流速

為選擇充分補(bǔ)償老木孔發(fā)電效益的整治措施，對壩下水位進(jìn)行評估，對比各工況下設(shè)計方案1、2的水位及水面比降見表4?？梢钥闯?，以上方案將樞紐下游350～650 m河段的水面比降從4.2‰(圖2)降至0.8‰～1.5‰，且設(shè)計方案2較設(shè)計方案1多釋放4～30 cm的水頭，出于綜合效益考慮，有必要對設(shè)計方案2進(jìn)一步優(yōu)化。

表4 壩下水位降低值及水面比降

4.3 方案優(yōu)化

由表3可知，在較大流量時，設(shè)計方案2中船閘連接段流速過大，不滿足規(guī)范要求，因此可通過擴(kuò)大過流斷面或減小右汊來流量的方式進(jìn)行優(yōu)化。另外，根據(jù)工程河段河勢條件及電站布置方案，電站廠房正對癩兒灘灘頭，電站尾水受其阻滯存在壅高，對發(fā)電效益的提高形成明顯制約。因此，為兼顧通航與發(fā)電雙重效益，應(yīng)優(yōu)化連接段流速的同時盡可能釋放電站下游壅水，優(yōu)先通過消減灘頭的方式降低右汊來流，見圖7。對于兩種優(yōu)化方案，癩兒灘灘頭均疏浚至同一斷面對應(yīng)設(shè)計方案2高程，其中，優(yōu)化方案1依據(jù)地形特征向癩兒灘左岸疏浚，以增加左岸分流能力，優(yōu)化方案2則與之相反。

圖7 優(yōu)化方案

控制分流比是工程中需要考慮的重要因素，對分流比的調(diào)整直接影響分汊河流的流量與流態(tài)，直接影響兩汊的水動力條件。此處由動量平衡法[9]估算左岸分流比：

(4)

式中：n1為癩兒灘左支汊分流比；B1、B2為左、右岸分汊水面寬度；θ1、θ2為兩個支汊河道的偏轉(zhuǎn)角度。

為分析分流比對近壩段的影響，逐步優(yōu)選整治方案，各方案挖方量及不同流量下分流比見表5。

表5 各方案挖方量及分流比

由于癩兒灘灘頭呈左低右高的形態(tài)，優(yōu)化方案1較優(yōu)化方案2挖方量大2.48萬m3。調(diào)整分流比后，優(yōu)化方案2的左岸分流能力提高，為檢驗左岸分流比的影響及優(yōu)化效果，將最低通航流量時(Q=900 m3/s)近壩段水位變化進(jìn)行對比，見圖8。結(jié)果表明，優(yōu)化方案2壩下水位較天然情況相應(yīng)降低0.825 m(較設(shè)計方案2多降低0.2 m，較優(yōu)化方案1多降低0.114 m)，優(yōu)化效果相對較好。

圖8 近壩段最低通航流量水位(Q=900 m3s)

優(yōu)化方案連接段流速見表6。可以看出，分流比的改變在一定程度上減小了連接段流速，針對優(yōu)化方案1、2，同一工況下，左岸分流比越大，右岸連接段流速越小。綜合考慮，有必要通過補(bǔ)充措施降低優(yōu)化方案2的連接段流速，使其滿足標(biāo)準(zhǔn)。

表6 優(yōu)化方案連接段流速

雖然優(yōu)化方案2可更大程度上補(bǔ)充發(fā)電水頭，但該方案下連接段局部區(qū)域流速仍然超標(biāo)(CS8～CS10)。因而，在優(yōu)化方案2的基礎(chǔ)上，對流速超標(biāo)段左岸進(jìn)行拓寬(圖7中在癩兒灘尾部削切0～30 m，開挖方量約5.70萬m3)，形成了優(yōu)化方案3。計算顯示，在來流900、2 000、4 000 m3/s時，優(yōu)化方案3連接段流速分別為0.41～0.96、0.67～1.49、0.99～2.02 m/s，基本滿足通航要求，且相應(yīng)壩下水位較天然情況分別降低1.050、0.862、0.534、0.461 m，較其他方案更為顯著。

綜合對比可知，設(shè)計方案1與優(yōu)化方案3均滿足航道水流條件要求。由于設(shè)計方案1更多利用了原有航道深泓，整體開挖量少19.15萬m3；但優(yōu)化方案3補(bǔ)充了更多發(fā)電水頭(圖9)，4種流量的壩下水頭較設(shè)計方案1分別降低0.273、0.388、0.420、0.422 m，長遠(yuǎn)來看可以獲得更大綜合效益。因此，在環(huán)境保護(hù)的前提下，推薦優(yōu)化方案3，提升航道等級的同時充分兼顧樞紐發(fā)電效益。

圖9 近壩段水位

5 結(jié)語

1)通過建立老木孔樞紐至犍為電站回水位之間的二維數(shù)值模型，利用實測水位資料驗證了模型的相似性，可用于研究該段河道內(nèi)水動力條件對地形變化的響應(yīng)，進(jìn)而優(yōu)化整治方案。

2)樞紐下游老癩兒灘對電站尾水的阻滯問題顯著，疏浚原有主槽的方案難以完全釋放壩下水面比降，在補(bǔ)償發(fā)電效益方面無優(yōu)勢。

3)在樞紐右側(cè)開直槽，通過疏浚老癩兒灘灘頭調(diào)整樞紐下游分流比，降低右汊過流量，并通過削切老癩兒灘灘尾降低連接段流速的綜合方案，可以在滿足通航要求的同時較大程度增加發(fā)電水頭。

4)本文推薦的整治措施，航道整治為主，兼顧發(fā)電效益。在保障通航能力的同時，極大程度上補(bǔ)足了老木孔樞紐因環(huán)保因素降低的發(fā)電水頭損失，可節(jié)約大量的工程實施成本，增加其可行性。