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乌江渡水电站产汇流分析及应用

2020-07-16 来源:独旅网
第38卷第5期2019年10月红水河

HongShuiRiverVol.38No.5Oct.2019

乌江渡水电站产汇流分析及应用

何 凡

(贵州乌江水电开发有限公司乌江渡发电厂,贵州 遵义 563104)

摘 要:乌江渡水电站位于乌江中游,为了进一步了解乌江流域产流机制,加强应对突发意外情况时对流量变化的掌控,做好乌江渡水电站防洪预报工作,笔者从产流机制、产流方法、汇流机理和汇流方法对乌江流域进行深入的分析,将蓄满产流模型应用在乌江渡水库上,借用VB编程工具计算入库流量。举例计算了2018年一场降雨产生的径流,结果与实测数据对比,误差在可接受范围内,表明此编程模型适用于乌江渡水电站。关键词:乌江渡水电站;产流;汇流;蓄满产流;超渗产流中图分类号:TV121.7

文献标识码:A

文章编号:1001-408X(2019)05-0010-05

1 概述

1.1 流域概况

流域地处湿润的亚热带季风气候区,冬季主要受北方西伯利亚冷空气影响,夏季受印度洋孟加拉湾的西南暖湿气流和西太平洋的海洋性气候影响,温润多雨,同时也因地处云贵高原,造成地势较高的高原面与地势较低洼的河谷地带的气候有明显差异。

降雨年际间变化大,年内分配不均,多年平均降雨量为1400~1600m,流域大暴雨多发生在6

Im(流域最大初损)UM(不透水面积比例)

0.0140mm

FC(稳定下渗率)WUM(上层最大缺水量)

20mm0.5mm/h

月—7月,持续时间为1~3天,昼夜温差大。7月降雨量占年降雨量的20.5%左右。降雨在时空分布很不均匀,西部为少雨地区,雨量不足1000mm,东部雨量相对较多,降雨在地区上分布呈自下游向上游递减趋势,乌江渡平均年降雨量982.1mm。流域控制面积为27790km2,共有15个雨量站且间大于白天。1.2 流域基本资料所示。

流域面积为27790km2。流域其他资料如表1

K(折减系数)WLM(下层最大缺水量)

40mm0.8

EK(蒸发系数)B(蓄水容量曲线系数)

0.250.6

从索风营到乌江渡区间集水面积为5928km2,

分布较均匀。由于受到地形影响,暴雨强度一般夜

表1 流域基础资料表

2 乌江流域产流机制

从降水(暴雨)到产生水流,接着水流汇至流域出口断面的整个过程被称为产汇流过程。这一动态物理过程错综复杂:一部分雨水以径流的形式汇集到流域出口,另一部分经由蒸散发返回大气,通常把不转化为径流的那一部分雨水称为损失。一次降雨过程的总雨量扣去损失得到径流量,也称为净雨量,这一过程就是产流[1],如图1所示。

  本文基于乌江流域现有资料,对比分析蓄满和超渗条件,进而确定乌江渡水电站所在位置的产流机制。

图1 产流过程图

2.1 超渗产流和蓄满产流2.1.1 概念

径流是在降雨、植物截留、填洼、蒸发及下渗等

  收稿日期:2019-04-25;修回日期:2019-06-06

  作者简介:何 凡(1994),女,四川南充人,工学学士,研究方向:水文水资源工程专业,E-mail:908062083@qq.com。

10

何 凡:乌江渡水电站产汇流分析及应用 

几个过程组合下产生的。

1)超渗产流:指地面径流产生的原因是同期降水量大于同期植物截留量、填洼量、雨期蒸发量及下渗量等的总和,多余出来的水量产生了地面径流。植物截留量、雨期蒸发量、填洼量一般较小,而下渗量一般较大,下渗量的时空变化一般表现为:同一种土壤情况下,土壤干燥,下渗能力强;土壤湿润,下渗能力小。产生下渗的条件是产流界面为地面(包气带的上界面)、有水源(降水)、降雨强度大于下渗能力。

2)蓄满产流:又称超蓄产流。因降水使土壤包气带和饱水带基本饱和而产生径流的方式,是降雨径流的产流方式之一。在降雨量较充沛的湿润、半湿润地区,地下潜水位较高,土壤前期含水量大,当一次降雨量大,历时长,降水满足植物截留、入渗、填洼损失后,损失不再随降雨延续而显著增加,土壤基本饱和,从而广泛产生地表径流[2]。

具体定性参数如表2所示。

表2 产流方式对比表

编号123456789

对比分析内容多年平均降雨量多年平均径流系数降雨强度

蓄满产流>1000mm>0.4大小

超渗产流<400mm<0.2小大

  4)地下径流:流域内富含大量地下水,地下水径流占整体径流比例较大。2.2.2 定量分析

1)径流系数:同一流域面积、同一时段内径流深度(R)与降水量(P)的比值称为径流系数,以小数或百分数计,表示降水量中形成径流的比例,它综合反映了流域内自然地理要素对径流的影响。计算式为:α=R/P,式中α为径流系数,R为径流深度,P为降水深度。α值在0~1之间,湿润地区α值大,干旱地区α值小。

乌江渡年径流系数=乌江渡坝上断面年径流深/乌江渡坝上断面年降雨量。运用集控系统查取3年数据如表3所示。

表3 乌江渡实测资料表

2015年2461069440415.16957.80.43345166

2016年1780837920300.41909.50.330302364

参数年径流量/m3年径流深/mm年降雨量/mm年径流系数

2017年372.4418623916.60.4063297652207835360

2.1.2 定性参数

  表2中第2行说明年径流系数大于0.4则为蓄满产流。通过表3计算结果可以看出,索风营到乌江渡区间年径流系数大于0.4,满足蓄满产流定义。

2)降雨量与流量关系:查取区间降雨以及区间断面流量做出2015年的降雨量与流量关系图,如图2所示。

流量过程线不对称系数影响产流因素表层土质结构缺水量地下径流

初始土湿度和降雨量疏松、不易超渗小、易蓄满比例大

初始土湿度和降雨强度密实、易超渗大、不易蓄满比例小与降雨强度关系密切

产流与降雨特征关系

与降雨量关系密切

2.2 乌江渡区域流域产流方式论证2.2.1 定性分析

1)多年平均降雨量:查阅资料表明流域多年2)气候:乌江流域地处湿润地区,气候暖3)表层土质结构:流域内土质疏松,透水性根据表2进行定性分析:

图2 2015年降雨量-流量相关图

平均降雨量为1400~1600mm,大于1000mm,满足蓄满产流条件。

  由图2中可看出,流量与降雨量关系密切,降雨多则流量大。且一次洪水的流量过程陡涨缓落,持续时间较长,满足蓄满产流条件。

3)统计1988年—1991年实测流域降雨量和径流深,算出径流系数,并对其进行相关性分析,结果如表4所示。图3表示降雨量与径流深两者的相关系数R2=0.6967。由表2第9行可看出,产生的径流量与降雨量关系越密切则表示其是蓄满产流,计算结果相关系数大于0.5,则表示径流量与降雨量为强相关,满足蓄满产流定义。

6月171.466.030.39

7月83.928.180.34

8月164.162.240.38

9月86.626.600.31

10月7043.200.62

11月15.117.441.15

12月30.50.910.03

一年957.8385.80.40

热,雨量充沛,汛期为5月—8月。

好,植被种类多且良好,不易发生超渗。

分类降雨量/mm

2015年

径流深/mm径流系数

1月33.913.400.40

2月19.28.840.46

表4 各年各月实测降雨径流表

3月28.88.010.28

4月75.614.530.19

5月178.796.360.54

11

 红水河2019年第5期

表4(续)

分类降雨量/mm

2016年

径流深/mm径流系数降雨量/mm

2017年

径流深/mm径流系数

1月31.811.960.3819.54.440.23

2月12.28.710.7117.75.890.33

3月72.220.330.283810.980.29

4月131.552.130.4046.68.660.19

5月61.327.190.4464.319.420.30

6月230.651.410.22283.2145.720.51

7月9397.221.0587.280.610.92

8月131.430.040.23109.332.750.30

9月19.18.450.44133.552.250.39

10月66.27.780.1283.929.120.35

11月45.29.620.2115.810.000.63

12月15.16.270.4217.511.090.63

一年909.6331.120.36916.5410.940.45

图3 降雨径流相关性分析图

 的气象条件 总结:不论是定量分析还是定性分析、下垫面条件和流量过程来看,,从流域该流域降雨径流关系具有蓄满产流的特点,按蓄满产流建立产流量预报方案。2.3 产流计算公式2.3.1 降雨量计算

面雨量的计算方法为加权平均法:在对流域基本情况(如面积、地类、坡度、坡向、海拔等)进行勘察的基础上,在每个地类上选择有代表性的地点作为降水观测点,把每个测点控制的地类面积作为各测点降水量的权重[3]。

15由现有资料得知:该地区雨量站分布均匀,有

泰森加权平均法个雨量站,乌江渡电站在修建时面雨量计算选择。15个雨量站权重系数如表5所示。

表5 15个雨量站的权重系数表

站名赫章对江洪家渡铁索桥鸭池河狮石子火石坝息烽权重0.1460.0960.0640.0980.0280.0170.0490.030站名乌江渡徐家渡

织金金沙毕节水城纳雍权重0.069

0.038

0.060

0.070

0.080

0.045

0.104

2.3.2 蒸发量计算

一般来讲,流域蒸发量主要取决于土壤蒸发量。在一定的气象条件下,裸土含水量从饱和到干燥的蒸发过程,大致呈现为图4所示的3个阶段特征。从图4可看出,蒸发随土壤含水率θ变化关系可概化为:  当θ≥θa时,

EES

=P1.0;  当θEES

a≥θ≥θb时,

=Pf(θ)=αθ;

12

  当θ<θEb时,

ES

=P

C;

式中:θa、θb为第一、第二临界点土壤含水率,ES为土壤蒸发量,EP为流域蒸发能力,C为蒸发扩散

系数,α为系数。

图4 蒸发过程图

 壤含水率不宜用于水量平衡式的产流量计算 上式表示了蒸发与土壤含水率的关系。由于土,把蒸发与土壤含水率的关系转化为与土壤含水量的关系。

三层蒸发模式按照先上层后下层的次序,具体计算为  1):

当WU+P>EP时:

EU=EP,EL=E2)当WU+P<E0,ED=0

P,WL≥C∙WLM时U=WU+P,EL=(EP-EU)WL

,:

WLM3)当WU+P<EWLM

ED=0

P,C(EP-EE时:

U)≤WL<C∙U=WU+P,EL=CE4)WU当+WUP,+EP<E(WLEP-<ECU(),EED=0P,P-EU)时:U=L=WL,ED=C(EP-EUP为降雨量,E)-EL式中:KP为流域蒸发能力(EP=E×

EC,E为水面蒸发,KC为蒸发折算系数),EU深层蒸发量,WU、WL、、ELWD、D分别为上层、下层、分别为上层、下层、深层土壤含水量,WLM为下层土壤含水容量,C为蒸发扩散系数[4]2.3.3 降雨产流量计算

蓄满产流,即任一地点上,土壤含水量达到田间持水量前,降雨量全部补充土壤含水量,不发生产流;当土壤蓄满后,其后续降雨量全部产生径流。具体流程如图5所示。

a=WMMæçWè1-(1-WM)b1+1ö÷ø

何 凡:乌江渡水电站产汇流分析及应用 

时,常常将壤中流进一步划分为两部分,快速部分和地面径流合在一起,成为直接径流;而慢速部分则和地下径流合并,统称为地下径流。3.1.2 计算公式

通过稳定下渗率FC可划分产流中的直接径流和地下径流。

图5 产流过程图

发生产流时:

1)当PE+a<WMM时,R=PE+W-WM+

(PE+a)(b+1)

WM(1-);

WMM

2)当PE+a≥WMM时,R=PE+W-WM;其中:a为初始土壤含水量,WM为流域平均需水容量,WMM为流域最大蓄水容量,W为土壤含水量,b为流域土壤含水量分布指数,PE为净雨,R为产流量。

  当PE>0时,发生产流;否则不发生产流。

  1)当PE≤FC时,RD=0,RG=R;

2)当PE>FC时,RG=FC

,RD=R-RG;PE

式中:FC为稳定下渗率,RD为直接径流,RG为地下径流。

次洪的各水源分量为:  总地下径流:RG=  总直接径流:RS=3.2 卷积差分法

差分形式算出流域出口的流量过程[5]。计算公式为:  直接径流:QS(I)=RS(I)∙U;

根据流域净雨和流域径流单位线,采用卷积的

fc∑PEi

ri

PEi>FC

PEi>FC

(PEi∑i

PEi≤FC

ri;∑i

PEiri

-fc)

3 汇流

流域内各部分径流向流域出口断面的汇集过程,称为流域汇流(见图6)。通常可以把流域分成坡地和河网两个基本部分,因此流域汇流也可以分为坡地汇流与河网汇流两部分。

地下径流:QG(I)=CG∙RG(I)∙U+(1-CG)∙

QG(I-1);总流量:Q(I)=QS(I)+QG(I);

式中:QS为地表径流流量,第一个U为单位线纵坐标,第二个U为折算系数,QG为地下径流流量,CG为Δt/(kg+0.5Δt)(其中,Δt为计算时段,kg为蓄泄系数),Q为总流量。

4 编程计算

图6 汇流过程图

3.1 划分水源3.1.1 原理

地面径流由坡面直接汇入河网,运动速度快,形成的流量过程呈陡涨陡落,是涨洪和洪峰附近流量过程的主体部分;地下径流是由渗透到浅水面的水流缓慢流出,运动速度慢,汇流时间长,变化平缓,是洪水退水尾部段流量的主要成分,且常延续至后继洪水过程中;而壤中流介于两者之间。在计算

根据上述原理,降雨到径流过程复杂,数据计算量大,选择用VB建立模型编程计算。具体程序见有关材料。

5 应用与结论

5.1 应用

利用所编程序计算2018年5月的一场降雨,原始数据如表6所示,单位线如表7所示,计算结果如表8所示。

表6 2018年5月一场降雨数据表

项目降雨量/mm索风营出库流量/(m3/s)

5月19日5月19日5月19日5月20日5月20日5月20日5月20日5月20日5月20日5月20日5月20日5月20日21:0022:0023:0000:0001:0002:0003:0004:0005:0006:0007:0008:001.367665.643

4.065789.713

4.957822.57

2.782345.632

3.290.381

2.2690.204

0.9060

0.0270

00

0.1140

00

0.358130.899

13

 红水河2019年第5期

表7 单位线表

时段(6h)

00

140

2535

3673

4548

5413

6313

7240

8181

9137

10102

1172

1247

1328

表8 计算结果数据表

项目降雨量/mm索风营出库流量/(m3/s)计算入库流量/(m3/s)

5月19日5月19日5月19日5月20日5月20日5月20日5月20日5月20日5月20日5月20日5月20日5月20日21:0022:0023:0000:0001:0002:0003:0004:0005:0006:0007:0008:001.37665.64665.64

4.07789.71789.71787.94

4.96822.57932.10763.28

2.78345.63758.38829.57

3.290.38797.90884.16

2.270.20678.43746.03

0.910.00451.60361.56

0.030.0057.201.93

0.000.0040.3236.43

0.110.0021.50169.89

0.000.001.4450.23

0.36130.90130.90127.85

系统显示入

718.64

库流量/(m3/s)

5.2 误差分析5.2.1 模型结构误差

预报方案采用的预报方法或水文预报模型都是对实际流域进行概化后建立的,例如将空间分布的水文气象要素表示成流域上平均值的处理;将水文循环过程进行人为分离,并用不同程度简化的模型予以描述等,这样不完善性处理引起的误差称为模型结构误差。5.2.2 模型参数误差

由于本文所用参数全来源于大坝年鉴资料,时间久远,甚至很多用的是大坝修建前测量的数据,不具有代表性,必然会存在误差,如若想要得到精确的预报,还需重新定参数。5.2.3 下垫面条件改变造成误差

由于年代久远和上游修建水库的影响,大坝上游河道下垫面条件早就发生改变,造成误差。5.2.4 模型输入资料误差

进行水文预报所输入的资料通常是降雨、流量和蒸发量,这些资料或由实测获得,或根据天气预

报估算得到。前者存在着测验和时段统计平均误差,后者则存在着相当大的预报误差。5.3 结论

通过实际计算,误差在要求之内,这表明蓄满产流、卷积法适用于乌江渡水电站的实际计算,遇到特殊情况(例如:入库流量数据异常、停电、断网等不可预测情况)时,可以通过本文介绍的方法计算入库流量,及时掌握最新信息,第一时间发现险情,预报水位涨势。

参考文献:

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AnalysisandApplicationofRunoffGenerationandFlowConcentration

inWujiangduHydropowerStation

HEFan

WujiangduPowerPlantofGuizhouWujiangHydropowerDevelopmentCo. Ltd. Zunyi Guizhou 563104 Abstract WujiangduHydropowerStationislocatedinthemiddlereachesofWujiangRiver.InordertofurtherunderstandthemechanismofrunoffgenerationinWujiangRiverBasin strengthenthecontrolofflowchangeinresponsetounexpectedsituations anddoagoodjobinfloodcontrolandforecastingofWujiangduHydropowerStation theauthormakesathoroughanalysisoftherunoffgenerationmechanism runoffgenerationmethod flowconcentrationmechanismandflowconcentrationmethodinWujiangRiverBasin andappliestherunoffgenerationundersaturatedconditionmodeltoWujiangduHydropowerStation andthereservoirinflowiscalculatedbyusingVBprogrammingtool.Anexampleisgiventocalculatetherunoffgeneratedbyarainfallin2018 thecomparisonbetweenthecalculatedresultsandthemeasureddatashowsthattheerrorisacceptable andtheprogrammingmodelissuitableforWujiangduHydropowerStation.

Keywords WujiangduHydropowerStation runoffgeneration flowconcentration runoffgenerationundersaturatedcondition runoffgenerationfromexcessrain14

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