尼爾基 豐滿水庫聯(lián)合調(diào)度研究

高海菊，陳 娟，曲 洋

（水利部松遼水利委員會，吉林 長春 130021）

1 基本概況

1.1 工程概況

1）尼爾基水庫。尼爾基水利樞紐位于嫩江干流中游，扼嫩江由山區(qū)丘陵地帶流入廣闊的松嫩平原的咽喉，控制流域面積為6.64萬km2，占嫩江流域面積的22.4%，多年平均徑流量為115億m3，占嫩江流域多年平均徑流量的45.7%。壩址右岸為內(nèi)蒙古自治區(qū)莫力達瓦達斡爾族自治旗尼爾基鎮(zhèn)，左岸為黑龍江省訥河市二克淺鄉(xiāng)，下距工業(yè)重鎮(zhèn)齊齊哈爾市公路里程約189 km。尼爾基水利樞紐是一座具有多年調(diào)節(jié)性能的大型綜合利用水利樞紐工程。工程建設(shè)任務(wù)以防洪、城鎮(zhèn)生活和工農(nóng)業(yè)供水為主，結(jié)合發(fā)電，兼有改善下游航運及水生態(tài)環(huán)境，并為松遼流域水資源的優(yōu)化配置創(chuàng)造條件。水庫于2000年開工建設(shè)，2010年全面竣工，并開始發(fā)揮效益。水庫總庫容86.10億m3，其中防洪庫容23.68億m3，興利庫容59.68億m3，電站共裝機4臺，總裝機容量為25萬kW。

2）豐滿水庫。豐滿水庫位于吉林市東南24 km，距第二松花江河口400 km，控制流域面積4.25萬km2，占第二松花江流域的55%，占哈爾濱以上松花江流域的14%。豐滿水庫始建于1937年，經(jīng)過20世紀50年代以來的改造、擴建，已建成以發(fā)電、防洪并重，兼有灌溉、航運、養(yǎng)殖、旅游等多功能的水利樞紐工程。水庫總庫容109.88億m3，其中興利庫容64.75億m3，死庫容27.58億m3。豐滿發(fā)電廠是東北電力系統(tǒng)主力電廠之一，總裝機12臺、容量100.4萬kW。

1.2 綜合利用要求

1）尼爾基水庫。按照現(xiàn)行的調(diào)度運用方式，尼爾基水庫主要是為水庫下游灌區(qū)和城鎮(zhèn)生活供水，承擔(dān)著齊齊哈爾50年一遇提高到100年一遇、尼爾基至齊齊哈爾市兩岸20年一遇提高到50年一遇，齊齊哈爾市以下兩岸35年一遇提高到50年一遇的防洪任務(wù)，結(jié)合發(fā)電，兼顧下游河道環(huán)境用水和航運用水。尼爾基水電站裝機250 MW，主要向東北電網(wǎng)供電，地理位置適中，可適當(dāng)承擔(dān)電網(wǎng)調(diào)峰運行。按規(guī)劃要求尼爾基水利樞紐建成后，松花江干流哈爾濱斷面保證率P=90%的通航流量提高到550 m3/s，結(jié)合松花江航道整治，滿足松花江干流Ⅲ級航道的通航標(biāo)準。尼爾基水利樞紐建成后，水庫放流應(yīng)使齊齊哈爾江段流量不小于35 m3/s，哈爾濱江段流量不小于250 m3/s。

2）豐滿水庫。豐滿水庫原以發(fā)電為主，現(xiàn)為發(fā)電、防洪并重，兼有灌溉、城市及工業(yè)用水、養(yǎng)殖和旅游等綜合利用的大型水電站，承擔(dān)著吉林市、松原市100年一遇和二松50年一遇的防洪任務(wù)，擔(dān)負著東北電網(wǎng)的調(diào)峰及長春市引水（引松入長）11 m3/s和吉林市及環(huán)境用水150 m3/s，春灌季節(jié)不小于361 m3/s（含長春市用水）的任務(wù)。

1.3 項目研究的必要性

隨著松花江流域經(jīng)濟社會的快速發(fā)展和人民生活水平的不斷提高，用水矛盾越來越突出。尼爾基、豐滿水庫分別為嫩江和第二松花江流域的控制性骨干工程，承擔(dān)著嫩江和第二松花江及松花江干流的防洪、航運、生態(tài)環(huán)境、供水等各項任務(wù)，對于解決或緩解流域各業(yè)爭水矛盾起著舉足輕重的作用。為充分發(fā)揮尼爾基、豐滿水庫的聯(lián)合調(diào)蓄和相互補償作用，通過合理調(diào)節(jié)和優(yōu)化調(diào)度嫩江、第二松花江徑流過程，提高水庫聯(lián)合運用總體效益（供水、發(fā)電與航運、生態(tài)環(huán)境），對于解決河流來水與用水之間的矛盾、興利與防洪之間的矛盾、河道內(nèi)與河道外之間的競爭性用水矛盾，以及緩解供水與發(fā)電、航運和生態(tài)環(huán)境保護之間的矛盾等，均具有十分重要的現(xiàn)實意義。因此，利用當(dāng)代的理念和先進的理論方法，重點研究和探討尼爾基、豐滿水庫的聯(lián)合調(diào)度是十分必要的。

1.4 基本原則

1）堅持“安全第一、統(tǒng)籌兼顧”的原則，在保證水庫工程安全、服從防洪總體安排的前提下，協(xié)調(diào)防洪、興利等任務(wù)及社會經(jīng)濟各用水部門的關(guān)系，發(fā)揮水庫的綜合利用效益。

2）水庫調(diào)度應(yīng)采用成熟可靠的技術(shù)和手段，研究優(yōu)化調(diào)度方案，提高水庫調(diào)度的科學(xué)技術(shù)水平。

3）堅持以水庫調(diào)度任務(wù)和要求為依據(jù)，分析確定水庫調(diào)度原則。

4）堅持以原有設(shè)計參數(shù)、指標(biāo)為準。

5）充分利用水頭和水量，提高水量利用率。

6）豐水期盡量安排多用多發(fā)，減少棄水；枯水期防止多用超發(fā)，控制水庫水位不低于死水位以下運行。

7）汛期應(yīng)嚴格執(zhí)行規(guī)定的防洪限制水位，控制水庫低于防洪限制水位運行。

8）堅持先上游后下游、先生活后生產(chǎn)以及水量平衡的原則。

各分區(qū)余缺水量=區(qū)間徑流總量-城市農(nóng)村生活用水-工業(yè)用水-農(nóng)業(yè)灌溉用水-濕地用水區(qū)間

徑流總量=本區(qū)徑流量+上區(qū)入境水量+支流入境

水量上區(qū)入境水量=上區(qū)余水量+上區(qū)回歸水量

9）采用補償供水原則。尼爾基水庫采用補償供水方式為下游供水，補償供水區(qū)間為尼爾基至塔哈、塔哈至江橋、江橋至白沙灘、白沙灘至三岔河、三岔河至哈爾濱5個水資源四級區(qū)。支流的余水匯入到相應(yīng)的干流區(qū)間，支流缺水干流不補。

2 主要成果

下文以2020年水平年為例闡述尼爾基、豐滿水庫聯(lián)合調(diào)度主要成果。

2.1 調(diào)度運行原則

2020年尼爾基水庫以供水為主，豐滿水庫以發(fā)電為主，可以滿足流域河道內(nèi)外的用水要求。經(jīng)反復(fù)的計算及分析研究，提出了滿足下游用水需求的水庫調(diào)度運行原則，考慮到豐滿水庫原有調(diào)度原則已不適應(yīng)目前的水文情勢，聯(lián)合調(diào)度報告按照45年長系列（1956—2000年）徑流資料重新調(diào)算后得到。

2.1.1 尼爾基水庫

尼爾基水利樞紐是以防洪、供水為主，結(jié)合發(fā)電的水庫，汛期興利調(diào)度服從防洪調(diào)度，在汛期控制水庫水位不超過汛限水位213.37 m運行；4至10月為補償供水期，水庫以補償供水為主，結(jié)合發(fā)電；11至翌年3月為發(fā)電供水期，水庫合理控制水庫蓄水位，根據(jù)保證出力要求適當(dāng)調(diào)整出力進行放流發(fā)電。根據(jù)上述原則，對45年徑流系列進行排頻，選取P=95%，75%左右的年份若干個，并依據(jù)擬定的各級放流目標(biāo)，推求各行業(yè)供水的初步調(diào)度線，采用45年徑流系列對水庫進行調(diào)節(jié)計算，對初步調(diào)度線進行修正，調(diào)度圖見圖1。

調(diào)度圖執(zhí)行原則：1）水庫月初水位在S4供水限制線以上。供水期按M4供水目標(biāo)放流；發(fā)電期按出力為1.8萬kW運行。2）水庫月初水位在S3供水限制線以上，S4供水限制線以下：供水期按M3供水目標(biāo)放流；發(fā)電期按出力為1.8萬kW運行。3）水庫月初水位在S2供水限制線以上，S3供水限制線以下。供水期按M2供水目標(biāo)放流；發(fā)電期按出力為1.8萬kW運行。4）水庫月初水位在S1供水限制線以上，S2供水限制線以下。供水期按M1供水目標(biāo)放流；發(fā)電期按出力為1.8萬kW運行。5）水庫月初水位在S1供水限制線以下。供水期按M0供水目標(biāo)放流；發(fā)電期按出力為1.26萬kW運行。2020年水平年尼爾基水庫放流目標(biāo)匯總見表1。

圖1 尼爾基水庫2020水平年調(diào)度圖

表1 2020年水平年尼爾基水庫放流目標(biāo) m3/s

2.1.2 豐滿水庫

2020年，豐滿水庫采用以發(fā)電為主的調(diào)度運行原則，此時電站保證出力為15.30萬kW，保證率為90%，破壞出力9.03萬kW。豐滿水庫調(diào)度圖見圖2，電力調(diào)度線見表2。

調(diào)度圖執(zhí)行原則：1）水庫月初水位在保證出力線以上，按保證出力（15.30萬kW）運行。2）水庫月初水位在保證出力線以下，按0.59倍保證出力（9.03萬kW）運行。

2.2 水庫運行特性

2.2.1 尼爾基水庫

1）水庫調(diào)節(jié)流量。尼爾基水庫入庫徑流豐枯變化較大，在45年逐月徑流中，最小月平均入庫流量為2.32 m3/s，最大入庫流量為2 940.79 m3/s，經(jīng)水庫調(diào)節(jié)后，月平均最大出庫流量為2 933.80 m3/s。水庫多年平均補償供水期放流量98.04億m3，發(fā)電供水期放流量9.06億m3。

2）出力。從電站45年逐時段出力過程線可以看出，保證出力為1.80萬kW；保證程度為90%。

3）發(fā)電量。電站多年平均發(fā)電量為5.85×108kW·h，多年平均裝機利用小時數(shù)為2 339 h。在45年中，以1975年發(fā)電量1.62×108kW·h為最小，年利用小時數(shù)為646 h，以1998年發(fā)電量9.43×108kW·h為最大，年利用小時數(shù)為3 773 h。

表2 2020水平年豐滿水庫電力調(diào)度線 m

圖2 豐滿水庫2020水平年調(diào)度圖

4）水頭。電站多年平均水頭為25.75 m，最大運行水頭為33.40 m，最小運行水頭為10.03 m，均在原設(shè)計水頭參數(shù)范圍內(nèi)。

5）棄水量及水量利用系數(shù)。尼爾基水電站在45年長系列調(diào)算時，有12個月產(chǎn)生棄水，平均年棄水量為4.85×108m3，水量利用系數(shù)為95.53%。

2.2.2 豐滿水庫

1）水庫調(diào)節(jié)流量。豐滿水庫入庫徑流豐枯變化較大，在45年逐月徑流中，最小月平均入庫流量為72.85 m3/s，最大入庫流量為1 543.75 m3/s，經(jīng)水庫調(diào)節(jié)后，月平均最大出庫流量為1 538.05 m3/s。

2）出力。從電站45年逐時段出力過程線可以看出，保證出力為15.30萬kW，保證程度為90%。

3）發(fā)電量。電站多年平均發(fā)電量為17.17×108kW·h，多年平均裝機利用小時數(shù)為1 717 h。在45年中，以1979年發(fā)電量7.60×108kW·h為最小，以1986年發(fā)電量31.76×108kW·h為最大。

4）水頭。電站多年平均水頭為62.83 m，最大運行水頭為68.09 m，最小運行水頭為47.31 m，均在原設(shè)計水頭參數(shù)范圍內(nèi)。

5）棄水量及水量利用系數(shù)。豐滿水電站在45年長系列調(diào)算時，沒有產(chǎn)生棄水，水量利用系數(shù)為100%。

3 理論創(chuàng)新

一般常規(guī)水庫采用直供的方式向水庫用水戶供水，目標(biāo)單一，水庫的供水過程線比較容易推算，若用水戶沒有其他供水水源，那么用水戶的需水量過程線就是水庫的供水過程線。然而，尼爾基水庫采用補償供水方式向下游供水，供水半徑較長，一直延伸至哈爾濱，且該區(qū)域內(nèi)降水空間分布不均，水庫匯水區(qū)與供水區(qū)的豐枯特性不一致，這些都給水庫的調(diào)度帶來了不利影響。另外，樞紐補償供水區(qū)域水系發(fā)達，有多條支流匯入，水庫不是唯一供水水源，因此水庫調(diào)度圖的編制還需進行嫩江各支流以及第二松花江的供需平衡計算，這也是本次調(diào)度工作的一大難點，與常規(guī)水庫調(diào)度圖編制存在較大差異。

鑒于上述情況，課題組研究討論后采取了下面方法加以解決。

3.1 合理選擇控制點

在進行水庫興利調(diào)度圖編制過程時將傳統(tǒng)方法進行了拓展，采用試算逐步逼近的計算方法。1）假設(shè)幾條水位控制線，控制線的條數(shù)因“庫”而異，水庫供需矛盾突出，控制線需要多些，否則，控制線少些，并確定控制線分割區(qū)域的放流目標(biāo)。本文直接采用尼爾基水庫初步設(shè)計時的調(diào)度線為初始調(diào)度線，目的在于檢驗原有調(diào)度圖的適用性。2）根據(jù)假定的控制線進行長系列徑流調(diào)算，并依據(jù)下游各用水戶需求的滿足狀況，對調(diào)度線進行調(diào)整。該步驟比較繁瑣，需要逐月尋找控制點。3）調(diào)整完后再進行長系列調(diào)算，重復(fù)上面的步驟，直到滿足下游用水需求為止。如果始終不能滿足用水需求，有可能需求過大，已超出了該水庫的調(diào)節(jié)供水能力。

3.2 逐月調(diào)整調(diào)度圖

在進行逐月修正時，按放流目標(biāo)由大到小的順序，依照以下原則逐步修正：選擇按照某級放流目標(biāo)放流的所有年份，然后分析該級目標(biāo)下是否有缺水情況：若有，則需增加該級放流目標(biāo)的值；若無，則應(yīng)分析該級放流目標(biāo)的數(shù)值是否偏大。通過對比分析分區(qū)內(nèi)各年應(yīng)放流值的差值，判斷是否需增加水位控制點。綜合考慮以上情況給出合理的放流目標(biāo)及水位控制點，并依此進行水庫的興利調(diào)節(jié)計算，根據(jù)計算結(jié)果再調(diào)整放流目標(biāo)及水位控制點，直到滿足要求為止。

綜上所述，根據(jù)長系列徑流調(diào)算結(jié)果選擇控制點，與采用典型年的方法相比，更加容易收斂，控制點的選取更有針對性，放流目標(biāo)的確定比較簡便。

4 效果評價

1）有利于保障下游各業(yè)用水要求。嫩江、第二松花江流域在松遼流域的經(jīng)濟地位顯著，區(qū)域內(nèi)有黑龍江省的哈大齊工業(yè)走廊，吉林省長吉圖經(jīng)濟區(qū)中的長春、吉林經(jīng)濟圈，廣闊的松嫩平原也分布在該區(qū)域。但是區(qū)域內(nèi)降水時空分布不均，與下游用水過程不符，供用水保證率偏低，亟需大型調(diào)節(jié)工程對當(dāng)?shù)厮Y源進行合理調(diào)度，提高水資源利用效率。尼爾基水庫和豐滿水庫實行聯(lián)合調(diào)度為下游城市群發(fā)展以及社會各界用水提供了有力保障。

2）有利于保護河流水生態(tài)環(huán)境。尼爾基水庫、豐滿水庫均承擔(dān)下游河段生態(tài)環(huán)境流量的要求，樞紐可根據(jù)河道內(nèi)生態(tài)環(huán)境需水量進行水資源配置，保證河流生態(tài)所需的下泄水量，改善河流生態(tài)環(huán)境狀況，恢復(fù)河流系統(tǒng)的生態(tài)功能。

3）有利于實現(xiàn)水資源優(yōu)化配置。該區(qū)域水資源的天然時空分布與生產(chǎn)力布局不相適應(yīng)，地區(qū)間和用水部門間爭水現(xiàn)象比較突出，尼爾基、豐滿聯(lián)合調(diào)度給該區(qū)域水資源優(yōu)化配置，提供了便利條件。

4）有利于提高下游防洪減災(zāi)能力。蓄水工程利用防洪庫容攔蓄洪水，削減進入下游河道的洪峰流量，達到減免洪水災(zāi)害的目的。尼爾基、豐滿水庫聯(lián)合調(diào)度可以實現(xiàn)流域間錯峰放流，提高了下游防洪標(biāo)準，特別減輕了下游哈爾濱市的防洪壓力。

5）有利于提高下游河段通航能力。隨著區(qū)域內(nèi)社會經(jīng)濟的快速發(fā)展，河道內(nèi)、河道外爭水現(xiàn)象越來越突出，經(jīng)濟社會常常擠占河道內(nèi)用水，航運用水保證率比較低，不能滿足通航要求。尼爾基水庫、豐滿水庫共同承擔(dān)起松花江干流三岔河口以下河段的通航任務(wù)，聯(lián)合調(diào)度后實現(xiàn)了兩個流域間水量的互補，哈爾濱以下河段通航保證率可以達到90%，滿足了航運的要求。

6）有利于保障國家糧食安全。東北地區(qū)承擔(dān)新增150.5億kg糧食生產(chǎn)能力的任務(wù)，松嫩平原是流域內(nèi)主要的糧食增產(chǎn)區(qū)之一。產(chǎn)區(qū)通過北部引嫩、中部引嫩、南部引嫩、大安灌區(qū)引水、引嫩入白以及哈達山水利樞紐引水等工程從嫩江、第二松花江干流引水。尼爾基水庫、豐滿水庫聯(lián)合調(diào)度后，減輕了河道內(nèi)與河道外用水的矛盾，為上述引水工程創(chuàng)造了更加有力的引水條件，確保了松嫩平原糧食主產(chǎn)區(qū)供水安全，保障了本地區(qū)糧食安全。

5 結(jié)語

1）水庫現(xiàn)行調(diào)度原則已經(jīng)不適應(yīng)目前的水文情勢以及下游用水要求。水庫在現(xiàn)有調(diào)度原則情況下2020年不能達到供需平衡；豐滿水庫采用現(xiàn)行調(diào)度原則保證出力僅為10.7萬kW，修正后保證出力可達到15.30萬kW。

2）2020年尼爾基水庫按照供水調(diào)度，豐滿水庫按完全發(fā)電調(diào)度，可以滿足流域內(nèi)河道內(nèi)外的用水要求。

3）尼爾基、豐滿水庫的水量利用系數(shù)分別為96%，100%，調(diào)度圖使水庫對水量的利用達到了較高的水平。

4）尼爾基、豐滿水庫均滿足初步設(shè)計時發(fā)電要求，達到設(shè)計保證出力。