熊 曦，黃緒臣

（湖北省水利水電規(guī)劃勘測(cè)設(shè)計(jì)院有限公司，武漢 430070）

湖北省南河流域水能資源豐富， 目前流域水電資源開發(fā)已基本完成， 但由于各水庫水電站投資主體不一，仍以單庫獨(dú)立運(yùn)行方式為主，且流域“龍頭水庫”三里坪水庫與其下游寺坪水庫存在水位重疊，調(diào)度矛盾突出。岳輝通過編制和實(shí)施《南河流域梯級(jí)聯(lián)合調(diào)度方案》，對(duì)三里坪、寺坪、過渡灣、白水峪4座主要電站的聯(lián)調(diào)效益進(jìn)行初步探討［1］。本文以南河流域三里坪、寺坪、過渡灣、白水峪、南河及廟子頭6 座電站為研究對(duì)象，采用梯級(jí)優(yōu)化調(diào)度方法［2］，進(jìn)一步分析消除上下庫水位重疊影響、 提升梯級(jí)聯(lián)調(diào)效益的可行性。

1 概況

南河是漢江中游右岸一大支流， 發(fā)源于神農(nóng)架東南麓的韭菜埡子，于谷城縣城關(guān)鎮(zhèn)下游5 km 處匯入漢江，全流域面積6497 km2，主河道長(zhǎng)267 km。南河流域?qū)俑睙釒夂騾^(qū)，雨量充沛，多年平均降雨量890 mm。徑流年內(nèi)分配與降雨基本一致，汛期為4—10 月，多年平均徑流深400 mm，呈下游向上游遞增趨勢(shì)。

南河以水能資源開發(fā)利用為主，干流規(guī)劃梯級(jí)開發(fā)16 級(jí)， 分別是玉泉河一級(jí)—兩河口—饒家河—龍?zhí)蹲臁柸諡场R橋一級(jí)—馬橋二級(jí)—三里坪—寺坪—寺坪二級(jí)—過渡灣—白水峪—南河—廟子頭—金盆溝。本次研究對(duì)象為其中的6 座，分別為三里坪、寺坪、過渡灣、白水峪、南河及廟子頭水庫。

三里坪水庫位于十堰市房縣境內(nèi)， 是南河干流骨干水庫之一。工程承擔(dān)配合丹江口水庫對(duì)其下游谷城縣城防洪和對(duì)漢江中下游防洪的雙重任務(wù)。

寺坪梯級(jí)位于襄陽市保康縣境內(nèi)， 與三里坪梯級(jí)相銜接，也是南河干流骨干電站之一。由于水庫下游有馬欄河支流來水匯入， 下游生態(tài)水量基本上有保障。

三里坪及寺坪均為引水式電站， 由于規(guī)劃建設(shè)不合理，三里坪發(fā)電引水至寺坪庫區(qū)，三里坪正常尾水位為301.85 m，下游寺坪水庫正常蓄水位為315 m，造成寺坪正常蓄水位時(shí)淹沒三里坪尾水位， 兩水庫存在水位重疊。

各水庫基本情況如表1。

表1 南河流域梯級(jí)水庫基本情況

2 模型建立

2.1 優(yōu)化準(zhǔn)則與目標(biāo)函數(shù)

水電站水庫優(yōu)化調(diào)度有許多優(yōu)化準(zhǔn)則， 本文采用發(fā)電量最大準(zhǔn)則，目標(biāo)函數(shù)如下：

式中E*(T)為梯級(jí)在調(diào)度期（T 個(gè)時(shí)段）內(nèi)所能取得的最大發(fā)電量（kW·h）；Nsdc為梯級(jí)水庫個(gè)數(shù)；Pi(t)為第i 個(gè)水庫t 時(shí)段平均出力（kW）；EiZ(Vi(T+1))為第i個(gè)水庫調(diào)度期末庫蓄水量為Vi(T+1) 時(shí)的余留發(fā)電量，該函數(shù)考慮水庫調(diào)度后效性的影響。

2.2 約束條件

約束條件包括水量平衡約束、庫水位約束、出力約束、泄流能力約束、生態(tài)流量約束、水庫特性約束及其他約束［3］。

2.3 模型求解

本文以旬為時(shí)段，采用動(dòng)態(tài)規(guī)劃逐次漸近法［4］對(duì)南河流域梯級(jí)電站進(jìn)行優(yōu)化調(diào)度， 首先將梯級(jí)水庫分解為Nsdc個(gè)單庫子系統(tǒng)， 給定初始軌跡并對(duì)每個(gè)水庫按單一水庫優(yōu)化方法求出其優(yōu)化運(yùn)行策略，并作為聯(lián)合運(yùn)行的初始解； 然后考慮多庫聯(lián)合運(yùn)行條件， 依次改進(jìn)多庫的運(yùn)行策略， 即對(duì)任一水庫i 尋優(yōu)時(shí)，可將其余水庫的策略暫時(shí)固定，則第i 水庫可按照動(dòng)態(tài)規(guī)劃遞推方程式進(jìn)行尋優(yōu)計(jì)算。

采用值迭代法可求得第i 庫的穩(wěn)態(tài)運(yùn)行策略，以代替其初始運(yùn)行策略。 依次對(duì)i 個(gè)水庫逐一進(jìn)行上述演算，一輪演算之后再重復(fù)第二輪，直至所有水庫的運(yùn)行策略滿足收斂條件為止， 最后可得梯級(jí)水庫近似最優(yōu)解。

2.4 計(jì)算條件

本次還原了1960 年4 月—2019 年4 月南河流域各水庫壩址處旬入流情況， 由此計(jì)算出區(qū)間入流作為調(diào)度模型的入流條件。 生態(tài)流量按照當(dāng)前水資源開發(fā)利用管理要求，需進(jìn)行優(yōu)先考慮，如表1。水位～庫容關(guān)系、下泄流量～下游水位關(guān)系、水位～泄流能力關(guān)系等基礎(chǔ)資料參考各水庫初步設(shè)計(jì)報(bào)告成果擬定， 并結(jié)合運(yùn)行資料對(duì)相關(guān)參數(shù)進(jìn)行率定， 各水庫采用的綜合出力系數(shù)及水頭損失如表2。

表2 南河流域梯級(jí)水庫水頭損失及綜合出力系數(shù)

3 計(jì)算結(jié)果

從梯級(jí)最優(yōu)化的角度考慮， 為分析三里坪和寺坪之間水位重疊的相互影響及三里坪和寺坪對(duì)其后白水峪、南河、廟子頭等梯級(jí)發(fā)電優(yōu)化的作用，分別擬定以下方案進(jìn)行分析計(jì)算。

方案一：不考慮三里坪調(diào)蓄，僅優(yōu)化寺坪發(fā)電量。

方案二：寺坪不參與調(diào)蓄，維持水庫在一定水位運(yùn)行，由三里坪進(jìn)行調(diào)蓄。

方案三：由三里坪和寺坪共同參與梯級(jí)的調(diào)節(jié)，使梯級(jí)發(fā)電量達(dá)到最大。

方案一中當(dāng)不考慮三里坪調(diào)蓄且寺坪不參與梯級(jí)調(diào)度，即僅對(duì)寺坪自身進(jìn)行優(yōu)化調(diào)度時(shí)，寺坪年均發(fā)電量為1.7293 億kW·h，且基本維持在高水位運(yùn)行。

方案二固定寺坪不同水位時(shí)梯級(jí)年均發(fā)電量及方案三流域梯級(jí)最優(yōu)化長(zhǎng)系列年均發(fā)電量如表3。

當(dāng)寺坪固定水位運(yùn)行時(shí)，寺坪的固定水位越高，寺坪及梯級(jí)的發(fā)電量越大， 寺坪固定水位從303 m開始，平均每抬高1 m，三里坪減少約200 萬kW·h電量，而寺坪則增加約216 萬kW·h電量，梯級(jí)總電量增加約27 萬kW·h電量，總體來說，在寺坪固定水位運(yùn)行時(shí)，梯級(jí)總發(fā)電量變化不明顯。

南河梯級(jí)中三里坪、寺坪的調(diào)節(jié)性能較好，下游過渡灣、白水峪、南河及廟子頭4 個(gè)電站的調(diào)節(jié)性能較差且由于馬欄河匯入?yún)^(qū)間入流較大，時(shí)常產(chǎn)生大量棄水，下游4 個(gè)梯級(jí)電站的總裝機(jī)容量為108.2 MW，占梯級(jí)裝機(jī)容量的45%。 且三里坪受到汛限水位的影響，夏汛時(shí)調(diào)蓄作用相對(duì)有限，為了提升梯級(jí)的發(fā)電量，需要寺坪也參與到梯級(jí)調(diào)度中，以減少下游電站的棄水，增加下游白水峪、南河、廟子頭等梯級(jí)發(fā)電效益。 當(dāng)三里坪和寺坪共同參與梯級(jí)優(yōu)化調(diào)度時(shí)梯級(jí)最優(yōu)發(fā)電量達(dá)8.297 億kW·h， 相比寺坪固定水位運(yùn)行時(shí)梯級(jí)總發(fā)電量2.0%，相比梯級(jí)設(shè)計(jì)總發(fā)電量提升6.2%，效益提升增加明顯。

為對(duì)比分析三里坪與寺坪實(shí)際運(yùn)行水位與梯級(jí)聯(lián)合優(yōu)化后運(yùn)行差別， 現(xiàn)將三里坪與寺坪實(shí)際平均水位過程與優(yōu)化平均水位過程進(jìn)行比較， 如圖1 與圖2。

圖2 寺坪實(shí)際平均水位與優(yōu)化平均水位對(duì)比

三里坪實(shí)際運(yùn)行平均水位與優(yōu)化平均水位趨勢(shì)基本一致， 不過實(shí)際平均水位尤其是枯期的實(shí)際水位相比優(yōu)化水位仍偏低，而寺坪實(shí)際運(yùn)行平均水位基本為一條直線，實(shí)際運(yùn)行多年平均水位為310.7 m。在梯級(jí)聯(lián)合優(yōu)化后， 寺坪優(yōu)化水位在汛前將會(huì)明顯預(yù)泄，多年優(yōu)化平均水位為309.2 m，在汛期將會(huì)攔蓄一定水量。因此，在以梯級(jí)發(fā)電量最大為目標(biāo)時(shí)，寺坪需降低平均水位1.5 m，且改變年內(nèi)水位過程，從4月下旬至10 月下旬汛期時(shí)擇機(jī)抬高水位，利用自身調(diào)蓄能力減小下游電站棄水。

在整個(gè)梯級(jí)的優(yōu)化調(diào)度結(jié)果中， 三里坪和寺坪需要交替蓄水、泄水，汛期寺坪優(yōu)先攔蓄洪水，三里坪后蓄，三里坪受到汛限水位的限制，需在汛前降低水位， 且在汛期維持在較低水位運(yùn)行難以為下游電站調(diào)蓄，因此寺坪也需提前預(yù)泄發(fā)電降低水位，以便在三里坪汛期受汛限水位限制后， 蓄水抬高水位為其后梯級(jí)調(diào)蓄，減少流域梯級(jí)棄水。

4 結(jié)語

本文通過構(gòu)建梯級(jí)優(yōu)化調(diào)度模型， 分析存在水位重疊的三里坪水庫及寺坪水庫運(yùn)行方式， 為減少水位重疊程度與時(shí)間， 從流域防洪要求和梯級(jí)總體最優(yōu)的角度考慮， 需要寺坪與三里坪形成時(shí)空交錯(cuò)的蓄泄過程，同時(shí)三里坪、寺坪作為流域“龍頭”水庫，在保證流域梯級(jí)發(fā)電量最大前提下，應(yīng)盡可能發(fā)揮其調(diào)蓄作用，減少流域棄水，提高流域中下游的白水峪、南河、廟子頭等梯級(jí)發(fā)電量?？偨Y(jié)三里坪、寺坪水庫運(yùn)行方式， 可為相似情況梯級(jí)水庫實(shí)際運(yùn)行提供參考。如何從梯級(jí)優(yōu)化調(diào)度結(jié)果入手，進(jìn)一步分析上下庫水位重疊梯級(jí)水庫運(yùn)行規(guī)律， 總結(jié)明確的調(diào)度規(guī)則以指導(dǎo)實(shí)際運(yùn)行，下一步將重點(diǎn)研究。