上游水电站梯级调度对龙头石水电站效益的影响

王 琨，欧阳硕，邵 骏

(长江水利委员会水文局，湖北 武汉 430010)

0 引 言

大渡河综合利用目标主要为发电，目前在大渡河水库调度的相关文献中，多侧重于讨论梯级水库群联合调度给流域带来的综合效益，因此研究对象多为大渡河龙头水库和控制性水库。2012年周研来等[1]以大渡河下尔呷、双江口、猴子岩、瀑布沟等4个调节性能较好的水电站为例，研究梯级水库群联合优化调度函数；2014年冉钦朋等[2]通过以来水量的丰枯级别动态设定电站考核水位，改进了季调节能力以下电站考核电量的方法，用以分析大渡河下游瀑布沟等4座梯级电站的节水增发电能力；2015年湛洋等[3]通过大渡河双江口、瀑布沟水电站的“有无对比”法分析其对大渡河上水电站联合优化运行下的总发电量的补偿效益。上述研究成果表明，在大渡河梯级水电站联合调度产生的总体效益当中，调节性能较差的水电站往往不受关注，有关对其效益补偿的研究较少。

龙头石水电站为大渡河干流调整规划推荐的22级开发方案的第15级电站，主要开发任务为发电，由于其库容大比例损失以及调节性能的基本丧失，在不考虑四川电网调度的前提下，发电效益仅取决于来水情况。电站坝址来水量主要受大渡河天然来水和上游梯级电站径流调节的影响，在流域内属于被补偿电站。因此，本文根据大渡河干流水电站实际情况，利用上游调节性能好的电站来进行梯级径流调节计算，以使龙头石水电站的效益充分发挥。

1 研究对象与特征参数

1.1 龙头石水电站基本情况

大渡河龙头石水电站位于大渡河中游四川省石棉县境内，坝址位于安顺场上游约10 km处，坝址以上控制流域集水面积63 040 km2，上、下游分别与大岗山、老鹰岩水电站衔接。电站总装机容量720 MW，水库正常蓄水位955 m，死水位952 m。电站运行以来，由于泥沙淤积，2015年4月水库总库容由竣工复核阶段的1.381亿 m3减少到0.527亿 m3，由日调节电站变为径流式电站。

表1 参与调度的各水电站部分特性

1.2 调度情景与调度规则

根据《四川省大渡河干流水电规划调整报告》，以2021年梯级预计建成情况为例，本文考虑龙头石上游调节性能较好的猴子岩、长河坝以及与龙头石衔接的大岗山水库，分别考虑：①龙头石水电站单独运行和考虑上游水库的调节。②在上游水库补偿调节的前提下，仅以龙头石水电站效益最大化和兼顾上游水库的效益不受损失，分别设置了3种调度情景，调度情景1，对龙头石水库单独进行调度；调度情景2，参与调节计算的有具有季调节性能的猴子岩、长河坝水电站以及具有日调节性能的大岗山水电站，最大限度给予龙头石水电站径流补偿和发电补偿；调度情景3，参与调节计算的水库同调度情景2，在保障上游水库的蓄满率和保证出力不受损失的基础上，对龙头石水电站补偿调节。各水电站的主要特征参数见表1。

本文涉及到的径流调节计算仅考虑兴利调度，因此采用各电站的兴利调度规则，对于具有季调节性能的猴子岩和长河坝水库，只考虑其季调节调度运行方式。

2 模型构建

2.1 目标函数

由于龙头石水电站以发电为主，本次调节计算目标为使龙头石水电站获得上游电站的径流补偿和发电补偿，由于两者是相关的，因此以发电量最大、弃水最小为目标。

(1)

(2)

式中，E龙和E分别为龙头石水电站和梯级水电站总的发电量；t和i分别为时段编号和水电站编号；Δti为时段小时数。

弃水目标

(3)

(4)

式中，Qw,龙和Qw分别为龙头石水库和梯级水库总的弃水量。

式(1)、(3)仅考虑龙头石水电站的发电效益和径流补偿效益，为调度情景2的目标函数；式(2)、(4)考虑参与调度的所有水电站总效益，为调度情景3的目标函数。

除上述目标外，在调度情景3下，还需满足梯级总体蓄满率最大。蓄水目标

(5)

式中，FR为蓄满率；V末.i为第i个水库蓄水期末的库容；Vmax.i和Vmin.i分别为第i个水库正常蓄水位和死水位对应的库容；αi为第i个水库蓄满率的权重。

2.2 约束条件

水位、流量约束分别为

Zi,mint≤Zi,t≤Zi,maxt

(6)

Qi,mint≤Qi,t≤Qi,maxt

(7)

式中，Zi,t、Zi,mint、Zi,maxt分别为第i个水库第t时段水位、最低运行水位和最高运行水位；Qi,t、Qi,mint、Qi,maxt分别为第i个水库第t时段下泄流量、最小下泄流量和最大下泄流量。

水库水量平衡约束

Vi.t=Vi.t-1+(Qin,i.t-Qout,i.t)Δt

(8)

式中，Vi.t为第i个水库第t个时段的库容；Qin,i.t和Qout,i.t分别为第i个水库第t个时段的来水和下泄流量。

3 调算结果

3.1 调度结果

本文采用丹巴、泸定、石棉、农场4个水文站1960年～2013年长系列逐日径流系列，内插得到各水电站坝址径流系列，继而得到上下坝址区间来水系列。

调度情景1和调度情景2、3分别采用水文站径流资料内插得到的龙头石坝址以上和猴子岩坝址以上1960年～2013年逐日径流资料作为上游来水。情景1，由于实测径流资料已反映了上游耗水情况，故来水量扣除水电站成库后的增损水量即可；情景2、3，由于参与计算的梯级预计2021年建成，因此还需扣除届时龙头石坝址以上新增耗水量0.25亿m3。

按照水库调度规则，各水库出库水量均排入下游，无其他供水要求，也不考虑特殊情况下的应急调度。情景2中，为了使龙头石水电站获得最大的效益补偿，关键在于汛期少弃水，尽可能满发，枯期多利用上游下泄流量，即上游电站在汛期尽量保持汛限水位运行，枯期按需下泄。除季节性蓄丰补枯以外，汛期和汛末蓄水阶段，在下游区间来水较少时，上游电站为保障龙头石水电站满发而加大泄量、消落水位，这就需要用下游区间来水和t+1时段的来水来反复试算上游电站t时段的下泄流量，来达到龙头石水库最小弃水目标。情景3中，以梯级总体效益为目标，则在具体调算过程中不以龙头石水电站的水能利用率最大来反推上游梯级的下泄流量。

以多年平均来水条件为例，绘制3个调度情景下龙头石水电站用水和发电量逐月变化见图1、2。

图1 多年平均逐月来水、发电用水和弃水量对比

图2 多年平均逐月发电量对比

3.2 结果分析

3个情景下多年平均发电量分别为33.5亿、34.7亿、34.2亿 kW·h。图1、2显示了上游水电站运行对龙头石水电站的影响。

3.2.1 径流分配过程的影响

上游水电站的调节对龙头石径流年内蓄丰补枯作用显著。在一个水文年内，不同频率水平年都表现出汛期6月～10月总体坝址来水量相对减小，非汛期11月～次年5月坝址来水量相对增加的规律。

不同水平年枯期坝址来水量占全年的比例见图3。可以看出，在上游水库调节作用下，龙头石坝址径流过程在年内分配趋于均匀化。对于不同水平年，来水越枯，枯期来水比例越大。情景3中上游水库枯期对径流的补偿比情景2明显，结合图1进行分析可知，在来水量一致的前提下，由于汛期满发的几率大，对下游电站的补偿效益最容易实现，因此情景2虽然对龙头石的发电补偿最大，但径流调节和发电补偿主要在汛期，体现在下游或下一个时段来水少时加大下泄。因此调度情景3对龙头石水电站年内径流分配的影响更大。

图3 3个调度情景下的龙头石坝址非汛期坝址来水量占全年的比例对比

径流分配过程在年内的均匀化，直接效益即为水资源利用率的提高，进而提高了水能利用率。龙头石水电站3个调度情景下不同水平年发电用水量占坝址来水量的比例见图4。来水越枯，水资源利用率越大，即上游径流调节的作用越明显。而对比情景2和情景3可以看出，除了5%频率下二者水资源利用率基本持平，其余频率水资源利用率均为情景2更大，这得益于特丰水年来水本来就足够大，可以保障水量得到充分利用；而在来水偏枯的情况下，梯级总体发电效益最大和被补偿电站发电效益最大的目标通常是矛盾的。

图4 3个调度情景下的龙头石坝址水资源利用率对比

3.2.2 发电补偿效益

龙头石水电站为径流式电站，上游水电站的径流调节作用对龙头石坝址径流进行了重新分配，蓄丰补枯作用使得汛期的水尽可能拦蓄下来供枯期使用，减少了电站汛期弃水，加大了枯期的发电流量，从而产生发电补偿效益。坝址上游调节性能较好水库的调蓄提高了水能利用率，枯期发电量变化情况见图5。

图5 3个调度情景下枯期(11月～次年5月)发电量对比

根据调度结果发电补偿进行分析可知，在上游水库的调节下，不同频率下龙头石水电站全年发电量均有增加，特丰水年增加的绝对值最大，特枯水年增加的相对幅度最大。多年平均条件下，3个情景下龙头石水电站年发电量分别为89.61亿、92.80亿、91.40亿kW·h，情景2中发电量比情景3多1.4亿kW·h。调度情景3的发电补偿作用主要体现在枯期，尤其是在95%特枯水年时，补偿效益比情景2大0.37亿kW·h。而情景2的发电补偿作用在全年各季节均有明显体现。

3.2.3 方案比较

方案比较结果：①上游调节性能较好的水电站水库进行径流调节，根据不同调度目标采取的不同调节方案，均可使下游电站得到一定程度的效益补偿。②当调度目标仅考虑被补偿电站的效益时，径流补偿和发电补偿效益均最大，而效益产生最大的时间主要集中在来水充沛且调节库容可充分利用的汛期。③当调度目标考虑梯级水电站的总体效益，仅兼顾被补偿电站的效益时，对径流的蓄丰补枯作用更明显，甚至在枯期的补偿作用会大于仅考虑被补偿电站的效益的情况。

分析表明，调度情景2存在如下弊端：①汛期来水较少的时段通过加大泄量而满足被补偿电站增加发电量，来水增加后又迅速蓄水，多次利用调节库容(发电用水量增加值占上游总调节库容的108.7%)，导致汛期库容短时间内反复增减，不利于水库安全。②虽然从全年来看，总体上对下游电站的补偿效益明显，但从季节来看，对径流的蓄丰补枯作用甚微，不利于河流及周边的生态环境。③对下游电站的补偿是以牺牲自身效益为前提的，不利于流域整体水能、水资源利用。当补偿电站兼有防洪任务时，这样的调度方法更是不利于防洪安全。

事实上，调度情景2是不符合工程实际的，当前的梯级水库群联合优化调度均要求整体效益的最大化。在本文中加入这一假定情景，是为说明在补偿电站调节能力一定的前提下，被补偿电站可能受到最大补偿的极端情况，作为参照对比分析合理情况下补偿电站在径流调节作用下对被补偿电站效益的影响。

为避免典型年选取带来的偶然性，以多年平均为例，综合总结情景3中龙头石水电站受上游电站调节后径流和发电量的变化：枯期径流量占全年的的比例增加9.3%；全年发电用水量增加5.5亿m3，占上游总调节库容的59.8%；水资源利用率增加2.0%；发电量增加0.66亿kW·h，增幅2.2%，其中非汛期增加0.91亿kW·h，汛期减少0.25亿kW·h。

4 结 语

本文通过加入使龙头石单站获得补偿效益最大的极端情况作参照，分析上游水电站水库蓄满率和保证出力不受损的情况下梯级调度对龙头石水电站径流和发电的影响。由于上游补偿电站改变径流分配过程，使龙头石水电站枯期坝址来水增加，水资源利用率提高。发电量汛期减少，枯期增加，全年总体增加。因此，在大渡河水库群梯级调度过程中，调节性能差的龙头石水电站是受益的。