龔 文 婷，李 帥，胡 挺，邢 龍，王 瑋 玉

(中國長江三峽集團有限公司，湖北 宜昌 443133)

0 引 言

長江上游河段水頭落差大、水能資源豐富，建有多個梯級電站，是中國重要的水電能源基地[1]。2021年，隨著金沙江下游干流烏東德、白鶴灘、溪洛渡、向家壩等4座電站的全部完建，其與三峽水庫形成了世界上最大的巨型梯級水庫群，在長江流域水資源開發(fā)利用方面發(fā)揮著關鍵作用[2-3]。然而，梯級水庫的建成投運，也將水庫調度方式由原有的單庫調度轉變?yōu)樘菁壦畮炻?lián)合調度[4-5]，調度目標從追求單方面效益轉變?yōu)閷崿F(xiàn)綜合效益最大化[6]。消落期作為水庫發(fā)電、供水、航運、生態(tài)等綜合效益發(fā)揮的重要階段[7-8]，不同消落方式會改變流域梯級水庫枯期徑流量分配[9]，從而影響流域梯級水庫消落期綜合效益的發(fā)揮，因此如何合理地安排梯級水庫消落次序，在確保防洪安全的前提下，盡可能減少棄水[10-11]，實現(xiàn)發(fā)電、航運、生態(tài)、補水等綜合效益最大化[12-16]，是消落期調度的關鍵。

近年來，針對單庫消落方式或是多年調節(jié)水庫年末消落方案已開展大量研究[17-18]。鮑正風等[19]以三峽水庫為研究對象，重點分析了汛前消落優(yōu)化調度方式來提高電站水能利用率；石萍等[20]基于金沙江中游梯級水庫優(yōu)化調度規(guī)律，建立了龍盤水庫年末消落水位預測模型；張雙虎等[21]建立了判別多年調節(jié)水庫年末消落水位的決策樹，并應用于烏江梯級水庫調度。而針對流域梯級水庫的聯(lián)合消落調度，張睿等[22]以溪洛渡、向家壩水庫為對象，分析兩庫消落深度對水庫總體運行調度的影響，并開展了金沙江下游四庫聯(lián)合運行時枯期消落方式初步探究；符芳明等[23]以溪洛渡、向家壩、三峽、葛洲壩四庫為對象，建立了消落期隨機聯(lián)合優(yōu)化調度模型，明確四庫協(xié)同消落策略；黃草等[24]以長江上游水庫為研究對象，分析了水庫群聯(lián)合調度的汛前放水次序。但目前針對金沙江下游四庫消落次序研究鮮有報道，也未探究金下梯級-三峽水庫五座控制性水庫在整個消落周期最佳聯(lián)合消落調度方式[25]。因此，本研究以金下梯級與三峽水庫為研究對象，針對整個消落期開展五庫聯(lián)合消落分析，制定梯級水庫協(xié)同消落方案，以期實現(xiàn)金下梯級及三峽水庫消落期發(fā)電、航運、生態(tài)、補水綜合效益最大化。

1 金下梯級-三峽水庫概況

金沙江下游烏東德、白鶴灘、溪洛渡、向家壩梯級和三峽五座水庫[26]總調節(jié)庫容429.69億m3，總防洪庫容376.43億m3，總裝機容量達67 300 MW(見表1和圖1)，是世界上最大的清潔能源走廊。近年來，通過以三峽水庫為核心的梯級水庫聯(lián)合調度，梯級水庫防洪、發(fā)電、航運、水資源利用等效益顯著發(fā)揮，為長江經濟帶高質量發(fā)展提供了重要保障[27]，在能源保供和實現(xiàn)“雙碳”目標方面發(fā)揮著極其重要作用。

表1 金下梯級-三峽水庫概況Tab.1 The general situation of cascade reservoirs of the downstream Jinsha River and Three Gorges Reservoir

2 梯級水庫消落方案擬定

根據(jù)調度規(guī)程，流域梯級水庫均從年末開始消落，汛前消落至汛限水位以下，消落期間應控制消落速率不超過水位變幅上限。目前，水庫消落常設定為3種方式：提前消落、均勻消落、推遲消落[19]。其中，提前消落是指在消落前期采用最大變幅集中消落至汛限水位，后維持低水位運行；均勻消落是指每日按照相同速率逐步消落，在汛前消落至汛限水位；推遲消落方式是指消落前期一直維持高水位運行，在消落后期以日水位最大變幅集中消落至汛限水位。各水庫消落計劃及消落方式如表2所列。

表2 金下梯級-三峽水庫消落計劃及消落方式Tab.2 The plan and method of drawdown operation for cascade reservoirs of the downstream Jinsha River and Three Gorges Reservoir

綜合考慮金下梯級-三峽水庫汛期、蓄水期、消落期的一致性以及水力聯(lián)系上的密切程度，將其分為不同的研究單元，其中烏東德-白鶴灘梯級(烏-白梯級)為第一個研究單元，溪洛渡-向家壩梯級(溪-向梯級)為第二個研究單元，三峽水庫為第三個研究單元；每個單元按照提前消落、均勻消落、推遲消落的不同消落方式進行組合[19]，形成27種消落方案(見表3)

本研究選取各水庫設計依據(jù)站華彈站(烏東德、白鶴灘水庫)、屏山站(溪洛渡、向家壩水庫)、宜昌站(三峽水庫)1950～2020年長系列資料，分析在不同消落方案下流域梯級水庫發(fā)電、補水、航運、生態(tài)幾方面的效益情況，各效益指標如下：

(1)發(fā)電效益。多年平均發(fā)電量E均：

En=kq發(fā)電ht

(1)

(2)

式中：k，q發(fā)電，h分別為水電站出力系數(shù)、發(fā)電流量、凈水頭；t為時間；En為第n年溪-向梯級年發(fā)電量；Nmax為計算總年數(shù)。

(2)補水效益。年均棄水量Q：

(3)

式中：qn為第n年水庫棄水量。

(3)航運效益。年均禁航天數(shù)D：

(4)

式中：dn為第n年水庫禁航天數(shù)，從0開始計數(shù)，當水庫出庫流量小于最低下泄流量標準或高于最大通航流量上限時，dn=dn+1。

(4)生態(tài)效益。年均低于最低生態(tài)流量天數(shù)M：

(5)

式中：mn為第n年水庫出庫低于最低生態(tài)流量天數(shù)，從0開始計數(shù)，當出庫流量小于最低生態(tài)流量標準時，mn=mn+1。

若第n年不具備開展針對產漂流性或產黏沉性卵魚類的各類生態(tài)調度條件，則直接判定該年生態(tài)效益受到影響。

3 不同消落方案綜合效益分析

3.1 發(fā)電效益分析

烏-白梯級、溪-向梯級、三峽水庫分別采取不同消落方式，以烏東德入庫作為流域梯級水庫的入庫流量，考慮各水庫間的區(qū)間流量，逐級演算，不同消落方案下各水庫發(fā)電效益如表3所列。

表3 金下梯級-三峽水庫組合消落方案及發(fā)電效益Tab.3 The combined drawdown schemes and power generation for cascade reservoirs of the downstream Jinsha River and Three Gorges Reservoir

綜合不同消落方案下的發(fā)電情況，當采用烏-白梯級均勻消落、溪-向梯級推遲消落、三峽水庫推遲消落組合方案時，梯級消落期總發(fā)電量最大，為1 039.22億kW·h?？紤]到不同電站供電區(qū)域不同[28]，現(xiàn)分析各消落單元各自最佳消落方案：

(1)烏東德-白鶴灘梯級。不同消落方式下烏-白梯級發(fā)電效益如圖2所示。從圖2中可知，烏-白梯級均勻消落方式時發(fā)電量最大，推遲消落次之，提前消落時發(fā)電量最小。原因如下：提前消落時消落期平均運行水頭較低，且集中消落棄水較多，發(fā)電量較低；推遲消落時入庫流量較大，與集中消落水量疊加，增加水庫棄水，導致發(fā)電量較低。

(2)溪洛渡-向家壩梯級。有無考慮烏-白梯級消落方式的溪-向梯級消落期發(fā)電情況如圖3所示。從圖3(a)可以看出，不論烏-白梯級采取何種消落方式，溪-向梯級推遲消落時發(fā)電量最大、均勻消落次之、提前消落發(fā)電量最小。原因如下：溪-向梯級提前消落時，棄水過多，導致發(fā)電量較低；推遲消落時，溪洛渡水庫處于回蓄階段，對入庫流量產生調節(jié)作用，有效減少棄水，且向家壩水庫采取分階段消落，不會產生過多棄水。

考慮烏-白梯級消落影響(見圖3(b))，溪-向梯級在烏-白均勻消落時發(fā)電量最大，提前消落次之，推遲消落發(fā)電量最小。原因如下：烏-白梯級推遲消落時，大幅增加溪-向梯級入庫，與汛前天然來水疊加，產生大量棄水，減少部分發(fā)電量；烏-白梯級提前消落時溪-向梯級入庫流量較小，可有效增加入庫流量，從而增加部分發(fā)電量。

此外，由于向家壩水電站調節(jié)庫容較小，庫水位消落過快對電站出力影響較大，因此在短期內電力需求較大時，仍將溪-向梯級看做一個整體，優(yōu)先考慮加大溪洛渡電站出力，控制向家壩水庫水位維持較高水位運行，梯級出庫流量由向家壩水庫出庫控制。

綜合金下梯級發(fā)電情況，當烏-白梯級均勻消落、溪-向梯級推遲消落時，金下梯級發(fā)電量最大。

(3)三峽水庫。有無考慮金下梯級消落方式的三峽水庫消落期發(fā)電情況如圖4所示。從圖4(a)可以看出，不論金下梯級采取何種消落方式，三峽水庫推遲消落時發(fā)電量最大、均勻消落次之、提前消落發(fā)電量最小。原因如下：三峽水庫日消落變幅較小，對下泄流量影響不大，且三峽電站裝機較大，天然來水與補水流量疊加，不會產生過多棄水，因此高水位運行時段越長，發(fā)電量越大。

考慮金下梯級消落影響(見圖4(b))，三峽水庫在金下梯級均提前消落時發(fā)電量最大，均推遲消落時發(fā)電量最小，且烏-白梯級推遲消落時，不論溪-向梯級采取何種消落方式，三峽水庫發(fā)電量均明顯低于其他消落組合方案時對應發(fā)電量。原因如下：提前消落時三峽水庫天然入庫流量較小，上游水庫消落可有效補償三峽水庫入庫，棄水量較??；推遲消落時三峽水庫已進入汛前時段，天然入庫流量較大，產生棄水風險較高，且烏-白梯級調節(jié)庫容較大，集中消落會大幅增加三峽水庫棄水風險。

綜合分析，在烏-白梯級均勻消落、溪-向梯級推遲消落、三峽水庫推遲消落的組合調度方式下，流域梯級發(fā)電量最大。

3.2 航運及生態(tài)效益

各水庫消落期間的航運、生態(tài)等對下泄流量及水位變幅的要求如表4～5所列[14，29]。

表4 金下梯級和三峽水庫下泄流量標準Tab.4 The outflow standards of cascade reservoirs of the downstream Jinsha River and Three Gorges Reservoir

表5 金下梯級-三峽水庫生態(tài)調度要求Tab.5 The ecological operation requirements for cascade reservoirs of the downstream Jinsha River and Three Gorges Reservoir

(1)烏-白梯級提前、均勻消落時，烏東德水庫低于下泄標準年均天數(shù)分別為6，0.23 d；推遲消落時，不存在低于下泄標準情況；白鶴灘水庫不存在低于下泄流量情況。烏-白梯級均勻或推遲消落時，3～4月壩下江段水位變幅較小，可滿足產黏沉性卵魚類生態(tài)調度需求；汛前5～6月出庫流量較大，可通過調節(jié)出庫流量滿足產漂流性卵魚類生態(tài)調度需求；同時可滿足分層取水調度維持較高庫水位運行的要求。

(2)不論烏-白梯級按照何種方式消落，溪洛渡水庫僅在溪-向梯級提前消落時存在低于下泄標準的情況，年均天數(shù)為0.08 d左右；向家壩水庫不存在低于下泄標準情況，但烏-白梯級、溪-向梯級均采用推遲消落方式時，汛前向家壩水庫下游存在停航風險。溪洛渡、向家壩水庫采用均勻或推遲消落方式時可滿足各自生態(tài)調度需求。

(3)不論金下梯級采取何種消落方式，三峽水庫提前、均勻消落時低于下泄標準年均天數(shù)分別為23，0.1 d；推遲消落時，不存在低于下泄標準情況。各種消落方式下，三峽水庫在3～4月均存在庫區(qū)水位變幅較小時段，可滿足產黏沉性卵魚類生態(tài)調度需求，且5～6月均出庫流量較大，可通過調節(jié)出庫流量滿足產漂流性卵魚類生態(tài)調度需求。

綜合分析，在金下梯級均勻、三峽水庫均勻或推遲消落的組合方式下，金下梯級和三峽水庫可滿足航運及生態(tài)調度需求。

3.3 補水效益

以27種不同消落方案下的棄水量作為補水效益指標，棄水量越小，水資源利用效率越高，反之則利用效率越低，結果如圖5所示。

(1)金沙江下游補水情況。不考慮區(qū)間流量，2014～2020年消落期金沙江下游多年平均補水流量僅200 m3/s，以向家壩水庫出庫與烏東德天然入庫差值作為金沙江下游補水指標。經計算，不同消落方案下，金沙江下游補水流量約為990 m3/s，因此流域梯級水庫聯(lián)合消落可增加金沙江下游補水流量約790 m3/s，但消落期內不同時段補水流量大小分布不均。受水庫興利庫容及電站機組容量影響，當烏-白梯級推遲消落時棄水量最大、提前消落次之、均勻消落最小；不論烏-白梯級采取何種方式消落，溪-向梯級均在集中消落時棄水量較大(提前消落、推遲消落)、均勻消落較小。綜合各庫補水情況，烏-白梯級均勻消落、溪-向梯級提前消落時，金下梯級棄水量最小。

(2)長江中下游補水情況。自2010年三峽水庫蓄水至175.00 m以來，消落期多年平均補水流量為1 380 m3/s，以三峽水庫出庫流量與宜昌站天然流量差值作為流域梯級水庫消落補水指標。由于三峽水庫消落期與金下梯級不同，因此不同消落方案下，對長江中下游補水流量不同：金下梯級、三峽水庫均提前消落時，三峽水庫對長江中下游補水流量最大，約為3 130 m3/s；金下梯級、三峽水庫均推遲消落時，三峽水庫對長江中下游補水流量最小，約為2 270 m3/s。因此流域梯級水庫聯(lián)合消落至少可增加長江中下游補水流量約890 m3/s，但消落期內不同時段補水流量大小分布不均。由于三峽水電站機組容量大，不同消落方式下棄水量均較小，其中推遲消落棄水量最大、均勻消落次之、提前消落最小，最大年均棄水量控制在4億m3左右。

綜合分析，在烏-白梯級均勻消落、溪-向梯級提前消落、三峽水庫提前消落的組合方式下，金下梯級-三峽水庫的消落總棄水量最小，為22.45億m3。

3.4 防洪影響

消落期內防洪安全是制約消落方式的重要因素，主要包括保證下游防洪安全和防止庫尾淹沒兩方面?，F(xiàn)選取水庫高水位運行期1月作為防洪庫尾淹沒風險分析時段，選取汛前對應的水庫消落末期6月作為對下游防洪風險分析時段，結果如下：

(1)金下梯級。根據(jù)初步設計成果，金沙江下游1月入庫流量為1 290 m3/s，按最大補水流量計算，金下梯級最大入庫流量為15 100 m3/s，該流量低于烏東德水庫土地征用線5 a一遇洪水標準(18 500 m3/s)，因此不存在庫尾淹沒風險；6月入庫流量為4 340 m3/s，按最大補水流量計算，金下梯級最大出庫流量為14 300 m3/s，低于川渝河段20 a一遇洪水標準(28 200 m3/s)，因此不會增加下游防洪風險。

(2)三峽水庫。根據(jù)初步設計成果，三峽水庫1月入庫流量為4 530 m3/s，按最大補水流量計算，三峽水庫最大入庫流量為23 100 m3/s，低于20 a一遇的移民遷移線和5 a一遇土地征用線對應洪水流量標準，不會出現(xiàn)庫尾淹沒風險；汛前6月上旬入庫流量為14 400 m3/s，按最大補水流量計算，三峽水庫最大出庫流量為21 400 m3/s，遠低于三峽水庫5 a一遇的設計洪水標準(60 500 m3/s)，且此時庫水位維持在150.00 m以下，具有足夠防洪調節(jié)能力。

此外，為兼顧三峽水庫對洞庭湖城陵磯地區(qū)的防洪補償任務，現(xiàn)統(tǒng)計三峽水庫建庫以來(2003～2021年)出庫流量和下游城陵磯地區(qū)水位的關系。經分析，城陵磯地區(qū)水位即將超警(32.50 m)對應三峽水庫最小下泄流量為29 700 m3/s，大于消落期間三峽水庫最大出庫流量，因此消落期間不會增加城陵磯地區(qū)防洪風險。

3.5 消落方式綜合分析

綜合上述分析，烏-白梯級采用均勻消落時發(fā)電效益最佳，通過合理調度，出庫流量可滿足下泄流量標準，且可兼顧生態(tài)調度需求，補水效益最佳；溪-向梯級采用均勻消落時發(fā)電量僅次于推遲消落，通過合理調度，出庫流量可滿足下泄流量標準，且補水效益較好；三峽水庫采用推遲消落時發(fā)電量最大，出庫流量可滿足下泄流量標準，且可兼顧生態(tài)調度需求，盡管推遲消落棄水量略多于其他消落方式，但梯級總體棄水量較小。因此金下梯級均勻消落、三峽水庫推遲消落時，可在不影響防洪安全的前提下，實現(xiàn)發(fā)電、航運、生態(tài)、補水等綜合效益最大化。

3.6 典型年消落方式綜合分析

為分析不同頻率來水條件下，水庫最佳消落次序，本研究選取30%，50%，70%頻率旬尺度來水條件，計算了金下梯級及三峽水庫采取不同消落方式的綜合效益(見表6)。

表6 不同頻率來水條件下金下梯級及三峽水庫綜合效益Tab.6 The comprehensive benefit for cascade reservoirs of the downstream Jinsha River and Three Gorges Reservoir under different frequency of the inflow

經計算，不同頻率來水條件下，采用烏-白梯級均勻消落、溪-向梯級推遲消落、三峽水庫推遲消落時，金下梯級-三峽水庫消落期發(fā)電量最大。來水越枯，金下梯級及三峽水庫出庫流量低于最低下泄流量標準天數(shù)越多，其中70%頻率來水條件下，金下梯級及三峽水庫均提前消落時，消落期低于最小下泄流量天數(shù)最多。烏-白梯級、溪-向梯級、三峽水庫均采用均勻消落方式時，金下梯級及三峽水庫均能滿足航運及生態(tài)調度對水位流量控制要求；金下梯級及三峽水庫均采用均勻消落方式時，總棄水量最小，補水效益最大。防洪影響方面，30%頻率來水條件下，若金下梯級和三峽水庫均采用集中消落，烏東德水庫1月最大入庫流量為15 300 m3/s，金下梯級6月最大出庫流量為16 800 m3/s，滿足防洪安全要求，但會為向家壩水庫下游帶來停航風險，三峽水庫1月最大入庫流量為23 500 m3/s，6月最大出庫流量為23 600 m3/s，滿足防洪安全要求，但出庫流量大于多年平均來水條件下對應出庫流量。綜合上述分析，建議實際調度中結合預報來水情況，當來水偏豐(30%頻率)、偏枯(70%頻率)時金下梯級-三峽水庫及時調整為均勻消落。

為進一步分析不同頻率來水條件下，來水組合偏早、正常、偏遲時梯級水庫消落期效益變化情況，本研究考慮最不利條件，以30%，70%頻率來水作為偏早、偏遲的極端來水情況，以50%頻率來水作為正常來水情況。其中，偏早(遲)分為偏早(遲)1，2，3旬3個等級，由此金下梯級和三峽水庫來水共有49種組合方式。

經計算，不同極端來水條件下，發(fā)電、航運、生態(tài)、補水效益變化情況與不同頻率來水條件下變化規(guī)律一致。但在來水極枯時(70%來水偏遲3旬)，若金下梯級及三峽水庫均采用提前消落方式，出庫流量低于下泄流量標準天數(shù)達90 d，難以滿足生態(tài)及航運要求；在來水極豐時(30%來水偏早3旬)，若金下梯級及三峽水庫均采取推遲消落方式，按最大補水流量計算，金下梯級6月下旬最大出庫流量達20 000 m3/s，三峽水庫6月上旬最大出庫流量達38 000 m3/s，均已超過歷年汛期梯級水庫遭遇洪水時的下泄流量水平，會增加下游荊江河段及城陵磯地區(qū)防洪風險，同時為向家壩及三峽水庫下游江段帶來停航風險，應開展防洪調度，控制出庫流量。而烏-白梯級、溪-向梯級、三峽水庫均采用提前或均勻消落的方式時，金下梯級6月下旬最大出庫流量可控制在10 000 m3/s，三峽水庫最大出庫流量可控制在30 000 m3/s，可保證下游防洪安全。綜合上述分析，當來水極豐時，為滿足防洪等需求，各水庫應采取提前或均勻消落方式，當來水極枯時，為滿足下泄流量要求，應采取均勻或推遲消落方式。因此，在上述極端來水條件下，金下梯級-三峽水庫應結合預報來水情況，及時調整為均勻消落方式，以滿足防洪、發(fā)電、航運、生態(tài)、補水等各方面調度需求。

4 結 論

本文以金下梯級及三峽水庫為研究對象，以烏-白梯級、溪-向梯級、三峽水庫作為消落單元，采取不同消落方式加以組合，形成多種消落方案，根據(jù)不同消落方案下梯級水庫綜合效益的變化情況，得出合理消落次序，結論如下。

(1)多年平均來水條件下，烏-白梯級均勻消落、溪-向梯級推遲消落、三峽水庫推遲消落的組合調度方式下，流域梯級發(fā)電量最大；金下梯級均勻消落、三峽水庫均勻或推遲消落的組合方式下，各水庫可滿足航運及生態(tài)調度需求；烏-白梯級均勻消落、溪-向梯級提前消落、三峽水庫提前消落的組合方式下，流域梯級水庫總棄水量最小，補水效率最高，且各種組合消落方式不會增加防洪風險。綜合各方面效益，梯級水庫推薦采用金下梯級均勻消落、三峽水庫推遲消落的方式開展聯(lián)合消落調度。

(2)實際消落過程中要密切關注預報情況，若出現(xiàn)來水偏豐或偏枯甚至是極端來水條件，為滿足防洪、發(fā)電、航運、生態(tài)補水調度需求，應結合預報及時調整為均勻消落方式。