国外某滨海电厂的感潮河段潮洪组合分析研究.pdf

国外某滨海电厂的感潮河段潮洪组合分析研究王春阳1，吴勇拓1，张永强2，王起峰1（1.山东电力工程咨询院有限公司,山东济南250100；2.自然资源部第一海洋研究所,山东青岛266061）摘要：感潮河段是河流与海洋相互作用与影响的区域，水位变化不仅与河流的下泄洪水有关，也与海滨的潮汐现象有关。不少地区基础水文资料十分匮乏，有些河流整个流域内都没有完整的水文资料。本文针对感潮河段涉水工程水文资料匮乏的情况，以印尼爪哇滨海电厂为实例，介绍了 HEC-RAS（HydrologlicEngineeringCentersRiverAnalysisSystem）的计算原理，应用 HEC-RAS 模型对工程所在感潮河段进行不同工况条件下水面线计算，结合区域水文条件，采用合理的模型比尺，以外海100年一遇高潮位叠加河道洪峰开展物理模型试验对计算成果进行了验证。结果表明：通过合理确定上下游水文边界条件及模型参数，工程河段水面线模拟计算结果较为可靠，为工程设计提供了可靠的水文参数。关键词：HEC-RAS；感潮河段；水面线；设计水位中图分类号：TV122文献标志码：A文章编号：1002-3682（2023）02-0188-09doi：10.12362/j.issn.1002-3682.20230106001引用格式：王春阳,吴勇拓,张永强,等.国外某滨海电厂的感潮河段潮洪组合分析研究J.海岸工程,2023,42（2）：188-196.WANGCY,WUYT,ZHANGYQ,etal.AnalysisofthetidalfloodcombinationattidalreachofcoastalpowerplantabroadJ.CoastalEngineering,2023,42（2）：188-196.感潮河段是河流与海洋的过渡地段，是河流与海洋两种动力互相作用与影响的区域，各因素的不同组合使得感潮河段的水文情势更为复杂，且特性独特。感潮河段内的水流既受内陆径流的影响，又受外海潮汐侵入的影响，是非常复杂的非恒定流。滨海地区在修建电厂、变电站等电力工程时，由于所处河段往往为感潮河段，因此设计水位的计算方法不同于一般的内陆河流。由于感潮河段同时受到径流和潮流的作用，计算感潮河段的设计水位时，要考虑洪水和潮水共同作用下水位的计算方法，求得设计频率的潮洪组合水位。目前，潮洪组合设计水位的计算方法主要有两类：一类是直接频率分析法，根据历年的最高洪水位直接进行频率分析，计算设计频率下的洪水位；另一类是将流域产汇流规律通过水位函数进行模拟，再引入影响设计洪水位的其他因素，在此基础上进行频率组合，计算设计洪水位1-4。一般而言，河段水位除与流量有关外，还受到河道断面几何形状、水面比降、冲淤变化、人工控制等影响，情况较为复杂，尤其对于感潮河段而言，还要受到潮位的顶托作用，情况更为复杂。因此，水位序列的一致性常遭到破坏，直接依据水位序列推求设计洪水位的精度可能难以得到保证。此外，这些方法需要水文断面附近的水文站、潮位站的历年实测资料，对资料的要求比较高，在无资料地区难以应用。因此，通过建立适合的水力计算模型推求河段水面线，如 Mike11、Mike21 及 HEC-RAS（HydrologlicEngineeringCentersRiverAnalysisSystem）等5-8的方法在无资料地区得到了广泛应用。本文尝试选取 HEC-RAS 模型，以国外某滨海电厂为例，在洪水、潮位资料短缺的情况下探讨其模拟计算感潮河段水面线的适用性，结合区域水文条件开展物理模型试验对计算成果进行了验证，为相应的工程设计收稿日期：2023-01-06作者简介：王春阳（1984），男，高级工程师，硕士，主要从事流域水文模拟与预报及电力工程勘测设计方面研究.E-mail：（李燕编辑）第42卷第2期海岸工程Vol.42No.22023年6月COASTALENGINEERINGJune,2023提供参数。1HEC-RAS 模型HEC-RAS 是由美国陆军工程师兵团工程水文中心研发的一种多用途、多用户网络环境中交互使用，并可以进行一维恒定流、非恒定流、二维非恒定流以及泥沙输移计算的综合模型。该模型可以对河网系统进行包含涉水建筑物的水面线分析计算，在国内外河道水面线推算中已得到广泛的应用。HEC-RAS 模型9进行河道一维恒定流水面线计算的原理基于伯努利方程，通过迭代法逐段向上（下）游推算，求出各断面的水位，其计算式为：Z2+Y2+2V222g=Z1+Y1+1V212g+he，（1）Z2、Z1Y2、Y1V2、V12、1ghe式中：分别为上、下断面水位（m）；分别为上、下断面水深（m）；分别为上、下断面平均流速（m/s）；分别为动能修正系数；为重力加速度（m2/s）；为水头损失。he2 个断面间的水头损失包括摩阻水头损失和局部收缩或扩张水头损失两部分，其计算式为：he=LSf+C?2V222g1V212g?，（2）LSfC式中：为按流量加权的河段长度（m）；为摩阻坡度；为断面扩张或收缩系数。2研究区域概况2.1地理位置用于本文研究的滨海电厂位于印尼爪哇岛西部滨海平原泥沼区，地势较低缓，地形起伏较小，地貌类型为滨海倾斜平地和潮间带。自然地面标高在0.871.88m，靠近海湾的一侧现状为废弃鱼塘、靠近陆地一侧的为荒弃稻田。Terate 河紧邻厂址南侧由西南向东北汇流，注入万丹湾；西侧山万丹湾CI Bako 河Terate 河 水文断面入海口厂址01234555830S559005593060000600301060500106053010606001060630E西侧山洪沟图1电厂厂址和周边河流地理位置及水文断面位置Fig.1Locationsofthepowerplant,thesurroundingriversandthehydrologicsection2期王春阳，等：国外某滨海电厂的感潮河段潮洪组合分析研究189洪沟自西向东汇流，于厂址西侧约 2.4km 处改道向南汇入 Terate 河中，西侧山洪沟原沟道从厂址西侧约 2.4km 至厂址近 19 号公路处西南围墙角南约 280m 折向东南方向，逐渐无明显沟形，厂址周边水系见图 1。2.2资料来源由于地处印尼偏远地区，Terate 河流域无水文测站，其邻近流域也没有流域面积相近的水文测站，水文资料十分匮乏。电厂附近的气象站为 Serang 气象站，位于电厂东南侧约 13.3km 处，该站从 1946 年开始观测，至今为止搬迁过 2 次，但其地理位置、环境变化不大。本次收集了 Serang 气象站 19462015 年最大日降雨量资料。从工程附近的典型潮位站收集了潮位观测资料，其中包括：PLN 潮位站 29d（2014 年 89 月）的潮位资料；Ciwandan 潮位站（即 Merak 港的长期潮位站）20112015 年的逐时潮位数据，其管理部门为万丹地理空间信息局（BadanInformasiGeospasial）；T1T3 短期潮位站 1 个月（2016 年 4 月 14 日5 月 16 日）潮位资料；万丹湾西侧万丹 1670MW 电厂 1 个月（2013 年 23 月）潮位资料。具体站点位置见图 2。5515545571055404.59.018 km1061210618ES6066036001060010606Ciwandan 潮位站T2 潮位站T1 潮位站万丹 1670 MW 电厂T3 潮位站PLN 潮位站潘姜岛山峰Gunung pinang杜阿岛Pulau duaPulau panjangSerang 气象站爪哇海图2工程附近气象站及潮位站位置分布Fig.2Locationsofthemeteorologicalstationsandthetidelevelstationsinthevicinityoftheproject3HEC-RAS 模型构建与边界条件3.1模型构建根据工程河段实测地形及横断面数据构建 HEC-RAS 模型。将整理转换后的断面数据和高程数据等输入软件，并在河道宽窄变化较大的区域适当加密断面，以尽可能地提高模拟计算准确性。本次计算共布设 6 个计算断面，均为实测水文断面，位置如图 1 所示。水文 5 断面至 0 断面之间河道左岸（厂址侧）为高插板式围墙，右岸目前为荒地和鱼塘，地势较为平缓，有茂密的植被，而右岸工业园区围墙目前仅到水文 5 断面处，工业园区目前正在对鱼塘区填土垫高，经现场实测目前填土标高为 2.772.91m，工业园河流交汇口围墙处地面标高 3.1m。从对工程不利角度出发，考虑 Terate 河右岸按照现状条件修筑围堤。水文 5 断面和 0 断面之间计算条件为 Terate 河右岸按照现状条件（工业园区现状场平标高）修筑围堤，左岸以电厂外围防洪墙为边界，左右岸区间为现状条件下推求水面线。由于水文 0 断面距离入海口仅约 20m，受海洋水文条件影响较大，主要来水侧考虑海洋设计高潮位，受排水导流堤及码头引堤影响，电厂排水和 Terate 河洪水190海岸工程42卷将导致入海口处海域发生壅水，入海口处流态发生变化，河道中水流受两侧人工建筑压迫，至入海口处扩散。另外，由于煤场南侧可能作为海域工程施工用地，将会垫高场地至 1.0m，且该区域可能作为二期煤场用地，需考虑工程措施实施后对厂址防洪的影响。由于占用洪水行洪通道，水位相比现状条件将会壅高，以一期煤场东南角及西南角为基准，分别沿护岸方向向河道延伸进行计算。3.2边界条件1）河道设计洪峰流量模型计算的上边界采用河道设计洪峰流量。Terate 河发源于芝勒贡（CILEGON）市西南部丘陵区，源头高程约 460m。由西南向东北流经芝勒贡（CILEGON）市，在 Kerandan 村东北约 1.7km 处汇入万丹湾。Terate 河流域无大中型水利工程，河道基本为天然河道，沿河部分河段有护砌，无防洪工程。由于 Terate 河流域无实测流量资料，因此采用暴雨资料推求设计洪水方法进行 Terate 河设计洪水计算。根据 Serang 气象站 19462015 年最大日降雨量资料，采用 P3 型和耿贝尔频率方法计算各频率最大日降雨量（图 3）。经综合分析，采用 P3 型方法计算结果较合理。1511756033599.9555215803759520255954150.113540295994552 3.33.334 50.2 0.30.5140 5080 900.012100.050.10.4203060 709599频率/%雨量/mm151753355521537595255415135295455雨量/mm频率/%(a)Serang 站最大日雨量 P3 型频率计算结果(b)Serang 站最大日雨量 Gumbel 频率计算结果日雨量序列均值 X=82.7 变差系数 Cv=0.31 偏态系数 Cs=4.5_日雨量序列均值 X=81.63变差系数 Cv=0.32_图3Serang 气象站最大日降雨量频率计算结果Fig.3CalculatedresultsofthemaximumdailyrainfallfrequencyatSerangmeteorologicalstation根据经验 24h 降雨量与日降雨量比值为 1.11.2，从工程安全角度出发，采用比值 1.2 修正最大日降雨量，修正后的 24h 最大降雨量为 199.8mm。根据印度尼西亚国家勘察和测绘协调局提供的 125000 的地形图（SLAKA125000）量算，设2期王春阳，等：国外某滨海电厂的感潮河段潮洪组合分析研究191计断面以上流域面积为 110.58km2，流域长度 L为 25.484km，流域坡降为 4.89。不同频率的设计洪水计算分别采用水科院推理公式和林平一法计算10，两者计算结果较为接近，100 年一遇采用林平一法计算结果为 292m3/s，相应洪水总量为1310104m3。计算结果如图 4 所示。2）设计潮位采用潮汐类型数 F 划分潮汐类型，F 计算公式如下：F=HK1+HO1HM2+HS2，（3）HK1HO1HM2HS2式中：、分别为 K1、O1、M2、S2分潮的振幅。F 的不同范围代表不同的潮汐类型：F0.25 为半日潮；0.25F1.50 为混合潮（半日潮为主）；1.50F3.00 为全日潮。由式（3）计算得到，巽他海峡 Ciwandan 站（2014 年 8 月 22 日9 月 19 日）：F=0.35；Ciwandan 站（2011 年 1 月 1 日2015 年 12 月 31 日）：F=0.48；巽他海峡口万丹 1670MW 电厂：F=1.001.09；T1 站：F=0.87；万丹湾工程区 T2 站：F=2.00；PLN 站：F=0.39；万丹湾东侧T3 站：F=3.56。由此得出，Ciwandan 为半日潮混合潮，T1 站亦是半日潮混合潮，表明在海峡的口门处，半日潮占比重较大；但至 T3 站处，则体现出全日潮混合潮的特征。需特别指出的是，对电厂厂址而言，PLN 站 2014 年 89 月为半日潮，而 2016 年 4 月 T2 站则接近全日潮，表明万丹湾同时受两股潮汐的影响，处在半日潮和全日潮的过渡区，厂址潮汐性质较为复杂。在资料充足的条件下，重现期水位可通过多年极值资料采用 P3 型或耿贝尔曲线进行回归推算，但由于本工程海域缺乏 20a 以上的极值潮位资料，根据累加影响水位变化的多种因素综合推算，考虑大潮平均高、低潮位、风增（减）水、季节变化和海平面上升，综合确定万丹湾海域天然状态下 100 年一遇设计高潮位为 1.51m。在万丹湾天然状态下设计高潮位基础上，考虑电厂建成后取排水构筑物造成的局部壅水影响，模型下边界输入 100年一遇高潮位为1.71m。3）河道综合糙率HEC-RAS 软件可根据断面不同水位（水深）或不同地类设置糙率。根据现场调查分析与综合分析类比，确定河道综合糙率如下：现状条件下选取糙率主河槽 0.0270.032、滩地 0.040；扩建条件下选取糙率主河槽 0.0270.032、滩地 0.0400.043。4物理模型试验4.1模型概况物理模型设计采用大比尺、小变率的形式（表 1），平面比尺为 100，垂直比尺为 30，变率为 3.3。考虑到外海潮流、海流主向均与宽渠道基本垂直，模型外海采用清水，即使不考虑悬沙运动。采用局部动床，其他区域采用定床。Terate河无上游来沙资料，考虑到保障工程安全，对Terate河上游采用清水下泄的形式。0501001502002503003500102030t/h40506070流量/(m3s1)100 年一遇50 年一遇20 年一遇图4Terate 河各频率设计洪水计算结果Fig.4CalculatedresultsoftheflooddesignedfortheTerateRiverunderdifferentfrequencies192海岸工程42卷表1模型主要比尺Table1Mainscaleofthemodel比尺名称比尺数值比尺名称比尺数值水平比尺100冲淤时间比尺91.57垂直比尺30流速比尺5.48变率3.3糙率比尺0.97沉速比尺1.64时间比尺18.26起动流速比尺5.48潮量比尺0.3106含沙量比尺0.27流量比尺1.641044.2潮位验证物理模型中的潮位验证资料采用2016年4月2526日、2006年4月2122日、2006年4月1718日的同步大、中、小潮的潮位实测数据。通过模型调试及重复验证，模型中对上述潮位资料进行验证，潮位过程与原型吻合较好，相位一致，高潮位和低潮位平均差值均在0.04m以内，验证结果满足现行海岸河口潮流泥沙模拟技术规程11要求。以 T1、T2 两个站点的大潮验证过线为例，如图 5 所示。0.60.4潮位/m0.2014:00 17:00 20:00 23:00 02:00时刻(a)T1 站(b)T2 站05:00 08:00 11:00 14:000.2实测值模拟值0.40.60.60.4潮位/m0.2014:00 17:00 20:00 23:00 02:00时刻05:00 08:00 11:00 14:000.2实测值模拟值0.40.6图5大潮潮位验证过程线Fig.5Curvesofspringtidelevelverification4.3模型特征工况对于电厂而言，当Terate河行洪时，河道水面上涨，对电厂排水口以及电厂和堆场的防洪墙可能产生不利影响。鉴于此，采用外海100年一遇高水位1.51m叠加 Terate河100年一遇洪峰（292m3/s）进行洪水期河道水面高程试验。模型试验结果见表 2 中的泥面方案。表2扩建条件下各水文断面不同频率设计水位Table2Designedwaterlevelwithdifferentfrequenciesateachhydrologicsectionaftertheexpansion方式频率设计水位/m5 断面4 断面3 断面2 断面1 断面0 断面HEC-RAS 模型1%2.472.412.372.332.211.71物理模型（泥面方案）1%2.302.152.01注：空白处表示无数据。2期王春阳，等：国外某滨海电厂的感潮河段潮洪组合分析研究1935模型试验结果对比分析5.1HEC-RAS 模型与物模试验结果建立 HEC-RAS 模型，根据实测断面和河道形状概化河网，计算不同工况下工程河段水面线，结果如表 2 所示。水文 5 断面、3 断面处的 100 年一遇洪水位分别为 2.47m、2.37m。5.2结果分析从物模试验结果来看，工程在外海100年一遇高水位、Terate河道下泄100年一遇洪水条件下，各水位测点均有一定程度的壅高。根据现场查勘，区域内最大降水年份为 1989 年，当时遭遇大雨，由于河道泄洪能力差、涨潮等综合原因，该区域遭遇了严重洪涝灾害，一般积水深度在 1m 左右。经判断 5 号断面上游约 600m处有洪痕点多处，综合确定历史最高洪水位为 2.11m。现状条件下断面 HEC-RAS 模型设计洪水位与物模试验结果基本一致，经分析主要是过水断面受压缩导致的，相比 1989 年，现状条件下 Terate 河左岸有电厂防洪墙，右岸有工业园区围堤，改变了河口水域的局部流场，建构筑物减小了 Terate 河行洪断面面积，河口行洪时受工程的影响，导致水位有所抬升。综上所述，利用 HEC-RAS 模型计算洪水位的结果与模型试验验证的结果具有较好的一致性，成果可靠。因此，在无资料地区应用 HEC-RAS 模型进行河道水面线计算工程设计提供可靠的参数。6结论及建议本文针对印尼某滨海发电工程，基于暴雨资料推求设计洪水方法和累加影响水位变化的多种因素方法推求海域天然状态下设计高潮位，利用 HEC-RAS 模型，对水文资料匮乏地区的感潮河段设计水位推算进行了尝试，结合区域水文条件，采用合理的模型比尺，以外海100 年一遇高潮位叠加河道洪峰开展物理模型试验对计算成果进行了验证，结果表明，HEC-RAS 模型在无资料地区进行感潮河段潮洪组合的计算中成果可靠，主要结论如下。1）以 P3 型和耿贝尔频率两种方法对 Serang 气象站最大日降雨量资料进行频率分析计算，并采用水科院推理公式和林平一法推求 Terate 河设计洪水，确定频率 1%的洪峰流量为 292m3/s。2）通过合理概化 HEC-RAS 模型上下游水文边界条件及模型参数，工程河段水面线模拟计算与物模试验结果具有较好的一致性，无资料地区应用 HEC-RAS 模型进行河道水面线计算的结果较为可靠。3）在无资料地区，由于资料的不完整、缺失等限制因素，设计水位的计算精度受影响较大，建议在综合考虑各种因素的前提下采用多种方法进行计算，使设计水位的计算结果更加合理。参考文献(References)：孙秀玲.感潮河段桥位处设计水位求算的频率组合法J.山东交通科技,1998(2):24-26.SUNXL.Frequencygroup method for calculating design water level at bridge position of tidal reachJ.Shandong Jiaotong Keji,1998(2):24-26.1黄国如,芮孝芳.感潮河段设计洪水位计算的频率组合法J.水电能源科学,2003(2):72-74.HUANGGR,RUIX2194海岸工程42卷F.DesignfloodwaterlevelfortidalreachwithfrequencycombinationmethodJ.WaterResourcesandPower,2003(2):72-74.李世举,周建伟,白领群.感潮河段潮洪组合设计水位计算方法研究J.人民黄河,2006(10):33-34,45.LISJ,ZHOUJW,BAILQ.Designwaterlevelcalculationmethodoftide-floodcombinationintide-sensingreachJ.Yel-lowRiver,2006(10):33-34,45.3王起峰,王春阳.频率组合法在潮洪组合水位计算中的应用研究J.山东科学,2010,23(2):71-75.WANGQF,WANGCY.AnapplicationoffrequencycombinationmethodintideandfloodwaterlevercalculationJ.Shan-dongScience,2010,23(2):71-75.4胡进宝,蒋雪琴,韦小辉.EHP和HEC-RAS计算水位差异分析J.山西建筑,2020,46(23):164-166.HUJB,JIANGXQ,WEIXH.AnalysisonthedifferenceofcalculatedwaterlevelbetweenEHPandHEC-RASJ.ShanxiArchitec-ture,2020,46(23):164-166.5张冲.HEC-RAS一维恒定流模型在水面线计算中的应用研究J.河南科技,2020,39(35):68-70.ZHANGC.Re-searchonapplicationofHEC-RASone-dimensionalconstantflowmodelinwatersurfacelinecalculationJ.Jour-nalofHenanScienceandTechnology,2020,39(35):68-70.6陈肖.HEC-RAS在水面线计算中的应用J.智能城市,2020,6(7):237-238.CHENX.ApplicationofHEC-RASinwatersurfacelinecalculationJ.IntelligentCity,2020,6(7):237-238.7沈红丽,高成.基于MIKE11和AHP法的感潮河段防洪潮方案研究J.三峡大学学报(自然科学版),2020,42(1):36-41.SHENHL,GAOC.ResearchonfloodtidecontrolplanningoftidalriverbasedonMIKE11modelandAHPJ.JournalofChinaThreeGorgesUniversity(NaturalSciences),2020,42(1):36-41.8BRUNNERGW.HEC-RASriveranalysissystemhydraulicreferencemanual(Version4.0)M.US:HydrologicEngineeringCenterofUSArmyCorpsofEngineers,2008.9国家能源局.DL/T50842021电力工程水文技术规程S.北京:中国计划出版社,2021.NationalEnergyAdmin-istration.TechnicalcodeofhydrologyforelectricalpowerprojectsS.Beijing:ChinaPlanningPress,2021.10交通运输部天津水运工程科学研究所.海岸与河口潮流泥沙模拟技术规程:JTS/T23122010S.北京:人民交通出版社,2010.TianjinResearchInstituteforWaterTransportEngineering,M.O.T.Technicalregulationofmodellingfortidalcurrentandsedimentoncoastandestuary:JTS/T23122010S.Beijing:ChinaCommunica-tionsPress,2010.11AnalysisoftheTidalFloodCombinationatTidalReachofCoastalPowerPlantAbroadWANGChunyang1，WUYongtuo1，ZHANGYongqiang2，WANGQifeng1（1.Shandong Electric Power Engineering Consulting Institute Co.,Ltd.,Jinan250100,China；2.First Institute of Oceanography,MNR,Qingdao266061,China）Abstract:Thetidalriverreachisanareawheretheriverandtheoceaninteractandinfluenceeachother.Thechangeofwaterlevelinthisareaisrelatednotonlytothedischargefloodofriver,butalsotothenearshoretidalphenomenon.Inmanyareasthebasichydrologicaldataisveryscarceandevennocompletehydrologicaldatacanbefoundintheentiredrainagebasinofsomerivers.Ashydrologicaldataforwadingprojectsarelackinthetidalriverreaches,theJavaCoastalPowerPlantinIndonesiaistakenasanexampletointroducethecalculationprincipleofHEC-RAS(HydrologlicEngineeringCentersRiverAnalysisSystem).AndtheHEC-RASmodelisusedforcalculatingunderdifferentworkingconditionsthewatersurfaceprofilesofthetidalriverreacheswhere2期王春阳，等：国外某滨海电厂的感潮河段潮洪组合分析研究195theprojectislocated.Combiningwiththeregionalhydrologicalconditionsandusingareasonablemodelscale,thecalculatedresultsareverifiedbyaphysicalmodeltestcarriedoutbysuperimposingtheriverfloodpeakandthehightidelevelencounteredoncein100-yearinthesea.Theresultsshowthatbydeterminingreasonablytheupstreamanddownstreamhydrologicalboundaryconditionsandthemodelparameters,thesimulatedresultsofthewatersurfaceprofilesofthetidalriverreachesarereliable.Thiscanprovidereliablehydrologicalparametersforengineeringdesign.Keywords:HEC-RAS；tidalriverreach；watersurfaceprofiles；waterleveldesignReceived:January6,2023196海岸工程42卷