基于綜合調(diào)度的三峽水庫(kù)汛末蓄水研究

左 建，陸寶宏，2，顧 磊，朱從飛，甄億位，劉 歡，臧冬偉

(1.河海大學(xué)水文水資源學(xué)院，江蘇南京210098；2.河海大學(xué)水文水資源與水利工程科學(xué)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，江蘇南京210098；3.東?？h水務(wù)局，江蘇連云港222300)

基于綜合調(diào)度的三峽水庫(kù)汛末蓄水研究

左 建1，陸寶宏1，2，顧 磊3，朱從飛1，甄億位1，劉 歡1，臧冬偉1

(1.河海大學(xué)水文水資源學(xué)院，江蘇南京210098；2.河海大學(xué)水文水資源與水利工程科學(xué)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，江蘇南京210098；3.東海縣水務(wù)局，江蘇連云港222300)

三峽水庫(kù)新增抗旱和生態(tài)功能，其汛末蓄水時(shí)間和方式的選定不僅要考慮防洪、發(fā)電、航運(yùn)等效益，還需兼顧下游抗旱補(bǔ)水和生態(tài)用水需求。據(jù)此，擬定三種提前蓄水方案，綜合考慮三峽水庫(kù)五大功能利用要求，根據(jù)1954年～2007年9月～11月的長(zhǎng)系列歷史徑流資料，采用長(zhǎng)系列操作法從年均發(fā)電量、年均棄水量、10月底蓄滿率、防洪風(fēng)險(xiǎn)率、通航率及生態(tài)需水滿足率等六方面對(duì)蓄水時(shí)間和蓄水方式進(jìn)行了綜合評(píng)判。計(jì)算出不同評(píng)價(jià)指標(biāo)的權(quán)重及不同蓄水方案的加權(quán)歐氏距離。結(jié)果表明，三峽水庫(kù)自9月中旬開(kāi)始連續(xù)蓄水是汛末最優(yōu)蓄水策略，防洪、抗旱及通航效益均達(dá)到最大，在充分利用9月天然來(lái)水增加發(fā)電量的同時(shí)，9月～11月的生態(tài)需水滿足率也均超過(guò)了80%。

蓄水；抗旱補(bǔ)水保證率；生態(tài)需水滿足率；防洪風(fēng)險(xiǎn)率；綜合調(diào)度；三峽水庫(kù)

0 引 言

三峽水庫(kù)是一個(gè)大型的綜合性水利樞紐，以防洪為主，兼顧發(fā)電和航運(yùn)[1- 3]。目前，國(guó)務(wù)院批準(zhǔn)三峽水庫(kù)新增抗旱功能，與防汛處于同等地位[4]。其在防洪、發(fā)電、航運(yùn)和抗旱補(bǔ)水方面發(fā)揮重大社會(huì)經(jīng)濟(jì)效益的同時(shí)，通過(guò)其調(diào)度盡可能地減小對(duì)下游生態(tài)系統(tǒng)的影響，受到越來(lái)越多的關(guān)注。

三峽水庫(kù)汛末蓄水方式和開(kāi)始蓄水時(shí)間直接影響水庫(kù)綜合效益的發(fā)揮。目前，三峽水庫(kù)汛末提前蓄水研究主要考慮防洪、發(fā)電、航運(yùn)及汛末蓄滿率等方面。李義天等[5]提出了9月分旬控制蓄水，解決三峽水庫(kù)提前蓄水帶來(lái)的防洪問(wèn)題。彭?xiàng)畹萚6- 9]得到了不同設(shè)計(jì)洪水頻率下9月各旬壩前水位限制值及最高水位超過(guò)其限制水位的風(fēng)險(xiǎn)率。李英海等[9]從面向下游抗旱補(bǔ)水需求出發(fā)，提出了改進(jìn)的三峽水庫(kù)汛末提前蓄水方案，并對(duì)改進(jìn)的汛末蓄水方式進(jìn)行了比較。劉心愿等[10]建立了優(yōu)化蓄水調(diào)度模型，得到了三峽水庫(kù)優(yōu)化蓄水調(diào)度圖。李雨等[11]從風(fēng)險(xiǎn)率和風(fēng)險(xiǎn)損失率兩方面建立了三峽水庫(kù)提前蓄水防洪風(fēng)險(xiǎn)分析模型。李瓊芳等[12]分析了五種典型年來(lái)水條件下，不同提前蓄水方案對(duì)下游最小生態(tài)徑流量的滿足度。郭文獻(xiàn)等[13- 14]提出了針對(duì)保護(hù)中華鱘和四大家魚的三峽水庫(kù)下泄環(huán)境流量的生態(tài)目標(biāo)。但尚未見(jiàn)綜合考慮三峽水庫(kù)五大功能綜合效益的提前蓄水方案研究。鑒于此，本文根據(jù)三峽水庫(kù)防洪、發(fā)電、航運(yùn)、抗旱及生態(tài)五大功能綜合利用要求，從年均發(fā)電量、年均棄水量、10月底蓄滿率、防洪風(fēng)險(xiǎn)率、通航率及生態(tài)需水滿足率等評(píng)價(jià)指標(biāo)出發(fā)，對(duì)不同汛末蓄水方案進(jìn)行調(diào)度計(jì)算與比較分析，在計(jì)算得到各評(píng)價(jià)指標(biāo)權(quán)重的基礎(chǔ)上，由最小加權(quán)歐氏距離準(zhǔn)則得出了最優(yōu)汛末蓄水時(shí)段。

1 研究方法

1.1 三峽水庫(kù)原設(shè)計(jì)調(diào)度方案

根據(jù)三峽水庫(kù)原設(shè)計(jì)調(diào)度方案，6月10日到9月30日按防洪限制水位145 m運(yùn)行，10月1日開(kāi)始蓄水(10.1方案)，10月底蓄至正常高水位175 m。然而，9月汛期結(jié)束后，10月長(zhǎng)江中下游基本進(jìn)入枯水季節(jié)，天然來(lái)水量逐漸減少，此時(shí)攔蓄上游來(lái)水，三峽水庫(kù)不僅存在蓄不滿的問(wèn)題，而且不能充分發(fā)揮水庫(kù)對(duì)中下游的抗旱補(bǔ)水功能；同時(shí)長(zhǎng)江干流水情特性發(fā)生了變化，不能完全滿足河道內(nèi)生態(tài)需水量，影響河流生態(tài)系統(tǒng)的健康和穩(wěn)定。

9月份處于汛期，天然來(lái)水量較大，若能將蓄水時(shí)間提前至9月份，充分利用9月份的天然來(lái)水，不僅可以減少棄水，提高發(fā)電水頭，增加發(fā)電量；還能提高水庫(kù)的汛末蓄滿保證率。然而，9月份來(lái)水波動(dòng)較大，其上旬仍然有發(fā)生較大洪水的可能性。因此，針對(duì)不同的提前蓄水方案，對(duì)影響水庫(kù)不同功能的蓄水指標(biāo)進(jìn)行分析是必不可少的。由于每年10月和11月是珍稀魚類中華鱘的產(chǎn)卵期，對(duì)來(lái)水流量較為敏感，本文的研究時(shí)段定為9月～11月。

本文根據(jù)三峽水庫(kù)常規(guī)調(diào)度圖，擬定三種不同的提前蓄水方案，將起蓄時(shí)間分別定為9月1日(9.1方案)、10日(9.10方案)、20日(9.20方案)，由1954年～2007年9月～11月的長(zhǎng)系列歷史徑流資料，在嚴(yán)格滿足提前蓄水約束條件及下游抗旱補(bǔ)水流量限制的條件下，由汛限水位145 m均勻蓄水至正常高水位175 m，若不能在10月底蓄水至正常高水位，則繼續(xù)蓄水，直到水庫(kù)蓄滿。從年均發(fā)電量、年均棄水量、10月底蓄滿率、防洪風(fēng)險(xiǎn)率、通航率及生態(tài)需水滿足率等不同蓄水評(píng)價(jià)指標(biāo)出發(fā)，對(duì)提出的汛末蓄水方案進(jìn)行調(diào)度計(jì)算與比較分析，著重比較了提前不同天數(shù)對(duì)不同月份下游生態(tài)需水滿足率的影響程度，并分析了產(chǎn)生這種現(xiàn)象的原因。

1.2 提前蓄水約束條件

水量平衡約束：

Vi+1=Vi+(Qrk-R)×ΔT

(1)

水庫(kù)庫(kù)容約束：

Vmin≤V≤Vmax

(2)

式中，Vi+1，Vi分別為時(shí)段末和初的水庫(kù)蓄水量，m3；Qrk為入庫(kù)流量，m3/s；R為下泄流量，m3/s；△t為時(shí)段長(zhǎng)，s；Vmin、Vmax分別為水庫(kù)最低和最高水位所對(duì)應(yīng)的的最小和最大庫(kù)容。

出力約束：

Pmin≤P≤Pmax

(3)

其中，Pmin、Pmax分別指的是水電站的保證出力499萬(wàn)kW和預(yù)想出力1 820萬(wàn)kW。

水位漲落約束：考慮茅坪溪防護(hù)大壩及三峽庫(kù)區(qū)的地質(zhì)災(zāi)害治理要求，三峽水庫(kù)24 h內(nèi)的水位不宜驟漲驟落。在蓄水過(guò)程中，水庫(kù)24 h內(nèi)的水位漲幅不超過(guò)3 m，水位降幅不超過(guò)0.6 m。

通航流量要求：為使長(zhǎng)江中下游具備暢通的航運(yùn)條件，葛洲壩下游最低通航水位為39 m，其對(duì)應(yīng)的最小下泄流量應(yīng)滿足5 000 m3/s。

下游抗旱補(bǔ)水流量要求：長(zhǎng)江流域在三峽水庫(kù)蓄水期間基本進(jìn)入枯季，為滿足三峽水庫(kù)對(duì)下游的抗旱補(bǔ)水功能的要求，9月的最小下泄流量應(yīng)不低于8 000～10 000 m3/s，本文偏安全考慮，取9月份的最小下泄流量不低于10 000 m3/s，10月上中下旬的下泄流量分別不低于8 000、7 000、6 500 m3/s。

下游生態(tài)補(bǔ)水流量要求：10月、11月是珍稀魚類中華鱘的產(chǎn)卵期，對(duì)流量量級(jí)較為敏感。9月、10月和11月的最小下游生態(tài)補(bǔ)水流量應(yīng)分別不低于12 500、10 500、6 370 m3/s。

防洪水位限制：根據(jù)枝江下游百年一遇的控制流量要求，9月上中下旬的壩前最高水位分別不超過(guò)160、168、170 m，10月、11月的壩前水位不超過(guò)175 m。

1.3 提前蓄水評(píng)價(jià)指標(biāo)

年均發(fā)電量。發(fā)電效益以各年9月、10月及11月多年平均總發(fā)電量來(lái)表示。即

(4)

式中，n為計(jì)算的年數(shù)，n=54；m為9、10、11月的天數(shù)，m=91；△t為時(shí)段長(zhǎng)；Pi，j為第i年蓄水期第j天的三峽水庫(kù)的出力。

年均棄水量。棄水損失以9、10、11月多年平均棄水量來(lái)表示。即

(5)

式中，Wi，j為第i年蓄水期第j天的三峽水庫(kù)的棄水量。

防洪風(fēng)險(xiǎn)率。防洪風(fēng)險(xiǎn)以各時(shí)段水位超過(guò)壩前限制水位的頻率表示。即

R=[#(Zi,j≥Z限)/mn]×100%

(6)

式中，Z限為壩前水位限制值；#(.)為滿足括號(hào)內(nèi)條件的次數(shù)。

通航率。航運(yùn)效益以滿足下游最小通航量的概率表示。即

Rs=[#(Qck(i,j)≥Qship)/mn]×100%

(7)

式中，Qck(i，j)為第i年蓄水期第j天的三峽水庫(kù)的出庫(kù)流量；Qship為滿足通航要求的最小流量，取5 000 m3/s。

此外，這三種產(chǎn)融模式其實(shí)內(nèi)含著一個(gè)遞進(jìn)式的關(guān)系，服務(wù)型產(chǎn)融模式是我國(guó)產(chǎn)融結(jié)合發(fā)展的基礎(chǔ)模式；而投資型模式則代表著產(chǎn)融結(jié)合從內(nèi)部服務(wù)向外部拓展，實(shí)現(xiàn)企業(yè)多元化發(fā)展；最后就是企業(yè)集團(tuán)將自身基礎(chǔ)業(yè)務(wù)與金融業(yè)務(wù)相結(jié)合建立一個(gè)體系完整且相對(duì)獨(dú)立的金融機(jī)構(gòu)體系。

10月底蓄滿率。蓄滿率以各年10月底水庫(kù)蓄水位達(dá)到正常蓄水位175m的概率表示。即

Rf=[#(Z(i,end)=Zmax)/n]×100%

(8)

式中，Z(i，end)為第i年蓄水期10月31日的三峽水庫(kù)的蓄水位；Zmax為正常蓄水位175 m。

生態(tài)需水滿足率。分別以9月、10月及11月每月的平均下泄流量滿足最小生態(tài)需水量的概率表示。即

R=[#(Qck(avg)≥Q生態(tài))/n]×100%

(9)

式中，Qck(avg)為平均下泄流量；Q生態(tài)為最小下泄補(bǔ)水流量。

一個(gè)理想的汛末蓄水方式，是在減小防洪風(fēng)險(xiǎn)的同時(shí)，盡可能發(fā)揮水庫(kù)興利效益，使在滿足下游抗旱補(bǔ)水需求的條件下盡可能提高水庫(kù)的發(fā)電效益、航運(yùn)效益、生態(tài)效益及汛末蓄滿率。

1.4 綜合評(píng)價(jià)方法

基于綜合調(diào)度的三峽水庫(kù)汛末蓄水方案的確定，是一個(gè)多目標(biāo)決策問(wèn)題。本文通過(guò)加權(quán)歐氏距離判斷方案的優(yōu)劣。若對(duì)歐氏距離賦予權(quán)重，則變?yōu)榧訖?quán)歐氏距離。參考文獻(xiàn)[15]，本文采用的綜合評(píng)價(jià)方法。即加權(quán)歐氏距離

(10)

式中，di為第i種方案的歐氏距離；Vj，best為第j個(gè)指標(biāo)在不同方案中的最優(yōu)值；Vi，j為第i種方案的第j個(gè)指標(biāo)值。

在加權(quán)歐氏距離的計(jì)算過(guò)程中，不同指標(biāo)的權(quán)重分配會(huì)直接影響綜合評(píng)價(jià)中不同方案的優(yōu)劣順序。目前，測(cè)定權(quán)重的方法主要有兩大類，客觀賦權(quán)法和主觀賦權(quán)法。主觀賦權(quán)法是根據(jù)評(píng)價(jià)者主觀價(jià)值判斷來(lái)確定各指標(biāo)權(quán)重的一種方法，常見(jiàn)的有專家評(píng)判法、層次分析法等。客觀賦權(quán)法是直接根據(jù)指標(biāo)的數(shù)據(jù)信息，通過(guò)統(tǒng)計(jì)方法處理后得到權(quán)重的一種方法，常見(jiàn)的有主成分分析法、最大離差法、熵值法等。

本文采用乘法合成歸一化方法，將層次分析法和最大離差法計(jì)算的權(quán)重集成起來(lái)，克服了單一的主觀賦權(quán)法及客觀賦權(quán)法的不足。層次分析法的計(jì)算參考文獻(xiàn)[16]，本文由于通航率及抗旱補(bǔ)水保證率均為100%，故不考慮其權(quán)重。將剩余的各指標(biāo)分為三層：第一層是通過(guò)與水位相關(guān)及與流量相關(guān)劃分；第二層中，與水位相關(guān)的指標(biāo)為防洪風(fēng)險(xiǎn)率及蓄滿率，與流量相關(guān)的指標(biāo)為發(fā)電量、棄水量及生態(tài)需水滿足率；第三層是將生態(tài)需水滿足率細(xì)分為9月～11月。最大離差法的計(jì)算參考文獻(xiàn)[17- 18]，計(jì)算公式

(11)

綜合權(quán)重的計(jì)算參考文獻(xiàn)[16]，計(jì)算公式

(12)

2 提前蓄水方案效益分析

本文利用宜昌站1954年～2007年的長(zhǎng)系列日流量資料，通過(guò)水量平衡方程及水電站出力方程N(yùn)=8.5QH，根據(jù)三峽水庫(kù)正常運(yùn)行期水庫(kù)常規(guī)調(diào)度圖，計(jì)算不同的蓄水評(píng)價(jià)指標(biāo)，見(jiàn)圖1、表1。

圖1 不同蓄水方案生態(tài)需水滿足率

表1 不同蓄水方案評(píng)價(jià)指標(biāo)比較

各指標(biāo)權(quán)重計(jì)算結(jié)果如表2所示。

表2 不同指標(biāo)的權(quán)重計(jì)算 %

據(jù)各指標(biāo)的權(quán)重，由加權(quán)歐氏距離公式計(jì)算得到各方案的歐氏距離：d1=64.23，d2=7.18，d3=10.61，d4=18.71。

從表1、圖1可以看出：

(1)通航率及抗旱補(bǔ)水保證率均為100%。這是由于本文在計(jì)算過(guò)程中嚴(yán)格滿足抗旱補(bǔ)水流量要求，而9月及10月的抗旱補(bǔ)水流量均大于通航流量要求，故通航率及抗旱補(bǔ)水保證率均為100%。

(2)隨著起蓄時(shí)間的提前，年均發(fā)電量逐漸增大，10月底蓄滿率逐漸增大，而年均棄水量逐漸減少，且棄水減少量變化不明顯。9月1日起蓄方案較10月1日起蓄方案的年均發(fā)電量增加了43.79億kW·h，可見(jiàn)提前蓄水帶來(lái)的發(fā)電效益是不可忽視的。由于提前蓄水增大了發(fā)電水頭，同時(shí)有效利用了9月份較大的天然來(lái)水，減少了棄水損失，有利于10月底水庫(kù)蓄滿。

(3)隨著起蓄時(shí)間的提前，防洪風(fēng)險(xiǎn)率增大較為明顯。9月1日起蓄方案的防洪風(fēng)險(xiǎn)率達(dá)到了83.23%，而9月20日起蓄方案的防洪風(fēng)險(xiǎn)率為0。這是由于9月份長(zhǎng)江流域來(lái)水波動(dòng)較大，9月上旬仍然有發(fā)生較大洪水的可能，提前蓄水提高了9月份的壩前水位，預(yù)留的防洪庫(kù)容減小，而9月中下旬的來(lái)水逐漸減小，基本上沒(méi)有出現(xiàn)較大洪水。因此，水庫(kù)蓄水時(shí)間適當(dāng)提前至9月中下旬不會(huì)對(duì)9月份的防洪帶來(lái)問(wèn)題。

(4)在同一汛末蓄水方案中，三峽水庫(kù)起蓄時(shí)間提前至9月上中旬時(shí)，生態(tài)需水滿足率11月>10月>9月，而當(dāng)起蓄時(shí)間提前至9月中下旬時(shí)，生態(tài)需水滿足率11月>9月>10月。在不同汛末蓄水方案中，隨著起蓄時(shí)間的提前，9月的生態(tài)需水滿足率逐漸減??；10月的生態(tài)需水滿足率逐漸增大；11月的生態(tài)需水滿足率減小不明顯，基本沒(méi)有變化。由于從9月上中旬開(kāi)始蓄水，9月份的蓄水天數(shù)較10月份多，9月的實(shí)際下泄流量減少；而10月份的實(shí)際蓄水減小，下泄流量增大；11月份蓄水基本結(jié)束，不存在蓄水以減小下泄流量的問(wèn)題，因此不受水庫(kù)提前蓄水天數(shù)影響，其生態(tài)需水滿足率最高。

根據(jù)最小加權(quán)歐式距離準(zhǔn)則；9.1方案為最優(yōu)方案，但此方案仍然有一定的防洪風(fēng)險(xiǎn)，9.20方案次之，且其歐氏距離值與9.10起蓄方案差距較小，并且無(wú)防洪風(fēng)險(xiǎn)。因此，根據(jù)每年來(lái)水條件的不同，將三峽水庫(kù)蓄水時(shí)間提前至9月中旬是最優(yōu)策略。

3 結(jié) 語(yǔ)

本文綜合考慮了三峽水庫(kù)防洪、發(fā)電、航運(yùn)、抗旱及生態(tài)五大效益，從不同的蓄水評(píng)價(jià)指標(biāo)綜合分析了提前不同天數(shù)蓄水對(duì)水庫(kù)五大功能的影響，并分析了產(chǎn)生這種現(xiàn)象的原因。分析結(jié)果表明：隨著提前蓄水天數(shù)的增加，年均發(fā)電量有所增大，年均棄水量逐漸減小，10月底蓄滿率顯著增大；9月上旬起蓄方案的防洪風(fēng)險(xiǎn)超過(guò)了80%，而9月中下旬開(kāi)始起蓄的方案基本沒(méi)有防洪風(fēng)險(xiǎn)；由于嚴(yán)格滿足了抗旱補(bǔ)水需求流量，故通航保證率也達(dá)到了100%；而生態(tài)效益方面，由于對(duì)下游的生態(tài)補(bǔ)給量是由天然來(lái)水和蓄水量共同作用的結(jié)果，因此9月上中旬起蓄的方案對(duì)9月份的生態(tài)需水破壞程度較大，而9月中下旬起蓄的方案對(duì)10月份的生態(tài)需水破壞程度較大；由于10～11月是下游生態(tài)需水的重要時(shí)期，通過(guò)提前蓄水提高發(fā)電水頭從而增大發(fā)電量的同時(shí)，10月的生態(tài)需水滿足率也由原設(shè)計(jì)方案的59.21%顯著提高了20%～30%。

綜合考慮三峽水庫(kù)五大功能要求的汛末蓄水方案，根據(jù)最小加權(quán)歐氏距離準(zhǔn)則，三峽水庫(kù)蓄水時(shí)間提前至9月中旬為最優(yōu)汛末蓄水策略。

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(責(zé)任編輯陳 萍)

Study on Impounding Schemes after Flood Season for Three Gorges Reservoir by Considering Integrated Scheduling

ZUO Jian1, LU Baohong1,2, GU Lei3, ZHU Congfei1, ZHEN Yiwei1, LIU Huan1, ZANG Dongwei1

(1. College of Hydrology and Water Resources, Hohai University, Nanjing 210098, Jiangsu, China;2. State Key Laboratory of Hydrology-Water Resources and Hydraulic Engineering, Hohai University, Nanjing 210098, Jiangsu, China; 3. Donghai County Water Authority, Donghai 222300, Jiangsu, China)

Since Three Gorges Reservoir will newly undertake drought resistance and ecological functions, the selection of impounding time and schemes after flood season need to consider not only the impact of flood control, power generation and navigation, but also the comprehensive benefits of downstream drought water demand and ecological water requirements. According to historical runoff data of September to November from 1954 to 2007, three proposed impounding schemed are after flood season calculated and compared from the aspects of annual average power generation, annual average spill water, annual fill rate in the end of October, flood risk rate, navigation rates and ecological water requirement satisfaction rate. The weight of different evaluation index and weighted Euclidean distance of different impounding schemes are calculated. The results show that the optimal period of impounding after flood season is mid-September, in which, the benefits of flood control, drought resistance and navigation will be maximized and the ecological water requirements satisfaction rate between September to November will exceed 80% when making full use of natural runoff in September to increase generating capacity．

impounding; drought replenishment rate; ecological water requirement satisfaction rate; flood control rate; integrated dispatching; Three Gorges Reservoir

2014- 10- 16

國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(NSFC- 50979023)；水利部公益性行業(yè)科研專項(xiàng)經(jīng)費(fèi)項(xiàng)目(201201026)；江蘇省水利科技項(xiàng)目(2013062)

左建(1990—)，女，湖北廣水人，碩士研究生，研究方向?yàn)樗Y源規(guī)劃與管理．

TV697.11

A

0559- 9342(2015)12- 0085- 04