疏勒河流域昌馬水庫減淤調度優化研究

趙國榮

(甘肅水務節水科技發展有限責任公司,甘肅 蘭州 73000)

疏勒河流域地處河西走廊西端，是河西走廊三大內陸河之一，內轄昌馬、雙塔、花海三大灌區，承擔著玉門市、瓜州縣22個鄉鎮、6個國營農場134.42萬畝耕地的農業灌溉和甘肅礦區等單位的工業供水、生態供水及水利發電供水等任務。昌馬水庫作為疏勒河的龍頭工程，是疏勒河灌區的命脈工程，直接關系著灌區的生死存亡。該水庫自2003年11月正式建成后，設計總庫容1.934億m3。截止2015年4月，由于淤積導致的庫容損失15.22%，多年平均庫容損失1.17%。而通過對昌馬水庫淤積形態分析表明，調度方式在水庫淤積形態中起著至關重要的作用，因此對昌馬水庫進行減淤調度優化研究就顯得極為重要。

1 昌馬水庫調度現狀及存在的問題

1.1 昌馬水庫調度現狀

昌馬水庫現狀調度方式總體按照發電調度服從灌溉調度，灌溉調度服從汛期調度的原則進行，兼顧下游工業等用水，在春灌、夏灌、秋冬灌時進行灌溉，其他時段蓄水，形成了昌馬水庫“兩蓄、兩放”的運行方式(如圖1所示)，同時兼顧在水位允許時進行發電。在汛期時，昌馬水庫根據庫水位判別洪水并兼顧排沙，在汛期按照汛限水位調度，初汛(6月20—30日)和末汛(8月10日—9月10日)按照庫水位2000.8m進行調節，主汛期(7月1日—8月20日)按照庫水位1993.3m進行調節。但水位在超汛限水位時，按照發電洞、溢流堰、排沙洞的順序進行泄洪，確保水庫安全。

圖1 昌馬水庫運行方式調度示意圖

1.2 現狀調度存在的問題

現狀水庫在汛期調度時，鑒于該時期河水含沙量大，為減少水庫淤積，建設之初，設計單位要求在7月份暢泄排沙，空庫運行。但通過對2003—2013年昌馬水庫主汛期運行水位分析(如圖2所示)，發現其中2003年沒有排沙，2004—2009年進行了暢泄排沙，但是時間并不滿足初設要求，而2010—2012年雖然進行了排沙調度，但是水位偏高，在最低發電水位以上，2013年進行了暢泄排沙調度，但排沙時間已經明顯短于2004—2009年。其次，按照調洪演算結論，水庫按照2000.8m進行汛期水位控制，完全能夠滿足設計洪峰和校核洪水的下泄需求，但鑒于昌馬水庫的重要性，在實際調度過程中主汛期汛限水位按照1993.3m進行控制，這浪費了水能資源。另外，昌馬水庫運行調度數據沒有與上游昌馬堡水文站數據對接，遲于水文站實測流量數據24h左右，影響調度的準確性。鑒于以上原因，昌馬水庫減淤調度過程急需優化。

圖2 昌馬水庫不同年份主汛期實際運行圖

2 昌馬水庫調度優化原則與目標

2.1 昌馬水庫調度優化原則

(1)昌馬水庫根據各汛期的汛限水位進行防洪調度的原則保持不變，但現狀汛期的劃分是按照旬為單位進行控制，比較籠統，本次優化調度方案對其精細劃分。

(2)根據昌馬水庫壩址處水沙關系以及近期水庫運行的現狀，在減淤調度的過程中，須充分利用大水時來水攜沙能力強，排沙比高等特點進行排沙。

(3)水庫建設之初，初步設計報告提出的暢泄排沙方案過程簡單，對水庫發電效益和庫容效益損失較大，而部分年份來沙主要集中在主汛期8月份，故需兼顧考慮發電效益和庫容效益。

(4)維持昌馬水庫灌溉調度方案與原調度方案一致，發電調度須服從灌溉調度。

2.2 昌馬水庫調度優化目標

通過分析昌馬水庫優化調度原則，結合昌馬水庫來水量和來沙量，提出減淤調度優化總體目標，即在不同的調度方案下，在保障下游影響區域內防護區的安全泄量，滿足下游的防洪要求下，充分利用壩址處水力資源減少水庫淤積，滿足用水戶的蓄水訴求并兼顧水力發電，取得較優的效益。

3 昌馬水庫減淤調度優化

3.1 汛期劃分

本次在昌馬水庫汛期重新劃分時，主要利用數理統計方法和模糊分析法，綜合確定汛期。

3.1.1 數理統計方法

根據昌馬堡水文站典型年逐月來水量圖(如圖3所示)，疏勒河來水量主要集中在6、7、8這三個月，并在7月下旬達到極值。通過對昌馬水庫超過日平均來水量80m3以上數理統計(見表1)，疏勒河來水主要集中在5月下旬—9月下旬之間；當流量超過140m3/s時，疏勒河來水集中在6月中旬—9月中旬之間；當以流量為樣本加大取值參數時，時間更加反映出更為集中的特點，主要來水量集中在7月上旬—8月下旬，因此綜合分析昌馬水庫的主汛期主要為7月上旬—8月下旬。

圖3 昌馬堡水文站典型年逐月來水量圖

3.1.2 模糊分析法

通過對影響昌馬水庫上游的水文情況進行分析，洪水在汛期前期增強，后期逐漸減弱，這是進行汛期模糊集分析方法的理論基礎。模糊集分析方法通過對實測資料的分析研究選取出能夠判斷汛期與非汛期的標準值，再根據多年的實際流量確定各年的汛期，在計算域內任一時間t被樣本覆蓋的次數nt，最后通過構建隸屬度函數求得隸屬度，時間t屬于汛期的隸屬度為：

(1)

根據表1，大于100m3/s流量段滿足此時間段，故按照此進行隸屬度分析，通過統計、計算，結果如圖4所示。

表1 昌馬水庫超過日平均來水量80m3以上數理統計表

通過對昌馬水庫1957—2014年的來水量進行隸屬度計算，繪制出隸屬度函數曲線，根據汛期經驗，采用隸屬度0.3進行劃分，則主汛期劃定為7月13日—8月16日。

圖4 100m3/s以上汛期隸屬度統計圖

3.1.3 汛期劃定結論

目前昌馬水庫汛期為：初汛期6月10—30日，主汛期7月1日—8月20日，末汛期8月10日—9月10日。經過本文資料分析，可將初汛期定于6月20日—7月13日，主汛期定于7月13日—8月16日，末汛期定于8月17日—9月10日。與目前汛期劃分相比較，在新的汛期分期中應用當前的汛限水位進行控制，從而縮短主汛期的時間，給庫水位更多時間上漲，緩解用水矛盾，增加發電效益，而且對于末汛期還會增加相應的蓄水。

3.2 昌馬水庫減淤調度優化方案

3.2.1 優化方案

根據甘肅省昌馬水庫庫區沖淤電算成果，大水期輸沙能力要強于小水期輸沙能力，因而大水期排沙效率要比小水期效率高得多；而通過降低水位可有效增加水庫輸沙能力，小水期改善作用較小，大水期改善作用大。因而通過降低水位排沙更加增加了水庫大水期排沙的效率，水庫排沙效率隨流量和壩前水位變化，壩前水位控制使得大、小水時輸沙能力和排沙效率相對河道進一步分化。水庫的排沙效率隨著流量的增大而增大，小水期排沙效率低而大水期排沙效率高，而大水期降低水位后排沙效率更高，疏勒河大水期均發生在疏勒河汛期，故為了一方面減少水庫淤積，另一方面充分發揮水力資源，因此可以界定一個排沙流量，在低于該流量的小水期蓄水，在高于該流量的大水期降低水位排沙。

故根據昌馬水庫來水量，對昌馬水庫逐日平均來水量進行頻率分析，可按照逐日平均流量300m3/s(兩年一遇)進行流量分級。在水庫運行過程中，根據河流水沙關系量，當入庫流量小于分級流量時，水庫排沙效率不高，可維持在較高水位運行，不參與排沙，甚至可以淤積部分泥沙；當水庫來水量大于確定的分級流量時，水庫排沙效率較高，從而可以降低水庫水位，或降低至更低的水位運行，對前期淤積的泥沙進行沖刷，達到將本次來水量所攜帶的泥沙排出水庫或淤積在死庫容的目的，這即是本次昌馬水庫所要執行的水沙調度方案。

3.2.2 水沙調度執行原則

昌馬水庫執行水沙調度時，利用現有和新建的天氣預報系統和洪水預報系統，對水庫進行優化調度，按照調度執行簡圖調度，如圖5所示，并堅持以下原則。

(1)昌馬水庫執行水沙調度時，水文數據要與昌馬水庫調度實現全面對接。

(2)判定逐日平均流量大于300m3/s后，必須舍棄相應的經濟效益，諸如發電，蓄水等，在保證下游影響區安全泄量的前提下，盡最大可能降低水位，達到排沙要求。

(3)水庫上游集雨面積內雨情測報系統和洪水預報調度等系統必須具有高精度、強范圍性和相應的穩定性。

(4)必須建立高效、強有力的管理團隊，建立健全相應的管理機構，對水庫進行嚴格調度。

(5)調度人員須在合理調度區間內，充分發揮昌馬水庫的電力效益、灌溉效益和防洪效益等。

圖5 昌馬水庫優化調度簡圖

4 水庫減淤調度優化效益分析

4.1 數據處理原則

選取昌馬水庫建成后，超過分級流量的年份，進行整體效益分析，主要分析初設要求在7月份暢泄情況下的年發電量、蓄水量，現狀運行方式下的年發電量、蓄水量，調度優化后的年發電量、蓄水量，并遵循以下原則。

(1)因發電洞最大可引水60m3/進行發電，故若水位滿足發電條件，來水量介于0～60m3/s的，按來水量計算；若超過60m3/s的，按60m3/s進行計算發電量。

(2)汛期若按照初設暢泄方案進行計算，則7月份暢泄不蓄水、不發電，為便于計算，水位采用1952m，庫容采用0m3。

(3)減淤調度優化方案汛期采用厘定后的新汛期，即初汛期定于6月20日—7月13日，主汛期定于7月13日—8月16日，末汛期定于8月17日—9月10日。

(4)疏勒河灌區7月份需水量計算時，采用管理單位統計數據，2014年6月27日—7月15日，約需水9411.12萬m3；7月16日—7月31日約需水8025.37m3，日平均流量57.69m3/s。本文進行效益分析時采用保守計算，灌區需水量按7月份按照60m3/s計算，即保證水庫最小下泄流量60m3/s；采取同樣處理辦法，8月1—20日下游最小需水按55m3/s進行計算，8月20日—9月20日下游最小需水按45m3/s計算。

(5)由于代入歷史數據后，水庫調度存在蝴蝶效應，庫容的變化將有可能影響所有以后所有水庫調度數據，故為便于計算進行效益分析，時間節點在當年汛期結束后終止。

(6)電站出力計算時，水輪機效率采用0.90，發電機效率采用0.94。

(7)水庫建成后，利用昌馬堡水文站實測數據，對比排沙流量，經過分析，2006年、2008年、2010年、2011年、2013年均滿足減淤調度的歷史情景，故在效益分析時，以此5年數據計算三種調度方案的發電量，主汛期末的蓄水量。

4.2 歷史情景效益計算

利用前述計算原則，代入滿足條件的歷史情景數據，其調度過程詳見各典型年不同調度方案的庫水位調度過程，如圖6所示。

圖6 各典型年不同調度方案的庫水位調度過程

根據以上調度原則，采用前述效益分析數據處理原則，通過計算三個方案下的效益分析如圖7所示。

通過對昌馬水庫滿足條件的5年歷史情景數據進行發電量和主汛期末蓄水量效益計算分析，優化方案年發電量略優于現狀調度方案，較7月份暢泄方案發電量平均增效15.81%；采取8月20日主汛期末蓄水量比較，調度優化方案較7月份暢泄方案高4.24%，比現狀方案低22.69%，主要是由于2011年滿足條件來水在8月16日，按照優化調度方案運行排沙滯后，只有短短3天的蓄水時間，降低了平均值，若剔除2011年歷史數據，則優化調度方案蓄水量和發電量均優于其他兩種方案。故從以上分析來看，優化調度方案在發電量增效和蓄水量效益分析上均優于其他兩種方案。

圖7 三種方案方案效益分析圖

5 結論

通過該論文研究，提出了昌馬水庫的減淤調度優化方案，同時還取得了以下成果：

(1)重新劃定了昌馬水庫汛期，建議初汛期定于6月10日—7月12日，主汛期定于7月13日—8月16日，末汛期定于8月17日—9月10日。

(2)提出了減淤調度優化方案，可總結為“觀望來洪，擇機排沙”，利用該調度方式對前期淤積的泥沙進行沖刷，達到將本次來水量所攜帶的泥沙排出水庫或淤積在死庫容范圍內的目的。

(3)通過代入歷史情景數據進行效益分析，優化調度方案在發電量增效和蓄水量效益分析上均優于初設提出的暢泄方案和現狀調度方案。