何 勇

(華電電力科學研究院有限公司，杭州 310030)

0 引 言

我國作為世界上水能資源蘊藏量最為豐富的國家之一，近年來水電產業(yè)的發(fā)展取得了長足進步，隨著國內各流域水電站的逐步建成，如何合理安排梯級水電站的運行方式，在確保安全的前提下減少棄水，充分利用水資源，是提升水電站調度運營水平的關鍵。水電站水庫棄水風險大小與其調節(jié)性能直接相關，當汛期來水較多時，調節(jié)性能較好的水庫能夠利用自身調節(jié)庫容，一般棄水較少或者不棄水，而調節(jié)性能較差的水庫調節(jié)庫容十分有限，棄水次數和棄水量也較多[1-3]，這就需要各庫適時預泄騰庫，充分利用調節(jié)性能較好水庫的調蓄能力，協(xié)調不同調節(jié)性能水庫之間的匹配運行，最大程度減少棄水，提升水資源利用率。

棄水是汛期水庫調度中關注的重要指標，當前已經有越來越多的學者開始研究如何通過定量控制水位和運行方式來減少棄水的問題，并形成了重要的研究成果，但現有成果一方面圍繞單庫[4-6]，另一方面梯級成果少有提出簡便普適性的方法[7-9]，其中文獻[7]研究了構皮灘、思林兩庫常遇洪水下的聯(lián)合預泄調度方式，但未全面覆蓋整個烏江梯級，同時前提條件設置較多。本文以充分利用調節(jié)性能較好水庫的調蓄能力為原則，研究提出以整體棄水風險最小為目標的梯級水庫棄水風險控制方法，并應用于烏江梯級水庫，考慮常遇洪水區(qū)間分布情況，計算梯級水庫起調水位和運行方式相關控制指標，以提升水資源利用率、增加梯級水電站經濟效益。

1 梯級水庫棄水風險控制方法

1.1 棄水風險概述

棄水風險可以理解為在具備一定可靠性的洪水預報條件下，水庫在起調水位和某種運行方式下，未來一段時間內產生的棄水量。就單一水庫而言，棄水風險除與調節(jié)性能有關外，還與其庫水位和運行方式存在密切聯(lián)系，庫水位越高，發(fā)電流量越少，則對應的棄水風險越大，庫水位越低，發(fā)電流量越大，棄水風險也就越小。對于梯級水庫，某庫的棄水風險還與其上游水庫的水位和運行方式有關[10-12]。

棄水風險公式表示如下：

(1)

式中：R為棄水風險，億m3；i為水庫編號；N為水庫總數；f(·)為棄水風險描述函數；Wi,flood為水庫i的區(qū)間洪量，億m3；Zi,0為水庫i起調水位，m；Wi,e為水庫i對應電站發(fā)電水量，億m3；Zi,up為水庫i上游水庫水位，m；Wi,up為水庫i上游電站出庫水量，億m3。

根據預泄調度[13-15]的思想，在制定梯級水庫(特別是調節(jié)性能較好的水庫)的合理起調水位范圍，以及洪水期間的聯(lián)合運行方式，對降低梯級水庫棄水風險具有重要意義。

1.2 梯級水庫棄水風險控制策略

結合梯級水庫調度實際情況，本文將降低梯級棄水風險的控制策略總結如下：

(1)當調節(jié)性能較好水庫的區(qū)間遭遇洪水時，通過本庫調蓄能力降低棄水風險；當調節(jié)性能較差水庫的區(qū)間遭遇洪水時，除利用本庫有限的調蓄能力外，更多依靠上游調節(jié)性能較好水庫的調蓄能力降低棄水風險。

(2)水庫對應電站的發(fā)電運行方式由入庫水量確定：當入庫水量大于等于電站滿發(fā)水量時，按照滿發(fā)方式運行；當入庫水量小于電站滿發(fā)水量時，按照來水發(fā)電運行。

(3)根據洪水資源化利用的原則，洪水后期使水庫蓄至較高水位，由水量平衡推算水庫起調水位，并與死水位比較：當起調水位大于等于死水位時，說明水庫能夠抵御區(qū)間來水，不棄水；當起調水位小于死水位時，說明水庫無法抵御區(qū)間來水，將產生棄水，只能從死水位起調。

(4)當水庫產生棄水時，調整原則是逐級減小上游出庫水量，即調整上游水庫運行方式，最大程度減小本庫棄水，直至上游水庫已無調整空間(如上游電站發(fā)電水量為零)。

(5)按照梯級棄水總量一定情況下，下游優(yōu)先棄水的原則，若某水庫棄水且未滿發(fā)時，需加大該庫對應電站發(fā)電水量，將自身棄水量轉移至下游調節(jié)性能較差水庫。

(6)自上而下逐級調整后得出的梯級各庫起調水位、相應的余留庫容、洪水期發(fā)電水量及棄水量即為確保梯級水庫棄水風險較小的控制指標，可為梯級聯(lián)合調度運行方式提供參考。

1.3 計算步驟

本文以七日洪量表示洪水特征，在此條件下研究梯級水庫棄水風險控制策略的求解方法，該方法主要通過迭代計算的方式求出各風險控制指標的合理范圍，具體計算步驟如下。

(1)令i=1，由第一級水庫開始計算。

(2)判定水庫i是否為第一級水庫：若是第一級水庫，令水庫i上游七日出庫水量Wi,up為0；否則，令水庫i上游七日出庫水量等于上游水庫i-1對應電站七日發(fā)電水量，即Wi,up=Wi-1,e。

(3)計算水庫i上游七日出庫水量與水庫i七日區(qū)間水量之和(Wi,up+Wi,flood)，與其對應電站的七日特定滿發(fā)運行方式下的發(fā)電水量Wi,full比較，確定其實際發(fā)電水量Wi,e：若(Wi,up+Wi,flood)≤Wi,full，水庫i對應電站的七日發(fā)電方式為按入庫水量發(fā)電；否則，水庫i對應電站的七日發(fā)電方式為特定滿發(fā)運行方式。需注意龍頭電站汛期多停機蓄水。

(4)令水庫i七日末水位為汛限水位Zi,l，對應庫容Vi,T=Vi,l。

(5)由水庫i七日區(qū)間水量Wi,flood、水庫i對應電站的七日發(fā)電水量Wi,e、上游水庫七日出庫水量Wi,up，推算起調水位Zi,0(對應庫容Vi,0)，Vi,0=Vi,T-Wi,up-Wi,flood+Wi,e。

(6)對比Zi,0與死水位Zi,d的大?。喝鬦i,0

(7)令水庫i起調水位為死水位Zi,0=Zi,d，對應庫容Vi,0=Vi,d。

(8)計算水庫i七日棄水量Wi,q=Vi,0+Wi,up+Wi,flood-Wi,e-Vi,T。

(9)調整水庫i的上游七日出庫水量Wi,up=Vi,T-Vi,0-Wi,flood+Wi,e+Wi,q，令水庫i七日棄水量Wi,q=0，判斷Wi,up是否小于0：若Wi,up<0，轉向(10)；否則轉向(11)。

(10)令Wi,up=0，重新計算水庫i七日棄水量Wi,q=Vi,0+Wi,up+Wi,flood-Wi,e-Vi,T。

(11)比較Wi,e與Wi,full：若Wi,e

(12)計算所得的Zi,0為水庫i起調水位，Wi,e為水庫i對應電站較優(yōu)運行方式下的發(fā)電水量，若還有水庫未計算完畢，則令i=i+1，轉向(2)；若全部水庫均已計算完畢，轉向(13)。

(13)確定梯級水庫的匹配運行方式，相應的各水庫起調水位和運行方式能夠滿足較小梯級棄水風險的控制目標，計算結束。

符號說明：i為水庫編號；N為水庫總數；Wi,e為水庫i對應電站的七日發(fā)電水量，億m3；Wi,up為水庫i上游七日出庫水量，億m3；Wi,flood為水庫i七日區(qū)間水量，億m3；Wi,full為水庫i對應電站的七日特定滿發(fā)運行方式下的發(fā)電水量，億m3；Zi,l為水庫i的汛限水位，m；Vi,l為水庫i汛限水位對應庫容，億m3；Vi,T為水庫i七日末庫容，億m3；Zi,0為水庫i起調水位，m；Vi,0為水庫i起調水位對應庫容，億m3；Zi,d為水庫i死水位，m；Vi,d為水庫i死庫容，億m3；Wi,q為水庫i七日棄水量，億m3。

2 算例分析

2.1 研究對象概況

烏江干流梯級電站總裝機8 345 MW，烏江干流梯級水庫主要參數見表1，梯級拓撲結構見圖2。

由于索風營、思林、沙沱是日調節(jié)水庫，在各自區(qū)間遭遇洪水時，較烏江梯級其他水庫面臨更大的棄水風險，文獻[1]也證明了在長系列梯級模擬調度中，東風、索風營、思林、沙沱是主要發(fā)生棄水的四座水庫。因此，本文有針對性地研究當洪東、東索、構思、思沙四個區(qū)間遭遇常遇洪水時，如何通過預泄騰庫和聯(lián)合運行的方法[16]對梯級棄水風險指標進行合理有效控制。

圖1 梯級水庫棄水風險控制策略求解流程圖Fig.1 Calculating flow chart of cascade reservoirs surplus water risk control strategy

2.2 常遇洪水過程選取

為使計算結果所依據的洪水更接近于實際，選取2014年7月1日-2014年7月7日和2015年6月6日-2015年6月12日發(fā)生的兩場洪水過程：2014年7月1日-2014年7月7日洪水為構思區(qū)間、思沙區(qū)間同時遭遇20%頻率洪水，其他區(qū)間洪水頻率均大于50%，2015年6月6日-2015年6月12日洪水為洪東區(qū)間、東索區(qū)間同時遭遇20%頻率洪水，其他區(qū)間洪水頻率均大于50%。在實際洪水基礎上，根據梯級各區(qū)間設計洪水進行局部區(qū)間洪水過程的同倍比放大縮小，分別計算洪東、東索、構思、思沙四個區(qū)間遭遇20%、10%、5%三種頻率常遇洪水時所有組合情況下的梯級棄水風險指標控制結果。兩場洪水局部區(qū)間調整后的相關信息見表2和表3。

表1 烏江干流梯級水庫主要參數Tab.1 Main parameters of cascade reservoirs located on the Wujiang River

圖2 烏江干流梯級水庫拓撲圖Fig.2 Topological graph of cascade reservoirs located on the Wujiang River

由表2和表3可知，調整后的2014年7月1日-2014年7月7日洪水可研究構皮灘以下思林、沙沱遭遇常遇洪水時，如何通過利用構皮灘調蓄能力，并結合思林、沙沱調節(jié)庫容和運行方式，降低梯級棄水風險；調整后的2015年6月6日-2015年6月12日洪水可研究東風、索風營遭遇常遇洪水時，如何通過利用東風調蓄能力，并結合索風營調節(jié)庫容和運行方式，降低梯級棄水風險。

表2 局部區(qū)間調整后的2014.7.1-2014.7.7洪水信息Tab.2 Information of the flood whose partial region adjusted from July 1st,2014 to July 7th,2014

表3 局部區(qū)間調整后的2015.6.6-2015.6.12洪水信息Tab.3 Information of the flood whose partial region adjusted from June 6th,2015 to June 12th,2015

2.3 計算結果分析

按照烏江梯級水庫調度實際情況，汛期除龍頭電站停機蓄水外，其余電站按照特定的滿發(fā)方式運行，這里特定的滿發(fā)運行方式包含高峰時段滿發(fā)和全時段滿發(fā)兩種，其中高峰時段是指一天中除去夜晚8 h負荷低谷外(水電不發(fā)電)，剩余的16 h滿發(fā)時段。本文遵循以上原則，計算棄水風險控制指標。

2.3.1 構皮灘以下棄水風險控制計算結果分析

依據局部區(qū)間調整后的2014年7月1日-2014年7月7日洪水過程，結合烏江梯級調度實際情況迭代計算，可得到構皮灘以下構思和思沙區(qū)間同時遭遇、構思區(qū)間遭遇、思沙區(qū)間遭遇常遇洪水時的梯級棄水風險控制指標計算結果，見表4-表6和圖3。

由表4可知，構思、思沙區(qū)間同時遭遇常遇洪水時的控制方式為：①遭遇20%頻率洪水時，在允許的特定滿發(fā)運行方式條件下，構皮灘起調水位范圍[618.32 m，622.36 m]，對應七日發(fā)電水量范圍[1.28 億m3，5.23 億m3]，思林七日發(fā)電水量范圍[4.28 億m3，8.24 億m3]，沙沱滿發(fā)；②遭遇10%頻率洪水時，在允許的特定滿發(fā)運行方式條件下，構皮灘起調水位范圍[616.6 m，618.69 m]，對應七日發(fā)電水量范圍[0，2.51 億m3]，思林七日發(fā)電水量范圍[2.94 億m3，6.9 億m3]，沙沱滿發(fā)；③遭遇5%頻率洪水時，在允許高峰時段滿發(fā)和全時段滿發(fā)兩種條件下，構皮灘起調水位分別為616.15 m和616.6 m，對應的七日發(fā)電水量為0和0.61 億m3，思林七日發(fā)電水量為5.34 億m3和5.95 億m3，沙沱滿發(fā)，其中允許高峰時段滿發(fā)時，沙沱棄水3.35 億m3。

表4 構思、思沙區(qū)間同時遭遇常遇洪水時的梯級棄水風險控制指標計算結果Tab.4 Calculation of cascade reservoirs surplus water risk control indexes when Goupitan-Silin region and Silin-Shatuo region encounter frequent flood simultaneously

表5 構思區(qū)間遭遇常遇洪水時的梯級棄水風險控制指標計算結果Tab.5 Calculation of cascade reservoirs surplus water risk control indexes when Goupitan-Silin region encounters frequent flood

表6 思沙區(qū)間遭遇常遇洪水時的梯級棄水風險控制指標計算結果Tab.6 Calculation of cascade reservoirs surplus water risk control indexes when Silin-shatuo region encounters frequent flood

注：允許高峰時段滿發(fā)條件下，構皮灘七日滿發(fā)水量7.7 億m3，思林七日滿發(fā)水量7.15 億m3，沙沱七日滿發(fā)水量7.91 億m3；允許全時段滿發(fā)條件下，構皮灘七日滿發(fā)水量11.55 億m3，思林七日滿發(fā)水量10.72 億m3，沙沱七日滿發(fā)水量11.86 億m3。

由表5可知，構思區(qū)間遭遇常遇洪水時的控制方式為：①遭遇20%頻率洪水時，在允許的特定滿發(fā)運行方式條件下，構皮灘起調水位范圍[619.71 m，623.75 m]，對應七日發(fā)電水量范圍[2.31 億m3，6.27 億m3]，思林七日發(fā)電水量范圍[5.32 億m3，9.27 億m3]，沙沱滿發(fā)；②遭遇10%頻率洪水時，在允許的特定滿發(fā)運行方式條件下，構皮灘起調水位范圍[617.85 m，621.89 m]，對應七日發(fā)電水量范圍[0.93 億m3，4.88 億m3]，思林七日發(fā)電水量范圍[5.32 億m3，9.27 億m3]，沙沱滿發(fā)；③遭遇5%頻率洪水時，在允許的特定滿發(fā)運行方式條件下，構皮灘起調水位范圍[616.6 m，620.6 m]，對應七日發(fā)電水量范圍[0，3.93 億m3]，思林七日發(fā)電水量范圍[5.34 億m3，9.27 億m3]，沙沱滿發(fā)，其中允許高峰時段滿發(fā)時，沙沱棄水0.03 億m3。

由表6可知，思沙區(qū)間遭遇常遇洪水時的控制方式為：①遭遇20%頻率洪水時，在允許的特定滿發(fā)運行方式條件下，構皮灘起調水位范圍[619.69 m，623.73 m]，對應七日發(fā)電水量范圍[2.3 億m3，6.25 億m3]，思林七日發(fā)電水量范圍[4.28 億m3，8.24 億m3]，沙沱滿發(fā)；②遭遇10%頻率洪水時，在允許的特定滿發(fā)運行方式條件下，構皮灘起調水位范圍[617.89 m，621.93 m]，對應七日發(fā)電水量范圍[0.96 億m3，4.91 億m3]，思林七日發(fā)電水量范圍[2.94 億m3，6.9 億m3]，沙沱滿發(fā)；③遭遇5%頻率洪水時，在允許的特定滿發(fā)運行方式條件下，構皮灘起調水位范圍[616.62 m，620.65 m]，對應七日發(fā)電水量范圍[0.01 億m3，3.96 億m3]，思林七日發(fā)電水量范圍[2 億m3，5.95 億m3]，沙沱滿發(fā)。

綜上，若構皮灘以下遭遇常遇洪水時，可通過構皮灘調蓄并減小出庫，思林、沙沱充分利用自身有限調節(jié)庫容(由死水位起調)，洪水期間思林按來水發(fā)電，沙沱滿發(fā)的方式，有效降低梯級棄水風險，在此控制方式下，僅當構思、思沙區(qū)間同時遭遇和構思區(qū)間遭遇5%頻率洪水時，由于發(fā)電方式限制造成沙沱一定量的棄水，其余情況下梯級均不棄水。

圖3 構皮灘以下遭遇常遇洪水時梯級棄水風險控制指標計算結果示意圖Fig.3 Calculation chart of cascade reservoirs surplus water risk control indexes when the downstream region of Goupitan encounters frequent flood

2.3.2 索風營以上棄水風險控制計算結果分析

同理，依據局部區(qū)間調整后的2015年6月6日-2015年6月12日洪水過程，結合烏江梯級調度實際情況迭代計算，可得到索風營以上洪東和東索區(qū)間同時遭遇、洪東區(qū)間遭遇、東索區(qū)間遭遇常遇洪水時的梯級棄水風險控制指標計算結果，見表7-表9和圖4。

表9 東索區(qū)間遭遇常遇洪水時的梯級棄水風險控制指標計算結果Tab.9 Calculation of cascade reservoirs surplus water risk control indexes when Dongfeng-Suofengying region encounters frequent flood

注：允許高峰時段滿發(fā)條件下，東風七日滿發(fā)水量2.55 億m3，索風營七日滿發(fā)水量7.15 億m3；允許全時段滿發(fā)條件下，東風七日滿發(fā)水量3.82 億m3，索風營七日滿發(fā)水量6.01 億m3。

圖4 索風營以上遭遇常遇洪水時梯級棄水風險控制指標計算結果示意圖Fig.4 Calculation chart of cascade reservoirs surplus water risk control indexes when the upstream region of Suofengying encounters frequent flood

由表7可知，洪東、東索區(qū)間同時遭遇常遇洪水的控制方式為：①遭遇20%頻率洪水時，在允許的特定滿發(fā)運行方式條件下，東風起調水位范圍[957.42 m，969.23 m]，對應七日發(fā)電水量范圍[1.37 億m3，3.37 億m3]，索風營滿發(fā)；②遭遇10%頻率洪水時，在允許的特定滿發(fā)運行方式條件下，東風起調水位范圍[950 m，959.62 m]，對應七日發(fā)電水量范圍[0.92 億m3，2.33 億m3]，索風營滿發(fā)，其中允許高峰時段滿發(fā)時，索風營棄水0.59 億m3；③遭遇5%頻率洪水時，在允許的特定滿發(fā)運行方式條件下，東風只能從死水位950 m起調，對應七日發(fā)電水量1.55 億m3，索風營滿發(fā)，其中允許高峰時段滿發(fā)時，索風營棄水2.21 億m3，允許全時段滿發(fā)時，索風營棄水0.21 億m3。

由表8可知，洪東區(qū)間遭遇常遇洪水的控制方式為：①遭遇20%頻率洪水時，在允許的特定滿發(fā)運行方式條件下，東風起調水位范圍[964.49 m，970 m]，對應七日發(fā)電水量范圍[2.55 億m3，3.51 億m3]，索風營可維持汛限水位837m運行，對應七日發(fā)電水量范圍[3.09 億m3，4.05 億m3]；②遭遇10%頻率洪水時，在允許的特定滿發(fā)運行方式條件下，東風起調水位范圍[960.91 m，968.24 m]，東風滿發(fā)，索風營可維持汛限水位837m運行，對應七日發(fā)電水量范圍[3.09 億m3，4.36 億m3]；③遭遇5%頻率洪水時，在允許的特定滿發(fā)運行方式條件下，東風起調水位范圍[956.89 m，964.58 m]，東風滿發(fā)，索風營可維持汛限水位837m運行，對應七日發(fā)電水量范圍[3.09 億m3，4.36 億m3]。

由表9可知，東索區(qū)間遭遇常遇洪水時的控制方式為：①遭遇20%頻率洪水時，在允許的特定滿發(fā)運行方式條件下，東風起調水位范圍[962.55 m，970 m]，對應七日發(fā)電水量范圍[1.37 億m3，2.67 億m3]，索風營滿發(fā)；②遭遇10%頻率洪水時，在允許的特定滿發(fā)運行方式條件下，東風起調水位范圍[956.05 m，968.12 m]，對應七日發(fā)電水量范圍[0.33 億m3，2.33 億m3]，索風營滿發(fā)；③遭遇5%頻率洪水時，在允許的特定滿發(fā)運行方式條件下，東風起調水位范圍[953.72 m，962.41 m]，對應七日發(fā)電水量[0，1.34 億m3]，索風營滿發(fā)，其中允許高峰時段滿發(fā)時，索風營棄水0.66 億m3。

綜上，若索風營以上遭遇常遇洪水時：在洪東、東索區(qū)間同時遭遇和東索區(qū)間遭遇常遇洪水的情況下，可通過東風調蓄并減小出庫，索風營充分利用自身有限調節(jié)庫容(由死水位起調)，洪水期間索風營滿發(fā)的方式，有效降低梯級棄水風險，在此控制條件下，由于發(fā)電方式限制，索風營會有一定量棄水；僅洪東區(qū)間遭遇常遇洪水時，東風利用自身調蓄能力，同時加大發(fā)電流量，索風營按照來水發(fā)電，可維持汛限水位837 m運行，梯級不棄水。

3 結 論

本文以充分利用調節(jié)性能較好水庫的調蓄能力和洪水資源化利用為原則，結合調度實際，提出具有一般普適性的梯級水庫棄水風險控制方法，該方法考慮梯級洪水空間分布，在洪水后期將水庫蓄至較高水位，推算起調水位和運行方式，若發(fā)生棄水，逐級向上調整運行方式，直至梯級棄水量有所減少，最終迭代計算得出的起調水位和運行方式即為確保梯級棄水風險較小的控制指標。該方法應用于烏江梯級水庫，重點研究易發(fā)生棄水水庫的區(qū)間遭遇常遇洪水時的梯級棄水風險控制指標及控制方式(需要說明的是，由于起調水位成果是考慮后期水庫能夠蓄至汛限水位推算出的偏高水位，在首要確保不棄水的前提下可適當降低該水位值進行控制)，對基于一定可靠度的確定性洪水預報，制定梯級水庫聯(lián)合調度運行方式具有參考意義。