王 林，趙培朋

(1.三峽水利樞紐梯級(jí)調(diào)度通信中心，湖北 宜昌 443002； 2.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 443002)

0 引 言

水電站日調(diào)節(jié)與防洪調(diào)度產(chǎn)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(yùn)要求[1]。近年來(lái)，參考三峽水電站和彭水電站調(diào)峰流量對(duì)航運(yùn)的影響[2-4]，張緒進(jìn)等[5]、曹民雄等[6]、陳剛等[7]學(xué)者針對(duì)水電站日調(diào)節(jié)與防洪調(diào)度對(duì)下游航運(yùn)條件的影響做了大量研究，發(fā)現(xiàn)主要影響為向家壩水電站日常調(diào)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(shí)際調(diào)度過(guò)程提供了建設(shè)性指導(dǎo)意見(jiàn)。

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(yùn)、灌溉、攔沙及反調(diào)節(jié)等綜合功能。向家壩水電站航運(yùn)調(diào)度的任務(wù)是保障樞紐通航建筑物及設(shè)施的正常運(yùn)用，滿足設(shè)計(jì)條件下航運(yùn)安全和暢通的要求，在服從防洪調(diào)度要求的前提下，與發(fā)電調(diào)度相協(xié)調(diào)，保障航運(yùn)貫通。為更好地控制水位變幅，做好精確調(diào)度，完成航運(yùn)調(diào)度任務(wù)，本文通過(guò)分析向家壩下游水位影響因素，確定了相關(guān)約束條件，提出了航運(yùn)智能預(yù)警策略。

1 向家壩下游水位約束條件分析

1.1 電站調(diào)峰約束

為研究電站在不同基礎(chǔ)流量下，不同調(diào)峰幅度對(duì)下游水位變化的相關(guān)性，電站分別于2013年12月、2014年10月，分階段組織開(kāi)展了向家壩水電站大負(fù)荷調(diào)峰試驗(yàn)，驗(yàn)證《金沙江向家壩水電站水庫(kù)運(yùn)用與電站運(yùn)行調(diào)度規(guī)程(試行)》規(guī)定的下游水位小時(shí)變幅相應(yīng)的電站調(diào)峰能力。試驗(yàn)結(jié)果表明：向家壩水電站在日常調(diào)峰過(guò)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(diào)度要求參與系統(tǒng)調(diào)峰，在不同的流量等級(jí)下，要適當(dāng)控制調(diào)峰的速度和深度，避免下游水位出現(xiàn)較大的變幅，影響航運(yùn)安全。目前電站調(diào)峰運(yùn)行按照下游水位日變幅3 m控制，小時(shí)變幅按照1 m進(jìn)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(yùn)行工況下對(duì)電站近區(qū)航運(yùn)的影響，根據(jù)《金沙江向家壩水電站升船機(jī)特殊單項(xiàng)工程驗(yàn)收大綱》及《金沙江向家壩水電站升船機(jī)試通航前驗(yàn)收鑒定書(shū)》的要求，于2018年組織開(kāi)展了向家壩升船機(jī)兩個(gè)階段的實(shí)船試航試驗(yàn)，為向家壩升船機(jī)泄洪工況下通航提供了可靠的數(shù)據(jù)支撐[9]。依據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果，向家壩通航流量約束條件可調(diào)整為：① 1 000 t級(jí)標(biāo)船：最大通航流量為8 500 m3/s(樞紐泄洪不超過(guò)2 200 m3/s)；② 500 t級(jí)以上非標(biāo)船：最大通航流量為7 500 m3/s(樞紐泄洪不超過(guò)1 000 m3/s)。當(dāng)電站出庫(kù)流量接近通航流量上限時(shí)，需要做好來(lái)水的預(yù)測(cè)和提前預(yù)警，避免水位變幅越限。

2 向家壩航運(yùn)預(yù)警策略

本文分析了向家壩水電站調(diào)峰和泄洪對(duì)航運(yùn)的影響，確定了保障航運(yùn)安全的約束條件。其中，處于枯水期時(shí)，向家壩下游的非恒定流主要來(lái)源于電站調(diào)峰運(yùn)行，而汛期非恒定流主要來(lái)源于防洪調(diào)度中配合防洪而增減下泄流量。在調(diào)峰或防洪調(diào)度中，當(dāng)向家壩下游水位和流量接近上限或者下限時(shí)，為使值班員更快掌握相關(guān)信息，盡快調(diào)整梯級(jí)電站運(yùn)行方式，滿足電站運(yùn)行要求，保障航運(yùn)安全，有必要建立1套航運(yùn)預(yù)警機(jī)制，對(duì)越限情況發(fā)出報(bào)警信息。

2.1 約束條件

根據(jù)《向家壩升船機(jī)調(diào)度運(yùn)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(yīng)流量12 000 m3/s，下游最低通航水位為265.8 m，相應(yīng)流量1 200 m3/s。日調(diào)峰運(yùn)行時(shí)，下游水位最大日變幅按不超過(guò)4.5 m/d控制，結(jié)合調(diào)峰試驗(yàn)建議與其他航運(yùn)相關(guān)規(guī)定[10]，本文最大日變幅暫按不超過(guò)3 m控制。鑒于最大小時(shí)變幅對(duì)發(fā)電運(yùn)行調(diào)度影響較大，最大小時(shí)變幅按不超過(guò)1.0 m運(yùn)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(kāi)展了向家壩下泄流量1 500 m3/s調(diào)度實(shí)踐，全廠出力維持1 595 MW，出庫(kù)流量基本維持1 560 m3/s，對(duì)應(yīng)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(duì)應(yīng)的流量取1 560 m3/s。

2.2 預(yù)警策略

為實(shí)現(xiàn)精確預(yù)警，采取對(duì)水位和流量分別制定預(yù)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(kù)流量越限預(yù)警策略。此外，在實(shí)時(shí)調(diào)控運(yùn)行中，調(diào)控部門還承擔(dān)水情信息發(fā)布任務(wù)，針對(duì)不同的下游水位變幅，發(fā)布不同等級(jí)預(yù)警信息，因此在制定預(yù)警策略時(shí)，還需要實(shí)現(xiàn)對(duì)水位變幅進(jìn)行分級(jí)預(yù)警。

2.2.1 上游水位越限預(yù)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(shè)置報(bào)警給定值上限為380 m，下限為370 m。當(dāng)向家壩上游水位h低于370 m或者高于380 m時(shí)，系統(tǒng)發(fā)出水位越限報(bào)警提醒；當(dāng)水位沒(méi)有越限時(shí)，判斷水位是否接近上限或者下限，設(shè)置0.5 m裕度，以應(yīng)對(duì)突發(fā)情況(如溪洛渡-向家壩區(qū)間來(lái)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(yù)警，提醒值班員關(guān)注向家壩上游水位。

2.2.2 下游水位越限預(yù)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(dāng)向家壩下游水位h低于265.8 m或者高于277.25 m時(shí)，系統(tǒng)發(fā)出水位越限報(bào)警提醒；當(dāng)水位沒(méi)有越限時(shí)，為判斷水位是否接近上下限，設(shè)置0.5 m裕度，以應(yīng)對(duì)突發(fā)情況(如溪洛渡-向家壩區(qū)間來(lái)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(yù)警，提醒值班員加強(qiáng)關(guān)注向家壩下游水位，特別是接近277.25 m時(shí)，要重點(diǎn)關(guān)注橫江和岷江對(duì)下游水位的頂托。

2.2.3 下游水位變幅越限預(yù)警策略

向家壩水電站日調(diào)峰運(yùn)行時(shí)下游水位最大日變幅暫按不超過(guò)3 m控制，超過(guò)3 m/d但小于4.5 m/d屬于重要水情，超過(guò)4.5 m/d屬于緊急水情，最大小時(shí)變幅暫按不超過(guò)1.0 m/h運(yùn)行。設(shè)置日變幅ΔH上限為3 m/d，小時(shí)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(shí)變幅Δh不大于1 m且日變幅ΔH不大于3 m是否同時(shí)滿足，若滿足，暫不報(bào)警；若不滿足，則進(jìn)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(guò)4.5 m，并發(fā)出相應(yīng)報(bào)警信息。當(dāng)水位日變幅ΔH超過(guò)3 m但未超4.5 m時(shí)，提醒發(fā)送重要水情信息，超過(guò)4.5 m時(shí)，提醒發(fā)送緊急水情信息。向家壩下游水位變幅越限預(yù)警策略見(jiàn)圖1。

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

2.2.4 出庫(kù)流量預(yù)警策略

向家壩升船機(jī)最大通航流量按7 500 m3/s和8 500 m3/s分級(jí)控制，此外，對(duì)應(yīng)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(yù)警策略首先判斷出庫(kù)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(jìn)行二次校驗(yàn)，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(jìn)一步判斷出庫(kù)流量Q越上限還是下限，發(fā)出相應(yīng)預(yù)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(jìn)一步判斷是否滿足1 000 t級(jí)標(biāo)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(jìn)一步判斷越限情況并發(fā)出相應(yīng)報(bào)警信息；若成立，則進(jìn)一步判斷是否滿足500噸級(jí)以上非標(biāo)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(jìn)一步判斷越限情況并發(fā)出相應(yīng)報(bào)警信息。向家壩出庫(kù)流量預(yù)警策略見(jiàn)圖2。

圖2 出庫(kù)流量預(yù)警策略Fig.2 Early warning strategy of outflow

3 結(jié) 語(yǔ)

針對(duì)向家壩電站調(diào)峰和泄洪對(duì)向家壩航運(yùn)的影響，根據(jù)相關(guān)規(guī)定及試驗(yàn)情況，本文確定了向家壩水庫(kù)航運(yùn)約束條件。根據(jù)約束條件，向家壩水庫(kù)航運(yùn)智能預(yù)警策略以流量和水位作為預(yù)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(kù)流量越限預(yù)警策略，當(dāng)相應(yīng)數(shù)據(jù)越限時(shí)，及時(shí)發(fā)出預(yù)警信息提醒值班員采取控制措施，保障航運(yùn)安全。該策略可作為智能化水庫(kù)調(diào)度的重要組成部分，既能確保水庫(kù)調(diào)度的安全性和精準(zhǔn)性，又能提高水庫(kù)調(diào)度的可靠性，幫助水庫(kù)調(diào)度值班人員及時(shí)發(fā)現(xiàn)水庫(kù)運(yùn)行越限情況，縮短事故響應(yīng)時(shí)間，可為水庫(kù)防洪調(diào)度、興利調(diào)度奠定堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。