金沙江下游梯級(jí)水庫群協(xié)同防洪調(diào)度策略研究

荊 柱,李 肖 男,何 小 聰,徐 楊,陳 永 生,施 勇

(1.長(zhǎng)江勘測(cè)規(guī)劃設(shè)計(jì)研究有限責(zé)任公司,湖北 武漢 430010; 2.長(zhǎng)江設(shè)計(jì)集團(tuán)有限公司,湖北 武漢 430010;3.長(zhǎng)江水利委員會(huì)水旱災(zāi)害防御創(chuàng)新團(tuán)隊(duì),湖北 武漢 430010; 4.中國(guó)長(zhǎng)江電力股份有限公司,湖北 宜昌 443133; 5.長(zhǎng)江水利委員會(huì) 水資源局,湖北 武漢 430010; 6.南京水利科學(xué)研究院,江蘇 南京 210029)

0 引 言

金沙江下游烏東德、白鶴灘、溪洛渡和向家壩四座梯級(jí)水庫(以下簡(jiǎn)稱“金下四庫”)是長(zhǎng)江流域保護(hù)與治理開發(fā)的骨干工程,工程開發(fā)任務(wù)是以發(fā)電為主,兼顧防洪、航運(yùn)和促進(jìn)地方經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展。4座梯級(jí)水庫群總調(diào)節(jié)庫容208.21億m3,預(yù)留防洪庫容154.93億m3,裝機(jī)容量46 460 MW,多年平均發(fā)電量約1 878.7億kW·h,是長(zhǎng)江上游防洪體系的骨干工程[1]。2021年起,金沙江下游烏東德、白鶴灘水庫相繼建成投產(chǎn),金沙江下游梯級(jí)水庫群正式成型,進(jìn)一步提升了長(zhǎng)江流域的防洪能力和洪水資源化利用水平。但烏東德、白鶴灘水庫的建成運(yùn)用,不可避免改變了長(zhǎng)江上游整體的水文情勢(shì),對(duì)下游溪洛渡、向家壩、三峽水庫的調(diào)度運(yùn)行也帶來了新的挑戰(zhàn)。

金下四庫防洪目標(biāo)具有多元化特征,且分布在洪水地區(qū)組成、遭遇特性差異較大的不同區(qū)域[2]。現(xiàn)有調(diào)度規(guī)程中,金沙江下游溪洛渡、向家壩水庫對(duì)川渝河段的防洪調(diào)度方式中未曾全面考慮烏東德、白鶴灘水庫的攔蓄作用[3-4],防洪運(yùn)用的邊界條件發(fā)生了變化。同時(shí),金下四庫規(guī)模大、效益好,整體協(xié)同防洪調(diào)度有利于實(shí)現(xiàn)梯級(jí)水庫群發(fā)電效益的最大化,避免金沙江下游水能資源的浪費(fèi)。因此,如何在不同來水情況下合理分配金下四庫有限的防洪庫容量,明確金下四庫在聯(lián)合防洪調(diào)度時(shí)的使用次序和攔蓄方式,有效協(xié)調(diào)多區(qū)域防洪任務(wù),確保梯級(jí)水庫群防洪與興利效益的高效發(fā)揮是亟需解決的問題。

在梯級(jí)水庫群聯(lián)合調(diào)度方面,眾多專家學(xué)者開展了大量的研究工作[5-10]。李安強(qiáng)等[11]基于大系統(tǒng)分解協(xié)調(diào)原理對(duì)長(zhǎng)江上游溪洛渡、向家壩、三峽水庫聯(lián)合調(diào)度的防洪能力進(jìn)行計(jì)算,結(jié)果表明聯(lián)合調(diào)度方案可以減少三峽下游在遭遇大洪水時(shí)的分蓄洪量。周新春等[12]探討了三峽水庫與金沙江梯級(jí)水庫群之間防洪庫容的互用性,計(jì)算了各水庫防洪庫容的互用比例,研究結(jié)果可以為梯級(jí)水庫群實(shí)時(shí)防洪預(yù)報(bào)調(diào)度提供參考。張尚弘等[13]從入庫洪水形態(tài)、調(diào)洪計(jì)算模型、防洪調(diào)度規(guī)程3個(gè)方面對(duì)金下四庫與三峽水庫聯(lián)合調(diào)度后的荊江地區(qū)防洪安全展開了研究,提出了金下四庫協(xié)同三峽水庫防洪調(diào)度時(shí)需要預(yù)留的最小庫容量。

上述研究成果從水庫群聯(lián)合調(diào)度的安全性、防洪庫容的共用性、最小預(yù)留防洪庫容量等多個(gè)角度對(duì)金沙江下游梯級(jí)水庫群的防洪能力和調(diào)度策略展開了研究,取得了大量的研究成果。但一方面,上述研究的水庫主要為金沙江下游溪洛渡、向家壩水庫,尚未涉及新建成投產(chǎn)的烏東德、白鶴灘水庫。另一方面,上述研究主要是針對(duì)金沙江下游梯級(jí)配合三峽水庫的聯(lián)合防洪調(diào)度展開分析,對(duì)新形勢(shì)下金下四庫內(nèi)部的啟用次序和攔蓄方式仍缺乏系統(tǒng)性的比較和討論,對(duì)不同啟用次序下防洪安全及發(fā)電效益的影響也鮮有定量研究。

本文以金下四庫為對(duì)象,研究面向多區(qū)域防洪的梯級(jí)水庫群協(xié)同調(diào)度策略,統(tǒng)籌防洪安全和發(fā)電效益,分析金下四庫不同使用次序和攔蓄方式對(duì)梯級(jí)水庫群綜合效益的影響,在確保防洪安全的前提下盡可能提升汛期發(fā)電效益,為提升梯級(jí)水庫群調(diào)度決策科學(xué)水平提供關(guān)鍵技術(shù)支撐。

1 協(xié)同防洪調(diào)度策略設(shè)置

金下四庫在面向不同區(qū)域進(jìn)行防洪調(diào)度時(shí),需要結(jié)合水庫來水條件、下游防洪需求以及工程調(diào)度特性等,在總體打捆運(yùn)用的原則下,科學(xué)擬定金下四庫協(xié)同防洪的調(diào)度策略,明確金下四庫的使用次序和攔蓄方式,充分發(fā)揮工程的綜合效益。一方面,需要在滿足工程泄流能力、最小下泄流量等防洪調(diào)度約束條件下,盡可能減少金下四庫受泄流能力約束而被動(dòng)滯洪的影響,降低防洪調(diào)度時(shí)的庫容使用量。另一方面,需要進(jìn)一步考慮不同水電站機(jī)組出力系數(shù)、最大出力限制等發(fā)電計(jì)算約束條件,分析不同調(diào)度策略對(duì)金下四庫整體發(fā)電效益的影響,在確保防洪安全的前提下盡可能提升金下四庫汛期防洪調(diào)度時(shí)的發(fā)電效益。

1.1 設(shè)計(jì)洪水及調(diào)度方式

金下四庫在川渝河段的主要防洪保護(hù)對(duì)象為宜賓、瀘州、重慶,控制站點(diǎn)分別為李莊、朱沱、寸灘水文站,研究范圍內(nèi)水庫群組、防洪保護(hù)城市及重要控制站點(diǎn)的概化示意見圖1。不同區(qū)域的防洪目標(biāo)主要是通過金下四庫調(diào)度,將宜賓主城區(qū)、瀘州主城區(qū)的防洪標(biāo)準(zhǔn)由20 a一遇提高到50 a一遇,將重慶主城區(qū)的防洪標(biāo)準(zhǔn)由50 a一遇盡可能提高到100 a一遇?？紤]金沙江與岷江、嘉陵江洪水遭遇特點(diǎn)、川渝河段大洪水發(fā)生情況,以及宜賓市、瀘州市、重慶市防洪需要,分別以李莊、朱沱、寸灘為控制站點(diǎn)選取不同典型年洪水過程,放大生成面向宜賓、瀘州、重慶的整體設(shè)計(jì)洪水過程[14],具體信息見表1。

表1 川渝河段不同區(qū)域設(shè)計(jì)洪水Tab.1 Designed floods in different regions of the Sichuan,Chongqing river section

圖1 金下四庫及川渝河段概化圖Fig.1 Overview diagram of cascade reservoirs in the lower reaches of the Jinsha River and Sichuan,Chongqing river section

由于金沙江下游各庫區(qū)間無大的支流匯入,且各庫控制流域面積差異不大,金下四庫在原則上整體打捆運(yùn)用,面向不同區(qū)域的防洪調(diào)度方式和預(yù)留庫容量主要如下[14]:

(1) 金下四庫為宜賓預(yù)留防洪庫容9.1億m3。① 當(dāng)預(yù)報(bào)6 h后李莊流量大于51 000 m3/s時(shí),對(duì)宜賓主城區(qū)進(jìn)行削峰補(bǔ)償調(diào)度,具體攔蓄量為ΔQ計(jì)算如下:李莊流量>51 000 m3/s且<53 000 m3/s,ΔQ=3 000 m3/s;李莊流量>53 000 m3/s,ΔQ=2×(李莊超頻洪峰-51 000 m3/s)。② 為兼顧興利需要,對(duì)水庫最小下泄流量要求如下:當(dāng)入庫流量Q<10 000 m3/s,水庫最小下泄流量minQ≥2 500 m3/s;當(dāng)入庫流量Q≥10 000 m3/s,水庫最小下泄流量minQ≥7 500 m3/s。

(2) 金下四庫為瀘州(兼顧宜賓)預(yù)留防洪庫容14.6億m3。① 當(dāng)預(yù)報(bào)24 h后朱沱洪峰將超過52 600 m3/s,上游水庫按照9 000 m3/s和為宜賓防洪攔蓄流量之間最大值進(jìn)行攔蓄。② 若宜賓發(fā)生超頻洪水,而瀘州未出現(xiàn)超頻洪峰,則上游水庫采取對(duì)宜賓防洪方式調(diào)度,按照宜賓防洪所確定的攔蓄方式進(jìn)行攔蓄,當(dāng)對(duì)宜賓控制站李莊超頻洪水?dāng)r蓄所用的庫容量超過9.1億m3時(shí),則不再對(duì)宜賓進(jìn)行防洪。③ 為兼顧興利需要,水庫最小下泄流量按2 500 m3/s控制。

(3) 金下四庫為重慶(兼顧宜賓、瀘州)預(yù)留防洪庫容29.6億m3。① 當(dāng)預(yù)報(bào)36 h內(nèi)寸灘出現(xiàn)超50 a頻率洪峰流量時(shí),水庫開始啟動(dòng)攔蓄,攔蓄流量為預(yù)報(bào)36～60 h內(nèi)超出50 a頻率洪峰流量(83 100 m3/s)的2倍。② 在攔蓄流量確定后,持續(xù)攔蓄一日,并在下一日再根據(jù)①中所敘攔蓄方式重新確定下一次攔蓄流量,循環(huán)操作完成整個(gè)防洪調(diào)度。③ 若宜賓、瀘州發(fā)生超頻洪水,而重慶未出現(xiàn)超頻洪峰,則上游水庫按照相應(yīng)區(qū)域防洪調(diào)度方式進(jìn)行攔蓄,當(dāng)上游水庫群為宜賓、瀘州超頻洪水所用的攔蓄庫容量超過14.6億m3時(shí),則不再對(duì)上述兩區(qū)域進(jìn)行防洪。④ 若重慶出現(xiàn)超頻洪峰,宜賓和瀘州也同時(shí)出現(xiàn),則攔蓄量取三者中最大值。⑤ 為兼顧興利需要,水庫最小下泄流量按2 500 m3/s控制。

1.2 調(diào)度策略設(shè)置

金下四庫在面向川渝河段進(jìn)行防洪調(diào)度時(shí),首先需要依據(jù)不同區(qū)域的預(yù)報(bào)來水情況和調(diào)度方式,確定整體打捆運(yùn)用的攔蓄總量。在此基礎(chǔ)上,進(jìn)一步探討金下四庫內(nèi)部的使用次序和攔蓄方式。其中,向家壩水庫具有泄流能力較大、出力受阻程度較輕、總防洪庫容較小的特征,且對(duì)下游川渝河段防洪作用時(shí)效性最佳,是金沙江下游梯級(jí)防洪調(diào)度的總控開關(guān),直接關(guān)系到金沙江下游梯級(jí)調(diào)度運(yùn)用的靈活性和關(guān)鍵時(shí)刻對(duì)防洪風(fēng)險(xiǎn)的控制能力。因此,在研究金下四庫防洪庫容內(nèi)部的使用次序中,原則上優(yōu)先使用烏東德、白鶴灘、溪洛渡(簡(jiǎn)稱“烏白溪”)三庫,最后使用向家壩水庫攔蓄烏白溪三庫攔蓄后(受操作時(shí)效或下泄流量約束而未能達(dá)成攔蓄目標(biāo))的多余洪量及金沙江下游區(qū)間流量。從整體上設(shè)定烏東德、白鶴灘、溪洛渡三庫同步攔蓄、依次攔蓄兩大類調(diào)度策略,具體見表2。同時(shí),為兼顧興利效益,在攔蓄時(shí)金下四庫盡量按照滿發(fā)流量下泄,如遇金沙江下游來水較少且需加大攔蓄的特殊情況時(shí),溪洛渡、向家壩水庫最小下泄流量為2 500 m3/s。

表2 金下四庫防洪調(diào)度時(shí)內(nèi)部使用次序Tab.2 Usage order of cascade reservoirs in the lower reaches of the Jinsha River during flood control operation

2 烏東德、白鶴灘、溪洛渡水庫同步攔蓄方式

2.1 面向川渝河段防洪調(diào)度計(jì)算

面向川渝河段不同區(qū)域防洪需求,依據(jù)1.1節(jié)中金下四庫打捆運(yùn)用時(shí)的調(diào)度方式以及表2中的內(nèi)部使用次序,考慮各庫泄流能力等約束條件,計(jì)算從汛限水位起調(diào)時(shí)遭遇不同典型年設(shè)計(jì)洪水,不同調(diào)度策略下金下四庫整體使用的防洪庫容量,計(jì)算結(jié)果見表3～5。計(jì)算結(jié)果表明,絕大部分典型年設(shè)計(jì)洪水中,金下四庫受不同調(diào)度策略影響所使用的防洪庫容量并不相同。大部分典型年設(shè)計(jì)洪水中烏東德、白鶴灘、溪洛渡三庫采用同步攔蓄的策略,金下四庫防洪庫容使用量最小。在采用依次攔蓄的策略時(shí),被動(dòng)滯洪情況較為嚴(yán)重,相較于其他調(diào)度策略多使用0.15億～9.84億m3的防洪庫容量,不利于金沙江下游梯級(jí)防洪效益的發(fā)揮。在李莊1961年、朱沱1989年、寸灘1981年等典型年設(shè)計(jì)洪水中,由于金沙江干流來水較小,不受各庫泄流能力約束,不同調(diào)度策略下金下四庫防洪庫容使用總量全部一致。即當(dāng)金沙江下游來水較小時(shí),金下四庫不產(chǎn)生被動(dòng)滯洪,總庫容使用量不受四庫內(nèi)部使用次序的影響。

表3 金沙江下游梯級(jí)對(duì)宜賓防洪調(diào)度時(shí)使用庫容量Tab.3 Capacity used of cascade reservoirs in the lower reaches of the Jinsha River for Yibin flood control 億m3

表4 金沙江下游梯級(jí)對(duì)瀘州(兼顧宜賓)防洪調(diào)度時(shí)使用庫容量Tab.4 Capacity used of cascade reservoirs in the lower reaches of the Jinsha River for Luzhou flood control 億m3

表5 金沙江下游梯級(jí)對(duì)重慶(兼顧宜賓、瀘州)防洪調(diào)度時(shí)使用庫容量Tab.5 Capacity used of cascade reservoirs in the lower reaches of the Jinsha River for Chongqing flood control 億m3

從機(jī)理性的角度分析,金沙江下游烏東德、白鶴灘、溪洛渡水庫受泄流能力約束,在來水大于水庫當(dāng)前水位的泄流能力時(shí),會(huì)發(fā)生被動(dòng)滯洪的現(xiàn)象,相比于主動(dòng)攔蓄,額外消耗了多余的防洪庫容。為盡量減少金下四庫因被動(dòng)滯洪而額外消耗的防洪庫容,需要使各庫的泄流能力盡可能保持均衡,上側(cè)水庫泄放的洪水不受或少受下側(cè)水庫泄流能力制約。采用同步攔蓄的方式有利于使各庫泄流能力得到同步改善,減少被動(dòng)滯洪的影響。若采用依次攔蓄的調(diào)度策略,即優(yōu)先使用某一水庫單獨(dú)攔蓄,運(yùn)用至某水位高程下再切換使用另一水庫再行攔蓄,在防洪調(diào)度中容易使得不同水庫泄流能力間的差異逐漸加大,在來水較大時(shí)人為加大四庫整體的被動(dòng)滯洪量。因此,當(dāng)金下四庫面向川渝河段進(jìn)行防洪調(diào)度時(shí),若金沙江下游來水較大,建議烏東德、白鶴灘、溪洛渡水庫采用同步攔蓄的方式進(jìn)行防洪調(diào)度,使各庫泄流能力盡量均衡,向家壩用于攔蓄烏白溪三庫攔蓄后的多余洪量和區(qū)間洪量。

2.2 金下四庫同步攔蓄方式設(shè)置

金沙江下游烏東德、白鶴灘、溪洛渡水庫采用同步攔蓄的方式進(jìn)行防洪調(diào)度,同步攔蓄的具體方式包括按照三庫總防洪庫容比例、三庫攔蓄時(shí)剩余防洪庫容比例、等比例、泄流能力最小的水庫優(yōu)先攔蓄4種方式。從表3～5的計(jì)算結(jié)果中可以看出,在遭遇不同典型年設(shè)計(jì)洪水時(shí),金下四庫采用不同的方式進(jìn)行同步攔蓄都有可能使得總庫容使用量最小,整體規(guī)律性并不明顯。而且,考慮到在實(shí)際防洪調(diào)度中,各庫起調(diào)水位組合情況復(fù)雜多變,并非同時(shí)處于汛限水位。因此,需要設(shè)置多種起調(diào)水位組合,分析不同起調(diào)水位下各同步攔蓄方式對(duì)金下四庫整體庫容使用量的影響。在具體起調(diào)水位的設(shè)置上,考慮金下四庫受泄流能力約束產(chǎn)生被動(dòng)滯洪的影響,結(jié)合不同典型年設(shè)計(jì)洪水中金沙江下游來水量級(jí),按照烏東德、白鶴灘、溪洛渡三座水庫起調(diào)水位分別處于相同或不同的泄流能力條件,分別按照汛限水位或22 000,25 000,28 000,31 000 m3/s流量下的泄流能力設(shè)置起調(diào)水位計(jì)算方案,具體見表6。

表6 金沙江下游梯級(jí)起調(diào)水位組合方案Tab.6 Combination plans of start-operation water level of cascade reservoirs in the lower reaches of the Jinsha River

面向川渝河段不同區(qū)域防洪需求,計(jì)算在11組起調(diào)水位方案下遭遇金沙江下游來水較大的典型年設(shè)計(jì)洪水時(shí),采用4種不同的同步攔蓄調(diào)度策略下金下四庫整體使用的防洪庫容量。統(tǒng)計(jì)不同典型年中不同攔蓄方式使得總防洪庫容使用量最小的次數(shù)和最大的次數(shù),見表7。計(jì)算結(jié)果表明,在相同起調(diào)水位下采用不同的同步攔蓄方式,金下四庫防洪庫容使用量最多相差4.66億m3。在遭遇不同典型年設(shè)計(jì)洪水時(shí),采用策略1,2,4的同步攔蓄方式使金沙江下游烏東德、白鶴灘、溪洛渡三庫在不同起調(diào)水位下進(jìn)行防洪調(diào)度,金下四庫總防洪庫容使用量最小的頻次基本相同,約30%,在防洪效果上皆好于策略3。但采用策略2(按三庫各時(shí)段剩余防洪庫容比例計(jì)算各庫攔蓄流量)進(jìn)行同步攔蓄時(shí),相較于其他攔蓄方式,從未出現(xiàn)金下四庫總防洪庫容使用量最大的情況,整體攔蓄效果最佳。

表7 不同攔蓄方式下防洪庫容使用量最小/最大次數(shù)統(tǒng)計(jì)Tab.7 Statistics of the minimum/maximum usage numbers of flood control capacity under different operation strategies

從機(jī)理性的角度分析,烏東德、白鶴灘、溪洛渡三庫在不同起調(diào)水位下,泄流能力并不相同。水庫起調(diào)水位越低,泄流能力越小,剩余防洪庫容越大。若按照剩余防洪庫容的比例進(jìn)行分配,在同步攔蓄時(shí)計(jì)算得到的流量占比就越大,越有利于使得該水庫的泄流能力得到盡快改善。從整體上,有利于三庫更好地適應(yīng)實(shí)時(shí)調(diào)度中不同的起調(diào)水位組合情況,使各庫泄流能力按照相對(duì)較快的速度得到同步改善,減少因被動(dòng)滯洪而額外消耗的防洪庫容量。因此,當(dāng)金沙江下游烏東德、白鶴灘、溪洛渡水庫采用同步攔蓄的方式進(jìn)行防洪調(diào)度時(shí),建議烏東德、白鶴灘、溪洛渡按照三庫剩余防洪庫容比例進(jìn)行同步攔蓄,使各庫泄流能力盡量均衡,向家壩用于攔蓄烏白溪三庫攔蓄后的多余洪量和區(qū)間洪量。

3 向家壩預(yù)留防洪庫容量

金下四庫在面向川渝河段進(jìn)行防洪調(diào)度時(shí),優(yōu)先啟用烏東德、白鶴灘、溪洛渡水庫進(jìn)行同步攔蓄,向家壩用于攔蓄烏白溪三庫攔蓄后的多余洪量和區(qū)間洪量。因此,從防洪調(diào)度中烏白溪攔蓄后的多余洪量以及溪洛渡-向家壩區(qū)間洪量?jī)煞矫鎸?duì)向家壩水庫預(yù)留的防洪庫容量進(jìn)行分析。

3.1 防洪調(diào)度中向家壩使用庫容量

面向川渝河段不同區(qū)域防洪需求,烏東德、白鶴灘、溪洛渡三庫按照剩余防洪庫容比例進(jìn)行同步攔蓄,計(jì)算向家壩水庫作為金下四庫總控開關(guān),在遭遇不同典型年設(shè)計(jì)洪水時(shí)不同起調(diào)水位下消耗的最大庫容量,結(jié)果見表8。可以看出,在不同起調(diào)水位下遭遇不同典型年設(shè)計(jì)洪水時(shí),由于烏東德、白鶴灘、溪洛渡三庫按照剩余防洪庫容的比例同步攔蓄洪水,基本可以滿足川渝河段不同區(qū)域的防洪需求。即在已知上游來水及區(qū)間來水過程時(shí),可通過烏白溪三庫提前加大攔蓄,補(bǔ)償溪洛渡-向家壩區(qū)間洪量,使得向家壩所消耗的防洪庫容量較小,最大僅1.48億m3。

表8 不同起調(diào)水位下向家壩水庫最大使用庫容量Tab.8 Maximum usage capacity of Xiangjiaba reservoir under different initial operation water levels 億m3

3.2 溪洛渡-向家壩區(qū)間來水量

針對(duì)川渝河段不同控制站點(diǎn)的典型年設(shè)計(jì)洪水,分別對(duì)整場(chǎng)設(shè)計(jì)洪水以及防洪調(diào)度啟動(dòng)攔蓄時(shí)段的溪洛渡-向家壩區(qū)間進(jìn)行計(jì)算,結(jié)果見表9～10。計(jì)算結(jié)果表明,在不同典型年設(shè)計(jì)洪水中,金下四庫在防洪調(diào)度啟動(dòng)攔蓄時(shí)段內(nèi),溪洛渡-向家壩區(qū)間洪量最大為0.82億m3。在整場(chǎng)設(shè)計(jì)洪水中,溪洛渡-向家壩區(qū)間洪量最大為5.05億m3。因此,當(dāng)金下四庫面向川渝河段進(jìn)行防洪調(diào)度時(shí),受調(diào)度指令下達(dá)時(shí)間、閘門啟閉操作時(shí)效、區(qū)間來水預(yù)報(bào)誤差、水庫下泄流量約束等諸多因素影響,向家壩水庫需要預(yù)留約5億m3庫容用于攔蓄金沙江下游烏東德、白鶴灘、溪洛渡三庫攔蓄后的多余洪量及溪洛渡-向家壩區(qū)間洪量。

表9 川渝河段整場(chǎng)設(shè)計(jì)洪水中溪洛渡-向家壩區(qū)間洪量Tab.9 Flood volume of Xiluodu-Xiangjiaba section of different designed floods 億m3

表10 防洪調(diào)度啟動(dòng)攔蓄時(shí)段內(nèi)溪洛渡-向家壩區(qū)間洪量Tab.10 Flood volume of Xiluodu-Xiangjiaba section during flood control operation period 億m3

4 不同調(diào)度策略對(duì)發(fā)電效益的影響分析

在明確四庫不同調(diào)度策略對(duì)整體防洪庫容使用量影響的基礎(chǔ)上,進(jìn)一步分析不同使用次序和攔蓄方式對(duì)發(fā)電效益的影響,在確保防洪安全的前提下盡可能兼顧四庫汛期防洪時(shí)的發(fā)電效益。按照表2中設(shè)定的四庫內(nèi)部使用次序,考慮金下四庫各水電站機(jī)組出力系數(shù)、最大出力限制、尾水位曲線等因素,對(duì)防洪調(diào)度過程中的發(fā)電量以及防洪調(diào)度結(jié)束后的儲(chǔ)能量展開計(jì)算,統(tǒng)計(jì)不同典型年設(shè)計(jì)洪水中發(fā)電量極值及其對(duì)應(yīng)的策略編號(hào),結(jié)果見表11～12。計(jì)算結(jié)果表明,在不同啟用次序下,金下四庫防洪過程的發(fā)電量最大相差7.77億kW·h,發(fā)電量及儲(chǔ)能量之和最大相差10.7億kW·h。

表11 金沙江下游來水較小時(shí)的發(fā)電效益Tab.11 Power generation of reservoirs when the lower reaches of the Jinsha River has a small inflow 億kW·h

表12 金沙江下游來水較大時(shí)的發(fā)電效益Tab.12 Power generation of reservoirs when the lower reaches of the Jinsha River has a large inflow 億kW·h

對(duì)計(jì)算結(jié)果進(jìn)行分析,當(dāng)金沙江下游來水較小(小于各庫汛限水位對(duì)應(yīng)的泄流能力約22 000 m3/s)時(shí),從防洪調(diào)度過程的發(fā)電量來講,采用策略9最有利,采用策略5最不利;從整體發(fā)電效益來看,采用策略3、5最有利,采用策略9、10最不利。此外,金沙江下游來水不受水庫泄流能力約束,基本不存在被動(dòng)滯洪的情況,金下四庫啟用次序不影響防洪庫容使用總量。因此,當(dāng)金沙江下游來水較小時(shí),若預(yù)報(bào)中長(zhǎng)期無較大來水時(shí),考慮到調(diào)洪末水位的儲(chǔ)能效益可以充分發(fā)揮,后期棄水風(fēng)險(xiǎn)及防洪風(fēng)險(xiǎn)都較小,建議從整體發(fā)電效益的角度,按照策略5“烏-白-溪”的使用次序,優(yōu)先啟用烏東德水庫攔蓄洪水。若預(yù)報(bào)中長(zhǎng)期來水較大,考慮到調(diào)洪末水位的儲(chǔ)能效益難以充分發(fā)揮,且后期棄水及防洪風(fēng)險(xiǎn)都較大,建議從防洪過程發(fā)電量的角度,按照策略9“溪-烏-白”的運(yùn)用次序,優(yōu)先啟用溪洛渡水庫攔蓄洪水,同時(shí)結(jié)合短期預(yù)報(bào)盡量使四庫泄流能力保持均衡,減小后期防洪調(diào)度中因被動(dòng)滯洪而額外消耗的庫容量?？紤]到金下四庫各電站攔蓄同等洪量下的出力增加值,當(dāng)從汛限水位起調(diào)攔蓄10億m3洪量時(shí),溪洛渡水庫出力受阻改善最快。因此,可使溪洛渡水庫先攔蓄運(yùn)用至570 m,再依次啟用烏東德、白鶴灘水庫攔蓄。

當(dāng)金沙江下游來水較大(大于各庫汛限水位對(duì)應(yīng)的泄流能力約22 000 m3/s)時(shí),由于干流來水較大,對(duì)各水電站機(jī)組出力受阻等情況的改善都較好,不同使用次序下發(fā)電量差異較小,同時(shí)受水庫被動(dòng)滯洪等因素影響,整體規(guī)律性并不明顯;從整體發(fā)電效益來看,采用策略5最有利,采用策略4、9最不利。同時(shí),當(dāng)金沙江下游來水較大時(shí),一方面應(yīng)優(yōu)先考慮防洪調(diào)度的安全性,盡量減少因被動(dòng)滯洪額外消耗的庫容量;另一方面,考慮到金下四庫防洪庫容消耗較多,當(dāng)防洪調(diào)度結(jié)束后,需要及時(shí)降低水庫運(yùn)行水位,為后期再遭遇洪水時(shí)留足防洪庫容,各庫調(diào)洪末水位的儲(chǔ)能量難以充分發(fā)揮,整體棄水風(fēng)險(xiǎn)較大。因此,當(dāng)金沙江下游來水較大時(shí),應(yīng)使烏東德、白鶴灘、溪洛渡按照三庫剩余防洪庫容比例進(jìn)行同步攔蓄,使各庫泄流能力盡量均衡,向家壩用于攔蓄烏白溪三庫攔蓄后的多余洪量和區(qū)間洪量。

5 結(jié) 論

本文對(duì)金下四庫面向川渝河段不同區(qū)域協(xié)同防洪時(shí)的調(diào)度策略展開研究,考慮水庫泄流能力、最小下泄流量等防洪調(diào)度約束,兼顧水電站機(jī)組出力系數(shù)、最大出力限制等發(fā)電效益約束,提出了金下四庫在整體打捆運(yùn)用的基礎(chǔ)上,面向不同來水、不同起調(diào)水位時(shí)的金下四庫協(xié)同防洪的調(diào)度策略,明確了四庫的使用次序及攔蓄方式,可以在確保防洪安全的前提下盡可能地提升四庫發(fā)電效益。主要結(jié)論如下:

(1) 明確了不同調(diào)度策略對(duì)防洪安全及發(fā)電效益的影響。金沙江下游來水較小時(shí),不同調(diào)度策略不影響金下四庫總防洪庫容使用量,在防洪調(diào)度時(shí)可兼顧發(fā)電效益,最多可增加約10.7億kW·h發(fā)電量。金沙江下游來水較大時(shí),受泄流能力約束,不同調(diào)度策略下金下四庫總防洪庫容相差最高達(dá)10億m3,應(yīng)優(yōu)先考慮防洪安全。

(2) 給出了金下四庫面向川渝河段協(xié)同防洪時(shí)的調(diào)度策略。當(dāng)金沙江下游來水小于22 000 m3/s時(shí),若預(yù)報(bào)金沙江下游中長(zhǎng)期來水較大,建議優(yōu)先啟用烏東德水庫攔蓄洪水;若預(yù)報(bào)金沙江下游中長(zhǎng)期來水較小,建議優(yōu)先啟用溪洛渡水庫攔蓄洪水至570 m庫水位,同時(shí)結(jié)合短期預(yù)報(bào)盡量使四庫泄流能力保持均衡。當(dāng)金沙江下游來水大于22 000 m3/s時(shí),建議烏東德、白鶴灘、溪洛渡水庫按照三庫剩余防洪庫容比例進(jìn)行同步攔蓄,使各庫泄流能力盡量均衡。

(3) 為確保金下四庫打捆運(yùn)用的靈活性和可靠性,向家壩水庫應(yīng)預(yù)留約5億m3庫容用于攔蓄烏白溪三庫攔蓄后的多余洪量及溪洛渡-向家壩區(qū)間洪量。同時(shí),為兼顧興利效益,在攔蓄時(shí)金下四庫應(yīng)盡量按照滿發(fā)流量下泄,如遇金沙江下游來水較少且需加大攔蓄的特殊情況時(shí),溪洛渡、向家壩水庫最小下泄流量為2 500 m3/s。