2021年金沙江下游梯級水庫蓄水實踐研究

田 銳，舒衛(wèi)民，阮燕云，馮志洲

(1.三峽水利樞紐梯級調(diào)度通信中心，湖北 宜昌 443002； 2.智慧長江與水電科學(xué)湖北省重點實驗室，湖北 宜昌 443002)

0 引 言

2021年6月28日，白鶴灘水電站首批機(jī)組投產(chǎn)發(fā)電，標(biāo)志著白鶴灘水庫正式并入金沙江下游梯級(以下簡稱“金下梯級”)水庫調(diào)度序列，金下梯級四庫調(diào)度格局已經(jīng)形成，從上游至下游依次為烏東德水庫、白鶴灘水庫、溪洛渡水庫和向家壩水庫。

金下梯級位于金沙江下游和長江上游干流(以下簡稱“長上干”)的交界點，作為承擔(dān)長江流域開發(fā)及治理的骨干工程之一，具有防洪、發(fā)電、航運、補水等綜合效益。近年來，隨著烏東德水電站、白鶴灘水電站陸續(xù)投產(chǎn)發(fā)電，金下梯級水庫蓄水形勢發(fā)生改變。前期研究大都集中于溪洛渡水庫和向家壩水庫(以下簡稱“溪向”)梯級水庫蓄水過程，針對梯級四庫蓄水期運行方式的研究尚且不足。2021年金下梯級水庫蓄水調(diào)度實踐表明：在四庫聯(lián)合調(diào)度的新形勢下，基于中長期來水預(yù)報，合理控制梯級水庫水位控制節(jié)點，在兼顧金下梯級水庫蓄滿的同時，保障梯級電站綜合效益，是研究金下梯級水庫蓄水期控制的主要目標(biāo)。本文對2021年金下梯級水庫蓄水實踐進(jìn)行分析，探究滿足蓄水需求和綜合效益的水位控制策略，為實時調(diào)度水位控制和計劃編制提供參考[1]。

1 蓄水影響因素

1.1 上游水庫群調(diào)蓄

金下梯級徑流主要受金沙江上中游梯級水庫和雅礱江梯級影響，其中，已經(jīng)建成的大型水庫有梨園、阿海、金安橋、龍開口、魯?shù)乩?、觀音巖、錦一、二灘等水庫[2]；正在建設(shè)的水庫有蘇洼龍、楊房溝、兩河口等水庫。雅礱江水庫及金沙江中游梯級水庫調(diào)蓄特征值見表1?？紤]上述在建水庫正常運行，按照流域防洪統(tǒng)一調(diào)度安排，金中梯級和雅礱江梯級集中于8～10月蓄水，總待蓄庫容55.98億m3，其中雅礱江梯級待蓄水量40.9億m3，占比約73%；8月份待蓄水量40.07億m3，占比約72%。

表1 雅礱江及金沙江中游梯級水庫調(diào)蓄特征值Tab.1 Characteristic values of regulation and storage of cascade reservoirs of Yalong River and middle Jinsha River

1.2 梯級水庫蓄水形勢變化

近年來，隨著烏東德電站、白鶴灘電站建成投產(chǎn)，金下梯級水庫蓄水形勢愈發(fā)復(fù)雜，與上游水庫蓄水期的重疊將顯著減少金下梯級來水，形成與上游水庫爭水的事實。同時，8～9月仍處于洪水多發(fā)期，金下梯級水庫在蓄水的同時，需兼顧下游荊江河段防洪需求。因此，需要進(jìn)一步研究防洪庫容的科學(xué)釋放。目前，烏東德水庫、白鶴灘水庫集中于8月蓄水，總待蓄庫容99.42億m3，其中，烏東德待蓄庫容24.43億m3，白鶴灘待蓄庫容74.99億m3；溪洛渡水庫集中于8～9月份蓄水，總待續(xù)庫容46.51億m3；向家壩水庫集中于9月蓄水，待蓄庫容9.03億m3。表2為金下梯級水庫蓄水特征值。

表2 金下梯級水庫蓄水特征值Tab.2 Storage characteristic values of cascade reservoirs in the lower reaches of Jinsha River

2 2021年蓄水實踐

2.1 實況來水

(1) 降雨。2021年金下梯級水庫蓄水期間，金沙江降雨階段性特征明顯。圖1為2021年金沙江流域8～10月降水量距平圖。從時間上看，8～10月金沙江流域降雨偏少，金沙江流域降水在8月中旬、9月中旬分別經(jīng)歷了“由少轉(zhuǎn)多”“由多轉(zhuǎn)少”的迅速轉(zhuǎn)換。從空間上看，降雨偏豐區(qū)域集中于金沙江上游和雅礱江上游。流域降雨呈時空分布不均、秋季連陰雨的特征。

圖1 2021年金沙江流域8～10月降水量距平圖Fig.1 Precipitation anomaly map of Jinsha River Basin from August to October 2021

(2) 來水。以金下梯級的龍頭水庫烏東德水庫為例(下同)，2021年8月烏東德水庫平均入庫流量6 660 m3/s，相應(yīng)來水頻率70.3%；9月烏東德水庫平均入庫流量8 850 m3/s，相應(yīng)來水頻率42.2%。8月、9月來水偏豐時段集中于8月下旬至9月中旬，其中，8月烏東德水庫入庫流量偏少，年均值偏枯20%，8月上中旬偏枯明顯，下旬受華西秋雨影響，枯豐轉(zhuǎn)換迅猛，下旬流量逐步加大至與多年均值持平；9月上中旬烏東德入庫流量較多年均值偏豐10%～20%，下旬豐枯急轉(zhuǎn)，入庫流量退至較多年均值偏枯20%。表3為2021年金下梯級蓄水期烏東德水庫分旬來水統(tǒng)計。

表3 2021年蓄水期烏東德水庫分旬來水統(tǒng)計Tab.3 Statistics of inflow from Wudongde Reservoir in 10 days during the storage period in 2021

2.2 預(yù)報精度

2021年8月1日至9月30日，烏東德水庫12，24，36，48，60，72，84，96，108 h平均誤差和最大誤差如圖2所示。隨著預(yù)見期的延長，預(yù)報精度逐步降低。評價上述預(yù)見期內(nèi)所有預(yù)報點預(yù)報精度，可為金下梯級的日計劃滾動編制、水位精準(zhǔn)控制提供技術(shù)保障。

圖2 2021年8～10月烏東德水庫入庫流量預(yù)報誤差統(tǒng)計Fig.2 Error of predicted inflow of Wudongde Reservoir from August to October，2021

烏東德水庫建成后，由于上游水庫到烏東德洪水傳播時間大幅縮短[3]，入庫預(yù)報精度受上游水庫調(diào)蓄影響極大，12 h最大預(yù)報誤差達(dá) 25.71%。以烏東德水庫蓄水期平均入庫6 660 m3/s測算，由預(yù)報誤差引起的單日水位偏差達(dá)1.5 m。

2.3 蓄水進(jìn)程

金下梯級水庫起蓄時間自2021年8月1日起，至10月10日溪洛渡水庫蓄滿為止，歷時71 d，累計蓄水量135.16億m3。金下梯級水庫蓄水特征指標(biāo)見表4。金下梯級蓄水過程見圖3。8月底烏東德水庫迎來首輪12 000 m3/s量級的漲水過程，為配合下游防洪，逐步攔蓄至 965.00 m以上，于9月上旬蓄至最高水位974.51 m；9月上旬末，烏東德水庫迎來第二輪12 000 m3/s量級的漲水過程。由于此時烏東德水庫已無調(diào)蓄能力，以白鶴灘水庫攔蓄為主，且延伸期預(yù)報長江上游流域后續(xù)無明顯漲水過程，9月14日，白鶴灘水庫啟用800.00 m以上庫容攔蓄洪水尾巴，于9月30日蓄至816.00 m左右后維持。烏東德水庫利用965.00 m以上庫容攔蓄棄水11億m3，白鶴灘水庫利用800.00 m以上庫容攔蓄棄水32億m3，烏東德水庫、白鶴灘水庫(以下簡稱“烏白水庫”)共攔蓄棄水達(dá)43億m3。

圖3 蓄水期金下梯級調(diào)度過程Fig.3 Dispatch process of cascade reservoirs in the lower reaches of Jinsha River during impoundment period

表4 梯級水庫蓄水關(guān)鍵指標(biāo)Tab.4 Key indicators of cascade reservoir in impoundment period in 2021

通過對金沙江下游遭遇的兩場洪水?dāng)r蓄，證明了烏白水庫防洪庫容潛力有進(jìn)一步挖掘空間。

2.4 調(diào)度評價

汛前、蓄水前來水預(yù)測見圖4，由于8月長江上游流域來水整體偏枯，8月中旬上游水庫待蓄水量高達(dá)480億m3，上游水庫群蓄滿壓力大，且各單位蓄水前對蓄水期來水預(yù)測均偏枯。為保證三峽水庫完成175 m年度蓄水任務(wù)，8月1日至10月10日金下梯級水庫蓄水期間，長江水利委員會(以下簡稱“長江委”)下達(dá)4次調(diào)度意見，要求加快金下梯級水庫蓄水進(jìn)度。按調(diào)令要求，8月底金下梯級水庫預(yù)留防洪庫容30億m3。蓄水期間調(diào)令執(zhí)行情況見圖5，金下梯級8月底預(yù)留防洪庫容40億m3，向家壩水庫下泄流量均為發(fā)電流量。

圖4 長期預(yù)報評定Fig.4 Long-term forecast assessment

圖5 蓄水期間調(diào)令執(zhí)行情況Fig.5 Implementation of dispatch order during the impoundment period

2021年8月下旬，中期預(yù)報后續(xù)來水情況較蓄水前預(yù)報偏豐，金下梯級需預(yù)留充足防洪庫容，避免因前期減少出庫造成“前蓄后棄”的風(fēng)險。通過調(diào)整計劃，8月底預(yù)留防洪庫容40億m3，較調(diào)度意見多預(yù)留10億m3，有效減少9月中旬棄水量。9月烏東德水庫實際入庫流量8 850 m3/s，與多年均值持平；烏東德水庫入庫流量直至9月底仍在6 000 m3/s以上。由于金下梯級水庫已基本蓄滿，造成9月中下旬溪向梯級存在棄水情況。

3 啟示與思考

3.1 蓄水期間來水特性分析

受上游水庫群調(diào)蓄影響，金下梯級水庫入庫流量在7～8月有所減少、枯水期1～5月流量則有所增大。以二灘水庫建成前(1959～1998年)金下梯級入庫流量作為天然情況下來水資料，并與多年均值(1959～2013年)及近10 a均值(2012～2021年)比較(表5)。由表5可以看出，近10 a均值較天然來水系列及多年均值系列8月流量降幅分別達(dá)16.5%和16.7%，而9月流量則與天然來水系列及多年均值系列基本持平，主要原因為金中梯級及雅礱江梯級水庫集中蓄水期為8月，9月蓄水占比少。

表5 蓄水期烏東德水庫不同歷史時段來水情況Tab.5 Inflow from Wudongde Reservoir in different historical periods during impoundment period m3/s

3.2 優(yōu)化剩余防洪庫容分配

考慮上游兩河口水庫建成后8～9月均勻蓄水影響，金下梯級8～9月月均入庫流量分別減少1 500 m3/s和540 m3/s。以此對天然系列(1959～1998年)還現(xiàn)處理后，得到烏東德水庫8～9月月均入庫流量分別為7 030 m3/s和7 740 m3/s，對應(yīng)月均水量分別為188.29億m3和200.62億m3。

規(guī)程要求考慮金下梯級7月均按汛限水位左右運行，按烏白梯級集中于8月蓄水、溪向梯級集中于9月蓄水考慮：烏白梯級8月待蓄水量99.42億m3，多年平均流量下來水量為205.4億m3(考慮烏白區(qū)間8月多年平均流量為640 m3/s)，烏白梯級蓄滿條件下向家壩出庫流量5 010 m3/s(考慮白溪區(qū)間8月多年平均流量為1 050 m3/s)，金下梯級預(yù)留防洪庫容55.54億m3。溪向梯級9月待蓄水量55.54億m3，多年平均流量下來水量為244.9億m3(考慮烏溪區(qū)間9月多年平均流量為1 710 m3/s)，溪向梯級蓄滿條件下向家壩出庫流量7 310 m3/s。此時會出現(xiàn)“前蓄后棄”的情況，對梯級水庫綜合效益及防洪安全產(chǎn)生不利影響。

將金下梯級作為整體考慮：金下梯級水庫8～9月總待蓄庫容達(dá)154.96億m3，8～9月總來水量478.5億m3(考慮烏溪區(qū)間8，9月多年平均流量分別為1 690 m3/s和1 710 m3/s)，金下梯級水庫蓄滿情況下，出口斷面(向家壩水電站)8～9月平均出庫流量6 140 m3/s，與向家壩電站滿發(fā)流量基本一致，在8月底預(yù)留充足防洪庫容的同時能有效減小棄水(表6)。

表6 金下梯級水庫防洪庫容釋放方案對比Tab.6 Comparison of flood control capacity release schemes of cascade reservoirs on the Lower Jinsha River

4 結(jié) 論

(1) 在2021年金下梯級水庫蓄水調(diào)度過程中，以中期滾動預(yù)報指導(dǎo)計劃編制的模式，能兼顧下游蓄水及防洪需求，確保梯級水庫完成蓄水任務(wù)，為充分發(fā)揮梯級水庫綜合效益提供保障。

(2) 上游水庫的陸續(xù)建成影響了烏東德水庫短期入庫的預(yù)報精度，進(jìn)而影響日內(nèi)水位控制精度；中長期預(yù)報對未來金下梯級水庫蓄水調(diào)度過程影響進(jìn)一步加大；后期調(diào)度過程中，應(yīng)進(jìn)一步加強金下梯級來水預(yù)報。

(3) 上游水庫群調(diào)蓄對金下梯級水庫來水的影響以雅礱江梯級為主，主要集中于8月。通過對金下梯級水庫蓄水過程分析，整體考慮梯級水庫蓄水調(diào)度，蓄水期均勻釋放防洪庫容，在預(yù)留充足防洪庫容的同時，可充分發(fā)揮梯級水庫綜合效益。