考慮北總干渠灌區(qū)取水后的溪洛渡、向家壩水庫聯(lián)合消落調(diào)度優(yōu)化研究

苗科舉 孫莉

摘 要：以溪洛渡、向家壩梯級(jí)水庫為研究對(duì)象，在滿足向家壩北總干渠灌區(qū)灌溉取水的前提下，以梯級(jí)水庫發(fā)電效益最大作為目標(biāo)，研究兩庫聯(lián)合枯水期消落方案，并建立兩庫聯(lián)合消落調(diào)度優(yōu)化模型，優(yōu)化梯級(jí)水庫水位的消落深度和回蓄過程。結(jié)果表明：通過優(yōu)化梯級(jí)水庫水位的消落深度和回蓄過程，可增加梯級(jí)電站發(fā)電效益，且梯級(jí)增發(fā)電量主要為溪洛渡的增發(fā)電量，聯(lián)合優(yōu)化調(diào)度的重點(diǎn)在于優(yōu)化溪洛渡的枯水期水位消落方式。

關(guān)鍵詞：溪洛渡；向家壩；梯級(jí)水庫；發(fā)電效益；聯(lián)合消落調(diào)度；優(yōu)化算法

中圖分類號(hào)：X171；TV741? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

金沙江流域位于我國西南部，地屬青藏高原、云貴高原和四川西部高山區(qū)，流域總面積為47.32萬km2，總落差5 142 m，具有徑流豐沛且較穩(wěn)定、河道落差大、水能資源豐富、開發(fā)條件較好等特點(diǎn)，是全國最大的水電能源基地[1-3]。溪洛渡和向家壩水電站是我國西電東送戰(zhàn)略部署下金沙江梯級(jí)開發(fā)的最下游二級(jí)水電站。向家壩水電站是溪洛渡水電站的下游銜接梯級(jí)，距溪洛渡水電站壩址河道里程為156.6 km，由于區(qū)間徑流較小，溪洛渡出庫流量占向家壩入庫流量的絕大部分，兩庫水力聯(lián)系緊密[4-5]。開展溪洛渡、向家壩水庫的聯(lián)合消落調(diào)度優(yōu)化調(diào)度[6]，優(yōu)化梯級(jí)水庫水資源利用方式，對(duì)提高水資源利用效率，增發(fā)電量，發(fā)揮梯級(jí)水庫的綜合效益最大化具有重要意義。

本文以滿足向家壩北總灌區(qū)灌溉取水作為前提，將梯級(jí)電站效益的充分發(fā)揮作為目標(biāo)，建立溪洛渡、向家壩兩庫聯(lián)合蓄水調(diào)度優(yōu)化模型，在梯級(jí)連續(xù)徑流調(diào)節(jié)計(jì)算成果基礎(chǔ)上，優(yōu)化梯級(jí)水庫水位的消落深度和回蓄過程，增加梯級(jí)水電站的年發(fā)電效益。

1 研究對(duì)象基本特性

溪洛渡水電站是一座以發(fā)電為主，兼顧防洪，此外具有攔沙、改善庫區(qū)及壩下河段通航條件等綜合利用效益的大型水電站。水庫正常蓄水位600 m，死水位540 m，防洪限制水位560 m，防洪庫容46.5億m3，調(diào)節(jié)庫容64.6億m3，具備不完全年調(diào)節(jié)能力。向家壩水電站是一座以發(fā)電為主，能改善航運(yùn)條件，兼顧防洪、灌溉，并具有對(duì)溪洛渡水電站進(jìn)行反調(diào)節(jié)等作用的大型水電站。水庫正常蓄水位380 m，死水位和汛期限制水位均為370 m，防洪庫容9.03億m3，調(diào)節(jié)庫容9.03億m3，具有季調(diào)節(jié)性能。兩個(gè)水電站汛期為6月至10月，枯水期為11月至次年5月。

向家壩水電站北總干渠從向家壩水電站左岸灌溉取水口取水，設(shè)計(jì)取水流量98 m?/s，灌區(qū)開發(fā)任務(wù)以灌溉為主，兼顧城鄉(xiāng)生活、工業(yè)供水。北總干渠灌區(qū)涉及宜賓市、自貢市、內(nèi)江市、瀘州市四個(gè)地級(jí)城市，涉及地區(qū)是川南地區(qū)的政治、經(jīng)濟(jì)和文化中心。

2 兩庫聯(lián)合消落調(diào)度發(fā)電方式研究

2.1 研究方案擬定

溪洛渡水電站為湖泊型水庫，提高水量利用率，可以提高發(fā)電效益。從近年運(yùn)行資料分析，枯水期消落水位在546～551 m。

向家壩水電站為河道型水庫，對(duì)水量的調(diào)節(jié)能力相對(duì)較差。電站水頭效益明顯，減小水庫消落深度，對(duì)增加電站發(fā)電量具有一定的作用。從近年運(yùn)行資料分析，枯水期消落水位在374～378 m。

結(jié)合兩庫水庫特性和近年運(yùn)行資料，制定溪洛渡、向家壩兩庫聯(lián)合枯水期消落方案（見表1），其中方案1～方案5，向家壩枯水期消落水位分別為370 m、374 m、376 m、378 m以及枯水期不消落維持正常蓄水位，溪洛渡枯水期消落水位均為540 m；方案1、方案6、方案7，溪洛渡枯水期消落水位分別為540 m、550 m、560 m，向家壩枯水期消落水位均為370 m；方案1和方案8，方案1向家壩4月～5月回蓄到正常蓄水位，方案8不回蓄。

2.2 發(fā)電效益分析

根據(jù)溪洛渡、向家壩兩庫聯(lián)合枯水期消落方案，將各電站的庫水位庫容關(guān)系曲線、水位流量關(guān)系曲線、泄洪能力曲線作為梯級(jí)發(fā)電效益計(jì)算的基本計(jì)算參數(shù)，考慮北總干渠取水過程，利用溪洛渡1970—2012年的來水資料進(jìn)行計(jì)算，分析不同消落調(diào)度方案時(shí)的梯級(jí)發(fā)電效益，成果見表2。

由表可知，考慮向家壩灌區(qū)北總干渠建成取水后：

（1）向家壩消落水位對(duì)發(fā)電量的影響。從方案1～方案5成果看，隨著向家壩消落水位的抬高，向家壩年發(fā)電量逐步增大，溪洛渡年發(fā)電量逐步減小，梯級(jí)整體發(fā)電量以方案4（向家壩消落水位378 m）為最大。

（2）溪洛渡消落水位對(duì)發(fā)電量的影響。從方案1、方案6、方案7成果看，隨著溪洛渡消落水位的抬高，溪洛渡年發(fā)電量逐步增大，向家壩年發(fā)電量以方案6（溪洛渡消落水位550 m）略大，但梯級(jí)整體發(fā)電量以方案7（溪洛渡消落水位560 m）為最大，且明顯較其他方案發(fā)電量大。

（3）向家壩水庫是否回蓄對(duì)發(fā)電量的影響。從方案1和方案8成果看，回蓄方案（方案1）梯級(jí)整體電量更大。

（4）考慮灌區(qū)取水后，不同消落調(diào)度方案時(shí)發(fā)電量變化規(guī)律與不考慮灌區(qū)取水基本一致?？紤]灌區(qū)取水后，向家壩發(fā)電量減少，影響電量為3.04億～3.92億kW·h；溪洛渡發(fā)電量增加，影響電量為0.02億～0.61億kW·h；梯級(jí)整體電量減少，影響電量為2.73億～3.39億kW·h。

綜合研究成果和實(shí)際運(yùn)行情況，建議兩庫聯(lián)合消落調(diào)度為：向家壩水庫枯水期消落至水位378 m左右，溪洛渡水庫枯水期消落至水位560 m左右，向家壩水庫在4月～5月進(jìn)行回蓄。

3 兩庫聯(lián)合消落調(diào)度優(yōu)化模型

在溪洛渡、向家壩聯(lián)合消落推薦方案基礎(chǔ)上，建立溪洛渡、向家壩兩庫聯(lián)合消落調(diào)度優(yōu)化模型，運(yùn)用高效求解算法，開展考慮灌區(qū)灌溉取水的溪洛渡、向家壩梯級(jí)聯(lián)合發(fā)電優(yōu)化調(diào)度研究，分析兩庫的優(yōu)化運(yùn)行過程。

3.1 目標(biāo)函數(shù)

3.1.1 發(fā)電目標(biāo)

將梯級(jí)總發(fā)電量最大作為首要優(yōu)化目標(biāo)，其目標(biāo)函數(shù)描述為

式中：E為梯級(jí)發(fā)電總量；Ssum為梯級(jí)電站個(gè)數(shù)；T為調(diào)度時(shí)段總數(shù)；Ki為第i個(gè)電站的出力系數(shù)；Hi，t為

3.3 求解方法

消落調(diào)度模型采用逐步優(yōu)化算法求解。逐步優(yōu)化算法[7-8]是一種改進(jìn)動(dòng)態(tài)規(guī)劃類算法，具有收斂性好、計(jì)算效率高和求解時(shí)間短的優(yōu)點(diǎn)，可以有效求解高維、非線性優(yōu)化模型問題，在大規(guī)模水電系統(tǒng)優(yōu)化調(diào)度中得到廣泛應(yīng)用。

研究采用梯級(jí)連續(xù)徑流調(diào)節(jié)計(jì)算所得成果作為聯(lián)合調(diào)度的初始解，然后采用逐步優(yōu)化算法進(jìn)行梯級(jí)水庫電站群聯(lián)合調(diào)度過程尋優(yōu)，獲得聯(lián)合優(yōu)化調(diào)度的最優(yōu)解。求解步驟如下。

步驟1：基本參數(shù)初始化。

步驟2：通過梯級(jí)連續(xù)徑流調(diào)節(jié)計(jì)算獲得各水庫電站初始調(diào)度運(yùn)行過程。

步驟3：將步驟2獲得的成果作為初始調(diào)度方案組成電站群聯(lián)合優(yōu)化調(diào)度逐步優(yōu)化算法精細(xì)化優(yōu)化的初始解。設(shè)置初始迭代次數(shù)k=1。

步驟4：進(jìn)行第k次逐步優(yōu)化迭代計(jì)算，設(shè)置當(dāng)前梯級(jí)序號(hào)i=1。

步驟5：進(jìn)行第i個(gè)水庫優(yōu)化，從1至T時(shí)段依次進(jìn)行各時(shí)段尋優(yōu)。在進(jìn)行第t時(shí)段優(yōu)化時(shí)，固定前后兩個(gè)時(shí)段（即t-1時(shí)段和t+1時(shí)段）當(dāng)前水庫和下游所有水庫的壩前運(yùn)行水位，在可行范圍內(nèi)遍歷第i個(gè)水庫當(dāng)前時(shí)段所有可行的運(yùn)行水位，根據(jù)總發(fā)電效益最優(yōu)確定當(dāng)前時(shí)段最優(yōu)運(yùn)行水位。

步驟6：i= i+1，轉(zhuǎn)步驟5進(jìn)行下一個(gè)水庫的優(yōu)化。

步驟7：k= k+1，轉(zhuǎn)步驟4進(jìn)行下一次迭代計(jì)算。

步驟8：循環(huán)迭代至最大次數(shù)，則跳出循環(huán)，保存當(dāng)前梯級(jí)水庫電站群長系列水位過程作為最優(yōu)解。

4 聯(lián)合消落調(diào)度優(yōu)化研究

運(yùn)用所構(gòu)建的數(shù)學(xué)模型及設(shè)計(jì)的模型高效求解算法，開展考慮灌區(qū)灌溉取水的溪洛渡、向家壩梯級(jí)聯(lián)合發(fā)電優(yōu)化調(diào)度研究，計(jì)算成果及與梯級(jí)連續(xù)徑流調(diào)節(jié)計(jì)算成果的對(duì)比見表3。

由表3可知，逐步優(yōu)化后，梯級(jí)發(fā)電量相比初始計(jì)算的梯級(jí)連續(xù)徑流調(diào)節(jié)計(jì)算成果增加10.44億kW·h，增發(fā)率為1.15%，其中，溪洛渡電站多年平均電量增加15.74億kW·h，增發(fā)率為2.67%；向家壩電站多年平均電量減少5.3億kW·h，增發(fā)率為-1.69%。

圖1、圖2分別為梯級(jí)連續(xù)徑流調(diào)節(jié)計(jì)算對(duì)應(yīng)的溪洛渡電站多年各旬平均庫水位、各旬多年平均發(fā)電量；圖3、圖4分別為逐步優(yōu)化計(jì)算成果對(duì)應(yīng)的溪洛渡電站多年各旬平均水位、各旬多年平均發(fā)電量。

分析上述優(yōu)化成果，可知：

（1）通過逐步優(yōu)化算法優(yōu)化梯級(jí)水庫的水位消落和回蓄過程，可以在梯級(jí)水電站保證出力和破壞深度不下降的情況下，優(yōu)化溪洛渡、向家壩梯級(jí)水電站的發(fā)電效益，優(yōu)化運(yùn)行方式后梯級(jí)增發(fā)電量主要為溪洛渡的增發(fā)電量，即溪洛渡水電站運(yùn)行方式的優(yōu)化是梯級(jí)發(fā)電效益充分挖潛的關(guān)鍵。

（2）對(duì)比梯級(jí)連續(xù)徑流調(diào)節(jié)和逐步優(yōu)化計(jì)算成果對(duì)應(yīng)的溪洛渡水庫多年平均旬水位過程，逐步優(yōu)化算法通過自身內(nèi)在的尋優(yōu)機(jī)制，重點(diǎn)優(yōu)化了溪洛渡水庫枯水時(shí)段的水位消落方式，相比電站實(shí)際調(diào)度運(yùn)行中采取的逐旬均勻消落策略，逐步優(yōu)化算法擬定的水位消落方式更傾向于充分發(fā)揮溪洛渡水電站的水頭效益，使其在枯水期盡量少發(fā)電以抬高水電站全年的平均水頭，在調(diào)度運(yùn)行邊界條件允許的前提下，安排溪洛渡水庫于12月下旬至次年5月底集中消落庫水位，從而達(dá)到提高電站調(diào)度運(yùn)行期平均加權(quán)發(fā)電水頭，實(shí)現(xiàn)發(fā)電效益最大化的目的。

（3）向家壩水電站由于水頭變化幅度較小，且蓄水期很快蓄滿并維持高水位運(yùn)行，因此水庫水位消落方式和水電站發(fā)電量的優(yōu)化空間不大。

5 結(jié) 論

（1）結(jié)合梯級(jí)水電站的實(shí)際運(yùn)行情況，擬定8組溪洛渡、向家壩兩庫聯(lián)合枯水期消落方案，通過對(duì)比不同消落調(diào)度方案時(shí)的梯級(jí)發(fā)電效益，建議兩庫聯(lián)合消落調(diào)度為：向家壩水庫枯水期水位消落至378 m左右，溪洛渡水庫枯水期水位消落至560 m左右，向家壩水庫在4—5月進(jìn)行回蓄。

（2）建立溪洛渡、向家壩兩庫聯(lián)合消落調(diào)度優(yōu)化模型，采用逐步優(yōu)化算法求解，進(jìn)一步優(yōu)化梯級(jí)水庫水位的消落深度和回蓄過程；梯級(jí)發(fā)電量相比初始計(jì)算的梯級(jí)連續(xù)徑流調(diào)節(jié)計(jì)算成果增加10.44億kW·h，增發(fā)率為1.15%，梯級(jí)增發(fā)電量主要為溪洛渡的增發(fā)電量。

（3）逐步優(yōu)化算法重點(diǎn)優(yōu)化了溪洛渡水庫枯水時(shí)段的水位消落方式，使其在枯水期盡量少發(fā)電以抬高電站全年的平均水頭，安排溪洛渡水庫于12月下旬至次年5月底集中消落庫水位，從而達(dá)到發(fā)電效益最大化的目的。

（4）經(jīng)研究分析，采用溪洛渡、向家壩梯級(jí)聯(lián)合調(diào)度這一非工程措施，通過充分挖掘梯級(jí)之間的水力補(bǔ)償效益，優(yōu)化梯級(jí)水庫水位消落和回蓄過程，可在不增加額外投資，不違反其他調(diào)度邊界條件情況下增加梯級(jí)電站發(fā)電效益，從而提高水能資源利用率，并促進(jìn)區(qū)域經(jīng)濟(jì)發(fā)展。

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An Optimization of Joint Drawdown Scheduling of Xiluodu and Xiangjiaba Reservoirs Considering Water Withdrawal into the North Main Canal Irrigation District

MIAO Keju，SUN Li

（Power China Zhongnan Engineering Corporation Limited，Changsha 410007，China）

Abstract：In this study we focus on the Xiluodu and Xiangjiaba cascade reservoirs with the primary aim of maximizing power generation benefit while ensuring irrigation water intake demands of Xiangjiaba North Main Canal Irrigation District. We probe into the joint drawdown scheduling of the cascade reservoirs in low flow period，and establish an optimization model to optimize the drawdown depth and the recharge process. Findings indicate that optimizing the drawdown depth and the recharge process can enhance the power generation benefit of the cascade power stations，and the increase in power generation is mainly attributed to Xiluodu. The key point of the joint optimal scheduling lies in optimizing the water level drawdown mode of Xiluodu during low flow period.

Key words：Xiluodu；Xiangjiaba；cascade reservoirs；power generation benefit；joint drawdown scheduling；optimization algorithm