張海榮，姚華明，湯正陽(yáng)，吳碧瓊，信天旗

(1.中國(guó)長(zhǎng)江電力股份有限公司 智慧長(zhǎng)江與水電科學(xué)湖北省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，湖北 宜昌 443133；2.大連理工大學(xué) 水資源與防洪研究所，遼寧 大連 116024)

1 研究背景

水庫(kù)優(yōu)化調(diào)度是運(yùn)用系統(tǒng)工程的理論和最優(yōu)化技術(shù)，尋求最優(yōu)運(yùn)行策略及相應(yīng)決策的一種過(guò)程，“雅礱江和金沙江中下游梯級(jí)水庫(kù)聯(lián)合優(yōu)化調(diào)度建模及應(yīng)用Ⅰ——聯(lián)合優(yōu)化調(diào)度潛力分析”已經(jīng)根據(jù)求解問(wèn)題，建立相應(yīng)的調(diào)度模型，并進(jìn)行了模型的求解方法研究，主要建立在實(shí)測(cè)徑流資料已知的基礎(chǔ)之上。但在水庫(kù)實(shí)際運(yùn)行中，未來(lái)徑流變化不可能重復(fù)以往的徑流序列，優(yōu)化調(diào)度所得到的運(yùn)行策略無(wú)法直接運(yùn)用，因此需對(duì)優(yōu)化調(diào)度成果進(jìn)行綜合分析，探究其內(nèi)在規(guī)律，提煉出可指導(dǎo)水庫(kù)實(shí)際運(yùn)行的調(diào)度規(guī)則。

調(diào)度規(guī)則是指導(dǎo)庫(kù)群系統(tǒng)聯(lián)合優(yōu)化調(diào)度的關(guān)鍵工具，也是確定庫(kù)群蓄放水次序的重要依據(jù)，通常依據(jù)當(dāng)前時(shí)段的水文狀況，對(duì)水庫(kù)下泄流量、出力負(fù)荷要求等做出合理的決策，以達(dá)到能長(zhǎng)期運(yùn)行的理想狀態(tài)[1]。針對(duì)聯(lián)合優(yōu)化調(diào)度規(guī)則提取，眾多研究在確定性優(yōu)化調(diào)度的基礎(chǔ)上，通過(guò)調(diào)度函數(shù)或調(diào)度圖等其他形式，擬合回歸出一定的調(diào)度規(guī)則，用以指導(dǎo)徑流未知情景下的水庫(kù)調(diào)度。如丁毅等[2]以長(zhǎng)江上游水庫(kù)群為對(duì)象，系統(tǒng)探討了水庫(kù)群綜合調(diào)度需求，初步提出了聯(lián)合優(yōu)化調(diào)度的原則、方式和方案；李安強(qiáng)等[3]以溪洛渡、向家壩和三峽水庫(kù)為對(duì)象，提出了三庫(kù)防洪庫(kù)容在協(xié)調(diào)川江與長(zhǎng)江中下游區(qū)域防洪中的分配方案及三峽水庫(kù)防洪優(yōu)化調(diào)度方式；康玲等[4]以長(zhǎng)江上游水庫(kù)群為對(duì)象，提出了非線性安全度策略，使各水庫(kù)的防洪庫(kù)容均衡地被使用，充分發(fā)揮了水庫(kù)群的防洪效益。其中，調(diào)度圖由于其簡(jiǎn)單直觀、易于操作，在調(diào)度規(guī)則提取中得到了廣泛應(yīng)用，如張雙虎等[5]提出了一種結(jié)合遺傳算法與系統(tǒng)模擬來(lái)制定梯級(jí)水庫(kù)優(yōu)化調(diào)度圖的理論及方法，直接以調(diào)度圖基本軌線為決策變量，指導(dǎo)水庫(kù)運(yùn)行，并且可將其推廣到兼顧防洪、發(fā)電和供水的多目標(biāo)綜合利用水庫(kù)群；郭旭寧等[6]構(gòu)建虛擬聚合水庫(kù)，通過(guò)模擬-優(yōu)化方法構(gòu)建水庫(kù)調(diào)度圖，驗(yàn)證了庫(kù)群聯(lián)合調(diào)度的合理性，并且根據(jù)聚合水庫(kù)的水量平衡關(guān)系與聚合水庫(kù)調(diào)度圖中供水限制線的位置關(guān)系，確定水庫(kù)群的供水任務(wù)；朱金峰等[7]考慮生態(tài)流量目標(biāo)需求，構(gòu)建模型，得到了水庫(kù)群的分級(jí)調(diào)度準(zhǔn)則和優(yōu)化調(diào)度圖，并提出了重要水庫(kù)生態(tài)用水的調(diào)度規(guī)則；許子寬等[8]綜合考慮多方面用水，構(gòu)建水庫(kù)群聯(lián)合調(diào)度圖，提出了具體的供水方案。

當(dāng)前，長(zhǎng)江上游流域已經(jīng)形成眾多巨型水庫(kù)群混連的調(diào)度格局，相關(guān)上游水庫(kù)群配合三峽水庫(kù)，汛前有序消落、汛后漸次蓄水，對(duì)于保障長(zhǎng)江中下游防洪安全、充分發(fā)揮水庫(kù)群發(fā)電效益具有重要意義。針對(duì)長(zhǎng)江流域水庫(kù)群的蓄放水規(guī)律研究，我國(guó)學(xué)者取得了眾多成果。何小聰?shù)萚9]以三峽、溪洛渡、向家壩水庫(kù)為對(duì)象，以“同步攔蓄”的不足為基礎(chǔ)，提出了更具防洪效益的“等比例蓄水”方法；黃草等[10]以長(zhǎng)江上游15座大型水庫(kù)組成的庫(kù)群為研究對(duì)象，提出了該庫(kù)群在長(zhǎng)系列、多目標(biāo)的條件下的調(diào)度規(guī)則，并得出庫(kù)群在考慮多目標(biāo)的狀況下，優(yōu)化的蓄放水次序在多年長(zhǎng)系列上具有統(tǒng)計(jì)規(guī)律；駱光磊等[11]提出了水庫(kù)群運(yùn)行自適應(yīng)矩估計(jì)改進(jìn)深度神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模擬方法，改善參數(shù)訓(xùn)練方式，得出了該方法與傳統(tǒng)方法相比能更好地模擬庫(kù)群的運(yùn)行過(guò)程，獲取上游庫(kù)群的下泄計(jì)劃。

目前，針對(duì)金中、雅礱江和金下梯級(jí)水庫(kù)的調(diào)度規(guī)則以及蓄放水次序研究尚未見諸報(bào)端，該區(qū)域的水庫(kù)運(yùn)行缺少合理的策略，本文在“金中、雅礱江梯級(jí)水庫(kù)與金下梯級(jí)聯(lián)合優(yōu)化調(diào)度建模及應(yīng)用Ⅰ——聯(lián)合優(yōu)化調(diào)度潛力分析”研究成果的基礎(chǔ)上，進(jìn)行金中、雅礱江和金下梯級(jí)中龍盤、兩河口、錦屏一級(jí)、二灘、烏東德、白鶴灘、溪洛渡、向家壩8座擁有較強(qiáng)調(diào)節(jié)能力的電站的優(yōu)化調(diào)度圖的繪制，并進(jìn)一步對(duì)相關(guān)子流域多年平均逐月調(diào)蓄水量和水位進(jìn)行了對(duì)比分析，最后對(duì)相關(guān)電站的汛前消落和汛末蓄水次序進(jìn)行了分析。

2 研究電站介紹

雅礱江、金沙江中游與金沙江下游主要電站分布見圖1，梯級(jí)電站庫(kù)容與裝機(jī)容量見表1。

圖1 雅礱江、金中與金下主要電站分布Fig.1 Distribution of main power stations on YalongRiver and the middle and downstream of Jinsha River

表1 雅礱江、金中與金下梯級(jí)電站庫(kù)容與裝機(jī)容量Table 1 Storage capacity and installed capacity ofcascade hydropower stations on Yalong River andthe middle and downstream of Jinsha River

3 聯(lián)合優(yōu)化調(diào)度圖繪制

水庫(kù)發(fā)電調(diào)度圖是根據(jù)河川徑流特性及電力系統(tǒng)和綜合用水部門要求編制而成的曲線圖，以時(shí)間為橫坐標(biāo)，水位為縱坐標(biāo)，由一些控制指示線將不同時(shí)期水庫(kù)水位劃分為不同的調(diào)度出力區(qū)域，它綜合反映了各種來(lái)水條件下的水庫(kù)調(diào)度規(guī)則，是指導(dǎo)水電站水庫(kù)經(jīng)濟(jì)運(yùn)行的實(shí)用工具[12]。目前，用調(diào)度圖表示庫(kù)群聯(lián)合調(diào)度規(guī)則的方法大致有如下4種：①在單庫(kù)調(diào)度圖上增設(shè)聯(lián)合調(diào)度線，各水庫(kù)調(diào)度任務(wù)由水位與聯(lián)合調(diào)度線間的相對(duì)位置決定；②通過(guò)制定聯(lián)合調(diào)度規(guī)則，將各水庫(kù)單庫(kù)調(diào)度圖有機(jī)結(jié)合實(shí)現(xiàn)聯(lián)合調(diào)度；③將庫(kù)群等效為聚合水庫(kù)，依據(jù)總體蓄水量確定調(diào)度任務(wù)，通過(guò)分水規(guī)則實(shí)現(xiàn)庫(kù)群間水量分配；④對(duì)于雙庫(kù)調(diào)度系統(tǒng)，通過(guò)繪制二維調(diào)度圖實(shí)現(xiàn)雙庫(kù)優(yōu)化調(diào)度[13-14]。

圖2 金中、雅礱江和金下梯級(jí)相關(guān)水庫(kù)優(yōu)化調(diào)度圖Fig.2 Optimal operation diagram of cascade reservoirs on Yalong River and the middle and downstream of Jinsha River

本文根據(jù)“雅礱江梯級(jí)水庫(kù)與金沙江中下梯級(jí)水庫(kù)聯(lián)合優(yōu)化調(diào)度建模及應(yīng)用Ⅰ——聯(lián)合優(yōu)化調(diào)度潛力分析”中聯(lián)合優(yōu)化調(diào)度結(jié)果，提取聯(lián)合調(diào)度規(guī)則，將各水庫(kù)單獨(dú)調(diào)度圖有機(jī)結(jié)合實(shí)現(xiàn)聯(lián)合調(diào)度,通過(guò)將各水庫(kù)1956—2010年多年優(yōu)化水位進(jìn)行排頻，根據(jù)不同置信區(qū)間求取水位包絡(luò)線，繪制單庫(kù)調(diào)度運(yùn)行區(qū)間，并結(jié)合聯(lián)合調(diào)度規(guī)則實(shí)現(xiàn)庫(kù)群的聯(lián)合調(diào)度。具體方法如下：

(2)

式中：δit為電站i第t個(gè)調(diào)度時(shí)段運(yùn)行水位的標(biāo)準(zhǔn)差；n為電站數(shù)量；N為研究時(shí)段總年份數(shù)；T為年內(nèi)調(diào)度時(shí)段數(shù)。

4 結(jié)果分析

4.1 金中、雅礱江和金下梯級(jí)主要電站聯(lián)合優(yōu)化調(diào)度圖

龍盤、兩河口、錦屏一級(jí)、二灘、烏東德、白鶴灘、溪洛渡、向家壩這8座擁有較強(qiáng)調(diào)節(jié)能力的電站調(diào)度方案如圖2所示。非汛期，多數(shù)水庫(kù)的50%分位包絡(luò)線、5%分位包絡(luò)線和95%分位包絡(luò)線重合在水庫(kù)正常運(yùn)行水位，如錦屏一級(jí)、二灘、烏東德、溪洛渡和向家壩，利用當(dāng)前時(shí)段的入庫(kù)流量，盡量保持高水位運(yùn)行。汛期，在水庫(kù)運(yùn)行水位區(qū)間約束內(nèi)，部分龍頭水庫(kù)如龍盤、兩河口水庫(kù)，通過(guò)運(yùn)用其防洪庫(kù)容有效攔蓄洪水，可極大地減小下游梯級(jí)電站的棄水，增加流域整體發(fā)電量。

4.2 調(diào)蓄水量與運(yùn)行水位分析

表2和表3給出了金中、雅礱江、金下在單獨(dú)調(diào)度與聯(lián)合調(diào)度兩種情形下，3個(gè)子流域多年平均的逐月調(diào)蓄水量(負(fù)值為向下游補(bǔ)水，正值為蓄水)和水位對(duì)比情況(水位差值 = 單獨(dú)調(diào)度水位-聯(lián)合調(diào)度水位)。

表2 金中、雅礱江、金下調(diào)蓄水量對(duì)比Table 2 Comparison of water storage among Yalong Riverand the middle and downstream Jinsha River 億m3

表3 金中、雅礱江、金下運(yùn)行水位對(duì)比Table 3 Comparison of operational water level among Yalong River and the middle and downstream Jinsha River m

從表2可知，通過(guò)水庫(kù)群聯(lián)合調(diào)度，金中、雅礱江在1—4月份向下游補(bǔ)水顯著，將更多的水量供給下游金下梯級(jí)發(fā)電，而金下梯級(jí)在此期間基本保持蓄泄平衡，維持高水位運(yùn)行，利用上游來(lái)水盡可能地增加發(fā)電量。而在7—9月份汛期階段，聯(lián)合優(yōu)化調(diào)度情形下，金中、雅礱江梯級(jí)攔蓄洪水效益顯著，減輕了下游金下梯級(jí)棄水風(fēng)險(xiǎn)。

從表3可知，聯(lián)合調(diào)度情形下，1—5月份金中、雅礱江梯級(jí)平均水位下降顯著，而金下梯級(jí)水位相較于單獨(dú)調(diào)度有一定上升，維持了金下梯級(jí)高水頭運(yùn)行，而在汛期階段，金中、雅礱江水位有較大回升，攔蓄了較多洪水，保障了下游金下梯級(jí)的安全穩(wěn)定運(yùn)行。

4.3 汛前消落次序

基于水庫(kù)群聯(lián)合優(yōu)化調(diào)度結(jié)果，以金中、雅礱江和金下梯級(jí)中龍盤、兩河口等8座擁有較強(qiáng)調(diào)節(jié)能力的電站為研究對(duì)象，統(tǒng)計(jì)其汛前消落次序及其發(fā)生頻率，如表4所示。

表4 汛前消落次序及其發(fā)生頻率Table 4 Sequences and frequency of water releasingof reservoirs before flood season

從表4可以看出，各水庫(kù)汛前消落次序宜為：兩河口—龍盤—錦屏一級(jí)—二灘—向家壩—白鶴灘—溪洛渡—烏東德，總體思路為上游水庫(kù)優(yōu)先消落，盡可能地保持下游溪洛渡、烏東德等電站高水位運(yùn)行，提高流域整體發(fā)電效益。

進(jìn)一步，以1964年、1970年和1971年3種典型年逐年分析各骨干水庫(kù)的消落時(shí)間如圖3所示。由于地理位置、水文條件和水庫(kù)功能各異，各電站在不同年份的消落時(shí)間不盡相同，兩河口和龍盤分屬雅礱江與金沙江中游的龍頭水庫(kù)，消落開始時(shí)間較早，分別為上年12月份和當(dāng)年1月份，錦屏一級(jí)和二灘的消落時(shí)間為當(dāng)年3月份，金中四庫(kù)的消落時(shí)間集中在當(dāng)年5—6月份。

圖3 各電站汛前消落開始時(shí)間Fig.3 Starting time of water releasing of each powerstation before flood season

4.4 汛末蓄水次序

金中、雅礱江和金下梯級(jí)中龍盤、兩河口等8座電站汛末蓄水次序及其發(fā)生頻率如表5所示。

表5 汛末蓄水次序及其發(fā)生頻率Table 5 Sequences and frequency of water storageat the end of flood season

從表5中可以看出，各水庫(kù)汛末蓄水次序宜為：錦屏一級(jí)—龍盤/二灘—兩河口—烏東德—白鶴灘/溪洛渡—向家壩，總體思路為上游水庫(kù)提前蓄水，減輕下游水庫(kù)防洪壓力，減小棄水損失。

圖4給出了25%(1964年)、50%(1970年)、75%(1971年)3種頻率的發(fā)電典型年下，各骨干水庫(kù)汛末蓄水開始時(shí)間。錦屏一級(jí)、龍盤和二灘電站蓄水開始時(shí)間集中在當(dāng)年6月份，兩河口蓄水開始時(shí)間為7月份，烏東德、白鶴灘和溪洛渡電站蓄水時(shí)間集中在8月下旬和9月下旬，向家壩電站蓄水時(shí)間為9月下旬。同時(shí)，來(lái)水偏豐年份的蓄水時(shí)間相應(yīng)有所推遲。

圖4 各電站汛末蓄水開始時(shí)間Fig.4 Starting time of water storage of each powerstation at the end of flood season

5 結(jié) 語(yǔ)

針對(duì)金中、雅礱江梯級(jí)水庫(kù)與金下梯級(jí)水庫(kù)聯(lián)合調(diào)度規(guī)則提取問(wèn)題，以金中、雅礱江梯級(jí)水庫(kù)與金下梯級(jí)水庫(kù)的聯(lián)合發(fā)電調(diào)度成果為基礎(chǔ)，探究了梯級(jí)上下游水庫(kù)間和不同梯級(jí)間的運(yùn)行規(guī)律，形成了聯(lián)合優(yōu)化調(diào)度圖。通過(guò)對(duì)比單獨(dú)調(diào)度與聯(lián)合優(yōu)化調(diào)度前后調(diào)蓄水量與運(yùn)行水位可知，聯(lián)合優(yōu)化調(diào)度情形下，金中、雅礱江在1—4月份向下游補(bǔ)水顯著，將更多的水量供給下游金下梯級(jí)發(fā)電，梯級(jí)平均水位下降顯著。而金下梯級(jí)在此期間基本保持蓄泄平衡，維持高水位運(yùn)行，利用上游來(lái)水盡可能地增加發(fā)電量。而在7—9月份汛期階段，金中、雅礱江梯級(jí)攔蓄洪水效益顯著，水位有較大回升，減輕了下游金下梯級(jí)棄水風(fēng)險(xiǎn)。

通過(guò)統(tǒng)計(jì)分析金中、雅礱江和金下梯級(jí)中龍盤、兩河口等8座擁有較強(qiáng)調(diào)節(jié)能力的電站蓄放水次序，汛前各水庫(kù)消落次序宜為：兩河口—龍盤—錦屏一級(jí)—二灘—向家壩—白鶴灘—溪洛渡—烏東德。兩河口和龍盤消落開始時(shí)間分別為上年12月份和當(dāng)年1月份，錦屏一級(jí)和二灘的消落時(shí)間為當(dāng)年3月份，金中四庫(kù)的消落時(shí)間集中在當(dāng)年5月份；汛末各水庫(kù)蓄水次序宜為：錦屏一級(jí)—龍盤/二灘—兩河口—烏東德—白鶴灘、溪洛渡—向家壩。錦屏一級(jí)、龍盤和二灘電站蓄水開始時(shí)間集中在當(dāng)年6月份，兩河口蓄水開始時(shí)間為7月份，烏東德、白鶴灘和溪洛渡電站蓄水時(shí)間集中在8月下旬和9月下旬，向家壩電站蓄水時(shí)間為9月下旬，流域內(nèi)其他電站可根據(jù)其龍頭水庫(kù)的運(yùn)行情況，依據(jù)調(diào)度圖靈活控制。