毛爾蓋水庫經濟優化調度研究與實踐

任良均

（中國電建集團阿壩水電開發有限公司，四川 阿壩 623500）

水庫經濟優化調度是為了充分發揮水庫調蓄能力和合理處理水庫蓄泄關系，將水能資源在時間上優化再分配，達到節水創效的目的。本文通過分析毛爾蓋水庫近年來棄水量、發電量等經濟運行指標，闡述影響水庫經濟調度的制約因素，研究水庫經濟優化調度策略，采取升級水情自動測報系統，并接入數值氣象預報成果延長水情預報的預見期，結合流域水文特征優化電量指標分配，科學評估水庫大壩健康狀態，放寬水庫水位限制條件，建立水庫調度會商機制等措施，提升水庫水能利用率，降低機組耗水率，減少棄水量，增加發電收益。

1 毛爾蓋水庫概況

毛爾蓋水庫是岷江上游最大支流黑水河上的龍頭水庫，位于四川省阿壩藏族羌族自治州黑水縣境內，屬國家二等大（2）型工程，電站為混合式開發，開發任務為發電并兼顧向成都灌區供水。毛爾蓋水電站裝機容量426 MW（3×140 MW+1×6 MW），設計年均發電量16.87 億kW·h，年設計利用小時數4 017 h。水庫有溢洪道和泄洪放空洞2 個泄洪設施，攔河大壩為礫石土直心墻堆石壩，壩頂高147 m、寬12 m、長527.3 m。水庫正常蓄水位2 133 m，死水位2 063 m，正常蓄水位以下庫容5.35 億m3，調節庫容4.43 億m3，具有年調節能力，2011 年10 月21 日首臺機組正式并網發電。毛爾蓋水庫特征，如圖1所示。

圖1 毛爾蓋水庫特征

2 研究背景

毛爾蓋水庫自蓄水以來，主要存在以下3 個方面的問題，導致水庫經濟效益未達到設計要求。

（1）自蓄水以來，因大壩存在滲水以及邊坡變形等尾工遺留問題，為保障大壩工程安全，對水庫水位上升和下降速率進行嚴格限制，水庫調蓄能力不能按照設計要求進行充分發揮。

（2）水庫泄洪放空洞為水位2 124 m以下唯一泄洪設施，根據設計要求須采用間隙性全開方式泄洪，局部開啟將會因為補氣不足導致負壓產生而損毀流道，造成經濟損失。

（3）大壩下游減水河段被當地村民非法侵占，行洪能力逐年下降，瓶頸處流量由800 m3/s 下降至400 m3/s左右，威脅防洪安全。

正因為水庫調度受到諸多條件約束，處于上不能蓄水、下不能泄洪的境地，這不僅影響水庫經濟運行，而且在汛期還給水庫構成較大的安全風險。水電站投運以來年均發電量為15.8 億kW·h，較設計年均發電量16.8 億kW·h 減少1 億kW·h，年均棄水量4.1 億m3，占來水總量的12.4 %。水庫經濟效益沒有達到設計要求，為充分發揮水庫調蓄能力、提升水庫運行經濟效益，開展了水庫經濟優化調度研究。

3 水庫調度制約因素

3.1 水情預報能力弱

毛爾蓋水庫水情測報系統由壩址以上7 個雨量站、3個水文站、2個水位站和1個中心站組成。系統自施工期建成起至今已運行超過10 a，遙測站設備老化問題嚴重，設備故障率較高，數據傳輸的暢通率低延遲率高，水情服務器運行遲緩故障率較高，水情數據缺失嚴重，水情預報精度不滿足要求。毛爾蓋壩址以上3個水文站原本是水庫施工期使用的水文站，因水庫蓄水后水面抬升，與水庫庫尾水面距離較近，導致水庫運營期洪水預報的預見期不足9 h，無法為水庫經濟調度和防洪調度提供合理的水情預報成果。毛爾蓋水庫水情自動測報系統站網分布，如圖2所示。

圖2 毛爾蓋水庫水情自動測報系統站網分布

3.2 水庫水位上升和下降速率限制約束

自蓄水以來，受大壩壩基滲水以及距壩址右岸500 m 處的漁巴渡變形體影響，為保障水庫及大壩工程安全，對水庫水位上升和下降速率進行了嚴格限制，從而使水庫不能過多地攔蓄和消落水量，極大地限制了水庫的調蓄能力。毛爾蓋水庫水位上升和下降速率限制，詳見表1。

表1 毛爾蓋水庫水位上升和下降速率限制

3.3 泄洪放空洞運行方式約束

泄洪放空洞為毛爾蓋水庫2 124 m以下唯一泄洪設施，也是水庫泄洪和放空的重要泄水設施。泄洪放空洞局部開啟因補氣不足導致負壓產生而損毀流道，從而造成經濟損失，因此設計要求泄洪放空洞采用間隙性全開方式運行。但在實際的運行過程中，泄洪放空洞下泄流量較大，根據泄洪放空洞泄流曲線，水位在2 100 ～2 124 m全開下泄流量為400～480 m3/s，超過下游減水河段行洪能力，且全開泄洪可能形成人造洪峰，威脅下游人民生命財產安全。根據水位上升速率要求，2 124 m以下只能通過開啟泄洪放空洞調節水位上升速率，局部開啟泄洪放空洞將因補氣不足產生負壓，使流道損毀造成經濟損失，因此泄洪放空洞在運行方式上矛盾突出，實際運行過程中基本無法執行。毛爾蓋水庫泄洪放空洞全開敞泄流曲線，如圖3 所示。

圖3 毛爾蓋水庫泄洪放空洞全開敞泄流曲線

3.4 流域來水與電力需求矛盾突出

根據黑水河水文特征，結合毛爾蓋水庫棄水分析，黑水河5月進入雨季，6、7月來水量最大，占全年來水量的33.3 %，而8 月多為伏旱天氣來水相對偏少，占全年來水量的11 %。近年來，因四川省電力產能過剩且電力市場改革不斷深入，在6、7 月來水大時因市場電量指標難以滿足而產生棄水，水庫6、7 月平均棄水量2.2 億m3，占全年棄水總量的56%，棄水電量1.2 億kW·h。8 月來水偏少，而電網因夏季用電高峰負荷需求大，水庫多為消水運行。黑水河天然來水及電力市場電量指標分配不均，導致6、7 月電量指標不足產生棄水而8 月缺水電量指標多的矛盾比較突出。黑水河流域月均降雨徑流關系，如圖4所示。

圖4 黑水河流域月均降雨徑流關系

4 優化措施

4.1 強化大壩本質安全，提升水庫調蓄能力

毛爾蓋水庫大壩因存在滲水及邊坡變形等問題，故對水庫水位上升和下降速率進行限制，使水庫調蓄能力不能得到充分發揮。通過對大壩進行帷幕灌漿處理后，大壩滲水量由240 L/s降至70 L/s，滲水量得到大幅度減小，達到灌漿處理效果。同時，通過加強大壩各部位監測并在國家能源局大壩安全監測中心登記注冊，綜合評定毛爾蓋大壩安全等級為甲級。鑒于此，將水庫水位上升和下降速率在原有條件基礎上增加0.5 m/d，從而提升水庫調蓄能力，為水庫經濟優化調度提供先決條件。

4.2 提升水情測報系統預報能力

獲取高質量的水文情報，提升水情預報成果的合理性，是水庫優化調度的基礎。鑒于水情測報系統基本不具備預報能力，2019 年對毛爾蓋壩址上游7個雨量站和3個水文站進行硬件更新，對水情測報系統軟件進行更新升級，增加洪水預報功能，提升水情自動測報系統運行穩定性和遙測站數據采集傳輸的可靠性。與上游水電站開展水情信息共享，提升水情自動測報系統站網密度，水情信息共享后毛爾蓋壩址以上站網密度由532 km2/站提升至295 km2/站，提升了水情測報系統數據的準確性。經過運行，2019 年水情測報系統數據暢通率98.18%，滿足了《水文自動測報系統設備通用技術條件》（GBT 27994-2011）要求，達到預期效果。

毛爾蓋水庫回水長度12 km，壩址以上3 個控制性入庫水文站為施工期水文站。水庫蓄水后，這些水文站基本在庫尾，雖然對水文站設備進行了更新，依然不能解決水情測報系統預見期短的問題。利用現代數值化氣象成果，通過將歐洲中期天氣中心（ECMWF）數值氣象預報成果接入水情測報系統，采用新安江洪水預報模型進行洪水預報等措施，將洪水預報預見期由9 h 延長至24 h，宏觀趨勢預判期延長至72 h。2019—2020 年，水庫按照3、6、9 h 預報方案，成功預報了 300 m3/s 量級洪水13 場、400 m3/s 量級洪水 5 場、500 m3/s 量級洪水 3場、600 m3/s 量級洪水 3 場、800 m3/s 量級洪水 1 場。從表2 可以看出，2019—2020 年汛期水庫洪水預報合格率達96 %，滿足了《水文情報預報規范》（GBT 22482-2008）要求，預報精度等級達到甲級水平。

表2 2019—2020年汛期毛爾蓋水庫洪水預報和精度評定

4.3 建立科學可行的水庫調度制度

毛爾蓋水庫運行已有近10 a，水庫調度的各項邊界條件和電力市場已經發生較大變化，之前的水庫調度規程、汛期運用方案、防汛預案雖然每年進行修編，但是操作性不強，無法在實際中正確指導水庫經濟調度工作。經過認真研究制約水庫調度的各項因素，結合大壩下游減水河道行洪能力不足、泄洪放空洞運行限制條件等，根據具體情況編修具有可操作性的《毛爾蓋水庫調度運行規程》《毛爾蓋水電站水庫汛期水調度運用方案》《毛爾蓋水庫防洪搶險應急預案》等水庫調度規程，明確水庫在遇到各種量級洪水時的調度策略以及閘門泄洪組合方式，并將水庫調度制度報地方主管部門審核備案，為水庫調度提供制度保障和依據。

4.4 建立水庫調度會商機制

水庫經濟優化調度是一個涉及水情預報、電力營銷、防洪安全等多領域的綜合性工作。為制定科學合理的水庫調度策略和避免出現“拍腦殼”式的調度方式，建立水庫調度會商機制，汛期每周定期或不定期地開展水庫經濟優化調度會商。多方收集氣象、防洪、電力市場等信息，統籌水情預報、電力市場需求、機組檢修方式等各方資源和信息，科學研判電力市場供需形勢，結合水情預報成果提高洪水預判能力，合理安排水庫蓄泄策略，制定科學可行的水庫調度計劃。

4.5 結合流域水文特征，優化電力營銷策略

根據黑水河水文特征和水庫棄水分析發現，天然來水量和電網負荷需求在時間上分配不均衡是導致水庫局部棄水的主要原因。在水庫調度會商的基礎上，積極開展全員電力營銷工作，在5 月通過電力市場和外送等通道尋求更多的電量指標，將5月水庫水位控制在2 093 m（額定水頭對應水位）以下，預留一定庫容來攔蓄6—7月中旬的洪水量。6、7月來水多時通過電力營銷平臺轉入電量指標，而8月水少時通過電力營銷平臺轉出電量指標，通過合理調節電量指標分配，減少水庫汛期局部棄水量，增加發電量。

5 取得成效

2019年實施毛爾蓋水庫經濟優化調度措施以來，水庫各項指標較好，水庫經濟優化調度成效顯著。

2019 年，毛爾蓋水電站全年完成發電量18.45億kW·h，同比上升4.2%，超設計平均發電量9.4%；水庫平均運行水位2 112.4 m，同比提升5.7 m；全年產生棄水量2.96 億m3，同比下降49.1 %，是水庫自運行以來棄水量最少的一年；全年水庫水量利用率91.8 %，同比提升7.5 %；水能利用率78.19 %，同比提升5.54 %；機組平均耗水率1.765 m3（/kW·h），同比降低2 %；每度電節約用水0.036 m3，全年節約用水6 642 萬m3；節水增加發電量0.38 億kW·h，節水創收1 163 萬元。

2020年，毛爾蓋電站全年完成發電量21.3 億kW·h，同比（18.45 億kW·h）上升15.45 %，較多年（16.66億kW·h）同比上升27.85 %；水庫平均運行水位2 114 m，同比提升1.6 m，多年同比提升8.2 m，平均運行水頭同比提升0.5 %；水能利用率79.7%，同比提升1.9%；機組平均發電耗水率1.745 m3（/kW·h），同比降低1.13 %；每度電節約用水0.02 m3，全年節約用水4 162 萬m3，相當于增加發電量0.24 億kW·h、發電收入739 萬元。

6 結語

本文通過對毛爾蓋水庫經濟調度現狀進行研究分析，找出影響水庫經濟調度的制約因素，對制約因素進行逐一突破解決，通過提升水情測報能力、強化大壩本質安全、建立水庫調度會商機制等優化措施，根據黑水河水文特征以及電網負荷需求等特點，制定科學可行的水庫經濟調度策略。實踐表明，通過實施水庫經濟優化調度措施，提高了水庫運行管理水平，充分發揮了水庫調蓄能力，水庫各項經濟指標得到大幅度提升，創造了較好的經濟效益。