水利樞紐群安全調(diào)控技術(shù)體系

樊啟祥,肖 舸，劉志武

(中國長江三峽集團公司,北京 100038)

水電作為技術(shù)最成熟、供應(yīng)最穩(wěn)定的可再生清潔能源,在我國能源供應(yīng)中占有重要地位。1912年,我國在云南省昆明市郊建成第一座水電站——石龍壩水電站,電站初始裝機為480 kW。經(jīng)過一百多年的水電開發(fā),我國水電發(fā)展已取得長足進步,目前我國水電站裝機規(guī)模居世界第一。我國計劃在2050年前建成13個國家級梯級水電基地[1],屆時我國水電經(jīng)濟開發(fā)度將達70%,與發(fā)達國家水電經(jīng)濟開發(fā)度相當(dāng)(國際水電協(xié)會的統(tǒng)計數(shù)據(jù)顯示,2010年發(fā)達國家水電的平均經(jīng)濟開發(fā)度在60%以上,其中,德國、瑞士、西班牙和意大利等國的水電經(jīng)濟開發(fā)度超過95%,美國達82%,日本達90%)。

2000年至今,我國在流域水電開發(fā)與樞紐工程建設(shè)領(lǐng)域取得豐碩成果,建成了目前世界上裝機臺數(shù)及總?cè)萘颗c建設(shè)規(guī)模最大的三峽水利樞紐、具有最大地下廠房的金沙江溪洛渡水電站、具有最高碾壓混凝土壩的龍灘水電站、具有最高混凝土拱壩的錦屏一級水電站等。這些水利樞紐的某些單項指標(biāo)超過了國外所有已建水利樞紐,諸如300 m級高壩高消落水深、10萬MW大功率泄洪、800 MW單機容量、113 m水頭、年通航1億t船閘等。目前,我國長江中上游已建成世界上規(guī)模最大的水利樞紐群,在樞紐建設(shè)、管理和施工領(lǐng)域引領(lǐng)了全球水電產(chǎn)業(yè)的發(fā)展,同時也面臨著世界上其他國家從未遇見的梯級水利樞紐群安全調(diào)控挑戰(zhàn)。如高壩蓄水帶來的谷幅收縮與大壩壩體安全,大功率集中泄洪引起壩址區(qū)和周邊建筑物振動,巨型發(fā)電機組受泄洪尾水影響會產(chǎn)生強迫擾動,已有的水力學(xué)模型受限于比尺效應(yīng)難以反映高水頭、大規(guī)模泄洪的實際狀況,單一目標(biāo)小水頭變化工況的機組安全調(diào)控技術(shù)難以滿足巨型機組水頭與負荷變化大的要求等問題。此外,水電工程泄洪非恒定流對下游航運的影響,高水頭大流量挑流、天然河道沖坑泄洪產(chǎn)生的過飽和氣體與水生生物的關(guān)系等,也都需要在樞紐調(diào)度運行中統(tǒng)籌考慮。因此,應(yīng)針對我國已建水利樞紐的具體特點開展新的理論與技術(shù)研究,以滿足特大型水利樞紐安全生產(chǎn)與梯級水利樞紐聯(lián)合調(diào)度管理的工程需求。事實上,我國已開展了大量自主創(chuàng)新,在開發(fā)綠色水電技術(shù),建設(shè)生態(tài)友好環(huán)境保護的水電工程的同時,研發(fā)出一些有利于生態(tài)環(huán)境安全的梯級水電站集控運行平臺、水庫群聯(lián)合調(diào)度技術(shù)等,為梯級水利樞紐聯(lián)合調(diào)度安全運行提供了科技支撐。

文中,筆者主要介紹我國在水利樞紐集控運行、風(fēng)險管理方面的研究進展,并結(jié)合多年來積累的水利樞紐工程建設(shè)和蓄水運行的工作經(jīng)驗,嘗試提出考慮防洪、發(fā)電、供水、通航、生態(tài)、航運等多維安全的水利樞紐群一體化調(diào)控技術(shù)發(fā)展方向。

1 梯級水利樞紐集控平臺研發(fā)應(yīng)用

流域梯級水利樞紐運行管理的目標(biāo)是通過多個單體水利樞紐的聯(lián)合調(diào)度達到并發(fā)揮已有工程設(shè)計效益,挖掘工程潛在綜合效益。梯級水利樞紐的聯(lián)合調(diào)度運行不僅需要協(xié)調(diào)處理防洪、發(fā)電、航運、灌溉等多項調(diào)度任務(wù)涉及的多方利益主體的矛盾,還需要承擔(dān)調(diào)度復(fù)雜程度增加所帶來的相應(yīng)安全風(fēng)險。如:汛期防洪要求的低水位、防洪庫容與發(fā)電要求的高水位、興利庫容之間的矛盾;電網(wǎng)要求的調(diào)峰、調(diào)頻的運行靈活性與航運、減振、庫岸穩(wěn)定要求的水位平穩(wěn)性之間的矛盾;枯水期灌溉用水與發(fā)電用水不足之間的矛盾;生態(tài)環(huán)境保護要求的水位、流量運行方式與發(fā)電最優(yōu)運行方式之間的矛盾等。事實上,由于入庫徑流的隨機性,決策過程的動態(tài)性、實時性,系統(tǒng)的非線性,以及管理的多目標(biāo)性,使得梯級水電站聯(lián)合調(diào)度決策過程非常復(fù)雜,依靠個人經(jīng)驗難以作出正確決策,需要調(diào)度決策支持系統(tǒng)的支撐。

20世紀(jì)60年代至80年代,歐美發(fā)達國家首先完成了水電大開發(fā),并開發(fā)出系列梯級水電站通用的優(yōu)化調(diào)度軟件,應(yīng)用最廣泛的是美國陸軍工程兵團水利工程中心開發(fā)的HEC系列軟件,包括HEC-DSS、HEC-ResSim和HEC-HMS。除此之外,較有影響力的梯級集控運行軟件還有丹麥水力研究所(DHI)的MIKE-SHE、科羅拉多大學(xué)的RiverWare、喬治亞理工的水資源管理決策支持系統(tǒng)GTDSS和加州伯克利分校研究教育中心的CalSim。其中,CalSim是加州伯克利分校專門為加州水資源局開發(fā)的,服務(wù)于加州州屬和聯(lián)邦政府所屬的20多個水庫和北水南調(diào)設(shè)施聯(lián)合調(diào)度運行的管理軟件;RiverWare是最早將水文預(yù)報與水庫群短期決策相結(jié)合的集成系統(tǒng),率先應(yīng)用于美國田納西河13座水庫的聯(lián)合調(diào)度;MIKE系列主要用于設(shè)計分析和評估演算;GTDSS主要應(yīng)用于埃及阿斯旺高壩/低壩 (HAD-DSS)和加州薩克拉門托流域水庫群(INFORM-DSS)。此外,一些具有流域水電站管理權(quán)限的機構(gòu)或企業(yè)集團,也根據(jù)集團下屬電站的發(fā)電調(diào)度目標(biāo)和樞紐工程特點,設(shè)計出專屬梯級水電站的集控平臺,如美國加利福尼亞中心流域工程優(yōu)化調(diào)度系統(tǒng)(CVP)和田納西流域機構(gòu)(TVA)的水資源優(yōu)化調(diào)度系統(tǒng)(HYDROSIM)等。

我國梯級水電站集控平臺研究在多年的實踐應(yīng)用中也取得了一定的進展。早期水電站集控平臺是在通用平臺設(shè)計框架下對某些功能模塊進行本土化改進,有效保障了我國初期梯級水利樞紐經(jīng)濟效益的發(fā)揮。近年來,我國加快水電站集控平臺的自主研發(fā),已成功開發(fā)并設(shè)計出符合我國大型水利樞紐特點和日常應(yīng)用的集控調(diào)度平臺。例如,三峽工程開發(fā)公司設(shè)計的水電站集控平臺,能夠結(jié)合水情預(yù)測進行短期和中長期梯級水庫聯(lián)合優(yōu)化調(diào)度[2]。國電大渡河流域水電開發(fā)公司研發(fā)的自動化報競價模塊、水情智能測報功能模塊,可通過移動終端互聯(lián),實現(xiàn)多尺度的水電站群聯(lián)合調(diào)度和實時優(yōu)化[3]。貴州烏江水電開發(fā)有限責(zé)任公司研發(fā)的水電站優(yōu)化調(diào)度系統(tǒng)在智能發(fā)電調(diào)度與負荷分配方面具有特色創(chuàng)新,實現(xiàn)了梯級水庫聯(lián)合調(diào)度與水電站發(fā)電調(diào)度之間的動態(tài)交互[4]。云南昭通高橋發(fā)電有限公司基于NC3.0監(jiān)控平臺構(gòu)建的集控系統(tǒng),實現(xiàn)了計算機分步接入、多機冗余配置、多層次安全防護等功能,可保證調(diào)度正常運行[5]。五凌公司電力有限公司基于IEC61850標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計的智能集控平臺,可實現(xiàn)一人一席多廠管控模式,并采用智能分析和關(guān)聯(lián)診斷策略,實現(xiàn)設(shè)備智能監(jiān)測[6]。然而,我國已有的水利樞紐集控平臺多側(cè)重于水電站及庫區(qū)各部位風(fēng)險源未被觸發(fā)、各項功能正常發(fā)揮的常規(guī)調(diào)度和優(yōu)化調(diào)度范疇的決策支持,而對流域水資源的綜合利用效益以及風(fēng)險源被觸發(fā)后的風(fēng)險調(diào)度、風(fēng)險應(yīng)急和風(fēng)險管理等方面考慮不足。

2 水利樞紐群聯(lián)合調(diào)控與安全運行研究

水利樞紐的安全運行涉及水庫、大壩、泄洪、機組、生態(tài)、航運等多個方面,其整體調(diào)控運行的對象是“庫岸-大壩-壩基-水庫”耦合的復(fù)雜系統(tǒng)。研究的難點在于水庫、庫岸、大壩、壩基各子系統(tǒng)都是非線性的,各子系統(tǒng)之間存在緊密的相互耦合作用。近年來,物聯(lián)網(wǎng)、遙感、數(shù)字流域等新技術(shù)的應(yīng)用提升了樞紐監(jiān)控數(shù)據(jù)實時獲取能力、分析能力和安全保障水平,為樞紐安全調(diào)控技術(shù)研發(fā)提供了良好的基礎(chǔ)。筆者以風(fēng)險源辨識-監(jiān)測-分析-預(yù)警-調(diào)控為主線條,對樞紐調(diào)度運行過程中的風(fēng)險管理技術(shù)研發(fā)進展進行綜述。

2.1 水利樞紐群聯(lián)合調(diào)度風(fēng)險辨識

水利樞紐群的聯(lián)合調(diào)度[7]涉及防洪、發(fā)電、供水、生態(tài)、航運等多個目標(biāo),為復(fù)雜多維非線性系統(tǒng),在進行多目標(biāo)決策聯(lián)合調(diào)度管理過程中,由于受水文、水力、工程結(jié)構(gòu)、人為決策等諸多不確定性因素的影響(如入庫洪水隨機性、來水預(yù)報不確定性、綜合利用需求不確定性等),不可避免地存在蓄水率不足、發(fā)電不足、水位高于防洪限制水位、下泄流量大于下游安全泄量等潛在風(fēng)險,從而影響特大水利樞紐群多維安全運行與防洪、發(fā)電、供水、航運、生態(tài)等綜合功能或效益的發(fā)揮[8]。目前,水利樞紐庫群風(fēng)險研究主要集中在洪水與潰壩[9]、大壩攔河的生態(tài)影響[10]等,但綜合考慮多效益目標(biāo)和多安全約束,基于實際運行狀況與監(jiān)測資料對水利樞紐群進行實時風(fēng)險管理仍缺乏理論基礎(chǔ)。已有相關(guān)風(fēng)險辨識研究主要辨識水利樞紐庫群聯(lián)合調(diào)度過程中水文、水力聯(lián)系等的不確定性,如通過建立入庫徑流模擬模型,對綜合利用水庫防洪和興利調(diào)度風(fēng)險進行分析[11]。20世紀(jì)90年代,我國學(xué)者將風(fēng)險分析理論引入大壩安全和洪災(zāi)風(fēng)險分析中,內(nèi)容多涉及大壩安全標(biāo)準(zhǔn)、水庫防洪調(diào)度、洪水風(fēng)險圖編制、水庫泄洪風(fēng)險等[12-18]。顧文權(quán)等[14]采用隨機模擬方法生成供水水庫來用水序列,基于自優(yōu)化模擬技術(shù)建立水庫供水調(diào)度模擬模型;王麗萍等[15]對防洪調(diào)度、發(fā)電調(diào)度風(fēng)險、多目標(biāo)調(diào)度風(fēng)險進行了分析;閆寶偉等[17]采用水庫調(diào)洪演算隨機微分方程,將洪水過程預(yù)報誤差不確定性轉(zhuǎn)化為庫水位過程不確定性,對隔河巖水庫防洪調(diào)度風(fēng)險進行分析;鐘平安等[18]以補償期和回蓄期來水預(yù)報誤差作為風(fēng)險因子,建立了小流量泄流補償風(fēng)險決策樹,建立了基于決策樹的泄流補償調(diào)度風(fēng)險評估模型。我國“973”計劃——“梯級水庫群全生命周期風(fēng)險孕育機制與安全防控理論”,率先開展了梯級水庫群的風(fēng)險防控與安全管理的關(guān)鍵研究,為特大水利樞紐群安全風(fēng)險管理發(fā)展開拓了新方向。王浩、陳祖煜院士的團隊對梯級水庫群的風(fēng)險孕育機理開展了深入研究,在梯級土石壩連潰風(fēng)險分析理論和設(shè)計安全標(biāo)準(zhǔn)方面取得了進展[19]。

總體來看,已有風(fēng)險辨識研究主要集中在單一電站模式下的安全分析,側(cè)重于單級水電站的單一風(fēng)險管理要素,例如調(diào)度風(fēng)險、大壩風(fēng)險、機組風(fēng)險、通航風(fēng)險、生態(tài)風(fēng)險等,并重點集中在對水文要素及機組運行狀態(tài)的考慮上,需要加強對單一梯級多風(fēng)險源協(xié)同聯(lián)動管理以及樞紐群的風(fēng)險源辨識、多重風(fēng)險源的疊加和累積效應(yīng)等方面的研究。

2.2 水利樞紐運行風(fēng)險分析與評估預(yù)警技術(shù)

在水利樞紐擋水、泄洪、機組、通航、生態(tài)等多維安全約束下,如何綜合考慮這一系列相關(guān)的多重風(fēng)險,研發(fā)梯級水電站實時風(fēng)險分析、評估、預(yù)警和調(diào)度技術(shù),在風(fēng)險孕育和發(fā)生時,快速評估和判斷風(fēng)險級別,作出應(yīng)急調(diào)度預(yù)案,保障梯級水庫安全運行,是目前亟待解決的現(xiàn)實問題和亟待攻克的技術(shù)問題。我國國家防汛抗旱指揮部2005年發(fā)布了《關(guān)于明確水庫水電站防汛管理有關(guān)問題的通知》、2006年發(fā)布了《水庫防汛搶險應(yīng)急預(yù)案編制大綱》,要求包括水利行業(yè)和電力行業(yè)在內(nèi)的相關(guān)單位編制水庫防汛搶險應(yīng)急預(yù)案。國家發(fā)展與改革委員會2015年發(fā)布的《水電站大壩運行安全監(jiān)督管理規(guī)定》要求,電力企業(yè)應(yīng)當(dāng)建立大壩安全應(yīng)急管理體系,制定大壩安全應(yīng)急預(yù)案,遇有超標(biāo)準(zhǔn)洪水、地震、地質(zhì)災(zāi)害、大體積漂浮物等險情,電力企業(yè)應(yīng)當(dāng)按照規(guī)定啟動大壩安全應(yīng)急機制。我國風(fēng)險應(yīng)急響應(yīng)與應(yīng)急預(yù)案編制工作正從側(cè)重“事故后救災(zāi)”向“增強事故前防災(zāi)抗災(zāi)意識、提高預(yù)報預(yù)警能力、提升應(yīng)急預(yù)案操作性與響應(yīng)時效性”轉(zhuǎn)變。

近年來,澳大利亞、加拿大、美國等已從單純基于設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)的大壩安全管理過渡到風(fēng)險指引的大壩安全管理(risk informed dam safety management),美國墾務(wù)局和陸軍工程兵團對所轄的800余座大壩全面按照大壩安全風(fēng)險組合管理的模式進行風(fēng)險排序和風(fēng)險決策。20世紀(jì)末以來,我國新建的高壩大庫均建立了較完善的大壩安全監(jiān)控體系,統(tǒng)計模型、確定性模型、混合模型等各類監(jiān)測數(shù)據(jù)定量分析得到了廣泛應(yīng)用,對時間序列分析、數(shù)字濾波、灰色系統(tǒng)、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)等理論方法的研究也逐漸深入。我國目前的大壩安全管理主要基于設(shè)計標(biāo)準(zhǔn),多依賴于監(jiān)測數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析、監(jiān)測與設(shè)計值的對比以及專家經(jīng)驗。實現(xiàn)高可信度的實時定量評價和預(yù)警,就需要為安全運行智能化調(diào)度提供定量約束條件,考慮特大水利樞紐群防洪泄洪風(fēng)險、機組振動風(fēng)險、航運風(fēng)險、生態(tài)風(fēng)險等多維安全需要。為保障梯級流域水電站多維安全運行,需考慮近壩區(qū)域的多維安全風(fēng)險,提出面向流域的多維安全監(jiān)測指標(biāo)體系和風(fēng)險定量分析技術(shù),并建立基于多維安全的條件運行閾值和應(yīng)急運行閾值。

圖1 水利樞紐群安全調(diào)控技術(shù)體系框架

2.3 水利樞紐群集控平臺智能化技術(shù)

現(xiàn)有樞紐群集控技術(shù)研究進展主要集中在梯級水電站一體化調(diào)度方面,近年來,物聯(lián)網(wǎng)、遙感、數(shù)字流域等新技術(shù)大大提高了樞紐運行數(shù)據(jù)獲取、分析能力和運行調(diào)度技術(shù)水平。肖舸等[2]探討三峽梯級與金沙江下游梯級互為備調(diào)、“水庫調(diào)度統(tǒng)一、電力調(diào)度分區(qū)”的新體系,即“調(diào)控一體化”管理模式;芮鈞等[20]指出傳統(tǒng)水電廠電力運行和水庫調(diào)度孤立優(yōu)化的模式使得經(jīng)濟運行體系的整體性、協(xié)調(diào)性和精細化程度不足,對發(fā)電過程的穩(wěn)定性造成了不利影響,研究了基于水電站群一體化管控平臺的經(jīng)濟運行系統(tǒng);萬書鵬等[21]為滿足調(diào)度與變電站一體化系統(tǒng)雙網(wǎng)架構(gòu)下的TCP通信,提出一種基于組播的鏈路狀態(tài)監(jiān)測與TCP通信方法;杜貴和等[22]在智能電網(wǎng)調(diào)度技術(shù)支持系統(tǒng)框架的基礎(chǔ)上,考慮實現(xiàn)智能電網(wǎng)調(diào)度技術(shù)支持系統(tǒng)框架的功能目標(biāo);曹斌等[23]提出了考慮電網(wǎng)運行風(fēng)險的發(fā)用電一體化調(diào)度方法;徐丹丹等[24]從調(diào)度主站對變電站的功能需求出發(fā),提出了智能變電站與調(diào)度主站一體化建模方案。關(guān)杰林等[25]闡述了溪洛渡、向家壩梯級電站“調(diào)控一體化”運行調(diào)度管理模式的內(nèi)涵和“調(diào)度+監(jiān)視+重點控制”的實現(xiàn)方式。

目前,水利樞紐群集控技術(shù)研發(fā)正朝著集控平臺智能化、樞紐多目標(biāo)效益和多維安全綜合管理方向發(fā)展,一些核心關(guān)鍵技術(shù)正在攻關(guān),譬如泄洪閘門、機組的控制需在多約束條件下進一步優(yōu)化,以實現(xiàn)機組、泄洪閘門聯(lián)合控制;開發(fā)多效益目標(biāo)和多安全約束的一體化調(diào)控平臺等。

3 水利樞紐群多維安全調(diào)控技術(shù)框架與關(guān)鍵研發(fā)內(nèi)容

近年來,隨著水利樞紐智能化監(jiān)控體系的建設(shè)、多源數(shù)據(jù)集成融合和數(shù)據(jù)挖掘技術(shù)在梯級水電站中的初步應(yīng)用,以及水利樞紐運行風(fēng)險的機理研究和辨識方法的創(chuàng)新,開展梯級水利樞紐群多維安全調(diào)控已具有一定的前期基礎(chǔ)。筆者認為研發(fā)下一代水利樞紐群智能集控平臺的時機已成熟。下一代水利樞紐群集控平臺將能實現(xiàn)樞紐的多源各類基礎(chǔ)數(shù)據(jù)和安全數(shù)據(jù)的融合,并能根據(jù)降雨、來水、地震等多源組合輸入與梯級累積效應(yīng),實施動態(tài)的樞紐調(diào)控管理,包括水庫、大壩、機組電站、閘門、通航設(shè)施、河道等智能安全調(diào)控與風(fēng)險管理。

以下一代水利樞紐群集控平臺研發(fā)為需求牽引,筆者提出構(gòu)建水利樞紐群多維安全調(diào)控技術(shù)框架,并指出亟待攻關(guān)的核心關(guān)鍵技術(shù)。

3.1 水利樞紐群安全調(diào)控技術(shù)體系框架與要點

大型水利樞紐的興建改變了流域水文過程,進而影響了流域水資源高效開發(fā)利用和區(qū)域社會經(jīng)濟系統(tǒng)。水利樞紐群調(diào)控技術(shù)體系框架如圖1所示。

首先,開展水利樞紐群運行風(fēng)險的發(fā)生機理及風(fēng)險辨識技術(shù),突破以往工程風(fēng)險研究的傳統(tǒng)范圍,將水利樞紐群運行風(fēng)險分析擴展到流域可持續(xù)發(fā)展層面,綜合提出風(fēng)險在樞紐建筑物之間以及社會經(jīng)濟和生態(tài)各環(huán)節(jié)之間發(fā)生、發(fā)展及傳遞的機理和辨識技術(shù)。

其次,從工程設(shè)施調(diào)控的“硬”手段和流域資源環(huán)境管理的“軟”措施兩方面,提出“軟硬結(jié)合”的特大水利樞紐群調(diào)控技術(shù)體系的核心技術(shù)。①在水利樞紐工程風(fēng)險管理方面,圍繞“庫岸-大壩-壩基-水庫”耦合性態(tài)準(zhǔn)確模擬預(yù)警、泄洪減振減蝕、樞紐群多維安全調(diào)控等技術(shù)難題,以風(fēng)險辨識-監(jiān)測-分析-預(yù)警-調(diào)控為主線開展系統(tǒng)研究?？紤]降雨、來水、地震等多源組合輸入與梯級累積效應(yīng),提出泄洪-擋水-機組-航運-生態(tài)風(fēng)險智能監(jiān)測、風(fēng)險管控技術(shù)體系;②在流域資源-環(huán)境互饋關(guān)系管理方面,研發(fā)流域“社會-經(jīng)濟-生態(tài)”系統(tǒng)協(xié)同演化理論和模擬分析技術(shù),識別水利樞紐群規(guī)模擴大與流域和區(qū)域社會、經(jīng)濟和生態(tài)演化的互饋作用機制,考慮氣候變化等環(huán)境因素,提出水利樞紐群安全運行對“社會-經(jīng)濟-生態(tài)”影響評估與調(diào)控方法。

最后,基于現(xiàn)代互聯(lián)網(wǎng)、物聯(lián)網(wǎng)和人工智能技術(shù),建立“硬”手段和“軟”措施結(jié)合的遠程化、自動化和智能化的集成調(diào)控平臺。提出水庫-大壩-泄洪-機組-航運智能監(jiān)控方法,構(gòu)建上下游、干支流樞紐群一體化調(diào)控平臺;建立水利樞紐流域社會經(jīng)濟及生態(tài)系統(tǒng)的大數(shù)據(jù)監(jiān)測分析和集成演化模擬預(yù)測平臺;建立利益相關(guān)方的協(xié)商談判機理、技術(shù)與決策支持平臺。

3.2 水利樞紐安全調(diào)控關(guān)鍵技術(shù)

梯級水利樞紐,尤其是以串聯(lián)和并聯(lián)方式混合連接的特大梯級樞紐,如長江干流的溪洛渡、向家壩、三峽、葛洲壩梯級樞紐與清江支流的隔河巖、水布埡、高壩洲梯級樞紐,其單一水庫的運行風(fēng)險,如壩體位移、機組振動、洪水潰決和生態(tài)流量改變等,將通過水流傳播,使風(fēng)險沿著樞紐群逐級傳遞、累積或疊加。風(fēng)險傳遞、累積或疊加的機理和復(fù)雜的拓撲關(guān)系亟待考慮暴雨、洪水、地震以及生態(tài)破壞等多源組合輸入與梯級累積效應(yīng),因此需要研究樞紐工程長期安全運行以及樞紐影響區(qū)域社會經(jīng)濟可持續(xù)發(fā)展的主要風(fēng)險源,研究風(fēng)險的發(fā)生機理、傳播途徑及影響程度,揭示梯級樞紐群規(guī)模擴大導(dǎo)致運行風(fēng)險增加的物理機制,提出特大水利樞紐工程長期運行安全和可持續(xù)發(fā)展的多源風(fēng)險評估理論和技術(shù)方法,建立特大水利樞紐工程群的長期運行安全調(diào)控平臺。

影響水利樞紐安全的風(fēng)險有庫區(qū)風(fēng)險、大壩風(fēng)險、泄洪風(fēng)險、航運風(fēng)險、機組風(fēng)險以及其他極端工況引起的諸多風(fēng)險事件。就庫區(qū)安全方面,亟須建立庫區(qū)地質(zhì)環(huán)境災(zāi)害智能預(yù)警模型;在大壩安全方面,以反演分析為手段確立壩-基真實參數(shù),形成樞紐蓄水與庫岸變形間的映射關(guān)系,建立基于大壩真實工作性態(tài)的水利樞紐智能監(jiān)控模型;在泄洪、機組和航運安全方面,確立三者耦合的約束邊界,并開展泄洪設(shè)施防蝕、防沖及抗振等運行安全評估,建立機組運行狀態(tài)與相關(guān)安全邊界條件之間的映射模型,提出兼顧泄洪減振、泄洪霧化控制及航運安全的協(xié)同調(diào)控和泄洪設(shè)施安全運行工程措施。具體來說,有庫區(qū)地質(zhì)災(zāi)害預(yù)警調(diào)控技術(shù)、高拱壩安全預(yù)警調(diào)控技術(shù)、高重力壩動態(tài)調(diào)控技術(shù)、泄洪與通航設(shè)施安全調(diào)控技術(shù)、多元耦合減振安全調(diào)控技術(shù)、機組設(shè)備健康診斷與調(diào)控技術(shù)和極端作用下樞紐應(yīng)急調(diào)控技術(shù)等。

在樞紐安全模擬與調(diào)控方面,主要是研究建立“大壩-壩基-水庫”力學(xué)特征分析模型、混凝土裂縫發(fā)生發(fā)展模擬模型、機組運行和振動診斷模型、水庫調(diào)蓄和徑流演進模型,并研究這些模型的集成方法,模擬分析水利樞紐群運行中風(fēng)險發(fā)生的主要工程部位和管理環(huán)節(jié),反演風(fēng)險在樞紐群中的傳遞鏈路,識別導(dǎo)致風(fēng)險放大的關(guān)鍵環(huán)節(jié),研究風(fēng)險鏈路控制技術(shù);研究樞紐群安全運行的指標(biāo)和閾值,實時開展水利樞紐庫群安全調(diào)控,確保流域庫群安全;按照“全面感知、真實分析、實時控制”的閉環(huán)智能管理要求,綜合考慮樞紐多維安全約束、多效益目標(biāo)以及樞紐群疊加效應(yīng)等邊界條件,研發(fā)水利樞紐多維安全調(diào)度平臺。

4 結(jié) 語

我國水利樞紐群和水電基地規(guī)模的迅速擴大,為水電工程安全運行提出了新的技術(shù)要求,應(yīng)從風(fēng)險控制與協(xié)同調(diào)控的技術(shù)理論和方法體系上進行創(chuàng)新。水利樞紐安全調(diào)控技術(shù)源于我國水電開發(fā)的現(xiàn)實需求,該技術(shù)不僅對我國長江流域的水電產(chǎn)業(yè)發(fā)展和流域可持續(xù)管理具有重要支撐作用,也將為“一帶一路”國際水電工程建設(shè)提供中國自主知識產(chǎn)權(quán)的核心技術(shù),還可為美國、加拿大等發(fā)達國家提供水電樞紐運行管理技術(shù)的升級服務(wù),具有廣闊的應(yīng)用前景。