考慮生態(tài)流量需求的梯級水庫汛末蓄水調(diào)度研究
——以溪洛渡-向家壩水庫為例

夏 青 青張 琪林 偉汪 利

(1.三峽大學(xué) 三峽庫區(qū)生態(tài)環(huán)境教育部工程研究中心，湖北 宜昌 443002； 2.三峽大學(xué) 水利與環(huán)境學(xué)院，湖北 宜昌 443002)

1 研究背景

近年來，流域梯級水電站水庫群在調(diào)度運(yùn)行過程中發(fā)揮了具大的防洪、發(fā)電、航運(yùn)等綜合效益，但同時(shí)人們對流域的生態(tài)環(huán)境需求也越來越重視。正在開發(fā)的金沙江下游梯級水電站水庫群調(diào)節(jié)能力巨大，然而隨著溪洛渡、向家壩梯級水電站的陸續(xù)建成，極大地改變了金沙江下游原有的徑流規(guī)律，在運(yùn)行調(diào)度過程中不可避免地存在著競爭性蓄水導(dǎo)致的汛末蓄水困難，發(fā)電興利與無效棄水矛盾突出，以及對其下游流域的生態(tài)環(huán)境造成影響等問題[1]。

針對以上問題，眾學(xué)者展開了相關(guān)研究。彭?xiàng)畹柔槍ο宥?向家壩梯級水庫運(yùn)用過程中蓄水與排沙的矛盾，考慮到上游修建白鶴灘水庫的條件，對兩座水庫的汛末蓄水時(shí)間進(jìn)行了優(yōu)化研究[2]；李亮等針對溪洛渡和向家壩梯級組合的特點(diǎn)，考慮到梯級電站的發(fā)電特性，采用聯(lián)合優(yōu)化調(diào)度模型，對兩座電站的蓄放水規(guī)律進(jìn)行了研究[3]；張琪等提出了基于水電站調(diào)度圖的溪洛渡-向家壩改進(jìn)蓄水策略,并從年平均蓄滿率、汛末蓄水位、總棄水量、總發(fā)電量等指標(biāo)入手進(jìn)行綜合分析，確定了最優(yōu)蓄水時(shí)間[4]；周研來等以溪洛渡-向家壩-三峽梯級水庫為對象，通過風(fēng)險(xiǎn)分析、興利效益分析與多目標(biāo)決策，推求出了可權(quán)衡防洪與興利矛盾的梯級聯(lián)合蓄水方案[5]；陳炯宏等考慮到下游地區(qū)蓄水期對上游梯級水庫下泄流量的新要求，在綜合分析防洪、泥沙、庫區(qū)、發(fā)電及供水等指標(biāo)的基礎(chǔ)上，推薦了溪洛渡-向家壩-三峽梯級蓄水調(diào)度方案[6]。

上述內(nèi)容主要是針對溪洛渡-向家壩梯級在蓄水調(diào)度過程中的防洪風(fēng)險(xiǎn)、發(fā)電興利與泥沙淤積等之間的相互矛盾而開展的研究，未能充分考慮到蓄水期下游河道的生態(tài)需水過程。而針對河道生態(tài)徑流量的計(jì)算, 國內(nèi)外學(xué)者已提出了很多方法[7-8]，國內(nèi)一些學(xué)者在考慮到生態(tài)流量過程的前提下對長江上游水庫群的調(diào)度問題開展了一定的研究。比如：辛小康等針對目前長江上游水庫群建設(shè)運(yùn)行的現(xiàn)狀，總結(jié)了水庫群建設(shè)對水環(huán)境和水生態(tài)造成的影響，在此基礎(chǔ)上，提出了長江上游水庫群生態(tài)調(diào)度研究的方向[9]；龍凡等利用年內(nèi)展布法和改進(jìn)的FDC法來計(jì)算最小生態(tài)流量和適宜的生態(tài)流量過程，進(jìn)而以此為約束條件建立了生態(tài)調(diào)度模型，并運(yùn)用該模型研究了生態(tài)流量對溪洛渡-向家壩梯級發(fā)電效益的影響[10]；李舜等通過多種生態(tài)流量計(jì)算方法，對宜昌站最小、適宜、最大生態(tài)徑流和適宜生態(tài)徑流閾值分別進(jìn)行了計(jì)算分析[11]。

上述研究為考慮生態(tài)需求的溪洛渡-向家壩梯級汛末蓄水調(diào)度提供了解決思路?；诖?，本文聚焦于汛末蓄水期溪洛渡-向家壩梯級汛末集中蓄水所帶來的水資源利用矛盾與沖突，為減小梯級汛末蓄水興利對下游生態(tài)環(huán)境帶來的不利影響，開展了考慮生態(tài)流量需求的梯級水庫群汛末蓄水調(diào)度方案研究。

2 蓄水期最小生態(tài)徑流計(jì)算

河道最小生態(tài)徑流是指河流中能滿足當(dāng)前生態(tài)需求的最小流量，當(dāng)河流水量低于該流量時(shí)，河道中的水生生態(tài)系統(tǒng)將會遭受到嚴(yán)重破壞[12]。逐月最小生態(tài)徑流計(jì)算法是計(jì)算河道最小生態(tài)徑流過程的基本水文學(xué)方法，該方法以長系列月徑流系列為基礎(chǔ)，選取歷年逐月最小值組成全年最小生態(tài)徑流過程[13-14]。本文聚焦于9月1～30日汛末蓄水期，以日為時(shí)段開展研究，為了更加精確地確定蓄水期各日的最小生態(tài)徑流大小，借助于逐月最小生態(tài)徑流計(jì)算法的基本思想，采用溪洛渡、向家壩壩址1956～2010年長系列歷史日徑流數(shù)據(jù)，截取55 a的9月1～30日的逐日徑流系列，選擇每日最小值組成9月份蓄水期的最小生態(tài)流量過程，如公式(1)所示。

(1)

利用公式(1)計(jì)算得到了溪洛渡、向家壩9月份各日最小生態(tài)徑流過程，結(jié)果如表1所示。

表1 溪洛渡、向家壩梯級9月份最小生態(tài)徑流計(jì)算結(jié)果Tab.1 The results of minimum ecological runoff of Xiluodu and Xiangjiaba in September

3 溪洛渡-向家壩梯級提前蓄水方案制定

3.1 基于調(diào)度圖的提前蓄水方案制定

根據(jù)金沙江下游梯級原蓄水方案，溪洛渡、向家壩兩座水電站于9月11日開始同步蓄水，9月底分別從汛限水位560 m和370 m蓄至正常蓄水位600 m和380 m[15-16]。然而，隨著金沙江流域水庫數(shù)量的增多，梯級水庫群汛末集中蓄水矛盾突出，提前蓄水成為改善水庫群蓄水矛盾的有效方式之一[17-18]?？紤]到防洪安全、庫區(qū)淹沒及泥沙淤積等問題，根據(jù)已有研究成果，最終確定兩座水電站的起蓄時(shí)間提前至9月1日，蓄滿時(shí)間不變，仍為9月30日[4-5]?；诖?，在兩座水電站原調(diào)度圖的基礎(chǔ)上，重新進(jìn)行了調(diào)整，即將原蓄水方案起蓄時(shí)間點(diǎn)對應(yīng)的各調(diào)度線移動至新的起蓄時(shí)間點(diǎn)，繪制新的各條調(diào)度線，構(gòu)成新的調(diào)度圖，用于指導(dǎo)水電站汛末蓄水過程。兩座水電站的蓄水期調(diào)度圖分別如圖1和圖2所示。圖中實(shí)線為原調(diào)度線，虛線為起蓄時(shí)間提前后的新調(diào)度線。

圖1 溪洛渡水電站9月份運(yùn)行調(diào)度圖Fig.1 Operation chart of Xiluodu Hydropower Station in September

圖2 向家壩水電站9月份運(yùn)行調(diào)度圖Fig.2 Operation chart of Xiangjiaba Hydropower Station in September

如果根據(jù)溪洛渡、向家壩兩座水電站已有調(diào)度圖和調(diào)度規(guī)則進(jìn)行蓄水調(diào)度，一方面，蓄水期的生態(tài)流量難以得到滿足；另一方面，兩座水電站的出力可能會在不同調(diào)度區(qū)之間頻繁跳動，進(jìn)而引起下泄流量和出力過程波動較大的問題。因此，為了更好地運(yùn)用調(diào)度圖來指導(dǎo)梯級的汛末蓄水過程，以各調(diào)度線作為過渡線，并結(jié)合兩座水電站的最小生態(tài)徑流要求，采用以下改進(jìn)蓄水策略。

3.2 汛末蓄水調(diào)度約束條件

在調(diào)度圖的基礎(chǔ)上，溪洛渡-向家壩梯級水電站進(jìn)行蓄水調(diào)度時(shí)，還必須滿足以下各類約束條件[19-20]。

(1) 水量平衡約束。

Vk,t+1=Vk,t+(Ik,t-qk,t-Sk,t)Δt,t=[1,T]

(2)

式中，k為水電站編號，其中1表示溪洛渡，2表示向家壩；Vk,t為水電站k在t時(shí)段的初蓄水量；Ik,t、qk,t、Sk,t分別為k電站在t時(shí)段的平均入庫流量、發(fā)電引用流量和棄水流量；Δt表示時(shí)段間隔，在本文蓄水調(diào)度研究中，以d為時(shí)段間隔；T為汛末蓄水期總時(shí)段長，本研究中以d為時(shí)段間隔，則T=30 d。

(2) 水電站出力約束。

Nk,t,min≤Ak·qk,t·Hk,t≤Nk,t,max，t=[1,T]

(3)

式中，Nk,t,min、Nk,t,max分別為k水電站t時(shí)段最小和最大出力約束，取決于電站的保證出力、預(yù)想出力和電網(wǎng)要求。其中，溪洛渡水電站的裝機(jī)容量為13 860 MW，近期情況下，水電站的保證出力為3 795 MW[15]；向家壩水電站的裝機(jī)容量為6 400 MW，近期情況下的水電站保證出力為2 009 MW[16]。

(3) 庫水位及變幅約束。

Zk,t,min≤Zk,t≤Zk,t,max,t=[1,T]

(4)

|Zk,t-Zk,t-1|≤ΔZk,t=[1,T]

(5)

式中，Zk,t為k水庫t時(shí)段的初水位；Zk,t,min、Zk,t,max分別為時(shí)段最低、最高庫水位約束，ΔZk為k水庫的水位變幅約束，根據(jù)兩座水電站的調(diào)度規(guī)程及下游通航的要求，兩座水電站的日變幅均不超過4.5 m。

(4) 下泄流量約束。

Qk,t,min≤Qk,t≤Qk,t,max,t=[1,T]

(6)

式中,Qk,t為k水庫t時(shí)段的下泄流量，Qk,t=qk,t+Sk,t；Qk,t,min、Qk,t,max分別為時(shí)段最小、最大允許下泄流量約束，根據(jù)蓄水期的防洪、發(fā)電及航運(yùn)要求綜合確定。若考慮水庫下游河道的最小生態(tài)流量要求，兩座水庫的最小下泄流量還應(yīng)不小于9月每日最小生態(tài)徑流量。

4 汛末蓄水調(diào)度計(jì)算與分析

4.1 蓄水調(diào)度方案評價(jià)指標(biāo)

綜合溪洛渡-向家壩梯級水電站汛末蓄水興利和生態(tài)需求，采用蓄水期年平均發(fā)電量、棄水量、水庫蓄滿率、汛末蓄水位，并引入生態(tài)流量滿足度指標(biāo)對調(diào)度方案進(jìn)行評價(jià)。

(7)

(8)

(3) 汛末蓄滿率Rk。若兩座水庫在蓄水調(diào)度期末蓄水至正常蓄水位600 m和380 m，則認(rèn)為水庫已蓄滿，蓄滿率可用下式計(jì)算。

(9)

(10)

(5) 生態(tài)流量滿足度Mk。

(11)

4.2 不同蓄水方案調(diào)度計(jì)算

選取1956～2010年溪洛渡-向家壩長系列歷史入庫徑流資料，分別采用未考慮下游河道最小生態(tài)徑流要求的兩座水電站9月11日起蓄的原蓄水方案(原方案)和基于改進(jìn)的蓄水策略的兩座水電站9月1日提前蓄水的蓄水方案(改進(jìn)方案)，進(jìn)行汛末蓄水調(diào)度計(jì)算。不同蓄水方案的調(diào)度計(jì)算結(jié)果評價(jià)指標(biāo)如表2所示。

對比表2可以算出：對于原蓄水調(diào)度方案，一方面溪洛渡、向家壩兩座水電站水庫汛末蓄滿率不能達(dá)到100%，汛末難以蓄滿；而另一方面又有大量的棄水產(chǎn)生，且兩座水電站下游的生態(tài)流量滿足度相對較低，均不超過80%。在這種情況下，當(dāng)采用考慮下游生態(tài)流量要求的改進(jìn)提前蓄水方案時(shí)，兩座水電站水庫的汛末蓄滿率均可達(dá)到100%，而總棄水量相比原方案減少了18.3%，發(fā)電量增大了12.1%；同時(shí)，兩座水電站的生態(tài)流量滿足度均得到了有較大程度的提高，分別達(dá)到了100%和96.85%。

對產(chǎn)生上述情況的原因進(jìn)行了分析：當(dāng)采用原蓄水方案時(shí)，9月11日開始蓄水會導(dǎo)致前期大量棄水，為使汛末庫水位回蓄至正常蓄水位，兩座水電站在9月份中后期部分時(shí)段按降低出力運(yùn)行，導(dǎo)致了下泄流量不滿足河道最小生態(tài)流量的要求，且向家壩水電站來水取決于溪洛渡水電站水庫的下泄流量，生態(tài)流量滿足度更低。而改進(jìn)后的方案通過提前蓄水使得棄水量大大減少，9月份水電站平均運(yùn)行水位較原方案抬高，發(fā)電量增大。兩座水電站在蓄水發(fā)電的同時(shí)，還能兼顧到下泄流量盡可能滿足下游生態(tài)流量的要求，因此，能夠更加合理地利用水資源，充分發(fā)揮梯級水電站綜合興利和生態(tài)效益的作用。在防洪方面，文獻(xiàn)[5]將汛末蓄水期水位超壩前最高安全水位約束定為風(fēng)險(xiǎn)事件，計(jì)算確定了兩座水庫9月1日同步蓄水，向家壩防洪風(fēng)險(xiǎn)率仍然為0%，而溪洛渡防洪風(fēng)險(xiǎn)率從原9月10日蓄水方案的0%提高到了1.64%?？梢?，改進(jìn)蓄水方案將使得溪洛渡水電站超安全水位風(fēng)險(xiǎn)略有上升，而對向家壩水電站不會產(chǎn)生影響。并且考慮到兩座水庫雖然提前蓄水，但起蓄水位不變，預(yù)留的防洪庫容和原來相比會不發(fā)生變化，汛末期配合三峽水庫蓄水調(diào)度對確保長江中下游防洪安全不會造成較大的影響[6]。

4.3 典型年蓄水過程比較分析

為了進(jìn)一步檢驗(yàn)改進(jìn)后的蓄水方案的調(diào)度效果，選擇了9月份來水較豐的1999年和來水較枯的1983年作為典型年來水過程，比較分析其不同蓄水方案的下泄流量、出力及庫水位變化過程。1999年和1983年汛末蓄水調(diào)度計(jì)算結(jié)果分別如圖3和圖4所示。

由圖3(a)～(f)所示的兩座電站的調(diào)度過程可以看出：針對9月份來水較豐的情形，溪洛渡水電站在蓄水過程中，當(dāng)采用未考慮生態(tài)流量需求的原蓄水方案時(shí)，9月11日開始蓄漲庫水位使得之后部分時(shí)段出現(xiàn)了下泄流量減少、低于最小生態(tài)需水量的情形，如第18～23時(shí)段；對于下游向家壩水電站，上游溪洛渡水電站蓄水導(dǎo)致下游來水量減少，不能達(dá)到生態(tài)流量需求的時(shí)段更多，并且出現(xiàn)了水電站的出力在不同出力區(qū)間跳動，導(dǎo)致向家壩水電站的出力和下泄流量過程出現(xiàn)了較為劇烈的鋸齒狀波動的情況。當(dāng)采用考慮生態(tài)需求的改進(jìn)蓄水方案時(shí)，溪洛渡、向家壩水電站蓄水期各時(shí)段的下泄流量均能滿足下游生態(tài)流量的要求，生態(tài)流量滿足度達(dá)到了100%。同時(shí)，改進(jìn)蓄水策略有助于減小兩座水電站在蓄水過程中下泄流量、出力過程波動幅度大的問題，原蓄水方案中流量和出力過程的鋸齒狀波動現(xiàn)象得到了明顯消除。并且相比原方案，兩座水電站蓄水期均維持在更高的庫水位運(yùn)行，有利于水電站發(fā)電效益的發(fā)揮。

表2 溪洛渡-向家壩梯級不同蓄水方案計(jì)算結(jié)果Tab.2 The results of different impounding schemes in Xiluodu - Xiangjiaba Cascade Hydropower stations

對比分析圖4(a)～(f)兩座水電站的調(diào)度過程可知：當(dāng)兩座水電站來水較少時(shí)，對于溪洛渡水電站而言，當(dāng)采用未考慮下游河道最小生態(tài)需水量的原蓄水方案時(shí)，兩座水電站均有1/3時(shí)段的下泄流量低于最小生態(tài)流量，其中溪洛渡水電站最大差值在第21日達(dá)到了2 824 m3/s，向家壩水電站最大差值在第20日達(dá)到了3 026 m3/s。當(dāng)考慮下游河流最小生態(tài)需水量的提前蓄水方案時(shí)，溪洛渡水電站各時(shí)段的下泄流量均滿足最小生態(tài)流量的要求，生態(tài)流量滿足度為100%，下泄流量、出力過程波動幅度更加平緩；由于來水較枯，第23～24日向家壩水電站仍然存在下泄流量小于最小生態(tài)需水量的情形，生態(tài)流量滿足度為93.30%，但是相對于原方案，其調(diào)度結(jié)果仍得到了很大改善，最大差值出現(xiàn)在第23日，僅為134 m3/s。此外，改進(jìn)的蓄水策略同樣使得兩座水電站的下泄流量、出力過程波動幅度更加平緩，更有利于水電站的穩(wěn)定運(yùn)行。

圖3 1999年溪洛渡、向家壩水電站9月蓄水調(diào)度過程線Fig.3 The impounding operation hydrograph of Xiluodu-Xiangjiaba Cascade Hydropower stations in September，1999

圖4 1983年溪洛渡、向家壩水電站9月蓄水調(diào)度過程線Fig.4 The impounding operation hydrograph of Xiluodu-Xiangjiaba Cascade Hydropower stations in September，1983

5 結(jié) 語

本文以溪洛渡-向家壩梯級水電站為研究對象，確定了汛末蓄水期水電站下游最小生態(tài)徑流過程，提出了基于調(diào)度圖的梯級改進(jìn)提前蓄水方案；同時(shí)，引入了生態(tài)流量滿足度并結(jié)合其他興利指標(biāo)，對蓄水方案進(jìn)行了評價(jià)。研究結(jié)果表明：采用考慮下游生態(tài)流量要求的改進(jìn)提前蓄水方案，會有助于提高梯級汛末蓄滿率、增大發(fā)電效益、減少棄水量，而且也使得梯級電站的運(yùn)行出力、下泄流量過程更加平穩(wěn)，下游生態(tài)流量滿足度得到了明顯提高。隨著金沙江下游梯級中烏東德、白鶴灘水電站的陸續(xù)興建，如何將以三峽水庫為核心的三峽梯級與金沙江下游4庫梯級汛末蓄水調(diào)度聯(lián)合考慮，還有待開展進(jìn)一步的深入研究。