大通河流域梯级水电站水库调度方案分析

霍建贞，张恒（黄河上游水电开发有限责任公司，青海西宁　810008）



大通河流域梯级水电站水库调度方案分析

霍建贞，张恒
（黄河上游水电开发有限责任公司，青海西宁810008）

ABSTRACT：In this PaPer，the inf1ow conditions and other basic conditions of Nazixia HydroPower Station in the Datong are introduced and a11 the factors affecting the Power generation of the station are ana1yzed and studied，and fina11y the disPatching scheme of the cascade hydroPower stations considering 1arge amount of water diversion in the recent P1anning is formu1ated.

KEY W0RDS：Datong River va11ey；Nazixia HydroPower Station；regu1ating schemes

摘要：通过介绍大通河纳子峡水电站来水状况及基本情况，分析研究了影响纳子峡水电站发电的各种因素，制定了大通河近期规划年有大量外调水情况下的梯级水电站调度方案。

关键词：大通河流域；纳子峡水电站；调度方案

在国内，水库水电站方面的研究成果也比较丰富。我国系统地研究水库群优化调度问题则开始于20世纪80年代初。1981年，张勇传[1]在研究两并联水电站水库的联合优化调度问题时，利用了大系统分解协调的观点，先把两水库联合优化问题变成两个水库的单库优化调度问题，然后在两水库单库最优策略的基础上引入偏优损失最小作为目标函数，对单库最优调度策略进行调整，最后求得整体最优解。此后，谭维炎、张勇传、董子敖、王金文、梅亚东、黄强等学者对水库群优化调度进行了深入研究，取得了丰富的研究成果[2-6]。谭维炎[7]等提出了以年为周期的马氏决策规划模型（MDP），并用于狮子滩水电站优化调度中。台湾海洋大学黄文政教授[8]用随机动态规划与遗传算法相结合的方法求解了台湾翡翠—石门水库的优化调度问题。而国外关于水库群优化调度的研究开始于20世纪60年代末。1955年，美国的Litt1e[9]采用Markov过程原理建立了水库调度随机动态规划模型标志着用系统科学方法研究水库优化调度的开始；其后，随着系统科学以及计算机技术的发展，水库优化调度先后掀起了多次热潮，提出了众多的随机模型和确定性模型，可以说系统科学的每一步发展，均在水库优化调度研究中有所反映。在随机性模型中，UBeTKOB[10]提出了类似Litt1e模型；Howard（1960年）提出了动态规划与马尔柯夫过程理论MDP，使水库优化调度从理论上得到进一步完善，解决了以前模型很难达到多年期望效益最大和满足水库系统可靠性要求的理论性缺陷[11]；Karamouz[12]等提出了一个贝叶斯随机动态规划（BSDP），O1iveira[13]等使用遗传算法生成水库群系统的调度规则等等。

1　大通河流域概况及基本资料

1.1流域概况

大通河水系属黄河流域，地处青藏高原东北部边缘，位于北纬36°30＇～38°25＇，东经98°30＇～103°15＇之间，是黄河的一级支流湟水最大的支流。大通河发源于青海省天峻县托勒南山，自西北向东南流经青海省刚察、祁连、海晏、门源、互助、乐都等县和甘肃省的天祝、永登两县，最后在青海省民和县享堂村附近汇入湟水，后流入黄河。

大通河河谷深窄，水势湍急，下切力强。上中下游各有一段构造沉降带而形成宽谷。流域形状呈一狭长带状，北依托勒山、冷龙岭，与河西走廊的黑河、石丰河流域为邻，南依大通山，大坂山与青海湖水系，与湟水干流地区相连，东隔盘道岭与庄浪河流域接壤。干流全长560.7 km，其中青海省境内河流长464.42 km，主河道平均坡降4.65‰，全流域面积15 130 km2。大通河流域水电站规划见图1。

图1　大通河流域水电站规划示意图Flg. 1 Schematlc dlagram of Datong Rlver Basln Hydropower Statlons plannlng

大通河流域已经形成梯级水电站群，水电站群自上而下分别是纳子峡、仙米、九龙、江源、雪龙滩、多龙滩、玉龙滩、东旭、东旭二级、寺沟口、卡索峡、学科滩、青岗峡、加定、金沙峡、享堂一级、享堂二级水电站。位于该河段之首，被称为“龙头”水库的是具有年调节性能的纳子峡水库，其余水电站全是径流式小水电站，没有调节能力，梯级水电站主要任务是发电。

1.2基本资料

1.2.1纳子峡水库电站资料

纳子峡水电站位于青海省东北部，在大通河上游末段，电站开发方式为混合式，上接海浪沟水电站，下游为石头峡水电站，工程总库容为7.33×108m3，最大坝高121.5 m，属二等大（2）型工程。其中混凝土面板坝为1级建筑物，其他主要建筑物溢洪道、放空泄洪洞、引水隧洞、高压管道、厂房等为2级，次要建筑物为3级。电站总装机容量87 MW，保证出力16.6 MW，多年平均发电量为3.106亿kW·h，年利用小时数3 570 h。

纳子峡水库特征库容、特征水位及水电站经济技术指标等水能参数如表1所示。

表1　纳子峡水电站主要水能参数表Tab. 1 Maln parameters of Nazlxla Hydropower Statlon

1）水库水位与库容关系

纳子峡水电站坝址处水位H～库容V关系曲线如图2所示。

图2　纳子峡水电站坝址处水位H～库容V曲线Flg. 2 The curve of the storage capaclty and water level of the Nazlxla Hydropower Statlon

2）水库泄量与尾水位关系

纳子峡水电站尾水位H～流量Q关系曲线如图3所示。

图3　纳子峡水电站尾水位H～流量Q曲线Flg. 3 The curve of the flow and tallwater level of the Nazlxla Hydropower Statlon

3）发电流量与水头损失关系

纳子峡水电站发电流量与水头损失关系如表2所示。

表2　纳子峡水电站发电引水系统水头损失表Tab. 2 Head loss of pressured dlverslon system of the Nazlxla Hydropower Statlon

4）出力保证率关系

纳子峡水电站保证出力与保证率关系曲线如图4所示。

图4　纳子峡水电站保证出力与保证率曲线Flg. 4 The curve of the output and the guarantee rate of the Nazlxla Hydropower Statlon

5）装机容量与年发电量关系

纳子峡水电站装机容量与年发电量关系曲线如图5所示。

图5　纳子峡水电站装机容量—年发电量曲线Flg. 5 The curve of lnstalled capaclty and annual power output of the Nazlxla Hydropower Statlon

1.2.2径流资料

1）水文站径流资料

本文将对大通河流域自上游至下游的水文站径流资料进行分析，选取尕日得、尕大滩、天堂、连城和享堂水文站1955—2005年的长系列月平均流量资料作为研究基础。其中，尕日得、尕大滩站长系列月平均流量资料如图6—图7所示。

图6　尕日得水文站长系列月平均流量资料Flg. 6 Monthly mean flow of Garlde Hydrologlc Statlon

图7　尕大滩水文站长系列月平均流量Flg. 7 Monthly mean flow of Gadatan Hydrologlc Statlon

2）纳子峡坝址处径流资料

纳子峡水库坝址处多年平均流量为41.2 m3/s，年平均流量过程如表3与图8所示。

表3　纳子峡水电站代表水文站年平均流量Tab. 3 The mean annual dlscharge of the representatlve horologlc statlon of Nazlxla Hydropower Statlon　亿m3

2　主要影响因素分析

2.1径流丰枯程度影响

大通河水电站发电与径流具有密切的联系，分析大通河梯级水电站及其“龙头”电站纳子峡的年发电量与纳子峡年入库径流量的关系，如图9所示。

图8　纳子峡电站年平均流量过程线Flg. 8 The curve of the mean annual dlscharge of Nazlxla Hydropower Statlon

图9　纳子峡水电站发电与径流关系Flg. 9 The relatlonshlp between generatlng capaclty and annual runoff of Nazlxla Hydropower Statlon

随着纳子峡年入库径流量的增加，大通河梯级水电站年发电量也不断提高，尤其纳子峡的年发电量与其年入库径流关系非线性关系很好。限于水电站的发电能力，大通河梯级水电站年发电量达到一定量时增加变得十分缓慢，逐渐趋于某一稳定值，纳子峡水电站也表现出这一特点。

利用二次函数拟合大通河梯级水电站年发电量Etj、纳子峡水电站的年发电量Enzx与纳子峡年入库径流量Wnzx的关系，得到：

由此可见，径流量是影响发电计划的主要因素之一，水电站水库依据预报入库流量制定调度决策。目前，水文和气象科学的发展水平还不能对未来一年的径流做出准确的预测，即使有较长的水文资料也只能对径流的未来变化做出一般性的预测，但有一点可以相信的是，距离预测时间越近，预测精度越高。发电计划不是一成不变的，所以在用预报法制定发电计划时，它必须随着时间的推移、预报径流的更新以及前期实际发电量与发电计划的差别等因素对发电计划进行滚动修正。当实际来水与年初预测来水相比相差不大时，水电站一般按原计划的方式调度；若实际来水量与预测来水量差别较大时，则应根据面临时期的预报来水和前期的发电结果修正后期的发电计划。

2.2梯级结构变化影响

梯级结构变化也是影响发电计划的一个主要因素之一。对于梯级水库来说，通常具有防洪、发电、航运、供水等多种功能，是一个兼顾多个目标的大型水利枢纽系统。梯级上下游水库之间往往具有复杂的水力、电力联系，同时梯级水库在进行联合调度的过程中，各个部门有不同的调度目标和调度要求，而在年内部分时段不同目标之间可能存在着一定程度的用水矛盾。

水电站梯级结构发生改变、电网要求调峰等很可能造成原来梯级状态下的运行规则的失效，梯级水电站之间运行不协调，不能发出大量优质电能和保证电网健康稳定运行。

石头峡水电站的建成投运，大大提高了大通河流域梯级水电站的调蓄能力，增加了整个梯级的供水保证率，给青海省带来了直接的发电效益。与此同时，两库联调还大大提高了大通河流域的防洪能力，提高了水库群拦蓄洪水的能力，增加了整个梯级洪水的利用率，实现了洪水资源化。

2.3外调水工程影响

流域外调水是影响发电计划的另一个主要因素，其主要通过径流量影响水电站（群）的发电调度过程。当前，大通河向流域外调水的工程共有5个，即引大济西（西大河）、引大入秦（秦王川）、引大济湟（湟水干流）、引大济湖（青海湖）和引大济黑（黑河）。这5个外调水工程先后从20世纪90年代到21世纪30年代分别向流域外调水。

近期规划年（2020年），“引大济黑”与“引大济湖”工程没有调水计划，“引大济西”工程从百户寺调水2.5亿m3，“引大入秦”工程从天堂寺调水2.2亿m3，“引大济湟”工程从尕大滩调水3.6亿m3，大通河对外调水总计8.3亿m3。

流域外调水的实施直接影响了大通河流域的水量，使得各电站的发电可引用的水量呈现不同程度的折扣，从而影响大通河流域整个梯级水电站的发电调度计划。因此，必须考虑外调水对梯级水电站的发电调度影响，制定梯级水电站相应运行规则。

2.4防洪影响

防洪要求是水库调度必须考虑的问题，主要包括确保大坝自身安全、确保上游易淹没地区安全和下游防洪控制点的防洪安全。大通河梯级水电站的主要任务是发电，在汛期还要首先确保自身的防洪安全。纳子峡水库的设计洪水位仅比正常蓄水位高出0.2 m，兴利库容约占拦洪库容的91.1%。设计洪水位一般不低于防洪高水位，因此防洪库容和兴利库容结合程度很高（纳子峡未设汛限水位，在此默认汛限水位是死水位），这一方面说明大通河径流规律性强，另一方面说明纳子峡水库汛期通过合理调度可将洪水资源化，充分利用水力发电。遭遇大洪水时，纳子峡水库为了自身安全，必须加大泄量优先满足防洪要求，充分利用洪水满发出力，汛期后期逐步抬升蓄水位，为保证供水期发电需求做准备。

3　调度方案制定

大通河梯级水电站发电调度的影响因素即为调度情景要素。在不同规划年，情景要素的不同组合就形成了多种情景，依据不同情景制定相应调度方案，以便指导大通河梯级水电站更好地发挥效益。限于项目合同要求，本研究仅考虑径流丰枯状态与调水量两种情景要素，分析近期规划年（2020年）不同来水状态的调度方案。

3.1情景设置

1）大通河来水状态

享堂站是大通河流域的出口水文监测站，以其年径流量大小表示整个大通河流域的径流丰枯状态。利用P-III型曲线对享堂站年径流量进行适线，得到该站不同频率下的年径流量，如表4所示。

表4　大通河享堂站不同频率下的年径流量（拟合度0.973）Tab. 4 The annual runoff ln dlfferent frequencles of Xlangtang Hydropower Statlon（R＝0.973）

纳子峡作为大通河的“龙头”电站，调节库容为1.72亿m3，在来水偏丰或偏枯的情况下，纳子峡在一定程度上可以对全流域水量进行调节，即丰水年多蓄水，枯水年多放水。因此，相对于常用的25%、50% 和75%的丰、平、枯水年划分，本文选择来水频率15%、50%和85%分别表征该流域丰、平、枯3种设计状态，意在体现纳子峡的调蓄作用。

根据大通河流域3种来水设计状态选择来水量与设计值相等或最为接近的典型年：1993—1994年（丰水325 168万m3）、1990—1991年（平水275 789万m3）和2002—2003年（枯水222 995万m3）。大通河上下游径流量具有很好的相关性，利用享堂站的设计年径流量与典型年历史年径流量的比值将典型年纳子峡坝址处的历史流量转换为相应的设计流量过程，即

利用式（2）计算纳子峡3种频率下的设计入库流量过程，如表5所示。

表5　纳子峡不同设计来水年各月入库流量Tab. 5 Monthly mean lntake flow of Nazlxla Hydropower Statlon ln dlfferent deslgned frequency　m3/s

2）近期规划年外调水量

根据相关研究成果，保证大通河流量不得小于1.2 m3/s。合理计算大通河流域可外调水总量并确定不同来水条件下的调水过程比较困难，根据近期规划年用水需求、大通河与受水区径流同步性，确定不同外调水工程年调水总量与调水过程。近期规划水平年的调水过程如表6所示。

大通河流域外调水是根据“引大济湟”工程调水过程按比例折算的，调水时期主要是3月至7月和11月，其他月份不调水。根据大通河梯级水电站来水丰枯状态、调水量设置3种调度情景：丰水状态、平水状态和枯水状态。

当大通河流域来水量大于或等于50%来水年的径流量时，各调水工程按表6给定的调水过程从取水位置引水；当大通河流域来水量小于50%来水年的径流量时，按照来水量与50%来水年份的径流量比值对调水量进行打折。因此，85%来水年份在表6给出的调水过程基础上打8折进行调水，纳子峡有外调水时入库过程如图10所示。

表6　大通河近期规划年50%来水条件下调水过程Tab. 6 The water transfer process of Datong Rlver of the 50% runoff ln the recent plannlng　流量/（m3·s-1）

图10　纳子峡近期规划年不同来水情景下的入库过程Flg. 10 The reservolr lnflow processes ln the dlfferent runoff ln the recent plannlng ln Nazl valley

3.2调度方案制定

编制调度方案时可采用方案比较法或优化法，也可以将二者结合使用。可以说，优化法是较严密而详细的方案比较法（即在无数个方案中选择最优方案）；而方案比较方法是近似的优化法（即在若干可行方案中选择最好的方案）。优化法有很多优点，在水库调度中正得到日益广泛的应用。因此，本研究采用优化算法制定大通河调度方案。

前面研究已经表明，多年平均发电量最大模型—动态规划算法是综合评价最优的调度方法。根据该优化调度结果可以制定出大通河流域有大量外调水工程的情况下的调度方案。

利用梯级发电量最大模型—动态规划算法计算3种设计来水条件下的调度过程，如表7所示。

大通河流域考虑流域外调水时，纳子峡的出库流量与库水位变化过程分别如图11—12所示。

大通河有外调水时，不论遇到丰水年还是枯水年，纳子峡水库开始蓄水时间比没有外调水时迟了1个月，即6月末纳子峡开始蓄水。梯级发电量丰水年为179 296万kW·h，平水年为146 470万kW·h，枯水年为122 633万kW·h。相比无调水情况，各来水条件下发电量均有不同程度的减少，尤其来水越枯梯级发电减少程度越大，如图13所示。

表7　设计来水条件下纳子峡动态规划算法计算结果Tab. 7 The result of dynamlc programmlng algorlthm of the deslgned runoff ln Nazl valley

图11　纳子峡动态规划算法调度下的流量变化过程Flg. 11 The runoff change process wlth the dynamlc programmlng algorlthm ln Nazl valley

图12　纳子峡动态规划算法调度下的水位变化过程Flg. 12 The water level change process wlth the dynamlc programmlng algorlthm ln Nazl valley

图13反映了外调水与梯级发电之间的矛盾，因此，为缓和二者之间的矛盾，大通河外调水量应随来水量多少作适应性调整，而不是固定不变的调水总量和调水过程。通过以上表和图可以看出：大通河有大量外调水情况下，无论丰水年份还是枯水年份，纳子峡水库枯水期水位变化kW·h较为稳定。

图13　近期规划年有、无外调水梯级发电量对比Flg. 13 Comparlson of the power generatlon of the cascade hydropower statlon wlth and wlthout water transfer ln the recent plannlng

利用典型年法计算大通河梯级水电站近期规划年有大量外调水情况下的发电量：

大通河近期规划年有大量外调水情况下，梯级多年平均发电量为149 466万kW·h，比设计值减小18.4%。由此可见，流域外调水会减少梯级水电站的发电量。外调水量越大，发电量减少越多。近期规划水平年外调水量很大，对大通河梯级水电站发电量影响程度也大，不得不考虑大通河有大量外调水时梯级水电站的调度方案。

综上计算分析，制定大通河近期规划年有大量外调水情况下的梯级水电站调度方案如下：

1）5月和6月，各梯级电站引用全部来水量用于发电，纳子峡水库不蓄不供。

2）7月至10月，大通河径流量大且外调水很少，纳子峡水电站按无调水情况下的优化调度图发电调度，及时抓住汛期后期最后一场洪水蓄水，争取在10月末蓄满水库。

3）11月至次年4月，考虑到枯水期后期（3月和4月）来水小且有外调水，根据纳子峡水库有调水情况下的入库流量，减去月调水量，然后按优化调度图发电调度。

4）纳子峡水库任何月份出库最小流量不得小于1.2 m3/s。

4　结论

在大通河梯级发电的调度诸多影响因素中，来水丰枯状态、梯级结构变化和外调水影响很大，考虑到梯级实际运行状况和项目要求，以来水丰枯状态制定梯级水电站调度情景。大通河无外调水或外调水量相比天然径流量很小时，梯级水电站按照相应的调度规则发电调度；近期规划年大通河对外大量调水后，梯级多年平均发电量比设计值减少近20%，来水越枯梯级发电量减少程度越高；满足大通河水资源未来发展需要（大量对外调水）的梯级水电站调度方案，在一定程度上缓和大通河流域外调水与梯级发电之间的矛盾。

梯级调度一般考虑梯级水电站之间的径流补偿和库容补偿问题，大通河供水期补偿调度作用表现最为突出，而丰水年份汛期由于纳子峡的调节性能有限，并不能充分发挥出水库的补偿效益。制定大通河近期规划年有大量外调水情况下的梯级水电站调度方案，能够尽可能减少实际调度中因外调水造成的发电损失。

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霍建贞（1987—），女，助理工程师，主要从事水库调度工作。

（编辑李沈）

作者简介：

收稿日期：2015-06-09。

文章编号：1674-3814（2016）01-0112-07
Analysls of Reservolr Regulatlng Schemes for Cascade Power Statlons ln the Datong Rlver Valley
HUO Jianzhen，ZHANG Heng（Huanghe HydroPower Deve1oPment Co.，Ltd.，Xining 810008，Qinghai，China）

中图分类号：TV214

文献标志码：A