丰满-尼尔基水库群联合优化调度方案研究

樊祥船，刘恩鹏，刘玉青

(中水东北勘测设计研究有限责任公司，吉林 长春 130021)

1 基本情况

丰满水电站位于第二松花江干流上的丰满峡谷口处，下游距吉林市16km。坝址控制流域面积4.25万km2，占第二松花江流域面积的58%。多年平均径流量136.49亿m3。工程任务是以发电为主，兼顾防洪、城市及工业供水、灌溉、生态环境保护，并具有旅游、水产养殖等效益。水库正常蓄水位263.5m，死水位242.0m，汛期限制水位260.5m，总库容103.77亿m3，兴利库容56.72亿m3，具有多年调节性能；重建后电站装机容量1480MW，设计保证出力146MW。

尼尔基水库位于嫩江干流中游，下游距齐齐哈尔市约130km。坝址控制流域面积6.64万km2，占嫩江流域总面积的22.24%，多年平均径流量104.78亿m3。工程任务是以防洪、城镇生活和工农业供水为主，结合发电，兼顾改善下游航运和水生态环境，并为松辽流域水资源优化配置创造条件。水库正常蓄水位216.00m，死水位195m，汛限水位213.37m，总库容86.10亿m3，兴利库容59.68亿m3，具有多年调节性能；电站装机容量250MW，设计保证出力18MW。

松花江流域(哈尔滨以上)主要用水集中在丰满水库和尼尔基水库以下，当遭遇连续枯水年时，河道水量不足，河道内生态和航运用水受到严重威胁，航运流量难以满足要求。径流资料显示松花江流域干支流径流量从1956年以来有下降的趋势[1]，未来流域用水矛盾将愈加紧张。

丰满、尼尔基水库之间为并联关系，水库之间无直接水力联系，但在保障松花江干流(哈尔滨以上)河道生态流量以及通航流量等方面可共同发挥作用。两库1956—2010年55年丰枯异步频率60.78%，明显大于丰枯同步频率39.22%[2]，说明来水条件总体有利于两库联合运用。而目前丰满、尼尔基两库是按单一水库规则进行调度，没有考虑联合补偿作用。因此，有必要开展水库群联合调度研究，通过对比分析，提出切合实际可操作的联合调度方案。

2 联合调度模型建立

本文研究范围为松花江流域(哈尔滨以上)，包括嫩江、第二松花江和松花江干流三岔河至哈尔滨段三个大区间。将流域的丰满、尼尔基水库群作为研究对象，根据流域多年长系列径流数据，综合考虑河道内和河道外各行业用水需求，建立水库群兴利调度数学模型，以充分发挥水库群的联合调节作用。

2.1 需水量分析

2.1.1河道外用水需求

依据松花江流域水资源综合规划和第二松花江、嫩江、诺敏河、绰尔河等流域水量分配方案，第二松花江流域、松花江干流采用2030年水平年需水量，嫩江干流采用2020年水平年需水量，嫩江各支流采用2030年水平年需水量。黑龙江省北部引嫩工程、吉林省引嫩入白工程、大安灌区、引松供水工程等主要取水口取水量为51.34亿m3，第二松花江干流、嫩江干流和松花江干流区间(不含主要取水口)河道外多年平均地表水需水量为90.22亿m3。

2.1.2河道内用水需求

河道生态流量选取扶余、大赉、哈尔滨3个断面为主要控制断面，按照P=90%时的最小生态环境流量和最小生态环境需水量双重控制(见表1)，枯水期为11月—次年4月，丰水期为5—10月。规划哈尔滨断面通航流量(5—10月，P=90%)为550m3/s。

表1 控制断面最小生态流量和生态环境需水量指标

2.2 模型建立及求解

根据水资源四级分区，尼尔基水库供水区间分为尼尔基—塔哈区间、塔哈—江桥区间、江桥—白沙滩区间、白沙滩—三岔河区间、三岔河—哈尔滨区间。主要引水工程作为单独的节点调节计算，干流其余引水工程并入嫩江干流区间按区间计算。丰满水库供水区间为丰满水库—哈达山区间和哈达山—三岔河区间两个干流区间。支流下泄水量汇入相应的干流区间，支流缺水干流不补。

根据流域河流水系特点及水库工程布局，按照各计算单元、水利工程、调水工程之间的传输关系及水力联系，将计算单元与工程节点通过概化的线路相连接，建立以天然水资源在尼尔基和丰满水库单库调度运行下的供给与需求之间平衡计算为基础的调度模型。

水库联合优化调度模型重点研究两个水库蓄放过程对下游各兴利目标用水过程的影响，充分发挥水库间的水文补偿与库容补偿作用，最大程度满足不同用户用水要求。模型综合考虑供水、发电、航运、生态等不同目标之间的相关关系，在建模过程中以发电效益最大、河流生态及航运影响最小为模型目标函数进行两库多目标联合调度。

2.2.1目标函数

模型目标函数如式1—2，两目标分别为两库总发电效益最大(充分考虑保证出力前提下多年平均发电量最大)以及哈尔滨断面航运用水保证率最高：

maxE=(N1+N2)·7.3×10-6

(1)

(2)

(3)

(4)

(5)

式中，E—丰满水库、尼尔基水库系统调度运行期内的总发电量，kW·h；P—哈尔滨断面航运用水保证率；N1、N2—丰满、尼尔基电站的发电出力，MW；T—时段总数；Th—航运用水时段总数；βi—航运用水不足时段数；A′、A″—丰满、尼尔基电站出力系数，丰满电站取8.6，尼尔基电站按运行经验取8.0；q′t、q″t—丰满、尼尔基电站在t时段的发电流量，m3/s；h′t、h″t—丰满、尼尔基电站在t时段的净水头，m，为上下游水位之差减去水头损失；q哈、qh—在i时段哈尔滨断面流量以及最低航运流量，m3/s。

2.2.2约束条件

(1)水量平衡约束：

W上区来水+W本地水+W调入水量+W回归水-W地表供水量-W调出水量-W蒸渗损失-W下泄水量=0

(6)

W入库水量+W调入水量-W蒸渗损失-W供水量-W调出水量-W弃水量=0

(7)

(2)水库蓄水量约束：

V′min，t≤V′t≤V′max，t

(8)

V″min，t≤V″t≤V″max，t

(9)

式中，V′min，t、V″min，t—丰满、尼尔基水库t时段蓄水下限，对应各水库的死库容，m3；V′max，t、V″max，t—丰满、尼尔基水库t时段蓄水上限，m3。

(3)水轮机过水流量约束：

q′t≤q′max，t

(10)

q″t≤q″max，t

(11)

式中，q′max，t、q″max，t—丰满、尼尔基水电站t时段最大发电引用流量，m3/s。

(4)水电站出力约束：

(12)

(13)

式中，N′min、N″min—丰满、尼尔基水电站的最小出力，MW；N′max、N″max—丰满、尼尔基水电站的装机容量，MW。

(5)水库水位约束：

Z′1=Z′T

(14)

Z″1=Z″T

(15)

式中，Z′1、Z″1—丰满、尼尔基水库起调水位，m；Z′T、Z″T—调度运行期末时段丰满、尼尔基水库水位,m。

(6)其他约束：

在模型计算过程中，还要保证水库下游各供水单元供水保证率以及各控制断面生态供水保证率满足设计保证率的要求。

2.2.3模型求解

构建水库群联合优化调度模型，应用模拟和优化相结合的方法对模型进行求解，在求解过程中，以各水库调度图中调度线上的关键控制点以及不同目标供水量作为决策变量求解联合调度模型。考虑到丰满水库和尼尔基水库联合调度的多目标性，模型中两库联合调度问题是一个多目标决策问题，不仅包括水库间的多目标，同时也包括水库自身的多目标问题。本文在模拟优化过程中，采用多目标遗传优化算法NSGA-II通过模拟-优化模式进行历时迭代，最终得到一组多目标组成的非劣解及其对应的联合调度规则，并从中选择出符合决策要求的联合调度规则。

3 水库群联合调度方案

3.1 方案制定

丰满水库和尼尔基水库原有调度方案均是按单一水库规则进行兴利调度，其中丰满水库采用丰满水电站重建工程可行性研究报告的调度规则(如图1所示)，尼尔基水库采用尼尔基水利枢纽工程初步设计的调度规则(如图2所示)。

图1 丰满水库可研阶段调度图

图2 尼尔基水库初设阶段调度图

为充分挖掘两座水库潜力，寻求满足水库下游各业用水、生态、航运要求前提下，两库发电效益(保证出力和多年平均发电量)最大的方案，重新制定两库的水库调度图和调度规则。其中，丰满发电调度图调整为发电与供水相结合的调度图，在补偿供水期增加放流目标。两库联合优化调度规则见表2—3。两库补偿供水期放流目标如图3—4所示。两库优化调度图如图5—6所示。

图4 尼尔基水库补偿供水期放流目标

图5 丰满水库优化调度图

表2 丰满水库优化调度规则

3.2 联合调度结果及分析

根据1956—2010年长系列径流资料，分别采用常规调度规则和联合优化调度规则对丰满水库和尼尔基水库进行模拟计算，分析多年运行特性和统计兴利指标，特别是河道内生态环境流量和航运流量的满足情况(见表4)。联合优化调度方案与常规方案的相比，发电量略有减少，但下游供水设计保证率和破坏深度同时满足要求，多年平均供水量增加；哈尔滨航运流量保证率从82.18%提高到90.00%，可满足通航要求。可见联合调度方案发挥了水库群联合补偿作用，是在不破坏供水的前提下提高哈尔滨的航运流量保证率，同时对两库发电效益影响程度降至最小，即满足哈尔滨的航运流量保证率情况下，丰满和尼尔基综合发电效益最大的调度方案。

表3 尼尔基水库优化调度规则

表4 联合调度方案优化效果比较

图6 尼尔基水库优化调度图

4 结语

经上述研究可知，在松花江流域(哈尔滨以上)2030水平年需水情况下，丰满水库和尼尔基水库原有单库调度方案不能满足流域综合兴利要求。本次建立联合调度模型、制订优化方案协调供水、发电、灌溉、生态流量保障等相互关系，解决了区间供水的集中性破坏问题，并明显提高了通航保证率，取得了理想的结果，研究成果可以为流域水资源优化配置与水量调度提供参考。需要指出的是，丰满和尼尔基两库到哈尔滨的径流传播时间均较长，建议在实际运行中加强水文预报，并协调水电站管理单位适时调整水库放流量，以更好地达到预期的联合调度效果。