基于不同需求的長(zhǎng)洲水利樞紐汛期優(yōu)化調(diào)度研究

黃 鋒，侯貴兵，李媛媛，王保華

(1.中水珠江規(guī)劃勘測(cè)設(shè)計(jì)有限公司，廣東 廣州 510610；2.珠江流域防汛抗旱總指揮部調(diào)度研究中心，廣東 廣州 510610)

長(zhǎng)洲水利樞紐位于珠江流域西江干流潯江河段，是西江下游河段廣西境內(nèi)的最后一個(gè)梯級(jí)，壩址以上集水面積占西江流域87.4%，工程自2009年建成投入運(yùn)行以來(lái)，在發(fā)電、航運(yùn)、灌溉等方面體現(xiàn)出良好的綜合效益。隨著流域經(jīng)濟(jì)社會(huì)持續(xù)快速發(fā)展，長(zhǎng)洲水利樞紐防洪與水資源供需矛盾日益突出，新的治水形勢(shì)和思路對(duì)其水資源綜合利用提出了更高要求。如何通過(guò)優(yōu)化調(diào)度，充分發(fā)揮水庫(kù)綜合效益，是長(zhǎng)洲水利樞紐迫切需要研究解決的問題。

近年來(lái)隨著中國(guó)在預(yù)報(bào)技術(shù)和系統(tǒng)上的不斷完善和改進(jìn)，洪水預(yù)報(bào)的精度不斷提高，洪水預(yù)報(bào)信息在水庫(kù)調(diào)度中的應(yīng)用越來(lái)越廣泛。在保證防洪安全的前提下，通過(guò)預(yù)報(bào)調(diào)度技術(shù)實(shí)現(xiàn)水庫(kù)汛期運(yùn)行水位動(dòng)態(tài)控制，是緩解水資源供需矛盾的有效途徑。自21世紀(jì)初開始，國(guó)內(nèi)外學(xué)者就水庫(kù)汛期運(yùn)行水位動(dòng)態(tài)控制問題開展了大量研究：任明磊等[1]研究了利用短期降雨預(yù)報(bào)信息進(jìn)行水庫(kù)汛限水位動(dòng)態(tài)控制的實(shí)時(shí)調(diào)度方法；李響等[2]主要基于分期設(shè)計(jì)洪水調(diào)洪和預(yù)報(bào)預(yù)泄方法研究了三峽水庫(kù)汛期不同分期水位控制運(yùn)用方案；周新春等[3]探討了大型水庫(kù)中小洪水實(shí)時(shí)預(yù)報(bào)調(diào)度技術(shù)在三峽水庫(kù)調(diào)度中的應(yīng)用。

經(jīng)過(guò)多年的研究，水庫(kù)汛期運(yùn)行水控制理論與方法雖已逐步完善，但由于水庫(kù)汛期運(yùn)行水位實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)控制受到水庫(kù)自然條件、防護(hù)對(duì)象和預(yù)報(bào)水平等不同因素的影響，水庫(kù)汛期動(dòng)態(tài)調(diào)度實(shí)踐中存在困難性和復(fù)雜性。本文在總結(jié)以往研究成果的基礎(chǔ)上，基于長(zhǎng)洲水利樞紐實(shí)際調(diào)度運(yùn)行資料，全面分析近年水庫(kù)供水、發(fā)電、航運(yùn)、生態(tài)等方面的運(yùn)用情況，評(píng)估水庫(kù)現(xiàn)狀汛期調(diào)度運(yùn)用方案以及存在的問題，分析其在供水、發(fā)電、航運(yùn)、生態(tài)等不同方面的調(diào)度需求；利用現(xiàn)代預(yù)測(cè)預(yù)報(bào)和調(diào)度技術(shù)，考慮上下游、左右岸制約因素，系統(tǒng)研究基于不同調(diào)度需求的長(zhǎng)洲水利樞紐汛期優(yōu)化調(diào)度方案并分析調(diào)度實(shí)踐中的風(fēng)險(xiǎn)，以其指導(dǎo)汛期水庫(kù)的科學(xué)調(diào)度，充分利用水資源，在滿足防洪安全的前提下，進(jìn)一步發(fā)揮水庫(kù)社會(huì)、環(huán)境和經(jīng)濟(jì)效益[4-6]。

1 研究背景

1.1 長(zhǎng)洲水利樞紐現(xiàn)狀調(diào)度方案

根據(jù)長(zhǎng)洲水利樞紐可研報(bào)告，長(zhǎng)洲水庫(kù)正常蓄水位20.6 m，為了減少水庫(kù)淹沒損失，汛期5—10月運(yùn)行水位18.6 m。當(dāng)入庫(kù)流量大于16 300 m3/s且小于21 000 m3/s時(shí)，電站停止發(fā)電，在不影響下游航運(yùn)及防洪安全前提下，入庫(kù)流量全部通過(guò)泄洪閘控制漸進(jìn)下泄，直至水庫(kù)水位基本恢復(fù)到天然狀態(tài)。當(dāng)入庫(kù)流量大于21 000 m3/s時(shí)，43孔泄洪閘全部敞開泄洪，水庫(kù)水位基本恢復(fù)到天然狀態(tài)。

1.2 長(zhǎng)洲水利樞紐現(xiàn)狀調(diào)度方案存在的問題

1.2.1水庫(kù)供水調(diào)度評(píng)估

長(zhǎng)洲水利樞紐庫(kù)區(qū)供水主要集中在平南，保持平南站水位20.6 m，方能保證平南丹竹片農(nóng)村飲水安全工程一級(jí)泵站正常抽水。經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)調(diào)研了解到，平南丹竹片農(nóng)村飲水安全工程2020年5、9月均出現(xiàn)過(guò)不能正常取水的現(xiàn)象，水廠采用應(yīng)急管道取水，丹竹片區(qū)供水安全無(wú)法保障。

分析2020年5、9月長(zhǎng)洲運(yùn)行水位、出入庫(kù)流量以及相應(yīng)的平南水位，見圖1、2。由圖1可知，2020年5月2—21日，長(zhǎng)洲壩址水位在18.42～18.56 m，入庫(kù)流量在1 950～4 400 m3/s，相應(yīng)的平南水文站水位為19.12～20.32 m，低于滿足丹竹片區(qū)取水要求的20.6 m；由圖2可知，2020年9月2—8日，長(zhǎng)洲壩址水位在18.53～18.57 m，入庫(kù)流量在2 450～3 600 m3/s，相應(yīng)的平南水文站水位為20.32～20.55 m，低于滿足丹竹片區(qū)取水要求的20.6 m?？芍?，在汛期長(zhǎng)洲水利樞紐保持汛限水位18.6 m運(yùn)行，當(dāng)流域來(lái)水較小時(shí)，會(huì)導(dǎo)致丹竹水廠取水口無(wú)法取水，丹竹片區(qū)無(wú)法正常供水運(yùn)行。

圖1 2020年5月長(zhǎng)洲水利樞紐運(yùn)行狀態(tài)及平南水位

圖2 2020年9月長(zhǎng)洲水利樞紐運(yùn)行狀態(tài)及平南水位

1.2.2水庫(kù)生態(tài)調(diào)度評(píng)估

流域水利樞紐的建設(shè)勢(shì)必從水文情勢(shì)、理化參數(shù)、生物指標(biāo)、形態(tài)結(jié)構(gòu)等方面對(duì)水生態(tài)系統(tǒng)帶來(lái)影響，改變由水生生物群落與水環(huán)境共同構(gòu)成的具有特定結(jié)構(gòu)和功能的動(dòng)態(tài)平衡系統(tǒng)[7-8]。在水生態(tài)環(huán)境問題中，尤以魚類對(duì)水生生態(tài)環(huán)境的改變較為敏感，魚類資源的變化，魚種的繁衍恢復(fù)程度已成為眾多水生態(tài)影響的代表，也是目前水生態(tài)修復(fù)領(lǐng)域關(guān)注的焦點(diǎn)。

為加強(qiáng)改善修復(fù)西江水生生物繁育生態(tài)環(huán)境研究，2015—2017年，珠江水利委員會(huì)組織開展了西江干流魚類繁殖期水量調(diào)度方案編制的研究工作。根據(jù)西江干流生態(tài)調(diào)度方案制定時(shí)所提出的分析成果，并在2016—2021年連續(xù)多年適時(shí)啟動(dòng)組織實(shí)施了多次魚類繁殖期水量調(diào)度(試驗(yàn))生態(tài)監(jiān)測(cè)和多次水量調(diào)度，結(jié)果顯示通過(guò)優(yōu)化紅水河龍灘、巖灘、橋鞏，柳江紅花，郁江西津，潯江長(zhǎng)洲等主要水電站以及其他相關(guān)電站的調(diào)度，顯著改善了西江干支流主要魚類產(chǎn)卵江段生境。

1.2.3水庫(kù)航運(yùn)調(diào)度評(píng)估

隨著“黃金水道”西江航運(yùn)干線的建成和高速發(fā)展，作為西江干流航線重要節(jié)點(diǎn)的長(zhǎng)洲水利樞紐，其調(diào)度運(yùn)行直接關(guān)系到庫(kù)區(qū)的航運(yùn)條件及下游航運(yùn)流量等[9]。2020年1月，西江航運(yùn)干線上游來(lái)水嚴(yán)重不足，長(zhǎng)洲水利樞紐壩最小入庫(kù)流量只有1 800 m3/s，對(duì)應(yīng)的運(yùn)行水位19.9 m，西江航運(yùn)干線長(zhǎng)洲水利樞紐船閘發(fā)生了船舶滯航的情況；2020年5月上中旬來(lái)水異常偏少，長(zhǎng)洲水利樞紐日均入庫(kù)流量維持在3 000 m3/s左右，尤其是5月14日日均入庫(kù)流量降至2 000 m3/s，運(yùn)行水位為18.4 m，給上下游通航帶來(lái)了較大影響，其中庫(kù)區(qū)上游藤縣蒙江段因航道水深不足多次發(fā)生了船舶擱淺事件。

1.2.4水庫(kù)發(fā)電調(diào)度評(píng)估

長(zhǎng)洲水利樞紐具有一定的調(diào)峰、調(diào)頻能力，對(duì)促進(jìn)廣西電網(wǎng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行意義重大。樞紐自建成運(yùn)行以來(lái)，汛期運(yùn)行水位嚴(yán)格控制汛限水位以下，在汛期未發(fā)生洪水時(shí)，由于上游運(yùn)行水位過(guò)低、機(jī)組發(fā)電水頭不足，嚴(yán)重影響水能利用效率；而洪水發(fā)生時(shí)，受下游水位頂托影響不得不停機(jī)，造成了大量的水能資源浪費(fèi)。長(zhǎng)洲水利樞紐歷年棄水量見表1。

表1 長(zhǎng)洲水利樞紐歷年來(lái)?xiàng)壦拷y(tǒng)計(jì)

2 基于不同需求的汛期優(yōu)化調(diào)度方案研究

長(zhǎng)洲水利樞紐現(xiàn)狀承擔(dān)的供水、生態(tài)、航運(yùn)及發(fā)電等方面的調(diào)度任務(wù)均對(duì)水庫(kù)的汛期運(yùn)行調(diào)度提出了需求。長(zhǎng)洲水利樞紐利用現(xiàn)代水文預(yù)報(bào)調(diào)度技術(shù)，開展汛期優(yōu)化調(diào)度研究，以不降低水庫(kù)設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)、不增加下游和庫(kù)區(qū)防洪壓力為前提條件，在流域來(lái)水較小時(shí)適時(shí)適度抬高運(yùn)行水位，以滿足供水、生態(tài)、航運(yùn)及發(fā)電調(diào)度等需求是很有必要的。

2.1 調(diào)度需求分析

2.1.1供水調(diào)度需求分析

通過(guò)建立庫(kù)區(qū)水動(dòng)力學(xué)數(shù)學(xué)模型，模擬不同的壩址水位和入庫(kù)流量組合，分析入庫(kù)流量-平南水位-壩址運(yùn)行水位之間的關(guān)系與規(guī)律，確定汛期不同量級(jí)來(lái)水情況下滿足丹竹片區(qū)供水要求的安全調(diào)度臨界水位。通過(guò)長(zhǎng)洲水利樞紐入庫(kù)流量與壩址水位離散控制節(jié)點(diǎn)離散組合，形成多種離散組合，采用一維水流數(shù)學(xué)模型計(jì)算全部組合下的水庫(kù)回水線，以不增加庫(kù)區(qū)淹沒為前提，建立滿足潯江平南段平南中心水文站水位的入庫(kù)流量-壩址水位之間的相關(guān)關(guān)系，獲得不同入庫(kù)流量滿足庫(kù)區(qū)取水要求同時(shí)不超出設(shè)計(jì)淹沒范圍的壩址水位，計(jì)算結(jié)果見表2。由計(jì)算結(jié)果可知，為滿足庫(kù)區(qū)取水要求，當(dāng)長(zhǎng)洲入庫(kù)流量在2 000～5 000 m3/s時(shí)，壩址運(yùn)行水位需提高至19.1～20.3 m，當(dāng)長(zhǎng)洲水利樞紐入庫(kù)流量大于6 000 m3/s，則可以恢復(fù)汛限水位18.6 m運(yùn)行。

表2 滿足庫(kù)區(qū)供水的不同入庫(kù)流量對(duì)應(yīng)的臨界水位

長(zhǎng)洲水利樞紐水庫(kù)水位對(duì)庫(kù)區(qū)淹沒十分敏感，為減少淹沒損失，汛期降低庫(kù)區(qū)水位至 18.6 m運(yùn)行。根據(jù)《長(zhǎng)洲水利樞紐初步設(shè)計(jì)報(bào)告》，長(zhǎng)洲水利樞紐水庫(kù)干流回水線按以下標(biāo)準(zhǔn)確定：土地淹沒線采用汛期運(yùn)行水位18.6 m，敞泄流量21 000 m3/s及以下各級(jí)流量推算的沿程回水尖滅點(diǎn)連線和正常蓄水位20.6 m為起始水位按非汛期(11月至次年4月)5年一遇洪峰流量為11 800 m3/s推算回水線組合的外包線。為分析水庫(kù)提高運(yùn)行水位后是否會(huì)造成庫(kù)區(qū)淹沒，計(jì)算上述不同入庫(kù)流量2 000～5 000 m3/s與壩址水位19.6 m組合的沿程水面線，從偏安全的角度考慮，滿足庫(kù)區(qū)取水要求的水面線不能超過(guò)土地淹沒回水控制線要求，結(jié)果見圖3，可見不同入庫(kù)流量與壩址水位組合的沿程水面線均低于土地淹沒線。

圖3 滿足庫(kù)區(qū)供水的不同流量-水位對(duì)應(yīng)的回水與庫(kù)區(qū)淹沒線對(duì)比

2.1.2生態(tài)、航運(yùn)以及發(fā)電調(diào)度需求分析

根據(jù)《西江干流生態(tài)調(diào)度方案》成果，可有效刺激四大家魚產(chǎn)卵，增加西江干流的魚類資源量的調(diào)度目標(biāo)分為3個(gè)流量級(jí)分別為：洪峰流量為5 000～8 000 m3/s低流量級(jí)調(diào)度過(guò)程，洪峰流量為8 000～12 000 m3/s的中流量級(jí)調(diào)度過(guò)程，洪峰流量為12 000～15 000 m3/s高流量級(jí)調(diào)度過(guò)程，且以中、高流量的調(diào)度過(guò)程為佳。長(zhǎng)洲庫(kù)區(qū)東塔產(chǎn)卵場(chǎng)四大家魚繁殖期對(duì)水文節(jié)律有特殊需求：漲水階段刺激產(chǎn)卵所需的漲水天數(shù)至少為3 d，流量日均漲率需達(dá)到1 000 m3/s以上，魚卵漂程范圍內(nèi)流速大于0.25 m/s。

長(zhǎng)洲水利樞紐作為西江干流魚類繁殖期水量調(diào)度體系中最下游的反調(diào)節(jié)水庫(kù)，見圖4，需要控制水庫(kù)運(yùn)行水位配合上游水庫(kù)調(diào)度解決長(zhǎng)洲庫(kù)區(qū)及下游魚類繁殖期生態(tài)需水問題[10]，減緩長(zhǎng)洲水利樞紐調(diào)度所帶來(lái)的不良生態(tài)環(huán)境影響。

圖4 調(diào)度水庫(kù)系統(tǒng)示意

受西江航運(yùn)干線上游來(lái)水不足以及長(zhǎng)洲樞紐壩下至界首段航道下切嚴(yán)重等因素綜合影響，長(zhǎng)洲水利樞紐保持汛限水位運(yùn)行時(shí)，會(huì)發(fā)生船舶滯航或者引起船舶擱淺事件，對(duì)航道通航產(chǎn)生較大的影響。因此當(dāng)流域來(lái)水較小時(shí)，適當(dāng)提高長(zhǎng)洲水利樞紐壩址水位，既可以避免上游航道發(fā)生擱淺，又可以加大泄量將下游超吃水船舶疏導(dǎo)，有利于保障航道安全暢通。

長(zhǎng)洲水利樞紐在非汛期有一定的調(diào)峰、調(diào)頻能力，對(duì)促進(jìn)廣西電網(wǎng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行發(fā)揮了不可替代的作用。然而據(jù)統(tǒng)計(jì)，長(zhǎng)洲水利樞紐運(yùn)行以來(lái)多年平均棄水量為617億m3，嚴(yán)重影響了電站的發(fā)電效益[11-12]。長(zhǎng)洲水利樞紐作為低水頭電站，提高水頭可有效增加發(fā)電量，因此迫切需要利用現(xiàn)代水文預(yù)報(bào)調(diào)度技術(shù)，在保證防洪安全的基礎(chǔ)上抬高運(yùn)行水位，盡可能減少汛期棄水，增加發(fā)電量，使水資源優(yōu)化利用。

2.2 汛期運(yùn)行水位動(dòng)態(tài)控制域分析

現(xiàn)有水庫(kù)汛期運(yùn)行水位動(dòng)態(tài)控制域一般使用預(yù)泄能力約束法、庫(kù)容補(bǔ)償法、預(yù)報(bào)預(yù)泄調(diào)度法及其他方法來(lái)求解。長(zhǎng)洲水利樞紐屬于低水頭電站，汛限水位18.6 m對(duì)應(yīng)的泄流能力為21 000 m3/s，而長(zhǎng)洲水利樞紐入庫(kù)流量達(dá)到21 000 m3/s時(shí)已經(jīng)敞泄，同時(shí)上游大藤峽水庫(kù)未完全投入使用，所以不適合使用泄流能力約束法以及庫(kù)容補(bǔ)償法求解。本文在保證防洪安全的前提下，綜合考慮供水、航運(yùn)、生態(tài)等調(diào)度需求，結(jié)合水庫(kù)預(yù)報(bào)預(yù)泄思想建立模型，求解水位動(dòng)態(tài)控制上限值，模型如下：

目標(biāo)函數(shù)：

MaxZ=Z0+ΔZ

(1)

約束條件：

ΔZ≥k(Zg,Zs,Zh,Zf)

(2)

ΔZ≤f(V0+Wout)-F(V0)

(3)

ΔZ/ΔT≤l(Z)

(4)

式中Z——考慮不同需求的汛期運(yùn)行水位上限，m；Z0——汛期起調(diào)水位值，m；ΔZ——騰空時(shí)間內(nèi)上浮動(dòng)的水位值，m；k(*)——滿足不同調(diào)度需求的水位函數(shù)；Zg、Zs、Zh、Zs——滿足供水、生態(tài)、航運(yùn)、發(fā)電調(diào)度需求的最低水位；f(*)——水庫(kù)-庫(kù)容關(guān)系函數(shù)；V0——汛期起調(diào)水位對(duì)應(yīng)的庫(kù)容，m3；Wout——水庫(kù)有效騰空時(shí)間內(nèi)下泄的流量，m3；ΔT——水庫(kù)有效騰空時(shí)間；l(*)——水位變幅函數(shù)，預(yù)泄過(guò)程水位變幅不應(yīng)過(guò)大。

2.2.1有效預(yù)見期

長(zhǎng)洲水利樞紐水情預(yù)測(cè)系統(tǒng)自2008年9月正式投入運(yùn)行以來(lái)，經(jīng)過(guò)多次對(duì)運(yùn)行參數(shù)的率定與復(fù)核，系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定可靠，洪峰預(yù)報(bào)準(zhǔn)確。長(zhǎng)洲水利樞紐各年各場(chǎng)次洪水預(yù)報(bào)平均絕對(duì)誤差為807 m3/s，平均洪峰預(yù)報(bào)精度為95.87%；峰現(xiàn)時(shí)間平均誤差為4.8 h，預(yù)報(bào)合格率為85.36%。綜上所述，洪水預(yù)報(bào)精度達(dá)到GB/T 22482—2008《水文情報(bào)預(yù)報(bào)規(guī)范》[13]要求的甲級(jí)標(biāo)準(zhǔn)，可以為長(zhǎng)洲水利樞紐汛期優(yōu)化調(diào)度提供可靠的水情預(yù)報(bào)數(shù)據(jù)。

隨著氣象預(yù)報(bào)、實(shí)時(shí)水文預(yù)報(bào)技術(shù)和水文信息的收集、傳輸、貯存、處理技術(shù)的日趨成熟和廣泛應(yīng)用，水文預(yù)報(bào)的水平也得到明顯提高。汛期優(yōu)化調(diào)度需在水情預(yù)報(bào)的基礎(chǔ)進(jìn)行，通過(guò)預(yù)報(bào)預(yù)泄調(diào)度確保下游及水庫(kù)防洪安全，預(yù)報(bào)期和預(yù)報(bào)精度是直接影響水庫(kù)能否實(shí)現(xiàn)較大洪水來(lái)臨前預(yù)泄到汛期限制水位的主要因素。采用中短期水文預(yù)報(bào)技術(shù)，可提前3～5 d較準(zhǔn)確地預(yù)報(bào)大洪水和特大洪水，為優(yōu)化長(zhǎng)洲實(shí)時(shí)調(diào)度提供了技術(shù)依據(jù)。本次計(jì)算有效預(yù)見期采用3 d。

2.2.2水庫(kù)騰空時(shí)間分析

在不形成人造洪峰、預(yù)泄流量必須小于下游安全泄量的前提下，為了確保庫(kù)區(qū)防洪安全，在較大洪水來(lái)臨之前，壩址水位需預(yù)泄至汛限水位18.6 m，庫(kù)區(qū)水位也需回落至汛限水位相應(yīng)的庫(kù)區(qū)水位，但由于長(zhǎng)洲水利樞紐為河道型水庫(kù)，庫(kù)區(qū)洪水回落至汛限水位相應(yīng)的庫(kù)水位仍要滯后一段時(shí)間。因此水庫(kù)騰空時(shí)間ΔT必須考慮庫(kù)區(qū)洪水的滯后時(shí)間，見式(5)：

ΔT≤Ty-Tz

(5)

式中Ty——有效預(yù)見期；Tz——庫(kù)區(qū)洪水回落滯后時(shí)間。

本文采用一維水流數(shù)學(xué)模型計(jì)算不同流量級(jí)入庫(kù)洪水與不同壩址水位降落速度下，庫(kù)區(qū)水位回落滯后時(shí)間，結(jié)果見表3。由計(jì)算結(jié)果可知，當(dāng)不同入庫(kù)流量對(duì)應(yīng)的壩址水位19.1m經(jīng)過(guò)0.5～2.0 d回落至汛限水位時(shí)，庫(kù)區(qū)水位回落滯后時(shí)間為1.6～0.6 d；當(dāng)不同入庫(kù)流量對(duì)應(yīng)的壩址水位19.6 m經(jīng)過(guò)0.5～2.0 d回落至汛限水位時(shí)，庫(kù)區(qū)水位回落滯后時(shí)間為1.8～0.9 d?？紤]到有效預(yù)見期為3d，為保障庫(kù)區(qū)防洪安全，壩址水位應(yīng)在2 d內(nèi)預(yù)泄至汛限水位，才能滿足庫(kù)區(qū)水位在預(yù)見期內(nèi)回落，確保庫(kù)區(qū)防洪安全。

表3 長(zhǎng)洲從不同壩址水位預(yù)泄至汛限水位對(duì)應(yīng)庫(kù)區(qū)水位回落滯后時(shí)間

2.2.3動(dòng)態(tài)控制域求解

根據(jù)2.1供水調(diào)度需求分析可知，當(dāng)長(zhǎng)洲入庫(kù)流量在2 000～5 000 m3/s時(shí)，壩址運(yùn)行水位需提高至19.1～20.3 m才能滿足庫(kù)區(qū)供水。統(tǒng)計(jì)長(zhǎng)洲水利樞紐近年來(lái)主汛期最小日均入庫(kù)流量，結(jié)果見表4。由結(jié)果可知，長(zhǎng)洲水利樞紐汛期最小日均入庫(kù)流量為3 500 m3/s左右，對(duì)應(yīng)的滿足庫(kù)區(qū)供水要求最低壩址水位為19.6 m。

表4 長(zhǎng)洲水利樞紐汛期最小日均流量統(tǒng)計(jì) 單位：m3/s

考慮到長(zhǎng)洲庫(kù)區(qū)中段和庫(kù)尾段水位下降比壩址水位降落滯后，考慮盡量控制防洪風(fēng)險(xiǎn)，汛期不宜將長(zhǎng)洲庫(kù)水位抬高太多。結(jié)合長(zhǎng)洲水利樞紐調(diào)度需求，考慮庫(kù)區(qū)堤岸穩(wěn)定需要和洪水預(yù)報(bào)可靠性，長(zhǎng)洲水利樞紐汛期最高運(yùn)行水位為19.6 m。同時(shí)根據(jù)上面騰空時(shí)間分析，當(dāng)入庫(kù)流量為3 500 m3/s，壩址水位19.6 m時(shí)，水庫(kù)經(jīng)過(guò)2 d預(yù)泄至汛限水位庫(kù)區(qū)回落滯后時(shí)間為1 d?？紤]到有效預(yù)見期3 d，本次長(zhǎng)洲水利樞紐壩址水位預(yù)泄時(shí)間為2 d，能滿足庫(kù)區(qū)水位在預(yù)見期內(nèi)回落，確保庫(kù)區(qū)防洪安全。

庫(kù)水位漲落速率過(guò)大可能影響護(hù)岸穩(wěn)定，主要是造成庫(kù)岸坍塌[14]。統(tǒng)計(jì)水庫(kù)2008年以來(lái)相鄰日平均水位差值以及同一天內(nèi)最高水位和最低水位的差值，其頻率分布分別見圖5、6。從圖中可以看出，日平均水位變化在0.5 m以內(nèi)累計(jì)頻率達(dá)到97.05%，1 d內(nèi)最大水位變幅范圍在0.5 m范圍內(nèi)的累計(jì)頻率達(dá)到了98.1%，實(shí)際最大日水位變幅達(dá)到1 m以上，且根據(jù)水庫(kù)運(yùn)行期間均未發(fā)生過(guò)相關(guān)庫(kù)岸坍塌等相關(guān)事故的報(bào)道。本次研究汛期運(yùn)行水位動(dòng)態(tài)控制上限為19.6 m，壩址預(yù)泄至汛限水位18.6 m的時(shí)間為2 d，故長(zhǎng)洲水利樞紐水位日變幅為0.5 m，即可以確保洪水入庫(kù)前將水庫(kù)運(yùn)行水位預(yù)泄至原設(shè)計(jì)汛限水位，確保不降低原設(shè)計(jì)防洪標(biāo)準(zhǔn)。根據(jù)長(zhǎng)洲水利樞紐多年調(diào)度實(shí)踐分析可知，長(zhǎng)洲水利樞紐日變幅為0.5 m是安全可靠的，因此本次研究汛期運(yùn)行水位動(dòng)態(tài)控制上限取值19.6 m是合理的。

圖5 相鄰日平均水位差值頻率分析

圖6 1 d內(nèi)最高最低水位變幅頻率分析

2.3 基于不同需求的汛期優(yōu)化調(diào)度方案

2.3.1預(yù)泄判別條件

長(zhǎng)洲水利樞紐為徑流式電站，不承擔(dān)流域防洪任務(wù)，其預(yù)泄時(shí)機(jī)主要需根據(jù)庫(kù)區(qū)防洪安全確定。通過(guò)長(zhǎng)洲水利樞紐壩址水位19.6 m與不同入庫(kù)流量離散控制節(jié)點(diǎn)離散組合，形成多種離散組合，采用一維水流數(shù)學(xué)模型計(jì)算全部組合下的水庫(kù)回水線，壩址水位為19.6 m時(shí)，當(dāng)入庫(kù)流量小于13 500 m3/s時(shí)，庫(kù)區(qū)水位不超過(guò)土地淹沒回水控制線。從保證庫(kù)區(qū)淹沒安全角度來(lái)講，預(yù)報(bào)入庫(kù)流量將大于13 500 m3/s時(shí)，水庫(kù)要預(yù)泄至汛限水位。

同時(shí)根據(jù)長(zhǎng)洲水利樞紐多年調(diào)度實(shí)踐，預(yù)報(bào)3 d后入庫(kù)流量大于11 800 m3/s且繼續(xù)上漲時(shí)，水庫(kù)預(yù)泄至18.6 m運(yùn)行，多年的運(yùn)行實(shí)踐，庫(kù)區(qū)未發(fā)生防洪安全事故。例如受2015年第22號(hào)臺(tái)風(fēng)“彩虹”影響，10月4—6日廣西大部地區(qū)出現(xiàn)狂風(fēng)暴雨天氣，10月3日，水情預(yù)報(bào)長(zhǎng)洲入庫(kù)6日凌晨可能出現(xiàn)超過(guò)11 800 m3/s的洪水，此時(shí)水庫(kù)水位19.6 m，長(zhǎng)洲水利樞紐4日8時(shí)開始加大泄量預(yù)泄，并在調(diào)度期間加強(qiáng)上下游影響區(qū)巡邏，于10月6日2時(shí)預(yù)泄到汛限水位18.6 m，預(yù)泄流量10 900 m3/s，加泄600 m3/s，預(yù)泄過(guò)程未造成人造洪峰，庫(kù)區(qū)也未產(chǎn)生不利影響。

因此，根據(jù)長(zhǎng)洲庫(kù)區(qū)騰空時(shí)間、壩址最高可蓄水位與入庫(kù)流量關(guān)系以及調(diào)度實(shí)踐，且考慮長(zhǎng)洲入庫(kù)洪水漲率太大對(duì)洪水預(yù)報(bào)精度的影響，建議長(zhǎng)洲預(yù)泄時(shí)機(jī)為：預(yù)報(bào)長(zhǎng)洲3 d后入庫(kù)流量大于11 800 m3/s時(shí)，水庫(kù)在2 d內(nèi)預(yù)泄至18.6 m運(yùn)行。

2.3.2起蓄判別條件

考慮到洪水預(yù)報(bào)誤差的客觀存在性，西江流域常常因上游各支流洪水的疊加出現(xiàn)多峰型洪水的實(shí)際情況[15]，以及退水期庫(kù)區(qū)中段、庫(kù)尾段水位回落略微比壩址水位滯后等諸多因素，在洪水退水期進(jìn)行水庫(kù)預(yù)蓄調(diào)度時(shí)，采取偏于安全的預(yù)蓄判別流量?？紤]到西江洪水多為多峰型洪水，若流量較大時(shí)開始預(yù)蓄的防洪風(fēng)險(xiǎn)較大，長(zhǎng)洲水利樞紐滿發(fā)流量為7 450 m3/s，有效預(yù)見期內(nèi)回蓄至19.6 m需要減小出庫(kù)700 m3/s左右，綜合考慮預(yù)報(bào)誤差以及根據(jù)多年調(diào)度實(shí)踐，為安全起見，退水階段當(dāng)入庫(kù)流量小于8 000 m3/s且預(yù)報(bào)未來(lái)幾日無(wú)明顯漲水過(guò)程時(shí)開始回蓄。因此預(yù)蓄判別流量為8 000 m3/s。

2.3.3汛期優(yōu)化調(diào)度方案

長(zhǎng)洲水利樞紐汛期優(yōu)化調(diào)度方案以不降低水庫(kù)設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)、不增加下游和庫(kù)區(qū)防洪壓力為前提條件，在流域來(lái)水較小時(shí)適時(shí)適度抬高運(yùn)行水位，以滿足庫(kù)區(qū)供水、生態(tài)、航運(yùn)、發(fā)電等需求，發(fā)揮水庫(kù)綜合效益；在洪水來(lái)臨之前將水庫(kù)水位提前預(yù)泄至汛限水位，不增加流域防洪壓力。綜合考慮水電站流域相關(guān)洪水預(yù)報(bào)信息、有效預(yù)見期、水庫(kù)泄流能力等關(guān)鍵因子的基礎(chǔ)上，確定具體水庫(kù)泄流及庫(kù)水位實(shí)時(shí)控制方案。

a)長(zhǎng)洲水利樞紐汛期水庫(kù)最高運(yùn)行水位為19.6 m。

b)當(dāng)預(yù)報(bào)長(zhǎng)洲水利樞紐壩3 d后入庫(kù)流量大于11 800 m3/s時(shí)，水庫(kù)應(yīng)立即轉(zhuǎn)入防洪調(diào)度，加大水庫(kù)泄流，在2 d內(nèi)使水庫(kù)水位消落到原設(shè)計(jì)防洪限制水位18.6 m；水庫(kù)消落至汛限水位后，按現(xiàn)行的防洪調(diào)度方式進(jìn)行調(diào)度。

c)在退水過(guò)程中，當(dāng)入庫(kù)流量小于8 000 m3/s時(shí)開始回蓄，有效預(yù)見期內(nèi)逐步恢復(fù)水庫(kù)水位至19.6 m。

3 風(fēng)險(xiǎn)和效益分析

3.1 風(fēng)險(xiǎn)分析

水庫(kù)汛期優(yōu)化調(diào)度方案的合理性，要考慮水庫(kù)調(diào)洪最高水位、下游控制站組合流量、水庫(kù)興利蓄水等防洪與興利目標(biāo)，是一較復(fù)雜的多目標(biāo)決策問題。為分析長(zhǎng)洲水利樞紐汛期優(yōu)化調(diào)度方案是否合理，本文從下游防洪安全、庫(kù)區(qū)淹沒安全等多方面進(jìn)行風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)。

3.1.1下游防洪安全分析

選擇下游控制斷面梧州最大洪峰流量作為汛期優(yōu)化調(diào)度方案實(shí)施前后對(duì)防洪安全影響評(píng)價(jià)的重要參數(shù)，以此說(shuō)明汛期優(yōu)化調(diào)度方案是否會(huì)對(duì)防洪控制斷面造成風(fēng)險(xiǎn)；從安全穩(wěn)定角度對(duì)大壩水位下降速率進(jìn)行分析，以此說(shuō)明汛期優(yōu)化調(diào)度方案是否對(duì)庫(kù)區(qū)岸坡穩(wěn)定造成風(fēng)險(xiǎn)。選取典型洪水進(jìn)行調(diào)洪計(jì)算，并統(tǒng)計(jì)以上指標(biāo)，并與原設(shè)計(jì)調(diào)度方案進(jìn)行對(duì)比，分析方案對(duì)下游防洪安全的影響，調(diào)度結(jié)果見表5。由結(jié)果可知，汛期優(yōu)化調(diào)度方案最大日水位變幅未超過(guò)0.5 m/d，不會(huì)對(duì)庫(kù)區(qū)淹沒安全和岸坡穩(wěn)定造成不利影響，可以保證不同典型的來(lái)水條件下不降低原庫(kù)區(qū)防洪標(biāo)準(zhǔn)；與原設(shè)計(jì)方案對(duì)比，汛期優(yōu)化調(diào)度方案調(diào)度后下游控制斷面梧州洪峰均未增加，預(yù)泄增加的流量不會(huì)增加下游防洪風(fēng)險(xiǎn)。原設(shè)計(jì)調(diào)度方案、汛期優(yōu)化調(diào)度方案的起調(diào)水位分別為19.6、18.6 m。

表5 長(zhǎng)洲水利樞紐汛期優(yōu)化調(diào)度方案調(diào)洪成果統(tǒng)計(jì)

3.1.2庫(kù)區(qū)淹沒安全分析

由于長(zhǎng)洲水利樞紐為河道型水庫(kù)，庫(kù)區(qū)洪水回落至設(shè)計(jì)汛限水位相應(yīng)的庫(kù)水位仍要滯后一段時(shí)間，如果庫(kù)區(qū)水位未及時(shí)預(yù)泄至原設(shè)計(jì)水位時(shí)，當(dāng)預(yù)見期內(nèi)洪水漲率較大時(shí)，有可能對(duì)庫(kù)區(qū)淹沒造成一定的風(fēng)險(xiǎn)。

選取典型洪水中來(lái)水較大的1988年來(lái)水，按照擬定的優(yōu)化調(diào)度方案，采用一維水流數(shù)學(xué)模型計(jì)算分析長(zhǎng)洲水利樞紐從19.6 m預(yù)泄至汛限水位18.6 m庫(kù)區(qū)洪水位變化情況，計(jì)算成果見表6。從表中可以看出，長(zhǎng)洲水利樞紐壩址水位在2 d內(nèi)從19.6 m預(yù)泄至18.6 m，庫(kù)區(qū)水位回落滯后了1 d，在有效預(yù)見期內(nèi)回落了下來(lái)，不會(huì)對(duì)庫(kù)區(qū)淹沒造成防洪風(fēng)險(xiǎn)。

表6 長(zhǎng)洲水利樞紐汛期優(yōu)化調(diào)度方案庫(kù)區(qū)雍高水位成果統(tǒng)計(jì) 單位：m

3.2 效益分析

長(zhǎng)洲水利樞紐進(jìn)行汛期優(yōu)化調(diào)度效益主要包括增蓄水量以及水頭抬高帶來(lái)的供水、發(fā)電、航運(yùn)、生態(tài)效益。通過(guò)前面計(jì)算可知，長(zhǎng)洲水利樞紐汛期運(yùn)行水位控制域上限為19.6 m，與汛限水位18.6 m相比，增加效益情況見表7。

表7 長(zhǎng)洲水利樞紐優(yōu)化方案增加效益

從表7可以看出，通過(guò)長(zhǎng)洲汛期優(yōu)化調(diào)度，在流量較小的情況下將汛期運(yùn)行水位由18.6 m抬高至19.6 m，可保障庫(kù)區(qū)上游尤其是平南縣丹竹片區(qū)水廠正常取水；可增加庫(kù)區(qū)水深1.0～1.5 m，加強(qiáng)了水庫(kù)對(duì)航運(yùn)流量的調(diào)節(jié)能力，對(duì)西江干流航線的正常運(yùn)行具有重要的意義；可增加蓄水量2億m3，為生態(tài)調(diào)度儲(chǔ)備水源。同時(shí)對(duì)優(yōu)化調(diào)度方案進(jìn)行發(fā)電模擬運(yùn)行，統(tǒng)計(jì)得出汛期多年平均棄水量減少3.93億m3，多年平均發(fā)電量由10.69億kW·h提高到11.23億kW·h，平均增加0.54億kW·h，增幅為5.05%，效益十分顯著。

4 結(jié)語(yǔ)

a)汛期優(yōu)化調(diào)度是一個(gè)風(fēng)險(xiǎn)與效益共存的問題，本文通過(guò)全面分析近年水庫(kù)供水、發(fā)電、航運(yùn)、生態(tài)等方面的運(yùn)用情況，評(píng)估水庫(kù)現(xiàn)狀汛期調(diào)度運(yùn)用方案以及存在的問題，得出其在供水、發(fā)電、航運(yùn)、生態(tài)等不同方面的調(diào)度需求；結(jié)合調(diào)度需求、洪水預(yù)報(bào)信息可利用性分析，開展長(zhǎng)洲水利樞紐汛期優(yōu)化調(diào)度方案研究，在確保防洪安全的前提下，將汛期運(yùn)行水位由18.6 m提高至19.6 m。

b)通過(guò)分析長(zhǎng)洲水利樞紐實(shí)施汛期優(yōu)化調(diào)度前后的風(fēng)險(xiǎn)與效益變化，得出方案實(shí)施不會(huì)增加庫(kù)區(qū)和下游防洪風(fēng)險(xiǎn)，可在保障防洪安全的前提下提高庫(kù)區(qū)水位1.0～1.5 m，增蓄水量2億m3，充分發(fā)揮了水庫(kù)供水、航運(yùn)、生態(tài)效益，同時(shí)增加發(fā)電量5.05%，經(jīng)濟(jì)、社會(huì)效益顯著。

c)文中僅對(duì)長(zhǎng)洲水利樞紐單庫(kù)優(yōu)化調(diào)度進(jìn)行了研究，隨著水庫(kù)調(diào)度技術(shù)和管理水平的不斷提升，如何與上游水庫(kù)建立聯(lián)合優(yōu)化調(diào)度機(jī)制，以取得更大的綜合利用效益和防洪安全保障是接下來(lái)研究的重點(diǎn)。