金沙江下游梯级水库群协同防洪调度策略研究

荆 柱,李 肖 男,何 小 聪,徐 杨,陈 永 生,施 勇

(1.长江勘测规划设计研究有限责任公司,湖北 武汉 430010; 2.长江设计集团有限公司,湖北 武汉 430010;3.长江水利委员会水旱灾害防御创新团队,湖北 武汉 430010; 4.中国长江电力股份有限公司,湖北 宜昌 443133; 5.长江水利委员会 水资源局,湖北 武汉 430010; 6.南京水利科学研究院,江苏 南京 210029)

0 引 言

金沙江下游乌东德、白鹤滩、溪洛渡和向家坝四座梯级水库(以下简称“金下四库”)是长江流域保护与治理开发的骨干工程,工程开发任务是以发电为主,兼顾防洪、航运和促进地方经济社会发展。4座梯级水库群总调节库容208.21亿m3,预留防洪库容154.93亿m3,装机容量46 460 MW,多年平均发电量约1 878.7亿kW·h,是长江上游防洪体系的骨干工程[1]。2021年起,金沙江下游乌东德、白鹤滩水库相继建成投产,金沙江下游梯级水库群正式成型,进一步提升了长江流域的防洪能力和洪水资源化利用水平。但乌东德、白鹤滩水库的建成运用,不可避免改变了长江上游整体的水文情势,对下游溪洛渡、向家坝、三峡水库的调度运行也带来了新的挑战。

金下四库防洪目标具有多元化特征,且分布在洪水地区组成、遭遇特性差异较大的不同区域[2]。现有调度规程中,金沙江下游溪洛渡、向家坝水库对川渝河段的防洪调度方式中未曾全面考虑乌东德、白鹤滩水库的拦蓄作用[3-4],防洪运用的边界条件发生了变化。同时,金下四库规模大、效益好,整体协同防洪调度有利于实现梯级水库群发电效益的最大化,避免金沙江下游水能资源的浪费。因此,如何在不同来水情况下合理分配金下四库有限的防洪库容量,明确金下四库在联合防洪调度时的使用次序和拦蓄方式,有效协调多区域防洪任务,确保梯级水库群防洪与兴利效益的高效发挥是亟需解决的问题。

在梯级水库群联合调度方面,众多专家学者开展了大量的研究工作[5-10]。李安强等[11]基于大系统分解协调原理对长江上游溪洛渡、向家坝、三峡水库联合调度的防洪能力进行计算,结果表明联合调度方案可以减少三峡下游在遭遇大洪水时的分蓄洪量。周新春等[12]探讨了三峡水库与金沙江梯级水库群之间防洪库容的互用性,计算了各水库防洪库容的互用比例,研究结果可以为梯级水库群实时防洪预报调度提供参考。张尚弘等[13]从入库洪水形态、调洪计算模型、防洪调度规程3个方面对金下四库与三峡水库联合调度后的荆江地区防洪安全展开了研究,提出了金下四库协同三峡水库防洪调度时需要预留的最小库容量。

上述研究成果从水库群联合调度的安全性、防洪库容的共用性、最小预留防洪库容量等多个角度对金沙江下游梯级水库群的防洪能力和调度策略展开了研究,取得了大量的研究成果。但一方面,上述研究的水库主要为金沙江下游溪洛渡、向家坝水库,尚未涉及新建成投产的乌东德、白鹤滩水库。另一方面,上述研究主要是针对金沙江下游梯级配合三峡水库的联合防洪调度展开分析,对新形势下金下四库内部的启用次序和拦蓄方式仍缺乏系统性的比较和讨论,对不同启用次序下防洪安全及发电效益的影响也鲜有定量研究。

本文以金下四库为对象,研究面向多区域防洪的梯级水库群协同调度策略,统筹防洪安全和发电效益,分析金下四库不同使用次序和拦蓄方式对梯级水库群综合效益的影响,在确保防洪安全的前提下尽可能提升汛期发电效益,为提升梯级水库群调度决策科学水平提供关键技术支撑。

1 协同防洪调度策略设置

金下四库在面向不同区域进行防洪调度时,需要结合水库来水条件、下游防洪需求以及工程调度特性等,在总体打捆运用的原则下,科学拟定金下四库协同防洪的调度策略,明确金下四库的使用次序和拦蓄方式,充分发挥工程的综合效益。一方面,需要在满足工程泄流能力、最小下泄流量等防洪调度约束条件下,尽可能减少金下四库受泄流能力约束而被动滞洪的影响,降低防洪调度时的库容使用量。另一方面,需要进一步考虑不同水电站机组出力系数、最大出力限制等发电计算约束条件,分析不同调度策略对金下四库整体发电效益的影响,在确保防洪安全的前提下尽可能提升金下四库汛期防洪调度时的发电效益。

1.1 设计洪水及调度方式

金下四库在川渝河段的主要防洪保护对象为宜宾、泸州、重庆,控制站点分别为李庄、朱沱、寸滩水文站,研究范围内水库群组、防洪保护城市及重要控制站点的概化示意见图1。不同区域的防洪目标主要是通过金下四库调度,将宜宾主城区、泸州主城区的防洪标准由20 a一遇提高到50 a一遇,将重庆主城区的防洪标准由50 a一遇尽可能提高到100 a一遇。考虑金沙江与岷江、嘉陵江洪水遭遇特点、川渝河段大洪水发生情况,以及宜宾市、泸州市、重庆市防洪需要,分别以李庄、朱沱、寸滩为控制站点选取不同典型年洪水过程,放大生成面向宜宾、泸州、重庆的整体设计洪水过程[14],具体信息见表1。

表1 川渝河段不同区域设计洪水Tab.1 Designed floods in different regions of the Sichuan,Chongqing river section

图1 金下四库及川渝河段概化图Fig.1 Overview diagram of cascade reservoirs in the lower reaches of the Jinsha River and Sichuan,Chongqing river section

由于金沙江下游各库区间无大的支流汇入,且各库控制流域面积差异不大,金下四库在原则上整体打捆运用,面向不同区域的防洪调度方式和预留库容量主要如下[14]:

(1) 金下四库为宜宾预留防洪库容9.1亿m3。① 当预报6 h后李庄流量大于51 000 m3/s时,对宜宾主城区进行削峰补偿调度,具体拦蓄量为ΔQ计算如下:李庄流量>51 000 m3/s且<53 000 m3/s,ΔQ=3 000 m3/s;李庄流量>53 000 m3/s,ΔQ=2×(李庄超频洪峰-51 000 m3/s)。② 为兼顾兴利需要,对水库最小下泄流量要求如下:当入库流量Q<10 000 m3/s,水库最小下泄流量minQ≥2 500 m3/s;当入库流量Q≥10 000 m3/s,水库最小下泄流量minQ≥7 500 m3/s。

(2) 金下四库为泸州(兼顾宜宾)预留防洪库容14.6亿m3。① 当预报24 h后朱沱洪峰将超过52 600 m3/s,上游水库按照9 000 m3/s和为宜宾防洪拦蓄流量之间最大值进行拦蓄。② 若宜宾发生超频洪水,而泸州未出现超频洪峰,则上游水库采取对宜宾防洪方式调度,按照宜宾防洪所确定的拦蓄方式进行拦蓄,当对宜宾控制站李庄超频洪水拦蓄所用的库容量超过9.1亿m3时,则不再对宜宾进行防洪。③ 为兼顾兴利需要,水库最小下泄流量按2 500 m3/s控制。

(3) 金下四库为重庆(兼顾宜宾、泸州)预留防洪库容29.6亿m3。① 当预报36 h内寸滩出现超50 a频率洪峰流量时,水库开始启动拦蓄,拦蓄流量为预报36～60 h内超出50 a频率洪峰流量(83 100 m3/s)的2倍。② 在拦蓄流量确定后,持续拦蓄一日,并在下一日再根据①中所叙拦蓄方式重新确定下一次拦蓄流量,循环操作完成整个防洪调度。③ 若宜宾、泸州发生超频洪水,而重庆未出现超频洪峰,则上游水库按照相应区域防洪调度方式进行拦蓄,当上游水库群为宜宾、泸州超频洪水所用的拦蓄库容量超过14.6亿m3时,则不再对上述两区域进行防洪。④ 若重庆出现超频洪峰,宜宾和泸州也同时出现,则拦蓄量取三者中最大值。⑤ 为兼顾兴利需要,水库最小下泄流量按2 500 m3/s控制。

1.2 调度策略设置

金下四库在面向川渝河段进行防洪调度时,首先需要依据不同区域的预报来水情况和调度方式,确定整体打捆运用的拦蓄总量。在此基础上,进一步探讨金下四库内部的使用次序和拦蓄方式。其中,向家坝水库具有泄流能力较大、出力受阻程度较轻、总防洪库容较小的特征,且对下游川渝河段防洪作用时效性最佳,是金沙江下游梯级防洪调度的总控开关,直接关系到金沙江下游梯级调度运用的灵活性和关键时刻对防洪风险的控制能力。因此,在研究金下四库防洪库容内部的使用次序中,原则上优先使用乌东德、白鹤滩、溪洛渡(简称“乌白溪”)三库,最后使用向家坝水库拦蓄乌白溪三库拦蓄后(受操作时效或下泄流量约束而未能达成拦蓄目标)的多余洪量及金沙江下游区间流量。从整体上设定乌东德、白鹤滩、溪洛渡三库同步拦蓄、依次拦蓄两大类调度策略,具体见表2。同时,为兼顾兴利效益,在拦蓄时金下四库尽量按照满发流量下泄,如遇金沙江下游来水较少且需加大拦蓄的特殊情况时,溪洛渡、向家坝水库最小下泄流量为2 500 m3/s。

表2 金下四库防洪调度时内部使用次序Tab.2 Usage order of cascade reservoirs in the lower reaches of the Jinsha River during flood control operation

2 乌东德、白鹤滩、溪洛渡水库同步拦蓄方式

2.1 面向川渝河段防洪调度计算

面向川渝河段不同区域防洪需求,依据1.1节中金下四库打捆运用时的调度方式以及表2中的内部使用次序,考虑各库泄流能力等约束条件,计算从汛限水位起调时遭遇不同典型年设计洪水,不同调度策略下金下四库整体使用的防洪库容量,计算结果见表3～5。计算结果表明,绝大部分典型年设计洪水中,金下四库受不同调度策略影响所使用的防洪库容量并不相同。大部分典型年设计洪水中乌东德、白鹤滩、溪洛渡三库采用同步拦蓄的策略,金下四库防洪库容使用量最小。在采用依次拦蓄的策略时,被动滞洪情况较为严重,相较于其他调度策略多使用0.15亿～9.84亿m3的防洪库容量,不利于金沙江下游梯级防洪效益的发挥。在李庄1961年、朱沱1989年、寸滩1981年等典型年设计洪水中,由于金沙江干流来水较小,不受各库泄流能力约束,不同调度策略下金下四库防洪库容使用总量全部一致。即当金沙江下游来水较小时,金下四库不产生被动滞洪,总库容使用量不受四库内部使用次序的影响。

表3 金沙江下游梯级对宜宾防洪调度时使用库容量Tab.3 Capacity used of cascade reservoirs in the lower reaches of the Jinsha River for Yibin flood control 亿m3

表4 金沙江下游梯级对泸州(兼顾宜宾)防洪调度时使用库容量Tab.4 Capacity used of cascade reservoirs in the lower reaches of the Jinsha River for Luzhou flood control 亿m3

表5 金沙江下游梯级对重庆(兼顾宜宾、泸州)防洪调度时使用库容量Tab.5 Capacity used of cascade reservoirs in the lower reaches of the Jinsha River for Chongqing flood control 亿m3

从机理性的角度分析,金沙江下游乌东德、白鹤滩、溪洛渡水库受泄流能力约束,在来水大于水库当前水位的泄流能力时,会发生被动滞洪的现象,相比于主动拦蓄,额外消耗了多余的防洪库容。为尽量减少金下四库因被动滞洪而额外消耗的防洪库容,需要使各库的泄流能力尽可能保持均衡,上侧水库泄放的洪水不受或少受下侧水库泄流能力制约。采用同步拦蓄的方式有利于使各库泄流能力得到同步改善,减少被动滞洪的影响。若采用依次拦蓄的调度策略,即优先使用某一水库单独拦蓄,运用至某水位高程下再切换使用另一水库再行拦蓄,在防洪调度中容易使得不同水库泄流能力间的差异逐渐加大,在来水较大时人为加大四库整体的被动滞洪量。因此,当金下四库面向川渝河段进行防洪调度时,若金沙江下游来水较大,建议乌东德、白鹤滩、溪洛渡水库采用同步拦蓄的方式进行防洪调度,使各库泄流能力尽量均衡,向家坝用于拦蓄乌白溪三库拦蓄后的多余洪量和区间洪量。

2.2 金下四库同步拦蓄方式设置

金沙江下游乌东德、白鹤滩、溪洛渡水库采用同步拦蓄的方式进行防洪调度,同步拦蓄的具体方式包括按照三库总防洪库容比例、三库拦蓄时剩余防洪库容比例、等比例、泄流能力最小的水库优先拦蓄4种方式。从表3～5的计算结果中可以看出,在遭遇不同典型年设计洪水时,金下四库采用不同的方式进行同步拦蓄都有可能使得总库容使用量最小,整体规律性并不明显。而且,考虑到在实际防洪调度中,各库起调水位组合情况复杂多变,并非同时处于汛限水位。因此,需要设置多种起调水位组合,分析不同起调水位下各同步拦蓄方式对金下四库整体库容使用量的影响。在具体起调水位的设置上,考虑金下四库受泄流能力约束产生被动滞洪的影响,结合不同典型年设计洪水中金沙江下游来水量级,按照乌东德、白鹤滩、溪洛渡三座水库起调水位分别处于相同或不同的泄流能力条件,分别按照汛限水位或22 000,25 000,28 000,31 000 m3/s流量下的泄流能力设置起调水位计算方案,具体见表6。

表6 金沙江下游梯级起调水位组合方案Tab.6 Combination plans of start-operation water level of cascade reservoirs in the lower reaches of the Jinsha River

面向川渝河段不同区域防洪需求,计算在11组起调水位方案下遭遇金沙江下游来水较大的典型年设计洪水时,采用4种不同的同步拦蓄调度策略下金下四库整体使用的防洪库容量。统计不同典型年中不同拦蓄方式使得总防洪库容使用量最小的次数和最大的次数,见表7。计算结果表明,在相同起调水位下采用不同的同步拦蓄方式,金下四库防洪库容使用量最多相差4.66亿m3。在遭遇不同典型年设计洪水时,采用策略1,2,4的同步拦蓄方式使金沙江下游乌东德、白鹤滩、溪洛渡三库在不同起调水位下进行防洪调度,金下四库总防洪库容使用量最小的频次基本相同,约30%,在防洪效果上皆好于策略3。但采用策略2(按三库各时段剩余防洪库容比例计算各库拦蓄流量)进行同步拦蓄时,相较于其他拦蓄方式,从未出现金下四库总防洪库容使用量最大的情况,整体拦蓄效果最佳。

表7 不同拦蓄方式下防洪库容使用量最小/最大次数统计Tab.7 Statistics of the minimum/maximum usage numbers of flood control capacity under different operation strategies

从机理性的角度分析,乌东德、白鹤滩、溪洛渡三库在不同起调水位下,泄流能力并不相同。水库起调水位越低,泄流能力越小,剩余防洪库容越大。若按照剩余防洪库容的比例进行分配,在同步拦蓄时计算得到的流量占比就越大,越有利于使得该水库的泄流能力得到尽快改善。从整体上,有利于三库更好地适应实时调度中不同的起调水位组合情况,使各库泄流能力按照相对较快的速度得到同步改善,减少因被动滞洪而额外消耗的防洪库容量。因此,当金沙江下游乌东德、白鹤滩、溪洛渡水库采用同步拦蓄的方式进行防洪调度时,建议乌东德、白鹤滩、溪洛渡按照三库剩余防洪库容比例进行同步拦蓄,使各库泄流能力尽量均衡,向家坝用于拦蓄乌白溪三库拦蓄后的多余洪量和区间洪量。

3 向家坝预留防洪库容量

金下四库在面向川渝河段进行防洪调度时,优先启用乌东德、白鹤滩、溪洛渡水库进行同步拦蓄,向家坝用于拦蓄乌白溪三库拦蓄后的多余洪量和区间洪量。因此,从防洪调度中乌白溪拦蓄后的多余洪量以及溪洛渡-向家坝区间洪量两方面对向家坝水库预留的防洪库容量进行分析。

3.1 防洪调度中向家坝使用库容量

面向川渝河段不同区域防洪需求,乌东德、白鹤滩、溪洛渡三库按照剩余防洪库容比例进行同步拦蓄,计算向家坝水库作为金下四库总控开关,在遭遇不同典型年设计洪水时不同起调水位下消耗的最大库容量,结果见表8。可以看出,在不同起调水位下遭遇不同典型年设计洪水时,由于乌东德、白鹤滩、溪洛渡三库按照剩余防洪库容的比例同步拦蓄洪水,基本可以满足川渝河段不同区域的防洪需求。即在已知上游来水及区间来水过程时,可通过乌白溪三库提前加大拦蓄,补偿溪洛渡-向家坝区间洪量,使得向家坝所消耗的防洪库容量较小,最大仅1.48亿m3。

表8 不同起调水位下向家坝水库最大使用库容量Tab.8 Maximum usage capacity of Xiangjiaba reservoir under different initial operation water levels 亿m3

3.2 溪洛渡-向家坝区间来水量

针对川渝河段不同控制站点的典型年设计洪水,分别对整场设计洪水以及防洪调度启动拦蓄时段的溪洛渡-向家坝区间进行计算,结果见表9～10。计算结果表明,在不同典型年设计洪水中,金下四库在防洪调度启动拦蓄时段内,溪洛渡-向家坝区间洪量最大为0.82亿m3。在整场设计洪水中,溪洛渡-向家坝区间洪量最大为5.05亿m3。因此,当金下四库面向川渝河段进行防洪调度时,受调度指令下达时间、闸门启闭操作时效、区间来水预报误差、水库下泄流量约束等诸多因素影响,向家坝水库需要预留约5亿m3库容用于拦蓄金沙江下游乌东德、白鹤滩、溪洛渡三库拦蓄后的多余洪量及溪洛渡-向家坝区间洪量。

表9 川渝河段整场设计洪水中溪洛渡-向家坝区间洪量Tab.9 Flood volume of Xiluodu-Xiangjiaba section of different designed floods 亿m3

表10 防洪调度启动拦蓄时段内溪洛渡-向家坝区间洪量Tab.10 Flood volume of Xiluodu-Xiangjiaba section during flood control operation period 亿m3

4 不同调度策略对发电效益的影响分析

在明确四库不同调度策略对整体防洪库容使用量影响的基础上,进一步分析不同使用次序和拦蓄方式对发电效益的影响,在确保防洪安全的前提下尽可能兼顾四库汛期防洪时的发电效益。按照表2中设定的四库内部使用次序,考虑金下四库各水电站机组出力系数、最大出力限制、尾水位曲线等因素,对防洪调度过程中的发电量以及防洪调度结束后的储能量展开计算,统计不同典型年设计洪水中发电量极值及其对应的策略编号,结果见表11～12。计算结果表明,在不同启用次序下,金下四库防洪过程的发电量最大相差7.77亿kW·h,发电量及储能量之和最大相差10.7亿kW·h。

表11 金沙江下游来水较小时的发电效益Tab.11 Power generation of reservoirs when the lower reaches of the Jinsha River has a small inflow 亿kW·h

表12 金沙江下游来水较大时的发电效益Tab.12 Power generation of reservoirs when the lower reaches of the Jinsha River has a large inflow 亿kW·h

对计算结果进行分析,当金沙江下游来水较小(小于各库汛限水位对应的泄流能力约22 000 m3/s)时,从防洪调度过程的发电量来讲,采用策略9最有利,采用策略5最不利;从整体发电效益来看,采用策略3、5最有利,采用策略9、10最不利。此外,金沙江下游来水不受水库泄流能力约束,基本不存在被动滞洪的情况,金下四库启用次序不影响防洪库容使用总量。因此,当金沙江下游来水较小时,若预报中长期无较大来水时,考虑到调洪末水位的储能效益可以充分发挥,后期弃水风险及防洪风险都较小,建议从整体发电效益的角度,按照策略5“乌-白-溪”的使用次序,优先启用乌东德水库拦蓄洪水。若预报中长期来水较大,考虑到调洪末水位的储能效益难以充分发挥,且后期弃水及防洪风险都较大,建议从防洪过程发电量的角度,按照策略9“溪-乌-白”的运用次序,优先启用溪洛渡水库拦蓄洪水,同时结合短期预报尽量使四库泄流能力保持均衡,减小后期防洪调度中因被动滞洪而额外消耗的库容量。考虑到金下四库各电站拦蓄同等洪量下的出力增加值,当从汛限水位起调拦蓄10亿m3洪量时,溪洛渡水库出力受阻改善最快。因此,可使溪洛渡水库先拦蓄运用至570 m,再依次启用乌东德、白鹤滩水库拦蓄。

当金沙江下游来水较大(大于各库汛限水位对应的泄流能力约22 000 m3/s)时,由于干流来水较大,对各水电站机组出力受阻等情况的改善都较好,不同使用次序下发电量差异较小,同时受水库被动滞洪等因素影响,整体规律性并不明显;从整体发电效益来看,采用策略5最有利,采用策略4、9最不利。同时,当金沙江下游来水较大时,一方面应优先考虑防洪调度的安全性,尽量减少因被动滞洪额外消耗的库容量;另一方面,考虑到金下四库防洪库容消耗较多,当防洪调度结束后,需要及时降低水库运行水位,为后期再遭遇洪水时留足防洪库容,各库调洪末水位的储能量难以充分发挥,整体弃水风险较大。因此,当金沙江下游来水较大时,应使乌东德、白鹤滩、溪洛渡按照三库剩余防洪库容比例进行同步拦蓄,使各库泄流能力尽量均衡,向家坝用于拦蓄乌白溪三库拦蓄后的多余洪量和区间洪量。

5 结 论

本文对金下四库面向川渝河段不同区域协同防洪时的调度策略展开研究,考虑水库泄流能力、最小下泄流量等防洪调度约束,兼顾水电站机组出力系数、最大出力限制等发电效益约束,提出了金下四库在整体打捆运用的基础上,面向不同来水、不同起调水位时的金下四库协同防洪的调度策略,明确了四库的使用次序及拦蓄方式,可以在确保防洪安全的前提下尽可能地提升四库发电效益。主要结论如下:

(1) 明确了不同调度策略对防洪安全及发电效益的影响。金沙江下游来水较小时,不同调度策略不影响金下四库总防洪库容使用量,在防洪调度时可兼顾发电效益,最多可增加约10.7亿kW·h发电量。金沙江下游来水较大时,受泄流能力约束,不同调度策略下金下四库总防洪库容相差最高达10亿m3,应优先考虑防洪安全。

(2) 给出了金下四库面向川渝河段协同防洪时的调度策略。当金沙江下游来水小于22 000 m3/s时,若预报金沙江下游中长期来水较大,建议优先启用乌东德水库拦蓄洪水;若预报金沙江下游中长期来水较小,建议优先启用溪洛渡水库拦蓄洪水至570 m库水位,同时结合短期预报尽量使四库泄流能力保持均衡。当金沙江下游来水大于22 000 m3/s时,建议乌东德、白鹤滩、溪洛渡水库按照三库剩余防洪库容比例进行同步拦蓄,使各库泄流能力尽量均衡。

(3) 为确保金下四库打捆运用的灵活性和可靠性,向家坝水库应预留约5亿m3库容用于拦蓄乌白溪三库拦蓄后的多余洪量及溪洛渡-向家坝区间洪量。同时,为兼顾兴利效益,在拦蓄时金下四库应尽量按照满发流量下泄,如遇金沙江下游来水较少且需加大拦蓄的特殊情况时,溪洛渡、向家坝水库最小下泄流量为2 500 m3/s。