三峡及金沙江下游梯级水库群蓄水期联合调度策略

刘强钟平安徐斌郭乐陈宇婷

摘要：针对三峡及金沙江下游梯级水库群汛后竞争性蓄水矛盾，以溪洛渡、向家坝、三峡、葛洲坝梯级四库系统为研究对象，采用不同来水年型、蓄水时间和起调水位构建蓄水情景集；以蓄水期期望发电量最大为目标，建立蓄水期多目标联合随机优化调度模型，生成各蓄水情景下的最优蓄水方案；基于蓄满率、梯级期望弃水量、梯级平均期望出力对各方案进行评价，推荐丰水年溪洛渡、向家坝9月11日起蓄、三峡9月10日起蓄，平水年溪洛渡、向家坝9月11日起蓄、三峡9月1日起蓄，枯水年溪洛渡、向家坝9月1日起蓄、三峡8月21日起蓄。

关键词：三峡梯级水库群；汛后蓄水；联合调度；情景分析

中图分类号：TV697.1 文献标志码：A 文章编号：16721683（2016）05006209

随着金沙江下游溪洛渡、向家坝相继投入运行，与长江干流三峡、葛洲坝组成梯级水库群，三峡及金沙江下游梯级四库的总装机容量、总调节库容在长江上游水库群中占据压倒性优势，其汛末的调度策略对整个长江中下游地区影响深远，研究三峡及金沙江下游梯级水库群汛后蓄水期的联合调度策略，对提高洪水资源利用率，减轻水库群蓄水对长江中下游供水、航运、生态等影响，具有重要意义。

近年来，随着三峡上游水库群的修建，针对长江上游水库群联合蓄水的研究陆续展开，关于三峡水库蓄水策略的研究已经取得了一系列成果[116]；丁毅等[17]初步探究了长江上游梯级水库群的蓄水调度模式、各水库的蓄泄关系，提出了长江上游梯级水库群蓄水调度的建议方案；欧阳硕等[18]提出将流域蓄水原则与K值判别法相结合的策略来判定流域梯级各水库蓄水时机及次序；黄草等[19]依托多目标优化调度模型，逐年分析了长江上游若干座多目标混联水库的蓄水起止时间，总结了出现概率最大的水库群蓄水次序；王冬等[20]采用基于圣维南方程组的径流调度模型，利用多年实测资料，得出溪洛渡、向家坝、三峡最优蓄水时间方案。已有的研究在判定长江上游水库群蓄水次序、蓄水时间方面取得了较多成果，但专门针对三峡及金沙江下游梯级四库的研究较少，而且研究方法多集中于对确定性来水的模拟。但在实际调度中，由于受到入库径流预报水平的限制，基于确定性来水的优化调度方案具有较大的不确定性，实际指导意义不强。而基于传统的随机优化模型的期望调度方案，不能反映不同来水大小的差异。

鉴于此，本文以溪洛渡、向家坝、三峡和葛洲坝梯级四库系统作为研究对象，通过对蓄水期来水按大小分组反映来水大小的区别；通过建立蓄水期多目标联合随机优化调度模型，反映来水的随机性影响；通过多情景优化模拟和多指标方案评估，推荐三峡及金沙江下游梯级在不同来水条件下的期望蓄水方案。

1 梯级水库群蓄水场景构造

1.1 研究对象

本文研究溪洛渡、向家坝、三峡和葛洲坝四座水库组成的梯级水库群（见图1），溪洛渡、向家坝、三峡等为不完全年调节水库，葛洲坝为日调节水库。溪洛渡、向家坝开发任务以发电为主，兼顾防洪、拦沙和改善下游航运等，溪洛渡水库调节库容646亿m3，装机容量12 600 MW，汛限水位560 m；向家坝水库是金沙江干流最下游梯级电站，对溪洛渡具有反调节作用，调节库容903亿m3装机容量6 000 MW，汛限水位370 m。三峡水库具有防洪、发电、改善航道等综合任务，调节库容165亿m3（枯期消落低水位155 m至正常高水位175 m之间库容），装机容量22 500 MW；葛洲坝是三峡水库的反调节水库，电站装机容量2 950 MW。

1.2 来水年组划分

根据金沙江屏山站径流系列资料，按水文比拟法生成溪洛渡、向家坝水库的入库径流系列，将向家坝与溪洛渡的入库径流系列相减得到溪洛渡-向家坝区间来水系列；以宜昌站径流系列资料，按水文比拟法生成三峡、葛洲坝水库径流系列，将葛洲坝和三峡的入库径流系列相减得到三峡-葛洲坝区间的径流系列；以三峡和向家坝的入库径流系列确定向家坝-三峡区间径流系列。为了取得梯级错时蓄水方案，本文约定11月30日为蓄水最后时间（三峡水库12月1日进入消落期），8月21日为最早允许蓄水时间，依据三峡水库1940年-2013年8月21日至11月30日入库径流资料，将蓄水期来水分为丰（频率0%～33%）、平（频率33%～67%）、枯（频率67%～100%）三个年组。

1.3 蓄水时间方案拟定

根据现有调度规程，溪洛渡水库和向家坝水库9月11日由汛限水位开始蓄水，9月底蓄满；三峡水库9月上旬水位由汛限水位逐渐回升，9月10日从控制起蓄水位155 m开始回蓄，9月底蓄至165 m，10月底蓄满；葛洲坝为径流式水库，无汛后蓄水问题。

梯级水库群汛末蓄水期部分与汛期重叠，不宜过分提前，本文对三峡水库共设置8月21日、8月26日、9月1日、9月6日、9月10日5种起蓄时间方案；由于泥沙问题制约溪洛渡蓄水时间无法大幅提前，故对溪洛渡设置9月1日、9月11日两种起蓄时间方案；向家坝调节库容远小于溪洛渡与三峡调节库容，蓄水影响相对较小，因此设置向家坝与溪洛渡同时起蓄。

1.4 回蓄期起蓄水位

根据各水库调度规程，设定溪洛渡水库回蓄期的起蓄水位为560 m；向家坝水库为370 m；三峡水库起蓄水位155 m。

1.5 蓄水情景方案集

综合3种来水年型，10种组合起蓄时间方案（溪洛渡、向家坝2种，三峡5种），1种起蓄水位组合，共构成3×10×1=30组蓄水情景。

2 多目标随机优化模型

三峡及金沙江下游梯级水库群是一个具有发电、防洪、供水、生态、航运等多目标的梯级水库群系统，本文将梯级四库期望总发电量最大作为目标，将防洪、供水、生态、航运等目标转为约束条件，变多目标问题为单目标问题。由于蓄水期调度为长期调度，调度过程中难以对来水进行准确预报，来水情形存在随机性。因此本文将不同来水年组中的时段来水作为随机取值，建立随机优化模型对水库群蓄水期调度进行模拟。

2.1 目标函数

梯级水库群蓄水期发电量期望值最大：

式中：n为梯级电站数，本文为4；Tt为时段小时数，由于越接近汛期，水库来水的不均匀程度越显著，若选取时段过长，不均匀的来水受到均化，则造成计算的期望弃水量偏小，期望发电量偏大，因此本文采用变时段长，8月21日-9月15日取日，9月16日-10月31日取候（5日），其余取月；T为调度期时段数，本文共有36个时段；m为随机来水的状态数，即某来水年组包含的年数，本文丰水年组25年，平水年组25年，枯水年组为24年。

2.2 约束条件

（1）水量平衡约束。

（2）上、下限水位约束及水位变幅约束。

（3）最大、最小流量约束及流量变幅约束。

（4）负荷约束。

（5）调度期末控制水位约束。

2.3 求解方法

本文水库群采用轮库迭代法，单库采用离散随机动态规划法。其计算流程见图2。

2.4 评价指标

三峡及金沙江下游梯级水库群蓄水期调度方案的选择，是以保证汛后蓄满和不增加防洪风险为前提，并综合考虑蓄水期中下游最小下泄量要求和蓄水期梯级发电量等因素。本文选取蓄满率、期望弃水量、蓄水期期望出力等三个指标对多情景方案进行评价。由于是蓄水期，蓄满率是第一指标；由于蓄水期与汛期部分重叠，蓄水时间越提前，对防洪安全的影响越大，其表现为蓄水过程中产生大量的弃水，因此本文选择蓄水期弃水量指标反映防洪风险大小；蓄水期梯级发电量大小也是衡量蓄水方案优劣的重要指标，由于不同情景的蓄水期长短不同，为了满足可比性要求，本文选择蓄水期平均出力反映蓄水对发电的影响。方案筛选的方法为，将不同指标的特征值标准化，由于水库蓄水、防洪、发电在蓄水期的重要性依次递减，对蓄满率、期望弃水量、平均期望出力三个指标赋以不同的权重，得到每个方案的综合评价值，针对不同来水年组，选择综合指标值最优的蓄水时间方案为该来水年型的推荐方案。

3 结果分析

3.1 设计蓄水期联合调度效果分析

采用调度规程中的起蓄时间和起蓄水位，采用单库随机优化调度和四库联合随机优化调度的蓄水期梯级期望发电量、梯级期望弃水量的计算结果见表1，供水保证率的计算结果见表2。

由图6可见，联合优化调度模式下，由于溪洛渡、向家坝水库的调配，三峡水库在两个蓄水阶段快速蓄水期入库流量较单库模式大，缓慢蓄水期入库流量较单库模式小，使得三峡水库的出库流量过程相对更为均匀（见图7）。葛洲坝水库自身没有调节能力，并且三峡至葛洲坝区间很小，三峡的出库流量近似为葛洲坝的入库流量，因此联合调度模式下葛洲坝的期望弃水量大大减少（见图8），进而使得期望发电量显著增加。

3.2 最优起蓄时机选择

（1）蓄满率。

在丰水年、平水年两种来水情形下，梯级各水库以不同蓄水时间方案起蓄，至调度规程规定蓄满的时间（溪洛渡、向家坝9月底、三峡10月底）均能蓄满，表3给出了枯水年梯级各水库在规定蓄满时间的蓄满率。

由表3可见：a.溪洛渡、向家坝9月11日起蓄，有部分年份不能在规定蓄满的时间蓄满，当起蓄时间提前至9月1日，则能在规定蓄满的时间使得蓄满率达到100%；

b.遇特枯年份，提前溪洛渡、向家坝的起蓄时间至9月1日，三峡水库仍然无法在规定蓄满的时间蓄满，大幅提前自身的起蓄时间至8月26日，才能使得三峡水库的蓄满率达到100%。

（2）期望弃水量。

相关，并且由于葛洲坝满发流量小于三峡的满发流量，因此葛洲坝的期望弃水量比三峡的期望弃水量大；

b.三峡起蓄越早，三峡和葛洲坝的期望弃水量越多，一方面是由于起蓄越早，来水量基数越大，另一方面，越接近主汛期来水流量越大，水库不能调节的水量越多；溪洛渡、向家坝起蓄时间提前具有与三峡水库类似的规律。

（3）梯级平均期望出力。

表7、表8、表9给出了三种来水年型不同起蓄时间方案梯级平均期望出力的计算结果，表中各水库的平均期望出力统计时段长与梯级期望弃水量的统计时段长相同，梯级的平均期望出力为各水库平均期望出力之和。

由表7、表8、表9可见，溪洛渡、向家坝提前蓄水，自身平均期望出力显著增加，三峡水库提前蓄水，三峡和葛洲坝的平均期望出力均会显著增加。

（4）方案优选。

以各水库蓄满率的均值反映梯级蓄满率，将30组不同蓄水情景的梯级蓄满率、梯级期望弃水量、梯级平均期望出力标准化。根据蓄满率、梯级期望弃水量、梯级平均期望出力三个指标的重要性不同，采用AHP法给出三个指标的标准化权重为{042，034，024}，进而得到三种不同来水年型不同起蓄时间组合的综合评价值，丰水年10种起蓄时间组合（表4至表9中由上至下依次所列的10组起蓄时间组合）的综合评价值为{081，08，078，075，072，075，074，073，069，066}，第一种起蓄时间组合（溪洛渡、向家坝9月11日起蓄，三峡9月10日起蓄）的综合评价值最大，平水年为{083，084，085，084，083，082，082，082，081，08}，第三种起蓄时间组合（溪洛渡、向家坝9月11日起蓄，三峡9月1日起蓄）的综合评价值最大，枯水年为{034，035，05，057，058，057，057，072，079，08}，第十种起蓄时间组合（溪洛渡、向家坝9月1日起蓄，三峡8月21日起蓄）的综合评价值最大。

综上所述，得到三峡及金沙江下游梯级水库群不同来水年型下汛末最优起蓄时间，即丰水年溪洛渡和向家坝9月11日起蓄、三峡9月10日起蓄，即维持设计起蓄时间起蓄；平水年溪洛渡、向家坝9月11日起蓄、三峡9月1日起蓄；枯水年溪洛渡、向家坝9月1日起蓄、三峡8月21日起蓄。可以发现，推荐蓄水时间方案梯级各水库的汛后蓄满率均为100%，与设计蓄水期优化结果（见表8、表9）相比，平水年、枯水年，推荐蓄水时间方案的梯级平均期望出力分别增加474%、1016%。

4 结论

针对三峡及金沙江下游梯级水库群汛末竞争性蓄水引发的诸多矛盾，以梯级四库系统作为研究对象，以不同来水年型、蓄水时间和蓄水期初水位构建梯级蓄水情景集；以蓄水期期望发电量最大为目标，建立蓄水期多目标联合随机优化调度模型，生成各蓄水情景下的最优蓄水方案。分析设计蓄水期联合优化调度结果得出结论：联合优化调度更有利于减少蓄水期期望弃水量，提高梯级期望发电量和供水保证率；综合考虑防洪风险与兴利效益，基于蓄满率、梯级期望弃水量、梯级平均期望出力对各方案进行评价，推荐丰水年溪洛渡、向家坝9月11日起蓄、三峡9月10日起蓄，平水年溪洛渡、向家坝9月11日起蓄、三峡9月1日起蓄，枯水年溪洛渡、向家坝9月1日起蓄、三峡8月21日起蓄。

本文研究结果对于改善三峡及金沙江下游梯级水库群蓄水期近期调度策略以及长期运行规划具有参考价值。

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