樊祥船，劉恩鵬，劉玉青

(中水東北勘測(cè)設(shè)計(jì)研究有限責(zé)任公司，吉林 長(zhǎng)春 130021)

1 基本情況

豐滿水電站位于第二松花江干流上的豐滿峽谷口處，下游距吉林市16km。壩址控制流域面積4.25萬(wàn)km2，占第二松花江流域面積的58%。多年平均徑流量136.49億m3。工程任務(wù)是以發(fā)電為主，兼顧防洪、城市及工業(yè)供水、灌溉、生態(tài)環(huán)境保護(hù)，并具有旅游、水產(chǎn)養(yǎng)殖等效益。水庫(kù)正常蓄水位263.5m，死水位242.0m，汛期限制水位260.5m，總庫(kù)容103.77億m3，興利庫(kù)容56.72億m3，具有多年調(diào)節(jié)性能；重建后電站裝機(jī)容量1480MW，設(shè)計(jì)保證出力146MW。

尼爾基水庫(kù)位于嫩江干流中游，下游距齊齊哈爾市約130km。壩址控制流域面積6.64萬(wàn)km2，占嫩江流域總面積的22.24%，多年平均徑流量104.78億m3。工程任務(wù)是以防洪、城鎮(zhèn)生活和工農(nóng)業(yè)供水為主，結(jié)合發(fā)電，兼顧改善下游航運(yùn)和水生態(tài)環(huán)境，并為松遼流域水資源優(yōu)化配置創(chuàng)造條件。水庫(kù)正常蓄水位216.00m，死水位195m，汛限水位213.37m，總庫(kù)容86.10億m3，興利庫(kù)容59.68億m3，具有多年調(diào)節(jié)性能；電站裝機(jī)容量250MW，設(shè)計(jì)保證出力18MW。

松花江流域(哈爾濱以上)主要用水集中在豐滿水庫(kù)和尼爾基水庫(kù)以下，當(dāng)遭遇連續(xù)枯水年時(shí)，河道水量不足，河道內(nèi)生態(tài)和航運(yùn)用水受到嚴(yán)重威脅，航運(yùn)流量難以滿足要求。徑流資料顯示松花江流域干支流徑流量從1956年以來(lái)有下降的趨勢(shì)[1]，未來(lái)流域用水矛盾將愈加緊張。

豐滿、尼爾基水庫(kù)之間為并聯(lián)關(guān)系，水庫(kù)之間無(wú)直接水力聯(lián)系，但在保障松花江干流(哈爾濱以上)河道生態(tài)流量以及通航流量等方面可共同發(fā)揮作用。兩庫(kù)1956—2010年55年豐枯異步頻率60.78%，明顯大于豐枯同步頻率39.22%[2]，說(shuō)明來(lái)水條件總體有利于兩庫(kù)聯(lián)合運(yùn)用。而目前豐滿、尼爾基兩庫(kù)是按單一水庫(kù)規(guī)則進(jìn)行調(diào)度，沒(méi)有考慮聯(lián)合補(bǔ)償作用。因此，有必要開(kāi)展水庫(kù)群聯(lián)合調(diào)度研究，通過(guò)對(duì)比分析，提出切合實(shí)際可操作的聯(lián)合調(diào)度方案。

2 聯(lián)合調(diào)度模型建立

本文研究范圍為松花江流域(哈爾濱以上)，包括嫩江、第二松花江和松花江干流三岔河至哈爾濱段三個(gè)大區(qū)間。將流域的豐滿、尼爾基水庫(kù)群作為研究對(duì)象，根據(jù)流域多年長(zhǎng)系列徑流數(shù)據(jù)，綜合考慮河道內(nèi)和河道外各行業(yè)用水需求，建立水庫(kù)群興利調(diào)度數(shù)學(xué)模型，以充分發(fā)揮水庫(kù)群的聯(lián)合調(diào)節(jié)作用。

2.1 需水量分析

2.1.1河道外用水需求

依據(jù)松花江流域水資源綜合規(guī)劃和第二松花江、嫩江、諾敏河、綽爾河等流域水量分配方案，第二松花江流域、松花江干流采用2030年水平年需水量，嫩江干流采用2020年水平年需水量，嫩江各支流采用2030年水平年需水量。黑龍江省北部引嫩工程、吉林省引嫩入白工程、大安灌區(qū)、引松供水工程等主要取水口取水量為51.34億m3，第二松花江干流、嫩江干流和松花江干流區(qū)間(不含主要取水口)河道外多年平均地表水需水量為90.22億m3。

2.1.2河道內(nèi)用水需求

河道生態(tài)流量選取扶余、大賚、哈爾濱3個(gè)斷面為主要控制斷面，按照P=90%時(shí)的最小生態(tài)環(huán)境流量和最小生態(tài)環(huán)境需水量雙重控制(見(jiàn)表1)，枯水期為11月—次年4月，豐水期為5—10月。規(guī)劃哈爾濱斷面通航流量(5—10月，P=90%)為550m3/s。

表1 控制斷面最小生態(tài)流量和生態(tài)環(huán)境需水量指標(biāo)

2.2 模型建立及求解

根據(jù)水資源四級(jí)分區(qū)，尼爾基水庫(kù)供水區(qū)間分為尼爾基—塔哈區(qū)間、塔哈—江橋區(qū)間、江橋—白沙灘區(qū)間、白沙灘—三岔河區(qū)間、三岔河—哈爾濱區(qū)間。主要引水工程作為單獨(dú)的節(jié)點(diǎn)調(diào)節(jié)計(jì)算，干流其余引水工程并入嫩江干流區(qū)間按區(qū)間計(jì)算。豐滿水庫(kù)供水區(qū)間為豐滿水庫(kù)—哈達(dá)山區(qū)間和哈達(dá)山—三岔河區(qū)間兩個(gè)干流區(qū)間。支流下泄水量匯入相應(yīng)的干流區(qū)間，支流缺水干流不補(bǔ)。

根據(jù)流域河流水系特點(diǎn)及水庫(kù)工程布局，按照各計(jì)算單元、水利工程、調(diào)水工程之間的傳輸關(guān)系及水力聯(lián)系，將計(jì)算單元與工程節(jié)點(diǎn)通過(guò)概化的線路相連接，建立以天然水資源在尼爾基和豐滿水庫(kù)單庫(kù)調(diào)度運(yùn)行下的供給與需求之間平衡計(jì)算為基礎(chǔ)的調(diào)度模型。

水庫(kù)聯(lián)合優(yōu)化調(diào)度模型重點(diǎn)研究?jī)蓚€(gè)水庫(kù)蓄放過(guò)程對(duì)下游各興利目標(biāo)用水過(guò)程的影響，充分發(fā)揮水庫(kù)間的水文補(bǔ)償與庫(kù)容補(bǔ)償作用，最大程度滿足不同用戶(hù)用水要求。模型綜合考慮供水、發(fā)電、航運(yùn)、生態(tài)等不同目標(biāo)之間的相關(guān)關(guān)系，在建模過(guò)程中以發(fā)電效益最大、河流生態(tài)及航運(yùn)影響最小為模型目標(biāo)函數(shù)進(jìn)行兩庫(kù)多目標(biāo)聯(lián)合調(diào)度。

2.2.1目標(biāo)函數(shù)

模型目標(biāo)函數(shù)如式1—2，兩目標(biāo)分別為兩庫(kù)總發(fā)電效益最大(充分考慮保證出力前提下多年平均發(fā)電量最大)以及哈爾濱斷面航運(yùn)用水保證率最高：

maxE=(N1+N2)·7.3×10-6

(1)

(2)

(3)

(4)

(5)

式中，E—豐滿水庫(kù)、尼爾基水庫(kù)系統(tǒng)調(diào)度運(yùn)行期內(nèi)的總發(fā)電量，kW·h；P—哈爾濱斷面航運(yùn)用水保證率；N1、N2—豐滿、尼爾基電站的發(fā)電出力，MW；T—時(shí)段總數(shù)；Th—航運(yùn)用水時(shí)段總數(shù)；βi—航運(yùn)用水不足時(shí)段數(shù)；A′、A″—豐滿、尼爾基電站出力系數(shù)，豐滿電站取8.6，尼爾基電站按運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)取8.0；q′t、q″t—豐滿、尼爾基電站在t時(shí)段的發(fā)電流量，m3/s；h′t、h″t—豐滿、尼爾基電站在t時(shí)段的凈水頭，m，為上下游水位之差減去水頭損失；q哈、qh—在i時(shí)段哈爾濱斷面流量以及最低航運(yùn)流量，m3/s。

2.2.2約束條件

(1)水量平衡約束：

W上區(qū)來(lái)水+W本地水+W調(diào)入水量+W回歸水-W地表供水量-W調(diào)出水量-W蒸滲損失-W下泄水量=0

(6)

W入庫(kù)水量+W調(diào)入水量-W蒸滲損失-W供水量-W調(diào)出水量-W棄水量=0

(7)

(2)水庫(kù)蓄水量約束：

V′min，t≤V′t≤V′max，t

(8)

V″min，t≤V″t≤V″max，t

(9)

式中，V′min，t、V″min，t—豐滿、尼爾基水庫(kù)t時(shí)段蓄水下限，對(duì)應(yīng)各水庫(kù)的死庫(kù)容，m3；V′max，t、V″max，t—豐滿、尼爾基水庫(kù)t時(shí)段蓄水上限，m3。

(3)水輪機(jī)過(guò)水流量約束：

q′t≤q′max，t

(10)

q″t≤q″max，t

(11)

式中，q′max，t、q″max，t—豐滿、尼爾基水電站t時(shí)段最大發(fā)電引用流量，m3/s。

(4)水電站出力約束：

(12)

(13)

式中，N′min、N″min—豐滿、尼爾基水電站的最小出力，MW；N′max、N″max—豐滿、尼爾基水電站的裝機(jī)容量，MW。

(5)水庫(kù)水位約束：

Z′1=Z′T

(14)

Z″1=Z″T

(15)

式中，Z′1、Z″1—豐滿、尼爾基水庫(kù)起調(diào)水位，m；Z′T、Z″T—調(diào)度運(yùn)行期末時(shí)段豐滿、尼爾基水庫(kù)水位,m。

(6)其他約束：

在模型計(jì)算過(guò)程中，還要保證水庫(kù)下游各供水單元供水保證率以及各控制斷面生態(tài)供水保證率滿足設(shè)計(jì)保證率的要求。

2.2.3模型求解

構(gòu)建水庫(kù)群聯(lián)合優(yōu)化調(diào)度模型，應(yīng)用模擬和優(yōu)化相結(jié)合的方法對(duì)模型進(jìn)行求解，在求解過(guò)程中，以各水庫(kù)調(diào)度圖中調(diào)度線上的關(guān)鍵控制點(diǎn)以及不同目標(biāo)供水量作為決策變量求解聯(lián)合調(diào)度模型?？紤]到豐滿水庫(kù)和尼爾基水庫(kù)聯(lián)合調(diào)度的多目標(biāo)性，模型中兩庫(kù)聯(lián)合調(diào)度問(wèn)題是一個(gè)多目標(biāo)決策問(wèn)題，不僅包括水庫(kù)間的多目標(biāo)，同時(shí)也包括水庫(kù)自身的多目標(biāo)問(wèn)題。本文在模擬優(yōu)化過(guò)程中，采用多目標(biāo)遺傳優(yōu)化算法NSGA-II通過(guò)模擬-優(yōu)化模式進(jìn)行歷時(shí)迭代，最終得到一組多目標(biāo)組成的非劣解及其對(duì)應(yīng)的聯(lián)合調(diào)度規(guī)則，并從中選擇出符合決策要求的聯(lián)合調(diào)度規(guī)則。

3 水庫(kù)群聯(lián)合調(diào)度方案

3.1 方案制定

豐滿水庫(kù)和尼爾基水庫(kù)原有調(diào)度方案均是按單一水庫(kù)規(guī)則進(jìn)行興利調(diào)度，其中豐滿水庫(kù)采用豐滿水電站重建工程可行性研究報(bào)告的調(diào)度規(guī)則(如圖1所示)，尼爾基水庫(kù)采用尼爾基水利樞紐工程初步設(shè)計(jì)的調(diào)度規(guī)則(如圖2所示)。

圖1 豐滿水庫(kù)可研階段調(diào)度圖

圖2 尼爾基水庫(kù)初設(shè)階段調(diào)度圖

為充分挖掘兩座水庫(kù)潛力，尋求滿足水庫(kù)下游各業(yè)用水、生態(tài)、航運(yùn)要求前提下，兩庫(kù)發(fā)電效益(保證出力和多年平均發(fā)電量)最大的方案，重新制定兩庫(kù)的水庫(kù)調(diào)度圖和調(diào)度規(guī)則。其中，豐滿發(fā)電調(diào)度圖調(diào)整為發(fā)電與供水相結(jié)合的調(diào)度圖，在補(bǔ)償供水期增加放流目標(biāo)。兩庫(kù)聯(lián)合優(yōu)化調(diào)度規(guī)則見(jiàn)表2—3。兩庫(kù)補(bǔ)償供水期放流目標(biāo)如圖3—4所示。兩庫(kù)優(yōu)化調(diào)度圖如圖5—6所示。

圖4 尼爾基水庫(kù)補(bǔ)償供水期放流目標(biāo)

圖5 豐滿水庫(kù)優(yōu)化調(diào)度圖

表2 豐滿水庫(kù)優(yōu)化調(diào)度規(guī)則

3.2 聯(lián)合調(diào)度結(jié)果及分析

根據(jù)1956—2010年長(zhǎng)系列徑流資料，分別采用常規(guī)調(diào)度規(guī)則和聯(lián)合優(yōu)化調(diào)度規(guī)則對(duì)豐滿水庫(kù)和尼爾基水庫(kù)進(jìn)行模擬計(jì)算，分析多年運(yùn)行特性和統(tǒng)計(jì)興利指標(biāo)，特別是河道內(nèi)生態(tài)環(huán)境流量和航運(yùn)流量的滿足情況(見(jiàn)表4)。聯(lián)合優(yōu)化調(diào)度方案與常規(guī)方案的相比，發(fā)電量略有減少，但下游供水設(shè)計(jì)保證率和破壞深度同時(shí)滿足要求，多年平均供水量增加；哈爾濱航運(yùn)流量保證率從82.18%提高到90.00%，可滿足通航要求。可見(jiàn)聯(lián)合調(diào)度方案發(fā)揮了水庫(kù)群聯(lián)合補(bǔ)償作用，是在不破壞供水的前提下提高哈爾濱的航運(yùn)流量保證率，同時(shí)對(duì)兩庫(kù)發(fā)電效益影響程度降至最小，即滿足哈爾濱的航運(yùn)流量保證率情況下，豐滿和尼爾基綜合發(fā)電效益最大的調(diào)度方案。

表3 尼爾基水庫(kù)優(yōu)化調(diào)度規(guī)則

表4 聯(lián)合調(diào)度方案優(yōu)化效果比較

圖6 尼爾基水庫(kù)優(yōu)化調(diào)度圖

4 結(jié)語(yǔ)

經(jīng)上述研究可知，在松花江流域(哈爾濱以上)2030水平年需水情況下，豐滿水庫(kù)和尼爾基水庫(kù)原有單庫(kù)調(diào)度方案不能滿足流域綜合興利要求。本次建立聯(lián)合調(diào)度模型、制訂優(yōu)化方案協(xié)調(diào)供水、發(fā)電、灌溉、生態(tài)流量保障等相互關(guān)系，解決了區(qū)間供水的集中性破壞問(wèn)題，并明顯提高了通航保證率，取得了理想的結(jié)果，研究成果可以為流域水資源優(yōu)化配置與水量調(diào)度提供參考。需要指出的是，豐滿和尼爾基兩庫(kù)到哈爾濱的徑流傳播時(shí)間均較長(zhǎng)，建議在實(shí)際運(yùn)行中加強(qiáng)水文預(yù)報(bào)，并協(xié)調(diào)水電站管理單位適時(shí)調(diào)整水庫(kù)放流量，以更好地達(dá)到預(yù)期的聯(lián)合調(diào)度效果。