乌东德白鹤滩梯级水库补偿效益分析

舒卫民，李秋平，曹光荣，王汉涛，李 鹏

(1.中国长江三峡集团公司，湖北 宜昌 443133；2.长江三峡水文水资源勘测局，湖北 宜昌 443002)

0 引 言

大型水库建成投运后，在一定程度上会改变水库下游径流的年内、年际分配过程，对下游水库的运行产生较大影响，主要体现在提高水库下游抵御洪水的能力、减轻下游枯期供水压力、改善航运调节、缓解部分地区水电丰余枯缺的局面，提高电能质量等[1、2]，同时起到节能减排的作用[3]。

金沙江流域水量丰沛，但年内来水丰枯分配不均，汛期(6月～9月)径流量占全年的比例达到74.7%。金沙江流域是我国水电富矿，规划有我国最大的水电基地。在金沙江下游规划有乌东德、白鹤滩、溪洛渡、向家坝四座巨型电站。目前，溪洛渡、向家坝电站已建成投产。乌东德、白鹤滩电站处于在建阶段，预计分别在2020年、2021年投产发电[4]。本文结合乌东德、白鹤滩的设计运行资料，分析两座水库建成投产后，通过补偿调节对下游供水能力及溪洛渡、向家坝电能质量的影响。

1 梯级水库概况

乌东德水电站位于四川会东县和云南禄劝县交界的金沙江河道上，是金沙江水电基地下游梯级水电站的第一梯级，上距观音岩水电站253 km，下距白鹤滩水电站182.5 km。控制流域面积40.61万km2，占金沙江流域面积的86%；多年平均流量3 850 m3/s，多年平均年径流量1 210亿m3。乌东德水库正常蓄水位975 m，调节库容30.20亿m3，防洪库容24.4亿m3。电站装机容量1 020万kW，多年平均年发电量约378.8亿kW·h。

白鹤滩水电站位于金沙江下游四川省宁南县和云南省巧家县境内，距巧家县城45 km，上接乌东德梯级，下邻溪洛渡梯级，上距乌东德坝址182.5 km，下距溪洛渡坝址195 km，控制流域面积43.03万km2，占金沙江流域面积的91.0%。白鹤滩水电站首要任务是发电，同时兼顾防洪，改善下游通航条件等综合利用效益，是“西电东送”的骨干电源点之一。电站装机容量1 600万kW，多年平均发电量640.95亿kW·h，保证出力550万kW，水库总库容206.27亿m3，调节库容104.36亿m3，防洪库容75.00亿m3。

2 水库运行方式

乌东德水库根据长江委长江勘测规划设计院2012年6月编制的《金沙江乌东德水电站工程建设规划符合性论证报告》以及2013年12月编制的《金沙江乌东德水电站可行性研究报告(综合说明)》，结合长江上游梯级水库逐步分期蓄水的总体安排，拟定水库运行方式为：7月按在不承担防洪任务时按防洪限制水位运行；蓄水从8月初开始，8月底蓄水至正常蓄水位；蓄至正常蓄水位后尽量维持高水位方式运行，控制库水位逐步有序消落，第二年汛前消落至防洪限制水位。

白鹤滩水库根据白鹤滩水电站的水库特性、径流特性和梯级水电站群的调节性能，以及《金沙江白鹤滩水电站可行性研究报告(工程规模)》，对电站运行研究成果如下：水库6月从死水位765 m附近开始蓄水，蓄至防洪限制水位785 m后，在6月～8月水库按汛期分期水位控制方式运行(即在6月～7月维持防洪限制水位785 m，8月上旬开始按每旬抬高10 m的方式蓄水)，在9月上旬水库可蓄至正常蓄水位825 m，12月水库开始供水，到次年5月水库水位消落至死水位765 m。

溪洛渡水库根据《溪洛渡水电站水库运用与电站运行调度规程(试行)》的规定：溪洛渡水库水位全年在死水位540 m到正常蓄水位600 m之间；水库在7～8月水位不高于560 m运行，实际计算过程按560 m考虑；9月初开始蓄水，9月底蓄至正常蓄水位；之后维持至11底，12月～次年5月，水位逐步消落至540 m，6月初回蓄至560 m。

向家坝水库根据《向家坝水电站水库运用与电站运行调度规程(试行)》的规定：向家坝水库水位全年在死水位370 m到正常蓄水位380 m之间；汛期7月1日～9月10日水库水位按防洪限制水位370 m控制运行；当水库开展防洪调度时，按防汛主管部门的调度指令，实施防洪调度。本文在计算过程中按370 m考虑；水库自9月11日开始蓄水，9月底蓄至正常蓄水位380 m；10月～12月，水库水位维持380 m运行；1月～5月水库开始向下游供水，5月底水位消落到376.5 m，6月底消落至防洪限制水位370 m。

3 补偿效益分析

3.1 测算条件

在测算的过程中，乌东德、白鹤滩在满足水库运行方式要求基础上，枯期按均匀消落的方式向下游补水、蓄水期按均匀蓄水的方式蓄至正常蓄水位。计算采用1954年1月～2010年12月的逐旬来水。

根据电站的实际运行情况，在进行发电量测算时，需满足以下约束条件[5]

水量平衡约束

Vi,t+1=Vi,t+(qi,t-Qi,t-Si,t)Δt∀t∈T

(1)

式中，Vi,t+1为电站i在t时段末的蓄水量，m3；Vi,t为电站i在t时段初的蓄水量，m3；qi,t为电站i在t时段的入库流量，m3/s；Si,t为电站i在t时段的弃水流量，m3/s；Δt为计算时段长度，s。

水库蓄水量约束Vit,min≤Vi,t≤Vit,max∀t∈T

(2)

式中，Vit,min电站i在t时段的最小蓄水量，m3；Vit为电站i在t时段的蓄水量，m3；Vit,max为电站i在t时段的最大蓄水量(m3，一般为正常蓄水位到死水位之间，汛期考虑汛限水位约束)。

水库下泄流量约束

Qit,min≤Qi,t≤Qit,max∀t∈T

(3)

Si,t≥0 ∀t∈T

(4)

式中，Qit,min为第i个电站第t时段的最小下泄流量(m3/s，一般考虑航运、补水等约束)；Qit,max为第i个电站第t时段最大允许下泄流量，m3/s。

水位变幅约束 |Zi,t+1-Zi,t|≤ΔZi

(5)

式中，Zi,t为第i库第t时刻水位；Zi,t+1为第i库第t+1时刻水位；ΔZi为第i库水位允许的变幅。

电站出力约束

Ni,min≤Ai·Qi,t·Hi,t≤Ni,max∀t∈T

(6)

式中，Ni,min为电站i允许的最低出力，MW；Ni,max为电站i的装机容量，MW。

非负条件约束，上述水位、流量、蓄水量、出力等变量均大于等于0。

表1 乌东德白鹤滩调蓄对溪洛渡向家坝出力影响 m3/s

表2 乌东德白鹤滩调蓄对溪洛渡向家坝出力影响 万kW

3.2 调度目标

乌东德、白鹤滩两座电站都以发电为主，兼顾防洪和拦沙等功能。本文重点考虑在两座电站调蓄下，对下游溪洛渡、向家坝两座水电站电量方面及对下游补水的影响，最终选取了枯期供水量、枯期平均出力、增发电量等三个因子为评价指标。为给电网提供尽可能大枯期出力，提高电能质量，在计算过程中，以最大化电站保证出力为目标，即：梯级电站枯期出力尽可能大，即最大化最小出力。该目标主要是为电网提供尽可能大的均匀的可靠出力[6]。同时，在此基础上实现增发电量、提高枯期供水量为目的。

(7)

式中，NP为整个梯级最大化的最小出力，MW；Ai为第i个电站出力系数；Qi,t为第i个电站在第t时段发电流量，m3/s；Hi,t为第i个电站在第t时段平均发电净水头，m；N为梯级电站总数；T为年内计算总时段数(计算时段为旬，T=36)。

3.3 效益分析

在满足溪洛渡、向家坝调度目标的前提下，分别采用57年天然逐旬径流过程及考虑乌东德、白鹤滩调蓄后的径流逐旬径流过程，考虑相关目标和约束，对溪洛渡、向家坝调度过程进行计算，计算结果见表1～3。

从表1可以看出，通过乌东德白鹤滩水库调蓄，枯期流量增加明显。向家坝最小出库流量由1 890 m3/s增加到2 730 m3/s，增加了44.4%，枯期(1月～5月、11月～12月)平均流量由2 370 m3/s增加到3 080 m3/s，增加了30.0%；枯期流量占全年的比例由28.1%提高到36.5%。从表2、3可以看出，梯级电站最小出力由513万kW增加到735万kW，增加了43.3%。梯级电站发电量由917亿kW·h增加到976亿kW·h，增加了6.4%。

4 小 结

本文在梳理乌东德、白鹤滩、溪洛渡、向家坝四座水库调度规则的基础上。从增加向家坝枯期下泄流量、提高梯级电站枯期出力以及增发电量3个方面，分析了乌东德、白鹤滩调蓄对溪洛渡向家坝梯级电站的影响。由分析结果可以看出，经乌东德白鹤滩梯级电站调蓄后，向家坝枯期(1月～5月、11月～12月)平均出库流量由2 370 m3/s增加到3 080 m3/s，提高了30.0%；枯期流量占全年的比例由28.1%提高到36.5%，大大的提高了枯期向下游补水的能力。梯级电站最小出力由513万kW增加到735万kW，增加了43.3%，提高了电能质量，优化了电源结构。两座电站多年平均增发电量59亿kW·h，相当于节约标准煤184.0万t，减少二氧化碳排放472.5万t，节能减排效果显著。

表3 乌东德白鹤滩调蓄对溪洛渡向家坝电量影响 亿kW·h