“水質(zhì)控制”在甌江梯級混合型水庫調(diào)度中的應(yīng)用

呂仲成 王樹平

（1.浙江省電力公司緊水灘水力發(fā)電廠，浙江麗水 323000；2.中國水電顧問集團(tuán)成都勘測設(shè)計研究院，成都 610072）

水質(zhì)良好是河流生態(tài)健康的重要標(biāo)志.河流的水質(zhì)因子包括營養(yǎng)鹽、溶解氧、pH值、透明度、水溫等.河流水質(zhì)因子的失衡，會影響水生生物的生長、發(fā)育、繁殖、行為及分布，并直接威脅著人類的用水安全［1].

1 甌江梯級水庫簡介

甌江位于浙江省南部，總流域面積17 800余km2，水能資源十分豐富.經(jīng)有序地開發(fā)水能資源，甌江主干流相繼建設(shè)了緊水灘、石塘、玉溪、開潭、五里亭、外雄梯級水電站，支流建設(shè)了灘坑大型水電站，總裝機(jī)超過1 200MW，是浙江電網(wǎng)負(fù)荷的重要組成部分.近年來，隨著社會經(jīng)濟(jì)建設(shè)步伐的加大，甌江梯級水庫綜合利用功能呈多元化發(fā)展，已遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出了電站設(shè)計初時的綜合利用要求.梯級水電站又被新賦予鄉(xiāng)鎮(zhèn)生活供水、工業(yè)供水、農(nóng)村飲水等綜合利用要求，對水庫的水質(zhì)有較高的要求，給電站發(fā)電計劃和調(diào)度帶來困難.

2 “水質(zhì)控制”研究背景

在甌江主干流水庫中，緊水灘水庫處于龍頭，為國家大Ⅰ型水庫，電站是以發(fā)電為主，兼有防洪、灌溉、航運及發(fā)展養(yǎng)殖等綜合效益的工程，在電網(wǎng)中擔(dān)負(fù)系統(tǒng)調(diào)峰、調(diào)相及事故備用任務(wù)，并為下游日調(diào)節(jié)電站提供徑流調(diào)節(jié)效益.庫區(qū)擁有30余km2的水面，水庫水質(zhì)清新、溶氧豐富，素有“浙南明珠”的美譽(yù)，這為開發(fā)旅游和發(fā)展?jié)O業(yè)養(yǎng)殖提供了優(yōu)良的條件，是促進(jìn)地方經(jīng)濟(jì)增長，提高當(dāng)?shù)孛癖娊?jīng)濟(jì)收入和改善生活質(zhì)量重要環(huán)境資源.為此，當(dāng)?shù)卣膭罘龀謳靺^(qū)群眾發(fā)展?jié)O業(yè)生產(chǎn)，并規(guī)劃發(fā)展網(wǎng)箱養(yǎng)殖面積5.9萬m2.2009年緊水灘水庫上游庫面出現(xiàn)大面積藍(lán)藻污染，緊水灘水庫水質(zhì)的富營養(yǎng)化引起了社會的高度關(guān)注.經(jīng)調(diào)查，造成緊水灘水庫上游庫段水質(zhì)富營養(yǎng)化的因素主要是網(wǎng)箱養(yǎng)殖迅速發(fā)展，大量餌料投放，不可避免帶來的水質(zhì)污染.

緊水灘水庫下游玉溪水庫是一座典型的鄉(xiāng)鎮(zhèn)生活供水、工業(yè)供水、農(nóng)村飲水、防洪、發(fā)電等綜合利用功能水庫.在本次緊水灘水庫大面積藍(lán)藻污染事件發(fā)生后5個月間，緊水灘電站通過控制發(fā)電，抬高水位凈化水質(zhì)等措施，下游石塘水庫、玉溪水庫并沒有發(fā)生藍(lán)藻污染，玉溪水庫的水質(zhì)仍能達(dá)到供水要求.經(jīng)分析，緊水灘水庫屬大Ⅰ型水庫，水庫通過沉淀降解等對污染物有較強(qiáng)的凈化作用，入庫水質(zhì)或上游庫區(qū)水質(zhì)雖然不能滿足要求，但經(jīng)過水庫凈化后出庫水質(zhì)有所改善，能滿足下游的水質(zhì)要求.

針對緊水灘水庫大面積藍(lán)藻污染事件，如果投入大量的人力、物力進(jìn)行全面綜合治理，其成本巨大.在水庫上游流域內(nèi)實施水資源保護(hù)規(guī)劃無疑會限制當(dāng)?shù)亟?jīng)濟(jì)建設(shè)，而限制過度還有可能引發(fā)激烈的社會矛盾，因此限制到何種程度則是需要深入研究的課題，就當(dāng)前而言，利用水庫調(diào)度來緩解水質(zhì)惡化，防止水華現(xiàn)象發(fā)生是有效途徑.2009年浙江電網(wǎng)在地方政府有序控制網(wǎng)箱養(yǎng)殖的基礎(chǔ)上，利用水庫自凈能力采取污染物總量控制的方法，開展梯級混合型水庫水質(zhì)調(diào)度研究，以達(dá)到水質(zhì)保護(hù)與經(jīng)濟(jì)發(fā)展雙贏的效果.

3 “水質(zhì)控制”應(yīng)用原理

水庫的富營養(yǎng)化都有其主要營養(yǎng)物質(zhì)源，可歸結(jié)到某一個或多個化學(xué)元素.而水庫營養(yǎng)物質(zhì)量的多少，既受入庫負(fù)荷影響，又與浮游植物的生長、底泥營養(yǎng)物質(zhì)釋放速率、水體中營養(yǎng)物質(zhì)的沉降及水深等有關(guān)，其濃度變化可根據(jù)質(zhì)量守恒方程得到.營養(yǎng)物質(zhì)質(zhì)量守恒方程為［2]

式中，V（t）為水庫蓄水量；QI（t）、QO（t）分別為時段入庫、出庫流量；CI（t）、C（t）為入庫、出庫濃度；K為降解系數(shù).因此，要想通過水量水質(zhì)統(tǒng)一調(diào)度，改善水庫水質(zhì)環(huán)境，就須從營養(yǎng)物質(zhì)質(zhì)量守恒方程出發(fā)，通過控制水庫蓄水量或蓄水位，使得出庫營養(yǎng)物質(zhì)的濃度滿足城市用水水質(zhì)要求.

在緊水灘水庫的現(xiàn)實調(diào)度中，防汛效益和電網(wǎng)調(diào)度需求都位于首要的位置，只有當(dāng)防汛和電網(wǎng)調(diào)度對緊水灘電站都沒有特殊要求的情況下，才可考慮進(jìn)行水庫的水質(zhì)優(yōu)化調(diào)度.因此，將水質(zhì)元素濃度作為邊界值植入發(fā)電調(diào)度計算原理中是最合理的.

3.1 計算原理

其基本思想是梯級所有水庫入庫流量和初期富營養(yǎng)物質(zhì)濃度給定的情況下，計算水庫入庫流量富營養(yǎng)物質(zhì)在具凈化功能水庫凈化和區(qū)間流量匯入后的濃度，通過控制梯級水庫出庫流量過程，使優(yōu)化模型在滿足優(yōu)化目標(biāo)和常規(guī)邊界約束條件的同時，確保下游控制點水庫的富營養(yǎng)物質(zhì)濃度能滿足水質(zhì)要求.

甌江梯級中玉溪水庫為鄉(xiāng)鎮(zhèn)生活供水、工業(yè)供水、農(nóng)村飲水供水水庫，也是本水質(zhì)調(diào)度模型中需進(jìn)行水質(zhì)控制的水庫.模型中，可以通過上游水庫的出庫流量控制，使玉溪水庫富營養(yǎng)物質(zhì)濃度達(dá)到國家分類水域的地面水質(zhì)供水標(biāo)準(zhǔn)最低值以下，即玉溪水庫的水質(zhì)達(dá)到供水要求，同時，水質(zhì)調(diào)度模型能在滿足水質(zhì)調(diào)度要求的基礎(chǔ)上，制定發(fā)揮甌江梯級水庫聯(lián)合調(diào)度效益的優(yōu)化調(diào)度方案，包括考慮水質(zhì)調(diào)度的梯級庫群發(fā)電量最大、發(fā)電收益最大和調(diào)峰電量最大等.

3.2 計算模型

梯級水庫群調(diào)度的目標(biāo)函數(shù)為

式中，Ni，t為i電站t時段平均出力；Δt為t時段步長；θi，t為i電站t時段效益因子，在庫群發(fā)電量最大模型中恒等于1，在發(fā)電收益最大模型中為上網(wǎng)電價，在調(diào)峰電量最大模型中則為典型負(fù)荷參數(shù).

水質(zhì)約束條件為：玉溪水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)約束

式中，ct為玉溪水庫t時段富營養(yǎng)物質(zhì)濃度；c標(biāo)為水質(zhì)污染控制標(biāo)準(zhǔn)值.

各水庫富營養(yǎng)物質(zhì)質(zhì)量守恒約束

式中，Vt、Vt＋1為水庫t時段初、末蓄水量；Cbt、Cet為t時段初、末富營養(yǎng)物質(zhì)濃度；k為降解系數(shù)；WIt為水庫t時段入庫水量；WOt為水庫t時段出庫水量.

其他常規(guī)約束條件包括：水量平衡約束，可用水量約束，水庫允許最高最低水位約束，水庫綜合利用要求約束，水流傳遞約束，水電站群出力帶寬約束，機(jī)組運行約束，電站最大最小出力約束，各水庫的最大最小出庫約束，其他邊界約束.

目標(biāo)結(jié)果：梯級各電站考慮水質(zhì)調(diào)度的各項調(diào)度結(jié)果過程.

3.3 計算步驟

Step1：根據(jù)龍頭水庫入庫洪水預(yù)報和梯級區(qū)間徑流預(yù)報，自上而下逐電站進(jìn)行單庫優(yōu)化計算，除了滿足常規(guī)水量平衡外，還需滿足富營養(yǎng)物質(zhì)質(zhì)量守恒約束.

Step2：按DPSA法進(jìn)行梯級各水庫間的協(xié)調(diào)優(yōu)化，梯級上下游之間除了考慮水力聯(lián)系外，還應(yīng)計算上下游的富營養(yǎng)物質(zhì)傳遞，并在最下游的玉溪水庫判斷其是否滿足水質(zhì)控制標(biāo)準(zhǔn)，若滿足則繼續(xù)按原目標(biāo)優(yōu)化，若不滿足則對目標(biāo)函數(shù)給予適當(dāng)懲罰后再按原目標(biāo)優(yōu)化，直至優(yōu)化目標(biāo)收斂.

3.4 其他說明

事實上，模型模式綜合了水位控制、出庫控制、出力控制、水庫調(diào)度圖等模式的混合控制方法，各算法之間以水位進(jìn)行銜接聯(lián)系，即本時段末水位作為約束條件

式中，Zmin，t，Zt，Zmax，t為水庫t時段的最小水位約束、時段水位和 最 高 水位約束；Qout，min，t，Qout，t，Qout，max，t為水庫t時段的最小出庫約束、時段出庫流量和最大出庫約束；Nmin，t，Nt，Nmax，t為電站t時段的最小出力約束、時段出力和最大出力約束.各時段可以任意配置不同計算模式，該各模式算法如下.

3.4.1 水位控制模式

控制各時段的時段末水位值，通過水量平衡計算出庫流量，在考慮水頭受阻、電站、電站機(jī)組可用臺數(shù)等情況下，將全部水量用來發(fā)電（可適當(dāng)扣除考慮航運等綜合用水情況），多余的水才為棄水；當(dāng)來水滿足不了水位控制要求時，按實際來水計算水位.針對某時段，計算步驟如下：

Step1：確定電站出力系數(shù)、時段初水位、時段末控制水位、時段平均入庫流量等.

Step2：計算時段初、末庫容，并根據(jù)水量平衡方程求得時段平均出庫流量.

Step3：計算尾水位，進(jìn)而求得時段凈水頭，并以該出庫流量作為時段平均發(fā)電流量.

Step4：根據(jù)機(jī)組可用臺數(shù)和凈水頭確定電站的最大容量（可用機(jī)組總預(yù)想出力）.

Step5：根據(jù)N＝KQH計算時段平均出力.

Step6：判斷時段平均出力是否超過電站最大容量，若超過最大容量，則按最大容量發(fā)電，并以Q＝N／（KH）重算發(fā)電流量，多余部分流量作為棄水；若未超過則停止計算.

3.4.2 出庫流量控制模式

控制各時段的出庫流量，將全部水量利用來發(fā)電，當(dāng)全部滿發(fā)后，多余的水量為棄水；當(dāng)水位突破上下限約束時，按實際上下線水位控制，重新擬定本時段的出庫流量用來發(fā)電.

3.4.3 出力控制模式

控制各時段的出力，在水位沒有達(dá)到最高水位時，按無棄水原則反算水庫水位，異常情況考慮以下幾個方面：1）由于水頭或裝機(jī)限制電站發(fā)電滿足不了給定出力時，按限制出力發(fā)電；2）當(dāng)水位低于最低水位時，按最低水位控制發(fā)電；3）當(dāng)水位高于最高水位時，按最高水位進(jìn)行控制，出力為給定出力，多余的水為棄水.

3.4.4 水庫調(diào)度圖模式

按時段初水位控制原則，根據(jù)時段初水位在調(diào)度圖中的位置決定本時段的出力，按無棄水原則反算電站出力，并考慮如下調(diào)度規(guī)則：1）當(dāng)時段末水位超過最高水位時，按最高水位控制，全部水量用來發(fā)電；2）當(dāng)水位低于最低水位時，按最低水位進(jìn)行控制安排發(fā)電.

計算步驟如下：Step1：確定時段初水位，并在調(diào)度圖上查出對應(yīng)出力作為該時段平均出力；Step2：按出力計算方式計算各時段末水位和時段平均出庫流量；Step3：循環(huán)以上兩步，逐時段計算.

4 “水質(zhì)控制”應(yīng)用

由于緊水灘水庫年內(nèi)來水極不均勻，水庫來水主要集中在4～9月份.根據(jù)營養(yǎng)物質(zhì)質(zhì)量守恒方程，當(dāng)來水豐富的時候，應(yīng)抬高水庫控制水位，充分發(fā)揮水庫的凈化作用，一般水庫的出庫水量水質(zhì)都能達(dá)到質(zhì)量要求；在枯水期來水少的時候，也是緊水灘水庫水位較低的時候，水庫營養(yǎng)物質(zhì)的濃度往往會高于平時，甚至城市用水要求，其出庫水量的水質(zhì)也不能達(dá)到要求.玉溪水庫因其承擔(dān)城市供水的功能，因此庫區(qū)不準(zhǔn)養(yǎng)殖，區(qū)間的來水水的質(zhì)量也較高，可通過玉溪區(qū)間來水進(jìn)行稀釋緊水灘、石塘兩水電站的出庫水量（在枯水期緊水灘和石塘兩站的發(fā)電一般較少，容易稀釋），使庫區(qū)水質(zhì)達(dá)到供水要求.

5 其他水質(zhì)控制措施

1）根據(jù)庫區(qū)的自然條件如水的流速、水的交換量、庫區(qū)底質(zhì)等多方面因素，科學(xué)分析，確定水環(huán)境條件和生態(tài)系統(tǒng)所能支撐的庫區(qū)漁業(yè)養(yǎng)殖容量，并合理布局，科學(xué)合理的投放餌料，統(tǒng)籌養(yǎng)殖、防洪、供水安全，確保甌江流域龍頭緊水灘水庫的水資源、水環(huán)境、水生態(tài)全面、協(xié)調(diào)、可持續(xù)發(fā)展.

2）網(wǎng)箱養(yǎng)殖中廢棄的網(wǎng)箱，在水體中自然降解非常緩慢，自然降解不能充分完成，將導(dǎo)致水質(zhì)進(jìn)一步劣化；若不控制，水庫水質(zhì)會逐漸惡化，最終導(dǎo)致水庫失去自我調(diào)節(jié)能力.因此加強(qiáng)宣傳，對養(yǎng)殖戶進(jìn)行相關(guān)的法律教育，及時清理養(yǎng)殖所產(chǎn)生的垃圾，并加強(qiáng)監(jiān)督管理，保持庫面清潔.

3）為了確保網(wǎng)箱養(yǎng)殖的可持續(xù)發(fā)展，保障合法養(yǎng)殖戶利益和防洪安全，執(zhí)法單位應(yīng)該加強(qiáng)庫區(qū)巡查，堅決取締未經(jīng)審批就開展網(wǎng)箱養(yǎng)殖的養(yǎng)殖戶.

4）加強(qiáng)水質(zhì)監(jiān)測，并修訂防水質(zhì)污染的各項預(yù)案，落實各項技術(shù)保障措施，加強(qiáng)監(jiān)督力度，提高應(yīng)急處置能力.

6 結(jié) 語

根據(jù)浙江省甌江流域的自然地理和氣候特點，切實抓好水庫調(diào)度、洪水調(diào)度、水情監(jiān)測預(yù)報，提高水情預(yù)報精度，延長預(yù)見期，為防汛和興利調(diào)度科學(xué)決策提供依據(jù)，對地方經(jīng)濟(jì)的發(fā)展、環(huán)境的污染、防洪的安全進(jìn)行全面分析，充分認(rèn)識防洪安全和地方經(jīng)濟(jì)發(fā)展的重要性，立足自身抓重點，實現(xiàn)甌江流域水庫的優(yōu)化調(diào)度，才能促進(jìn)人和自然的和諧發(fā)展.

［1]李振海.典型綜合利用水庫水環(huán)境問題及污染控制措施——以張峰水庫為例［J].中國水利水電科學(xué)研究院學(xué)報，2007，5（1）：21－25.

［2]邵東國.綜合利用水庫水量水質(zhì)統(tǒng)一調(diào)度模型［J].水利學(xué)報，2000（8）：10－15.