豐滿-尼爾基水庫群聯合優化調度方案研究

樊祥船，劉恩鵬，劉玉青

(中水東北勘測設計研究有限責任公司，吉林 長春 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。工程任務是以發電為主，兼顧防洪、城市及工業供水、灌溉、生態環境保護，并具有旅游、水產養殖等效益。水庫正常蓄水位263.5m，死水位242.0m，汛期限制水位260.5m，總庫容103.77億m3，興利庫容56.72億m3，具有多年調節性能；重建后電站裝機容量1480MW，設計保證出力146MW。

尼爾基水庫位于嫩江干流中游，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。工程任務是以防洪、城鎮生活和工農業供水為主，結合發電，兼顧改善下游航運和水生態環境，并為松遼流域水資源優化配置創造條件。水庫正常蓄水位216.00m，死水位195m，汛限水位213.37m，總庫容86.10億m3，興利庫容59.68億m3，具有多年調節性能；電站裝機容量250MW，設計保證出力18MW。

松花江流域(哈爾濱以上)主要用水集中在豐滿水庫和尼爾基水庫以下，當遭遇連續枯水年時，河道水量不足，河道內生態和航運用水受到嚴重威脅，航運流量難以滿足要求。徑流資料顯示松花江流域干支流徑流量從1956年以來有下降的趨勢[1]，未來流域用水矛盾將愈加緊張。

豐滿、尼爾基水庫之間為并聯關系，水庫之間無直接水力聯系，但在保障松花江干流(哈爾濱以上)河道生態流量以及通航流量等方面可共同發揮作用。兩庫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]，說明來水條件總體有利于兩庫聯合運用。而目前豐滿、尼爾基兩庫是按單一水庫規則進行調度，沒有考慮聯合補償作用。因此，有必要開展水庫群聯合調度研究，通過對比分析，提出切合實際可操作的聯合調度方案。

2 聯合調度模型建立

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大區間。將流域的豐滿、尼爾基水庫群作為研究對象，根據流域多年長系列徑流數據，綜合考慮河道內和河道外各行業用水需求，建立水庫群興利調度數學模型，以充分發揮水庫群的聯合調節作用。

2.1 需水量分析

2.1.1河道外用水需求

依據松花江流域水資源綜合規劃和第二松花江、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、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河道內用水需求

河道生態流量選取扶余、大賚、哈爾濱3個斷面為主要控制斷面，按照P=90%時的最小生態環境流量和最小生態環境需水量雙重控制(見表1)，枯水期為11月—次年4月，豐水期為5—10月。規劃哈爾濱斷面通航流量(5—10月，P=90%)為550m3/s。

表1 控制斷面最小生態流量和生態環境需水量指標

2.2 模型建立及求解

根據水資源四級分區，尼爾基水庫供水區間分為尼爾基—塔哈區間、塔哈—江橋區間、江橋—白沙灘區間、白沙灘—三岔河區間、三岔河—哈爾濱區間。主要引水工程作為單獨的節點調節計算，干流其余引水工程并入嫩江干流區間按區間計算。豐滿水庫供水區間為豐滿水庫—哈達山區間和哈達山—三岔河區間兩個干流區間。支流下泄水量匯入相應的干流區間，支流缺水干流不補。

根據流域河流水系特點及水庫工程布局，按照各計算單元、水利工程、調水工程之間的傳輸關系及水力聯系，將計算單元與工程節點通過概化的線路相連接，建立以天然水資源在尼爾基和豐滿水庫單庫調度運行下的供給與需求之間平衡計算為基礎的調度模型。

水庫聯合優化調度模型重點研究兩個水庫蓄放過程對下游各興利目標用水過程的影響，充分發揮水庫間的水文補償與庫容補償作用，最大程度滿足不同用戶用水要求。模型綜合考慮供水、發電、航運、生態等不同目標之間的相關關系，在建模過程中以發電效益最大、河流生態及航運影響最小為模型目標函數進行兩庫多目標聯合調度。

2.2.1目標函數

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

maxE=(N1+N2)·7.3×10-6

(1)

(2)

(3)

(4)

(5)

式中，E—豐滿水庫、尼爾基水庫系統調度運行期內的總發電量，kW·h；P—哈爾濱斷面航運用水保證率；N1、N2—豐滿、尼爾基電站的發電出力，MW；T—時段總數；Th—航運用水時段總數；βi—航運用水不足時段數；A′、A″—豐滿、尼爾基電站出力系數，豐滿電站取8.6，尼爾基電站按運行經驗取8.0；q′t、q″t—豐滿、尼爾基電站在t時段的發電流量，m3/s；h′t、h″t—豐滿、尼爾基電站在t時段的凈水頭，m，為上下游水位之差減去水頭損失；q哈、qh—在i時段哈爾濱斷面流量以及最低航運流量，m3/s。

2.2.2約束條件

(1)水量平衡約束：

W上區來水+W本地水+W調入水量+W回歸水-W地表供水量-W調出水量-W蒸滲損失-W下泄水量=0

(6)

W入庫水量+W調入水量-W蒸滲損失-W供水量-W調出水量-W棄水量=0

(7)

(2)水庫蓄水量約束：

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t時段蓄水下限，對應各水庫的死庫容，m3；V′max，t、V″max，t—豐滿、尼爾基水庫t時段蓄水上限，m3。

(3)水輪機過水流量約束：

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時段最大發電引用流量，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容量，MW。

(5)水庫水位約束：

Z′1=Z′T

(14)

Z″1=Z″T

(15)

式中，Z′1、Z″1—豐滿、尼爾基水庫起調水位，m；Z′T、Z″T—調度運行期末時段豐滿、尼爾基水庫水位,m。

(6)其他約束：

在模型計算過程中，還要保證水庫下游各供水單元供水保證率以及各控制斷面生態供水保證率滿足設計保證率的要求。

2.2.3模型求解

構建水庫群聯合優化調度模型，應用模擬和優化相結合的方法對模型進行求解，在求解過程中，以各水庫調度圖中調度線上的關鍵控制點以及不同目標供水量作為決策變量求解聯合調度模型。考慮到豐滿水庫和尼爾基水庫聯合調度的多目標性，模型中兩庫聯合調度問題是一個多目標決策問題，不僅包括水庫間的多目標，同時也包括水庫自身的多目標問題。本文在模擬優化過程中，采用多目標遺傳優化算法NSGA-II通過模擬-優化模式進行歷時迭代，最終得到一組多目標組成的非劣解及其對應的聯合調度規則，并從中選擇出符合決策要求的聯合調度規則。

3 水庫群聯合調度方案

3.1 方案制定

豐滿水庫和尼爾基水庫原有調度方案均是按單一水庫規則進行興利調度，其中豐滿水庫采用豐滿水電站重建工程可行性研究報告的調度規則(如圖1所示)，尼爾基水庫采用尼爾基水利樞紐工程初步設計的調度規則(如圖2所示)。

圖1 豐滿水庫可研階段調度圖

圖2 尼爾基水庫初設階段調度圖

為充分挖掘兩座水庫潛力，尋求滿足水庫下游各業用水、生態、航運要求前提下，兩庫發電效益(保證出力和多年平均發電量)最大的方案，重新制定兩庫的水庫調度圖和調度規則。其中，豐滿發電調度圖調整為發電與供水相結合的調度圖，在補償供水期增加放流目標。兩庫聯合優化調度規則見表2—3。兩庫補償供水期放流目標如圖3—4所示。兩庫優化調度圖如圖5—6所示。

圖4 尼爾基水庫補償供水期放流目標

圖5 豐滿水庫優化調度圖

表2 豐滿水庫優化調度規則

3.2 聯合調度結果及分析

根據1956—2010年長系列徑流資料，分別采用常規調度規則和聯合優化調度規則對豐滿水庫和尼爾基水庫進行模擬計算，分析多年運行特性和統計興利指標，特別是河道內生態環境流量和航運流量的滿足情況(見表4)。聯合優化調度方案與常規方案的相比，發電量略有減少，但下游供水設計保證率和破壞深度同時滿足要求，多年平均供水量增加；哈爾濱航運流量保證率從82.18%提高到90.00%，可滿足通航要求。可見聯合調度方案發揮了水庫群聯合補償作用，是在不破壞供水的前提下提高哈爾濱的航運流量保證率，同時對兩庫發電效益影響程度降至最小，即滿足哈爾濱的航運流量保證率情況下，豐滿和尼爾基綜合發電效益最大的調度方案。

表3 尼爾基水庫優化調度規則

表4 聯合調度方案優化效果比較

圖6 尼爾基水庫優化調度圖

4 結語

經上述研究可知，在松花江流域(哈爾濱以上)2030水平年需水情況下，豐滿水庫和尼爾基水庫原有單庫調度方案不能滿足流域綜合興利要求。本次建立聯合調度模型、制訂優化方案協調供水、發電、灌溉、生態流量保障等相互關系，解決了區間供水的集中性破壞問題，并明顯提高了通航保證率，取得了理想的結果，研究成果可以為流域水資源優化配置與水量調度提供參考。需要指出的是，豐滿和尼爾基兩庫到哈爾濱的徑流傳播時間均較長，建議在實際運行中加強水文預報，并協調水電站管理單位適時調整水庫放流量，以更好地達到預期的聯合調度效果。