疏勒河流域昌馬水庫(kù)減淤調(diào)度優(yōu)化研究

趙國(guó)榮

(甘肅水務(wù)節(jié)水科技發(fā)展有限責(zé)任公司,甘肅 蘭州 73000)

疏勒河流域地處河西走廊西端，是河西走廊三大內(nèi)陸河之一，內(nèi)轄昌馬、雙塔、花海三大灌區(qū)，承擔(dān)著玉門市、瓜州縣22個(gè)鄉(xiāng)鎮(zhèn)、6個(gè)國(guó)營(yíng)農(nóng)場(chǎng)134.42萬(wàn)畝耕地的農(nóng)業(yè)灌溉和甘肅礦區(qū)等單位的工業(yè)供水、生態(tài)供水及水利發(fā)電供水等任務(wù)。昌馬水庫(kù)作為疏勒河的龍頭工程，是疏勒河灌區(qū)的命脈工程，直接關(guān)系著灌區(qū)的生死存亡。該水庫(kù)自2003年11月正式建成后，設(shè)計(jì)總庫(kù)容1.934億m3。截止2015年4月，由于淤積導(dǎo)致的庫(kù)容損失15.22%，多年平均庫(kù)容損失1.17%。而通過對(duì)昌馬水庫(kù)淤積形態(tài)分析表明，調(diào)度方式在水庫(kù)淤積形態(tài)中起著至關(guān)重要的作用，因此對(duì)昌馬水庫(kù)進(jìn)行減淤調(diào)度優(yōu)化研究就顯得極為重要。

1 昌馬水庫(kù)調(diào)度現(xiàn)狀及存在的問題

1.1 昌馬水庫(kù)調(diào)度現(xiàn)狀

昌馬水庫(kù)現(xiàn)狀調(diào)度方式總體按照發(fā)電調(diào)度服從灌溉調(diào)度，灌溉調(diào)度服從汛期調(diào)度的原則進(jìn)行，兼顧下游工業(yè)等用水，在春灌、夏灌、秋冬灌時(shí)進(jìn)行灌溉，其他時(shí)段蓄水，形成了昌馬水庫(kù)“兩蓄、兩放”的運(yùn)行方式(如圖1所示)，同時(shí)兼顧在水位允許時(shí)進(jìn)行發(fā)電。在汛期時(shí)，昌馬水庫(kù)根據(jù)庫(kù)水位判別洪水并兼顧排沙，在汛期按照汛限水位調(diào)度，初汛(6月20—30日)和末汛(8月10日—9月10日)按照庫(kù)水位2000.8m進(jìn)行調(diào)節(jié)，主汛期(7月1日—8月20日)按照庫(kù)水位1993.3m進(jìn)行調(diào)節(jié)。但水位在超汛限水位時(shí)，按照發(fā)電洞、溢流堰、排沙洞的順序進(jìn)行泄洪，確保水庫(kù)安全。

圖1 昌馬水庫(kù)運(yùn)行方式調(diào)度示意圖

1.2 現(xiàn)狀調(diào)度存在的問題

現(xiàn)狀水庫(kù)在汛期調(diào)度時(shí)，鑒于該時(shí)期河水含沙量大，為減少水庫(kù)淤積，建設(shè)之初，設(shè)計(jì)單位要求在7月份暢泄排沙，空庫(kù)運(yùn)行。但通過對(duì)2003—2013年昌馬水庫(kù)主汛期運(yùn)行水位分析(如圖2所示)，發(fā)現(xiàn)其中2003年沒有排沙，2004—2009年進(jìn)行了暢泄排沙，但是時(shí)間并不滿足初設(shè)要求，而2010—2012年雖然進(jìn)行了排沙調(diào)度，但是水位偏高，在最低發(fā)電水位以上，2013年進(jìn)行了暢泄排沙調(diào)度，但排沙時(shí)間已經(jīng)明顯短于2004—2009年。其次，按照調(diào)洪演算結(jié)論，水庫(kù)按照2000.8m進(jìn)行汛期水位控制，完全能夠滿足設(shè)計(jì)洪峰和校核洪水的下泄需求，但鑒于昌馬水庫(kù)的重要性，在實(shí)際調(diào)度過程中主汛期汛限水位按照1993.3m進(jìn)行控制，這浪費(fèi)了水能資源。另外，昌馬水庫(kù)運(yùn)行調(diào)度數(shù)據(jù)沒有與上游昌馬堡水文站數(shù)據(jù)對(duì)接，遲于水文站實(shí)測(cè)流量數(shù)據(jù)24h左右，影響調(diào)度的準(zhǔn)確性。鑒于以上原因，昌馬水庫(kù)減淤調(diào)度過程急需優(yōu)化。

圖2 昌馬水庫(kù)不同年份主汛期實(shí)際運(yùn)行圖

2 昌馬水庫(kù)調(diào)度優(yōu)化原則與目標(biāo)

2.1 昌馬水庫(kù)調(diào)度優(yōu)化原則

(1)昌馬水庫(kù)根據(jù)各汛期的汛限水位進(jìn)行防洪調(diào)度的原則保持不變，但現(xiàn)狀汛期的劃分是按照旬為單位進(jìn)行控制，比較籠統(tǒng)，本次優(yōu)化調(diào)度方案對(duì)其精細(xì)劃分。

(2)根據(jù)昌馬水庫(kù)壩址處水沙關(guān)系以及近期水庫(kù)運(yùn)行的現(xiàn)狀，在減淤調(diào)度的過程中，須充分利用大水時(shí)來(lái)水?dāng)y沙能力強(qiáng)，排沙比高等特點(diǎn)進(jìn)行排沙。

(3)水庫(kù)建設(shè)之初，初步設(shè)計(jì)報(bào)告提出的暢泄排沙方案過程簡(jiǎn)單，對(duì)水庫(kù)發(fā)電效益和庫(kù)容效益損失較大，而部分年份來(lái)沙主要集中在主汛期8月份，故需兼顧考慮發(fā)電效益和庫(kù)容效益。

(4)維持昌馬水庫(kù)灌溉調(diào)度方案與原調(diào)度方案一致，發(fā)電調(diào)度須服從灌溉調(diào)度。

2.2 昌馬水庫(kù)調(diào)度優(yōu)化目標(biāo)

通過分析昌馬水庫(kù)優(yōu)化調(diào)度原則，結(jié)合昌馬水庫(kù)來(lái)水量和來(lái)沙量，提出減淤調(diào)度優(yōu)化總體目標(biāo)，即在不同的調(diào)度方案下，在保障下游影響區(qū)域內(nèi)防護(hù)區(qū)的安全泄量，滿足下游的防洪要求下，充分利用壩址處水力資源減少水庫(kù)淤積，滿足用水戶的蓄水訴求并兼顧水力發(fā)電，取得較優(yōu)的效益。

3 昌馬水庫(kù)減淤調(diào)度優(yōu)化

3.1 汛期劃分

本次在昌馬水庫(kù)汛期重新劃分時(shí)，主要利用數(shù)理統(tǒng)計(jì)方法和模糊分析法，綜合確定汛期。

3.1.1 數(shù)理統(tǒng)計(jì)方法

根據(jù)昌馬堡水文站典型年逐月來(lái)水量圖(如圖3所示)，疏勒河來(lái)水量主要集中在6、7、8這三個(gè)月，并在7月下旬達(dá)到極值。通過對(duì)昌馬水庫(kù)超過日平均來(lái)水量80m3以上數(shù)理統(tǒng)計(jì)(見表1)，疏勒河來(lái)水主要集中在5月下旬—9月下旬之間；當(dāng)流量超過140m3/s時(shí)，疏勒河來(lái)水集中在6月中旬—9月中旬之間；當(dāng)以流量為樣本加大取值參數(shù)時(shí)，時(shí)間更加反映出更為集中的特點(diǎn)，主要來(lái)水量集中在7月上旬—8月下旬，因此綜合分析昌馬水庫(kù)的主汛期主要為7月上旬—8月下旬。

圖3 昌馬堡水文站典型年逐月來(lái)水量圖

3.1.2 模糊分析法

通過對(duì)影響昌馬水庫(kù)上游的水文情況進(jìn)行分析，洪水在汛期前期增強(qiáng)，后期逐漸減弱，這是進(jìn)行汛期模糊集分析方法的理論基礎(chǔ)。模糊集分析方法通過對(duì)實(shí)測(cè)資料的分析研究選取出能夠判斷汛期與非汛期的標(biāo)準(zhǔn)值，再根據(jù)多年的實(shí)際流量確定各年的汛期，在計(jì)算域內(nèi)任一時(shí)間t被樣本覆蓋的次數(shù)nt，最后通過構(gòu)建隸屬度函數(shù)求得隸屬度，時(shí)間t屬于汛期的隸屬度為：

(1)

根據(jù)表1，大于100m3/s流量段滿足此時(shí)間段，故按照此進(jìn)行隸屬度分析，通過統(tǒng)計(jì)、計(jì)算，結(jié)果如圖4所示。

表1 昌馬水庫(kù)超過日平均來(lái)水量80m3以上數(shù)理統(tǒng)計(jì)表

通過對(duì)昌馬水庫(kù)1957—2014年的來(lái)水量進(jìn)行隸屬度計(jì)算，繪制出隸屬度函數(shù)曲線，根據(jù)汛期經(jīng)驗(yàn)，采用隸屬度0.3進(jìn)行劃分，則主汛期劃定為7月13日—8月16日。

圖4 100m3/s以上汛期隸屬度統(tǒng)計(jì)圖

3.1.3 汛期劃定結(jié)論

目前昌馬水庫(kù)汛期為：初汛期6月10—30日，主汛期7月1日—8月20日，末汛期8月10日—9月10日。經(jīng)過本文資料分析，可將初汛期定于6月20日—7月13日，主汛期定于7月13日—8月16日，末汛期定于8月17日—9月10日。與目前汛期劃分相比較，在新的汛期分期中應(yīng)用當(dāng)前的汛限水位進(jìn)行控制，從而縮短主汛期的時(shí)間，給庫(kù)水位更多時(shí)間上漲，緩解用水矛盾，增加發(fā)電效益，而且對(duì)于末汛期還會(huì)增加相應(yīng)的蓄水。

3.2 昌馬水庫(kù)減淤調(diào)度優(yōu)化方案

3.2.1 優(yōu)化方案

根據(jù)甘肅省昌馬水庫(kù)庫(kù)區(qū)沖淤電算成果，大水期輸沙能力要強(qiáng)于小水期輸沙能力，因而大水期排沙效率要比小水期效率高得多；而通過降低水位可有效增加水庫(kù)輸沙能力，小水期改善作用較小，大水期改善作用大。因而通過降低水位排沙更加增加了水庫(kù)大水期排沙的效率，水庫(kù)排沙效率隨流量和壩前水位變化，壩前水位控制使得大、小水時(shí)輸沙能力和排沙效率相對(duì)河道進(jìn)一步分化。水庫(kù)的排沙效率隨著流量的增大而增大，小水期排沙效率低而大水期排沙效率高，而大水期降低水位后排沙效率更高，疏勒河大水期均發(fā)生在疏勒河汛期，故為了一方面減少水庫(kù)淤積，另一方面充分發(fā)揮水力資源，因此可以界定一個(gè)排沙流量，在低于該流量的小水期蓄水，在高于該流量的大水期降低水位排沙。

故根據(jù)昌馬水庫(kù)來(lái)水量，對(duì)昌馬水庫(kù)逐日平均來(lái)水量進(jìn)行頻率分析，可按照逐日平均流量300m3/s(兩年一遇)進(jìn)行流量分級(jí)。在水庫(kù)運(yùn)行過程中，根據(jù)河流水沙關(guān)系量，當(dāng)入庫(kù)流量小于分級(jí)流量時(shí)，水庫(kù)排沙效率不高，可維持在較高水位運(yùn)行，不參與排沙，甚至可以淤積部分泥沙；當(dāng)水庫(kù)來(lái)水量大于確定的分級(jí)流量時(shí)，水庫(kù)排沙效率較高，從而可以降低水庫(kù)水位，或降低至更低的水位運(yùn)行，對(duì)前期淤積的泥沙進(jìn)行沖刷，達(dá)到將本次來(lái)水量所攜帶的泥沙排出水庫(kù)或淤積在死庫(kù)容的目的，這即是本次昌馬水庫(kù)所要執(zhí)行的水沙調(diào)度方案。

3.2.2 水沙調(diào)度執(zhí)行原則

昌馬水庫(kù)執(zhí)行水沙調(diào)度時(shí)，利用現(xiàn)有和新建的天氣預(yù)報(bào)系統(tǒng)和洪水預(yù)報(bào)系統(tǒng)，對(duì)水庫(kù)進(jìn)行優(yōu)化調(diào)度，按照調(diào)度執(zhí)行簡(jiǎn)圖調(diào)度，如圖5所示，并堅(jiān)持以下原則。

(1)昌馬水庫(kù)執(zhí)行水沙調(diào)度時(shí)，水文數(shù)據(jù)要與昌馬水庫(kù)調(diào)度實(shí)現(xiàn)全面對(duì)接。

(2)判定逐日平均流量大于300m3/s后，必須舍棄相應(yīng)的經(jīng)濟(jì)效益，諸如發(fā)電，蓄水等，在保證下游影響區(qū)安全泄量的前提下，盡最大可能降低水位，達(dá)到排沙要求。

(3)水庫(kù)上游集雨面積內(nèi)雨情測(cè)報(bào)系統(tǒng)和洪水預(yù)報(bào)調(diào)度等系統(tǒng)必須具有高精度、強(qiáng)范圍性和相應(yīng)的穩(wěn)定性。

(4)必須建立高效、強(qiáng)有力的管理團(tuán)隊(duì)，建立健全相應(yīng)的管理機(jī)構(gòu)，對(duì)水庫(kù)進(jìn)行嚴(yán)格調(diào)度。

(5)調(diào)度人員須在合理調(diào)度區(qū)間內(nèi)，充分發(fā)揮昌馬水庫(kù)的電力效益、灌溉效益和防洪效益等。

圖5 昌馬水庫(kù)優(yōu)化調(diào)度簡(jiǎn)圖

4 水庫(kù)減淤調(diào)度優(yōu)化效益分析

4.1 數(shù)據(jù)處理原則

選取昌馬水庫(kù)建成后，超過分級(jí)流量的年份，進(jìn)行整體效益分析，主要分析初設(shè)要求在7月份暢泄情況下的年發(fā)電量、蓄水量，現(xiàn)狀運(yùn)行方式下的年發(fā)電量、蓄水量，調(diào)度優(yōu)化后的年發(fā)電量、蓄水量，并遵循以下原則。

(1)因發(fā)電洞最大可引水60m3/進(jìn)行發(fā)電，故若水位滿足發(fā)電條件，來(lái)水量介于0～60m3/s的，按來(lái)水量計(jì)算；若超過60m3/s的，按60m3/s進(jìn)行計(jì)算發(fā)電量。

(2)汛期若按照初設(shè)暢泄方案進(jìn)行計(jì)算，則7月份暢泄不蓄水、不發(fā)電，為便于計(jì)算，水位采用1952m，庫(kù)容采用0m3。

(3)減淤調(diào)度優(yōu)化方案汛期采用厘定后的新汛期，即初汛期定于6月20日—7月13日，主汛期定于7月13日—8月16日，末汛期定于8月17日—9月10日。

(4)疏勒河灌區(qū)7月份需水量計(jì)算時(shí)，采用管理單位統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，2014年6月27日—7月15日，約需水9411.12萬(wàn)m3；7月16日—7月31日約需水8025.37m3，日平均流量57.69m3/s。本文進(jìn)行效益分析時(shí)采用保守計(jì)算，灌區(qū)需水量按7月份按照60m3/s計(jì)算，即保證水庫(kù)最小下泄流量60m3/s；采取同樣處理辦法，8月1—20日下游最小需水按55m3/s進(jìn)行計(jì)算，8月20日—9月20日下游最小需水按45m3/s計(jì)算。

(5)由于代入歷史數(shù)據(jù)后，水庫(kù)調(diào)度存在蝴蝶效應(yīng)，庫(kù)容的變化將有可能影響所有以后所有水庫(kù)調(diào)度數(shù)據(jù)，故為便于計(jì)算進(jìn)行效益分析，時(shí)間節(jié)點(diǎn)在當(dāng)年汛期結(jié)束后終止。

(6)電站出力計(jì)算時(shí)，水輪機(jī)效率采用0.90，發(fā)電機(jī)效率采用0.94。

(7)水庫(kù)建成后，利用昌馬堡水文站實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)，對(duì)比排沙流量，經(jīng)過分析，2006年、2008年、2010年、2011年、2013年均滿足減淤調(diào)度的歷史情景，故在效益分析時(shí)，以此5年數(shù)據(jù)計(jì)算三種調(diào)度方案的發(fā)電量，主汛期末的蓄水量。

4.2 歷史情景效益計(jì)算

利用前述計(jì)算原則，代入滿足條件的歷史情景數(shù)據(jù)，其調(diào)度過程詳見各典型年不同調(diào)度方案的庫(kù)水位調(diào)度過程，如圖6所示。

圖6 各典型年不同調(diào)度方案的庫(kù)水位調(diào)度過程

根據(jù)以上調(diào)度原則，采用前述效益分析數(shù)據(jù)處理原則，通過計(jì)算三個(gè)方案下的效益分析如圖7所示。

通過對(duì)昌馬水庫(kù)滿足條件的5年歷史情景數(shù)據(jù)進(jìn)行發(fā)電量和主汛期末蓄水量效益計(jì)算分析，優(yōu)化方案年發(fā)電量略優(yōu)于現(xiàn)狀調(diào)度方案，較7月份暢泄方案發(fā)電量平均增效15.81%；采取8月20日主汛期末蓄水量比較，調(diào)度優(yōu)化方案較7月份暢泄方案高4.24%，比現(xiàn)狀方案低22.69%，主要是由于2011年滿足條件來(lái)水在8月16日，按照優(yōu)化調(diào)度方案運(yùn)行排沙滯后，只有短短3天的蓄水時(shí)間，降低了平均值，若剔除2011年歷史數(shù)據(jù)，則優(yōu)化調(diào)度方案蓄水量和發(fā)電量均優(yōu)于其他兩種方案。故從以上分析來(lái)看，優(yōu)化調(diào)度方案在發(fā)電量增效和蓄水量效益分析上均優(yōu)于其他兩種方案。

圖7 三種方案方案效益分析圖

5 結(jié)論

通過該論文研究，提出了昌馬水庫(kù)的減淤調(diào)度優(yōu)化方案，同時(shí)還取得了以下成果：

(1)重新劃定了昌馬水庫(kù)汛期，建議初汛期定于6月10日—7月12日，主汛期定于7月13日—8月16日，末汛期定于8月17日—9月10日。

(2)提出了減淤調(diào)度優(yōu)化方案，可總結(jié)為“觀望來(lái)洪，擇機(jī)排沙”，利用該調(diào)度方式對(duì)前期淤積的泥沙進(jìn)行沖刷，達(dá)到將本次來(lái)水量所攜帶的泥沙排出水庫(kù)或淤積在死庫(kù)容范圍內(nèi)的目的。

(3)通過代入歷史情景數(shù)據(jù)進(jìn)行效益分析，優(yōu)化調(diào)度方案在發(fā)電量增效和蓄水量效益分析上均優(yōu)于初設(shè)提出的暢泄方案和現(xiàn)狀調(diào)度方案。