調(diào)水背景下丹江口水庫優(yōu)化調(diào)度與效益分析

王若晨, 歐陽碩

(1.漢江水利水電(集團)有限責(zé)任公司 水庫調(diào)度中心，武漢 430048; 2.長江水利委員會 水文局，武漢 430010)

調(diào)水背景下丹江口水庫優(yōu)化調(diào)度與效益分析

王若晨1, 歐陽碩2

(1.漢江水利水電(集團)有限責(zé)任公司 水庫調(diào)度中心，武漢 430048; 2.長江水利委員會 水文局，武漢 430010)

針對南水北調(diào)中線一期工程建成調(diào)水這一新常態(tài)下丹江口水庫調(diào)度問題，從丹江口水庫蓄水、供水、發(fā)電等不同運行任務(wù)出發(fā)，通過設(shè)定棄水最小化、發(fā)電量最大化調(diào)度目標函數(shù)和不同供水調(diào)度情景，建立了丹江口水庫優(yōu)化調(diào)度模型，構(gòu)建滿足丹江口水庫調(diào)度運行方式的求解空間，采用1956—2015年丹江口天然入庫徑流系列，運用較成熟的動態(tài)規(guī)劃優(yōu)化算法對丹江口優(yōu)化調(diào)度進行模擬，研究水源地樞紐丹江口水庫不同調(diào)度目標函數(shù)和運行方式對下游區(qū)域水文情勢和供需水平衡的影響，試圖為提出可權(quán)衡漢江流域多方用水需求的丹江口調(diào)度運行方式提供基礎(chǔ)支撐。結(jié)果表明：考慮南水北調(diào)中線一期工程引水后，采用丹江口優(yōu)化調(diào)度方案的下泄水量>272億m3，能夠滿足下游基礎(chǔ)供水需求。

南水北調(diào)中線工程；丹江口水庫；調(diào)度方案；供水調(diào)度；目標函數(shù)

1 研究背景

南水北調(diào)中線工程是目前我國工程量最浩大的跨流域調(diào)水工程。自2014年12月27日南水北調(diào)中線工程正式通水后，丹江口水庫除承擔(dān)中下游農(nóng)村、城鎮(zhèn)生產(chǎn)、生活及生態(tài)用水外，還需兼顧北方京津冀等地區(qū)用水需求。加之漢江流域大規(guī)模水資源的開發(fā)利用改變了天然水文情勢，必將產(chǎn)生流域外調(diào)水與流域內(nèi)用水的矛盾、流域內(nèi)上下游間的蓄泄矛盾等。

水庫優(yōu)化調(diào)度一直是流域水資源優(yōu)化配置的重要組成部分，國內(nèi)外學(xué)者從防洪[1-2]、發(fā)電[3-4]、供水[5-7]、生態(tài)[8-10]等多個方面對水庫優(yōu)化調(diào)度理論方法和綜合效益開展了大量研究。針對丹江口水庫調(diào)度問題，研究人員開展了豐富的研究，取得了較為豐富的研究成果。2010年，王本德等[11]針對丹江口水庫降雨預(yù)報存在的漏報風(fēng)險問題，基于貝葉斯理論，提出了利用分級預(yù)報信息的防洪優(yōu)化調(diào)度準則；劉勇等[12]針對丹江口庫區(qū)徑流預(yù)報中物理成因考慮較少的問題，利用主成分分析法研究前期氣象因子與水庫秋汛期入庫徑流過程的相關(guān)關(guān)系，以大氣環(huán)流因子、海溫因子等氣象物理信息和前期降雨、徑流等水文信息作為預(yù)報因子集，建立了3層BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)預(yù)報模型。2012年，胡軍等[13]在滿足防洪、灌溉、航運等綜合利用要求的條件下，以發(fā)電量最大為目標，建立了丹江口水庫優(yōu)化調(diào)度模型。2015年，楊光等[14]考慮未來徑流變化對水庫調(diào)度的影響，建立了考慮未來徑流變化的丹江口多目標優(yōu)化調(diào)度模型，模擬得出兼顧丹江口水庫供水和發(fā)電的多目標調(diào)度規(guī)則。

目前研究多集中在丹江口水庫水文預(yù)報[11-12]、 供水發(fā)電[14]、 防洪[15]、 生態(tài)環(huán)境[16]及水土流失[17]等方面， 較少定量研究南水北調(diào)中線工程一期建成調(diào)水后， 丹江口水庫多調(diào)度任務(wù)間關(guān)系變化規(guī)律， 未能量化分析南水北調(diào)中線工程調(diào)水對丹江口水庫運行方式的影響。 因此， 南水北調(diào)中線工程調(diào)水新形勢下丹江口水庫優(yōu)化調(diào)度研究成為流域水資源優(yōu)化配置領(lǐng)域的熱點和難點問題之一。 為探索南水北調(diào)中線工程調(diào)水條件下丹江口水庫運行方式， 本文通過設(shè)定棄水最小、 發(fā)電量最大調(diào)度目標函數(shù)和不同的調(diào)度情景， 建立了丹江口水庫優(yōu)化調(diào)度模型， 采用1956—2015年丹江口入庫旬徑流系列， 對丹江口優(yōu)化調(diào)度進行模擬，嘗試找到可權(quán)衡南水北調(diào)調(diào)水和中下游供水等供水需求及防洪、 蓄水和發(fā)電等任務(wù)的丹江口調(diào)度運行方式， 有效緩解南水北調(diào)中線工程調(diào)水對水源地下游區(qū)域的影響。

2 水庫調(diào)度模型

為從不同角度分析南水北調(diào)中線工程調(diào)水條件下丹江口水庫運行方式對流域外調(diào)水、中下游的供水及水庫自身蓄水的影響，本文選取適應(yīng)不同情景階段的發(fā)電量最大、棄水最小2個目標函數(shù)，建立了考慮南水北調(diào)中線工程調(diào)水的丹江口水庫調(diào)度模型。

2.1 目標函數(shù)

2.1.1 棄水最小(Obj1)

以丹江口水庫棄水最小為主要優(yōu)化目標，充分利用流域水資源。其具體表述為

(1)

式中：Qt,d表示水庫t時段的棄水流量；Wd為棄水水量；Δt為調(diào)度時段步長；T為總時段數(shù)。

2.1.2 發(fā)電量最大(Obj2)

丹江口水庫發(fā)電量最大為主要優(yōu)化目標，其具體表述為

(2)

式中：Nt表示水庫t時段的出力；P為調(diào)度期總發(fā)電量。

2.2 約束條件

上述模型約束條件如下：

(1) 庫容(水位)上下限約束為

Zt,min≤Zt≤Zt,max， (t=1,2,…,T) 。

(3)

式中：Zt,min，Zt,max，Zt分別為水庫t時段允許的最低水位、最高水位及面臨時段水位。

(2) 水庫水量平衡約束為

Vt=Vt-1+(It-Qt-St)Δt 。

(4)

式中：Vt，It，Qt分別為調(diào)度期水庫t時段的水庫庫容、入庫流量、出庫流量；St為調(diào)水工程的引水流量。

(3) 水庫電站出力約束為

Pmin,t≤Pt≤Pmax,t。

(5)

式中：Pt為水庫電站t時段平均出力；Pmax,t，Pmin,t分別為電站總出力最大值、最小值。

(4) 水庫下泄能力約束為

Qout,t≤Qmax(Zt) 。

(6)

式中：Qout,t為調(diào)度期水庫在t時段的下泄流量；Qmax(Zt)為對應(yīng)水位Zt下的該水庫最大下泄能力。

(5) 出庫流量約束為：

Qout,t≥Qmin；

(7)

(8)

式中：Qmin為調(diào)度期水庫的最小下泄流量，需綜合考慮下游供水、生態(tài)、航運用水等需求來確定；ΔQ為對應(yīng)水庫日下泄流量最大變幅；Qout,t-1為調(diào)度期水庫t-1時段的下泄流量。

(6) 滿足水庫防洪調(diào)度規(guī)程要求及流域防洪標準。

3 南水北調(diào)中線工程調(diào)水方案

根據(jù)2014年國務(wù)院審批同意的《南水北調(diào)中線一期工程水量調(diào)度方案》[18]，南水北調(diào)中線總干渠從丹江口水庫陶岔引水，采用專用渠道輸水到河南、河北、北京、天津等受水區(qū)。全線除北京境內(nèi)有加壓泵站外為自流輸水，通過總干渠上的節(jié)制閘和分水口門(分水閘)進行輸水和分水控制，為保證輸水工程安全，不得隨意利用退水閘分水。中線總干渠主要監(jiān)測斷面包括陶岔、刁河、方城草墩河、黃河北岸、漳河北岸、崗頭隧洞、北拒馬河、王慶坨(河北天津界)，其主要指標見表1。

表1 主要監(jiān)測斷面設(shè)計流量及設(shè)計水位指標

Table 1 Design discharges and design water levels of monitored sections

監(jiān)測斷面名稱位置設(shè)計流量/(m3·s-1)加大流量/(m3·s-1)設(shè)計水位/m陶岔陶岔閘后350420147．38刁河刁河渡槽進口節(jié)制閘350420146．80方城草墩河草墩河進口節(jié)制閘330400136．04黃河北岸穿黃出口節(jié)制閘265320111．93漳河北岸漳河出口節(jié)制閘23526591．87崗頭隧洞崗頭隧洞進口節(jié)制閘12515065．99北拒馬河北拒馬河暗渠進口節(jié)制閘506060．73王慶坨(河北天津界)王慶坨連接井進口閘50605．11

4 實例分析

4.1 丹江口水庫調(diào)度運行方式

丹江口大壩加高后，水庫綜合利用主要任務(wù)為防洪、供水(含灌溉)、發(fā)電、航運等。由于丹江口水庫調(diào)度規(guī)程尚未編制完成，本文根據(jù)2014年國務(wù)院批復(fù)的《南水北調(diào)中線一期工程水量調(diào)度方案》[18]進行分析，考慮南水北調(diào)中線一期工程影響的陶岔渠首多年平均引水95億m3；結(jié)合2015年批復(fù)的鄂北水資源配置工程，清泉溝渠首多年平均引水13.98億m3(包含引丹灌區(qū)6.28億m3和鄂北水資源配置工程7.7億m3)。在滿足漢江中下游用水需求的條件下，按丹江口水庫來水和庫水位，結(jié)合受水區(qū)需調(diào)水量，提出丹江口水庫防洪及供水方案，按丹江口水庫水位高低，進行分區(qū)調(diào)度。丹江口水庫運行水位：正常蓄水位170 m；汛期限制水位，在夏季(6月21日至8月20日)為160 m，在秋季(9月1日至9月30日)為163.5 m；死水位150 m；極限消落水位145 m。

丹江口水庫運行具體供水調(diào)度方案：按庫水位高低，分區(qū)調(diào)度。

4.1.1 供水調(diào)度線

調(diào)度線分別為：① 正常蓄水位線；② 防洪限制水位線；③ 降低供水線1；④ 降低供水線2；⑤ 限制供水線；⑥ 極限消落水位線。6條調(diào)度線月初水位值見表2。

表2 丹江口水庫調(diào)度線月初水位值

Table 2 Processes of water level scheduling lines of Danjiangkou reservoir in the beginning of each month

序號調(diào)度線不同月份的月初水位值/m5月6月7月8月9月10月11月12月翌年1月翌年2月翌年3月翌年4月1正常蓄水位線170170170170170．0170．0170170170170170170．02防洪限制水位線170164160160163．5163．5170170170170170170．03降低供水線1156156156159161．4163．5168168168168165160．54降低供水線2155155155155156．0161．0163163163161158155．05限制供水線148148150152152．0152．0152152152152152151．06極限消落水位線145145145145145．0145．0145145145145145145．0

4.1.2 供水調(diào)度區(qū)

供水區(qū)分為4種情況，分述如下。

(1) 加大供水區(qū)。當(dāng)?shù)そ谒畮靿吻八辉诜篮橄拗扑痪€之上時，陶岔渠首按不大于最大過水能力(420 m3/s)供水，清泉溝包含2個引水工程，采用按需引水(多年平均供水不超過(6.28+7.7)億m3)。

(2) 保證供水區(qū)。當(dāng)?shù)そ谒畮靿吻八辉诜篮橄拗扑痪€與降低供水線1之間時，陶岔渠首按不大于設(shè)計流量(350 m3/s)供水，清泉溝按需引水(多年平均供水不超過(6.28+7.7)億m3)。

(3) 降低供水區(qū)。當(dāng)?shù)そ谒畮靿吻八辉诮档凸┧€1與限制供水線之間時，陶岔渠首和清泉溝引水總量分別不能超過300 m3/s(壩前水位>163 m)和260 m3/s(壩前水位<163 m)。

(4) 限制供水區(qū)。當(dāng)?shù)そ谒畮靿吻八辉谙拗乒┧€與極限消落水位線之間時，陶岔渠首和清泉溝引水總量不超過135 m3/s。

此外，供水調(diào)度區(qū)存在1個最小下泄流量。為保證中下游供水、生態(tài)和航運需水，一般情況下丹江口下泄流量≥490 m3/s，但當(dāng)?shù)そ谒畮斓乃辉?47～150 m，來水流量<350 m3/s時，下泄流量≥400 m3/s。

4.2 調(diào)度結(jié)果比較與分析

以建立的水庫調(diào)度模型為基礎(chǔ)，構(gòu)建滿足丹江口水庫調(diào)度運行方式的DP求解空間，選取1956—2015年長系列入庫旬徑流資料，運用DP優(yōu)化算法[19-20]仿真模擬，并設(shè)置丹江口大壩加高后無南水北調(diào)中線一期工程調(diào)水(情景1)和考慮南水北調(diào)調(diào)水(情景2)的2種丹江口調(diào)度情景，制定了相應(yīng)情景下不同調(diào)度目標函數(shù)的優(yōu)化調(diào)度方案，并對其流域水資源配置效益進行對比分析，模擬調(diào)度結(jié)果如表3所示。

表3 不同調(diào)度情景下丹江口調(diào)度結(jié)果對比分析

Table 3 Comparison of the water dispatching of Danjiangkou Reservoir under different scenarios

情景編號目標函數(shù)發(fā)電量/億kW·h發(fā)電用水量/億m3棄水量/億m3下泄水量/億m3調(diào)水量/億m3陶岔清泉溝1Obj144．85276．487．7364．13013．971Obj245．44276．288．1364．28013．822Obj138．44240．332．1272．4792．4913．142Obj245．51293．637．7331．3039．797．01

由表3可知，不考慮南水北調(diào)引水的影響(情景1)，棄水量最小和發(fā)電量最大目標下，丹江口多年平均下泄水量分別為364.13,364.28億m3，多年平均棄水量分別為87.7,88.1億m3，多年平均發(fā)電量分別為44.85,45.44億kW·h；而考慮南水北調(diào)引水的影響(情景2)，棄水量最小和發(fā)電量最大目標下，丹江口多年平均下泄水量分別為272.47，331.30億m3，多年平均棄水量分別為32.1，37.7億m3，多年平均發(fā)電量分別為38.44，45.51億kW·h。相比情景1，情景2的棄水量最小調(diào)度方案，丹江口多年平均下泄水量減少91.66億m3，減少了丹江口下游地區(qū)水資源量；另一方面，南水北調(diào)引水有效地緩解了北方水資源短缺問題，且丹江口多年平均棄水量減少了55.6億m3，提高了流域水資源利用率。

此外情景2條件下，發(fā)電量最大調(diào)度方案下的陶岔多年平均調(diào)水量僅39.79億m3，不能滿足調(diào)水需求，且棄水較大，相比棄水量最小調(diào)度方案，可行性和合理性較差。

丹江口優(yōu)化調(diào)度的水位、流量(包含電站發(fā)電用水、南水北調(diào)供水、清泉溝引水和棄水)過程如圖1所示。

圖1 丹江口供水優(yōu)化調(diào)度的流量和水位過程Fig.1 Water level and discharge processes of the scheduling of Danjiangkou Reservoir under different scenarios

綜合表3和圖1可知：由于北方水資源短缺問題嚴重，南水北調(diào)中線一期工程引水量較大，對丹江口供水、發(fā)電等綜合效益均具有明顯的影響。在考慮南水北調(diào)中線一期工程調(diào)水的條件下按棄水最小目標函數(shù)計算，丹江口調(diào)度方案發(fā)電量等受到影響較小，減少了約14%；而主要供水任務(wù)中，丹江口下泄水量受到影響大，減少91.66億m3，約占下游供水總量的24%。根據(jù)《漢江干流綜合規(guī)劃報告》[21]，2020水平年，漢江流域本流域用水的需水量約為201億m3，丹江口水庫下游皇莊最小控制下泄流量為500 m3/s，丹江口中下游河道外用水需供水量約103億m3，河道內(nèi)生態(tài)基流約為174億m3，考慮南水北調(diào)中線一期工程引水后，丹江口供水優(yōu)化調(diào)度方案的下泄水量>272億m3，能夠滿足下游基礎(chǔ)供水需求。

此外，表4給出了2個調(diào)度情景下丹江口棄水量最小調(diào)度方案多年平均逐月棄水流量過程。由表4可以看出，相比南水北調(diào)調(diào)度前，情景2棄水減少量主要集中在汛期，約為50%；盡管南水北調(diào)引水方案在一定程度上提高了流域水資源利用率，但是由于要滿足汛期安全的需要，丹江口水庫主汛期水位維持在160 m以下，考慮南水北調(diào)供水調(diào)度主要根據(jù)丹江口壩前水位進行調(diào)水調(diào)節(jié)，低水位條件下無法充分利用汛期洪水資源，仍存在較大的棄水量。

表4 不同調(diào)度情景下丹江口棄水量最小調(diào)度方案多年平均棄水過程對比分析

Table 4 Comparison of the process of mean abandoned water flow of Danjiangkou Reservoir with the objective of minimum abandoned water flow under different scenarios

情景不同月份的棄水量/億m31月2月3月4月5月6月7月8月9月10月11月12月100002052114465320299380020000472502441862342200差值0000158064221134651600

因此，根據(jù)上述模擬仿真結(jié)果可知，可以考慮對丹江口供水調(diào)度分調(diào)度期采取不同的水位控制措施。依據(jù)陶岔渠首引水能力，在汛期(5—10月份)水位約束條件下，考慮短期預(yù)報在汛期的中小洪水應(yīng)用，水位貼近汛期防洪限制水位運行，加大陶岔渠首引水流量；在枯水期(11月份—翌年4月份)，丹江口應(yīng)維持相對高水位運行，根據(jù)下游基礎(chǔ)供水需求，減小陶岔渠首引水流量，控制水庫運行水位。

5 結(jié) 論

本文針對丹江口大壩加高后水庫主要調(diào)度任務(wù)調(diào)整，在滿足漢江中下游用水需求條件下，考慮受水區(qū)需調(diào)水量，建立了棄水最小、發(fā)電量最大等不同調(diào)度目標下丹江口水庫調(diào)度模型，對丹江口優(yōu)化調(diào)度進行模擬，為制定滿足多方需求的丹江口調(diào)度運行方式提供基礎(chǔ)支撐。模擬結(jié)果表明：

(1) 考慮南水北調(diào)中線一期工程引水后，丹江口調(diào)度方案發(fā)電量等次要任務(wù)受到影響較小，但丹江口下泄水量受到影響較大，采用棄水量最小調(diào)度方案時，下泄水量減少近100億m3。

(2) 丹江口供水調(diào)度方案的下泄水量>272億m3，能夠滿足下游基礎(chǔ)性的供水需求。

然而，盡管對滿足中下游基礎(chǔ)性用水需求影響較小，但南水北調(diào)中線一期工程引水對丹江口水利樞紐綜合效益及漢江流域水資源配置影響較大，減少了漢江中下游近1/3的地表水資源量，對漢江流域水資源配置和漢江中下游生態(tài)環(huán)境的影響較大；加之遠期漢江上游引漢濟渭工程投運，將進一步跨流域引調(diào)漢江上游水資源，因此亟需深入研究跨流域調(diào)水模式下滿足防洪、供水需求、兼顧發(fā)電、航運等效益的丹江口水庫綜合調(diào)度模式。

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(編輯：占學(xué)軍)

Benefit Analysis and Optimal Scheduling of Danjiangkou Reservoir inthe Presence of the South-to-north Water Transfer Project

WANG Ruo-chen1, OUYANG Shuo2

(1.Reservoir Dispatching Center, Hanjiang Group，Wuhan 430048, China; 2.Bureau of Hydrology, Changjiang Water Resources Commission, Wuhan 430010, China)

As the first-stage project of the south-to-north water transfer project has been built, the scheduling of Danjiangkou reservoir has become an important issue. The aim of this research is to provide basic support for the scheduling which could make a trade-off among multiple users in the Hanjiang river basin. In the light of storage, water supply, and power generation tasks, a scheduling model for Danjiangkou Reservoir was built through setting objective functions (minimum abandoned water flow and maximum power generation) and water supply dispatching scenarios (in the presence and in the absence of the south-to-north water transfer project). The solution space which meets the dispatching operation mode of Danjiangkou reservoir was constructed. Dynamic programming algorithm and natural incoming runoff series of Danjiangkou between 1956 and 2015 were used for the simulation. The influences of objective function and operation mode on the water regime and water balance in the downstream were analyzed. Results show that in the presence of the first stage of middle route south-to-north water transfer project, the discharge of Danjiangkou reservoir’s optimization scheduling is more than 27.2 billion m3, which could meet the water demands in the lower reach of Hanjiang River.

middle route of south-to-north water transfer project; Danjiangkou reservoir; operation scheme; water supply regulation; objective function

2016-09-05;

2016-10-02

國家自然科學(xué)基金青年基金項目(51609007)

王若晨(1987-)，男，江蘇常州人，工程師，碩士, 長期主要從事梯級水庫群聯(lián)合調(diào)度研究，(電話)18612441752(電子信箱)ruochen_wang@126.com。

10.11988/ckyyb.20160900

2016,33(12):17-21

TV121

A

1001-5485(2016)12-0017-05