向家壩水庫航運智能預警策略研究

王 林，趙培朋

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

0 引 言

水電站日調節(jié)與防洪調度產生的非恒定流使下游河道水位、流速、比降等變幅比天然河道變化大，不能滿足航運要求[1]。近年來，參考三峽水電站和彭水電站調峰流量對航運的影響[2-4]，張緒進等[5]、曹民雄等[6]、陳剛等[7]學者針對水電站日調節(jié)與防洪調度對下游航運條件的影響做了大量研究，發(fā)現主要影響為向家壩水電站日常調峰和汛期泄洪，得出了流量與水位變幅的定量約束條件，為實際調度過程提供了建設性指導意見。

向家壩水電站壩址位于四川省宜賓市敘州區(qū)和云南省水富市交界的金沙江峽谷出口處，電站以發(fā)電為主，兼有防洪、航運、灌溉、攔沙及反調節(jié)等綜合功能。向家壩水電站航運調度的任務是保障樞紐通航建筑物及設施的正常運用，滿足設計條件下航運安全和暢通的要求，在服從防洪調度要求的前提下，與發(fā)電調度相協調，保障航運貫通。為更好地控制水位變幅，做好精確調度，完成航運調度任務，本文通過分析向家壩下游水位影響因素，確定了相關約束條件，提出了航運智能預警策略。

1 向家壩下游水位約束條件分析

1.1 電站調峰約束

為研究電站在不同基礎流量下，不同調峰幅度對下游水位變化的相關性，電站分別于2013年12月、2014年10月，分階段組織開展了向家壩水電站大負荷調峰試驗，驗證《金沙江向家壩水電站水庫運用與電站運行調度規(guī)程(試行)》規(guī)定的下游水位小時變幅相應的電站調峰能力。試驗結果表明：向家壩水電站在日常調峰過程中，下游近壩河段日水位變幅隨日流量變幅的增加而增大；水位變率則主要受電站下泄流量增減率的影響，流量增減變率越大，則水位變率也越大[8]。向家壩水電站按照調度要求參與系統(tǒng)調峰，在不同的流量等級下，要適當控制調峰的速度和深度，避免下游水位出現較大的變幅，影響航運安全。目前電站調峰運行按照下游水位日變幅3 m控制，小時變幅按照1 m進行控制，有較大的安全邊界。

1.2 電站泄洪約束

為研究向家壩水電站發(fā)電、泄洪等不同運行工況下對電站近區(qū)航運的影響，根據《金沙江向家壩水電站升船機特殊單項工程驗收大綱》及《金沙江向家壩水電站升船機試通航前驗收鑒定書》的要求，于2018年組織開展了向家壩升船機兩個階段的實船試航試驗，為向家壩升船機泄洪工況下通航提供了可靠的數據支撐[9]。依據實驗結果，向家壩通航流量約束條件可調整為：① 1 000 t級標船：最大通航流量為8 500 m3/s(樞紐泄洪不超過2 200 m3/s)；② 500 t級以上非標船：最大通航流量為7 500 m3/s(樞紐泄洪不超過1 000 m3/s)。當電站出庫流量接近通航流量上限時，需要做好來水的預測和提前預警，避免水位變幅越限。

2 向家壩航運預警策略

本文分析了向家壩水電站調峰和泄洪對航運的影響，確定了保障航運安全的約束條件。其中，處于枯水期時，向家壩下游的非恒定流主要來源于電站調峰運行，而汛期非恒定流主要來源于防洪調度中配合防洪而增減下泄流量。在調峰或防洪調度中，當向家壩下游水位和流量接近上限或者下限時，為使值班員更快掌握相關信息，盡快調整梯級電站運行方式，滿足電站運行要求，保障航運安全，有必要建立1套航運預警機制，對越限情況發(fā)出報警信息。

2.1 約束條件

根據《向家壩升船機調度運行規(guī)定》要求：向家壩水電站上游最高通航水位為380 m，上游最低通航水位為370 m；下游最高通航水位為277.25 m，相應流量12 000 m3/s，下游最低通航水位為265.8 m，相應流量1 200 m3/s。日調峰運行時，下游水位最大日變幅按不超過4.5 m/d控制，結合調峰試驗建議與其他航運相關規(guī)定[10]，本文最大日變幅暫按不超過3 m控制。鑒于最大小時變幅對發(fā)電運行調度影響較大，最大小時變幅按不超過1.0 m運行。

為提高白鶴灘蓄水保證率，優(yōu)化向家壩下泄流量，樞紐管理中心向溪管理分中心于2021年2月21日00∶00～24∶00開展了向家壩下泄流量1 500 m3/s調度實踐，全廠出力維持1 595 MW，出庫流量基本維持1 560 m3/s，對應的下游水位穩(wěn)定值為265.88 m左右。因此，本文下游最低通航水位對應的流量取1 560 m3/s。

2.2 預警策略

為實現精確預警，采取對水位和流量分別制定預警策略的辦法，提出向家壩上游水位、下游水位、下游水位變幅和出庫流量越限預警策略。此外，在實時調控運行中，調控部門還承擔水情信息發(fā)布任務，針對不同的下游水位變幅，發(fā)布不同等級預警信息，因此在制定預警策略時，還需要實現對水位變幅進行分級預警。

2.2.1 上游水位越限預警策略

向家壩水電站上游最高通航水位為380 m，最低通航水位為370 m，因此，設置報警給定值上限為380 m，下限為370 m。當向家壩上游水位h低于370 m或者高于380 m時，系統(tǒng)發(fā)出水位越限報警提醒；當水位沒有越限時，判斷水位是否接近上限或者下限，設置0.5 m裕度，以應對突發(fā)情況(如溪洛渡-向家壩區(qū)間來水突然增大)，若水位低于370.5 m或者高于379.5 m，則發(fā)出預警，提醒值班員關注向家壩上游水位。

2.2.2 下游水位越限預警策略

向家壩下游最高通航水位為277.25 m，最低通航水位為265.8 m。當向家壩下游水位h低于265.8 m或者高于277.25 m時，系統(tǒng)發(fā)出水位越限報警提醒；當水位沒有越限時，為判斷水位是否接近上下限，設置0.5 m裕度，以應對突發(fā)情況(如溪洛渡-向家壩區(qū)間來水突然增大)，若水位低于266.3 m或者高于276.75 m，則發(fā)出預警，提醒值班員加強關注向家壩下游水位，特別是接近277.25 m時，要重點關注橫江和岷江對下游水位的頂托。

2.2.3 下游水位變幅越限預警策略

向家壩水電站日調峰運行時下游水位最大日變幅暫按不超過3 m控制，超過3 m/d但小于4.5 m/d屬于重要水情，超過4.5 m/d屬于緊急水情，最大小時變幅暫按不超過1.0 m/h運行。設置日變幅ΔH上限為3 m/d，小時變幅Δh上限為1 m/h，本策略先判斷是否二者均滿足要求，即判斷小時變幅Δh不大于1 m且日變幅ΔH不大于3 m是否同時滿足，若滿足，暫不報警；若不滿足，則進一步判斷二者越限情況，若是ΔH大于3 m，則還需判斷是否超過4.5 m，并發(fā)出相應報警信息。當水位日變幅ΔH超過3 m但未超4.5 m時，提醒發(fā)送重要水情信息，超過4.5 m時，提醒發(fā)送緊急水情信息。向家壩下游水位變幅越限預警策略見圖1。

圖1 下游水位變幅越限預警策略Fig.1 Early warning strategy of downstream water level fluctuation limit

2.2.4 出庫流量預警策略

向家壩升船機最大通航流量按7 500 m3/s和8 500 m3/s分級控制，此外，對應的泄洪流量分別按不超1 000 m3/s和2 200 m3/s控制。向家壩下游最大通航流量按12 000 m3/s控制，最低通航流量按1 560 m3/s控制。本預警策略首先判斷出庫流量Q是否滿足不小于1 560 m3/s且不大于8 500 m3/s，若不滿足，則進行二次校驗，即再判斷Q小于1 560 m3/s或大于8 500 m3/s是否成立，若成立，則進一步判斷出庫流量Q越上限還是下限，發(fā)出相應預警，若不成立，則返回第一步。若Q滿足不小于1 560 m3/s且不大于8 500 m3/s，則進一步判斷是否滿足1 000 t級標船通航要求，即泄洪流量Q泄不大于2 200 m3/s是否成立，若不成立，則進一步判斷越限情況并發(fā)出相應報警信息；若成立，則進一步判斷是否滿足500噸級以上非標船通航要求，即Q不大于7 500 m3/s且Q泄不大于1 000 m3/s是否成立，若不成立，則進一步判斷越限情況并發(fā)出相應報警信息。向家壩出庫流量預警策略見圖2。

圖2 出庫流量預警策略Fig.2 Early warning strategy of outflow

3 結 語

針對向家壩電站調峰和泄洪對向家壩航運的影響，根據相關規(guī)定及試驗情況，本文確定了向家壩水庫航運約束條件。根據約束條件，向家壩水庫航運智能預警策略以流量和水位作為預警量，分別制定了向家壩上游水位、下游水位、下游水位變幅和出庫流量越限預警策略，當相應數據越限時，及時發(fā)出預警信息提醒值班員采取控制措施，保障航運安全。該策略可作為智能化水庫調度的重要組成部分，既能確保水庫調度的安全性和精準性，又能提高水庫調度的可靠性，幫助水庫調度值班人員及時發(fā)現水庫運行越限情況，縮短事故響應時間，可為水庫防洪調度、興利調度奠定堅實的基礎。