長江上游流域水庫群調(diào)蓄對三峽-葛洲壩梯級電站運(yùn)行影響分析

梁志明 ，戴凌全 ，侯雨坤 ，郭 樂 ，熊江濤

（1.中國長江三峽集團(tuán)公司，北京 100038；2.三峽水利樞紐梯級調(diào)度通信中心，湖北 宜昌 443133；3.三峽大學(xué) 水利與環(huán)境學(xué)院，湖北 宜昌 443002；4.中交第二航務(wù)工程勘察設(shè)計院有限公司，武漢 430071）

長江上游水能資源豐富，占全國水能資源蘊(yùn)藏量的1/3，規(guī)劃有金沙江、雅礱江、大渡河、烏江和長江上游干流五個水電基地，裝機(jī)容量1.756×108kW，占全國規(guī)劃的十三大水電基地的59.23%。隨著長江上游流域水電開發(fā)的逐年深入，諸多控制性水庫先后蓄水運(yùn)行，上游水庫群調(diào)節(jié)庫容逐年增大。截至2017年7月，長江上游大型水庫102座，總調(diào)節(jié)庫容超8×1010m3。

三峽-葛洲壩梯級電站是長江上游梯級電站群最后兩級。根據(jù)《關(guān)于2019年長江流域水工程聯(lián)合調(diào)度運(yùn)用計劃的批復(fù)》，三峽-葛洲壩梯級電站以上納入長江聯(lián)合防洪調(diào)度的關(guān)鍵控制性水庫共計20座，分布在金沙江中游、金沙江下游、岷江、沱江、嘉陵江、烏江等流域。上游控制性水庫規(guī)模不一，電站特性不同，調(diào)度管理關(guān)系復(fù)雜，實(shí)際運(yùn)行過程中不確定性較大。而上游水庫群龐大的調(diào)節(jié)庫容規(guī)模決定了其調(diào)蓄作用將對三峽-葛洲壩梯級電站運(yùn)行造成極大影響。但是，當(dāng)前研究大多數(shù)集中于長江上游流域梯級水庫群聯(lián)合優(yōu)化調(diào)度宏觀層次，未從三峽-葛洲壩梯級電站實(shí)際運(yùn)行調(diào)度出發(fā)去開展調(diào)蓄影響研究。因此，分析上游水庫群調(diào)蓄規(guī)律，量化其運(yùn)行調(diào)度對三峽-葛洲壩梯級電站的影響，對三峽-葛洲壩梯級電站科學(xué)調(diào)度，高效利用水資源意義重大。本文從上游關(guān)鍵控制性水庫群運(yùn)行過程著手，對長江上游水庫群調(diào)蓄影響進(jìn)行分析，梳理上游水庫群調(diào)蓄時空變化規(guī)律，進(jìn)而明晰上游水庫群調(diào)蓄對三峽-葛洲壩梯級電站入庫水量影響及梯級電站發(fā)電能力的影響。研究成果將有助于提高三峽-葛洲壩梯級電站調(diào)度決策水平，進(jìn)一步提升梯級電站水資源利用效率，充分發(fā)揮梯級電站綜合效益。

1 長江上游關(guān)鍵控制性水庫群概況

三峽-葛洲壩梯級電站位于湖北宜昌，地處長江上游與中游的交界處。在三峽-葛洲壩梯級電站以上，長江上游主要流域有金沙江中游流域、雅礱江流域、金沙江下游流域、嘉陵江流域、烏江流域和岷沱江流域六大流域。根據(jù)流域水庫群特性及運(yùn)行資料分析，對三峽水庫運(yùn)行影響較大的水庫共計26座（具體水庫拓?fù)潢P(guān)系見圖1），上游水庫群調(diào)節(jié)總庫容為3.5×1010m3。

圖1 三峽上游流域水庫群概況圖Fig.1 Overview of reservoirs in the upper reaches of the Three Gorges

將上述26座水庫調(diào)節(jié)庫容按流域進(jìn)行統(tǒng)計，獲得三峽上游各流域調(diào)節(jié)庫容及對應(yīng)比例統(tǒng)計表（表1）。由該表可知，烏江流域、雅礱江流域、金沙江下游流域調(diào)節(jié)庫容占比較多，烏江流域占比26.1%、雅礱江流域占比24.4%，金沙江下游流域占比21.3%，三大流域總占比71.7%；嘉陵江流域、岷沱江流域總占比23.0%，金沙江中游流域占比5.2%。

表1 上游流域調(diào)節(jié)庫容統(tǒng)計表Table 1 Storage capacity of the upstream watershed regulation

2 長江上游關(guān)鍵控制性水庫群調(diào)蓄影響分析

長江上游水庫群調(diào)蓄對三峽-葛洲壩梯級電站的影響直接體現(xiàn)在三峽水庫入庫水量（流量）上，進(jìn)而通過“水量-電量”轉(zhuǎn)換關(guān)系，反映到電量上。為定量分析長江上游水庫群調(diào)蓄作用對三峽-葛洲壩梯級電站的影響，擬從水量影響、電量影響兩方面進(jìn)行分析。首先，通過上游水庫群特性資料及運(yùn)行資料，對上游水庫群整體調(diào)蓄水平及調(diào)蓄過程進(jìn)行分析，獲取上游水庫群對三峽-葛洲壩梯級電站水量的影響規(guī)律。其次，三峽水庫入庫流量序列中剔除受上游水庫群調(diào)蓄影響部分，獲取三峽-葛洲壩梯級電站還原入庫流量序列。以還原入庫流量序列、還現(xiàn)入庫流量序列作為輸入，測算不同流量序列下三峽-葛洲壩梯級電站發(fā)電能力，進(jìn)而獲取上游水庫群調(diào)蓄對梯級電站電量的影響規(guī)律[1-4]。

2.1 上游水庫調(diào)蓄對三峽-葛洲壩梯級水電站水量影響規(guī)律

2.1.1 調(diào)蓄水量計算

以26座水庫2001—2016年水位數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，根據(jù)水庫水位-庫容關(guān)系曲線得到各水庫旬平均水位。根據(jù)水庫水量平衡原理，計算得到各水庫旬平均調(diào)蓄水量、調(diào)蓄流量值。相關(guān)計算公式為水庫調(diào)度基礎(chǔ)公式水量平衡方程轉(zhuǎn)化得到，各研究者都有不同表述方式，但本質(zhì)相差不大。采用的計算公式如下所示：

式中：Wtx為調(diào)蓄水量，108m3；Qtx為調(diào)蓄流量，m3/s；Vt+1為t時段末庫容值，108m3；Vt為t時段初庫容值，108m3；△t為t時段長，s。當(dāng)Qtx（Wtx）＞ 0時，表示該水庫泄水，Qtx（Wtx）為泄水流量（泄水量）；Qtx（Wtx）＜ 0時，表示該水庫蓄水，Qtx（Wtx）為蓄水流量（蓄水量）。為定量分析上游水庫群調(diào)蓄影響，特定義如下指標(biāo)：

式中：Rtx為調(diào)蓄占比，無量綱；Qtx為上游水庫群調(diào)蓄流量，m3/s；Qrk為三峽入庫流量，m3/s。Rtx是衡量上游水庫群調(diào)蓄作用占三峽實(shí)際入庫的比重，三峽水庫建庫前（2003年以前）水庫入庫流量采用宜昌站流量。

調(diào)蓄占比絕對值|Qrk |：由于調(diào)蓄占比有正有負(fù)，為衡量上游水庫群調(diào)蓄整體影響，引入調(diào)蓄占比絕對值。

按照上述調(diào)蓄流量計算方法及相應(yīng)統(tǒng)計指標(biāo)，對上游水庫群26座水庫逐旬調(diào)蓄流量、調(diào)蓄水量分別進(jìn)行計算，并分流域?qū)Ω魉畮煺{(diào)蓄流量（水量）進(jìn)行累加，得到各流域逐旬調(diào)蓄流量（水量）。從整體調(diào)蓄水平、調(diào)蓄水量分期分析、各流域調(diào)蓄分析三個方面，研究上游水庫群調(diào)蓄對三峽-葛洲壩梯級電站的水量影響。

2.1.2 整體調(diào)蓄水平

調(diào)蓄流量占比絕對值和調(diào)蓄流量占比逐旬過程分別如圖2和圖3所示。由圖2可知三峽上游水庫群調(diào)蓄流量占比以2006年、2011年、2015年為節(jié)點(diǎn)，呈現(xiàn)出階梯狀逐步增加的趨勢。2001—2005年處于1%水平，2006—2010年處于5%水平，2011—2014年處于10%水平，2015—2016年處于18%水平。

由圖3可知旬最大調(diào)蓄占比絕對值出現(xiàn)在2016年9月上旬。在該旬，上游水庫群攔蓄水量占三峽水庫實(shí)際入庫流量的44.28%，大幅減小該旬三峽水庫流量。

圖2 2001—2016年長系列逐旬調(diào)蓄占比絕對值過程圖Fig.2 Time series of absolute value of storage ratio from 2001 to 2016

圖3 2001—2016年長系列逐旬調(diào)蓄占比過程圖Fig.3 Time series of the storage proportion from 2001 to 2016

2.1.3 調(diào)蓄水量分期分析

根據(jù)三峽水庫運(yùn)行特性，將一個完整水文年劃分為集中消落期（5月下旬至6月上旬）、汛期（6月中旬至9月上旬）、蓄水期（9月中旬至10月下旬）及其他時期，對三峽上游水庫群各分期內(nèi)的調(diào)蓄水量進(jìn)行分析。

由圖4可知，2001—2016年間，調(diào)蓄水量整體呈現(xiàn)上漲趨勢。集中消落期調(diào)蓄水量年均占比10.99%，汛期年均占比34.26%，蓄水期年均占比12.35%，其他時期占比42.39%。2001—2016年，集中消落期年均調(diào)蓄水量為1.415×109m3，汛期年均調(diào)蓄水量為7.388×109m3，蓄水期年均調(diào)蓄水量為2.487×109m3，其他時期為7.986×109m3。結(jié)合年均占比分析可知，汛期與其他時期調(diào)蓄水量相當(dāng)，但汛期三峽來水量較大，故年均占比較小，非汛期來水量較小，年均占比較大。

由圖5可知，從總的調(diào)蓄過程來看，在汛期上游水庫群整體調(diào)蓄趨勢是攔蓄洪量，年均攔蓄洪量為4.891×109m3，最高為2016年，攔蓄洪量1.791×1010m3，2014—2016年，上游水庫群攔蓄洪量為1.4×1010～1.8×1010m3。在消落期，上游水庫群整體調(diào)蓄趨勢是蓄水，年均蓄水量為1.146×109m3，最大蓄水量為5.025×109m3，但在2016年為泄水狀態(tài)。在蓄水期，上游水庫群整體調(diào)蓄趨勢為蓄水，年均蓄水量為1.578×109m3，2015—2016年蓄水量在5×109m3左右。其他時期上游水庫群整體調(diào)蓄趨勢為泄水，年均泄水量為6.516×109m3，2015—2016年泄水量均在2×1010m3以上。

圖4 2001—2016年逐年分期調(diào)蓄水量過程圖Fig.4 Annual water storage process from 2001 to 2016

圖5 分期調(diào)蓄水量分析圖Fig.5 Analysis of water storage at different stages

2.1.4 各流域調(diào)蓄分析

對三峽上游水庫群調(diào)蓄量按照流域進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)金沙江下游流域（21.3%）、雅礱江流域（24.3%）、岷沱江流域（20%）三個流域調(diào)蓄占比都超過了20%；烏江流域與嘉陵江流域距離三峽庫區(qū)較近，蓄泄?fàn)顟B(tài)能快速反映到三峽入庫流量中去，兩個流域占比之和為28%；金沙江中游流域調(diào)蓄水平較低（7%）。各流域水庫群調(diào)蓄量占比與調(diào)節(jié)庫容占比基本一致[5-8]。

2.2 上游水庫調(diào)蓄對三峽-葛洲壩梯級水電站電量的影響規(guī)律

2.2.1 徑流還原與還現(xiàn)計算

根據(jù)上游水庫群調(diào)蓄結(jié)果，結(jié)合三峽水庫實(shí)際旬入庫流量過程進(jìn)行還原計算，還原計算公式為：

式中：Qhy,t為三峽水庫t時段對應(yīng)的還原入庫流量，m3/s；Qin,t為三峽水庫t時段對應(yīng)的實(shí)際入庫流量，m3/s；Qtx,t為三峽水庫t時段對應(yīng)的上游水庫群調(diào)蓄流量，m3/s。

根據(jù)上述計算方法，獲得三峽水庫2001—2016年逐旬還原入庫流量，還原入庫流量序列起點(diǎn)為2001年，現(xiàn)將2001年以前三峽水庫入庫流量（采用宜昌站流量）視為天然入庫流量。選取1977—2000年序列加入分析，由此可得三峽水庫1977—2016年共40年還原（天然）入庫流量。

根據(jù)還原計算成果，以2016年溪洛渡水庫、三峽水庫上游水庫群調(diào)蓄水平作為還現(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)，對還原流量進(jìn)行還現(xiàn)計算。還現(xiàn)計算公式如下：

式中：Qhx,t為三峽水庫t時段對應(yīng)的還現(xiàn)入庫流量，m3/s；Qtx,2016,t為2016年t時段對應(yīng)三峽水庫上游水庫群旬調(diào)蓄流量，m3/s。根據(jù)上述計算方法，獲得三峽水庫1977—2016年逐旬還現(xiàn)入庫流量。

采取三峽水庫1977—2016年還原入庫流量、還現(xiàn)入庫流量，按照《三峽（正常運(yùn)行期）-葛洲壩水利樞紐梯級調(diào)度規(guī)程》規(guī)定的梯級電站運(yùn)行規(guī)則，進(jìn)行1977—2016年三峽-葛洲壩梯級電站還原流量及還現(xiàn)流量下的年度發(fā)電能力測算，并從年度發(fā)電能力、分期電量、調(diào)蓄影響電量（同一時段下，兩種入庫徑流測算電量差值即為調(diào)蓄影響電量）等多方面進(jìn)行分析。

2.2.2 三峽-葛洲壩梯級年度發(fā)電能力

分析圖6至圖9可知，以1977—2016年還原徑流作為入庫流量，在不考慮上游水庫調(diào)蓄作用前提下，三峽-葛洲壩梯級電站最高發(fā)電量為1.215×1011kW·h，最低發(fā)電量為8.16×1010kW·h，平均年發(fā)電量為1.051×1011kW·h。以1977—2016年還現(xiàn)徑流作為來流量，在三峽上游水庫群2016年調(diào)蓄水平下，三峽-葛洲壩梯級電站最高發(fā)電量為1.244×1011kW·h，最低發(fā)電量為8.270×1010kW·h，平均年發(fā)電量為1.091×1011kW·h。三峽-葛洲壩梯級電站調(diào)蓄影響電量最大值為7.750×109kW·h，最小值為0.570×108kW·h，調(diào)蓄影響電量平均值為4.001×109kW·h。其中，三峽電站調(diào)蓄影響電量最大值為6.745×109kW·h，最小值為-2.850×108kW·h，調(diào)蓄影響電量平均值為3.180×109kW·h。葛洲壩電站調(diào)蓄影響電量最大值為1.175×109kW·h，最小值為2.510×108kW·h，調(diào)蓄影響電量平均值為8.210×108kW·h。

圖7 三峽-葛洲壩梯級電站1997—2016年還原分期電量圖Fig.7 Power at different stages of natural runoff for Three Gorges-Gezhouba cascade hydroeletric stations from 1997 to 2016

圖8 三峽-葛洲壩梯級電站1977—1996年還現(xiàn)分期電量圖Fig.8 Power at different stages of current runoff for Three Gorges-Gezhouba cascade hydroeletric stations from 1977 to 1996

圖9 三峽-葛洲壩梯級電站1997—2016年還現(xiàn)分期電量圖Fig.9 Power at different stages of current runoff for Three Gorges-Gezhouba cascade hydroeletric stations from 1997 to 2016

2.2.3 電量分期分析

分析圖10、圖11，分別從集中消落期、汛期、蓄水期、其他時期探討上游水庫群調(diào)蓄對三峽-葛洲壩梯級電站年度發(fā)電量的影響。

還現(xiàn)電量計算中，三峽-葛洲壩梯級電站集中消落期發(fā)電量最大值為9.632×109kW·h，最小電量為5.783×109kW·h，平均電量為7.564×109kW·h。汛期最大電量為4.869×1010kW·h，最小電量為2.309×1010kW·h，平均電量為3.929×1010kW·h。蓄水期最大電量為2.479×1010kW·h，最小電量為9.988×109kW·h，平均電量為1.814×1010kW·h。其他時期最大電量為5.281×1010kW·h，最小電量為3.714×1010kW·h，平均電量為4.415×1010kW·h。

還原電量計算中，三峽-葛洲壩梯級電站集中消落期發(fā)電量最大值為9.309×109kW·h，最小電量為4.450×109kW·h，平均電量為7.145×109kW·h。汛期最大電量為4.756×109kW·h，最小電量為2.591×1010kW·h，平均電量為4.149×1010kW·h。蓄水期最大電量為2.592×108kW·h，最小電量為1.096×109kW·h，平均電量為1.925×109kW·h。其他時期最大電量為4.601×1010kW·h，最小電量為3.010×1010kW·h，平均電量為3.727×1010kW·h。

年電量構(gòu)成中，還現(xiàn)計算中，集中消落期、汛期、蓄水期及其他時期比例分別為：6.93%、36.00%、16.62%、40.45%。還原計算中，集中消落期、汛期、蓄水期及其他時期比例分別為：6.80%、39.45%、18.31%、35.44%。整體來看，相較于還原計算，還現(xiàn)計算實(shí)現(xiàn)了電量從汛期向其他時期的轉(zhuǎn)移。

圖10 三峽-葛洲壩梯級電站1977—1996年調(diào)蓄影響電量Fig.10 Power affected by regulation at Three Gorges-Gezhouba cascade hydroeletric stations from 1977 to 1996

圖11 三峽-葛洲壩梯級電站1997—2016年調(diào)蓄影響電量Fig.11 Power affected by regulation at Three Gorges-Gezhouba cascade hydroeletric stations from 1997 to 2016

3 結(jié)論與展望

3.1 結(jié)論

綜合上游水庫群調(diào)蓄作用對三峽-葛洲壩梯級電站水量與電量影響分析結(jié)果，上游水庫群調(diào)蓄作用改變了三峽-葛洲壩梯級電站入庫水量的年內(nèi)分配關(guān)系，進(jìn)而影響了梯級電站年內(nèi)電量分配關(guān)系[9-11]。

（1）三峽-葛洲壩梯級電站集中消落期調(diào)蓄影響電量最大值為9.632×109kW·h，最小值為5.783×109kW·h，均值為7.654×109kW·h。汛期調(diào)蓄影響電量最大值為4.896×1010kW·h，最小值為2.307×1010kW·h，均值為3.929×1010kW·h。蓄水期調(diào)蓄影響電量最大值為2.479×1010kW·h，最小值為9.988×109kW·h，均值為1.814×1010kW·h。其他時期調(diào)蓄影響電量最大值為5.281×1010kW·h，最小值為3.714×1010kW·h，均值為4.415×1010kW·h。

（2）在集中消落期，由于上游水庫群消落水位為下游補(bǔ)水，故梯級電站入庫流量增加，調(diào)蓄影響為增發(fā)電量。在汛期，上游水庫群攔蓄洪水，減輕了梯級電站防洪壓力，調(diào)蓄影響為減發(fā)電量，但由于汛期梯級電站出力水平較高，影響較為有限。在蓄水期，上游水庫群蓄水，梯級電站入庫流量減小，調(diào)蓄影響為減發(fā)電量。在其他時期，上游水庫群由于發(fā)電等需求，為下游補(bǔ)水，梯級電站入庫流量增加，調(diào)蓄影響電量為增發(fā)電量。

（3）整體來看，上游水庫群調(diào)蓄在一定程度上優(yōu)化了三峽-葛洲壩梯級電站年內(nèi)徑流分配，對梯級電站發(fā)電效益有著積極的作用，增發(fā)電量主要集中在其他時期[12-13]。

3.2 展望

本文從水量、電量影響兩方面系統(tǒng)分析了長江上游水庫群調(diào)蓄對三峽-葛洲壩梯級電站運(yùn)行影響規(guī)律，相關(guān)研究成果有助于科學(xué)、高效開展三峽-葛洲壩梯級電站預(yù)報及中長期調(diào)度工作。本文研究同樣存在一些不足，后期將從如下兩個方面進(jìn)一步開展相關(guān)研究工作。

（1）結(jié)合長江上游流域水能開發(fā)規(guī)劃及各項(xiàng)水工程建設(shè)進(jìn)度，研究長江上游新建水庫群初蓄及投產(chǎn)運(yùn)行對三峽-葛洲壩梯級電站運(yùn)行影響。

（2）將長江上游水庫調(diào)蓄規(guī)律與水庫調(diào)節(jié)性能、來水、特殊調(diào)度案例（如航運(yùn)調(diào)度、堰塞湖應(yīng)急調(diào)度）等關(guān)聯(lián)，細(xì)化研究內(nèi)容，分析不同條件下上游水庫群調(diào)蓄規(guī)律。