上游水電站梯級調(diào)度對龍頭石水電站效益的影響

王 琨，歐陽碩，邵 駿

(長江水利委員會水文局，湖北 武漢 430010)

0 引 言

大渡河綜合利用目標(biāo)主要為發(fā)電，目前在大渡河水庫調(diào)度的相關(guān)文獻(xiàn)中，多側(cè)重于討論梯級水庫群聯(lián)合調(diào)度給流域帶來的綜合效益，因此研究對象多為大渡河龍頭水庫和控制性水庫。2012年周研來等[1]以大渡河下爾呷、雙江口、猴子巖、瀑布溝等4個調(diào)節(jié)性能較好的水電站為例，研究梯級水庫群聯(lián)合優(yōu)化調(diào)度函數(shù)；2014年冉欽朋等[2]通過以來水量的豐枯級別動態(tài)設(shè)定電站考核水位，改進(jìn)了季調(diào)節(jié)能力以下電站考核電量的方法，用以分析大渡河下游瀑布溝等4座梯級電站的節(jié)水增發(fā)電能力；2015年湛洋等[3]通過大渡河雙江口、瀑布溝水電站的“有無對比”法分析其對大渡河上水電站聯(lián)合優(yōu)化運行下的總發(fā)電量的補償效益。上述研究成果表明，在大渡河梯級水電站聯(lián)合調(diào)度產(chǎn)生的總體效益當(dāng)中，調(diào)節(jié)性能較差的水電站往往不受關(guān)注，有關(guān)對其效益補償?shù)难芯枯^少。

龍頭石水電站為大渡河干流調(diào)整規(guī)劃推薦的22級開發(fā)方案的第15級電站，主要開發(fā)任務(wù)為發(fā)電，由于其庫容大比例損失以及調(diào)節(jié)性能的基本喪失，在不考慮四川電網(wǎng)調(diào)度的前提下，發(fā)電效益僅取決于來水情況。電站壩址來水量主要受大渡河天然來水和上游梯級電站徑流調(diào)節(jié)的影響，在流域內(nèi)屬于被補償電站。因此，本文根據(jù)大渡河干流水電站實際情況，利用上游調(diào)節(jié)性能好的電站來進(jìn)行梯級徑流調(diào)節(jié)計算，以使龍頭石水電站的效益充分發(fā)揮。

1 研究對象與特征參數(shù)

1.1 龍頭石水電站基本情況

大渡河龍頭石水電站位于大渡河中游四川省石棉縣境內(nèi)，壩址位于安順場上游約10 km處，壩址以上控制流域集水面積63 040 km2，上、下游分別與大崗山、老鷹巖水電站銜接。電站總裝機(jī)容量720 MW，水庫正常蓄水位955 m，死水位952 m。電站運行以來，由于泥沙淤積，2015年4月水庫總庫容由竣工復(fù)核階段的1.381億 m3減少到0.527億 m3，由日調(diào)節(jié)電站變?yōu)閺搅魇诫娬尽?/p>

表1 參與調(diào)度的各水電站部分特性

1.2 調(diào)度情景與調(diào)度規(guī)則

根據(jù)《四川省大渡河干流水電規(guī)劃調(diào)整報告》，以2021年梯級預(yù)計建成情況為例，本文考慮龍頭石上游調(diào)節(jié)性能較好的猴子巖、長河壩以及與龍頭石銜接的大崗山水庫，分別考慮：①龍頭石水電站單獨運行和考慮上游水庫的調(diào)節(jié)。②在上游水庫補償調(diào)節(jié)的前提下，僅以龍頭石水電站效益最大化和兼顧上游水庫的效益不受損失，分別設(shè)置了3種調(diào)度情景，調(diào)度情景1，對龍頭石水庫單獨進(jìn)行調(diào)度；調(diào)度情景2，參與調(diào)節(jié)計算的有具有季調(diào)節(jié)性能的猴子巖、長河壩水電站以及具有日調(diào)節(jié)性能的大崗山水電站，最大限度給予龍頭石水電站徑流補償和發(fā)電補償；調(diào)度情景3，參與調(diào)節(jié)計算的水庫同調(diào)度情景2，在保障上游水庫的蓄滿率和保證出力不受損失的基礎(chǔ)上，對龍頭石水電站補償調(diào)節(jié)。各水電站的主要特征參數(shù)見表1。

本文涉及到的徑流調(diào)節(jié)計算僅考慮興利調(diào)度，因此采用各電站的興利調(diào)度規(guī)則，對于具有季調(diào)節(jié)性能的猴子巖和長河壩水庫，只考慮其季調(diào)節(jié)調(diào)度運行方式。

2 模型構(gòu)建

2.1 目標(biāo)函數(shù)

由于龍頭石水電站以發(fā)電為主，本次調(diào)節(jié)計算目標(biāo)為使龍頭石水電站獲得上游電站的徑流補償和發(fā)電補償，由于兩者是相關(guān)的，因此以發(fā)電量最大、棄水最小為目標(biāo)。

(1)

(2)

式中，E龍和E分別為龍頭石水電站和梯級水電站總的發(fā)電量；t和i分別為時段編號和水電站編號；Δti為時段小時數(shù)。

棄水目標(biāo)

(3)

(4)

式中，Qw,龍和Qw分別為龍頭石水庫和梯級水庫總的棄水量。

式(1)、(3)僅考慮龍頭石水電站的發(fā)電效益和徑流補償效益，為調(diào)度情景2的目標(biāo)函數(shù)；式(2)、(4)考慮參與調(diào)度的所有水電站總效益，為調(diào)度情景3的目標(biāo)函數(shù)。

除上述目標(biāo)外，在調(diào)度情景3下，還需滿足梯級總體蓄滿率最大。蓄水目標(biāo)

(5)

式中，F(xiàn)R為蓄滿率；V末.i為第i個水庫蓄水期末的庫容；Vmax.i和Vmin.i分別為第i個水庫正常蓄水位和死水位對應(yīng)的庫容；αi為第i個水庫蓄滿率的權(quán)重。

2.2 約束條件

水位、流量約束分別為

Zi,mint≤Zi,t≤Zi,maxt

(6)

Qi,mint≤Qi,t≤Qi,maxt

(7)

式中，Zi,t、Zi,mint、Zi,maxt分別為第i個水庫第t時段水位、最低運行水位和最高運行水位；Qi,t、Qi,mint、Qi,maxt分別為第i個水庫第t時段下泄流量、最小下泄流量和最大下泄流量。

水庫水量平衡約束

Vi.t=Vi.t-1+(Qin,i.t-Qout,i.t)Δt

(8)

式中，Vi.t為第i個水庫第t個時段的庫容；Qin,i.t和Qout,i.t分別為第i個水庫第t個時段的來水和下泄流量。

3 調(diào)算結(jié)果

3.1 調(diào)度結(jié)果

本文采用丹巴、瀘定、石棉、農(nóng)場4個水文站1960年～2013年長系列逐日徑流系列，內(nèi)插得到各水電站壩址徑流系列，繼而得到上下壩址區(qū)間來水系列。

調(diào)度情景1和調(diào)度情景2、3分別采用水文站徑流資料內(nèi)插得到的龍頭石壩址以上和猴子巖壩址以上1960年～2013年逐日徑流資料作為上游來水。情景1，由于實測徑流資料已反映了上游耗水情況，故來水量扣除水電站成庫后的增損水量即可；情景2、3，由于參與計算的梯級預(yù)計2021年建成，因此還需扣除屆時龍頭石壩址以上新增耗水量0.25億m3。

按照水庫調(diào)度規(guī)則，各水庫出庫水量均排入下游，無其他供水要求，也不考慮特殊情況下的應(yīng)急調(diào)度。情景2中，為了使龍頭石水電站獲得最大的效益補償，關(guān)鍵在于汛期少棄水，盡可能滿發(fā)，枯期多利用上游下泄流量，即上游電站在汛期盡量保持汛限水位運行，枯期按需下泄。除季節(jié)性蓄豐補枯以外，汛期和汛末蓄水階段，在下游區(qū)間來水較少時，上游電站為保障龍頭石水電站滿發(fā)而加大泄量、消落水位，這就需要用下游區(qū)間來水和t+1時段的來水來反復(fù)試算上游電站t時段的下泄流量，來達(dá)到龍頭石水庫最小棄水目標(biāo)。情景3中，以梯級總體效益為目標(biāo)，則在具體調(diào)算過程中不以龍頭石水電站的水能利用率最大來反推上游梯級的下泄流量。

以多年平均來水條件為例，繪制3個調(diào)度情景下龍頭石水電站用水和發(fā)電量逐月變化見圖1、2。

圖1 多年平均逐月來水、發(fā)電用水和棄水量對比

圖2 多年平均逐月發(fā)電量對比

3.2 結(jié)果分析

3個情景下多年平均發(fā)電量分別為33.5億、34.7億、34.2億 kW·h。圖1、2顯示了上游水電站運行對龍頭石水電站的影響。

3.2.1 徑流分配過程的影響

上游水電站的調(diào)節(jié)對龍頭石徑流年內(nèi)蓄豐補枯作用顯著。在一個水文年內(nèi)，不同頻率水平年都表現(xiàn)出汛期6月～10月總體壩址來水量相對減小，非汛期11月～次年5月壩址來水量相對增加的規(guī)律。

不同水平年枯期壩址來水量占全年的比例見圖3?？梢钥闯?，在上游水庫調(diào)節(jié)作用下，龍頭石壩址徑流過程在年內(nèi)分配趨于均勻化。對于不同水平年，來水越枯，枯期來水比例越大。情景3中上游水庫枯期對徑流的補償比情景2明顯，結(jié)合圖1進(jìn)行分析可知，在來水量一致的前提下，由于汛期滿發(fā)的幾率大，對下游電站的補償效益最容易實現(xiàn)，因此情景2雖然對龍頭石的發(fā)電補償最大，但徑流調(diào)節(jié)和發(fā)電補償主要在汛期，體現(xiàn)在下游或下一個時段來水少時加大下泄。因此調(diào)度情景3對龍頭石水電站年內(nèi)徑流分配的影響更大。

圖3 3個調(diào)度情景下的龍頭石壩址非汛期壩址來水量占全年的比例對比

徑流分配過程在年內(nèi)的均勻化，直接效益即為水資源利用率的提高，進(jìn)而提高了水能利用率。龍頭石水電站3個調(diào)度情景下不同水平年發(fā)電用水量占壩址來水量的比例見圖4。來水越枯，水資源利用率越大，即上游徑流調(diào)節(jié)的作用越明顯。而對比情景2和情景3可以看出，除了5%頻率下二者水資源利用率基本持平，其余頻率水資源利用率均為情景2更大，這得益于特豐水年來水本來就足夠大，可以保障水量得到充分利用；而在來水偏枯的情況下，梯級總體發(fā)電效益最大和被補償電站發(fā)電效益最大的目標(biāo)通常是矛盾的。

圖4 3個調(diào)度情景下的龍頭石壩址水資源利用率對比

3.2.2 發(fā)電補償效益

龍頭石水電站為徑流式電站，上游水電站的徑流調(diào)節(jié)作用對龍頭石壩址徑流進(jìn)行了重新分配，蓄豐補枯作用使得汛期的水盡可能攔蓄下來供枯期使用，減少了電站汛期棄水，加大了枯期的發(fā)電流量，從而產(chǎn)生發(fā)電補償效益。壩址上游調(diào)節(jié)性能較好水庫的調(diào)蓄提高了水能利用率，枯期發(fā)電量變化情況見圖5。

圖5 3個調(diào)度情景下枯期(11月～次年5月)發(fā)電量對比

根據(jù)調(diào)度結(jié)果發(fā)電補償進(jìn)行分析可知，在上游水庫的調(diào)節(jié)下，不同頻率下龍頭石水電站全年發(fā)電量均有增加，特豐水年增加的絕對值最大，特枯水年增加的相對幅度最大。多年平均條件下，3個情景下龍頭石水電站年發(fā)電量分別為89.61億、92.80億、91.40億kW·h，情景2中發(fā)電量比情景3多1.4億kW·h。調(diào)度情景3的發(fā)電補償作用主要體現(xiàn)在枯期，尤其是在95%特枯水年時，補償效益比情景2大0.37億kW·h。而情景2的發(fā)電補償作用在全年各季節(jié)均有明顯體現(xiàn)。

3.2.3 方案比較

方案比較結(jié)果：①上游調(diào)節(jié)性能較好的水電站水庫進(jìn)行徑流調(diào)節(jié)，根據(jù)不同調(diào)度目標(biāo)采取的不同調(diào)節(jié)方案，均可使下游電站得到一定程度的效益補償。②當(dāng)調(diào)度目標(biāo)僅考慮被補償電站的效益時，徑流補償和發(fā)電補償效益均最大，而效益產(chǎn)生最大的時間主要集中在來水充沛且調(diào)節(jié)庫容可充分利用的汛期。③當(dāng)調(diào)度目標(biāo)考慮梯級水電站的總體效益，僅兼顧被補償電站的效益時，對徑流的蓄豐補枯作用更明顯，甚至在枯期的補償作用會大于僅考慮被補償電站的效益的情況。

分析表明，調(diào)度情景2存在如下弊端：①汛期來水較少的時段通過加大泄量而滿足被補償電站增加發(fā)電量，來水增加后又迅速蓄水，多次利用調(diào)節(jié)庫容(發(fā)電用水量增加值占上游總調(diào)節(jié)庫容的108.7%)，導(dǎo)致汛期庫容短時間內(nèi)反復(fù)增減，不利于水庫安全。②雖然從全年來看，總體上對下游電站的補償效益明顯，但從季節(jié)來看，對徑流的蓄豐補枯作用甚微，不利于河流及周邊的生態(tài)環(huán)境。③對下游電站的補償是以犧牲自身效益為前提的，不利于流域整體水能、水資源利用。當(dāng)補償電站兼有防洪任務(wù)時，這樣的調(diào)度方法更是不利于防洪安全。

事實上，調(diào)度情景2是不符合工程實際的，當(dāng)前的梯級水庫群聯(lián)合優(yōu)化調(diào)度均要求整體效益的最大化。在本文中加入這一假定情景，是為說明在補償電站調(diào)節(jié)能力一定的前提下，被補償電站可能受到最大補償?shù)臉O端情況，作為參照對比分析合理情況下補償電站在徑流調(diào)節(jié)作用下對被補償電站效益的影響。

為避免典型年選取帶來的偶然性，以多年平均為例，綜合總結(jié)情景3中龍頭石水電站受上游電站調(diào)節(jié)后徑流和發(fā)電量的變化：枯期徑流量占全年的的比例增加9.3%；全年發(fā)電用水量增加5.5億m3，占上游總調(diào)節(jié)庫容的59.8%；水資源利用率增加2.0%；發(fā)電量增加0.66億kW·h，增幅2.2%，其中非汛期增加0.91億kW·h，汛期減少0.25億kW·h。

4 結(jié) 語

本文通過加入使龍頭石單站獲得補償效益最大的極端情況作參照，分析上游水電站水庫蓄滿率和保證出力不受損的情況下梯級調(diào)度對龍頭石水電站徑流和發(fā)電的影響。由于上游補償電站改變徑流分配過程，使龍頭石水電站枯期壩址來水增加，水資源利用率提高。發(fā)電量汛期減少，枯期增加，全年總體增加。因此，在大渡河水庫群梯級調(diào)度過程中，調(diào)節(jié)性能差的龍頭石水電站是受益的。