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摘要:針對傳統泄流曲線率定方法存在的流量系數難以測定、率定成本過高的問題,結合退水階段入庫流量過程線受閘門啟閉影響發生突變的現象,根據歷史洪水調度資料提取多種閘門泄流工況,并基于水量平衡方程,通過反推入庫流量過程線的偏差來量化泄流曲線存在的偏差,進而對泄流曲線進行率定。以烏江流域大花水電站為例,根據2015~2020年洪水調度資料,利用該方法率定了右中孔泄流曲線,通過對比分析,率定結果較為準確,與實際相符。

關鍵詞:泄流曲線率定;退水過程;水量平衡方程;大花水電站

1引言

水庫的泄流曲線是修建水庫時按設計要求根據模型試驗得出的理論值,水庫建成投運后,泄洪道施工誤差、閘門建造誤差、水的實際流態與設計流態不同等因素導致實際泄流曲線與設計值往往存在差異[1]。在電站實際調度運行中,泄流曲線的精度直接影響下泄水量的計算結果,進而影響水庫調洪演算方案和調度決策的合理性。目前針對泄流曲線的偏差校正問題主要是采用水力學公式,通過模型試驗或電站運行數據確定流量系數,從而達到率定泄流曲線的目的[2-4]。然而,對于同一種堰型采用不同的經驗公式,所得結果通常不太一致;而采用模型試驗實測流量系數法又存在率定成本過高、模型試驗與原型可能有較大差距,導致率定精度不高、率定過程費時費力等問題。鑒此,針對傳統泄流曲線率定存在的諸多問題,本文從閘門啟閉導致退水過程的入庫過程線發生陡升或陡降現象出發,探究了泄流曲線偏差與退水過程入庫流量過程線的相關關系,通過Depuit-Boussinesq退水方程對退水過程進行擬合[5],從而反推出保證滿足退水過程一般規律的水位-開度-泄水流量序列[6],并據此提出了新的泄流曲線率定方法;根據2015~2020年大花水電站歷史運行數據對其閘門泄流曲線進行率定,并利用率定曲線對實際工況進行校驗,結果表明率定的曲線精度較好,能夠指導實際泄洪閘門調度,為泄流曲線率定提供了一種新思路、新方法,且基于實際調度資料,適用性較好,對其他電站的閘門泄流曲線率定具有一定的參考價值。

2基于洪水調度資料的水庫閘門泄流曲線率定

2.1基本原理

水庫的入庫流量由上游出庫與區間降雨產匯流組成,對于首級水庫,其入庫流量退水過程可假定符合洪水退水過程規律。洪水一般分為單峰型洪水與復峰型洪水,對于不同的洪水,其退水過程都是一個平滑、穩定下降的曲線[7]。退水方程可用Depuit-Boussinesq方程表示,即:Qt=Q0e-t/τ=Q0kt(1)式中,Q0、Qt分別為0、t時刻的流量;τ為地下水蓄水量的循環周期;k為指定時段內的退水常數,0≤k≤1。在調洪調度的水利計算結果中,水庫閘門的啟閉總是導致處于退水過程的入庫流量過程線呈現陡升或陡降的規律。這是由于泄流曲線存在偏差,導致閘門開啟時,由泄流曲線查得的下泄流量不準確,進而影響由水量平衡方程反推的入庫流量結果,為此利用反推入庫流量過程線的偏差來量化泄流曲線存在的偏差,進而對泄流曲線進行率定。水庫的入庫流量一般由水量平衡方程計算,水量平衡方程表達式為:Q入=ΔV/Δt+Q發+Q泄+Q其他=[f(z1)-f(z0)]/(t1-t0)+Q發+Q泄+Q其他(2)式中,Q入為入庫流量;ΔV為電站初末庫容變化值;Q發為電站發電流量;Q泄為電站泄水流量;f(z)為庫容與水位的函數,可根據水位查詢庫容曲線得到;Q其他為電站其他出庫流量,包括引水、蒸發滲漏等。根據式(2)可知,影響計算入庫流量偏差的因素有水位測量誤差、庫容曲線偏差、發電流量偏差(NHQ曲線偏差)、泄流曲線誤差和其他流量誤差。其中,水位測量誤差與庫容曲線偏差可歸因于偶然誤差,其大小和正負都不固定,由此計算得到的入庫流量呈現波動性而不是整體抬升的規律性;發電流量一般通過水位和出力查詢NHQ曲線得到,現可通過超聲波流量計測量發電流量減小NHQ曲線帶來的偏差[8];引水流量一般由引水流量計監測得到,其偏差在合理范圍內;蒸發滲漏流量偏差可忽略不計。因此,退水過程中,入庫流量過程線陡升或陡降是由泄流曲線的偏差導致的。可通過Depuit-Boussinesq退水方程擬合退水過程,得到閘門啟閉過程的入庫流量系列,進而推求合理的閘門泄水流量值,從而達到率定泄流曲線的目的。

2.2率定步驟

閘門的泄流曲線可反映電站上游水位、閘門開度與泄水流量之間的關系,因此樣本數據需要體現電站在不同上游水位、閘門開度下對應的泄水流量。其率定步驟如下。步驟1確定閘門率定順序,一般而言,對同一閘門,其小開度的歷史運行數據多于大開度;對不同閘門,啟閉順序靠前的閘門的歷史運行數據多于啟閉順序靠后的閘門。故閘門的率定順序為:①對不同閘門,啟閉順序靠前的閘門先率定;②對同一閘門,開度小的先率定。步驟2假設電站閘門啟閉順序為G1→G2→…→Gi,閘門G1的開度為A1,A2,…,Aj。由于同一閘門不同開度、不同閘門同一開度的泄流曲線偏差不盡相同,很難確定各泄流曲線偏差比例。為排除其他泄流曲線偏差的影響,需要在歷史數據中,選出單一閘門G1單一開度A1的一段足夠長的實時監測數據資料,包括上下游水位、入庫流量、發電流量及閘門啟閉數據,時段序列記為{T1,T2,…,Tl}。步驟3以時段T1為例,根據T1的入庫流量系列判斷該閘門啟閉時段所處的退水過程段,剔除其他時段,剩余時段為T'。步驟4時段T'剔除閘門啟閉過程Tm,剩余時段為T″,以時段T″的入庫流量序列{Q入1,Q入2,…,Q入k,Q入k+m,…,Q入,n}擬合得到整個退水過程的入庫流量序列{Q'入1,Q'入2,…,Q'入n}[8],在Tm時段內的擬合入庫流量序列{Q'入k,Q'入k+1,…,Q'入k+m}減去原Tm時段的入庫流量序列{Q入k,Q入k+1,…,Q入k+m},即可得到入庫流量偏差序列{ΔQ1,ΔQ2,…,ΔQm},其平均偏差為ΔQ,假設該時段的上游水位序列為{z1,z2,…,zm},原泄流曲線為{z1,A1,Q1},{z2,A1,Q2},…,{zm,A1,Qm},則率定后的一段泄流曲線為{z1,A1,Q1-ΔQ},{z2,A1,Q2-ΔQ},…,{zm,A1,Qm-ΔQ}。步驟5選出單一閘門G1單一開度A2與組合開度A1、A2的一段足夠長的實時監測數據資料,包括上下游水位、入庫流量、發電流量及閘門啟閉數據,時段序列記為{T'1,T'2,…,T'l}。步驟6以時段T'1為例,對單一開度A2,重復步驟3、4;對組合開度A1、A2,通過步驟3得到退水過程段T'1,將率定后的A1開度的泄流曲線代入原入庫流量過程,重新計算入庫流量過程線,通過步驟4可得到一段{z'1,A2,Q'1-ΔQ'},{z'2,A2,Q'2-ΔQ'},…,{z'm,A2,Q'm-ΔQ'}泄流曲線。依此類推,可以率定多個閘門不同開度的情況。泄流曲線率定的流程見圖1。

3實例

3.1大花水電站基本情況

大花水電站是清水河干流水電梯級規劃中的第三個梯級,電站位于清水河中游,支流獨木河河口以下2.6km,開陽縣與福泉市交界處;電站距貴陽市62km,距開陽縣城45km,是一座以發電為主的水電樞紐。大花水電站壩址控制流域面積4328km2,壩址多年平均流量75.0m3/s,年徑流量23.7×108m3。電站水庫正常蓄水位868.00m,死水位845.00m,調節庫容1.355×108m3,庫容系數0.056,水庫具有不完全年調節能力。電站裝機容量為200MW,多年平均電量7.29×108kW·h。大花水電站泄流建筑物有表孔3個,泄洪表孔堰頂高程860.0m,弧型工作門13.5×8.5m(寬×高)。中孔2個,泄洪中孔底板高程805.0m,弧型工作門6.0m×7.0m(寬×高)。大花水電站的閘門啟閉順序為開啟順序,即右中孔(1~6.7m)→左中孔(1~6.7m)→全開中表孔→全開左、右表孔。關閉順序與開閘順序相反,先關閉中表孔再關閉左、右表孔,最后關閉中孔。

3.2率定結果

圖2為大花水電站2018年6月26日至7月1日計算入庫過程線,該時段內,只有右中孔閘門于2018年6月26日14:01開啟1m開度,于2018年6月27日02:02關閉,發電流量情況見圖3。由圖2、3可知,閘門開啟至閘門關閉時段內,大花水電站計算入庫過程線發生了陡升,而其發電流量并無較大差別,且大花水電站無引水需求,故該退水段入庫過程線陡升是由右中孔泄流曲線偏差導致的。去除突變點集合的退水過程擬合見圖4。Tallaksen對各種退水模擬方程進行總結后指出,盡管對退水曲線提出的公式不同,但都是基于式(1)的修訂方程[9]。因此,采用Depuit-Boussinesq退水方程對大花水電站2015~2020年的退水過程進行分析,獲得大花水電站入庫徑流過程的退水常數k為0.99。采用2015~2020年運行數據對大花水電站閘門進行率定,由于6年內大花水閘門啟閉次數較少,故只率定了右中孔1~3m開度,其他開度仍用原曲線。率定后的大花水電站右中孔1m開度泄流曲線部分結果與率定前對比見圖5。圖5中,大花水電站右中孔原曲線為設計單位最初根據投產初期河道地質條件計算的結果,其僅通過模型試驗率定得到。以2018年6月26日00:00至28日00:00為例,率定前后的大花水電站計算入庫流量過程線對比見圖6。由圖6可知,率定后的泄流曲線可以滿足退水階段入庫過、穩定下降的規律,降低了計算入庫的波動性,相比率定前的泄流曲線,率定后的泄流曲線更貼合實際。

4結論

a.本文分析了泄流曲線偏差與退水過程入庫流量過程線的相關關系,提出了基于洪水調度資料的水庫閘門泄流曲線率定方法。b.以烏江流域大花水電站為例,率定了大花水電站右中孔泄流曲線,并將率定后的曲線代入入庫過程線進行還原比較,結果表明率定后的泄流曲線更貼合實際應用,滿足水庫科學防洪調度與聯合調度的計算需求,進一步提高了水庫的管理水平。

作者：陳超 方國華 顏敏 聞昕 吳承君 張昕怡 單位：河海大學水利水電學院