烏江梯級水電站聯(lián)合優(yōu)化調(diào)度效果分析——以應(yīng)對20081106洪水為例

隋 欣，吳賽男，靳甜甜，廖文根

（國家水電可持續(xù)發(fā)展研究中心，中國水利水電科學(xué)研究院，北京 100038）

烏江是我國十二大水電基地之一，發(fā)源于貴州烏蒙山區(qū)，是中國長江上游南岸的最大支流，全長1037公里，橫穿貴州省中部，流經(jīng)7個(gè)地、州、市的25個(gè)縣（區(qū)），于重慶涪陵匯入長江。烏江的天然落差2123.5 m，水能蘊(yùn)藏量978.5萬kW，水流湍急，水力資源豐富。烏江流域位于東經(jīng)104°18′～109°22′，北緯26°07′～30°22′，流域總面積87920 km2，其中，貴州境內(nèi)為66849 km2，占76%。

貴州烏江水電開發(fā)有限責(zé)任公司（簡稱烏江公司）是我國第一家流域水電開發(fā)公司，也是國家實(shí)行“流域、梯級、滾動、綜合”的第一個(gè)案例。在貴州境內(nèi)由烏江公司建設(shè)、管理、運(yùn)營的水電站有7個(gè)，依次為洪家渡（1140m）+東風(fēng)（970m）+索風(fēng)營（837m）+烏江渡（760m）+構(gòu)皮灘（630m）+思林（440m）+沙沱（360m），總裝機(jī)容量8305MW，其中，多年調(diào)節(jié)水庫和年調(diào)節(jié)水庫各1座，季調(diào)節(jié)水庫2座，日調(diào)節(jié)水庫3座。

全球氣候變化使極端天氣發(fā)生的頻率和強(qiáng)度增大（Houghton，2001；Bolin，2003；Hansen，2005；秦大河，2007；水利部應(yīng)對氣候變化研究中心，2008；陳洪濱和范學(xué)花，2010）。極端天氣事件具有異常性、突發(fā)性、局地性特征，給人類帶來的損失也越來越大。2001年的干旱引起巴西水電發(fā)電量大幅下降，GDP隨之減少1.5%（米爾扎，2009）。極端氣象事件引起溫度、降水和風(fēng)3種氣候因子異常。在眾多極端氣象事件中，旱災(zāi)和洪澇災(zāi)害的發(fā)生頻率相對較高，并對梯級水電站的運(yùn)行產(chǎn)生深遠(yuǎn)影響。已有應(yīng)對極端天氣的水庫調(diào)度研究，多針對氣候變化對降水量和徑流量的影響（張建敏，2000；邵春等，2008；夏軍等，2008），未見應(yīng)對極端天氣的梯級水電站聯(lián)合調(diào)度的研究報(bào)道。

2008年10月底11月初，受連續(xù)強(qiáng)降雨影響，11月初洪家渡流域發(fā)生一場自1957年有實(shí)測資料以來，時(shí)間最晚的汛末洪水，洪水過程持續(xù)時(shí)間約10天（入庫500 m3/s）。洪家渡流域2日洪峰流量達(dá)到1420 m3/s，11月6日達(dá)到1680 m3/s，屬于典型的復(fù)峰洪水，主峰在后。根據(jù)《洪家渡水文系列延長及參數(shù)復(fù)核專題報(bào)告》，洪家渡11月的洪水超過200年一遇（1430 m3/s）。

表1 烏江流域2008年非汛期連續(xù)性較強(qiáng)降雨過程(mm)

本文從流域梯級水電站聯(lián)合調(diào)度角度，收集整理20081106洪水期間烏江梯級水電站運(yùn)行調(diào)度數(shù)據(jù)，綜合分析應(yīng)對洪澇災(zāi)害背景下烏江梯級水電站聯(lián)合調(diào)度效果及經(jīng)驗(yàn)，并量化識別影響烏江梯級水電站總發(fā)電量的關(guān)鍵因素，研究結(jié)果對于豐富和完善應(yīng)對極端天氣背景下梯級水電站的適應(yīng)性管理具有重要意義。

1 烏江梯級水電站應(yīng)對20081106洪水調(diào)度分析

1.1 烏江流域降雨情況

2008年10月24日～11月6日期間，烏江流域降雨為非汛期集中強(qiáng)降雨，主要特征為三次降雨過程的3日雨量均相對較大（表1）。

經(jīng)統(tǒng)計(jì)，2008年10月，洪家渡流域降雨天數(shù)達(dá)29天，僅有20日、21日兩天未降雨，累計(jì)流域平均降雨122.8 mm，比多年平均降雨量（79.9 mm）偏多54%。東風(fēng)區(qū)間流域10月的降雨天數(shù)為23天，累計(jì)流域平均降雨量113.66 mm，比同期多年評價(jià)降雨量（81.4 mm）偏多40%。烏江渡區(qū)間流域10月降雨天數(shù)達(dá)29天，僅有1日、23日未降雨，累計(jì)流域平均降雨123.79 mm。2008年11月，洪家渡流域累計(jì)流域平均降雨63.8 mm，比多年平均同期降雨量（37.3 mm）偏多71%，東風(fēng)流域累計(jì)流域平均降雨84.9 mm，比多年平均同期降雨量（40.1 mm）偏多112%。

2008年10月洪家渡和洪東區(qū)間流量比多年平均同期偏多49和41%，11月洪家渡區(qū)間流域流量比多年平均同期偏多264%，東索區(qū)間和索烏區(qū)間的差值百分率進(jìn)一步擴(kuò)大為361%和339%（表2）。

表2 2008年10～11月烏江流域各區(qū)間流量(m3/s)

1.2 烏江梯級水電站入庫流量

在10月底遭遇了洪峰流量為720m3/s的十年一遇洪水后，僅隔兩天，于11月1日又遭遇強(qiáng)降雨影響，洪家渡流量從231m3/s(1日5時(shí))緩慢起漲，至1日17時(shí)達(dá)484m3/s，其后迅猛上漲，2日4時(shí)達(dá)到峰值1420m3/s，(兩百年一遇)，其后緩慢退水，11月5日，流域又降中雨，面雨24.75mm，洪家渡流量從6日0時(shí)480m3/s再次迅速上漲，最大至1680m3/s(6日6時(shí))。據(jù)歷史資料統(tǒng)計(jì)，每年11月至次年4月，洪家渡有水文資料記錄以來還從未出現(xiàn)過洪峰流量超500 m3/s的洪水。本次洪水歷時(shí)11天8小時(shí)，洪量5.6256億m3（圖1）。

圖1 洪家渡入庫流量過程線

東風(fēng)區(qū)間流量從11月1日12時(shí)46m3/s起漲，2日13時(shí)達(dá)到600m3/s，其后逐漸退水。東風(fēng)入庫流量11月1日12時(shí)為644m3/s,逐漸緩漲至760m3/s（2日7時(shí)），受洪家渡開閘影響，2日8時(shí)增至1800m3/s，至3日12時(shí)流量維持在2000m3/s至2240m3/s之間，后入庫有所減小，受5日降雨上游開閘影響，東風(fēng)最大入庫達(dá)3064m3/s（6日9時(shí)）。歷時(shí)9天23小時(shí)，洪量9.4016億m3。

索風(fēng)營流量從11月1日19時(shí)702m3/s起漲，2日7時(shí)緩漲至860 m3/s，受東風(fēng)開閘影響，2日8時(shí)增至1369m3/s，最高達(dá)4300m3/s（6日14時(shí)）。索風(fēng)營的洪水歷時(shí)9天19小時(shí)，洪量10.8711億m3。

烏江渡區(qū)間流量從11月1日8時(shí)334 m3/s起漲，2日9時(shí)達(dá)到峰值1957 m3/s，其后逐漸退水,5日受降雨影響，區(qū)間流量迅速上漲，最大達(dá)2321m3/s(6日20時(shí))。烏江渡入庫流量11月1日8時(shí)流量540 m3/s,漲至1400 m3/s（1日10時(shí)），受索風(fēng)營開閘影響，2日13時(shí)增至1500 m3/s，其后最大達(dá)6450m3/s（11月6日17時(shí)）。烏江渡洪水歷時(shí)10天6小時(shí)，洪量15.8771億m3。

1.3 月末可用水量

2008年10月末，多年調(diào)節(jié)水庫洪家渡水庫月末可用水量比2005年10月、2006年10月、2007年10月末3個(gè)時(shí)段的平均值顯著偏多266%，東風(fēng)、索風(fēng)營和烏江渡月末可用水平比2005～2007年同期偏多40%以上。2008年11月末，洪家渡水庫月末可用水量比2005～2007年同期偏多現(xiàn)象進(jìn)一步擴(kuò)大，增至392%。20081106洪水導(dǎo)致梯級綜合10～11月月末可用水量比2005～2007年同期偏高136%和162%（見表3）。

表3 2008年10～11月烏江流域梯級水電站月末可用水量情況(億m3)

1.4 梯級水庫發(fā)電量

2008年10～11月烏江梯級水電站發(fā)電量見表4。對比表2、表3和表4結(jié)果，2008年11月洪家渡和東風(fēng)流域累計(jì)平均降雨比多年平均同期偏多71%～112%，經(jīng)烏江梯級水電站聯(lián)合優(yōu)化調(diào)度后，梯級綜合月末可用水量比2005～2007年同期偏高162%，東風(fēng)、索風(fēng)營和烏江渡電站的發(fā)電量比2005～2007年同期偏多112%、133%和210%。其中，洪家渡電站偏多值為87%，低于下游3個(gè)梯級電站。這與梯級補(bǔ)償調(diào)度有關(guān)，通過洪家渡的梯級補(bǔ)償作用，提高下游電站水位，增加下游電站和梯級綜合的發(fā)電量。

根據(jù)烏江流域來水情況、電網(wǎng)負(fù)荷需求和梯級電站運(yùn)行情況，針對20081106洪水特征，綜合分析烏江域梯級電站聯(lián)合優(yōu)化調(diào)度經(jīng)驗(yàn)，包括：

1）調(diào)度過程中，為避免索風(fēng)營水庫汛期棄水，一方面加大東風(fēng)的調(diào)節(jié)作用，另一方面提前降低索風(fēng)營水庫水位，通過錯(cuò)峰削峰等措施，在六級泄洪的情況下確保索風(fēng)營水庫汛期不棄水，確保整體梯級蓄水電能值最大。

2）預(yù)計(jì)必須棄水且洪峰未現(xiàn)時(shí)，各級水庫不宜攔蓄，需預(yù)留一定空間以便調(diào)度時(shí)有調(diào)蓄余地。

表4 2008年10～11月烏江流域梯級水電站發(fā)電量情況(萬k Wh)

3）及時(shí)攔蓄洪水，洪家渡水電站發(fā)揮龍頭電站作用，在洪水期間少發(fā)或不發(fā)電，攔蓄洪水蓄高水位。在全流域內(nèi)實(shí)現(xiàn)“統(tǒng)一調(diào)洪、分級攔蓄洪水”，有效地使最大泄洪流量降到最低，保障梯級各電站安全度汛。

4）按照“保證大壩安全、先蓄下游后上游、汛末蓄滿梯級水庫”的原則有效攔蓄洪尾，增加汛末梯級蓄水量提高梯級水庫整體蓄能。

2 烏江梯級水電站總發(fā)電量的影響因素識別

梯級調(diào)度方案的影響因素眾多，需要綜合考慮具體的調(diào)度思路、流域天氣預(yù)報(bào)、前期降雨和當(dāng)前降雨情況、未來24小時(shí)流域區(qū)間來水預(yù)報(bào)、電網(wǎng)的負(fù)荷需求情況、各梯級的當(dāng)前庫水位、當(dāng)前負(fù)荷、當(dāng)前入庫流量、各電站的機(jī)組情況、閘門運(yùn)行情況等。通常，梯級調(diào)度方案計(jì)算復(fù)雜，需要整體聯(lián)算，計(jì)算量大，人工無法完成。為方便管理、科學(xué)快速決策，管理者急需簡便的梯級電站發(fā)電量擬合模型。本文采用烏江梯級水電站聯(lián)合優(yōu)化調(diào)度實(shí)施以來的數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合分析，以確保涵蓋多種極端天氣背景，提高模型的廣泛應(yīng)用性。

多元線性回歸分析是一個(gè)有廣泛適用性的多元統(tǒng)計(jì)分析方法。應(yīng)對極端天氣背景下，梯級水電站發(fā)電量的影響因素很多,為實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)確便捷的預(yù)測與管理，本文從概率論的角度出發(fā),利用多元線性回歸方法構(gòu)建烏江梯級水電站發(fā)電量的回歸擬合數(shù)學(xué)模型，并分析各種因素對梯級電站發(fā)電量的影響程度。

表5 2009.10～2010.04烏江流域梯級電站發(fā)電量回歸方程

本文選取2005.09～2010.11期間烏江流域梯級電站總發(fā)電量(Y)，各梯級電站的月末可用水量(Q)、水位(L)、區(qū)間流量(C)、入庫流量(C1)、出庫流量(C2)和各梯級電站發(fā)電力的月運(yùn)行數(shù)據(jù)，應(yīng)用SPSS軟件開展以梯級電站總發(fā)電量為因變量，分別以各電站的Q、L、C、C1、C2為自變量的多元線性逐步回歸分析。分析結(jié)果可識別針對某個(gè)運(yùn)行指標(biāo)，各梯級電站對總發(fā)電量的影響程度。同時(shí)，為了分析單一電站5個(gè)運(yùn)行指標(biāo)對總發(fā)電量影響的重要程度，本文同時(shí)選取每個(gè)梯級電站的Q、L、C、C1、C2作為自變量，以梯級電站總發(fā)電量為因變量，進(jìn)行多元線性逐步回歸分析。由于自變量之間存在多重共線性，模擬過程中采用逐步回歸法，并選用了SPSS軟件中多重共線線診斷選項(xiàng)（Collinearity Diagnostic）?；貧w方程和標(biāo)準(zhǔn)化方程見表5，各方程均通過相關(guān)系數(shù)檢驗(yàn)和F值檢驗(yàn)。

表5表明，梯級電站5個(gè)研究指標(biāo)對梯級總發(fā)電量的影響大小依次為：出庫流量>入庫流量>區(qū)間流量>月末可用水量>水位，這些指標(biāo)的變異分別可解釋梯級發(fā)電量變異的96.9%、96.8%、83.2%、53.6%和38.7%。洪家渡水位和月末可用水量對烏江流域梯級電站發(fā)電量影響較大，而其它電站此量指標(biāo)對梯級總發(fā)電量影響不顯著。流量（包括區(qū)間流量、入庫流量和出庫流量）對梯級電站發(fā)電量的影響受到各電站之間綜合調(diào)配的影響。洪家渡入庫和出庫流量的增加均會顯著增加梯級發(fā)電量，東風(fēng)、索風(fēng)營和烏江渡的出庫流量的增加可顯著提高梯級發(fā)電量，思林的區(qū)間流量和入庫流量對梯級電站發(fā)電量有影響。構(gòu)皮灘各指標(biāo)對梯級電站發(fā)電量的影響較為復(fù)雜，在所研究的5個(gè)指標(biāo)中，除水位無影響，其它4個(gè)指標(biāo)均有影響。

3 結(jié)論及政策性建議

1）20081106洪水超過200年一遇標(biāo)準(zhǔn)，經(jīng)過烏江梯級水電站聯(lián)合優(yōu)化調(diào)度，洪家渡和東風(fēng)流域累計(jì)平均降雨在2008年10月和11月期間，分別比多年平均同期偏多40%～54%和71%～112%，經(jīng)烏江梯級水電站聯(lián)合優(yōu)化調(diào)度后，梯級綜合月末可用水量分別比2005～2007年同期偏高136%和162%，梯級綜合發(fā)電量比2005～2007年同期分別偏多9%和141%。

2）烏江梯級電站發(fā)電效益的影響因素中，出庫流量是上游水庫發(fā)電量的決定性因素；各梯級電站中，龍頭電站洪家渡的水位和月末可用水量對梯級總發(fā)電量影響較大。

3）烏江梯級聯(lián)合優(yōu)化調(diào)度經(jīng)驗(yàn)表明，與單一水電站相比，實(shí)行梯級水電站聯(lián)合調(diào)度，可實(shí)現(xiàn)調(diào)度時(shí)的全流域整體規(guī)劃，統(tǒng)一計(jì)算，統(tǒng)籌安排。聯(lián)合調(diào)度在充分利用水能資源，錯(cuò)峰、削峰、少棄水、適應(yīng)匯流時(shí)間縮短等變化、減少開閘次數(shù)，滿足梯級優(yōu)化運(yùn)行的需要等方面具有明顯優(yōu)勢。建議在重點(diǎn)推進(jìn)“十二五”期間，黃河上游、金沙江、雅礱江、大渡河、怒江、瀾滄江等流域大型水電基地建設(shè)過程中，積極采用流域梯級水庫聯(lián)合調(diào)度和管理模式。

[1]Houghton J T, Ding Y, Griggs D J, et al. The International Panel for Climate Change(IPCC)2001: The Scientific Basis[M]. Cambridge. UK, New York: Cambridge University Press, 2001: 881.

[2]Bolin B. Climate, knowledge and understanding, necessity for action in conditions ancertainness[C]// Proceedings of World Conference on Climate Change. Moscow, 2003: 9-13.

[3]Hansen J, Nazarenko L, Ruedy R, et al. Earth' s energy imbalance: Confirmation and implications[J]. Science, 2005,308: 1431-1435.

[4]陳洪濱, 范學(xué)花. 2009年極端天氣和氣候事件及其他相關(guān)事件的概要回顧[J]. 氣候與環(huán)境研究, 2010, 15(30): 322-336.

[5]貴州烏江梯級水電站水庫調(diào)度手冊[R]. 貴陽: 貴州烏江水電開發(fā)有限責(zé)任公司, 2010.

[6]米爾扎. 氣候變化對水力發(fā)電的影響[J]. 水利水電快報(bào), 2009, 30(2): 9-11, 18.

[7]秦大河, 陳振林, 羅勇, 等. 氣候變化科學(xué)的最新認(rèn)知[J]. 氣候變化研究進(jìn)展, 2007, 3(2): 63-73.

[8]邵春, 沈永平, 張姣. 氣候變化對寒區(qū)水循環(huán)的影響研究進(jìn)展[J]. 冰川動土, 2008, 30(1): 72-80.

[9]水利部應(yīng)對氣候變化研究中心. 氣候變化權(quán)威報(bào)告—IPCC報(bào)告[J]. 中國水利, 2008, 2: 38-40.

[10]夏軍, 李璐, 嚴(yán)茂超, 褚健婷. 氣候變化對密云水庫水資源的影響及其適應(yīng)性管理對策[J]. 氣候變化研究進(jìn)展,2008, 4(6): 319-323.

[11]張建敏, 黃朝迎, 吳金棟. 氣候變化對三峽水庫運(yùn)行風(fēng)險(xiǎn)的影響[J]. 地理學(xué)報(bào), 2000, 55(增刊): 26-33.