毛尔盖水库经济优化调度研究与实践

任良均

（中国电建集团阿坝水电开发有限公司，四川 阿坝 623500）

水库经济优化调度是为了充分发挥水库调蓄能力和合理处理水库蓄泄关系，将水能资源在时间上优化再分配，达到节水创效的目的。本文通过分析毛尔盖水库近年来弃水量、发电量等经济运行指标，阐述影响水库经济调度的制约因素，研究水库经济优化调度策略，采取升级水情自动测报系统，并接入数值气象预报成果延长水情预报的预见期，结合流域水文特征优化电量指标分配，科学评估水库大坝健康状态，放宽水库水位限制条件，建立水库调度会商机制等措施，提升水库水能利用率，降低机组耗水率，减少弃水量，增加发电收益。

1 毛尔盖水库概况

毛尔盖水库是岷江上游最大支流黑水河上的龙头水库，位于四川省阿坝藏族羌族自治州黑水县境内，属国家二等大（2）型工程，电站为混合式开发，开发任务为发电并兼顾向成都灌区供水。毛尔盖水电站装机容量426 MW（3×140 MW+1×6 MW），设计年均发电量16.87 亿kW·h，年设计利用小时数4 017 h。水库有溢洪道和泄洪放空洞2 个泄洪设施，拦河大坝为砾石土直心墙堆石坝，坝顶高147 m、宽12 m、长527.3 m。水库正常蓄水位2 133 m，死水位2 063 m，正常蓄水位以下库容5.35 亿m³，调节库容4.43 亿m³，具有年调节能力，2011 年10 月21 日首台机组正式并网发电。毛尔盖水库特征，如图1所示。

图1 毛尔盖水库特征

2 研究背景

毛尔盖水库自蓄水以来，主要存在以下3 个方面的问题，导致水库经济效益未达到设计要求。

（1）自蓄水以来，因大坝存在渗水以及边坡变形等尾工遗留问题，为保障大坝工程安全，对水库水位上升和下降速率进行严格限制，水库调蓄能力不能按照设计要求进行充分发挥。

（2）水库泄洪放空洞为水位2 124 m以下唯一泄洪设施，根据设计要求须采用间隙性全开方式泄洪，局部开启将会因为补气不足导致负压产生而损毁流道，造成经济损失。

（3）大坝下游减水河段被当地村民非法侵占，行洪能力逐年下降，瓶颈处流量由800 m³/s 下降至400 m³/s左右，威胁防洪安全。

正因为水库调度受到诸多条件约束，处于上不能蓄水、下不能泄洪的境地，这不仅影响水库经济运行，而且在汛期还给水库构成较大的安全风险。水电站投运以来年均发电量为15.8 亿kW·h，较设计年均发电量16.8 亿kW·h 减少1 亿kW·h，年均弃水量4.1 亿m³，占来水总量的12.4 %。水库经济效益没有达到设计要求，为充分发挥水库调蓄能力、提升水库运行经济效益，开展了水库经济优化调度研究。

3 水库调度制约因素

3.1 水情预报能力弱

毛尔盖水库水情测报系统由坝址以上7 个雨量站、3个水文站、2个水位站和1个中心站组成。系统自施工期建成起至今已运行超过10 a，遥测站设备老化问题严重，设备故障率较高，数据传输的畅通率低延迟率高，水情服务器运行迟缓故障率较高，水情数据缺失严重，水情预报精度不满足要求。毛尔盖坝址以上3个水文站原本是水库施工期使用的水文站，因水库蓄水后水面抬升，与水库库尾水面距离较近，导致水库运营期洪水预报的预见期不足9 h，无法为水库经济调度和防洪调度提供合理的水情预报成果。毛尔盖水库水情自动测报系统站网分布，如图2所示。

图2 毛尔盖水库水情自动测报系统站网分布

3.2 水库水位上升和下降速率限制约束

自蓄水以来，受大坝坝基渗水以及距坝址右岸500 m 处的渔巴渡变形体影响，为保障水库及大坝工程安全，对水库水位上升和下降速率进行了严格限制，从而使水库不能过多地拦蓄和消落水量，极大地限制了水库的调蓄能力。毛尔盖水库水位上升和下降速率限制，详见表1。

表1 毛尔盖水库水位上升和下降速率限制

3.3 泄洪放空洞运行方式约束

泄洪放空洞为毛尔盖水库2 124 m以下唯一泄洪设施，也是水库泄洪和放空的重要泄水设施。泄洪放空洞局部开启因补气不足导致负压产生而损毁流道，从而造成经济损失，因此设计要求泄洪放空洞采用间隙性全开方式运行。但在实际的运行过程中，泄洪放空洞下泄流量较大，根据泄洪放空洞泄流曲线，水位在2 100 ～2 124 m全开下泄流量为400～480 m³/s，超过下游减水河段行洪能力，且全开泄洪可能形成人造洪峰，威胁下游人民生命财产安全。根据水位上升速率要求，2 124 m以下只能通过开启泄洪放空洞调节水位上升速率，局部开启泄洪放空洞将因补气不足产生负压，使流道损毁造成经济损失，因此泄洪放空洞在运行方式上矛盾突出，实际运行过程中基本无法执行。毛尔盖水库泄洪放空洞全开敞泄流曲线，如图3 所示。

图3 毛尔盖水库泄洪放空洞全开敞泄流曲线

3.4 流域来水与电力需求矛盾突出

根据黑水河水文特征，结合毛尔盖水库弃水分析，黑水河5月进入雨季，6、7月来水量最大，占全年来水量的33.3 %，而8 月多为伏旱天气来水相对偏少，占全年来水量的11 %。近年来，因四川省电力产能过剩且电力市场改革不断深入，在6、7 月来水大时因市场电量指标难以满足而产生弃水，水库6、7 月平均弃水量2.2 亿m³，占全年弃水总量的56%，弃水电量1.2 亿kW·h。8 月来水偏少，而电网因夏季用电高峰负荷需求大，水库多为消水运行。黑水河天然来水及电力市场电量指标分配不均，导致6、7 月电量指标不足产生弃水而8 月缺水电量指标多的矛盾比较突出。黑水河流域月均降雨径流关系，如图4所示。

图4 黑水河流域月均降雨径流关系

4 优化措施

4.1 强化大坝本质安全，提升水库调蓄能力

毛尔盖水库大坝因存在渗水及边坡变形等问题，故对水库水位上升和下降速率进行限制，使水库调蓄能力不能得到充分发挥。通过对大坝进行帷幕灌浆处理后，大坝渗水量由240 L/s降至70 L/s，渗水量得到大幅度减小，达到灌浆处理效果。同时，通过加强大坝各部位监测并在国家能源局大坝安全监测中心登记注册，综合评定毛尔盖大坝安全等级为甲级。鉴于此，将水库水位上升和下降速率在原有条件基础上增加0.5 m/d，从而提升水库调蓄能力，为水库经济优化调度提供先决条件。

4.2 提升水情测报系统预报能力

获取高质量的水文情报，提升水情预报成果的合理性，是水库优化调度的基础。鉴于水情测报系统基本不具备预报能力，2019 年对毛尔盖坝址上游7个雨量站和3个水文站进行硬件更新，对水情测报系统软件进行更新升级，增加洪水预报功能，提升水情自动测报系统运行稳定性和遥测站数据采集传输的可靠性。与上游水电站开展水情信息共享，提升水情自动测报系统站网密度，水情信息共享后毛尔盖坝址以上站网密度由532 km2/站提升至295 km2/站，提升了水情测报系统数据的准确性。经过运行，2019 年水情测报系统数据畅通率98.18%，满足了《水文自动测报系统设备通用技术条件》（GBT 27994-2011）要求，达到预期效果。

毛尔盖水库回水长度12 km，坝址以上3 个控制性入库水文站为施工期水文站。水库蓄水后，这些水文站基本在库尾，虽然对水文站设备进行了更新，依然不能解决水情测报系统预见期短的问题。利用现代数值化气象成果，通过将欧洲中期天气中心（ECMWF）数值气象预报成果接入水情测报系统，采用新安江洪水预报模型进行洪水预报等措施，将洪水预报预见期由9 h 延长至24 h，宏观趋势预判期延长至72 h。2019—2020 年，水库按照3、6、9 h 预报方案，成功预报了 300 m³/s 量级洪水13 场、400 m³/s 量级洪水 5 场、500 m³/s 量级洪水 3场、600 m³/s 量级洪水 3 场、800 m³/s 量级洪水 1 场。从表2 可以看出，2019—2020 年汛期水库洪水预报合格率达96 %，满足了《水文情报预报规范》（GBT 22482-2008）要求，预报精度等级达到甲级水平。

表2 2019—2020年汛期毛尔盖水库洪水预报和精度评定

4.3 建立科学可行的水库调度制度

毛尔盖水库运行已有近10 a，水库调度的各项边界条件和电力市场已经发生较大变化，之前的水库调度规程、汛期运用方案、防汛预案虽然每年进行修编，但是操作性不强，无法在实际中正确指导水库经济调度工作。经过认真研究制约水库调度的各项因素，结合大坝下游减水河道行洪能力不足、泄洪放空洞运行限制条件等，根据具体情况编修具有可操作性的《毛尔盖水库调度运行规程》《毛尔盖水电站水库汛期水调度运用方案》《毛尔盖水库防洪抢险应急预案》等水库调度规程，明确水库在遇到各种量级洪水时的调度策略以及闸门泄洪组合方式，并将水库调度制度报地方主管部门审核备案，为水库调度提供制度保障和依据。

4.4 建立水库调度会商机制

水库经济优化调度是一个涉及水情预报、电力营销、防洪安全等多领域的综合性工作。为制定科学合理的水库调度策略和避免出现“拍脑壳”式的调度方式，建立水库调度会商机制，汛期每周定期或不定期地开展水库经济优化调度会商。多方收集气象、防洪、电力市场等信息，统筹水情预报、电力市场需求、机组检修方式等各方资源和信息，科学研判电力市场供需形势，结合水情预报成果提高洪水预判能力，合理安排水库蓄泄策略，制定科学可行的水库调度计划。

4.5 结合流域水文特征，优化电力营销策略

根据黑水河水文特征和水库弃水分析发现，天然来水量和电网负荷需求在时间上分配不均衡是导致水库局部弃水的主要原因。在水库调度会商的基础上，积极开展全员电力营销工作，在5 月通过电力市场和外送等通道寻求更多的电量指标，将5月水库水位控制在2 093 m（额定水头对应水位）以下，预留一定库容来拦蓄6—7月中旬的洪水量。6、7月来水多时通过电力营销平台转入电量指标，而8月水少时通过电力营销平台转出电量指标，通过合理调节电量指标分配，减少水库汛期局部弃水量，增加发电量。

5 取得成效

2019年实施毛尔盖水库经济优化调度措施以来，水库各项指标较好，水库经济优化调度成效显著。

2019 年，毛尔盖水电站全年完成发电量18.45亿kW·h，同比上升4.2%，超设计平均发电量9.4%；水库平均运行水位2 112.4 m，同比提升5.7 m；全年产生弃水量2.96 亿m³，同比下降49.1 %，是水库自运行以来弃水量最少的一年；全年水库水量利用率91.8 %，同比提升7.5 %；水能利用率78.19 %，同比提升5.54 %；机组平均耗水率1.765 m³（/kW·h），同比降低2 %；每度电节约用水0.036 m³，全年节约用水6 642 万m³；节水增加发电量0.38 亿kW·h，节水创收1 163 万元。

2020年，毛尔盖电站全年完成发电量21.3 亿kW·h，同比（18.45 亿kW·h）上升15.45 %，较多年（16.66亿kW·h）同比上升27.85 %；水库平均运行水位2 114 m，同比提升1.6 m，多年同比提升8.2 m，平均运行水头同比提升0.5 %；水能利用率79.7%，同比提升1.9%；机组平均发电耗水率1.745 m³（/kW·h），同比降低1.13 %；每度电节约用水0.02 m³，全年节约用水4 162 万m³，相当于增加发电量0.24 亿kW·h、发电收入739 万元。

6 结语

本文通过对毛尔盖水库经济调度现状进行研究分析，找出影响水库经济调度的制约因素，对制约因素进行逐一突破解决，通过提升水情测报能力、强化大坝本质安全、建立水库调度会商机制等优化措施，根据黑水河水文特征以及电网负荷需求等特点，制定科学可行的水库经济调度策略。实践表明，通过实施水库经济优化调度措施，提高了水库运行管理水平，充分发挥了水库调蓄能力，水库各项经济指标得到大幅度提升，创造了较好的经济效益。