珠江三角洲水资源配置工程运行调度方案研究

徐洪军，黄永健，艾 锐

(广东省水利电力勘测设计研究院有限公司，广州 510635)

1 珠江三角洲水资源配置工程概况

1.1 工程任务和规模

珠江三角洲水资源配置工程(以下简称“珠三角工程”)是从西江水系向珠江三角洲东部地区引水，解决广州市南沙区、深圳市、东莞市等城市生活、生产缺水问题，提高供水保证程度，为香港特别行政区以及广东省番禺、顺德等地区提供应急备用供水条件。工程已于2019年上半年全线开工建设，计划于2024年初建成通水。

工程主体由一条干线、二条分干线、三座泵站、四座调蓄水库组成，从佛山市顺德区龙江镇和杏坛镇交界处的鲤鱼洲岛西江干流取水，取水流量80m3/s，多年平均供水量17.08亿m3。

输水干线可分为3段：第一段为鲤鱼洲取水口～南沙高新沙水库段，双管供水，由鲤鱼洲泵站加压输水，设计输水流量80m3/s，从高新沙水库为南沙供水，南沙分水20m3/s，多年平均供水量5.31亿m3；第二段为高新沙水库～沙溪高位水池段，单管供水，由高新沙泵站加压，设计输水流量60m3/s，在沙溪高位水池设有东莞沙溪分水口，分水规模为15m3/s；第三段为沙溪高位水池～罗田水库，单管自流供水，设计输水流量55m3/s。

分干线有两条：自深圳罗田水库分出东莞分干线和深圳分干线，东莞多年平均供水量3.30亿m3，沙溪分水后，从罗田水库以自流方式通过东莞分干线以输送至东莞松山湖水厂，东莞分干线设计输水流量15m3/s。深圳多年平均供水量8.47亿m3，罗田水库分水后，由罗田泵站加压后通过深圳分干线输送至公明水库，深圳分干线设计输水流量30m3/s。

1.2 取水加压泵站工程

1.2.1 鲤鱼洲泵站

西江鲤鱼洲泵站位于西江干流鲤鱼洲，为珠三角工程的一级泵站，负责把西江水提水到南沙高新沙水库，鲤鱼洲泵站取水点为西江，交水点为高新沙水库，西江取水的最低运行水位为0m、最高运行水位为8.08m。高新沙水库最低运行水位为-1m、最高运行水位为4.3m。

鲤鱼洲泵站装机容量7.2万kW，变压器容量6.3万kVA，设8台机组，其中2台备用，6台机组全开时总设计流量80m3/s；根据泵站供水流量需要和实际扬程情况，投入2～6台机组，变频水泵调速范围67%～100%，稳定运行的取水流量范围20～80m3/s。西江限制引水工况下(即当马口站和三水站总来水流量<2500m3/s时，下同)只开启2台机组降速运行，引水流量20m3/s。其它工况下，可按当时的实际运行扬程，投入3～5台机组，调速范围67%～100%。

1.2.2 高新沙泵站

高新沙泵站为珠三角工程的二级泵站，负责把西江水由高沙水库提水到沙溪高位水池，后自流到罗田水库，以高新沙水库为进水前池。高新沙水库进水池最低运行水位为1.6m、最高运行水位为4.3m。交水点罗田水库最低运行水位为19.15m、最高运行水位为33.24m。

高新沙泵站装机容量7.2万kW，变压器容量5万kVA，设6台机组，其中2台备用，4台机组全开时总设计流量60m3/s。根据供水流量需要和实际扬程情况，投入1～4台机组，变频水泵调速范围90～100%，高新沙泵站稳定运行的输水流量范围为15～60m3/s。

在工程检修期和西江限制引水工况，停止为深圳、东莞供水，高新沙泵站停止运行。

1.2.3 罗田泵站

罗田泵站为珠三角工程的三级泵站，设在深圳分干线的首部，负责把西江水由罗田水库提水到公明水库。泵站进水池是罗田水库，出水池为公明水库，设计流量30m3/s。罗田泵站机组设计要求罗田水库水位变幅控制在5m左右，即罗田泵站进水池罗田水库最低运行水位为28.24m，最高运行水位为33.24m。罗田泵站出水池公明水库最低运行水位为26.66m，最高运行水位为59.86m，汛期最高运行水位控制在59.36m以下。

罗田泵站装机容量2万kW，变压器容量2.5万kVA，设4台机组，其中1台备用。根据供水流量需要和实际扬程情况，投入1～3台机组，变频水泵调速范围60%～100%，保证机组稳定运行流量范围10～30m3/s。

1.3 调蓄水库

1.3.1 南沙调蓄水库

工程新建高新沙水库总库容482万m3，调节库容为420万m3，其中用于南沙区应急备用的库容为333.6万m3，其余库容86.4万m3用于工程在线调节。在线调节库容主要用于改善泵站机组行条件、避免频繁启停、提高供水系统稳定性等需要。

高新沙水库死水位-1.00m、正常蓄水位4.2m、设计校核洪水位4.3m，其中用于南沙区应急备用库容的相应水位为3.2m。水库最低运行水位-1.00m，最高运行水位4.3m，其中3.2m以下库容主要在南沙区应急供水时使用，一般情况不用。水位在3.2～4.2m之间用于工程在线调节，使用频率高。

1.3.2 东莞调蓄水库

东莞市调蓄工程为大溪水怀德水库(拟扩建)和五点梅水库群(包括五点梅水库、马尾水库和芦花坑水库)，总调节库容约3800万m3。大溪水怀德水库正常蓄水位88m，死水位55m，调节库容约3500万m3，其中用于本工程的调节库容约3300万m3。五点梅水库群正常蓄水位10.994m，死水位为6.94m，因计划实施五点梅水库群物理隔离工程尚未完成，调节库容未不确定，暂按500万m3考虑。

1.3.3 深圳调蓄水库

1)罗田水库：

已建的罗田水库是深圳市的交水点之一，水库虽不承担调蓄任务，但罗田水库对高新沙泵站提水入库和出库水量起到在线调节作用。罗田水库也是罗田泵站的进水前池，可确保罗田泵站的稳定运行。罗田水库死水库为19.15m，正常蓄水位33.24m。

正在建设的深圳市罗田水库～铁岗水库输水隧洞工程，按自流输水设计，因两座水库水头差有限，要求罗田水库尽量维持较高水位运行；另外,为调蓄水库集雨区来水和泵站运行调度灵活性，需要配置一定的调节库容；罗田泵站机组设计要求罗田水库水位的变幅控制在5m左右。设计考虑以上因素，罗田水库泵站正常运用时水位变幅为28.24～33.24m，并且尽量控制在32.24m以上运行。如遇特别枯水年,罗田水库消落至28.24m以下时，需要先启动鲤鱼洲泵站和高新沙泵站抽水补库，水位回蓄到28.24m以上再启动罗田泵站为公明水库供水。

2)公明水库：

深圳市调蓄工程为利用已建公明水库，兴利库容1.4亿m3。公明水库死水位为26.66m，正常蓄水位59.86m。

公明水库是罗田泵站出水池，最高运行水位为正常蓄水位59.86m。公明水库考虑预留一定的库容用于调蓄水库集雨区洪水，水位59.36m以上用于调蓄洪水(10a一遇洪水3d洪量蓄于库中)。公明水库运行水位在26.66～59.36m之间。

2 工程水量调度

2.1 取水调度

本工程为跨流域调水工程，工程取水以不影响取水口下游河道内外生产、生活和生态用水为前提，同时考虑工程检修需要，工程取水调度如下：

1)根据设计西江取水限制条件，当上游马口站和三水站总来水量≥2500m3/s时，可正常按需供水，最大引水规模为80m3/s。当上游马口站和三水站部来水量<2500m3/s时，只引取20m3/s供南沙，停止向东莞、深圳供水。

2)每年安排1个月检修期，进行泵站维护和管道清淤。检修期间，西江取水20m3/s，保持单管运行仅供南沙，两根管道交替检修，停止为东莞、深圳供水。泵站及输水管道工程检修期安排在每年西江枯水期，尽量与西江枯水期不能引水时段相结合，减少对受水区东莞、深圳的影响。

3)当西江发生水污染等突发事件时，本工程停止取水；事件处理完毕、水质达标后，工程恢复正常取水。

4)当遇特枯水年，流域出现严重缺水时，本工程服从西江流域统一水量调度。

2.2 用水需求

根据工程建设管理单位与受水区签订的供水协议，本工程建成投产后，即按工程设计供水量供水。如工程建成初期各受水区水量需求达不到设计供水量，可根据各分水口的实际水量需求进行调度。

工程供水计划以受水区用水计划为指导，供水计划细划到日，每日供水量主要由供水量、补库水量两部分组成，其中供水量可根据各市提供的用水计划来确定。供用水计划一般情况下分为年计划、月计划，通常以月计划为主，遇水库发生大洪水或特枯水年等特殊情况可临时使用周计划或日计划来调度。由本工程管理的水库，补库水量可根据水库当前水位和计划蓄水位，结合本工程的供水能力分析确定，非本工程管理的水库可由水库管理部门根据水情、水位、用水等实际情况提出补库计划。

深圳市供水量包括罗田水库供水量、罗田水库补水量、公明水库供水量和公明水库补水量等4部分。

东莞市供水量包括东莞分干线供水量、东莞沙溪分水口供水量，其中沙溪分水口供水量又分为芦花坑水厂供水量、大溪水怀德水库补水量和五点梅水库群补水量等3部分。

南沙供水量包括南沙支线供水量、高新沙水库补水量、从高新沙水库取水的其他水厂供水量(未建设)。

2.3 分段供水量

深圳分干线(罗田泵站)供水量包括公明水库供水量和公明水库补水量。

工程干线分段供水量根据各分水口的位置及各分水口的计划供水量，由输水管道远端向首端累加计算。其中，干线沙溪分水口～罗田水库段供水量为东莞分干线供水量、罗田水库供水量、罗田水库补水量和深圳分干线供水量之和。干线高新沙水库～沙溪分水口段供水量为沙溪分水口～罗田水库段供水量和东莞沙溪分水口供水量之和；干线鲤鱼洲取水口～高新沙水库段供水量为干线高新沙水库～沙溪分水口段供水量与南沙供水量之和。

3 工程运行调度方案分析

3.1 泵站供水流量及运行时间分析

3.1.1 全天不间断均匀供水流量

本工程各级泵站均采用变频调速控制技术，可以满足不同工况下不同供水流的均匀供水需要。达到设计供水规模时，工程设计年供水量17.08亿m3，按全年365天、每天24h均匀供水(下同)计算日平均供水流量54.1m3/s，其中，南沙区年供水量5.31亿m3，日平均供流量16.8m3/s；东莞市年供水量3.30亿m3，日平均供流量10.5m3/s，深圳市年供水量8.47亿m3，日平均供流量26.9m3/s。

3.1.2 机组满负荷运行时间

根据《泵站技术管理规程》(GB/T 30948—2021)9.2.3、9.2.7要求:“灌溉、供水泵站运行期间应在保证安全运行和满足供水计划的前提下，实施优化调度”，“有条件的泵站，宜根据供排水需要实行电能峰谷调度”。本工程考虑利用所设调蓄水库做日内调节，泵站峰谷调度，可减少输水泵站能源消耗，实现多级泵站经济运行、减少电费支出的目标[1-4]。

鲤鱼洲泵站年供水量为17.08亿m3，按设计供水流量(80m3/s)满负荷运行时间为16.2h/d。高新沙泵站年供水量为11.77亿m3，按设计供水流量(60m3/s)满负荷运行时间为14.9h/d。

在达到设计供水规模之前，如投产初期，南沙区供水量只有南沙支线供水，设计流量为10m3/s,按南沙区按分配流量20m3/s满负荷运行时间为12h/d。

东莞、深圳按全部达产计算，东莞设计供水量3.30亿m3a，折算日平均供水流量10.5m3/s，按东莞分配流量20m3/s满负荷运行时间为12.6h/d。深圳设计供水量8.47亿m3，日平均供水流量为26.9m3/s，按深圳分配流量40m3/s满负荷运行时间为16.1h/d。

3.2 峰谷运行所需调节库容分析

泵站峰谷运行需要设置一定的调节库容将日内不均匀引水过程进行调节，在泵站开机时段内按满负荷运行引足全天所需水量，将开机时段内供水量以外的富余水量存于调节水库，停机后则由调节水库供水，则调节水库供水时间为泵站停机时间。

南沙区调节水库供水时间为12h/d，供水流量为10m3/s，所需调节库容为43.2万m3，高新沙水库配置有在线调节库容86.4万m3，只需利用50%，完全可以满足调节需要。

东莞调节水库供水时间为11.4h/d，供水流量为10.5m3/s，所需调节库容为43.1万m3。沙溪分水口供水量可用五点梅水库群调节，东莞分干线供水可用罗田水库调节，所需库容较小，两个水库的调节库容完全可以满足调节需要。

深圳调节水库供水时间为7.9h/d，供水流量为26.9m3/s，所需调节库容为76.5万m3。罗田水库调节库容较大，即使考虑用于东莞分干线供水的调蓄后所需库容也不到100万m3，并且深圳还可以同时使用罗田泵站提水到公明水库，用公明水库做部分调蓄，因此峰谷运行对罗田水库的水位影响不大。

3.3 用电量及电费支出

3.3.1 用电量

工程设有三级泵站，鲤鱼洲泵站、高新沙泵站、罗田泵站运行期间平均扬程分别为40m、49.3m、32.8m。按公式E=9.81QHT/η/10000(E为用电量、Q为流量、H为扬程、T为时间、η为效率系数取0.7)计算，鲤鱼泵站、高新沙泵站的单方水用电量分别为0.1557kW·h/m3、0.1919kW.h/m3。因此，南沙供水单方水用电量为0.1557kW·h/m3，东莞和深圳供到罗田水库交水点的单方水用电量为0.3476kW·h/m3，按工程设计供水量(南沙仅南沙支线供水)计算的广州、东莞、深圳年用电量分别为4910万kW·h、7479万kW·h、19196万kW·h。

从罗田水库提水到公明水库的单方水用电量为0.1277kW.h/m3。按深圳规划供水布局，大部分水量由罗田水库供出，公明水库供水量较少，主要用于调蓄，在检修期利用深圳分干线为罗田水库反供水。公明水库按每年补水量约7000万m3，年用电量约894万kW·h。

3.3.2 电费计算

3.3.2.1 电价政策

2021年7月国家发展改革委印发《关于进一步完善分时电价机制的通知》，部署各地进一步完善分时电价机制，服务以新能源为主体的新型电力系统建设，促进能源绿色低碳发展。根据广东电网有限责任公司关于2022年3月代理购电工商业用户价格的公告(珠三角五市电价格表)和深圳市供电局有限公司代理购电用户电价格表(深圳市)，工业用电分为基本电价和电度电价，电度电价划分为尖峰时间、高峰时段、平时段和低谷时段，电价情况见表1。

表1 泵站所在地区工业电价表

从表1可以看出，峰谷分时电价差较大，利用低谷或平时段开机运行，高峰时段停机，可有效节省提水电费。

3.3.2.2 泵站峰谷运行节省电费分析

电费支出中的基本电费以泵站变压器容量为基数计算，与运行时段和用电量无关，因此文章只做电度电费计算分析。按峰谷分时电价计算峰谷运行调度的电费支出与全天运行均匀供水的电费支出做对比，详见表2。工程可节省电费约1亿元，节省约33%。如工程投产初期供水量较少，泵站满负荷运行时间不足8h，可节省电费高达67%(如表2中深圳向公明水库提水电费)。

表2 泵站峰谷运行节省电费成果对比表

3.3 推荐运行调度方案

3.3.3.1 泵站运行方式选择

现有电价政策的峰平谷比价为1.7∶1∶0.38，峰谷电价差较大，为节省工程电费支出，提高工程经济效益，推荐泵站按峰谷运行调度。

为尽量减少工程电费支出，需合理选择泵站开机运行时间，泵站峰谷运行开机时段选择原则为：优先使用低谷时段(8h)，其次利用与低谷时段相连的平时段(7h)，再利用其他平时段(2h)，尽量不使用高峰时段(7h)，不宜使用尖峰时段(3h)。

3.3.3.2 工程分类调度

工程运行调度可划分为正常供水调度、限制取水(含检修)调度和应急供水调度。

正常供水调度时，工程为全部受水区供水，启用鲤鱼洲泵站、高新沙泵站，按峰谷运行调度，在抽水时段内满负荷运行，将西江水提水到高新沙水库、东莞沙溪水分口、罗田水库，由高新沙水库、罗田水库等调蓄水库做日内调蓄，均匀供给用水户。根据公明水库供水量和补库水量需求，确定罗田泵站的满负荷运行时间。

限制取水(含检修)调度时，只引取西江水供南沙区，停止为东莞、深圳供水。只需鲤鱼洲泵站运行，按峰谷运行调度，在抽水时段内满负荷运行,由高新沙水库进行调蓄。在西江限制取水时鲤鱼洲泵站最大供水流量为20m3/s。工程检修期单管交替运行，最大取水流量为40m3/s。

应急供水调度时，因增加了顺德、番禺或香港的应急供水，需压减东莞、深圳的供水流量。应急供水调度与正常供水调度相似，按峰谷运行调度。当启用顺德或番禺应急供水时，鲤鱼洲泵站运行调度不变，因需减少东莞、深圳的供水流量，则相应缩短高新沙泵站满负荷运行时间。当启用香港应急供水时，鲤鱼洲泵站和高新沙泵站运行调度不变，需增加罗田泵站的满负荷运行时间，由公明水库通过规划建设的公明水库～清林径水库连通工程将西江水输送至深圳水库，再供给香港。因工程设计中预留了10m3/s的应急供水规模，因此，应急供水时不会影响工程受水区的正常供水。

3.3.3.3 峰谷运行调度时机

工程设计中考虑了西江限制取水条件、工程检修期、沿线地区应急供水等需要，设计供水规模为80m3/s，按远期2040年水平年设计供水量为17.08亿m3，如按全年均匀供水计算，日平均流量54.1m3/s，可按满负荷80m3/s运行时间为16.2h/d，工程可按峰谷运行调度，灵活安排抽水时间。

工程投产初期实际供水量较少时，满负荷运行时间短，实施峰谷运行调度的效益相对更大，工程应按峰谷运行调度。

当遇西江特枯水限制取水或检修期结束后，如调蓄水库库容使用量较大，根据工程设计要求需尽快完成补库任务，以备下一次使用。此时建议按不使用尖峰时段、尽量少使用高峰时段的原则，延长泵站满负荷运行时间，尽早完成补库任务。

4 结论与建议

4.1 结论

在现有国家电价机制和南方电网峰谷分时电价政策下，用户峰谷电价差较大，工程受水区设置了多个调蓄水库，调节库容充足，工程具备很好的峰谷运行调度条件。

按工程设计供水量计算，实施峰谷运行调度工程可节省电度电费约1亿元，节省约33%。工程投产初期供水量较少，如满负荷抽水时间不足8h，最高可节省电费67%。

本工程运行调度方案研究主要利用调蓄水库和峰谷分时电价政策，制定了峰谷运行调度方案，在发挥工程效益，节能降耗，降低工程运行成本，体现绿色发展理念等方面具有现实意义。

4.2 建议

1)除泵站峰谷运行调度之外，如应用国内在复杂供水系统提高泵站的运行效率、长输水系统梯级泵站运行优化研究、梯级泵站引水多水库水资源联合优化调度等方面的研究成果，可进一步节能减耗，建议在工程投产运行中根据实际情况加以研究和应用[7]。

2)工程运行调度方案的实施需纳入工程智慧化管理系统建设，通过建立全面、系统、科学的泵站运行优化调度模型，打造全面立体感知、智能决策分析、协同联动指挥的智能运行中心，智慧管控泵站安全、稳定、经济运行，助力工程打造新时代生态智慧水利工程标杆[8-10]。