基于分级预降回蓄法的两河口水库汛期发电调度方案研究

金 新

(雅砻江流域水电开发有限公司，四川 成都 610051)

0 引 言

长期以来，水库汛期发电优化调度方案有退水段回蓄法[1]、一般预降回蓄法[2]、数学算法综合分析法[3]、分期汛限水位法[4]。退水段回蓄法只考虑了利用退水段洪水流量逐渐变小来抬高水头增加发电量但是忽视了利用汛期涨水段的洪水预报信息。一般预降回蓄法在预报出现洪水时直接将水位预降至汛期限制水位，并未采用逐级预降。数学算法综合分析法利用高等数学优化算法进行优化调度，但在数学方面存在容易陷入局部最优解的缺点，在物理方面存在计算得出的优化调度方案实际可操作性不高的缺点。分期汛限水位法根据经验将汛期划分为不同阶段，并分别在主汛期与后汛期确定两种不同的汛限水位，但该方法并未充分考虑洪水预报情况。国外相关学者提出了使用不同频率洪水动态演算模型和线性规划模型进行优化调度。

本文提出按预报洪水流量确定不同汛期水库控制水位的逐级预降回蓄方法，取得了较好效果。

1 基于逐级预降回蓄法的优化调度方案拟定步骤

1.1 逐级预降回蓄法的原理

逐级预降回蓄法通过预泄能力来确定汛期运行水位的变动区间，在变动区间内确定3～5个汛期水库控制水位，并依据水情水调系统预报的洪水入库流量确定相应的控制水位。逐级预降回蓄法在洪水预报流量较小时将水位预降至相对较高的汛期水库控制水位，一般预降回蓄法相比，这种根据洪水预报流量大小灵活控制库水位的方法可以获得更多的发电量。

1.2 逐级预降回蓄法的拟定步骤

1.2.1 拟定汛期运行水位上下限

考虑防洪安全汛期运行水位下限值取水库汛限水位，考虑预泄风险和兴利效益汛期运行水位上限值根据水库预泄能力确定且不超过正常蓄水位[5]。偏安全考虑，以校核洪水过程线分析预泄能力来确定汛期运行水位的上限值，具体计算公式为

(1)

1.2.2 拟定汛期水库控制水位

汛期水库控制水位指的是在汛期进行优化调度时根据不同的预报流量区间确定的若干个水位。拟定好汛期运行水位上下限后，在汛期运行水位上下限区间内拟定4～7个汛期水库控制水位。为便于水库调度，相邻的两个汛期水库控制水位间隔宜控制在2～5 m。

1.2.3 通过回水计算得到每个汛期水库控制水位对应的入库流量

回水计算指的是根据库水位、入库流量和水库横断面情况通过伯努利方程确定水库库区的淹没范围。水库汛期优化调度方案必须保证不能增加原有的淹没范围，因此需要对每一个汛期水库控制水位进行回水计算，在不超过可行性研究阶段水库淹没范围的基础上得到每个汛期水库控制水位对应的允许最大入库流量。伯努利方程计算公式为

(2)

式中，Z1、Z2分别为水库下游断面、上游断面的水位；Q1、Q2分别为水库下游断面、上游断面的流量；n为水库上下游断面之间的糙率；A1、A2分别为水库下游断面、上游断面的面积；R1、R2分别为水库下游断面、上游断面的水力半径；Δl为水库下游断面、上游断面之间的距离；g为重力加速度[6]。

通过回水计算可确定汛期水库控制水位Z控和允许最大入库流量Q允的对应关系。

考虑到水情水调系统存在一定的洪水预报精度，偏安全考虑实际调度过程中每个汛期水库控制水位Z控所对应的调度入库流量Q调计算公式为

Q调=ηQ允

(3)

式中，Q调为每个汛期水库控制水位的允许最大入库流量；η为保险系数，取水情水调系统洪水预报精度值；Q允为每个汛期水库控制水位的调度入库流量。

1.2.4 拟定方案

对水库的水情水调系统、工程概况、历年洪水资料、下游防洪现状和库区回水、移民情况及及水库汛期水库控制水位与调度入库流量关系综合分析，拟定根据水情水调系统预报的洪水流量及时确定汛期运行水位的分级预降回蓄水库汛期发电优化调度方案。一般洪水来临时分为涨水段、洪水段和退水段等不同阶段，在没有水文预报的情况下，汛期时刻防止可能来临的洪水导致库区水位不能抬得较高，通过充分利用两河口水电站水情水调系统及时地预知未来水库的洪水流量，对于不同阶段的洪水分别进行调度。涨水段将水位逐级预降下去以确保洪水段来临前水位能预降到汛限水位，洪水段按照泄流能力泄洪，退水段将水位逐级回蓄上去。

1.2.5 方案合理性分析

拟定完方案后，需从库区淹没范围、水位预降可行性、电站下游防洪安全影响、汛期运行水位分析等角度分析汛期发电优化调度方案的可行性，并将拟定方案的发电量与原有调度方案的发电量进行对比分析方案的应用价值。

2 实例研究

2.1 两河口水电站概况

2.1.1 工程概况

两河口水电站位于四川省甘孜州境内，坝前汇入庆大河，一坝锁三江。坝型为土石坝，坝高295 m，为世界第三高土石坝，电站总投资约为665亿元。该电站对改善下游梯级电站的供电质量，对雅砻江梯级全面开发建设起到实质性的推动和促进作用。根据本电站的地理位置和供电特性，两河口水电站供电四川电网，参与川电外送。

2.1.2 洪水资料分析

据雅江水文站实测资料统计，雅江以上流域洪水具有历时相对较短而洪峰相对较小的特点。年最大流量最早发生在2006年6月18日，最晚发生在1956年9月18日。年最大流量集中在3 862～5 218 m3/s，其中年最大流量的最大值发生在2003年9月4日，为5 706 m3/s。年最大流量的最小值发生在1973年6月25日，为3 266 m3/s。

对历年洪水资料进行分析，汛期洪水来临时从洪水涨水段到洪水段(入库流量达到汛限水位2 845 m对应的泄流能力)所需时间为16～20 h，涨水时间相对较长，这为汛期进行发电优化调度提供了足够的预泄时间。

2.1.3 两河口水电站水情水调系统概况

两河口水电站水情水调系统主要分为：水情测报系统，水调常规应用系统以及水调自动化高级应用系统等三大部分。水调自动化高级应用系统包括洪水预报及洪水调度两部分。洪水预报是根据上游雨水情情况，并通过一定的数学模型预测可能来水情况。洪水调度主要功能是根据洪水发生时的洪水过程，合理安排开闸方式、发电方式。该水情水调系统自投入运行以来，共预测了36次洪水，结合该水情水调系统预报情况，洪水预见期取为5.5 h，洪水流量预报精度取为86%。

2.1.4 库区回水与移民情况

两河口水库回水长度约112 km，天然河道平均比降2.33‰，库区最大水面宽1 465 m，平均水面宽460.2 m。在考虑泥沙淤积20年的基础上，根据各频率洪水标准，分别计算干流雅砻江、一级支流鲜水河和一级支流庆大沟，在水位为正常蓄水位2 865 m时的汛期、非汛期相应洪水的回水。

根据《雅砻江两河口水电站移民安置设计报告》，农村居民点、集镇设计洪水标准为5%，以该频率的分期洪水回水位的外包线作为移民范围，各回水断面之间的高程采用内插的计算方法。其中回水长度为116.09 km，回水末端断面位置为101号断面以上276 m，末端断面淤后水位为2 877.883 m。根据回水外包线确定不同断面的移民淹没水位，两河口水电站移民范围涉及理塘、雅江、新龙、道孚4县一共20个乡、82个村，移民安置总人口为6 287人。

2.1.5 下游防洪现状

两河口水电站下游雅砻江干流河道主要防洪对象为雅江县的相关乡镇，下游防洪对象的防洪标准为5年一遇洪水。因此预泄期间的下泄流量上限值应不超过下游防洪对象的允许安全泄量，即5年一遇洪水的洪峰流量4 620 m3/s。

2.2 确定两河口水库汛期水库控制水位和调度入库流量关系

汛期运行水位下限值取两河口水电站的汛期限制水位2 845 m，由式(1)根据预泄能力确定汛期运行水位上限值为2 853 m，未超过正常蓄水位2 865 m，满足要求。在确定好的汛期运行水位区间内每隔 2 m 确定一个汛期水库控制水位，分别为2 845、2 847、2 849、2 851、2 853 m。

根据回水计算确定两河口水电站的汛期水库控制水位Z控和允许最大入库流量Q允的对应关系，考虑到两河口水电站水情水调系统洪水预报精度为86%，利用式(3)得到两河口水电站的汛期水库控制水位与调度入库流量关系。当汛期水库控制水位为2 853 m时，调度入库流量为741 m3/s；当汛期水库控制水位为2 851 m时，调度入库流量为1 419 m3/s；当汛期水库控制水位为2 849 m时，调度入库流量为2 033 m3/s；当汛期水库控制水位为2 847 m时，调度入库流量为2 519 m3/s；当汛期水库控制水位为2 845 m时，调度入库流量为3 105 m3/s。

通过对两河口水电站水情水调系统、工程概况、历年洪水资料、下游防洪现状和库区回水、移民情况及及两河口水电站汛期水库控制水位和调度入库流量关系综合分析，拟定根据水情水调系统预报的洪水流量及时确定汛期水库控制水位的分级预降回蓄水库汛期发电优化调度方案。

2.3 调度方案拟定

2.3.1 涨水段调度过程

根据预泄能力确定涨水段库水位最高可控制在2 853 m，在涨水段根据预报洪水流量将水位分级预降下来，保证在洪水段以汛限水位迎洪。下泄流量不超过安全流量4 620 m3/s，确保不对下游防洪安全造成影响。涨水段调度过程见表1。

表1 两河口水库涨水段调度过程

2.3.2 洪水段调度过程

当洪水流量继续增大入库流量超过3 105 m3/s时按照两河口水电站可行性研究阶段确定的调洪方式进行调度：洪水流量小于汛期限制水位2 845 m对应的大坝泄流能力7 230 m3/s时保持下泄流量与入库流量持平[7]，当洪水流量超过7 230 m3/s时按泄流能力进行泄洪。

2.3.3 退水段调度过程

在退水段确保洪水已经退去时，根据预报洪水流量将水位分级回蓄上去。退水段调度过程见表2。

表2 两河口水库退水段调度过程

2.4 方案合理性分析

2.4.1 水库淹没范围分析

以回水外包线不超过库区移民范围通过回水计算确定两河口水库允许库水位和入库流量曲线，并将两河口水库汛期水库控制水位和相对应的调度入库流量共五组数据加入图中，详见图1。这五组数据都在两河口水库允许库水位和入库流量关系曲线的下方，由此可知拟定的优化调度方案未增加两河口水库的淹没范围。

图1 两河口水库允许库水位和入库流量关系曲线

2.4.2 水位预降可操作性分析

考虑偏危险情况，对校核洪水进行逐级预降分析，控制预降流量不超过下游安全泄量，从2 853 m预降至2 845 m所需的时间为4.58 h，小于洪水预见期5.5 h，因此遇到洪水时，库水位从2 853 m逐级预降至2 845 m是可行的。

2.4.3 电站下游防洪安全影响分析

根据两河口水库汛期发电优化调度方案，水库预降时，水库按流量4 620 m3/s预泄，下泄流量不超过坝址2年一遇洪峰流量，即不超过两河口下游河道最低的安全泄量，不会对下游防洪安全产生不利影响。

2.4.4 汛期运行水位分析

采用两河口水电站1952年6月～2010年5月长系列逐日天然流量作出两河口坝址日流量保证率曲线，见图2。从日径流统计成果分析，两河口水电站日平均流量在741、1 419、2 033、2 519、3 105 m3/s以上分别仅占11.1%、7.4%、4.2%、3.3%、2.2%，因此，按照拟定的优化调度方案，水库运行中可有较多的时间在汛期限制水位2 845 m以上运行。按采用径流调节计算成果，在长系列中，按日径流计算，水库汛期均可以从汛期限制水位抬高至2 853 m运行，其中汛期5月～10月由于入库流量较大而降至2 853 m以下运行平均每年约27 d，仅占全年总天数的7.4%。

图2 两河口坝址日流量保证率曲线

2.4.5 汛期发电优化调度方案发电量分析

两河口水电站汛期水库控制水位的上限值比汛期限制水位高出8 m，如果汛期不考虑水情预报的话需要将水位控制在汛期限制水位，采用优化调度可以根据预报的洪水信息抬高库水位来增加发电量。两河口水电站作为雅砻江全流域的龙头电站，采用优化调度后亦可增加流域下游已建成水电站的兴利效益。

根据《两河口水电站可行性研究报告》[7]，由于可行性研究阶段时雅砻江流域当时未建成水情水调系统，两河口水电站汛期调度采用常规调度。为了提高两河口水电站的发电量，本文利用洪水预报信息拟定了基于分级预降回蓄的汛期发电优化调度方案。

径流资料采用1952年6月～2010年5月共58年的径流系列，坝址处汛期6月～10月多年平均流量1 200 m3/s，平枯期11月～翌年5月多年平均流量282 m3/s[8]。分别采用常规调度和优化调度进行径流调节，两河口水电站的多年平均发电量分别为110亿kW·h和114.2亿kW·h，进行优化调度后电量增加3.8%，兴利效益明显。按照四川省水电上网电价0.273元/(kW·h)进行计算，可带来1.15亿元的效益。

3 结 语

在不增加库区上游淹没、不增加下游防洪负担的基础上，通过利用洪水预报信息并结合两河口水电站水情水调系统、工程概况、历年洪水资料、下游防洪现状和库区回水与移民情况对两河口水电站进行逐级预降回蓄优化调度后，多年平均发电量增加4.2亿kW·h，带来约1.15亿元的效益。