孔祥林 張 沙 肖 雪

(長(zhǎng)江水利委員會(huì)網(wǎng)絡(luò)與信息中心,湖北 武漢 430010)

丹江口水利樞紐是漢江的防洪控制工程,也是南水北調(diào)中線工程的水源地,水電站是華中電網(wǎng)重要的調(diào)頻、調(diào)峰和事故備用電站。目前已建成并運(yùn)用了水庫(kù)調(diào)度與水情自動(dòng)化預(yù)報(bào)系統(tǒng),產(chǎn)生了較大的經(jīng)濟(jì)效益,但在洪水資源化和發(fā)電興利方面還沒(méi)有實(shí)現(xiàn)最大效益化;加之南水北調(diào)中線工程即將建成運(yùn)行,樞紐的興利任務(wù)將會(huì)發(fā)生相應(yīng)的變化,枯水期恒定持續(xù)調(diào)水將是面臨的新課題。因此,丹江口水庫(kù)調(diào)度與水情自動(dòng)化預(yù)報(bào)系統(tǒng)還需要進(jìn)一步完善。

1 水庫(kù)調(diào)度與水情自動(dòng)化預(yù)報(bào)現(xiàn)狀

丹江口水利樞紐是國(guó)內(nèi)最早開(kāi)展水庫(kù)調(diào)度與水情自動(dòng)化預(yù)報(bào)系統(tǒng)研究的工程之一。經(jīng)過(guò)10多年的研究開(kāi)發(fā),目前已建成了丹江口水庫(kù)調(diào)度與水情自動(dòng)化預(yù)報(bào)系統(tǒng)。該系統(tǒng)主要由以下部分組成。

(1)洪水預(yù)報(bào)模型子系統(tǒng)。根據(jù)丹江口水庫(kù)流域水文地理、氣象特征,按分塊流域分別應(yīng)用蓄滿產(chǎn)流和API等模型,利用地貌瞬時(shí)單位線、馬斯京根法和合成流量法,研制了考慮上游水利工程影響的入庫(kù)洪水計(jì)算方法,建立了洪水預(yù)報(bào)模型庫(kù),實(shí)現(xiàn)了預(yù)報(bào)殘差自適應(yīng)實(shí)時(shí)校正技術(shù)、實(shí)時(shí)洪水預(yù)報(bào)綜合修正技術(shù),開(kāi)發(fā)了基于圖形界面的實(shí)時(shí)交互綜合修正、模擬降雨預(yù)報(bào)等交互式標(biāo)準(zhǔn)功能模塊。主要有:經(jīng)驗(yàn)產(chǎn)流洪水預(yù)報(bào)模型、蓄滿產(chǎn)流洪水預(yù)報(bào)模型、流量合成洪水預(yù)報(bào)模型、庫(kù)周區(qū)地貌單位線匯流模型、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)洪水預(yù)報(bào)模型。

(2)洪水調(diào)度模型子系統(tǒng)。研發(fā)了常規(guī)經(jīng)驗(yàn)調(diào)度、優(yōu)化調(diào)度、預(yù)報(bào)預(yù)泄調(diào)度、閘門控制調(diào)度等水庫(kù)洪水調(diào)度模型,建立了丹江口水庫(kù)洪水調(diào)度模型庫(kù),實(shí)現(xiàn)了模型與經(jīng)驗(yàn)有機(jī)結(jié)合的洪水調(diào)度決策技術(shù)和多階段多目標(biāo)調(diào)度方案優(yōu)選技術(shù)。用戶可依據(jù)不同的約束條件生成洪水調(diào)度方案,通過(guò)人機(jī)交互方式,靈活多樣、直觀方便地實(shí)現(xiàn)洪水模擬仿真、多方案優(yōu)選,為會(huì)商決策提供技術(shù)支持。主要有:常規(guī)經(jīng)驗(yàn)調(diào)度、優(yōu)化調(diào)度、預(yù)報(bào)預(yù)泄調(diào)度、閘門控制調(diào)度、補(bǔ)償調(diào)度模型。

(3)興利調(diào)度模型子系統(tǒng)。研發(fā)了發(fā)電優(yōu)化調(diào)度和綜合興利調(diào)度等模塊,建立了丹江口水庫(kù)興利調(diào)度模型庫(kù);用戶可選擇不同的邊界條件進(jìn)行年、季、月、旬發(fā)電調(diào)度計(jì)劃編制和分析計(jì)算,有利于提高電站運(yùn)行的經(jīng)濟(jì)效益。主要有:多種發(fā)電、灌溉的常規(guī)、優(yōu)化和交互式調(diào)度模型,短、中、長(zhǎng)期發(fā)電計(jì)劃編制功能模塊。

(4)信息采集傳輸子系統(tǒng)。開(kāi)發(fā)了基于主動(dòng)數(shù)據(jù)庫(kù)的容錯(cuò)、傳遞、校正與預(yù)警技術(shù),集成洪水調(diào)度模型的數(shù)據(jù)庫(kù)方法。主要包括水文電報(bào)自動(dòng)接收、翻譯、存儲(chǔ),遙測(cè)自動(dòng)收集110個(gè)雨量站和56個(gè)水文(水位)站的水雨情,超短波、衛(wèi)星傳輸信息,自動(dòng)解碼與數(shù)據(jù)核查、濾錯(cuò),水雨情動(dòng)態(tài)監(jiān)視與報(bào)警,數(shù)據(jù)上傳、下載等功能模塊。

(5)數(shù)據(jù)庫(kù)管理及信息服務(wù)子系統(tǒng)。應(yīng)用分布式數(shù)據(jù)庫(kù)與主動(dòng)數(shù)據(jù)庫(kù)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)庫(kù)系統(tǒng)、業(yè)務(wù)系統(tǒng)的無(wú)縫集成,統(tǒng)一數(shù)據(jù)管理與基礎(chǔ)資料整編,實(shí)現(xiàn)不同層次的數(shù)據(jù)共享與基于 Internet和 Intranet的信息發(fā)布。主要包括水雨情數(shù)據(jù)處理、水雨情數(shù)據(jù)查詢、水雨情數(shù)據(jù)報(bào)表、數(shù)據(jù)圖形查詢等功能模塊。

1992年庫(kù)周邊區(qū)水情自動(dòng)遙測(cè)系統(tǒng)投入運(yùn)行,與氣象預(yù)報(bào)系統(tǒng)、水情信息實(shí)時(shí)處理系統(tǒng)、洪水預(yù)報(bào)調(diào)度系統(tǒng)集成為水庫(kù)調(diào)度自動(dòng)化系統(tǒng),2000年,在原有系統(tǒng)的基礎(chǔ)上升級(jí)為現(xiàn)在的丹江口水庫(kù)調(diào)度決策自動(dòng)化系統(tǒng)。

該系統(tǒng)功能強(qiáng)、復(fù)雜程度高,在水庫(kù)調(diào)度決策集成、開(kāi)放性和擴(kuò)展性、以業(yè)務(wù)為中心的協(xié)同工作環(huán)境、管理模塊等方面具有創(chuàng)新。在流域氣象預(yù)報(bào)、洪水預(yù)報(bào)方案研制、水庫(kù)調(diào)度模型、數(shù)據(jù)遠(yuǎn)程實(shí)時(shí)傳輸?shù)确矫婢哂忻黠@特色。經(jīng)過(guò)幾年的穩(wěn)定運(yùn)行,在防汛和發(fā)電等方面已經(jīng)取得了顯著的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益。多年平均節(jié)水增發(fā)電量為2.058億kW?h。其中,2000年,發(fā)生7場(chǎng)洪水,平均洪峰預(yù)報(bào)精度為91.1%,平均洪量預(yù)報(bào)精度為 93.9%,水量利用率為91.4%,節(jié)水增發(fā)電量為 4.469億 kW?h。

2 存在的問(wèn)題

(1)洪水資源最大化。目前,丹江口水利樞紐的調(diào)度方式對(duì)洪水資源化的利用還不夠完善,還沒(méi)有實(shí)現(xiàn)洪水資源最大化?，F(xiàn)行的調(diào)度方式使水庫(kù)運(yùn)行豐枯不均,洪峰來(lái)時(shí)大流量泄洪,洪峰過(guò)后陷入低水位或發(fā)電死水位以下,這樣既浪費(fèi)了大量的水資源,也對(duì)漢江流域生態(tài)環(huán)境帶來(lái)較大的不利影響。分析1998～2007年丹江口水庫(kù)入庫(kù)水量、出庫(kù)水量和棄水量的資料,可以看出,10a間丹江口水庫(kù)入庫(kù)水量為 3036.40億 m3,年均入庫(kù)水量為 303.64億m3,但同期泄洪棄水量高達(dá) 348.378億 m3,即有近1 a的漢江水量被白白地浪費(fèi)掉了。因此,實(shí)現(xiàn)丹江口水利樞紐洪水資源最大化非常必要。

(2)發(fā)電效益最大化。目前,丹江口水利樞紐發(fā)電調(diào)度主要是針對(duì)樞紐本身,雖然已產(chǎn)生了較大的經(jīng)濟(jì)效益,但是,對(duì)分布在漢江干支流上且具有相關(guān)水文關(guān)系的水電站群進(jìn)行發(fā)電聯(lián)合調(diào)度將會(huì)產(chǎn)生更大的經(jīng)濟(jì)效益。

(3)滿足枯水期恒定持續(xù)調(diào)水。目前,丹江口水利樞紐主要是進(jìn)行防洪調(diào)度和發(fā)電調(diào)度,南水北調(diào)中線工程即將建成運(yùn)行,枯水期恒定持續(xù)調(diào)水是面臨的新課題,要及早進(jìn)行研究。

3 完善方案

3.1 水庫(kù)群洪水資源化自動(dòng)聯(lián)合調(diào)度

在丹江口水利樞紐上游的漢江干支流上已建成多座梯級(jí)水庫(kù),包括石泉、安康、喜河、蜀河(2004年11月開(kāi)工,2010年建成)水電站,規(guī)劃建設(shè)的水電站有孤山子,而且還建有許多小型子水庫(kù),在南水北調(diào)中線水源區(qū)形成了一個(gè)龐大的水庫(kù)群。如果把水源區(qū)的水庫(kù)群作為一個(gè)整體系統(tǒng)來(lái)進(jìn)行聯(lián)合洪水調(diào)度,南水北調(diào)中線工程就可以發(fā)揮巨大的效益,也是對(duì)洪水實(shí)行資源化管理的最優(yōu)措施。

另一方面,丹江口水庫(kù)本身也存在洪水資源化調(diào)度優(yōu)化空間。每當(dāng)水庫(kù)大量棄水后,往往第2年庫(kù)水位就維持在低水位運(yùn)行。1998～2007年,僅2005年水庫(kù)最低水位略高于死水位,其他 9 a最低水位均處于死水位以下。從各年度水情曲線的分析來(lái)看,除2000年7月22日水庫(kù)最高水位達(dá)到152m外,其他年份均低于150m。在7月20日 ～8月20日時(shí)間段,壩前庫(kù)水位均低于155 m;在 8月20日～9月 30日時(shí)間段,除2003年 9月10日庫(kù)水位達(dá)到156 m外,其余時(shí)間段均低于156 m。因此,合理確定汛限水位也是實(shí)現(xiàn)洪水資源最大化的有效手段。

對(duì)丹江口水利樞紐及上游的水庫(kù)群實(shí)施洪水資源化聯(lián)合調(diào)度,就是對(duì)水源區(qū)內(nèi)與丹江口水庫(kù)有水文關(guān)系的水庫(kù),在不降低水庫(kù)防洪標(biāo)準(zhǔn)的前提下,綜合運(yùn)用現(xiàn)代控制論、運(yùn)籌學(xué)、決策理論和系統(tǒng)工程等優(yōu)化理論,結(jié)合現(xiàn)代氣象、水文預(yù)報(bào),以基于數(shù)學(xué)規(guī)劃論的動(dòng)態(tài)規(guī)劃或隨機(jī)動(dòng)態(tài)規(guī)劃法,通過(guò)擇優(yōu)計(jì)算編制水庫(kù)優(yōu)化調(diào)度圖及優(yōu)化調(diào)度方案,使水源區(qū)的水庫(kù)群在保持一定安全度的前提下,通過(guò)在時(shí)空上合理分配水量,將絕大部分洪水,以丹江口水利樞紐為中心,合理地分配攔蓄在各個(gè)水庫(kù)中,以達(dá)到防洪錯(cuò)峰、盡可能擴(kuò)大蓄水興利之目的。

而在水源區(qū),由于區(qū)域面積較大,干流河段距離較長(zhǎng),使得水庫(kù)群中的各水庫(kù)發(fā)生洪水的同步程度和傳播時(shí)間存在差異,為水源區(qū)的水庫(kù)群聯(lián)合調(diào)洪,提高下游地區(qū)防洪能力和實(shí)現(xiàn)洪水資源最大化提供了可能條件。應(yīng)以具有最大庫(kù)容的丹江口水利樞紐為中心進(jìn)行水源區(qū)水庫(kù)群洪水資源化聯(lián)合調(diào)度。

在丹江口水利樞紐初期工程運(yùn)行期間,干流梯級(jí)水庫(kù)間的洪水聯(lián)合調(diào)度運(yùn)用得不多,但與支流上黃龍灘子水庫(kù)聯(lián)合調(diào)度次數(shù)較多,且效果也不錯(cuò)。

水源區(qū)水庫(kù)群洪水資源化聯(lián)合調(diào)度不等同于水庫(kù)防洪調(diào)度,它不是被動(dòng)地防御洪水,而是兼顧防洪和興利效益,利用現(xiàn)代科技手段,突破設(shè)計(jì)中的部分防洪調(diào)度參數(shù)和規(guī)則,將防洪和興利相結(jié)合進(jìn)行調(diào)度。不降低水庫(kù)原有的防洪標(biāo)準(zhǔn)、棄水最少,是評(píng)價(jià)水庫(kù)群洪水資源化聯(lián)合調(diào)度是否可行的唯一準(zhǔn)則。

3.2 枯水期供水自動(dòng)化聯(lián)合調(diào)度

水源區(qū)供水聯(lián)合調(diào)度是指當(dāng)?shù)そ谒畮?kù)的水位不能滿足調(diào)水要求時(shí),需要從上游水庫(kù)群進(jìn)行聯(lián)合調(diào)水,以滿足丹江口水庫(kù)的調(diào)水需要。供水聯(lián)合調(diào)度一般僅發(fā)生在枯水期,故也可稱為枯水期供水聯(lián)合調(diào)度。中線調(diào)水是丹江口水利樞紐承擔(dān)的一項(xiàng)重要任務(wù),盡力滿足北方的供水需求,特別是在北方正值缺水的枯水期,是實(shí)施枯水期聯(lián)合調(diào)度的目的。

聯(lián)合調(diào)水應(yīng)在上游水庫(kù)能夠滿足當(dāng)?shù)毓┧臈l件下進(jìn)行,同時(shí)還應(yīng)考慮水庫(kù)中的水量和近期的降水情況。

3.3 發(fā)電聯(lián)合優(yōu)化調(diào)度

發(fā)電聯(lián)合調(diào)度是在丹江口水庫(kù)滿足防洪和供水的情況下進(jìn)行。已知各水庫(kù)的入流過(guò)程及綜合利用要求,以及水庫(kù)承擔(dān)的興利任務(wù)與調(diào)度規(guī)則,有計(jì)劃地對(duì)天然匯入各水庫(kù)的流量進(jìn)行蓄泄,制定出水電站及其水庫(kù)優(yōu)化運(yùn)行調(diào)度計(jì)劃。

水庫(kù)群發(fā)電自動(dòng)聯(lián)合調(diào)度分為長(zhǎng)、中、短期調(diào)度。長(zhǎng)期調(diào)度是將較長(zhǎng)時(shí)期(1 a)的有限輸入優(yōu)化分配到較短時(shí)段(月或旬);中期調(diào)度是以日為時(shí)段,制定未來(lái)一段時(shí)期內(nèi)的發(fā)電計(jì)劃;短期調(diào)度是根據(jù)中期運(yùn)行調(diào)度,結(jié)合電網(wǎng)的實(shí)際負(fù)荷需求,制定日內(nèi)各計(jì)算時(shí)段(1 h或15 min)電站的預(yù)計(jì)出力。

確定網(wǎng)內(nèi)水電站群在全年各時(shí)段的優(yōu)化運(yùn)行策略(或優(yōu)化運(yùn)行方式),要統(tǒng)一考慮水電站水庫(kù)彼此間的水力聯(lián)系和電力聯(lián)系;利用各水庫(kù)調(diào)節(jié)性能差異和水文不同步性進(jìn)行庫(kù)容和電力補(bǔ)償調(diào)節(jié),以充分發(fā)揮庫(kù)群的總體效益;以水源區(qū)電站群多年運(yùn)行的總效益(總發(fā)電量或總電力產(chǎn)值)最大為優(yōu)化目標(biāo);必須滿足電網(wǎng)對(duì)水電站群運(yùn)行的經(jīng)濟(jì)性與可靠性要求;進(jìn)行電力系統(tǒng)日負(fù)荷圖上的電力電量平衡,以保證每座電站的工作容量能得到充分利用;采用“分解協(xié)調(diào)法”、按“偏優(yōu)損失最小”原則確定每座水電站水庫(kù)的時(shí)段運(yùn)行決策;由于水源區(qū)水庫(kù)群中水庫(kù)數(shù)量較多,聯(lián)合調(diào)度優(yōu)化時(shí),可采用隨機(jī)優(yōu)化多維時(shí)空相關(guān)理論和余留效益統(tǒng)計(jì)迭代模型與算法進(jìn)行求解,并繪制水電站群的優(yōu)化調(diào)度圖。

尋求在滿足電力系統(tǒng)給定總負(fù)荷及其他約束條件下的梯級(jí)電站群整體最優(yōu)聯(lián)合調(diào)度,要考慮各梯級(jí)電站間的水頭、流量具有密切聯(lián)系的特點(diǎn);計(jì)入上下級(jí)電站區(qū)間徑流的補(bǔ)充或扣損以及水流傳播時(shí)間;分析兩相鄰梯級(jí)電站間水頭銜接程度和下一級(jí)庫(kù)水位波動(dòng)對(duì)上一級(jí)電站水頭變化的影響(這種情況在丹江口水利樞紐二期工程后比較常見(jiàn));以全梯級(jí)電站年發(fā)電量最多或總體電能價(jià)值最大為優(yōu)化目標(biāo);充分利用短、中、長(zhǎng)期水文、氣象預(yù)報(bào),選擇庫(kù)容最大、調(diào)節(jié)性能最好的“龍頭電站”作為補(bǔ)償水庫(kù),并列為重點(diǎn)優(yōu)化計(jì)算目標(biāo);處于同一條河流、同一電網(wǎng)且數(shù)目較多的梯級(jí)電站,可采取當(dāng)作一個(gè)純水電系統(tǒng),把求解目標(biāo)化簡(jiǎn)或合并水頭的方法處理;采用計(jì)入徑流的時(shí)間、空間相關(guān)關(guān)系,建立優(yōu)化調(diào)度數(shù)學(xué)模型,應(yīng)用隨機(jī)動(dòng)態(tài)規(guī)劃、增量動(dòng)態(tài)規(guī)劃或多層次、多目標(biāo)規(guī)劃法求解,得出各時(shí)段梯級(jí)電站整體最優(yōu)運(yùn)行方式;庫(kù)群聯(lián)合優(yōu)化調(diào)度,其增發(fā)電效益比單站獨(dú)立調(diào)度更為顯著。

4 結(jié) 語(yǔ)

丹江口水庫(kù)調(diào)度與水情自動(dòng)化預(yù)報(bào)系統(tǒng),雖然得到了良好的運(yùn)用,并產(chǎn)生了較大的經(jīng)濟(jì)效益,但在洪水資源化和發(fā)電興利方面還沒(méi)有實(shí)現(xiàn)最大效益化;加之南水北調(diào)中線工程即將建成運(yùn)行,樞紐的興利任務(wù)將會(huì)發(fā)生相應(yīng)的變化,枯水期恒定持續(xù)調(diào)水將是面臨的新課題。因此,丹江口水庫(kù)調(diào)度與水情自動(dòng)化預(yù)報(bào)系統(tǒng)還需要進(jìn)一步完善。

根據(jù)漢江水系中水庫(kù)的分布和各水庫(kù)之間的水文關(guān)系,建立以丹江口水利樞紐為中心的水庫(kù)群洪水資源化自動(dòng)聯(lián)合調(diào)度、枯水期供水自動(dòng)化聯(lián)合調(diào)度、發(fā)電聯(lián)合優(yōu)化調(diào)度,具有合理性和可操作性,應(yīng)該是可以實(shí)現(xiàn)的。

[1]劉 攀,肖 義,李 瑋,等.水庫(kù)洪水資源化調(diào)度初探[J].石河子大學(xué)學(xué)報(bào),2006,(1):9-14.

[2]郭生練.水庫(kù)調(diào)度綜合自動(dòng)化系統(tǒng)[M].武漢:武漢水利電力大學(xué)出版社,2000.