水庫防汛與電站(效益)功能發(fā)揮措施分析

李鴻志

(衡南縣雙板橋水庫管理所 湖南 衡南 430422)

一、水利水電工程防洪標準

根據(jù)國家標準GB50201—2014[1]的規(guī)定，水利水電工程防洪標準確定首先根據(jù)其工程規(guī)模、效益和在經(jīng)濟社會中的重要性，確定等別，然后根據(jù)相應(yīng)的等別確定水工建筑物的級別，再由級別確定防洪標準(表1～表3)，所以問題的關(guān)鍵是如何確定水庫工程的等別。

根據(jù)GB50201—2014水利水電工程的等別分為5等。

表1 GB50201-2014規(guī)定的水庫工程水工建筑物的防洪標準[1]

表2 GB50201-2014規(guī)定的攔河水閘工程水工建筑物的防洪標準[1]

表3 GB50201-2014規(guī)定的擋潮閘工程水工建筑物的防潮標準[1]

二、水庫防汛發(fā)電調(diào)度一體化必要性

對本文所舉案例水庫流域暴雨預(yù)測、水庫入庫流量和水位預(yù)測等方面開展了一些研究工作，主要包括：(1)開展了水庫流域的降水分布特征分析，發(fā)現(xiàn)4-7月是水庫流域降水的高發(fā)時段，且流域的暴雨日數(shù)呈上升趨勢；(2)采用WRF數(shù)值預(yù)報模式，建立了水庫流域的降水數(shù)值預(yù)報模式，為水庫流域的洪水預(yù)報提供了重要的降水數(shù)據(jù)來源；(3)利用SWAT模型、水箱模型等，建立了水庫流域徑流預(yù)報模型，預(yù)報水庫的入庫洪水過程，并研究了水文預(yù)報模型的參數(shù)優(yōu)化方法，同時探討了開展水庫洪水分期預(yù)報與調(diào)度的可行性；(4)研究了水庫調(diào)度方案，提出了水庫決策支持系統(tǒng)設(shè)計思路及調(diào)度問題對策。但是，這些研究工作尚未形成完整的水庫防洪發(fā)電優(yōu)化調(diào)度體系，因此，亟需研究水庫防洪發(fā)電優(yōu)化調(diào)度一體化解決策略，在保障水庫及下游防洪安全的前提下，盡可能減少水庫棄水，充分發(fā)揮水庫的防洪安全和發(fā)電經(jīng)濟效益。

三、水庫流域暴雨長期形勢分析

開展水庫流域暴雨長期預(yù)測，可掌握水庫流域降水的長期變化趨勢，為水庫提前制定蓄放水策略提供決策依據(jù)。通過統(tǒng)計該水庫流域近20年雨量站觀測數(shù)據(jù)，發(fā)現(xiàn)該水庫流域最大降水月份為3-8月，其中最大的月份為6月。

影響該水庫降水長期變化形勢的的最關(guān)鍵因素是西太平洋副高強度和位置。西太平洋副高是太平洋上空的永久性高壓環(huán)流系統(tǒng)，夏季水汽隨著副高邊緣的西南氣流向北輸送到我國大陸，副高的東西位置和南北位置對水庫流域降水有直接影響。

(1)副高脊線偏北、副高西伸脊點位置正常或偏東(即副高位置偏北偏東)，流域汛期降水偏多；

(2)副高脊線偏南、副高西伸脊點位置偏西(即副高位置偏南偏西)，流域汛期降水偏多；

(3)副高脊線位置正常、副高西伸脊點位置正常(即副高位置正常)，流域汛期降水偏少。因此，為開展該水庫流域降水長期形勢分析，首先需要準確的預(yù)測副高位置和強度變化。

四、水庫防洪發(fā)電優(yōu)化調(diào)度方案制定

水電站調(diào)度運行中，控制水庫水位較高可能導致洪水發(fā)生時大量棄水，并增大下游防洪風險，控制水位較低則可能導致水庫長期處于低水位運行，導致水庫發(fā)電耗水率增大，降低水量利用率，如何有效協(xié)調(diào)防洪安全與發(fā)電效益之間的關(guān)系，實現(xiàn)水庫的綜合效益最大化一直是水庫優(yōu)化調(diào)度的難點。綜合考慮流域降水分布的不均勻特征，分布式計算水庫入庫暴雨洪水預(yù)測結(jié)果。

由于水庫上游電站多為小水電和徑流式電站，上游水庫對該水庫的入庫過程影響較小。同時在汛期，水庫水位均按照汛限水位和調(diào)洪最高水位控制，因此在本文中主要考慮水庫的削峰率作為最主要的防洪目標。通過研究水庫汛限水位動態(tài)控制方法，動態(tài)優(yōu)化調(diào)整水庫汛限控制水位，實現(xiàn)峰前騰庫削峰，峰后攔尾蓄水，充分發(fā)揮水庫的防洪安全與發(fā)電效益。水庫汛限水位動態(tài)控制模型：

目標函數(shù)：

maxR=maxQin/maxQout

約束條件：

①水量平衡：Vt+1=Vt+WIt-WQt

②水庫最大最小蓄水位限制：ZL≤Zt≤ZH

③水頭限制：HL≤Ht≤HH

式中，E為總發(fā)電量；R為洪水削峰率；kij為第i個時刻第j臺機組的轉(zhuǎn)化效率系數(shù)；Qij為第i個時刻第j臺機組的發(fā)電流量；Hij為第i個時刻第j臺機組的發(fā)電水頭；Tij為第i個時刻第j臺機組的發(fā)電時間；Qin為水庫入庫流量；Qout為水庫出庫流量；Vt為第t個時刻的水庫庫容；WIt為第t個時刻的入庫總量；WQt為第t個時刻的出庫總量；Zt為第t個時刻的水庫水位；ZL為水庫的最低蓄水位；ZH為水庫的最高蓄水位；Ht為第t個時刻的水頭；HL為水庫的最低水頭；HH為水庫的最高水頭。

由于水庫防洪目標與發(fā)電目標是兩個相互沖突的目標，在進行模型求解時需要考慮采用多目標優(yōu)化算法進行求解。

五、水庫防洪發(fā)電實際調(diào)度分析

本文以2018年該水庫流域的秋汛暴雨過程為例，分析暴雨長期形勢分析、中短期暴雨預(yù)測與防洪發(fā)電優(yōu)化調(diào)度的應(yīng)用效果。

通過分析2018年11月10日天氣形勢圖發(fā)現(xiàn)，副高位置偏南偏西，該水庫流域正處于副高邊緣，該水庫流域?qū)休^強的降水過程發(fā)生。

(一)水庫流域中短期暴雨預(yù)測

采用同步衛(wèi)星水汽同化方法和暴雨微地形預(yù)測模型，2018年11月10日預(yù)測：11月11日-19日，水庫流域有2輪明顯降水過程，分別為11日-12日和14日-17日，水庫流域本輪過程累積降水約108mm。11月11日-20日，該流域?qū)嶋H發(fā)生了2輪明顯降水過程，累計降水94.2mm，預(yù)測與實際情況基本一致。

特別是，11月11日處于“峽谷型”微地形降水量達到53mm，是周邊非微地形區(qū)域的2.4倍；11月13日處于“迎風坡”微地形降水量為29mm，是周邊非微地形區(qū)域的4.8倍。表明了本文提出的微地形暴雨預(yù)報的合理性。

(二)水庫防洪發(fā)電多目標調(diào)度

圖1 水庫防洪發(fā)電優(yōu)化調(diào)度方案

根據(jù)降水量預(yù)測結(jié)果，采用分布式產(chǎn)匯流計算模型，得到水庫的入庫流量過程?；谠撊霂炝髁款A(yù)報結(jié)果，制定了防洪發(fā)電多目標優(yōu)化調(diào)度方案：當側(cè)重考慮防洪目標時，水庫提前將庫容騰空，但實際應(yīng)用中由于受降水預(yù)測準確率影響，存在后期無法將水位蓄至正常蓄水位169m的風險，從而影響冬季的電網(wǎng)供電能力；當側(cè)重考慮發(fā)電目標時，前期盡可能將水庫水位蓄高，但存在后期超過正常蓄水位169m的風險，從而引發(fā)開閘泄洪棄水，影響下游防洪安全和水量綜合利用率。通過權(quán)衡防洪和發(fā)電綜合效益，制定了優(yōu)化調(diào)度方案(如下圖1所示)，提前于11月10日起加大發(fā)電流量，預(yù)先騰出庫容，并于11月21日，減小發(fā)電流量開始蓄水。本次洪水調(diào)度在保障下游防洪安全的同時未發(fā)生棄水，充分發(fā)揮了水庫的防洪和發(fā)電效益，而且本輪洪水過后水庫水位蓄至168m，為電網(wǎng)迎峰渡冬提供了重要電力電量儲備。

六、結(jié)束語

本文提出的水庫防洪發(fā)電優(yōu)化調(diào)度策略可為水庫防洪發(fā)電優(yōu)化調(diào)度提供技術(shù)支撐，對提升水庫發(fā)電效益和保障水庫上下游防洪安全具有重要理論價值與實踐意義。由于水庫流域暴雨洪水預(yù)報無法避免會存在偏差，下一步需要分析水庫流域不同暴雨洪水成因條件下的誤差分布特征，研究綜合暴雨洪水誤差分布的水庫防洪發(fā)電多目標優(yōu)化調(diào)度模型及其高效的多目標求解算法，為水庫運行提供更為科學的調(diào)度決策指導。