基于分級預(yù)降回蓄法的兩河口水庫汛期發(fā)電調(diào)度方案研究

金 新

(雅礱江流域水電開發(fā)有限公司，四川 成都 610051)

0 引 言

長期以來，水庫汛期發(fā)電優(yōu)化調(diào)度方案有退水段回蓄法[1]、一般預(yù)降回蓄法[2]、數(shù)學(xué)算法綜合分析法[3]、分期汛限水位法[4]。退水段回蓄法只考慮了利用退水段洪水流量逐漸變小來抬高水頭增加發(fā)電量但是忽視了利用汛期漲水段的洪水預(yù)報信息。一般預(yù)降回蓄法在預(yù)報出現(xiàn)洪水時直接將水位預(yù)降至汛期限制水位，并未采用逐級預(yù)降。數(shù)學(xué)算法綜合分析法利用高等數(shù)學(xué)優(yōu)化算法進行優(yōu)化調(diào)度，但在數(shù)學(xué)方面存在容易陷入局部最優(yōu)解的缺點，在物理方面存在計算得出的優(yōu)化調(diào)度方案實際可操作性不高的缺點。分期汛限水位法根據(jù)經(jīng)驗將汛期劃分為不同階段，并分別在主汛期與后汛期確定兩種不同的汛限水位，但該方法并未充分考慮洪水預(yù)報情況。國外相關(guān)學(xué)者提出了使用不同頻率洪水動態(tài)演算模型和線性規(guī)劃模型進行優(yōu)化調(diào)度。

本文提出按預(yù)報洪水流量確定不同汛期水庫控制水位的逐級預(yù)降回蓄方法，取得了較好效果。

1 基于逐級預(yù)降回蓄法的優(yōu)化調(diào)度方案擬定步驟

1.1 逐級預(yù)降回蓄法的原理

逐級預(yù)降回蓄法通過預(yù)泄能力來確定汛期運行水位的變動區(qū)間，在變動區(qū)間內(nèi)確定3～5個汛期水庫控制水位，并依據(jù)水情水調(diào)系統(tǒng)預(yù)報的洪水入庫流量確定相應(yīng)的控制水位。逐級預(yù)降回蓄法在洪水預(yù)報流量較小時將水位預(yù)降至相對較高的汛期水庫控制水位，一般預(yù)降回蓄法相比，這種根據(jù)洪水預(yù)報流量大小靈活控制庫水位的方法可以獲得更多的發(fā)電量。

1.2 逐級預(yù)降回蓄法的擬定步驟

1.2.1 擬定汛期運行水位上下限

考慮防洪安全汛期運行水位下限值取水庫汛限水位，考慮預(yù)泄風(fēng)險和興利效益汛期運行水位上限值根據(jù)水庫預(yù)泄能力確定且不超過正常蓄水位[5]。偏安全考慮，以校核洪水過程線分析預(yù)泄能力來確定汛期運行水位的上限值，具體計算公式為

(1)

1.2.2 擬定汛期水庫控制水位

汛期水庫控制水位指的是在汛期進行優(yōu)化調(diào)度時根據(jù)不同的預(yù)報流量區(qū)間確定的若干個水位。擬定好汛期運行水位上下限后，在汛期運行水位上下限區(qū)間內(nèi)擬定4～7個汛期水庫控制水位。為便于水庫調(diào)度，相鄰的兩個汛期水庫控制水位間隔宜控制在2～5 m。

1.2.3 通過回水計算得到每個汛期水庫控制水位對應(yīng)的入庫流量

回水計算指的是根據(jù)庫水位、入庫流量和水庫橫斷面情況通過伯努利方程確定水庫庫區(qū)的淹沒范圍。水庫汛期優(yōu)化調(diào)度方案必須保證不能增加原有的淹沒范圍，因此需要對每一個汛期水庫控制水位進行回水計算，在不超過可行性研究階段水庫淹沒范圍的基礎(chǔ)上得到每個汛期水庫控制水位對應(yīng)的允許最大入庫流量。伯努利方程計算公式為

(2)

式中，Z1、Z2分別為水庫下游斷面、上游斷面的水位；Q1、Q2分別為水庫下游斷面、上游斷面的流量；n為水庫上下游斷面之間的糙率；A1、A2分別為水庫下游斷面、上游斷面的面積；R1、R2分別為水庫下游斷面、上游斷面的水力半徑；Δl為水庫下游斷面、上游斷面之間的距離；g為重力加速度[6]。

通過回水計算可確定汛期水庫控制水位Z控和允許最大入庫流量Q允的對應(yīng)關(guān)系。

考慮到水情水調(diào)系統(tǒng)存在一定的洪水預(yù)報精度，偏安全考慮實際調(diào)度過程中每個汛期水庫控制水位Z控所對應(yīng)的調(diào)度入庫流量Q調(diào)計算公式為

Q調(diào)=ηQ允

(3)

式中，Q調(diào)為每個汛期水庫控制水位的允許最大入庫流量；η為保險系數(shù)，取水情水調(diào)系統(tǒng)洪水預(yù)報精度值；Q允為每個汛期水庫控制水位的調(diào)度入庫流量。

1.2.4 擬定方案

對水庫的水情水調(diào)系統(tǒng)、工程概況、歷年洪水資料、下游防洪現(xiàn)狀和庫區(qū)回水、移民情況及及水庫汛期水庫控制水位與調(diào)度入庫流量關(guān)系綜合分析，擬定根據(jù)水情水調(diào)系統(tǒng)預(yù)報的洪水流量及時確定汛期運行水位的分級預(yù)降回蓄水庫汛期發(fā)電優(yōu)化調(diào)度方案。一般洪水來臨時分為漲水段、洪水段和退水段等不同階段，在沒有水文預(yù)報的情況下，汛期時刻防止可能來臨的洪水導(dǎo)致庫區(qū)水位不能抬得較高，通過充分利用兩河口水電站水情水調(diào)系統(tǒng)及時地預(yù)知未來水庫的洪水流量，對于不同階段的洪水分別進行調(diào)度。漲水段將水位逐級預(yù)降下去以確保洪水段來臨前水位能預(yù)降到汛限水位，洪水段按照泄流能力泄洪，退水段將水位逐級回蓄上去。

1.2.5 方案合理性分析

擬定完方案后，需從庫區(qū)淹沒范圍、水位預(yù)降可行性、電站下游防洪安全影響、汛期運行水位分析等角度分析汛期發(fā)電優(yōu)化調(diào)度方案的可行性，并將擬定方案的發(fā)電量與原有調(diào)度方案的發(fā)電量進行對比分析方案的應(yīng)用價值。

2 實例研究

2.1 兩河口水電站概況

2.1.1 工程概況

兩河口水電站位于四川省甘孜州境內(nèi)，壩前匯入慶大河，一壩鎖三江。壩型為土石壩，壩高295 m，為世界第三高土石壩，電站總投資約為665億元。該電站對改善下游梯級電站的供電質(zhì)量，對雅礱江梯級全面開發(fā)建設(shè)起到實質(zhì)性的推動和促進作用。根據(jù)本電站的地理位置和供電特性，兩河口水電站供電四川電網(wǎng)，參與川電外送。

2.1.2 洪水資料分析

據(jù)雅江水文站實測資料統(tǒng)計，雅江以上流域洪水具有歷時相對較短而洪峰相對較小的特點。年最大流量最早發(fā)生在2006年6月18日，最晚發(fā)生在1956年9月18日。年最大流量集中在3 862～5 218 m3/s，其中年最大流量的最大值發(fā)生在2003年9月4日，為5 706 m3/s。年最大流量的最小值發(fā)生在1973年6月25日，為3 266 m3/s。

對歷年洪水資料進行分析，汛期洪水來臨時從洪水漲水段到洪水段(入庫流量達到汛限水位2 845 m對應(yīng)的泄流能力)所需時間為16～20 h，漲水時間相對較長，這為汛期進行發(fā)電優(yōu)化調(diào)度提供了足夠的預(yù)泄時間。

2.1.3 兩河口水電站水情水調(diào)系統(tǒng)概況

兩河口水電站水情水調(diào)系統(tǒng)主要分為：水情測報系統(tǒng)，水調(diào)常規(guī)應(yīng)用系統(tǒng)以及水調(diào)自動化高級應(yīng)用系統(tǒng)等三大部分。水調(diào)自動化高級應(yīng)用系統(tǒng)包括洪水預(yù)報及洪水調(diào)度兩部分。洪水預(yù)報是根據(jù)上游雨水情情況，并通過一定的數(shù)學(xué)模型預(yù)測可能來水情況。洪水調(diào)度主要功能是根據(jù)洪水發(fā)生時的洪水過程，合理安排開閘方式、發(fā)電方式。該水情水調(diào)系統(tǒng)自投入運行以來，共預(yù)測了36次洪水，結(jié)合該水情水調(diào)系統(tǒng)預(yù)報情況，洪水預(yù)見期取為5.5 h，洪水流量預(yù)報精度取為86%。

2.1.4 庫區(qū)回水與移民情況

兩河口水庫回水長度約112 km，天然河道平均比降2.33‰，庫區(qū)最大水面寬1 465 m，平均水面寬460.2 m。在考慮泥沙淤積20年的基礎(chǔ)上，根據(jù)各頻率洪水標(biāo)準(zhǔn)，分別計算干流雅礱江、一級支流鮮水河和一級支流慶大溝，在水位為正常蓄水位2 865 m時的汛期、非汛期相應(yīng)洪水的回水。

根據(jù)《雅礱江兩河口水電站移民安置設(shè)計報告》，農(nóng)村居民點、集鎮(zhèn)設(shè)計洪水標(biāo)準(zhǔn)為5%，以該頻率的分期洪水回水位的外包線作為移民范圍，各回水?dāng)嗝嬷g的高程采用內(nèi)插的計算方法。其中回水長度為116.09 km，回水末端斷面位置為101號斷面以上276 m，末端斷面淤后水位為2 877.883 m。根據(jù)回水外包線確定不同斷面的移民淹沒水位，兩河口水電站移民范圍涉及理塘、雅江、新龍、道孚4縣一共20個鄉(xiāng)、82個村，移民安置總?cè)丝跒? 287人。

2.1.5 下游防洪現(xiàn)狀

兩河口水電站下游雅礱江干流河道主要防洪對象為雅江縣的相關(guān)鄉(xiāng)鎮(zhèn)，下游防洪對象的防洪標(biāo)準(zhǔn)為5年一遇洪水。因此預(yù)泄期間的下泄流量上限值應(yīng)不超過下游防洪對象的允許安全泄量，即5年一遇洪水的洪峰流量4 620 m3/s。

2.2 確定兩河口水庫汛期水庫控制水位和調(diào)度入庫流量關(guān)系

汛期運行水位下限值取兩河口水電站的汛期限制水位2 845 m，由式(1)根據(jù)預(yù)泄能力確定汛期運行水位上限值為2 853 m，未超過正常蓄水位2 865 m，滿足要求。在確定好的汛期運行水位區(qū)間內(nèi)每隔 2 m 確定一個汛期水庫控制水位，分別為2 845、2 847、2 849、2 851、2 853 m。

根據(jù)回水計算確定兩河口水電站的汛期水庫控制水位Z控和允許最大入庫流量Q允的對應(yīng)關(guān)系，考慮到兩河口水電站水情水調(diào)系統(tǒng)洪水預(yù)報精度為86%，利用式(3)得到兩河口水電站的汛期水庫控制水位與調(diào)度入庫流量關(guān)系。當(dāng)汛期水庫控制水位為2 853 m時，調(diào)度入庫流量為741 m3/s；當(dāng)汛期水庫控制水位為2 851 m時，調(diào)度入庫流量為1 419 m3/s；當(dāng)汛期水庫控制水位為2 849 m時，調(diào)度入庫流量為2 033 m3/s；當(dāng)汛期水庫控制水位為2 847 m時，調(diào)度入庫流量為2 519 m3/s；當(dāng)汛期水庫控制水位為2 845 m時，調(diào)度入庫流量為3 105 m3/s。

通過對兩河口水電站水情水調(diào)系統(tǒng)、工程概況、歷年洪水資料、下游防洪現(xiàn)狀和庫區(qū)回水、移民情況及及兩河口水電站汛期水庫控制水位和調(diào)度入庫流量關(guān)系綜合分析，擬定根據(jù)水情水調(diào)系統(tǒng)預(yù)報的洪水流量及時確定汛期水庫控制水位的分級預(yù)降回蓄水庫汛期發(fā)電優(yōu)化調(diào)度方案。

2.3 調(diào)度方案擬定

2.3.1 漲水段調(diào)度過程

根據(jù)預(yù)泄能力確定漲水段庫水位最高可控制在2 853 m，在漲水段根據(jù)預(yù)報洪水流量將水位分級預(yù)降下來，保證在洪水段以汛限水位迎洪。下泄流量不超過安全流量4 620 m3/s，確保不對下游防洪安全造成影響。漲水段調(diào)度過程見表1。

表1 兩河口水庫漲水段調(diào)度過程

2.3.2 洪水段調(diào)度過程

當(dāng)洪水流量繼續(xù)增大入庫流量超過3 105 m3/s時按照兩河口水電站可行性研究階段確定的調(diào)洪方式進行調(diào)度：洪水流量小于汛期限制水位2 845 m對應(yīng)的大壩泄流能力7 230 m3/s時保持下泄流量與入庫流量持平[7]，當(dāng)洪水流量超過7 230 m3/s時按泄流能力進行泄洪。

2.3.3 退水段調(diào)度過程

在退水段確保洪水已經(jīng)退去時，根據(jù)預(yù)報洪水流量將水位分級回蓄上去。退水段調(diào)度過程見表2。

表2 兩河口水庫退水段調(diào)度過程

2.4 方案合理性分析

2.4.1 水庫淹沒范圍分析

以回水外包線不超過庫區(qū)移民范圍通過回水計算確定兩河口水庫允許庫水位和入庫流量曲線，并將兩河口水庫汛期水庫控制水位和相對應(yīng)的調(diào)度入庫流量共五組數(shù)據(jù)加入圖中，詳見圖1。這五組數(shù)據(jù)都在兩河口水庫允許庫水位和入庫流量關(guān)系曲線的下方，由此可知擬定的優(yōu)化調(diào)度方案未增加兩河口水庫的淹沒范圍。

圖1 兩河口水庫允許庫水位和入庫流量關(guān)系曲線

2.4.2 水位預(yù)降可操作性分析

考慮偏危險情況，對校核洪水進行逐級預(yù)降分析，控制預(yù)降流量不超過下游安全泄量，從2 853 m預(yù)降至2 845 m所需的時間為4.58 h，小于洪水預(yù)見期5.5 h，因此遇到洪水時，庫水位從2 853 m逐級預(yù)降至2 845 m是可行的。

2.4.3 電站下游防洪安全影響分析

根據(jù)兩河口水庫汛期發(fā)電優(yōu)化調(diào)度方案，水庫預(yù)降時，水庫按流量4 620 m3/s預(yù)泄，下泄流量不超過壩址2年一遇洪峰流量，即不超過兩河口下游河道最低的安全泄量，不會對下游防洪安全產(chǎn)生不利影響。

2.4.4 汛期運行水位分析

采用兩河口水電站1952年6月～2010年5月長系列逐日天然流量作出兩河口壩址日流量保證率曲線，見圖2。從日徑流統(tǒng)計成果分析，兩河口水電站日平均流量在741、1 419、2 033、2 519、3 105 m3/s以上分別僅占11.1%、7.4%、4.2%、3.3%、2.2%，因此，按照擬定的優(yōu)化調(diào)度方案，水庫運行中可有較多的時間在汛期限制水位2 845 m以上運行。按采用徑流調(diào)節(jié)計算成果，在長系列中，按日徑流計算，水庫汛期均可以從汛期限制水位抬高至2 853 m運行，其中汛期5月～10月由于入庫流量較大而降至2 853 m以下運行平均每年約27 d，僅占全年總天數(shù)的7.4%。

圖2 兩河口壩址日流量保證率曲線

2.4.5 汛期發(fā)電優(yōu)化調(diào)度方案發(fā)電量分析

兩河口水電站汛期水庫控制水位的上限值比汛期限制水位高出8 m，如果汛期不考慮水情預(yù)報的話需要將水位控制在汛期限制水位，采用優(yōu)化調(diào)度可以根據(jù)預(yù)報的洪水信息抬高庫水位來增加發(fā)電量。兩河口水電站作為雅礱江全流域的龍頭電站，采用優(yōu)化調(diào)度后亦可增加流域下游已建成水電站的興利效益。

根據(jù)《兩河口水電站可行性研究報告》[7]，由于可行性研究階段時雅礱江流域當(dāng)時未建成水情水調(diào)系統(tǒng)，兩河口水電站汛期調(diào)度采用常規(guī)調(diào)度。為了提高兩河口水電站的發(fā)電量，本文利用洪水預(yù)報信息擬定了基于分級預(yù)降回蓄的汛期發(fā)電優(yōu)化調(diào)度方案。

徑流資料采用1952年6月～2010年5月共58年的徑流系列，壩址處汛期6月～10月多年平均流量1 200 m3/s，平枯期11月～翌年5月多年平均流量282 m3/s[8]。分別采用常規(guī)調(diào)度和優(yōu)化調(diào)度進行徑流調(diào)節(jié)，兩河口水電站的多年平均發(fā)電量分別為110億kW·h和114.2億kW·h，進行優(yōu)化調(diào)度后電量增加3.8%，興利效益明顯。按照四川省水電上網(wǎng)電價0.273元/(kW·h)進行計算，可帶來1.15億元的效益。

3 結(jié) 語

在不增加庫區(qū)上游淹沒、不增加下游防洪負(fù)擔(dān)的基礎(chǔ)上，通過利用洪水預(yù)報信息并結(jié)合兩河口水電站水情水調(diào)系統(tǒng)、工程概況、歷年洪水資料、下游防洪現(xiàn)狀和庫區(qū)回水與移民情況對兩河口水電站進行逐級預(yù)降回蓄優(yōu)化調(diào)度后，多年平均發(fā)電量增加4.2億kW·h，帶來約1.15億元的效益。