某水电站泄洪水流对下游取水口影响的数值模拟

某水电站泄洪水流对下游取水口影响的数值模拟

吴华明1曾淑婷2王立杰3

1.中国电建集团中南勘测设计研究院有限公司41001；2.中国电建集团中南勘测设计研究院有限公司

摘要：为明确某水电站建成后泄洪水流对坝下取水口水流条件的影响，采用mike21水动力模拟软件建立了该水电站建成前后的二维数学模型。研究表明，各级流量下，天然水流与泄洪水流差异最为明显的河段在消力池后500m的范围内，泄洪水流的流速值总体较天然河道水流的流速值偏大2m/s以上，水位偏高0.5m以上。因取水口距消力池超1000m，计算成果表明，各级流量下，取水口处的水位壅高未超0.05m，最大流速增加率未超过天然水流流速的15%。研究表明泄洪水流对取水口处的水流条件影响较小，不影响取水口的正常取水。

关键词：泄洪；取水口；壅高值；流速

1.前言

某水电站位于喀麦隆境内，是该国第一大河干流规划的第1级，距首都雅温得约56km。坝址控制流域面积约76000万km2，多年平均流量1000m3/s。电站采用坝式开发，以发电为主要目标，水库正常蓄水位462.00m，死水位461.00m，总库容1.52亿m3，电站设计水头31.5m，装机300MW，多年平均发电量1900GW.h。

该水电站下游约1500m处拟建一取水工程，供当地的生产生活用水，如该水电站建成后对下游的水位、流速产生较大影响，将不利于该取水工程的正常取水，因此有必要对该水电站的泄洪演进过程进行评估，以确定其泄洪对下游取水口的影响。

因该工程为国际工程，必须采用国际所认可的技术方法[1-4]，基于此本研究采用了国际通用的mike21水动力模拟软件开展模拟研究。

2.二维水动力模型

2.1模型建立

模型河道范围应能够充分反映工程所在河段的河势特征，并在其上、下游预留足够长的调整过渡段，以满足计算河段的水流流态和流速流向的相似要求。根据数学模型的技术要求及工程附近河段河势、地形的具体特征，确定模型范围：天然河道从坝址上游1000m至坝下6000m，模拟河段总长约7000m；泄洪河道从坝址至坝下6000m。详见图1及图2。

二维水力学模型网格剖分采用不规则三角形网格[5-6]，对泄水建筑物及取水口区域进行局部加密，天然河道条件下共剖得网格57485个，电站建成条件下共剖得网格65436个，网格平均面积50m2，最大网格面积100m2，最小网格面积20m2。具体网格剖分方案见图3及图4。

2.2边界及参数选择

根据模块对边界条件的需求，可区分为开放边界及实体边界，开放边界条件通常在河道上下游河段断面，实体边界条件则为沿河道的岸壁。边界条件给定如下：

a）进口边界：给定总流量；

b）出口边界：出口断面一般布置在河道顺直、单一、无特殊流态（如回流等）的河段，并在出口断面上给定沿河宽分布的水位流量关系；

c）岸边界：岸边界无水流进出边界，处理方式可分为滑动边界条件（即假设沿边界的切线应力为零）和不滑动边界条件（即假设沿边界的流速为零）。本文计算中取非滑移边界，即u=0，v=0；

d）动边界：由于天然河流平面形态不规则，平面二维水流数值模拟对不规则岸线的处理可根据计算区域平面形态具体情况采用三角形离散计算区域。天然河道的岸边界因水位变化而变，数值模拟计算宜采用干湿判别法的动边界处理技术，当单元平均水深不小于给定最小水深时，整个单元作为湿单元参与计算，否则整个单元视为干单元，不参与计算，按线性插值调整参与计算的单元个数。

e）为了保证模型与原型河道的阻力相似，对河床糙率进行了分段及分高程设置，确定河床的糙率值为0.035~0.045。

3.模拟结果分析

为了充分对比该水电站建成前后天然河道水流与泄洪河道流水力指标的差异，本研究分别对比了万年一遇洪水、百年一遇洪水及两年一遇洪水（常遇洪水）时下游河道的水流指标，从而确定泄洪水流对下游取水口的影响。

3.1万年一遇洪水的对比

该水电站坝址至坝下600m处河道坡降变化大，水位下降快，流速较急，水流流态较为紊乱。从坝下600m后，河道比降趋于平缓，水位变化趋缓，水流流速降低，流态较为平稳。

由图5~图8可看出，泄洪水流与天然水流的差异主要集中在坝下0+700m之前，水面线及流速差异较大。在取水口附近，天然河道水流与泄洪河道水流的主要水力指标已经趋于一致。通过图9的对比发现，消力池后500m范围内，泄洪水流水面线较天然水流水面线高0.8m以上，流速明显偏大；至消力池后1000m，泄洪水流水面线较天然水流水面线偏大值降至0.1m以下，流速偏大率降至15%以下。

在取水口附近，泄洪水流水面线较天然河道水面线略有壅高，但壅高值未超过0.05m；泄洪水流的流速值较天然河道的流速值整体略有增大，但最大增大值未超过0.3m/s，最大增大率也只有15%左右。整体而言，泄洪水流对引水口附近的流场改变较小，不影响取水口的取水。

3.2百年一遇洪水的对比

泄洪频率1%（5467m3/s）条件下，该加水电站坝址下游流态与0.01%频率条件下基本相同，水面变化略缓，流速略小，整体流态略趋平稳。

该流量下泄洪水流与天然水流的差异与0.01%洪水流量下基本一致。通过图10的对比发现，消力池后500m范围内，泄洪水流水面线较天然水流水面线高0.7m以上，大部分点流速偏大3m/s以上；至消力池后1000m，泄洪水流水面线较天然水流水面线偏大值降至0.1m以下，流速偏差在15%以内。

在取水口附近，泄洪水流水面线较天然河道水面线略有壅高，但壅高值未超过0.04m；泄洪水流的流速值较天然河道的流速值整体略有增大，但最大增大值未超过0.3m/s，最大增大率也只有15%左右。其对引水口影响与0.01%洪水流量时基本一致。

图10百年一遇洪水消力池后沿程水面线对比图

3.3两年一遇洪水（常遇洪水）的对比

泄洪频率50%（3436m3/s）条件下，该水电站坝址下游流态与0.01%、1%频率条件下基本相似，水面变化更缓，流速更小，流态总体平稳。

通过图11对比发现，消力池后500m范围内，泄洪水流水面线较天然水流水面线高0.5m以上，大部分点流速偏大2m/s以上；至消力池后1000m，泄洪水流水面线较天然水流水面线偏大值降至0.1m以下，流速偏差在10%以内。

在取水口附近，泄洪水流水面线较天然河道水面线略有壅高，但壅高值未超过0.03m；泄洪水流的流速值较天然河道的流速值整体略有增大，但最大增大值未超过0.2m/s，最大增大率也只有10%左右。其对取水口影响较1%洪水流量时更小。

图11两年一遇洪水消力池后沿程水面线对比图

4.研究结论

通过对某水电站天然河道水流及泄洪水流的二维演进分析，发现了该水电站泄洪水流演进的基本规律，主要结论如下：

各级流量下，纳提加水电站坝址至坝下600m处河道坡降变化大，水位下降快，流速较急，水流流态较为紊乱。从坝下600m后，河道比降趋于平缓，水位变化趋缓，水流流速降低，流态逐渐趋于平稳。

各级流量下，天然水流与泄洪水流差异最为明显的河段在消力池后500m的范围内，泄洪水流的流速值总体较天然河道水流的流速值偏大2m/s以上，水位偏高0.5m以上。至消力池后1000m，泄洪水位较天然水位偏高值降至0.1m以下，泄洪水流流速较天然水流流速的偏大率降至15%以下，一般偏大值未超0.5m/s。

各级流量下，在取水口附近，泄洪水流水面线较天然河道水面线略有壅高，但壅高值均未超过0.05m；泄洪水流的流速值较天然河道的流速值整体略有增大，但最大增大值未超过0.3m/s，其中100年一遇以上洪水最大增大率也只有15%左右，常遇洪水最大增大率仅有10%左右。总体而言泄洪水流对取水口处的水流条件影响较小。

参考文献

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