水库闸门泄流曲线率定方法研究

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摘要:针对传统泄流曲线率定方法存在的流量系数难以测定、率定成本过高的问题,结合退水阶段入库流量过程线受闸门启闭影响发生突变的现象,根据历史洪水调度资料提取多种闸门泄流工况,并基于水量平衡方程,通过反推入库流量过程线的偏差来量化泄流曲线存在的偏差,进而对泄流曲线进行率定。以乌江流域大花水电站为例,根据2015~2020年洪水调度资料,利用该方法率定了右中孔泄流曲线,通过对比分析,率定结果较为准确,与实际相符。

关键词:泄流曲线率定;退水过程;水量平衡方程;大花水电站

1引言

水库的泄流曲线是修建水库时按设计要求根据模型试验得出的理论值,水库建成投运后,泄洪道施工误差、闸门建造误差、水的实际流态与设计流态不同等因素导致实际泄流曲线与设计值往往存在差异[1]。在电站实际调度运行中,泄流曲线的精度直接影响下泄水量的计算结果,进而影响水库调洪演算方案和调度决策的合理性。目前针对泄流曲线的偏差校正问题主要是采用水力学公式,通过模型试验或电站运行数据确定流量系数,从而达到率定泄流曲线的目的[2-4]。然而,对于同一种堰型采用不同的经验公式,所得结果通常不太一致;而采用模型试验实测流量系数法又存在率定成本过高、模型试验与原型可能有较大差距,导致率定精度不高、率定过程费时费力等问题。鉴此,针对传统泄流曲线率定存在的诸多问题,本文从闸门启闭导致退水过程的入库过程线发生陡升或陡降现象出发,探究了泄流曲线偏差与退水过程入库流量过程线的相关关系,通过Depuit-Boussinesq退水方程对退水过程进行拟合[5],从而反推出保证满足退水过程一般规律的水位-开度-泄水流量序列[6],并据此提出了新的泄流曲线率定方法;根据2015~2020年大花水电站历史运行数据对其闸门泄流曲线进行率定,并利用率定曲线对实际工况进行校验,结果表明率定的曲线精度较好,能够指导实际泄洪闸门调度,为泄流曲线率定提供了一种新思路、新方法,且基于实际调度资料,适用性较好,对其他电站的闸门泄流曲线率定具有一定的参考价值。

2基于洪水调度资料的水库闸门泄流曲线率定

2.1基本原理

水库的入库流量由上游出库与区间降雨产汇流组成,对于首级水库,其入库流量退水过程可假定符合洪水退水过程规律。洪水一般分为单峰型洪水与复峰型洪水,对于不同的洪水,其退水过程都是一个平滑、稳定下降的曲线[7]。退水方程可用Depuit-Boussinesq方程表示,即:Qt=Q0e-t/τ=Q0kt(1)式中,Q0、Qt分别为0、t时刻的流量;τ为地下水蓄水量的循环周期;k为指定时段内的退水常数,0≤k≤1。在调洪调度的水利计算结果中,水库闸门的启闭总是导致处于退水过程的入库流量过程线呈现陡升或陡降的规律。这是由于泄流曲线存在偏差,导致闸门开启时,由泄流曲线查得的下泄流量不准确,进而影响由水量平衡方程反推的入库流量结果,为此利用反推入库流量过程线的偏差来量化泄流曲线存在的偏差,进而对泄流曲线进行率定。水库的入库流量一般由水量平衡方程计算,水量平衡方程表达式为:Q入=ΔV/Δt+Q发+Q泄+Q其他=[f(z1)-f(z0)]/(t1-t0)+Q发+Q泄+Q其他(2)式中,Q入为入库流量;ΔV为电站初末库容变化值;Q发为电站发电流量;Q泄为电站泄水流量;f(z)为库容与水位的函数,可根据水位查询库容曲线得到;Q其他为电站其他出库流量,包括引水、蒸发渗漏等。根据式(2)可知,影响计算入库流量偏差的因素有水位测量误差、库容曲线偏差、发电流量偏差(NHQ曲线偏差)、泄流曲线误差和其他流量误差。其中,水位测量误差与库容曲线偏差可归因于偶然误差,其大小和正负都不固定,由此计算得到的入库流量呈现波动性而不是整体抬升的规律性;发电流量一般通过水位和出力查询NHQ曲线得到,现可通过超声波流量计测量发电流量减小NHQ曲线带来的偏差[8];引水流量一般由引水流量计监测得到,其偏差在合理范围内;蒸发渗漏流量偏差可忽略不计。因此,退水过程中,入库流量过程线陡升或陡降是由泄流曲线的偏差导致的。可通过Depuit-Boussinesq退水方程拟合退水过程,得到闸门启闭过程的入库流量系列,进而推求合理的闸门泄水流量值,从而达到率定泄流曲线的目的。

2.2率定步骤

闸门的泄流曲线可反映电站上游水位、闸门开度与泄水流量之间的关系,因此样本数据需要体现电站在不同上游水位、闸门开度下对应的泄水流量。其率定步骤如下。步骤1确定闸门率定顺序,一般而言,对同一闸门,其小开度的历史运行数据多于大开度;对不同闸门,启闭顺序靠前的闸门的历史运行数据多于启闭顺序靠后的闸门。故闸门的率定顺序为:①对不同闸门,启闭顺序靠前的闸门先率定;②对同一闸门,开度小的先率定。步骤2假设电站闸门启闭顺序为G1→G2→…→Gi,闸门G1的开度为A1,A2,…,Aj。由于同一闸门不同开度、不同闸门同一开度的泄流曲线偏差不尽相同,很难确定各泄流曲线偏差比例。为排除其他泄流曲线偏差的影响,需要在历史数据中,选出单一闸门G1单一开度A1的一段足够长的实时监测数据资料,包括上下游水位、入库流量、发电流量及闸门启闭数据,时段序列记为{T1,T2,…,Tl}。步骤3以时段T1为例,根据T1的入库流量系列判断该闸门启闭时段所处的退水过程段,剔除其他时段,剩余时段为T'。步骤4时段T'剔除闸门启闭过程Tm,剩余时段为T″,以时段T″的入库流量序列{Q入1,Q入2,…,Q入k,Q入k+m,…,Q入,n}拟合得到整个退水过程的入库流量序列{Q'入1,Q'入2,…,Q'入n}[8],在Tm时段内的拟合入库流量序列{Q'入k,Q'入k+1,…,Q'入k+m}减去原Tm时段的入库流量序列{Q入k,Q入k+1,…,Q入k+m},即可得到入库流量偏差序列{ΔQ1,ΔQ2,…,ΔQm},其平均偏差为ΔQ,假设该时段的上游水位序列为{z1,z2,…,zm},原泄流曲线为{z1,A1,Q1},{z2,A1,Q2},…,{zm,A1,Qm},则率定后的一段泄流曲线为{z1,A1,Q1-ΔQ},{z2,A1,Q2-ΔQ},…,{zm,A1,Qm-ΔQ}。步骤5选出单一闸门G1单一开度A2与组合开度A1、A2的一段足够长的实时监测数据资料,包括上下游水位、入库流量、发电流量及闸门启闭数据,时段序列记为{T'1,T'2,…,T'l}。步骤6以时段T'1为例,对单一开度A2,重复步骤3、4;对组合开度A1、A2,通过步骤3得到退水过程段T'1,将率定后的A1开度的泄流曲线代入原入库流量过程,重新计算入库流量过程线,通过步骤4可得到一段{z'1,A2,Q'1-ΔQ'},{z'2,A2,Q'2-ΔQ'},…,{z'm,A2,Q'm-ΔQ'}泄流曲线。依此类推,可以率定多个闸门不同开度的情况。泄流曲线率定的流程见图1。

3实例

3.1大花水电站基本情况

大花水电站是清水河干流水电梯级规划中的第三个梯级,电站位于清水河中游,支流独木河河口以下2.6km,开阳县与福泉市交界处;电站距贵阳市62km,距开阳县城45km,是一座以发电为主的水电枢纽。大花水电站坝址控制流域面积4328km2,坝址多年平均流量75.0m3/s,年径流量23.7×108m3。电站水库正常蓄水位868.00m,死水位845.00m,调节库容1.355×108m3,库容系数0.056,水库具有不完全年调节能力。电站装机容量为200MW,多年平均电量7.29×108kW·h。大花水电站泄流建筑物有表孔3个,泄洪表孔堰顶高程860.0m,弧型工作门13.5×8.5m(宽×高)。中孔2个,泄洪中孔底板高程805.0m,弧型工作门6.0m×7.0m(宽×高)。大花水电站的闸门启闭顺序为开启顺序,即右中孔(1~6.7m)→左中孔(1~6.7m)→全开中表孔→全开左、右表孔。关闭顺序与开闸顺序相反,先关闭中表孔再关闭左、右表孔,最后关闭中孔。

3.2率定结果

图2为大花水电站2018年6月26日至7月1日计算入库过程线,该时段内,只有右中孔闸门于2018年6月26日14:01开启1m开度,于2018年6月27日02:02关闭,发电流量情况见图3。由图2、3可知,闸门开启至闸门关闭时段内,大花水电站计算入库过程线发生了陡升,而其发电流量并无较大差别,且大花水电站无引水需求,故该退水段入库过程线陡升是由右中孔泄流曲线偏差导致的。去除突变点集合的退水过程拟合见图4。Tallaksen对各种退水模拟方程进行总结后指出,尽管对退水曲线提出的公式不同,但都是基于式(1)的修订方程[9]。因此,采用Depuit-Boussinesq退水方程对大花水电站2015~2020年的退水过程进行分析,获得大花水电站入库径流过程的退水常数k为0.99。采用2015~2020年运行数据对大花水电站闸门进行率定,由于6年内大花水闸门启闭次数较少,故只率定了右中孔1~3m开度,其他开度仍用原曲线。率定后的大花水电站右中孔1m开度泄流曲线部分结果与率定前对比见图5。图5中,大花水电站右中孔原曲线为设计单位最初根据投产初期河道地质条件计算的结果,其仅通过模型试验率定得到。以2018年6月26日00:00至28日00:00为例,率定前后的大花水电站计算入库流量过程线对比见图6。由图6可知,率定后的泄流曲线可以满足退水阶段入库过、稳定下降的规律,降低了计算入库的波动性,相比率定前的泄流曲线,率定后的泄流曲线更贴合实际。

4结论

a.本文分析了泄流曲线偏差与退水过程入库流量过程线的相关关系,提出了基于洪水调度资料的水库闸门泄流曲线率定方法。b.以乌江流域大花水电站为例,率定了大花水电站右中孔泄流曲线,并将率定后的曲线代入入库过程线进行还原比较,结果表明率定后的泄流曲线更贴合实际应用,满足水库科学防洪调度与联合调度的计算需求,进一步提高了水库的管理水平。

作者：陈超 方国华 颜敏 闻昕 吴承君 张昕怡 单位：河海大学水利水电学院