面向運行約束的三峽水庫生態調度研究

王 祥，鮑正風，舒衛民，張東杰

(中國長江三峽集團有限公司，湖北 宜昌 443000)

三峽工程是治理長江和開發利用長江水資源的關鍵骨干性工程，自2003年運行來在防洪、發電、航運和水資源利用方面發揮巨大綜合效益。根據《長江三峽水利樞紐環境影響報告書》結論，由于三峽工程的投入運行改變了河流自然生態境條件，造成天然河道流速減緩洪峰流量削減，將會對四大家魚的自然繁殖帶來不利影響，為保障四大家魚的繁殖需通過水庫調度產生人造洪峰促進四大家魚產卵[1]。當前國內學者對三峽水庫促進四大家魚繁殖生態調度進行了大量研究，研究表明四大家魚產卵需在一定的水溫條件下伴隨連續的水流漲水過程，漲水過程持續時間越長產卵效果越好，當水位下降流速減緩時產卵活動大都停止[2-5]。依據生態調度研究成果，三峽水庫自2011-2018年在消落期及汛期開展了12次生態調度試驗，監測結果顯示在調度期均發現四大家魚較為明顯的產卵過程，表明實施的生態調度具有促進四大家魚產卵作用[6]，后期可持續開展生態調度進行監測跟蹤評估優化生態調度方案。

當前三峽水庫生態調度研究主要聚焦于四大家魚繁殖所需的水文、水力學條件，研究提出的生態調度方案未充分考慮運行約束導致實施困難。為創造四大家魚繁殖所需的水文、水力學條件，可通過三峽水庫調蓄實現人造洪峰模擬天然漲水過程。三峽水庫出庫流量由三峽電站發電計劃控制，發電計劃需充分考慮三峽水庫承擔的各項任務、面臨的約束和葛洲壩電站最大發電能力等因素。本文對三峽水庫生態調度面臨的約束進行分析，構建模型評估不同時間開展三峽水庫生態調度的可行性，用以探求滿足三峽-葛洲壩梯級水庫綜合運用和生態調度的適宜方案，供實時調度三峽水庫生態調度方案的編制和啟動提供參考。

1 工程概況

1.1 三峽-葛洲壩梯級水庫

三峽工程是治理和開發長江的骨干性工程，位于長江上游與中游的分界點，控制流域面積達100 萬km2，約占長江流域總面積的 55%。三峽水庫是以防洪為主，兼有發電、航運等多功能的綜合利用水利樞紐，在水庫設計過程中，主要是通過設置一系列體現不同作用的控制水位來統籌考慮水庫的安全性、經濟性和可靠性，這些控制水位將水庫總庫容分割成多個不同功能的庫容，防洪庫容是三峽水庫的一個重要指標，三峽工程建成運行后，水庫擁有221.5 億m3的防洪庫容，汛前水庫需通過發電調度逐步消落水位至145 m釋放防洪庫容。

葛洲壩工程是三峽工程的反調節樞紐，通過葛洲壩調節可減緩三峽電站調峰運行引起的水位波動對下游航運造成的不利影響。葛洲壩樞紐位于三峽壩下約38 km的宜昌市，有反調節庫容0.86 億m3，電站裝機2 715 MW。它的主要任務是對三峽電站調峰引起的不穩定下泄流量進行反調節，避免對下游航運造成不利的影響。

1.2 水庫功能

1.2.1 防 洪

防洪是三峽工程首要任務，在三峽工程論證、初步設計、優化調度不同階段對三峽水庫防洪調度方式進行了大量的研究，最終形成了當前對荊江補償調度和兼顧城陵磯補償的調度方式。根據批復的三峽調度規程要求：1 -4月三峽水庫按不小于6 000 m3/s 控制下泄流量(同時滿足葛洲壩下游廟嘴水位不低于39 m的要求)，至5月25日水庫水位逐步降至不高于155 m，6月10日消落至汛限水位，確保汛期221.5 億m3防洪庫容充分釋放[7]。

1.2.2 發 電

三峽電站裝機容量22 500 MW，設計多年平均發電量882 億kWh，是世界上裝機容量最大的水電站，在全國電網互聯格局中處于中心位置，其投產運行向華中、華東和南方電網送電，有效緩解了受電區域用電緊張局面。受當前我國能源結構、電網負荷特性等因素影響，實時運行對三峽電站電力質量與發電量提出了較高要求，且三峽電站需深度參與電力系統調峰運行，其調峰幅度又受制于葛洲壩可用機組和調節庫容，日常發電計劃編制需統籌考慮三峽-葛洲壩梯級電站。

1.2.3 航 運

宜昌至重慶河段長660 km，流經丘陵和高山峽谷，在三峽工程建設以前，受制于自然地理條件航道水流湍急，分布大量暗礁和險灘，嚴重地制約了航道通航能力，其河段年單向通過能力只有1 000 萬t。三峽工程投運并蓄水至175 m運行，使得庫區江面寬度由蓄水前150～250 m 變為400～2 000 m，平衡抬升水深約40 m，航道內主要灘險均被淹沒，航行條件得到根本改善。

2 生態調度啟動條件

2.1 水 溫

長江四大家魚的產卵繁殖季節在每年 4 月下旬至7 月上旬，產卵活動與其產卵場水域的水溫、水流流態等一系列要素密切相關，其中水溫是影響四大家魚繁殖的主要外界條件之一[8]。研究發現，四大家魚繁殖的最低水溫為18 ℃，水溫低于18 ℃，則繁殖活動被迫終止，20～24 ℃為其最適宜繁殖水溫范圍，水溫低于18 ℃不能夠促進四大家魚自然繁殖[9]。

三峽水庫蓄水前，宜都斷面四大家魚年內首次產卵時間為4 月中旬至5 月初，蓄水后產卵時間有所推遲。分析宜昌站長系列水溫資料，表明受三峽建庫影響宜昌斷面4、5月份水溫較建庫前分別降低2.3、1.7 ℃，從而導致四大家魚適宜產卵時間推遲。三峽水庫蓄水以來，宜昌站水溫變化過程如圖1所示，水溫達到18 ℃的日期基本推遲至5月上旬，水溫達到四大家魚繁殖適宜時間由蓄水前的4月下旬推遲至5月上旬。綜合考慮水溫因素，生態調度適宜實施時間為5月上旬-7月上旬。

圖1 三峽水庫蓄水以來宜昌站水溫曲線統計

2.2 來 水

研究表明魚類產卵與河道漲水過程、漲水持續時間及河道水流流態變化相關，漲水過程持續時間越長、漲水期間河道水流流態變化越劇烈，則越有利于魚類產卵[10]。柏海霞等對宜昌站下游宜都斷面產卵場不同流量下斷面流速進行模擬分析，顯示宜都斷面產卵場流量低于10 000 m3/s時流速分布較為均勻穩定，產卵場江段河道流量在10 000～20 000 m3/s之間變化時流速變化最為劇烈，流量超過30 000 m3/s時產卵場流速分布均勻穩定[11]。2011-2018年三峽水庫連續8年共實施了12次生態調度試驗，試驗總時長74 d，試驗期間監測到宜都斷面四大家魚產卵總量31.8億粒，占監測期間(5月15日-7月15日)四大家魚繁殖總量的48%，生態調度效果顯著。監測結果如圖2所示,表明流量在12 000～25 000 m3/s期間繁殖現象發生較為集中，超過30 000 m3/s之后產卵發生概率較小。

圖2 宜都斷面產卵場流量與卵密度關系

綜合研究成果和生態調度實踐，生態調度流量宜控制在10 000～25 000 m3/s以創造適宜的水力學條件，水流變化過程需持續不少于3 d，每天平均增加1 000～2 000 m3/s。

生態調度要求四大家魚產卵場水溫達18 ℃以上，三峽建庫以來宜昌站歷年水溫監測結果顯示產卵場水溫達到18 ℃水溫時間主要出現在5月上中旬，至6月水溫逐步上升至24 ℃左右，統計三峽水庫建庫以來相應時段入庫流量，結果如圖3所示。三峽水庫建庫以來5月上旬至6月下旬平均入庫流量逐步增加，流量范圍在9 230～19 500 m3/s之間。以三峽水庫建庫后5月上旬至6月下旬平均入庫流量和三峽水庫水位日降幅按不超0.6 m測算，開展生態調度可控制三峽水庫出庫流量10 000～23 200 m3/s，滿足生態調度所需的10 000～25 000 m3/s流量條件。

圖3 2003-2018年5-6月三峽分旬入庫流量過程圖

3 運行約束及模型構建

3.1 運行約束

三峽水庫生態調度適宜啟動時間為5上旬至7月上旬，期間三峽水庫處于集中消落期至汛期過渡階段，運行面臨防洪、發電、航運等相關約束。三峽工程通航論證中要求實現萬噸級船隊從重慶直達武漢，其保證率應不低于50%?？紤]水庫運行特性和通航保證率要求，經過大量研究論證三峽水庫調度規程中規定：一般情況下，4月末三峽水位不低于枯水期消落低水位155 m，同時消落期水庫水位日降幅按不超0.6 m控制[7]。三峽-葛洲壩梯級電站是緊密聯系的整體，葛洲壩電站對三峽電站由于調峰運行下泄的非恒定流進行調蓄，確保下游航運安全。梯級電站運行需滿足安全和經濟運行要求，其中經濟運行要求電站不棄水。綜合考慮三峽-葛洲壩梯級水庫運行目標，生態調度期間約束條件如下：

(1)三峽水庫水位日消落約束：H1-H2≤0.6 m，其中H1為日初水位，H2為日末水位。

(2)三峽日出力約束：N1-N2≤300 萬kW，其中N1為高峰時段出力，N2為低谷時段出力，生態調度期間三峽調峰量按不超300 萬kW控制。

(3)葛洲壩不棄水約束：Q三≤Q葛，其中Q三為三峽高峰出庫，Q葛為葛洲壩滿發流量。

(4)流量日變幅約束：1 500 m3/s≤Q2-Q2≤2 000 m3/s，其中Q1為當日三峽水庫出庫流量，Q2為第二日三峽水庫出庫流量。

3.2 模型構建

3.2.1 模型計算流程

水庫調度可采用常規調度模型和優化調度模型進行調度過程的模擬，生態調度方案主要控制水庫出庫流量滿足要求，可采取常規調度模型進行模擬。常規調度模型計算一般分為水位控制模式、流量控制模式、出力控制模式和混合控制模式四種類型，計算依據為水量平衡原理，水量平衡計算公式如下：

W入-W出=ΔV

(1)

式中：W入為時段內入庫水量，m3；W出為時段內出庫水量，m3；ΔV為時段內水庫庫容變化量，m3。

生態調度期為控制三峽水庫出庫流量滿足要求采取流量控制模式，流量控制模式首先將出庫流量用來發電，當出庫流量超過最大發電流量時為其他出庫流量，其中計算三峽水庫出庫流量計算公式如下：

Q出庫=Q發電+Q其他出庫

(2)

式中：Q出庫為水庫出庫流量；Q發電為電站發電流量；Q其他出庫為包含泄洪流量 、船閘用水流量。

依據以水定電的方式確定三峽發電計劃，三峽電站發電流量計算公式如下：

N=KQ發電H

(3)

式中：N為電站的平均出力；Q發電為電站發電流量；H為發電凈水頭；K為電站綜合出力系數。

計算采用三峽水調自動化系統的發電調度模塊，流量控制模式計算流程如圖4所示，首先根據三峽水庫時段初水位、入庫流量、出庫流量計算電站出力和末水位，依次判斷三峽水庫出庫流量、電站出力、末水位是否滿足約束條件，若不滿足則按相應的約束值反算其他發電指標至各項值滿足約束要求。

圖4 已知出庫流量求出力流程圖

3.2.2 模擬結果評價

為驗證模型模擬精度，應用模型對實際發生的調度過程進行模擬，以電站出力作為評價指標將模擬結果同實際運行過程進行對比，選取2018年5-7月逐日三峽水庫實際運行數據進行測算，模擬結果見表1所示。

表1 流量控制模式計算出力與實際出力偏差表

模擬結果表明5-7月流量控制模式下出力偏差平均值和相對誤差較小，模擬誤差在可接受范圍內。5-6月三峽水庫不棄水時最大單日出力誤差360 MW，由此引起的水位控制偏差約0.05 m。7月隨著三峽水庫出庫流量增加，模擬誤差逐步增大，表明模擬誤差跟出庫流量呈現正相關。

4 結果及討論

監測資料和相關研究成果表明四大家魚繁殖活動最早開始時間為每年的4月28日，最晚開始時間為5月10日，最早結束時間為6月15日，最晚結束日期為7月5日，一般認為四大家魚自然繁殖時期為每年的5-7月份[12]。 以5-7月調度期三峽水庫入庫流量、運行控制目標、葛洲壩棄水約束和電網負荷特性為邊界，模擬不同時間啟動生態調度并對結果進行分析。

4.1 5月上中旬

5月上旬至中旬三峽水庫水位需從160 m消落至153 m左右，日均消落水位0.35 m。綜合考慮5月上中旬三峽水庫調度目標、入庫流量、相關約束，模擬結果見表2。

表2 三峽水庫5月上中旬生態調度模擬結果

模擬結果表明5月上中旬開展生態調度葛洲壩電站無棄水風險，且對三峽水庫水位消落無影響。當三峽入庫流量為5月上旬平均入庫流量8 600 m3/s時，受三峽水庫日消落水位不超0.6 m制約，三峽水庫開展生態調度初始出庫流量可由10 000 m3/s增加至13 000 m3/s，生態調度可持續3 d。當入庫流量較8 600 m3/s偏小時不滿足生態調度相關要求，因此開展生態調度需三峽入庫流量不低于8 600 m3/s。實時調度中預報三峽入庫流量不低于8 600 m3/s時，監測宜昌站水溫滿足條件可按三峽水庫初始出庫流量10 000 m3/s擇機啟動生態調度。

4.2 5月下旬至6月上旬

5月下旬至6月上旬三峽水庫水位需從153 m消落至145 m左右，日均消落水位0.42 m。綜合考慮5月下旬至6月上旬三峽水庫調度目標、入庫流量、相關約束，模擬結果見表3。

表3 三峽水庫5月下旬至6月上旬生態調度模擬結果

模擬結果表明5月下旬至6月上旬三峽水庫入庫水量疊加可補水量滿足生態調度流量啟動條件，開展生態調度主要受三峽水庫消落目標和葛洲壩電站棄水因素制約。5月下旬至6月上旬最小和平均來水條件下開展生態調度 考慮模型模擬誤差存在三峽水庫日消落水位超0.6m風險。5月下旬至6月上旬最大來水條件下開展生態調度將導致葛洲壩電站棄水。

4.3 6月中下旬及后期

6月中下旬及后期，宜昌站水溫基本在21～24 ℃，滿足生態調度適宜的水溫條件，期間三峽入庫流量基本超葛洲壩電站滿發流量，生態調度可無需兼顧葛洲壩電站棄水因素。在保證防洪安全前提下，三峽水庫可提前抬升庫水位預蓄部分水量為生態調度創造條件，生態調度期間通過逐步加大三峽水庫出庫流量維持3天以上的漲水過程，最大出庫流量考慮三峽電站可用機組和電網負荷需求綜合擬定。

5 結 論

本文以三峽水庫開展生態調度面臨的實際約束為邊界，通過分析不同時間啟動生態調度的可行性，得出以下結論：

(1)5月上旬至5月中旬三峽入庫流量不低于8 600 m3/s時，監測宜昌站水溫滿足生態調度水溫條件可擇機啟動生態調度，期間開展生態調度可避免葛洲壩棄水同時不影響三峽水庫汛前消落。

(2)5月下旬至6月上旬開展生態調度將影響三峽水庫汛前消落，增加三峽水庫日消落水位超0.6m風險，且易導致葛洲壩電站棄水。

(3)6月中下旬及7月可根據長江上下游水情擇機開展生態調度，為確保生態調度持續時間可適當抬升三峽庫水位預蓄部分水量，待生態調度結束后逐步將庫水位消落至汛期限制水位范圍。

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