清江來水對(duì)葛洲壩水電站調(diào)度策略影響研究

龐樹森， 張 俊， 張玉松， 彭付近， 黃 斌， 呂祥熙

(1.中國長江電力股份有限公司， 湖北 宜昌 443002； 2.長江水利委員會(huì)水文局，湖北 武漢 430010； 3.宜昌市水文局， 湖北 宜昌 443000)

1 研究背景

葛洲壩水電站為低水頭、徑流式水電站，電站發(fā)電水頭維持在15～27 m，其實(shí)時(shí)調(diào)度的難點(diǎn)之一是無法準(zhǔn)確計(jì)算機(jī)組發(fā)電水頭的變化，主要原因是因?yàn)楦鹬迚嗡娬鞠掠嗡蛔兓哂胁淮_定性。影響葛洲壩水電站下游水位變化的因素主要有：(1)電站實(shí)時(shí)調(diào)度出庫流量，造成水庫下游水位變化，短時(shí)間內(nèi)無法達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)，當(dāng)水電站配合電網(wǎng)進(jìn)行調(diào)峰或者操作泄水閘門后，水電站出庫流量短時(shí)間內(nèi)發(fā)生較大變化，需要3～5 h才能達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)[1-2]；(2)下游干、支流來水對(duì)水電站下游產(chǎn)生頂托作用[3]，從而使下游來水直接影響水電站水頭的變化，影響機(jī)組的發(fā)電效率，從而影響水電站的全廠出力。因此下游來水的頂托作用成為葛洲壩水電站調(diào)度中需要考慮的重要影響因素。圖1為長江與清江相對(duì)地理位置及相關(guān)河段水電站分布。

圖1 長江與清江相對(duì)地理位置及相關(guān)河段水電站分布

由圖1可知，葛洲壩水電站與清江和長江交匯口的距離僅40 km，其調(diào)度易受到下游清江來水的頂托影響，在回水影響下水電站下游的水位與流量關(guān)系將發(fā)生顯著變化[4-5]，增加了水電站調(diào)度的難度。水庫下游水位變化一直是制約水庫精準(zhǔn)調(diào)度的主要因素[6-8]，國內(nèi)對(duì)頂托作用的影響研究主要集中在常規(guī)河道上下游水位對(duì)上游水位影響分析上[9-12]，隨著水能資源的大力開發(fā)，水電站的調(diào)度運(yùn)行工作受到極大的重視，許多學(xué)者也采用不同的方法對(duì)水電站下游水位受回水頂托作用的影響進(jìn)行研究，吳垠等[13]分別研究了岷江、橫江單獨(dú)漲水對(duì)向家壩水電站的頂托作用，得到了金沙江、岷江、橫江流量3個(gè)參數(shù)的關(guān)系；邴建平等[14]采用統(tǒng)計(jì)分析的方法得到了受雅礱江頂托影響下的銀江水電站壩址復(fù)雜的水位流量關(guān)系；曹輝等[15]對(duì)在建的白鶴灘工程受下游溪洛渡水電站回水的影響進(jìn)行了研究，表明溪洛渡不同蓄水水位對(duì)白鶴灘工程下游水位有不同的影響；李亞莉[16]利用多種方法充分分析了安康水電站受下游回水頂托作用對(duì)發(fā)電量的影響，得到了頂托作用下的發(fā)電影響量。

長江干流上的葛洲壩水電站，機(jī)組發(fā)電水頭小，水位變化對(duì)機(jī)組發(fā)電影響大，全廠發(fā)電量也隨之波動(dòng)，因此有必要研究清江來水對(duì)葛洲壩水電站下游水位的影響，以提高葛洲壩水電站實(shí)時(shí)調(diào)度和發(fā)電計(jì)劃的制定精度。本文采用宜昌水文站作為葛洲壩水電站下游水位變化的代表站，利用清江高壩洲水庫下游高壩洲站作為清江來水的代表站，分析清江來水對(duì)宜昌站水位的頂托影響，研究葛洲壩水電站下游水位變化規(guī)律，為葛洲壩水電站調(diào)度策略提供參考。

2 清江來水對(duì)宜昌站的頂托作用

清江流域內(nèi)主汛期降雨較多，多年平均降雨量為1 460 mm，高壩洲站多年平均流量為356 m3/s。清江流域內(nèi)從上到下的主要控制性水庫有水布埡、隔河巖、高壩洲3座水庫[17]，該3座梯級(jí)水庫的運(yùn)行調(diào)度在一定程度上改變了清江流域水量時(shí)空分布。

為探討清江來水對(duì)宜昌站的頂托影響，本文首先擬合穩(wěn)定流的宜昌站水位流量關(guān)系，通過歷史數(shù)據(jù)的分析，結(jié)合水位流量關(guān)系曲線對(duì)比研究清江來水對(duì)宜昌站的頂托作用。

2.1 穩(wěn)定流下宜昌站水位-流量關(guān)系

清江來水流量在2 000 m3/s時(shí)對(duì)宜昌站水位有頂托影響[3]，清江流量匯入長江，約3 h后對(duì)宜昌站水位產(chǎn)生頂托作用，考慮實(shí)時(shí)調(diào)度的時(shí)效性，本文采用宜昌站與高壩洲站同時(shí)刻水位流量數(shù)據(jù)進(jìn)行分析。

考慮水電站調(diào)峰對(duì)下游水位流量關(guān)系的影響[18-20]，選取葛洲壩水電站調(diào)峰結(jié)束3 h以后宜昌站實(shí)測水位、流量穩(wěn)定數(shù)據(jù)，擬合清江來水流量小于2 000 m3/s的宜昌站水位-流量曲線，認(rèn)為該曲線對(duì)應(yīng)的即為宜昌站不受清江來水頂托影響的水位-流量關(guān)系曲線；擬合清江來水流量大于2 000 m3/s的宜昌站水位-流量曲線，認(rèn)為該曲線對(duì)應(yīng)的即為宜昌站可能受清江來水頂托影響的水位-流量關(guān)系曲線。圖2為清江不同來流量下擬合的宜昌站穩(wěn)定流水位-流量關(guān)系曲線以及設(shè)計(jì)曲線。

圖2 清江不同來流量下擬合的宜昌站穩(wěn)定流水位-流量關(guān)系曲線以及設(shè)計(jì)曲線

通過實(shí)測數(shù)據(jù)分別擬合清江來水流量小于2 000 m3/s和大于2 000 m3/s時(shí)的多項(xiàng)式曲線，得到R2分別為 0.999 0以及0.998 9，說明擬合效果較好。以實(shí)測數(shù)據(jù)(清江流量小于2 000 m3/s)擬合的曲線與宜昌站設(shè)計(jì)曲線對(duì)比，當(dāng)宜昌站流量小于3 000 m3/s時(shí)，兩條曲線基本一致，說明當(dāng)清江流量小于2 000 m3/s，宜昌站水位未出現(xiàn)明顯的頂托。清江來水流量大于2 000 m3/s時(shí)，擬合的曲線在其他兩條曲線的上方，說明頂托作用明顯。

2.2 宜昌站水位頂托量與清江來水流量關(guān)系

選取宜昌站水文站實(shí)測流量資料，根據(jù)近20年50場次清江來水過程，擬合清江來水流量小于2 000 m3/s時(shí)宜昌站穩(wěn)定流下的水位流量關(guān)系，根據(jù)宜昌站實(shí)測流量按水位流量綜合線查算水位，認(rèn)為該水位即代表宜昌站不受清江來水頂托影響下的水位。當(dāng)清江來水流量大于2 000 m3/s時(shí)對(duì)應(yīng)的宜昌站實(shí)測水位與該水位之差即為宜昌站水位的頂托量。表1給出了宜昌站不同流量時(shí)，清江不同來流量(高壩洲流量)對(duì)應(yīng)的水位頂托影響量。

表1 宜昌站不同流量時(shí)受清江不同來流量的水位頂托影響量

由表1可看出，在宜昌站流量維持不變時(shí)，隨著清江來水流量的增大，其頂托作用也逐漸增加，頂托影響量與清江流量呈正比例關(guān)系；當(dāng)清江流量相對(duì)穩(wěn)定時(shí)，隨著宜昌站流量的增加，頂托作用逐漸減小，頂托影響量與宜昌站流量呈反比。

3 清江來流量對(duì)葛洲壩水電站的調(diào)度影響分析

3.1 對(duì)葛洲壩水電站發(fā)電出力的影響

清江來水對(duì)宜昌站產(chǎn)生頂托作用，從而影響葛洲壩水電站的發(fā)電水頭，繼而影響其發(fā)電出力。不同清江來流量對(duì)宜昌站的頂托對(duì)葛洲壩發(fā)電出力有不同影響，以葛洲壩水庫上游水位65.0 m為例，分別計(jì)算葛洲壩水電站出庫流量在8 000～40 000 m3/s時(shí)，葛洲壩水電站未受清江來水頂托影響和受清江頂托影響的全廠出力，兩者差值為葛洲壩水電站受不同清江來流量影響的損失出力，據(jù)此分析葛洲壩水電站損失出力與清江來水的關(guān)系。宜昌站不同流量下葛洲壩水電站受清江來流量影響的出力損失見圖3。

圖3 宜昌站不同流量下葛洲壩水電站受清江來流量影響的出力損失(上游水位65.0 m)(流量單位：m3/s)

分析圖3可知，在宜昌站任一流量下，隨著清江來流量的增加，葛洲壩水電站下游水位所受的頂托作用越明顯，機(jī)組水頭損失越大，電站出力損失越大。葛洲壩水電站機(jī)組滿發(fā)流量約為20 000 m3/s，當(dāng)葛洲壩水電站出庫流量小于水電站滿發(fā)流量時(shí)，相同清江來流量下，隨著出庫流量的增加，電站損失出力不斷增大；當(dāng)葛洲壩水電站出庫流量大于電站滿發(fā)流量時(shí)，清江來水流量相同的情況下，隨著葛洲壩電站出庫流量的增加，發(fā)電水頭減少，電站總出力減少(如圖4所示)，受此影響，葛洲壩水電站損失出力反而減小。當(dāng)葛洲壩水電站出庫流量等于滿發(fā)流量時(shí)，受清江來水影響損失出力最大，最大損失出力可達(dá)26×104kW。

圖4 2020年葛洲壩水電站日均發(fā)電出力-出庫流量關(guān)系曲線

3.2 對(duì)葛洲壩電站調(diào)度策略的影響

當(dāng)清江來水流量不大于2 000 m3/s時(shí)，葛洲壩下游水位不受清江來水頂托影響，葛洲壩水電站可按調(diào)度規(guī)程正常調(diào)度運(yùn)行；當(dāng)預(yù)測清江來流量將大于2 000 m3/s時(shí)，需要考慮清江對(duì)葛洲壩電站調(diào)度的影響。

(1)發(fā)電計(jì)劃制定上，根據(jù)清江流域梯級(jí)水庫預(yù)見期內(nèi)的調(diào)度計(jì)劃，考慮葛洲壩水電站受清江來水的影響時(shí)長以及頂托作用產(chǎn)生的損失出力，減掉該損失后制定全廠發(fā)電計(jì)劃。

(2)實(shí)時(shí)調(diào)度上，根據(jù)水庫上游水位變化趨勢，計(jì)算電站出庫流量，考慮葛洲壩水電站未來3 h受下游清江頂托的影響，實(shí)時(shí)修正發(fā)電計(jì)劃時(shí)充分考慮損失出力，以此核算需要修改的出力值。

(3)需要聯(lián)合三峽水電站優(yōu)化調(diào)度，優(yōu)化葛洲壩水庫運(yùn)行水位[21]，通過適當(dāng)提高庫水位和減小發(fā)電機(jī)組耗水率，增加全廠發(fā)電能力，從而減少清江來水頂托的不利影響。

(4)當(dāng)預(yù)判清江來水流量將造成葛洲壩水電站出現(xiàn)較大損失出力時(shí)，及時(shí)溝通電網(wǎng)部門，預(yù)判并核減全廠出力，保證電網(wǎng)系統(tǒng)穩(wěn)定安全。

4 結(jié) 論

(1)當(dāng)清江來流量大于2 000 m3/s時(shí)，清江來水開始對(duì)葛洲壩下游水位產(chǎn)生頂托作用，影響葛洲壩水電站的調(diào)度。頂托水位影響量隨著清江來水的增加而增加，隨著宜昌站流量的增加而減少。

(2)由于清江來水產(chǎn)生的頂托量會(huì)對(duì)葛洲壩水電站出力產(chǎn)生影響，由此產(chǎn)生的葛洲壩水電站出力損失隨著清江來水的增加而增大，隨著電站出庫流量的增加先增加后減少。清江來流量相同，出庫流量達(dá)到約20 000 m3/s時(shí)，葛洲壩水電站的損失出力最大。

(3)葛洲壩水電站調(diào)度需要充分考慮清江來水的頂托影響，當(dāng)出現(xiàn)頂托時(shí)，發(fā)電計(jì)劃制定和實(shí)時(shí)調(diào)度中都應(yīng)該考慮頂托影響量帶來的損失出力。

(4)本文未充分考慮水電站應(yīng)急調(diào)度、電網(wǎng)調(diào)峰，閘門啟閉時(shí)效、應(yīng)急保電等原因引起的短時(shí)增減出庫流量對(duì)宜昌站水位-流量關(guān)系的影響，這些因素的變化也均會(huì)引起下游水位的變化。今后需要重點(diǎn)從以上方面綜合分析宜昌站的水位-流量關(guān)系以及各種因素對(duì)頂托的影響量。

(5)研究成果可為葛洲壩水電站調(diào)度運(yùn)行策略提供參考依據(jù)。隨著水庫運(yùn)行及河道整治工程的開展，河道水位-流量關(guān)系會(huì)不斷發(fā)生變化，清江梯級(jí)水庫的聯(lián)合優(yōu)化調(diào)度運(yùn)行也將引起清江來流量的變化，研究成果需要在水文觀測及水庫調(diào)度數(shù)據(jù)進(jìn)一步豐富的基礎(chǔ)上，隨著研究方法的進(jìn)步做進(jìn)一步完善。