烏東德白鶴灘梯級水庫補償效益分析

舒衛民，李秋平，曹光榮，王漢濤，李 鵬

(1.中國長江三峽集團公司，湖北 宜昌 443133；2.長江三峽水文水資源勘測局，湖北 宜昌 443002)

0 引 言

大型水庫建成投運后，在一定程度上會改變水庫下游徑流的年內、年際分配過程，對下游水庫的運行產生較大影響，主要體現在提高水庫下游抵御洪水的能力、減輕下游枯期供水壓力、改善航運調節、緩解部分地區水電豐余枯缺的局面，提高電能質量等[1、2]，同時起到節能減排的作用[3]。

金沙江流域水量豐沛，但年內來水豐枯分配不均，汛期(6月～9月)徑流量占全年的比例達到74.7%。金沙江流域是我國水電富礦，規劃有我國最大的水電基地。在金沙江下游規劃有烏東德、白鶴灘、溪洛渡、向家壩四座巨型電站。目前，溪洛渡、向家壩電站已建成投產。烏東德、白鶴灘電站處于在建階段，預計分別在2020年、2021年投產發電[4]。本文結合烏東德、白鶴灘的設計運行資料，分析兩座水庫建成投產后，通過補償調節對下游供水能力及溪洛渡、向家壩電能質量的影響。

1 梯級水庫概況

烏東德水電站位于四川會東縣和云南祿勸縣交界的金沙江河道上，是金沙江水電基地下游梯級水電站的第一梯級，上距觀音巖水電站253 km，下距白鶴灘水電站182.5 km。控制流域面積40.61萬km2，占金沙江流域面積的86%；多年平均流量3 850 m3/s，多年平均年徑流量1 210億m3。烏東德水庫正常蓄水位975 m，調節庫容30.20億m3，防洪庫容24.4億m3。電站裝機容量1 020萬kW，多年平均年發電量約378.8億kW·h。

白鶴灘水電站位于金沙江下游四川省寧南縣和云南省巧家縣境內，距巧家縣城45 km，上接烏東德梯級，下鄰溪洛渡梯級，上距烏東德壩址182.5 km，下距溪洛渡壩址195 km，控制流域面積43.03萬km2，占金沙江流域面積的91.0%。白鶴灘水電站首要任務是發電，同時兼顧防洪，改善下游通航條件等綜合利用效益，是“西電東送”的骨干電源點之一。電站裝機容量1 600萬kW，多年平均發電量640.95億kW·h，保證出力550萬kW，水庫總庫容206.27億m3，調節庫容104.36億m3，防洪庫容75.00億m3。

2 水庫運行方式

烏東德水庫根據長江委長江勘測規劃設計院2012年6月編制的《金沙江烏東德水電站工程建設規劃符合性論證報告》以及2013年12月編制的《金沙江烏東德水電站可行性研究報告(綜合說明)》，結合長江上游梯級水庫逐步分期蓄水的總體安排，擬定水庫運行方式為：7月按在不承擔防洪任務時按防洪限制水位運行；蓄水從8月初開始，8月底蓄水至正常蓄水位；蓄至正常蓄水位后盡量維持高水位方式運行，控制庫水位逐步有序消落，第二年汛前消落至防洪限制水位。

白鶴灘水庫根據白鶴灘水電站的水庫特性、徑流特性和梯級水電站群的調節性能，以及《金沙江白鶴灘水電站可行性研究報告(工程規模)》，對電站運行研究成果如下：水庫6月從死水位765 m附近開始蓄水，蓄至防洪限制水位785 m后，在6月～8月水庫按汛期分期水位控制方式運行(即在6月～7月維持防洪限制水位785 m，8月上旬開始按每旬抬高10 m的方式蓄水)，在9月上旬水庫可蓄至正常蓄水位825 m，12月水庫開始供水，到次年5月水庫水位消落至死水位765 m。

溪洛渡水庫根據《溪洛渡水電站水庫運用與電站運行調度規程(試行)》的規定：溪洛渡水庫水位全年在死水位540 m到正常蓄水位600 m之間；水庫在7～8月水位不高于560 m運行，實際計算過程按560 m考慮；9月初開始蓄水，9月底蓄至正常蓄水位；之后維持至11底，12月～次年5月，水位逐步消落至540 m，6月初回蓄至560 m。

向家壩水庫根據《向家壩水電站水庫運用與電站運行調度規程(試行)》的規定：向家壩水庫水位全年在死水位370 m到正常蓄水位380 m之間；汛期7月1日～9月10日水庫水位按防洪限制水位370 m控制運行；當水庫開展防洪調度時，按防汛主管部門的調度指令，實施防洪調度。本文在計算過程中按370 m考慮；水庫自9月11日開始蓄水，9月底蓄至正常蓄水位380 m；10月～12月，水庫水位維持380 m運行；1月～5月水庫開始向下游供水，5月底水位消落到376.5 m，6月底消落至防洪限制水位370 m。

3 補償效益分析

3.1 測算條件

在測算的過程中，烏東德、白鶴灘在滿足水庫運行方式要求基礎上，枯期按均勻消落的方式向下游補水、蓄水期按均勻蓄水的方式蓄至正常蓄水位。計算采用1954年1月～2010年12月的逐旬來水。

根據電站的實際運行情況，在進行發電量測算時，需滿足以下約束條件[5]

水量平衡約束

Vi,t+1=Vi,t+(qi,t-Qi,t-Si,t)Δt?t∈T

(1)

式中，Vi,t+1為電站i在t時段末的蓄水量，m3；Vi,t為電站i在t時段初的蓄水量，m3；qi,t為電站i在t時段的入庫流量，m3/s；Si,t為電站i在t時段的棄水流量，m3/s；Δt為計算時段長度，s。

水庫蓄水量約束Vit,min≤Vi,t≤Vit,max?t∈T

(2)

式中，Vit,min電站i在t時段的最小蓄水量，m3；Vit為電站i在t時段的蓄水量，m3；Vit,max為電站i在t時段的最大蓄水量(m3，一般為正常蓄水位到死水位之間，汛期考慮汛限水位約束)。

水庫下泄流量約束

Qit,min≤Qi,t≤Qit,max?t∈T

(3)

Si,t≥0 ?t∈T

(4)

式中，Qit,min為第i個電站第t時段的最小下泄流量(m3/s，一般考慮航運、補水等約束)；Qit,max為第i個電站第t時段最大允許下泄流量，m3/s。

水位變幅約束 |Zi,t+1-Zi,t|≤ΔZi

(5)

式中，Zi,t為第i庫第t時刻水位；Zi,t+1為第i庫第t+1時刻水位；ΔZi為第i庫水位允許的變幅。

電站出力約束

Ni,min≤Ai·Qi,t·Hi,t≤Ni,max?t∈T

(6)

式中，Ni,min為電站i允許的最低出力，MW；Ni,max為電站i的裝機容量，MW。

非負條件約束，上述水位、流量、蓄水量、出力等變量均大于等于0。

表1 烏東德白鶴灘調蓄對溪洛渡向家壩出力影響 m3/s

表2 烏東德白鶴灘調蓄對溪洛渡向家壩出力影響 萬kW

3.2 調度目標

烏東德、白鶴灘兩座電站都以發電為主，兼顧防洪和攔沙等功能。本文重點考慮在兩座電站調蓄下，對下游溪洛渡、向家壩兩座水電站電量方面及對下游補水的影響，最終選取了枯期供水量、枯期平均出力、增發電量等三個因子為評價指標。為給電網提供盡可能大枯期出力，提高電能質量，在計算過程中，以最大化電站保證出力為目標，即：梯級電站枯期出力盡可能大，即最大化最小出力。該目標主要是為電網提供盡可能大的均勻的可靠出力[6]。同時，在此基礎上實現增發電量、提高枯期供水量為目的。

(7)

式中，NP為整個梯級最大化的最小出力，MW；Ai為第i個電站出力系數；Qi,t為第i個電站在第t時段發電流量，m3/s；Hi,t為第i個電站在第t時段平均發電凈水頭，m；N為梯級電站總數；T為年內計算總時段數(計算時段為旬，T=36)。

3.3 效益分析

在滿足溪洛渡、向家壩調度目標的前提下，分別采用57年天然逐旬徑流過程及考慮烏東德、白鶴灘調蓄后的徑流逐旬徑流過程，考慮相關目標和約束，對溪洛渡、向家壩調度過程進行計算，計算結果見表1～3。

從表1可以看出，通過烏東德白鶴灘水庫調蓄，枯期流量增加明顯。向家壩最小出庫流量由1 890 m3/s增加到2 730 m3/s，增加了44.4%，枯期(1月～5月、11月～12月)平均流量由2 370 m3/s增加到3 080 m3/s，增加了30.0%；枯期流量占全年的比例由28.1%提高到36.5%。從表2、3可以看出，梯級電站最小出力由513萬kW增加到735萬kW，增加了43.3%。梯級電站發電量由917億kW·h增加到976億kW·h，增加了6.4%。

4 小 結

本文在梳理烏東德、白鶴灘、溪洛渡、向家壩四座水庫調度規則的基礎上。從增加向家壩枯期下泄流量、提高梯級電站枯期出力以及增發電量3個方面，分析了烏東德、白鶴灘調蓄對溪洛渡向家壩梯級電站的影響。由分析結果可以看出，經烏東德白鶴灘梯級電站調蓄后，向家壩枯期(1月～5月、11月～12月)平均出庫流量由2 370 m3/s增加到3 080 m3/s，提高了30.0%；枯期流量占全年的比例由28.1%提高到36.5%，大大的提高了枯期向下游補水的能力。梯級電站最小出力由513萬kW增加到735萬kW，增加了43.3%，提高了電能質量，優化了電源結構。兩座電站多年平均增發電量59億kW·h，相當于節約標準煤184.0萬t，減少二氧化碳排放472.5萬t，節能減排效果顯著。

表3 烏東德白鶴灘調蓄對溪洛渡向家壩電量影響 億kW·h