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三峽及金沙江下游梯級水庫群蓄水期聯(lián)合調(diào)度策略

2016-12-27 14:25劉強鐘平安徐斌郭樂陳宇婷
南水北調(diào)與水利科技 2016年5期

劉強鐘平安徐斌郭樂陳宇婷

摘要:針對三峽及金沙江下游梯級水庫群汛后競爭性蓄水矛盾,以溪洛渡、向家壩、三峽、葛洲壩梯級四庫系統(tǒng)為研究對象,采用不同來水年型、蓄水時間和起調(diào)水位構(gòu)建蓄水情景集;以蓄水期期望發(fā)電量最大為目標,建立蓄水期多目標聯(lián)合隨機優(yōu)化調(diào)度模型,生成各蓄水情景下的最優(yōu)蓄水方案;基于蓄滿率、梯級期望棄水量、梯級平均期望出力對各方案進行評價,推薦豐水年溪洛渡、向家壩9月11日起蓄、三峽9月10日起蓄,平水年溪洛渡、向家壩9月11日起蓄、三峽9月1日起蓄,枯水年溪洛渡、向家壩9月1日起蓄、三峽8月21日起蓄。

關(guān)鍵詞:三峽梯級水庫群;汛后蓄水;聯(lián)合調(diào)度;情景分析

中圖分類號:TV697.1 文獻標志碼:A 文章編號:16721683(2016)05006209

隨著金沙江下游溪洛渡、向家壩相繼投入運行,與長江干流三峽、葛洲壩組成梯級水庫群,三峽及金沙江下游梯級四庫的總裝機容量、總調(diào)節(jié)庫容在長江上游水庫群中占據(jù)壓倒性優(yōu)勢,其汛末的調(diào)度策略對整個長江中下游地區(qū)影響深遠,研究三峽及金沙江下游梯級水庫群汛后蓄水期的聯(lián)合調(diào)度策略,對提高洪水資源利用率,減輕水庫群蓄水對長江中下游供水、航運、生態(tài)等影響,具有重要意義。

近年來,隨著三峽上游水庫群的修建,針對長江上游水庫群聯(lián)合蓄水的研究陸續(xù)展開,關(guān)于三峽水庫蓄水策略的研究已經(jīng)取得了一系列成果[116];丁毅等[17]初步探究了長江上游梯級水庫群的蓄水調(diào)度模式、各水庫的蓄泄關(guān)系,提出了長江上游梯級水庫群蓄水調(diào)度的建議方案;歐陽碩等[18]提出將流域蓄水原則與K值判別法相結(jié)合的策略來判定流域梯級各水庫蓄水時機及次序;黃草等[19]依托多目標優(yōu)化調(diào)度模型,逐年分析了長江上游若干座多目標混聯(lián)水庫的蓄水起止時間,總結(jié)了出現(xiàn)概率最大的水庫群蓄水次序;王冬等[20]采用基于圣維南方程組的徑流調(diào)度模型,利用多年實測資料,得出溪洛渡、向家壩、三峽最優(yōu)蓄水時間方案。已有的研究在判定長江上游水庫群蓄水次序、蓄水時間方面取得了較多成果,但專門針對三峽及金沙江下游梯級四庫的研究較少,而且研究方法多集中于對確定性來水的模擬。但在實際調(diào)度中,由于受到入庫徑流預(yù)報水平的限制,基于確定性來水的優(yōu)化調(diào)度方案具有較大的不確定性,實際指導(dǎo)意義不強。而基于傳統(tǒng)的隨機優(yōu)化模型的期望調(diào)度方案,不能反映不同來水大小的差異。

鑒于此,本文以溪洛渡、向家壩、三峽和葛洲壩梯級四庫系統(tǒng)作為研究對象,通過對蓄水期來水按大小分組反映來水大小的區(qū)別;通過建立蓄水期多目標聯(lián)合隨機優(yōu)化調(diào)度模型,反映來水的隨機性影響;通過多情景優(yōu)化模擬和多指標方案評估,推薦三峽及金沙江下游梯級在不同來水條件下的期望蓄水方案。

1 梯級水庫群蓄水場景構(gòu)造

1.1 研究對象

本文研究溪洛渡、向家壩、三峽和葛洲壩四座水庫組成的梯級水庫群(見圖1),溪洛渡、向家壩、三峽等為不完全年調(diào)節(jié)水庫,葛洲壩為日調(diào)節(jié)水庫。溪洛渡、向家壩開發(fā)任務(wù)以發(fā)電為主,兼顧防洪、攔沙和改善下游航運等,溪洛渡水庫調(diào)節(jié)庫容646億m3,裝機容量12 600 MW,汛限水位560 m;向家壩水庫是金沙江干流最下游梯級電站,對溪洛渡具有反調(diào)節(jié)作用,調(diào)節(jié)庫容903億m3裝機容量6 000 MW,汛限水位370 m。三峽水庫具有防洪、發(fā)電、改善航道等綜合任務(wù),調(diào)節(jié)庫容165億m3(枯期消落低水位155 m至正常高水位175 m之間庫容),裝機容量22 500 MW;葛洲壩是三峽水庫的反調(diào)節(jié)水庫,電站裝機容量2 950 MW。

1.2 來水年組劃分

根據(jù)金沙江屏山站徑流系列資料,按水文比擬法生成溪洛渡、向家壩水庫的入庫徑流系列,將向家壩與溪洛渡的入庫徑流系列相減得到溪洛渡-向家壩區(qū)間來水系列;以宜昌站徑流系列資料,按水文比擬法生成三峽、葛洲壩水庫徑流系列,將葛洲壩和三峽的入庫徑流系列相減得到三峽-葛洲壩區(qū)間的徑流系列;以三峽和向家壩的入庫徑流系列確定向家壩-三峽區(qū)間徑流系列。為了取得梯級錯時蓄水方案,本文約定11月30日為蓄水最后時間(三峽水庫12月1日進入消落期),8月21日為最早允許蓄水時間,依據(jù)三峽水庫1940年-2013年8月21日至11月30日入庫徑流資料,將蓄水期來水分為豐(頻率0%~33%)、平(頻率33%~67%)、枯(頻率67%~100%)三個年組。

1.3 蓄水時間方案擬定

根據(jù)現(xiàn)有調(diào)度規(guī)程,溪洛渡水庫和向家壩水庫9月11日由汛限水位開始蓄水,9月底蓄滿;三峽水庫9月上旬水位由汛限水位逐漸回升,9月10日從控制起蓄水位155 m開始回蓄,9月底蓄至165 m,10月底蓄滿;葛洲壩為徑流式水庫,無汛后蓄水問題。

梯級水庫群汛末蓄水期部分與汛期重疊,不宜過分提前,本文對三峽水庫共設(shè)置8月21日、8月26日、9月1日、9月6日、9月10日5種起蓄時間方案;由于泥沙問題制約溪洛渡蓄水時間無法大幅提前,故對溪洛渡設(shè)置9月1日、9月11日兩種起蓄時間方案;向家壩調(diào)節(jié)庫容遠小于溪洛渡與三峽調(diào)節(jié)庫容,蓄水影響相對較小,因此設(shè)置向家壩與溪洛渡同時起蓄。

1.4 回蓄期起蓄水位

根據(jù)各水庫調(diào)度規(guī)程,設(shè)定溪洛渡水庫回蓄期的起蓄水位為560 m;向家壩水庫為370 m;三峽水庫起蓄水位155 m。

1.5 蓄水情景方案集

綜合3種來水年型,10種組合起蓄時間方案(溪洛渡、向家壩2種,三峽5種),1種起蓄水位組合,共構(gòu)成3×10×1=30組蓄水情景。

2 多目標隨機優(yōu)化模型

三峽及金沙江下游梯級水庫群是一個具有發(fā)電、防洪、供水、生態(tài)、航運等多目標的梯級水庫群系統(tǒng),本文將梯級四庫期望總發(fā)電量最大作為目標,將防洪、供水、生態(tài)、航運等目標轉(zhuǎn)為約束條件,變多目標問題為單目標問題。由于蓄水期調(diào)度為長期調(diào)度,調(diào)度過程中難以對來水進行準確預(yù)報,來水情形存在隨機性。因此本文將不同來水年組中的時段來水作為隨機取值,建立隨機優(yōu)化模型對水庫群蓄水期調(diào)度進行模擬。

2.1 目標函數(shù)

梯級水庫群蓄水期發(fā)電量期望值最大:

式中:n為梯級電站數(shù),本文為4;Tt為時段小時數(shù),由于越接近汛期,水庫來水的不均勻程度越顯著,若選取時段過長,不均勻的來水受到均化,則造成計算的期望棄水量偏小,期望發(fā)電量偏大,因此本文采用變時段長,8月21日-9月15日取日,9月16日-10月31日取候(5日),其余取月;T為調(diào)度期時段數(shù),本文共有36個時段;m為隨機來水的狀態(tài)數(shù),即某來水年組包含的年數(shù),本文豐水年組25年,平水年組25年,枯水年組為24年。

2.2 約束條件

(1)水量平衡約束。

(2)上、下限水位約束及水位變幅約束。

(3)最大、最小流量約束及流量變幅約束。

(4)負荷約束。

(5)調(diào)度期末控制水位約束。

2.3 求解方法

本文水庫群采用輪庫迭代法,單庫采用離散隨機動態(tài)規(guī)劃法。其計算流程見圖2。

2.4 評價指標

三峽及金沙江下游梯級水庫群蓄水期調(diào)度方案的選擇,是以保證汛后蓄滿和不增加防洪風險為前提,并綜合考慮蓄水期中下游最小下泄量要求和蓄水期梯級發(fā)電量等因素。本文選取蓄滿率、期望棄水量、蓄水期期望出力等三個指標對多情景方案進行評價。由于是蓄水期,蓄滿率是第一指標;由于蓄水期與汛期部分重疊,蓄水時間越提前,對防洪安全的影響越大,其表現(xiàn)為蓄水過程中產(chǎn)生大量的棄水,因此本文選擇蓄水期棄水量指標反映防洪風險大??;蓄水期梯級發(fā)電量大小也是衡量蓄水方案優(yōu)劣的重要指標,由于不同情景的蓄水期長短不同,為了滿足可比性要求,本文選擇蓄水期平均出力反映蓄水對發(fā)電的影響。方案篩選的方法為,將不同指標的特征值標準化,由于水庫蓄水、防洪、發(fā)電在蓄水期的重要性依次遞減,對蓄滿率、期望棄水量、平均期望出力三個指標賦以不同的權(quán)重,得到每個方案的綜合評價值,針對不同來水年組,選擇綜合指標值最優(yōu)的蓄水時間方案為該來水年型的推薦方案。

3 結(jié)果分析

3.1 設(shè)計蓄水期聯(lián)合調(diào)度效果分析

采用調(diào)度規(guī)程中的起蓄時間和起蓄水位,采用單庫隨機優(yōu)化調(diào)度和四庫聯(lián)合隨機優(yōu)化調(diào)度的蓄水期梯級期望發(fā)電量、梯級期望棄水量的計算結(jié)果見表1,供水保證率的計算結(jié)果見表2。

由圖6可見,聯(lián)合優(yōu)化調(diào)度模式下,由于溪洛渡、向家壩水庫的調(diào)配,三峽水庫在兩個蓄水階段快速蓄水期入庫流量較單庫模式大,緩慢蓄水期入庫流量較單庫模式小,使得三峽水庫的出庫流量過程相對更為均勻(見圖7)。葛洲壩水庫自身沒有調(diào)節(jié)能力,并且三峽至葛洲壩區(qū)間很小,三峽的出庫流量近似為葛洲壩的入庫流量,因此聯(lián)合調(diào)度模式下葛洲壩的期望棄水量大大減少(見圖8),進而使得期望發(fā)電量顯著增加。

3.2 最優(yōu)起蓄時機選擇

(1)蓄滿率。

在豐水年、平水年兩種來水情形下,梯級各水庫以不同蓄水時間方案起蓄,至調(diào)度規(guī)程規(guī)定蓄滿的時間(溪洛渡、向家壩9月底、三峽10月底)均能蓄滿,表3給出了枯水年梯級各水庫在規(guī)定蓄滿時間的蓄滿率。

由表3可見:a.溪洛渡、向家壩9月11日起蓄,有部分年份不能在規(guī)定蓄滿的時間蓄滿,當起蓄時間提前至9月1日,則能在規(guī)定蓄滿的時間使得蓄滿率達到100%;

b.遇特枯年份,提前溪洛渡、向家壩的起蓄時間至9月1日,三峽水庫仍然無法在規(guī)定蓄滿的時間蓄滿,大幅提前自身的起蓄時間至8月26日,才能使得三峽水庫的蓄滿率達到100%。

(2)期望棄水量。

相關(guān),并且由于葛洲壩滿發(fā)流量小于三峽的滿發(fā)流量,因此葛洲壩的期望棄水量比三峽的期望棄水量大;

b.三峽起蓄越早,三峽和葛洲壩的期望棄水量越多,一方面是由于起蓄越早,來水量基數(shù)越大,另一方面,越接近主汛期來水流量越大,水庫不能調(diào)節(jié)的水量越多;溪洛渡、向家壩起蓄時間提前具有與三峽水庫類似的規(guī)律。

(3)梯級平均期望出力。

表7、表8、表9給出了三種來水年型不同起蓄時間方案梯級平均期望出力的計算結(jié)果,表中各水庫的平均期望出力統(tǒng)計時段長與梯級期望棄水量的統(tǒng)計時段長相同,梯級的平均期望出力為各水庫平均期望出力之和。

由表7、表8、表9可見,溪洛渡、向家壩提前蓄水,自身平均期望出力顯著增加,三峽水庫提前蓄水,三峽和葛洲壩的平均期望出力均會顯著增加。

(4)方案優(yōu)選。

以各水庫蓄滿率的均值反映梯級蓄滿率,將30組不同蓄水情景的梯級蓄滿率、梯級期望棄水量、梯級平均期望出力標準化。根據(jù)蓄滿率、梯級期望棄水量、梯級平均期望出力三個指標的重要性不同,采用AHP法給出三個指標的標準化權(quán)重為{042,034,024},進而得到三種不同來水年型不同起蓄時間組合的綜合評價值,豐水年10種起蓄時間組合(表4至表9中由上至下依次所列的10組起蓄時間組合)的綜合評價值為{081,08,078,075,072,075,074,073,069,066},第一種起蓄時間組合(溪洛渡、向家壩9月11日起蓄,三峽9月10日起蓄)的綜合評價值最大,平水年為{083,084,085,084,083,082,082,082,081,08},第三種起蓄時間組合(溪洛渡、向家壩9月11日起蓄,三峽9月1日起蓄)的綜合評價值最大,枯水年為{034,035,05,057,058,057,057,072,079,08},第十種起蓄時間組合(溪洛渡、向家壩9月1日起蓄,三峽8月21日起蓄)的綜合評價值最大。

綜上所述,得到三峽及金沙江下游梯級水庫群不同來水年型下汛末最優(yōu)起蓄時間,即豐水年溪洛渡和向家壩9月11日起蓄、三峽9月10日起蓄,即維持設(shè)計起蓄時間起蓄;平水年溪洛渡、向家壩9月11日起蓄、三峽9月1日起蓄;枯水年溪洛渡、向家壩9月1日起蓄、三峽8月21日起蓄。可以發(fā)現(xiàn),推薦蓄水時間方案梯級各水庫的汛后蓄滿率均為100%,與設(shè)計蓄水期優(yōu)化結(jié)果(見表8、表9)相比,平水年、枯水年,推薦蓄水時間方案的梯級平均期望出力分別增加474%、1016%。

4 結(jié)論

針對三峽及金沙江下游梯級水庫群汛末競爭性蓄水引發(fā)的諸多矛盾,以梯級四庫系統(tǒng)作為研究對象,以不同來水年型、蓄水時間和蓄水期初水位構(gòu)建梯級蓄水情景集;以蓄水期期望發(fā)電量最大為目標,建立蓄水期多目標聯(lián)合隨機優(yōu)化調(diào)度模型,生成各蓄水情景下的最優(yōu)蓄水方案。分析設(shè)計蓄水期聯(lián)合優(yōu)化調(diào)度結(jié)果得出結(jié)論:聯(lián)合優(yōu)化調(diào)度更有利于減少蓄水期期望棄水量,提高梯級期望發(fā)電量和供水保證率;綜合考慮防洪風險與興利效益,基于蓄滿率、梯級期望棄水量、梯級平均期望出力對各方案進行評價,推薦豐水年溪洛渡、向家壩9月11日起蓄、三峽9月10日起蓄,平水年溪洛渡、向家壩9月11日起蓄、三峽9月1日起蓄,枯水年溪洛渡、向家壩9月1日起蓄、三峽8月21日起蓄。

本文研究結(jié)果對于改善三峽及金沙江下游梯級水庫群蓄水期近期調(diào)度策略以及長期運行規(guī)劃具有參考價值。

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