大通河流域梯級水電站水庫調(diào)度方案分析

霍建貞，張恒（黃河上游水電開發(fā)有限責任公司，青海西寧　810008）

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大通河流域梯級水電站水庫調(diào)度方案分析

霍建貞，張恒
（黃河上游水電開發(fā)有限責任公司，青海西寧810008）

ABSTRACT：In this PaPer，the inf1ow conditions and other basic conditions of Nazixia HydroPower Station in the Datong are introduced and a11 the factors affecting the Power generation of the station are ana1yzed and studied，and fina11y the disPatching scheme of the cascade hydroPower stations considering 1arge amount of water diversion in the recent P1anning is formu1ated.

KEY W0RDS：Datong River va11ey；Nazixia HydroPower Station；regu1ating schemes

摘要：通過介紹大通河納子峽水電站來水狀況及基本情況，分析研究了影響納子峽水電站發(fā)電的各種因素，制定了大通河近期規(guī)劃年有大量外調(diào)水情況下的梯級水電站調(diào)度方案。

關鍵詞：大通河流域；納子峽水電站；調(diào)度方案

在國內(nèi)，水庫水電站方面的研究成果也比較豐富。我國系統(tǒng)地研究水庫群優(yōu)化調(diào)度問題則開始于20世紀80年代初。1981年，張勇傳[1]在研究兩并聯(lián)水電站水庫的聯(lián)合優(yōu)化調(diào)度問題時，利用了大系統(tǒng)分解協(xié)調(diào)的觀點，先把兩水庫聯(lián)合優(yōu)化問題變成兩個水庫的單庫優(yōu)化調(diào)度問題，然后在兩水庫單庫最優(yōu)策略的基礎上引入偏優(yōu)損失最小作為目標函數(shù)，對單庫最優(yōu)調(diào)度策略進行調(diào)整，最后求得整體最優(yōu)解。此后，譚維炎、張勇傳、董子敖、王金文、梅亞東、黃強等學者對水庫群優(yōu)化調(diào)度進行了深入研究，取得了豐富的研究成果[2-6]。譚維炎[7]等提出了以年為周期的馬氏決策規(guī)劃模型（MDP），并用于獅子灘水電站優(yōu)化調(diào)度中。臺灣海洋大學黃文政教授[8]用隨機動態(tài)規(guī)劃與遺傳算法相結(jié)合的方法求解了臺灣翡翠—石門水庫的優(yōu)化調(diào)度問題。而國外關于水庫群優(yōu)化調(diào)度的研究開始于20世紀60年代末。1955年，美國的Litt1e[9]采用Markov過程原理建立了水庫調(diào)度隨機動態(tài)規(guī)劃模型標志著用系統(tǒng)科學方法研究水庫優(yōu)化調(diào)度的開始；其后，隨著系統(tǒng)科學以及計算機技術的發(fā)展，水庫優(yōu)化調(diào)度先后掀起了多次熱潮，提出了眾多的隨機模型和確定性模型，可以說系統(tǒng)科學的每一步發(fā)展，均在水庫優(yōu)化調(diào)度研究中有所反映。在隨機性模型中，UBeTKOB[10]提出了類似Litt1e模型；Howard（1960年）提出了動態(tài)規(guī)劃與馬爾柯夫過程理論MDP，使水庫優(yōu)化調(diào)度從理論上得到進一步完善，解決了以前模型很難達到多年期望效益最大和滿足水庫系統(tǒng)可靠性要求的理論性缺陷[11]；Karamouz[12]等提出了一個貝葉斯隨機動態(tài)規(guī)劃（BSDP），O1iveira[13]等使用遺傳算法生成水庫群系統(tǒng)的調(diào)度規(guī)則等等。

1　大通河流域概況及基本資料

1.1流域概況

大通河水系屬黃河流域，地處青藏高原東北部邊緣，位于北緯36°30＇～38°25＇，東經(jīng)98°30＇～103°15＇之間，是黃河的一級支流湟水最大的支流。大通河發(fā)源于青海省天峻縣托勒南山，自西北向東南流經(jīng)青海省剛察、祁連、海晏、門源、互助、樂都等縣和甘肅省的天祝、永登兩縣，最后在青海省民和縣享堂村附近匯入湟水，后流入黃河。

大通河河谷深窄，水勢湍急，下切力強。上中下游各有一段構(gòu)造沉降帶而形成寬谷。流域形狀呈一狹長帶狀，北依托勒山、冷龍嶺，與河西走廊的黑河、石豐河流域為鄰，南依大通山，大坂山與青海湖水系，與湟水干流地區(qū)相連，東隔盤道嶺與莊浪河流域接壤。干流全長560.7 km，其中青海省境內(nèi)河流長464.42 km，主河道平均坡降4.65‰，全流域面積15 130 km2。大通河流域水電站規(guī)劃見圖1。

圖1　大通河流域水電站規(guī)劃示意圖Flg. 1 Schematlc dlagram of Datong Rlver Basln Hydropower Statlons plannlng

大通河流域已經(jīng)形成梯級水電站群，水電站群自上而下分別是納子峽、仙米、九龍、江源、雪龍灘、多龍灘、玉龍灘、東旭、東旭二級、寺溝口、卡索峽、學科灘、青崗峽、加定、金沙峽、享堂一級、享堂二級水電站。位于該河段之首，被稱為“龍頭”水庫的是具有年調(diào)節(jié)性能的納子峽水庫，其余水電站全是徑流式小水電站，沒有調(diào)節(jié)能力，梯級水電站主要任務是發(fā)電。

1.2基本資料

1.2.1納子峽水庫電站資料

納子峽水電站位于青海省東北部，在大通河上游末段，電站開發(fā)方式為混合式，上接海浪溝水電站，下游為石頭峽水電站，工程總庫容為7.33×108m3，最大壩高121.5 m，屬二等大（2）型工程。其中混凝土面板壩為1級建筑物，其他主要建筑物溢洪道、放空泄洪洞、引水隧洞、高壓管道、廠房等為2級，次要建筑物為3級。電站總裝機容量87 MW，保證出力16.6 MW，多年平均發(fā)電量為3.106億kW·h，年利用小時數(shù)3 570 h。

納子峽水庫特征庫容、特征水位及水電站經(jīng)濟技術指標等水能參數(shù)如表1所示。

表1　納子峽水電站主要水能參數(shù)表Tab. 1 Maln parameters of Nazlxla Hydropower Statlon

1）水庫水位與庫容關系

納子峽水電站壩址處水位H～庫容V關系曲線如圖2所示。

圖2　納子峽水電站壩址處水位H～庫容V曲線Flg. 2 The curve of the storage capaclty and water level of the Nazlxla Hydropower Statlon

2）水庫泄量與尾水位關系

納子峽水電站尾水位H～流量Q關系曲線如圖3所示。

圖3　納子峽水電站尾水位H～流量Q曲線Flg. 3 The curve of the flow and tallwater level of the Nazlxla Hydropower Statlon

3）發(fā)電流量與水頭損失關系

納子峽水電站發(fā)電流量與水頭損失關系如表2所示。

表2　納子峽水電站發(fā)電引水系統(tǒng)水頭損失表Tab. 2 Head loss of pressured dlverslon system of the Nazlxla Hydropower Statlon

4）出力保證率關系

納子峽水電站保證出力與保證率關系曲線如圖4所示。

圖4　納子峽水電站保證出力與保證率曲線Flg. 4 The curve of the output and the guarantee rate of the Nazlxla Hydropower Statlon

5）裝機容量與年發(fā)電量關系

納子峽水電站裝機容量與年發(fā)電量關系曲線如圖5所示。

圖5　納子峽水電站裝機容量—年發(fā)電量曲線Flg. 5 The curve of lnstalled capaclty and annual power output of the Nazlxla Hydropower Statlon

1.2.2徑流資料

1）水文站徑流資料

本文將對大通河流域自上游至下游的水文站徑流資料進行分析，選取尕日得、尕大灘、天堂、連城和享堂水文站1955—2005年的長系列月平均流量資料作為研究基礎。其中，尕日得、尕大灘站長系列月平均流量資料如圖6—圖7所示。

圖6　尕日得水文站長系列月平均流量資料Flg. 6 Monthly mean flow of Garlde Hydrologlc Statlon

圖7　尕大灘水文站長系列月平均流量Flg. 7 Monthly mean flow of Gadatan Hydrologlc Statlon

2）納子峽壩址處徑流資料

納子峽水庫壩址處多年平均流量為41.2 m3/s，年平均流量過程如表3與圖8所示。

表3　納子峽水電站代表水文站年平均流量Tab. 3 The mean annual dlscharge of the representatlve horologlc statlon of Nazlxla Hydropower Statlon　億m3

2　主要影響因素分析

2.1徑流豐枯程度影響

大通河水電站發(fā)電與徑流具有密切的聯(lián)系，分析大通河梯級水電站及其“龍頭”電站納子峽的年發(fā)電量與納子峽年入庫徑流量的關系，如圖9所示。

圖8　納子峽電站年平均流量過程線Flg. 8 The curve of the mean annual dlscharge of Nazlxla Hydropower Statlon

圖9　納子峽水電站發(fā)電與徑流關系Flg. 9 The relatlonshlp between generatlng capaclty and annual runoff of Nazlxla Hydropower Statlon

隨著納子峽年入庫徑流量的增加，大通河梯級水電站年發(fā)電量也不斷提高，尤其納子峽的年發(fā)電量與其年入庫徑流關系非線性關系很好。限于水電站的發(fā)電能力，大通河梯級水電站年發(fā)電量達到一定量時增加變得十分緩慢，逐漸趨于某一穩(wěn)定值，納子峽水電站也表現(xiàn)出這一特點。

利用二次函數(shù)擬合大通河梯級水電站年發(fā)電量Etj、納子峽水電站的年發(fā)電量Enzx與納子峽年入庫徑流量Wnzx的關系，得到：

由此可見，徑流量是影響發(fā)電計劃的主要因素之一，水電站水庫依據(jù)預報入庫流量制定調(diào)度決策。目前，水文和氣象科學的發(fā)展水平還不能對未來一年的徑流做出準確的預測，即使有較長的水文資料也只能對徑流的未來變化做出一般性的預測，但有一點可以相信的是，距離預測時間越近，預測精度越高。發(fā)電計劃不是一成不變的，所以在用預報法制定發(fā)電計劃時，它必須隨著時間的推移、預報徑流的更新以及前期實際發(fā)電量與發(fā)電計劃的差別等因素對發(fā)電計劃進行滾動修正。當實際來水與年初預測來水相比相差不大時，水電站一般按原計劃的方式調(diào)度；若實際來水量與預測來水量差別較大時，則應根據(jù)面臨時期的預報來水和前期的發(fā)電結(jié)果修正后期的發(fā)電計劃。

2.2梯級結(jié)構(gòu)變化影響

梯級結(jié)構(gòu)變化也是影響發(fā)電計劃的一個主要因素之一。對于梯級水庫來說，通常具有防洪、發(fā)電、航運、供水等多種功能，是一個兼顧多個目標的大型水利樞紐系統(tǒng)。梯級上下游水庫之間往往具有復雜的水力、電力聯(lián)系，同時梯級水庫在進行聯(lián)合調(diào)度的過程中，各個部門有不同的調(diào)度目標和調(diào)度要求，而在年內(nèi)部分時段不同目標之間可能存在著一定程度的用水矛盾。

水電站梯級結(jié)構(gòu)發(fā)生改變、電網(wǎng)要求調(diào)峰等很可能造成原來梯級狀態(tài)下的運行規(guī)則的失效，梯級水電站之間運行不協(xié)調(diào)，不能發(fā)出大量優(yōu)質(zhì)電能和保證電網(wǎng)健康穩(wěn)定運行。

石頭峽水電站的建成投運，大大提高了大通河流域梯級水電站的調(diào)蓄能力，增加了整個梯級的供水保證率，給青海省帶來了直接的發(fā)電效益。與此同時，兩庫聯(lián)調(diào)還大大提高了大通河流域的防洪能力，提高了水庫群攔蓄洪水的能力，增加了整個梯級洪水的利用率，實現(xiàn)了洪水資源化。

2.3外調(diào)水工程影響

流域外調(diào)水是影響發(fā)電計劃的另一個主要因素，其主要通過徑流量影響水電站（群）的發(fā)電調(diào)度過程。當前，大通河向流域外調(diào)水的工程共有5個，即引大濟西（西大河）、引大入秦（秦王川）、引大濟湟（湟水干流）、引大濟湖（青海湖）和引大濟黑（黑河）。這5個外調(diào)水工程先后從20世紀90年代到21世紀30年代分別向流域外調(diào)水。

近期規(guī)劃年（2020年），“引大濟黑”與“引大濟湖”工程沒有調(diào)水計劃，“引大濟西”工程從百戶寺調(diào)水2.5億m3，“引大入秦”工程從天堂寺調(diào)水2.2億m3，“引大濟湟”工程從尕大灘調(diào)水3.6億m3，大通河對外調(diào)水總計8.3億m3。

流域外調(diào)水的實施直接影響了大通河流域的水量，使得各電站的發(fā)電可引用的水量呈現(xiàn)不同程度的折扣，從而影響大通河流域整個梯級水電站的發(fā)電調(diào)度計劃。因此，必須考慮外調(diào)水對梯級水電站的發(fā)電調(diào)度影響，制定梯級水電站相應運行規(guī)則。

2.4防洪影響

防洪要求是水庫調(diào)度必須考慮的問題，主要包括確保大壩自身安全、確保上游易淹沒地區(qū)安全和下游防洪控制點的防洪安全。大通河梯級水電站的主要任務是發(fā)電，在汛期還要首先確保自身的防洪安全。納子峽水庫的設計洪水位僅比正常蓄水位高出0.2 m，興利庫容約占攔洪庫容的91.1%。設計洪水位一般不低于防洪高水位，因此防洪庫容和興利庫容結(jié)合程度很高（納子峽未設汛限水位，在此默認汛限水位是死水位），這一方面說明大通河徑流規(guī)律性強，另一方面說明納子峽水庫汛期通過合理調(diào)度可將洪水資源化，充分利用水力發(fā)電。遭遇大洪水時，納子峽水庫為了自身安全，必須加大泄量優(yōu)先滿足防洪要求，充分利用洪水滿發(fā)出力，汛期后期逐步抬升蓄水位，為保證供水期發(fā)電需求做準備。

3　調(diào)度方案制定

大通河梯級水電站發(fā)電調(diào)度的影響因素即為調(diào)度情景要素。在不同規(guī)劃年，情景要素的不同組合就形成了多種情景，依據(jù)不同情景制定相應調(diào)度方案，以便指導大通河梯級水電站更好地發(fā)揮效益。限于項目合同要求，本研究僅考慮徑流豐枯狀態(tài)與調(diào)水量兩種情景要素，分析近期規(guī)劃年（2020年）不同來水狀態(tài)的調(diào)度方案。

3.1情景設置

1）大通河來水狀態(tài)

享堂站是大通河流域的出口水文監(jiān)測站，以其年徑流量大小表示整個大通河流域的徑流豐枯狀態(tài)。利用P-III型曲線對享堂站年徑流量進行適線，得到該站不同頻率下的年徑流量，如表4所示。

表4　大通河享堂站不同頻率下的年徑流量（擬合度0.973）Tab. 4 The annual runoff ln dlfferent frequencles of Xlangtang Hydropower Statlon（R＝0.973）

納子峽作為大通河的“龍頭”電站，調(diào)節(jié)庫容為1.72億m3，在來水偏豐或偏枯的情況下，納子峽在一定程度上可以對全流域水量進行調(diào)節(jié)，即豐水年多蓄水，枯水年多放水。因此，相對于常用的25%、50% 和75%的豐、平、枯水年劃分，本文選擇來水頻率15%、50%和85%分別表征該流域豐、平、枯3種設計狀態(tài)，意在體現(xiàn)納子峽的調(diào)蓄作用。

根據(jù)大通河流域3種來水設計狀態(tài)選擇來水量與設計值相等或最為接近的典型年：1993—1994年（豐水325 168萬m3）、1990—1991年（平水275 789萬m3）和2002—2003年（枯水222 995萬m3）。大通河上下游徑流量具有很好的相關性，利用享堂站的設計年徑流量與典型年歷史年徑流量的比值將典型年納子峽壩址處的歷史流量轉(zhuǎn)換為相應的設計流量過程，即

利用式（2）計算納子峽3種頻率下的設計入庫流量過程，如表5所示。

表5　納子峽不同設計來水年各月入庫流量Tab. 5 Monthly mean lntake flow of Nazlxla Hydropower Statlon ln dlfferent deslgned frequency　m3/s

2）近期規(guī)劃年外調(diào)水量

根據(jù)相關研究成果，保證大通河流量不得小于1.2 m3/s。合理計算大通河流域可外調(diào)水總量并確定不同來水條件下的調(diào)水過程比較困難，根據(jù)近期規(guī)劃年用水需求、大通河與受水區(qū)徑流同步性，確定不同外調(diào)水工程年調(diào)水總量與調(diào)水過程。近期規(guī)劃水平年的調(diào)水過程如表6所示。

大通河流域外調(diào)水是根據(jù)“引大濟湟”工程調(diào)水過程按比例折算的，調(diào)水時期主要是3月至7月和11月，其他月份不調(diào)水。根據(jù)大通河梯級水電站來水豐枯狀態(tài)、調(diào)水量設置3種調(diào)度情景：豐水狀態(tài)、平水狀態(tài)和枯水狀態(tài)。

當大通河流域來水量大于或等于50%來水年的徑流量時，各調(diào)水工程按表6給定的調(diào)水過程從取水位置引水；當大通河流域來水量小于50%來水年的徑流量時，按照來水量與50%來水年份的徑流量比值對調(diào)水量進行打折。因此，85%來水年份在表6給出的調(diào)水過程基礎上打8折進行調(diào)水，納子峽有外調(diào)水時入庫過程如圖10所示。

表6　大通河近期規(guī)劃年50%來水條件下調(diào)水過程Tab. 6 The water transfer process of Datong Rlver of the 50% runoff ln the recent plannlng　流量/（m3·s-1）

圖10　納子峽近期規(guī)劃年不同來水情景下的入庫過程Flg. 10 The reservolr lnflow processes ln the dlfferent runoff ln the recent plannlng ln Nazl valley

3.2調(diào)度方案制定

編制調(diào)度方案時可采用方案比較法或優(yōu)化法，也可以將二者結(jié)合使用?？梢哉f，優(yōu)化法是較嚴密而詳細的方案比較法（即在無數(shù)個方案中選擇最優(yōu)方案）；而方案比較方法是近似的優(yōu)化法（即在若干可行方案中選擇最好的方案）。優(yōu)化法有很多優(yōu)點，在水庫調(diào)度中正得到日益廣泛的應用。因此，本研究采用優(yōu)化算法制定大通河調(diào)度方案。

前面研究已經(jīng)表明，多年平均發(fā)電量最大模型—動態(tài)規(guī)劃算法是綜合評價最優(yōu)的調(diào)度方法。根據(jù)該優(yōu)化調(diào)度結(jié)果可以制定出大通河流域有大量外調(diào)水工程的情況下的調(diào)度方案。

利用梯級發(fā)電量最大模型—動態(tài)規(guī)劃算法計算3種設計來水條件下的調(diào)度過程，如表7所示。

大通河流域考慮流域外調(diào)水時，納子峽的出庫流量與庫水位變化過程分別如圖11—12所示。

大通河有外調(diào)水時，不論遇到豐水年還是枯水年，納子峽水庫開始蓄水時間比沒有外調(diào)水時遲了1個月，即6月末納子峽開始蓄水。梯級發(fā)電量豐水年為179 296萬kW·h，平水年為146 470萬kW·h，枯水年為122 633萬kW·h。相比無調(diào)水情況，各來水條件下發(fā)電量均有不同程度的減少，尤其來水越枯梯級發(fā)電減少程度越大，如圖13所示。

表7　設計來水條件下納子峽動態(tài)規(guī)劃算法計算結(jié)果Tab. 7 The result of dynamlc programmlng algorlthm of the deslgned runoff ln Nazl valley

圖11　納子峽動態(tài)規(guī)劃算法調(diào)度下的流量變化過程Flg. 11 The runoff change process wlth the dynamlc programmlng algorlthm ln Nazl valley

圖12　納子峽動態(tài)規(guī)劃算法調(diào)度下的水位變化過程Flg. 12 The water level change process wlth the dynamlc programmlng algorlthm ln Nazl valley

圖13反映了外調(diào)水與梯級發(fā)電之間的矛盾，因此，為緩和二者之間的矛盾，大通河外調(diào)水量應隨來水量多少作適應性調(diào)整，而不是固定不變的調(diào)水總量和調(diào)水過程。通過以上表和圖可以看出：大通河有大量外調(diào)水情況下，無論豐水年份還是枯水年份，納子峽水庫枯水期水位變化kW·h較為穩(wěn)定。

圖13　近期規(guī)劃年有、無外調(diào)水梯級發(fā)電量對比Flg. 13 Comparlson of the power generatlon of the cascade hydropower statlon wlth and wlthout water transfer ln the recent plannlng

利用典型年法計算大通河梯級水電站近期規(guī)劃年有大量外調(diào)水情況下的發(fā)電量：

大通河近期規(guī)劃年有大量外調(diào)水情況下，梯級多年平均發(fā)電量為149 466萬kW·h，比設計值減小18.4%。由此可見，流域外調(diào)水會減少梯級水電站的發(fā)電量。外調(diào)水量越大，發(fā)電量減少越多。近期規(guī)劃水平年外調(diào)水量很大，對大通河梯級水電站發(fā)電量影響程度也大，不得不考慮大通河有大量外調(diào)水時梯級水電站的調(diào)度方案。

綜上計算分析，制定大通河近期規(guī)劃年有大量外調(diào)水情況下的梯級水電站調(diào)度方案如下：

1）5月和6月，各梯級電站引用全部來水量用于發(fā)電，納子峽水庫不蓄不供。

2）7月至10月，大通河徑流量大且外調(diào)水很少，納子峽水電站按無調(diào)水情況下的優(yōu)化調(diào)度圖發(fā)電調(diào)度，及時抓住汛期后期最后一場洪水蓄水，爭取在10月末蓄滿水庫。

3）11月至次年4月，考慮到枯水期后期（3月和4月）來水小且有外調(diào)水，根據(jù)納子峽水庫有調(diào)水情況下的入庫流量，減去月調(diào)水量，然后按優(yōu)化調(diào)度圖發(fā)電調(diào)度。

4）納子峽水庫任何月份出庫最小流量不得小于1.2 m3/s。

4　結(jié)論

在大通河梯級發(fā)電的調(diào)度諸多影響因素中，來水豐枯狀態(tài)、梯級結(jié)構(gòu)變化和外調(diào)水影響很大，考慮到梯級實際運行狀況和項目要求，以來水豐枯狀態(tài)制定梯級水電站調(diào)度情景。大通河無外調(diào)水或外調(diào)水量相比天然徑流量很小時，梯級水電站按照相應的調(diào)度規(guī)則發(fā)電調(diào)度；近期規(guī)劃年大通河對外大量調(diào)水后，梯級多年平均發(fā)電量比設計值減少近20%，來水越枯梯級發(fā)電量減少程度越高；滿足大通河水資源未來發(fā)展需要（大量對外調(diào)水）的梯級水電站調(diào)度方案，在一定程度上緩和大通河流域外調(diào)水與梯級發(fā)電之間的矛盾。

梯級調(diào)度一般考慮梯級水電站之間的徑流補償和庫容補償問題，大通河供水期補償調(diào)度作用表現(xiàn)最為突出，而豐水年份汛期由于納子峽的調(diào)節(jié)性能有限，并不能充分發(fā)揮出水庫的補償效益。制定大通河近期規(guī)劃年有大量外調(diào)水情況下的梯級水電站調(diào)度方案，能夠盡可能減少實際調(diào)度中因外調(diào)水造成的發(fā)電損失。

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霍建貞（1987—），女，助理工程師，主要從事水庫調(diào)度工作。

（編輯李沈）

作者簡介：

收稿日期：2015-06-09。

文章編號：1674-3814（2016）01-0112-07
Analysls of Reservolr Regulatlng Schemes for Cascade Power Statlons ln the Datong Rlver Valley
HUO Jianzhen，ZHANG Heng（Huanghe HydroPower Deve1oPment Co.，Ltd.，Xining 810008，Qinghai，China）

中圖分類號：TV214

文獻標志碼：A