考虑北总干渠灌区取水后的溪洛渡、向家坝水库联合消落调度优化研究

苗科举 孙莉

摘 要：以溪洛渡、向家坝梯级水库为研究对象，在满足向家坝北总干渠灌区灌溉取水的前提下，以梯级水库发电效益最大作为目标，研究两库联合枯水期消落方案，并建立两库联合消落调度优化模型，优化梯级水库水位的消落深度和回蓄过程。结果表明：通过优化梯级水库水位的消落深度和回蓄过程，可增加梯级电站发电效益，且梯级增发电量主要为溪洛渡的增发电量，联合优化调度的重点在于优化溪洛渡的枯水期水位消落方式。

关键词：溪洛渡；向家坝；梯级水库；发电效益；联合消落调度；优化算法

中图分类号：X171；TV741                                    文献标志码：A

金沙江流域位于我国西南部，地属青藏高原、云贵高原和四川西部高山区，流域总面积为47.32万km2，总落差5 142 m，具有径流丰沛且较稳定、河道落差大、水能资源丰富、开发条件较好等特点，是全国最大的水电能源基地[1-3]。溪洛渡和向家坝水电站是我国西电东送战略部署下金沙江梯级开发的最下游二级水电站。向家坝水电站是溪洛渡水电站的下游衔接梯级，距溪洛渡水电站坝址河道里程为156.6 km，由于區间径流较小，溪洛渡出库流量占向家坝入库流量的绝大部分，两库水力联系紧密[4-5]。开展溪洛渡、向家坝水库的联合消落调度优化调度[6]，优化梯级水库水资源利用方式，对提高水资源利用效率，增发电量，发挥梯级水库的综合效益最大化具有重要意义。

本文以满足向家坝北总灌区灌溉取水作为前提，将梯级电站效益的充分发挥作为目标，建立溪洛渡、向家坝两库联合蓄水调度优化模型，在梯级连续径流调节计算成果基础上，优化梯级水库水位的消落深度和回蓄过程，增加梯级水电站的年发电效益。

1 研究对象基本特性

溪洛渡水电站是一座以发电为主，兼顾防洪，此外具有拦沙、改善库区及坝下河段通航条件等综合利用效益的大型水电站。水库正常蓄水位600 m，死水位540 m，防洪限制水位560 m，防洪库容46.5亿m3，调节库容64.6亿m3，具备不完全年调节能力。向家坝水电站是一座以发电为主，能改善航运条件，兼顾防洪、灌溉，并具有对溪洛渡水电站进行反调节等作用的大型水电站。水库正常蓄水位380 m，死水位和汛期限制水位均为370 m，防洪库容9.03亿m3，调节库容9.03亿m3，具有季调节性能。两个水电站汛期为6月至10月，枯水期为11月至次年5月。

向家坝水电站北总干渠从向家坝水电站左岸灌溉取水口取水，设计取水流量98 m?/s，灌区开发任务以灌溉为主，兼顾城乡生活、工业供水。北总干渠灌区涉及宜宾市、自贡市、内江市、泸州市四个地级城市，涉及地区是川南地区的政治、经济和文化中心。

2 两库联合消落调度发电方式研究

2.1 研究方案拟定

溪洛渡水电站为湖泊型水库，提高水量利用率，可以提高发电效益。从近年运行资料分析，枯水期消落水位在546～551 m。

向家坝水电站为河道型水库，对水量的调节能力相对较差。电站水头效益明显，减小水库消落深度，对增加电站发电量具有一定的作用。从近年运行资料分析，枯水期消落水位在374～378 m。

结合两库水库特性和近年运行资料，制定溪洛渡、向家坝两库联合枯水期消落方案（见表1），其中方案1～方案5，向家坝枯水期消落水位分别为370 m、374 m、376 m、378 m以及枯水期不消落维持正常蓄水位，溪洛渡枯水期消落水位均为540 m；方案1、方案6、方案7，溪洛渡枯水期消落水位分别为540 m、550 m、560 m，向家坝枯水期消落水位均为370 m；方案1和方案8，方案1向家坝4月～5月回蓄到正常蓄水位，方案8不回蓄。

2.2 发电效益分析

根据溪洛渡、向家坝两库联合枯水期消落方案，将各电站的库水位库容关系曲线、水位流量关系曲线、泄洪能力曲线作为梯级发电效益计算的基本计算参数，考虑北总干渠取水过程，利用溪洛渡1970—2012年的来水资料进行计算，分析不同消落调度方案时的梯级发电效益，成果见表2。

由表可知，考虑向家坝灌区北总干渠建成取水后：

（1）向家坝消落水位对发电量的影响。从方案1～方案5成果看，随着向家坝消落水位的抬高，向家坝年发电量逐步增大，溪洛渡年发电量逐步减小，梯级整体发电量以方案4（向家坝消落水位378 m）为最大。

（2）溪洛渡消落水位对发电量的影响。从方案1、方案6、方案7成果看，随着溪洛渡消落水位的抬高，溪洛渡年发电量逐步增大，向家坝年发电量以方案6（溪洛渡消落水位550 m）略大，但梯级整体发电量以方案7（溪洛渡消落水位560 m）为最大，且明显较其他方案发电量大。

（3）向家坝水库是否回蓄对发电量的影响。从方案1和方案8成果看，回蓄方案（方案1）梯级整体电量更大。

（4）考虑灌区取水后，不同消落调度方案时发电量变化规律与不考虑灌区取水基本一致。考虑灌区取水后，向家坝发电量减少，影响电量为3.04亿～3.92亿kW·h；溪洛渡发电量增加，影响电量为0.02亿～0.61亿kW·h；梯级整体电量减少，影响电量为2.73亿～3.39亿kW·h。

综合研究成果和实际运行情况，建议两库联合消落调度为：向家坝水库枯水期消落至水位378 m左右，溪洛渡水库枯水期消落至水位560 m左右，向家坝水库在4月～5月进行回蓄。

3 两库联合消落调度优化模型

在溪洛渡、向家坝联合消落推荐方案基础上，建立溪洛渡、向家坝两库联合消落调度优化模型，运用高效求解算法，开展考虑灌区灌溉取水的溪洛渡、向家坝梯级联合发电优化调度研究，分析两库的优化运行过程。

3.1 目标函数

3.1.1 发电目标

将梯级总发电量最大作为首要优化目标，其目标函数描述为

式中：E为梯级发电总量；Ssum为梯级电站个数；T为调度时段总数；Ki为第i个电站的出力系数；Hi，t为

3.3 求解方法

消落调度模型采用逐步优化算法求解。逐步优化算法[7-8]是一种改进动态规划类算法，具有收敛性好、计算效率高和求解时间短的优点，可以有效求解高维、非线性优化模型问题，在大规模水电系统优化调度中得到广泛应用。

研究采用梯级连续径流调节计算所得成果作为联合调度的初始解，然后采用逐步优化算法进行梯级水库电站群联合调度过程寻优，获得联合优化调度的最优解。求解步骤如下。

步骤1：基本参数初始化。

步骤2：通过梯级连续径流调节计算获得各水库电站初始调度运行过程。

步骤3：将步骤2获得的成果作为初始调度方案组成电站群联合优化调度逐步优化算法精细化优化的初始解。设置初始迭代次数k=1。

步骤4：进行第k次逐步优化迭代计算，设置当前梯级序号i=1。

步骤5：进行第i个水库优化，从1至T时段依次进行各时段寻优。在进行第t时段优化时，固定前后两个时段（即t-1时段和t+1时段）当前水库和下游所有水库的坝前运行水位，在可行范围内遍历第i个水库当前时段所有可行的运行水位，根据总发电效益最优确定当前时段最优运行水位。

步骤6：i= i+1，转步骤5进行下一个水库的优化。

步骤7：k= k+1，转步骤4进行下一次迭代计算。

步骤8：循环迭代至最大次数，则跳出循环，保存当前梯级水库电站群长系列水位过程作为最优解。

4 联合消落调度优化研究

运用所构建的数学模型及设计的模型高效求解算法，开展考虑灌区灌溉取水的溪洛渡、向家坝梯级联合发电优化调度研究，计算成果及与梯级连续径流调节计算成果的对比见表3。

由表3可知，逐步优化后，梯级发电量相比初始计算的梯级连续径流调节计算成果增加10.44亿kW·h，增发率为1.15%，其中，溪洛渡电站多年平均电量增加15.74亿kW·h，增发率为2.67%；向家坝电站多年平均电量减少5.3億kW·h，增发率为-1.69%。

图1、图2分别为梯级连续径流调节计算对应的溪洛渡电站多年各旬平均库水位、各旬多年平均发电量；图3、图4分别为逐步优化计算成果对应的溪洛渡电站多年各旬平均水位、各旬多年平均发电量。

分析上述优化成果，可知：

（1）通过逐步优化算法优化梯级水库的水位消落和回蓄过程，可以在梯级水电站保证出力和破坏深度不下降的情况下，优化溪洛渡、向家坝梯级水电站的发电效益，优化运行方式后梯级增发电量主要为溪洛渡的增发电量，即溪洛渡水电站运行方式的优化是梯级发电效益充分挖潜的关键。

（2）对比梯级连续径流调节和逐步优化计算成果对应的溪洛渡水库多年平均旬水位过程，逐步优化算法通过自身内在的寻优机制，重点优化了溪洛渡水库枯水时段的水位消落方式，相比电站实际调度运行中采取的逐旬均匀消落策略，逐步优化算法拟定的水位消落方式更倾向于充分发挥溪洛渡水电站的水头效益，使其在枯水期尽量少发电以抬高水电站全年的平均水头，在调度运行边界条件允许的前提下，安排溪洛渡水库于12月下旬至次年5月底集中消落库水位，从而达到提高电站调度运行期平均加权发电水头，实现发电效益最大化的目的。

（3）向家坝水电站由于水头变化幅度较小，且蓄水期很快蓄满并维持高水位运行，因此水库水位消落方式和水电站发电量的优化空间不大。

5 结 论

（1）结合梯级水电站的实际运行情况，拟定8组溪洛渡、向家坝两库联合枯水期消落方案，通过对比不同消落调度方案时的梯级发电效益，建议两库联合消落调度为：向家坝水库枯水期水位消落至378 m左右，溪洛渡水库枯水期水位消落至560 m左右，向家坝水库在4—5月进行回蓄。

（2）建立溪洛渡、向家坝两库联合消落调度优化模型，采用逐步优化算法求解，进一步优化梯级水库水位的消落深度和回蓄过程；梯级发电量相比初始计算的梯级连续径流调节计算成果增加10.44亿kW·h，增发率为1.15%，梯级增发电量主要为溪洛渡的增发电量。

（3）逐步优化算法重点优化了溪洛渡水库枯水时段的水位消落方式，使其在枯水期尽量少发电以抬高电站全年的平均水头，安排溪洛渡水库于12月下旬至次年5月底集中消落库水位，从而达到发电效益最大化的目的。

（4）经研究分析，采用溪洛渡、向家坝梯级联合调度这一非工程措施，通过充分挖掘梯级之间的水力补偿效益，优化梯级水库水位消落和回蓄过程，可在不增加额外投资，不违反其他调度边界条件情况下增加梯级电站发电效益，从而提高水能资源利用率，并促进区域经济发展。

参考文献：

[1] 周双超.加快金沙江水电开发是我国经济社会发展的需要：金沙江水电开发综述[J].四川水力发电，2010，29（6）：252-253，260.

[2] 水利部长江水利委员会.金沙江干流综合规划报告[R].武汉：水利部长江水利委员会，2006.

[3] 张睿，张利升，王学敏，等.金沙江下游梯级水库群多目标兴利调度模型及应用[J].四川大学学报（工程科学版），2016，48（4）：32-37，53.

[4] 李鹏，阮燕云.溪洛渡－向家坝梯级水电站联合调度实践与探索[J].水电与新能源，2014，6：17-19.

[5] 蔡卓森，戴凌全，刘海波，等.兼顾下游生态流量的溪洛渡－向家坝梯级水库蓄水期联合优化调度研究[J].长江科学院院报，2020，37（9）：31-38.

[6] 夏传明，许银山.金沙江中游梯级水库联合消落优化控制[J].水电与新能源，2018，32（11）：19-23.

[7] 楊会刚.基于逐步优化算法的梯级电站优化调度研究[J].四川水力发电，2020，39（3）：75-79，93.

[8] 喻衫，纪昌明，杨子俊.基于逐步优化算法的水库预报预泄规则拟定研究[J].水力发电，2012，38（2）：57-60.

An Optimization of Joint Drawdown Scheduling of Xiluodu and Xiangjiaba Reservoirs Considering Water Withdrawal into the North Main Canal Irrigation District

MIAO Keju，SUN Li

（Power China Zhongnan Engineering Corporation Limited，Changsha 410007，China）

Abstract：In this study we focus on the Xiluodu and Xiangjiaba cascade reservoirs with the primary aim of maximizing power generation benefit while ensuring irrigation water intake demands of Xiangjiaba North Main Canal Irrigation District. We probe into the joint drawdown scheduling of the cascade reservoirs in low flow period，and establish an optimization model to optimize the drawdown depth and the recharge process. Findings indicate that optimizing the drawdown depth and the recharge process can enhance the power generation benefit of the cascade power stations，and the increase in power generation is mainly attributed to Xiluodu. The key point of the joint optimal scheduling lies in optimizing the water level drawdown mode of Xiluodu during low flow period.

Key words：Xiluodu；Xiangjiaba；cascade reservoirs；power generation benefit；joint drawdown scheduling；optimization algorithm