三峽及金沙江下游梯級(jí)水庫(kù)群蓄水期聯(lián)合調(diào)度策略

劉強(qiáng)鐘平安徐斌郭樂(lè)陳宇婷

摘要：針對(duì)三峽及金沙江下游梯級(jí)水庫(kù)群汛后競(jìng)爭(zhēng)性蓄水矛盾，以溪洛渡、向家壩、三峽、葛洲壩梯級(jí)四庫(kù)系統(tǒng)為研究對(duì)象，采用不同來(lái)水年型、蓄水時(shí)間和起調(diào)水位構(gòu)建蓄水情景集；以蓄水期期望發(fā)電量最大為目標(biāo)，建立蓄水期多目標(biāo)聯(lián)合隨機(jī)優(yōu)化調(diào)度模型，生成各蓄水情景下的最優(yōu)蓄水方案；基于蓄滿率、梯級(jí)期望棄水量、梯級(jí)平均期望出力對(duì)各方案進(jìn)行評(píng)價(jià)，推薦豐水年溪洛渡、向家壩9月11日起蓄、三峽9月10日起蓄，平水年溪洛渡、向家壩9月11日起蓄、三峽9月1日起蓄，枯水年溪洛渡、向家壩9月1日起蓄、三峽8月21日起蓄。

關(guān)鍵詞：三峽梯級(jí)水庫(kù)群；汛后蓄水；聯(lián)合調(diào)度；情景分析

中圖分類號(hào)：TV697.1 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號(hào)：16721683（2016）05006209

隨著金沙江下游溪洛渡、向家壩相繼投入運(yùn)行，與長(zhǎng)江干流三峽、葛洲壩組成梯級(jí)水庫(kù)群，三峽及金沙江下游梯級(jí)四庫(kù)的總裝機(jī)容量、總調(diào)節(jié)庫(kù)容在長(zhǎng)江上游水庫(kù)群中占據(jù)壓倒性優(yōu)勢(shì)，其汛末的調(diào)度策略對(duì)整個(gè)長(zhǎng)江中下游地區(qū)影響深遠(yuǎn)，研究三峽及金沙江下游梯級(jí)水庫(kù)群汛后蓄水期的聯(lián)合調(diào)度策略，對(duì)提高洪水資源利用率，減輕水庫(kù)群蓄水對(duì)長(zhǎng)江中下游供水、航運(yùn)、生態(tài)等影響，具有重要意義。

近年來(lái)，隨著三峽上游水庫(kù)群的修建，針對(duì)長(zhǎng)江上游水庫(kù)群聯(lián)合蓄水的研究陸續(xù)展開(kāi)，關(guān)于三峽水庫(kù)蓄水策略的研究已經(jīng)取得了一系列成果[116]；丁毅等[17]初步探究了長(zhǎng)江上游梯級(jí)水庫(kù)群的蓄水調(diào)度模式、各水庫(kù)的蓄泄關(guān)系，提出了長(zhǎng)江上游梯級(jí)水庫(kù)群蓄水調(diào)度的建議方案；歐陽(yáng)碩等[18]提出將流域蓄水原則與K值判別法相結(jié)合的策略來(lái)判定流域梯級(jí)各水庫(kù)蓄水時(shí)機(jī)及次序；黃草等[19]依托多目標(biāo)優(yōu)化調(diào)度模型，逐年分析了長(zhǎng)江上游若干座多目標(biāo)混聯(lián)水庫(kù)的蓄水起止時(shí)間，總結(jié)了出現(xiàn)概率最大的水庫(kù)群蓄水次序；王冬等[20]采用基于圣維南方程組的徑流調(diào)度模型，利用多年實(shí)測(cè)資料，得出溪洛渡、向家壩、三峽最優(yōu)蓄水時(shí)間方案。已有的研究在判定長(zhǎng)江上游水庫(kù)群蓄水次序、蓄水時(shí)間方面取得了較多成果，但專門針對(duì)三峽及金沙江下游梯級(jí)四庫(kù)的研究較少，而且研究方法多集中于對(duì)確定性來(lái)水的模擬。但在實(shí)際調(diào)度中，由于受到入庫(kù)徑流預(yù)報(bào)水平的限制，基于確定性來(lái)水的優(yōu)化調(diào)度方案具有較大的不確定性，實(shí)際指導(dǎo)意義不強(qiáng)。而基于傳統(tǒng)的隨機(jī)優(yōu)化模型的期望調(diào)度方案，不能反映不同來(lái)水大小的差異。

鑒于此，本文以溪洛渡、向家壩、三峽和葛洲壩梯級(jí)四庫(kù)系統(tǒng)作為研究對(duì)象，通過(guò)對(duì)蓄水期來(lái)水按大小分組反映來(lái)水大小的區(qū)別；通過(guò)建立蓄水期多目標(biāo)聯(lián)合隨機(jī)優(yōu)化調(diào)度模型，反映來(lái)水的隨機(jī)性影響；通過(guò)多情景優(yōu)化模擬和多指標(biāo)方案評(píng)估，推薦三峽及金沙江下游梯級(jí)在不同來(lái)水條件下的期望蓄水方案。

1 梯級(jí)水庫(kù)群蓄水場(chǎng)景構(gòu)造

1.1 研究對(duì)象

本文研究溪洛渡、向家壩、三峽和葛洲壩四座水庫(kù)組成的梯級(jí)水庫(kù)群（見(jiàn)圖1），溪洛渡、向家壩、三峽等為不完全年調(diào)節(jié)水庫(kù)，葛洲壩為日調(diào)節(jié)水庫(kù)。溪洛渡、向家壩開(kāi)發(fā)任務(wù)以發(fā)電為主，兼顧防洪、攔沙和改善下游航運(yùn)等，溪洛渡水庫(kù)調(diào)節(jié)庫(kù)容646億m3，裝機(jī)容量12 600 MW，汛限水位560 m；向家壩水庫(kù)是金沙江干流最下游梯級(jí)電站，對(duì)溪洛渡具有反調(diào)節(jié)作用，調(diào)節(jié)庫(kù)容903億m3裝機(jī)容量6 000 MW，汛限水位370 m。三峽水庫(kù)具有防洪、發(fā)電、改善航道等綜合任務(wù)，調(diào)節(jié)庫(kù)容165億m3（枯期消落低水位155 m至正常高水位175 m之間庫(kù)容），裝機(jī)容量22 500 MW；葛洲壩是三峽水庫(kù)的反調(diào)節(jié)水庫(kù)，電站裝機(jī)容量2 950 MW。

1.2 來(lái)水年組劃分

根據(jù)金沙江屏山站徑流系列資料，按水文比擬法生成溪洛渡、向家壩水庫(kù)的入庫(kù)徑流系列，將向家壩與溪洛渡的入庫(kù)徑流系列相減得到溪洛渡-向家壩區(qū)間來(lái)水系列；以宜昌站徑流系列資料，按水文比擬法生成三峽、葛洲壩水庫(kù)徑流系列，將葛洲壩和三峽的入庫(kù)徑流系列相減得到三峽-葛洲壩區(qū)間的徑流系列；以三峽和向家壩的入庫(kù)徑流系列確定向家壩-三峽區(qū)間徑流系列。為了取得梯級(jí)錯(cuò)時(shí)蓄水方案，本文約定11月30日為蓄水最后時(shí)間（三峽水庫(kù)12月1日進(jìn)入消落期），8月21日為最早允許蓄水時(shí)間，依據(jù)三峽水庫(kù)1940年-2013年8月21日至11月30日入庫(kù)徑流資料，將蓄水期來(lái)水分為豐（頻率0%～33%）、平（頻率33%～67%）、枯（頻率67%～100%）三個(gè)年組。

1.3 蓄水時(shí)間方案擬定

根據(jù)現(xiàn)有調(diào)度規(guī)程，溪洛渡水庫(kù)和向家壩水庫(kù)9月11日由汛限水位開(kāi)始蓄水，9月底蓄滿；三峽水庫(kù)9月上旬水位由汛限水位逐漸回升，9月10日從控制起蓄水位155 m開(kāi)始回蓄，9月底蓄至165 m，10月底蓄滿；葛洲壩為徑流式水庫(kù)，無(wú)汛后蓄水問(wèn)題。

梯級(jí)水庫(kù)群汛末蓄水期部分與汛期重疊，不宜過(guò)分提前，本文對(duì)三峽水庫(kù)共設(shè)置8月21日、8月26日、9月1日、9月6日、9月10日5種起蓄時(shí)間方案；由于泥沙問(wèn)題制約溪洛渡蓄水時(shí)間無(wú)法大幅提前，故對(duì)溪洛渡設(shè)置9月1日、9月11日兩種起蓄時(shí)間方案；向家壩調(diào)節(jié)庫(kù)容遠(yuǎn)小于溪洛渡與三峽調(diào)節(jié)庫(kù)容，蓄水影響相對(duì)較小，因此設(shè)置向家壩與溪洛渡同時(shí)起蓄。

1.4 回蓄期起蓄水位

根據(jù)各水庫(kù)調(diào)度規(guī)程，設(shè)定溪洛渡水庫(kù)回蓄期的起蓄水位為560 m；向家壩水庫(kù)為370 m；三峽水庫(kù)起蓄水位155 m。

1.5 蓄水情景方案集

綜合3種來(lái)水年型，10種組合起蓄時(shí)間方案（溪洛渡、向家壩2種，三峽5種），1種起蓄水位組合，共構(gòu)成3×10×1=30組蓄水情景。

2 多目標(biāo)隨機(jī)優(yōu)化模型

三峽及金沙江下游梯級(jí)水庫(kù)群是一個(gè)具有發(fā)電、防洪、供水、生態(tài)、航運(yùn)等多目標(biāo)的梯級(jí)水庫(kù)群系統(tǒng)，本文將梯級(jí)四庫(kù)期望總發(fā)電量最大作為目標(biāo)，將防洪、供水、生態(tài)、航運(yùn)等目標(biāo)轉(zhuǎn)為約束條件，變多目標(biāo)問(wèn)題為單目標(biāo)問(wèn)題。由于蓄水期調(diào)度為長(zhǎng)期調(diào)度，調(diào)度過(guò)程中難以對(duì)來(lái)水進(jìn)行準(zhǔn)確預(yù)報(bào)，來(lái)水情形存在隨機(jī)性。因此本文將不同來(lái)水年組中的時(shí)段來(lái)水作為隨機(jī)取值，建立隨機(jī)優(yōu)化模型對(duì)水庫(kù)群蓄水期調(diào)度進(jìn)行模擬。

2.1 目標(biāo)函數(shù)

梯級(jí)水庫(kù)群蓄水期發(fā)電量期望值最大：

式中：n為梯級(jí)電站數(shù)，本文為4；Tt為時(shí)段小時(shí)數(shù)，由于越接近汛期，水庫(kù)來(lái)水的不均勻程度越顯著，若選取時(shí)段過(guò)長(zhǎng)，不均勻的來(lái)水受到均化，則造成計(jì)算的期望棄水量偏小，期望發(fā)電量偏大，因此本文采用變時(shí)段長(zhǎng)，8月21日-9月15日取日，9月16日-10月31日取候（5日），其余取月；T為調(diào)度期時(shí)段數(shù)，本文共有36個(gè)時(shí)段；m為隨機(jī)來(lái)水的狀態(tài)數(shù)，即某來(lái)水年組包含的年數(shù)，本文豐水年組25年，平水年組25年，枯水年組為24年。

2.2 約束條件

（1）水量平衡約束。

（2）上、下限水位約束及水位變幅約束。

（3）最大、最小流量約束及流量變幅約束。

（4）負(fù)荷約束。

（5）調(diào)度期末控制水位約束。

2.3 求解方法

本文水庫(kù)群采用輪庫(kù)迭代法，單庫(kù)采用離散隨機(jī)動(dòng)態(tài)規(guī)劃法。其計(jì)算流程見(jiàn)圖2。

2.4 評(píng)價(jià)指標(biāo)

三峽及金沙江下游梯級(jí)水庫(kù)群蓄水期調(diào)度方案的選擇，是以保證汛后蓄滿和不增加防洪風(fēng)險(xiǎn)為前提，并綜合考慮蓄水期中下游最小下泄量要求和蓄水期梯級(jí)發(fā)電量等因素。本文選取蓄滿率、期望棄水量、蓄水期期望出力等三個(gè)指標(biāo)對(duì)多情景方案進(jìn)行評(píng)價(jià)。由于是蓄水期，蓄滿率是第一指標(biāo)；由于蓄水期與汛期部分重疊，蓄水時(shí)間越提前，對(duì)防洪安全的影響越大，其表現(xiàn)為蓄水過(guò)程中產(chǎn)生大量的棄水，因此本文選擇蓄水期棄水量指標(biāo)反映防洪風(fēng)險(xiǎn)大小；蓄水期梯級(jí)發(fā)電量大小也是衡量蓄水方案優(yōu)劣的重要指標(biāo)，由于不同情景的蓄水期長(zhǎng)短不同，為了滿足可比性要求，本文選擇蓄水期平均出力反映蓄水對(duì)發(fā)電的影響。方案篩選的方法為，將不同指標(biāo)的特征值標(biāo)準(zhǔn)化，由于水庫(kù)蓄水、防洪、發(fā)電在蓄水期的重要性依次遞減，對(duì)蓄滿率、期望棄水量、平均期望出力三個(gè)指標(biāo)賦以不同的權(quán)重，得到每個(gè)方案的綜合評(píng)價(jià)值，針對(duì)不同來(lái)水年組，選擇綜合指標(biāo)值最優(yōu)的蓄水時(shí)間方案為該來(lái)水年型的推薦方案。

3 結(jié)果分析

3.1 設(shè)計(jì)蓄水期聯(lián)合調(diào)度效果分析

采用調(diào)度規(guī)程中的起蓄時(shí)間和起蓄水位，采用單庫(kù)隨機(jī)優(yōu)化調(diào)度和四庫(kù)聯(lián)合隨機(jī)優(yōu)化調(diào)度的蓄水期梯級(jí)期望發(fā)電量、梯級(jí)期望棄水量的計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表1，供水保證率的計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表2。

由圖6可見(jiàn)，聯(lián)合優(yōu)化調(diào)度模式下，由于溪洛渡、向家壩水庫(kù)的調(diào)配，三峽水庫(kù)在兩個(gè)蓄水階段快速蓄水期入庫(kù)流量較單庫(kù)模式大，緩慢蓄水期入庫(kù)流量較單庫(kù)模式小，使得三峽水庫(kù)的出庫(kù)流量過(guò)程相對(duì)更為均勻（見(jiàn)圖7）。葛洲壩水庫(kù)自身沒(méi)有調(diào)節(jié)能力，并且三峽至葛洲壩區(qū)間很小，三峽的出庫(kù)流量近似為葛洲壩的入庫(kù)流量，因此聯(lián)合調(diào)度模式下葛洲壩的期望棄水量大大減少（見(jiàn)圖8），進(jìn)而使得期望發(fā)電量顯著增加。

3.2 最優(yōu)起蓄時(shí)機(jī)選擇

（1）蓄滿率。

在豐水年、平水年兩種來(lái)水情形下，梯級(jí)各水庫(kù)以不同蓄水時(shí)間方案起蓄，至調(diào)度規(guī)程規(guī)定蓄滿的時(shí)間（溪洛渡、向家壩9月底、三峽10月底）均能蓄滿，表3給出了枯水年梯級(jí)各水庫(kù)在規(guī)定蓄滿時(shí)間的蓄滿率。

由表3可見(jiàn)：a.溪洛渡、向家壩9月11日起蓄，有部分年份不能在規(guī)定蓄滿的時(shí)間蓄滿，當(dāng)起蓄時(shí)間提前至9月1日，則能在規(guī)定蓄滿的時(shí)間使得蓄滿率達(dá)到100%；

b.遇特枯年份，提前溪洛渡、向家壩的起蓄時(shí)間至9月1日，三峽水庫(kù)仍然無(wú)法在規(guī)定蓄滿的時(shí)間蓄滿，大幅提前自身的起蓄時(shí)間至8月26日，才能使得三峽水庫(kù)的蓄滿率達(dá)到100%。

（2）期望棄水量。

相關(guān)，并且由于葛洲壩滿發(fā)流量小于三峽的滿發(fā)流量，因此葛洲壩的期望棄水量比三峽的期望棄水量大；

b.三峽起蓄越早，三峽和葛洲壩的期望棄水量越多，一方面是由于起蓄越早，來(lái)水量基數(shù)越大，另一方面，越接近主汛期來(lái)水流量越大，水庫(kù)不能調(diào)節(jié)的水量越多；溪洛渡、向家壩起蓄時(shí)間提前具有與三峽水庫(kù)類似的規(guī)律。

（3）梯級(jí)平均期望出力。

表7、表8、表9給出了三種來(lái)水年型不同起蓄時(shí)間方案梯級(jí)平均期望出力的計(jì)算結(jié)果，表中各水庫(kù)的平均期望出力統(tǒng)計(jì)時(shí)段長(zhǎng)與梯級(jí)期望棄水量的統(tǒng)計(jì)時(shí)段長(zhǎng)相同，梯級(jí)的平均期望出力為各水庫(kù)平均期望出力之和。

由表7、表8、表9可見(jiàn)，溪洛渡、向家壩提前蓄水，自身平均期望出力顯著增加，三峽水庫(kù)提前蓄水，三峽和葛洲壩的平均期望出力均會(huì)顯著增加。

（4）方案優(yōu)選。

以各水庫(kù)蓄滿率的均值反映梯級(jí)蓄滿率，將30組不同蓄水情景的梯級(jí)蓄滿率、梯級(jí)期望棄水量、梯級(jí)平均期望出力標(biāo)準(zhǔn)化。根據(jù)蓄滿率、梯級(jí)期望棄水量、梯級(jí)平均期望出力三個(gè)指標(biāo)的重要性不同，采用AHP法給出三個(gè)指標(biāo)的標(biāo)準(zhǔn)化權(quán)重為{042，034，024}，進(jìn)而得到三種不同來(lái)水年型不同起蓄時(shí)間組合的綜合評(píng)價(jià)值，豐水年10種起蓄時(shí)間組合（表4至表9中由上至下依次所列的10組起蓄時(shí)間組合）的綜合評(píng)價(jià)值為{081，08，078，075，072，075，074，073，069，066}，第一種起蓄時(shí)間組合（溪洛渡、向家壩9月11日起蓄，三峽9月10日起蓄）的綜合評(píng)價(jià)值最大，平水年為{083，084，085，084，083，082，082，082，081，08}，第三種起蓄時(shí)間組合（溪洛渡、向家壩9月11日起蓄，三峽9月1日起蓄）的綜合評(píng)價(jià)值最大，枯水年為{034，035，05，057，058，057，057，072，079，08}，第十種起蓄時(shí)間組合（溪洛渡、向家壩9月1日起蓄，三峽8月21日起蓄）的綜合評(píng)價(jià)值最大。

綜上所述，得到三峽及金沙江下游梯級(jí)水庫(kù)群不同來(lái)水年型下汛末最優(yōu)起蓄時(shí)間，即豐水年溪洛渡和向家壩9月11日起蓄、三峽9月10日起蓄，即維持設(shè)計(jì)起蓄時(shí)間起蓄；平水年溪洛渡、向家壩9月11日起蓄、三峽9月1日起蓄；枯水年溪洛渡、向家壩9月1日起蓄、三峽8月21日起蓄。可以發(fā)現(xiàn)，推薦蓄水時(shí)間方案梯級(jí)各水庫(kù)的汛后蓄滿率均為100%，與設(shè)計(jì)蓄水期優(yōu)化結(jié)果（見(jiàn)表8、表9）相比，平水年、枯水年，推薦蓄水時(shí)間方案的梯級(jí)平均期望出力分別增加474%、1016%。

4 結(jié)論

針對(duì)三峽及金沙江下游梯級(jí)水庫(kù)群汛末競(jìng)爭(zhēng)性蓄水引發(fā)的諸多矛盾，以梯級(jí)四庫(kù)系統(tǒng)作為研究對(duì)象，以不同來(lái)水年型、蓄水時(shí)間和蓄水期初水位構(gòu)建梯級(jí)蓄水情景集；以蓄水期期望發(fā)電量最大為目標(biāo)，建立蓄水期多目標(biāo)聯(lián)合隨機(jī)優(yōu)化調(diào)度模型，生成各蓄水情景下的最優(yōu)蓄水方案。分析設(shè)計(jì)蓄水期聯(lián)合優(yōu)化調(diào)度結(jié)果得出結(jié)論：聯(lián)合優(yōu)化調(diào)度更有利于減少蓄水期期望棄水量，提高梯級(jí)期望發(fā)電量和供水保證率；綜合考慮防洪風(fēng)險(xiǎn)與興利效益，基于蓄滿率、梯級(jí)期望棄水量、梯級(jí)平均期望出力對(duì)各方案進(jìn)行評(píng)價(jià)，推薦豐水年溪洛渡、向家壩9月11日起蓄、三峽9月10日起蓄，平水年溪洛渡、向家壩9月11日起蓄、三峽9月1日起蓄，枯水年溪洛渡、向家壩9月1日起蓄、三峽8月21日起蓄。

本文研究結(jié)果對(duì)于改善三峽及金沙江下游梯級(jí)水庫(kù)群蓄水期近期調(diào)度策略以及長(zhǎng)期運(yùn)行規(guī)劃具有參考價(jià)值。

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