南水北調(diào)中線水源區(qū)水庫聯(lián)合調(diào)度與水情預(yù)報

孔祥林 張 沙 肖 雪

(長江水利委員會網(wǎng)絡(luò)與信息中心,湖北 武漢 430010)

丹江口水利樞紐是漢江的防洪控制工程,也是南水北調(diào)中線工程的水源地,水電站是華中電網(wǎng)重要的調(diào)頻、調(diào)峰和事故備用電站。目前已建成并運用了水庫調(diào)度與水情自動化預(yù)報系統(tǒng),產(chǎn)生了較大的經(jīng)濟效益,但在洪水資源化和發(fā)電興利方面還沒有實現(xiàn)最大效益化;加之南水北調(diào)中線工程即將建成運行,樞紐的興利任務(wù)將會發(fā)生相應(yīng)的變化,枯水期恒定持續(xù)調(diào)水將是面臨的新課題。因此,丹江口水庫調(diào)度與水情自動化預(yù)報系統(tǒng)還需要進一步完善。

1 水庫調(diào)度與水情自動化預(yù)報現(xiàn)狀

丹江口水利樞紐是國內(nèi)最早開展水庫調(diào)度與水情自動化預(yù)報系統(tǒng)研究的工程之一。經(jīng)過10多年的研究開發(fā),目前已建成了丹江口水庫調(diào)度與水情自動化預(yù)報系統(tǒng)。該系統(tǒng)主要由以下部分組成。

(1)洪水預(yù)報模型子系統(tǒng)。根據(jù)丹江口水庫流域水文地理、氣象特征,按分塊流域分別應(yīng)用蓄滿產(chǎn)流和API等模型,利用地貌瞬時單位線、馬斯京根法和合成流量法,研制了考慮上游水利工程影響的入庫洪水計算方法,建立了洪水預(yù)報模型庫,實現(xiàn)了預(yù)報殘差自適應(yīng)實時校正技術(shù)、實時洪水預(yù)報綜合修正技術(shù),開發(fā)了基于圖形界面的實時交互綜合修正、模擬降雨預(yù)報等交互式標準功能模塊。主要有:經(jīng)驗產(chǎn)流洪水預(yù)報模型、蓄滿產(chǎn)流洪水預(yù)報模型、流量合成洪水預(yù)報模型、庫周區(qū)地貌單位線匯流模型、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)洪水預(yù)報模型。

(2)洪水調(diào)度模型子系統(tǒng)。研發(fā)了常規(guī)經(jīng)驗調(diào)度、優(yōu)化調(diào)度、預(yù)報預(yù)泄調(diào)度、閘門控制調(diào)度等水庫洪水調(diào)度模型,建立了丹江口水庫洪水調(diào)度模型庫,實現(xiàn)了模型與經(jīng)驗有機結(jié)合的洪水調(diào)度決策技術(shù)和多階段多目標調(diào)度方案優(yōu)選技術(shù)。用戶可依據(jù)不同的約束條件生成洪水調(diào)度方案,通過人機交互方式,靈活多樣、直觀方便地實現(xiàn)洪水模擬仿真、多方案優(yōu)選,為會商決策提供技術(shù)支持。主要有:常規(guī)經(jīng)驗調(diào)度、優(yōu)化調(diào)度、預(yù)報預(yù)泄調(diào)度、閘門控制調(diào)度、補償調(diào)度模型。

(3)興利調(diào)度模型子系統(tǒng)。研發(fā)了發(fā)電優(yōu)化調(diào)度和綜合興利調(diào)度等模塊,建立了丹江口水庫興利調(diào)度模型庫;用戶可選擇不同的邊界條件進行年、季、月、旬發(fā)電調(diào)度計劃編制和分析計算,有利于提高電站運行的經(jīng)濟效益。主要有:多種發(fā)電、灌溉的常規(guī)、優(yōu)化和交互式調(diào)度模型,短、中、長期發(fā)電計劃編制功能模塊。

(4)信息采集傳輸子系統(tǒng)。開發(fā)了基于主動數(shù)據(jù)庫的容錯、傳遞、校正與預(yù)警技術(shù),集成洪水調(diào)度模型的數(shù)據(jù)庫方法。主要包括水文電報自動接收、翻譯、存儲,遙測自動收集110個雨量站和56個水文(水位)站的水雨情,超短波、衛(wèi)星傳輸信息,自動解碼與數(shù)據(jù)核查、濾錯,水雨情動態(tài)監(jiān)視與報警,數(shù)據(jù)上傳、下載等功能模塊。

(5)數(shù)據(jù)庫管理及信息服務(wù)子系統(tǒng)。應(yīng)用分布式數(shù)據(jù)庫與主動數(shù)據(jù)庫實現(xiàn)數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)、業(yè)務(wù)系統(tǒng)的無縫集成,統(tǒng)一數(shù)據(jù)管理與基礎(chǔ)資料整編,實現(xiàn)不同層次的數(shù)據(jù)共享與基于 Internet和 Intranet的信息發(fā)布。主要包括水雨情數(shù)據(jù)處理、水雨情數(shù)據(jù)查詢、水雨情數(shù)據(jù)報表、數(shù)據(jù)圖形查詢等功能模塊。

1992年庫周邊區(qū)水情自動遙測系統(tǒng)投入運行,與氣象預(yù)報系統(tǒng)、水情信息實時處理系統(tǒng)、洪水預(yù)報調(diào)度系統(tǒng)集成為水庫調(diào)度自動化系統(tǒng),2000年,在原有系統(tǒng)的基礎(chǔ)上升級為現(xiàn)在的丹江口水庫調(diào)度決策自動化系統(tǒng)。

該系統(tǒng)功能強、復(fù)雜程度高,在水庫調(diào)度決策集成、開放性和擴展性、以業(yè)務(wù)為中心的協(xié)同工作環(huán)境、管理模塊等方面具有創(chuàng)新。在流域氣象預(yù)報、洪水預(yù)報方案研制、水庫調(diào)度模型、數(shù)據(jù)遠程實時傳輸?shù)确矫婢哂忻黠@特色。經(jīng)過幾年的穩(wěn)定運行,在防汛和發(fā)電等方面已經(jīng)取得了顯著的經(jīng)濟效益和社會效益。多年平均節(jié)水增發(fā)電量為2.058億kW?h。其中,2000年,發(fā)生7場洪水,平均洪峰預(yù)報精度為91.1%,平均洪量預(yù)報精度為 93.9%,水量利用率為91.4%,節(jié)水增發(fā)電量為 4.469億 kW?h。

2 存在的問題

(1)洪水資源最大化。目前,丹江口水利樞紐的調(diào)度方式對洪水資源化的利用還不夠完善,還沒有實現(xiàn)洪水資源最大化?，F(xiàn)行的調(diào)度方式使水庫運行豐枯不均,洪峰來時大流量泄洪,洪峰過后陷入低水位或發(fā)電死水位以下,這樣既浪費了大量的水資源,也對漢江流域生態(tài)環(huán)境帶來較大的不利影響。分析1998～2007年丹江口水庫入庫水量、出庫水量和棄水量的資料,可以看出,10a間丹江口水庫入庫水量為 3036.40億 m3,年均入庫水量為 303.64億m3,但同期泄洪棄水量高達 348.378億 m3,即有近1 a的漢江水量被白白地浪費掉了。因此,實現(xiàn)丹江口水利樞紐洪水資源最大化非常必要。

(2)發(fā)電效益最大化。目前,丹江口水利樞紐發(fā)電調(diào)度主要是針對樞紐本身,雖然已產(chǎn)生了較大的經(jīng)濟效益,但是,對分布在漢江干支流上且具有相關(guān)水文關(guān)系的水電站群進行發(fā)電聯(lián)合調(diào)度將會產(chǎn)生更大的經(jīng)濟效益。

(3)滿足枯水期恒定持續(xù)調(diào)水。目前,丹江口水利樞紐主要是進行防洪調(diào)度和發(fā)電調(diào)度,南水北調(diào)中線工程即將建成運行,枯水期恒定持續(xù)調(diào)水是面臨的新課題,要及早進行研究。

3 完善方案

3.1 水庫群洪水資源化自動聯(lián)合調(diào)度

在丹江口水利樞紐上游的漢江干支流上已建成多座梯級水庫,包括石泉、安康、喜河、蜀河(2004年11月開工,2010年建成)水電站,規(guī)劃建設(shè)的水電站有孤山子,而且還建有許多小型子水庫,在南水北調(diào)中線水源區(qū)形成了一個龐大的水庫群。如果把水源區(qū)的水庫群作為一個整體系統(tǒng)來進行聯(lián)合洪水調(diào)度,南水北調(diào)中線工程就可以發(fā)揮巨大的效益,也是對洪水實行資源化管理的最優(yōu)措施。

另一方面,丹江口水庫本身也存在洪水資源化調(diào)度優(yōu)化空間。每當(dāng)水庫大量棄水后,往往第2年庫水位就維持在低水位運行。1998～2007年,僅2005年水庫最低水位略高于死水位,其他 9 a最低水位均處于死水位以下。從各年度水情曲線的分析來看,除2000年7月22日水庫最高水位達到152m外,其他年份均低于150m。在7月20日 ～8月20日時間段,壩前庫水位均低于155 m;在 8月20日～9月 30日時間段,除2003年 9月10日庫水位達到156 m外,其余時間段均低于156 m。因此,合理確定汛限水位也是實現(xiàn)洪水資源最大化的有效手段。

對丹江口水利樞紐及上游的水庫群實施洪水資源化聯(lián)合調(diào)度,就是對水源區(qū)內(nèi)與丹江口水庫有水文關(guān)系的水庫,在不降低水庫防洪標準的前提下,綜合運用現(xiàn)代控制論、運籌學(xué)、決策理論和系統(tǒng)工程等優(yōu)化理論,結(jié)合現(xiàn)代氣象、水文預(yù)報,以基于數(shù)學(xué)規(guī)劃論的動態(tài)規(guī)劃或隨機動態(tài)規(guī)劃法,通過擇優(yōu)計算編制水庫優(yōu)化調(diào)度圖及優(yōu)化調(diào)度方案,使水源區(qū)的水庫群在保持一定安全度的前提下,通過在時空上合理分配水量,將絕大部分洪水,以丹江口水利樞紐為中心,合理地分配攔蓄在各個水庫中,以達到防洪錯峰、盡可能擴大蓄水興利之目的。

而在水源區(qū),由于區(qū)域面積較大,干流河段距離較長,使得水庫群中的各水庫發(fā)生洪水的同步程度和傳播時間存在差異,為水源區(qū)的水庫群聯(lián)合調(diào)洪,提高下游地區(qū)防洪能力和實現(xiàn)洪水資源最大化提供了可能條件。應(yīng)以具有最大庫容的丹江口水利樞紐為中心進行水源區(qū)水庫群洪水資源化聯(lián)合調(diào)度。

在丹江口水利樞紐初期工程運行期間,干流梯級水庫間的洪水聯(lián)合調(diào)度運用得不多,但與支流上黃龍灘子水庫聯(lián)合調(diào)度次數(shù)較多,且效果也不錯。

水源區(qū)水庫群洪水資源化聯(lián)合調(diào)度不等同于水庫防洪調(diào)度,它不是被動地防御洪水,而是兼顧防洪和興利效益,利用現(xiàn)代科技手段,突破設(shè)計中的部分防洪調(diào)度參數(shù)和規(guī)則,將防洪和興利相結(jié)合進行調(diào)度。不降低水庫原有的防洪標準、棄水最少,是評價水庫群洪水資源化聯(lián)合調(diào)度是否可行的唯一準則。

3.2 枯水期供水自動化聯(lián)合調(diào)度

水源區(qū)供水聯(lián)合調(diào)度是指當(dāng)?shù)そ谒畮斓乃徊荒軡M足調(diào)水要求時,需要從上游水庫群進行聯(lián)合調(diào)水,以滿足丹江口水庫的調(diào)水需要。供水聯(lián)合調(diào)度一般僅發(fā)生在枯水期,故也可稱為枯水期供水聯(lián)合調(diào)度。中線調(diào)水是丹江口水利樞紐承擔(dān)的一項重要任務(wù),盡力滿足北方的供水需求,特別是在北方正值缺水的枯水期,是實施枯水期聯(lián)合調(diào)度的目的。

聯(lián)合調(diào)水應(yīng)在上游水庫能夠滿足當(dāng)?shù)毓┧臈l件下進行,同時還應(yīng)考慮水庫中的水量和近期的降水情況。

3.3 發(fā)電聯(lián)合優(yōu)化調(diào)度

發(fā)電聯(lián)合調(diào)度是在丹江口水庫滿足防洪和供水的情況下進行。已知各水庫的入流過程及綜合利用要求,以及水庫承擔(dān)的興利任務(wù)與調(diào)度規(guī)則,有計劃地對天然匯入各水庫的流量進行蓄泄,制定出水電站及其水庫優(yōu)化運行調(diào)度計劃。

水庫群發(fā)電自動聯(lián)合調(diào)度分為長、中、短期調(diào)度。長期調(diào)度是將較長時期(1 a)的有限輸入優(yōu)化分配到較短時段(月或旬);中期調(diào)度是以日為時段,制定未來一段時期內(nèi)的發(fā)電計劃;短期調(diào)度是根據(jù)中期運行調(diào)度,結(jié)合電網(wǎng)的實際負荷需求,制定日內(nèi)各計算時段(1 h或15 min)電站的預(yù)計出力。

確定網(wǎng)內(nèi)水電站群在全年各時段的優(yōu)化運行策略(或優(yōu)化運行方式),要統(tǒng)一考慮水電站水庫彼此間的水力聯(lián)系和電力聯(lián)系;利用各水庫調(diào)節(jié)性能差異和水文不同步性進行庫容和電力補償調(diào)節(jié),以充分發(fā)揮庫群的總體效益;以水源區(qū)電站群多年運行的總效益(總發(fā)電量或總電力產(chǎn)值)最大為優(yōu)化目標;必須滿足電網(wǎng)對水電站群運行的經(jīng)濟性與可靠性要求;進行電力系統(tǒng)日負荷圖上的電力電量平衡,以保證每座電站的工作容量能得到充分利用;采用“分解協(xié)調(diào)法”、按“偏優(yōu)損失最小”原則確定每座水電站水庫的時段運行決策;由于水源區(qū)水庫群中水庫數(shù)量較多,聯(lián)合調(diào)度優(yōu)化時,可采用隨機優(yōu)化多維時空相關(guān)理論和余留效益統(tǒng)計迭代模型與算法進行求解,并繪制水電站群的優(yōu)化調(diào)度圖。

尋求在滿足電力系統(tǒng)給定總負荷及其他約束條件下的梯級電站群整體最優(yōu)聯(lián)合調(diào)度,要考慮各梯級電站間的水頭、流量具有密切聯(lián)系的特點;計入上下級電站區(qū)間徑流的補充或扣損以及水流傳播時間;分析兩相鄰梯級電站間水頭銜接程度和下一級庫水位波動對上一級電站水頭變化的影響(這種情況在丹江口水利樞紐二期工程后比較常見);以全梯級電站年發(fā)電量最多或總體電能價值最大為優(yōu)化目標;充分利用短、中、長期水文、氣象預(yù)報,選擇庫容最大、調(diào)節(jié)性能最好的“龍頭電站”作為補償水庫,并列為重點優(yōu)化計算目標;處于同一條河流、同一電網(wǎng)且數(shù)目較多的梯級電站,可采取當(dāng)作一個純水電系統(tǒng),把求解目標化簡或合并水頭的方法處理;采用計入徑流的時間、空間相關(guān)關(guān)系,建立優(yōu)化調(diào)度數(shù)學(xué)模型,應(yīng)用隨機動態(tài)規(guī)劃、增量動態(tài)規(guī)劃或多層次、多目標規(guī)劃法求解,得出各時段梯級電站整體最優(yōu)運行方式;庫群聯(lián)合優(yōu)化調(diào)度,其增發(fā)電效益比單站獨立調(diào)度更為顯著。

4 結(jié) 語

丹江口水庫調(diào)度與水情自動化預(yù)報系統(tǒng),雖然得到了良好的運用,并產(chǎn)生了較大的經(jīng)濟效益,但在洪水資源化和發(fā)電興利方面還沒有實現(xiàn)最大效益化;加之南水北調(diào)中線工程即將建成運行,樞紐的興利任務(wù)將會發(fā)生相應(yīng)的變化,枯水期恒定持續(xù)調(diào)水將是面臨的新課題。因此,丹江口水庫調(diào)度與水情自動化預(yù)報系統(tǒng)還需要進一步完善。

根據(jù)漢江水系中水庫的分布和各水庫之間的水文關(guān)系,建立以丹江口水利樞紐為中心的水庫群洪水資源化自動聯(lián)合調(diào)度、枯水期供水自動化聯(lián)合調(diào)度、發(fā)電聯(lián)合優(yōu)化調(diào)度,具有合理性和可操作性,應(yīng)該是可以實現(xiàn)的。

[1]劉 攀,肖 義,李 瑋,等.水庫洪水資源化調(diào)度初探[J].石河子大學(xué)學(xué)報,2006,(1):9-14.

[2]郭生練.水庫調(diào)度綜合自動化系統(tǒng)[M].武漢:武漢水利電力大學(xué)出版社,2000.