黑河黃藏寺水利樞紐優化調度研究

李瑩瑩 陳子豪 楊建順 唐娜 董國濤

摘 要：黑河流域水資源開發利用所帶來的生態環境問題由來已久，隨著流域經濟社會的不斷發展，農業灌溉用水和綠洲生態用水矛盾日益突出，位于黑河干流上游的黃藏寺水利樞紐工程建成運行后，將控制黑河上游來水總量的65%～84%，處于黑河水資源工程管理體系的核心位置。為充分發揮黃藏寺水利樞紐在黑河水資源配置中的重要作用，在調查收集黑河干流水文、氣象、中下游用水規律、河道輸水效率、黃藏寺水利樞紐和下游梯級電站設計標準的基礎上，建立了優化調度模型，采用多目標遺傳算法求解模型，制定滿意度考核標準，確定水庫調度運行方案。研究結果表明，該模型可有效提高黑河水資源調度的科學性和公平性，具有較高的可操作性和靈活性，可為黃藏寺水利樞紐調度運行提供理論支撐。

關鍵詞：黃藏寺水利樞紐;優化調度;遺傳算法;黑河

中圖分類號：TV697

文獻標志碼：A

doi：10.3969/j.issn.1000-1379.2021.11.027

引用格式：李瑩瑩，陳子豪，楊建順，等.黑河黃藏寺水利樞紐優化調度研究[J].人民黃河，2021，43（11）：140-146.

Study on Optimal Operation of Heihe Huangzangsi Water Control Project

LI Yingying1， CHEN Zihao ?YANG Jianshun1， TANG Na ?DONG Guotao4

（1.Heihe Huangzangsi Water Control Project Construction & Management Bureau， Lanzhou 730030， China;

2.Lanzhou Jiaotong University， Lanzhou 730070， China; 3.Heihe Water Bureau， Lanzhou 730030， China;

4.Heihe Water Resources and Ecological Protection Research Center， Lanzhou 730030， China）

Abstract： The development and utilization of water resources in HeiheRiver basin have brought about ecological and environmental problems for a long time. With the continuous development of the basin economy and society， contradictions between agricultural irrigation water and ecological water oasis are increasing. After the completion and operation of the Huangzangsi Water Control Project， which is located on the upstream of Heihe River， it will control 65%-84% of the total inflow from the upstream of the river and will be in the core of Heihe River water resources project management system. In order to give full play to the Huangzangsi Water Control Project the important role of water allocation in the Heihe River， based on the investigation and collection of hydrology and meteorology of the main river， water use law and water conveyance efficiency in the middle and lower reaches， the design standard of the project and cascade hydropower stations on the lower reaches， it established an optimal scheduling model， formulated the satisfactory solution assessment standard and determined the reservoir operation scheme by using multi-objective genetic algorithm model. The results show that the model can effectively improve the scientificity and fairness of Heihe water resources dispatching and has higher operability and flexibility， which can provide theoretical support for the dispatching operation of Huangzangsi Water Control Project.

Key words： Huangzangsi Water Control Project; optimal scheduling; genetic algorithm; Heihe River

黑河發源于青海省祁連山脈，流經青海、甘肅、內蒙古三省（區），隨著黑河流域經濟社會的不斷發展，中游農業灌溉用水與下游綠洲生態用水矛盾日益突出。2000年黑河干流中游采取“全線閉口、集中下泄”的水量調度措施以來，有效緩解了下游生態環境的惡化。但是，黑河上游缺乏控制性調蓄工程，生態供水期與中游農業灌溉用水期重疊，水資源管理與調度仍面臨極大挑戰[1]。黑河上游正在興建的黃藏寺水利樞紐工程（黃藏寺水庫）建成后，將控制黑河上游來水量的65%～84%，處于黑河水資源工程管理體系的核心位置。黃藏寺水庫科學調度可有效改善黑河上游來水過程，保證下游生態關鍵期用水，減少中游灌區閉口時間，既能緩解中下游用水矛盾又能提升水庫和下游梯級電站發電效益。

我國水庫優化調度領域研究成果頗豐，多以保證經濟社會和生態環境用水、增加水庫發電效益、降低水庫棄水風險為目標建立優化調度模型[2-6]，根據模型特點采用不同的優化算法求解目標函數，主要采用動態規劃法[2-4]和遺傳算法[5-6]。目前，有關黃藏寺水庫優化調度的研究較少，不足以支撐水庫實際調度運行管理。趙夢龍[7]以灌溉用水、生態需水和發電量為目標構建了黑河干流梯級電站多目標調度模型，分析了黃藏寺水庫出庫流量與下游梯級電站出力的關系等。李凱等[8]根據黑河中下游水量調度實測數據，構建了下游河道輸水效率模型等。

本文在前人研究的基礎上，以黃藏寺水庫優化調度為研究重點，建立以提高黑河下游河道輸水效率、保障中游農業灌溉和下游綠洲生態用水、減少中游灌區閉口時間、提升黃藏寺水庫和下游梯級電站發電效益為目標的優化調度模型，采用遺傳算法（Genetic Algorithm，GA）求解模型，建立滿意度考核標準，分析比較不同考核標準下的調度模式，以期為黃藏寺水庫調度運行管理提供理論參考。

1 流域概況

黃藏寺水庫位于黑河干流上游，距青海省祁連縣城約19 km，壩址上游河道分為東西兩岔，西岔為黑河干流（野牛溝），設有札馬什克水文站，東岔為八寶河，設有祁連水文站，壩址距離東西兩岔交匯處11 km。黑河干流經黃藏寺壩址后進入黑河大峽谷，流經7座梯級電站，峽谷出口為鶯落峽，鶯落峽以上為黑河上游。鶯落峽至正義峽為黑河中游，全長204 km，該區域經濟社會用水主要來源于黑河干流、區間支流和地下水，黑河干流主要補給甘肅省張掖市、臨澤縣和高臺縣農業灌溉用水。正義峽以下為黑河下游，全長411 km，該區域氣候極為干燥，是戈壁、沙漠邊緣區，黑河干流主要補給綠洲生態用水。黑河干流主要節點概況[1]見圖1。

2 數據及其特征分析

2.1 壩址徑流量

本文采用黃藏寺水庫初步設計成果，包括鶯落峽、札馬什克和祁連水文站1967—2017年連續51 a實測流量資料。札馬什克、祁連水文站的測流斷面距黃藏寺水庫壩址約30 km，區間屬高寒山區，水面蒸發、河道滲漏和引用水量很小，洪水傳播時間約1.5 h，區內雖有支流匯入，但匯入水量小，對徑流量影響不明顯，兩站實測徑流量數據組成黃藏寺水庫壩址徑流量。

2.2 入庫徑流量與區間補水

1997年國務院批準的《黑河干流水量分配方案》（簡稱“97方案”）基于黑河干流鶯落峽斷面年徑流量（起訖時間為每年的12月至次年11月）分配中下游用水總量（見圖2），圖2中點1～點5分別對應鶯落峽來水保證率為90%、75%、50%、25%和10%時正義峽下泄水量（分配下游用水總量）。經計算分析可知，中游分配水量變化幅度較小，基本維持在5.8億～6.6億m 枯水期略高于豐水期，這主要與豐水期中游各支流來水量增加有關[9];分配下游水量受上游來水變化影響較大，維持在6.3億～13.2億m 豐水期分配水量顯著高于枯水期。

黃藏寺水庫建成運行后將影響鶯落峽來水過程，水庫的調度應結合入庫徑流量和壩址下游補水規律。采用皮爾遜Ⅲ型曲線對黃藏寺壩址連續50 a年徑流量數據（水利年起訖時間與“97方案”一致）進行配線，根據頻率曲線確定設計年徑流量，并從實測資料中選取代表年，代表年來水過程見圖3。由圖3可見，6—9月入庫徑流量較大，峰值出現在7—9月。

黃藏寺壩址與鶯落峽斷面月徑流量線性相關，見圖4。由圖4可見，隨著上游來水量的增加線性相關性愈加明顯，其中5—10月最為顯著（圖4中：Wr為黃藏寺壩址月徑流量，億m3;g為鶯落峽斷面月徑流量，億m3;g與Wr差值即為該月黃藏寺壩址至鶯落峽斷面區間補水總量）。

2.3 中下游用水規模

根據黃藏寺水庫初步設計成果，設計水平年（2030年）中游農業灌溉需黑河干流供水6.76億m 略高于“97方案”指標;維持下游綠洲生態現有規模需要黑河干流供水量7.09億m3/a，與“97方案”要求的下泄指標差距較大。中下游需水量年內變化過程見圖5，由圖5可見，中游主要用水時段為每年的4—8月、10—11月，其他月份需水量很小，其中4月和10月分別為春灌、冬灌開始時期，9月農作物進入成熟期;下游主要用水時段為每年的3—9月，其中3—4月是植物種子萌芽期，需水量相對較少但很迫切，7—9月地下水位埋深最大且植被蒸騰最強，同時8月也是植物播種期，需水量達到全年最大值。根據“全線閉口、集中下泄”的調度措施，中游每年采取3次閉口（4月1日至5月10日，7月10—20日，8月25日至10月25日）保障下游農業關鍵期用水，其中第1次閉口兼顧5—6月下游用水，全年閉口約110 d。

2.4 下游河道輸水效率和黃藏寺水庫調度時間

相關研究表明[8]，黑河下游河道蒸發滲漏損失與正義峽斷面來水總量、過流天數有關，來水總量越大、過流天數越小時，蒸發滲漏損失率越小。對正義峽—哨馬營段、哨馬營—狼心山段河道蒸發滲漏損失經驗公式解集進行比較（正義峽至狼心山段全長211.6 km，為黑河下游全長的51%），見圖6。當上斷面來水總量和過流天數相同時，正義峽—哨馬營段河道蒸發滲漏損失率明顯高于哨馬營—狼心山段，因此采用正義峽—哨馬營段的河道蒸發滲漏損失率經驗公式計算下游河道輸水效率。

將黑河下游月需水量代入河道蒸發滲漏損失率經驗公式，得到調度時長—河道蒸發滲漏損失率關系曲線，見圖7。由圖7可知，當黃藏寺水庫下泄的生態水量W′為0.225 8億m3時，即使調度時長為1 d，下游河道蒸發滲漏損失率已高達55%。因此，1月、2月、11月、12月黃藏寺水庫不再調度生態用水;3月底和4月初水庫集中向下游供水，以提高輸水效率;考慮到5月調度任務完成后水庫已基本降至死水位，庫存水量無法滿足5—6月聯調，將5月生態供水目標調整至4月集中調度，與原調度措施一致;6—8月，各月首先滿足中游農業灌溉用水需求，后調度下游生態用水，9月初調度下游生態用水與8月形成聯調;考慮到7—9月上游來水量較多，水庫在滿足中下游用水需求的同時已無法存蓄更多水量，該時段可增大向下游調度水量，維持黑河下游尾閭東居延海入湖水量的同時完成“97方案”下泄指標;9月調度任務完成后水庫基本蓄至正常蓄水位，10—11月上游來水已不能滿足中游冬灌用水需求，將10月生態供水目標調整至9月集中調度，9月底庫存水量將主要用于春季向中下游用供水。

2.5 黃藏寺水庫和下游梯級電站參數

黃藏寺水庫校核洪水位為2 628.7 m，正常蓄水位為2 628.0 m，汛期限制水位與正常蓄水位相同，死水位為2 580.0 m;總庫容為4.03億m 正常蓄水位對應庫容為3.95億m 調洪庫容為0.08億m 興利庫容為3.34億m 死庫容為0.61億m3。根據黃藏寺水庫初步設計成果中壩前水位—庫容關系繪制散點圖，擬合后得到關系曲線和擬合方程（見圖8），擬合方程可用于確定黃藏寺水庫調度期間出、入庫流量與壩前水位關系。根據黃藏寺水庫下泄流量—壩后水位關系繪制散點圖，擬合后得到關系曲線和擬合方程（見圖9），擬合方程可用于確定黃藏寺水庫調度期間下泄流量與壩后水位關系。

黃藏寺水庫電站裝機容量49 MW，其中大機組2臺（20 MW），小機組1臺（9 MW），水頭損失取最大值0.91 m，大、小機組效率分別為92.66%、93.99%，大、小機組發電機效率分別為96.53%、96.28%，大、小機組單機額定流量分別為27.25、11.43 m3/s。壩下最小生態流量9.0 m3/s，壩前水位為2 580.0 m時最大泄流量565.32 m3/s，壩前水位為2 628.0 m時最大泄流量2 895.72 m3/s。黃藏寺至鶯落峽區間7座梯級電站發電出力最大流量100～110 m3/s，裝機容量多為大小機組搭配，小機組發電流量9～12 m3/s，當電站來水流量為500 m3/s時可正常下泄。相關研究表明[7]，黃藏寺水庫出庫流量為98.3 m3/s時，下游梯級電站出力基本處于滿發狀態，出庫流量小于63.9 m3/s時，下游梯級電站出力均達不到滿發狀態。

3 模型建立

根據黃藏寺壩址至鶯落峽區間補水模型、黑河下游輸水效率模型、黃藏寺水庫壩前水位—庫容關系、壩后水位—下泄流量關系，以及黃藏寺水庫下泄流量與下游梯級電站出力關系等，建立優化調度模型。以月為單位，將黃藏寺水庫運行過程分為Ⅰ級調度和Ⅱ級調度，Ⅰ級調度采用1臺小機組發電運行（下泄流量11.43 m3/s，運行期無棄水），保證生態基流和下游梯級電站小機組發電運行的同時，配合黃藏寺壩址至鶯落峽區間補水過程供給中游地區農業灌溉用水;Ⅱ級調度采用3臺機組同時運行（發電流量65.93 m3/s），運行期間根據中下游月供水目標、區間補水過程和水庫供給能力增加棄水，保證中下游用水的同時，提高黑河下游輸水效率，兼顧梯級電站發電效益。目標函數和約束條件分述如下。

目標1：以下游生態需水量與實際供水量差距最小為目標函數。

f1=min |Wsm-Ws|

（1）

其中：Ws=86 400×10-8（Qd+Qq）Ts+[g（Wr）-Wr]Ts/T（2）

式中：Wsm和Ws分別為下游月供水目標和實際供水量，億m3;Qd為水庫發電流量，取值65.93 m3/s;Qq為水庫棄水流量，m3/s;Ts為水庫向下游供水天數，d;g（Wr）為圖4中的關系函數;T為當月總天數，d。

目標2：以下游河道輸水效率最大為目標，目標函數由正義峽—哨馬營段河道蒸發滲漏損失率經驗公式確定。

f2=max （1-15.78W-0.84sT0.36s/100）

（3）

目標3：以中游農業需水量與實際供水量差距最小為目標函數。

f3=min |Wgm-Wg|（4）

其中：

Wg=86 400×10-8[（Qd+Qq）Tg+Q′d（T-Tg-Ts）]+

[g（Wr）-Wr]（T-Ts）/T（5）

式中：Wgm和Wg分別為中游月供水目標和實際供水量，億m3;Tg為水庫向中游供水天數，d;Q′d為Ⅰ級調度期下泄流量，取值11.43 m3/s。

目標4：以黃藏寺水庫Ⅱ級調度期發電量最大為目標，月調度期間Ⅱ級調度期棄水量越少、持續時間越長則該月發電總量越大。

f4=max [24N（Tg+Ts）]（6）

其中：

N=9.81ηtηgQd（Zs-Zx-h）

（7）

Zs=56.453 9V0.377 6min+2 533.180 5（8）

Zx=2 523.358 8exp[1.687 9×10-6（Qd+Qq）]-

1.502 4exp[-0.821 8×10-2（Qd+Qq）]（9）

Ⅱ級調度前庫容V1：

V1=Vc+0.61（10）

Ⅱ級調度后庫容V2：

V2=Vc+0.61-86 400×10-8（Qd+Qq）（Tg+Ts）+Wr（Tg+Ts）/T（11）

式中：N為Ⅱ級調度期間電站最小出力，kW;ηt和ηg分別為水輪機、發電機效率，取值0.926 6、0.965 3;Zs和Zx分別為水庫壩前、壩后水位，m;h為水頭損失，取值0.91 m;Vmin為Ⅱ級調度期間水庫最小蓄水量，由式（10）、式（11）確定，億m3;Vc為Ⅱ級調度開始前水庫可利用水量，億m3。

約束1：下泄流量約束，見式（12）。黃藏寺水庫初步設計成果表明，當下游過流量小于300 m3/s時輸水效率隨過流量的增大而不斷增大，當過流量超過300 m3/s時河水漫灘，輸水效率降低，因此調度期間黃藏寺水庫下泄流量不大于300 m3/s;研究表明[7]，黃藏寺水庫出庫流量為98.3 m3/s時，下游梯級電站出力基本處于滿發狀態，出庫流量小于63.9 m3/s時，下游梯級電站出力均達不到滿發狀態，因此當上游水資源較為充足時，黃藏寺水庫下泄流量應不小于98.3 m3/s。

300≥Qd+Qq≥98.3（12）

約束2：供水天數約束，見式（13）。Ⅰ級調度期和Ⅱ級調度期持續時間之和等于當月總天數，則Ⅱ級調度期內中下游供水天數不超過當月總天數。

T≥Tg+Ts（13）

約束3：下泄水量約束，見式（14）。

Wxmax≥86 400×10-8[（Qd+Qq）（Tg+Ts）+Q′d（T-Tg-Ts）]（14）

式中：Wxmax為水庫當月允許下泄的最大水量，億m3。

Wxmax根據水庫庫存水量、月入庫徑流量和中下游需水情況綜合確定，確保調度期間壩上水位不超過正常蓄水位2 628.0 m，預留庫容減少水庫被動棄水風險，同時存蓄水量確保后續中下游用水需要。

約束4：水庫蓄水量約束，見式（15）、式（16）。

Vxmax≥V′c-86 400×10-8Q′d（T-Tg-Ts）+

Wr（T-Tg-Ts）/T≥Vxmin（15）

Vxmax≥Vc-86 400×10-8（Qd+Qq）（Tg+Ts）+

Wr（Tg+Ts）/T≥Vxmin（16）

式中：V′c 為Ⅰ級調度開始前水庫可利用水量，億m3;Vxmax為I級調度（Ⅱ級調度）結束后允許水庫存蓄的最大可利用水量（通常基于水庫興利庫容限制和汛期防洪安全的考慮），億m3;Vxmin為Ⅰ級調度（Ⅱ級調度）結束后應保證水庫存蓄的最小可利用水量（通常基于水庫死庫容和緊后調度任務的考慮），億m3。

約束5：調度期電站出力約束。

黃藏寺水庫Ⅰ級調度期電站出力不大于額定出力9 000 kW，Ⅱ級調度期電站出力不大于額定出力49 000 kW。

4 模型求解

以黃藏寺壩址豐、平、枯3個代表年為例，根據黃藏寺水庫優化調度模型特點采用Matlab軟件遺傳算法（Genetic Algorithm，GA）工具箱對多目標函數進行求解得到最優集，采用不同偏好的滿意度考核標準從最優集中確定滿意解。

4.1 冬季蓄水和滿意解確定

12月至次年4月黑河上游來水量較少，該時段不同頻率代表年天然來水量均難以滿足3—4月中下游用水需求，因此黃藏寺水庫11月底在全年調度任務完成后，存蓄水量將主要用于緩解期間水資源短缺問題。黃藏寺壩址該時段多年平均來水1.71億m 中下游需水3.29億m 生態基流下泄水量約1.20億m 因此11月水庫調度任務完成后應存蓄水量約為2.78億m3。

滿意度考核標準決定水庫調度運行方式，應根據流域特點制定不同的考核標準。黃藏寺水庫考核過程分為兩步：第一步，水庫調度應盡可能保證“97方案”的順利實施，原則上篩選最優集中f1/Wsm、 f3/Wgm不超過5%的解作為滿意解選擇范圍;第二步，采用式（17）確定滿意解。

F=αf ′2+βf ′4（17）

式中：f ′2、 f ′4為對f2和 f4的最優集進行歸一化處理結果;α和β為各目標的權重系數向量。

本文根據黃藏寺水庫調度目標特點設置權重系數向量分別為（1，0）和（0，1），方案一權重系數向量（1，0）表示滿意解側重于黑河下游河道輸水效率最大，方案二權重系數向量（0，1）表示滿意解側重于黃藏寺水庫發電量最大，計算后對滿意度F進行排序，選擇滿意度最高的解作為滿意解，并適當調整滿意解對應的下泄流量和調度時長。

4.2 模型計算結果分析

模型計算結果見表1和圖10、圖11。

研究結果表明，本文所采用的優化調度模型可有效改善黑河上游來水過程，最大限度滿足中下游關鍵期用水，緩解中下游用水矛盾，有利于“97方案”的順利實施，同時有助于決策者權衡生態調度輸水效率與水庫發電效益間的關系。由表1可知，方案一通過增加水庫棄水量以縮短生態調度時長、提高下游河道輸水效率，但水庫發電量相應降低;方案二以降低下游河道輸水效率為代價，通過減少棄水量、延長水庫Ⅱ級調度時長以提高水庫發電量。由圖10、圖11可知方案一、方案二均能較好地保證中下游用水需求。在農業灌溉調度方面，豐水年調度水量略低于平水年、平水年略低于枯水年，符合“97方案”調度指標（見圖2），即枯水期調度中游農業灌溉用水略高于豐水期，這主要與豐水期中游各支流來水量增加有關[9]。9月仍供給中游農業灌溉用水，主要考慮到9月生態調度任務完成后，若不有效利用生態基流下泄和黃藏寺壩址至鶯落峽區間補水過程，則將造成水資源浪費，此時允許中游存蓄上游來水將有利于緩解10—11月水資源短缺問題，同時保證冬季黃藏寺水庫蓄水量達到合理標準。在生態調度方面，豐水年調度水量高于平水年、平水年高于枯水年，同樣符合“97方案”調度指標，即豐水期分配下游水量顯著高于枯水期，通過利用豐水期來水過程緩解下游尾閭綠洲退化趨勢。選擇7—9月進行大流量、長時間生態下泄，與黃藏寺壩址上游、黃藏寺壩址至鶯落峽區間天然來水過程有關。以7月為例，黃藏寺水庫僅控制鶯落峽斷面來水量的70%左右，同時考慮到黃藏寺水庫汛期安全，此時有效結合黑河上游來水過程提高下游調度水量，在保證“97方案”順利實施和提高下游輸水效率的同時，有利于控制中游農業灌溉分配水量。

5 結 論

基于黃藏寺壩址至鶯落峽區間補水模型、黑河下游輸水效率模型、黃藏寺水庫壩前水位—庫容關系、壩后水位—下泄流量關系，以及黃藏寺水庫下泄流量與下游梯級電站出力關系等建立了黃藏寺水庫優化調度模型。經檢驗，該模型可根據上游來水情況和中下游用水需求合理確定中游閉口時間，為“97方案”的順利實施提供保障，同時，模型建立了滿意度考核標準，分別得到以下游河道輸水效率最大、水庫發電量最大為目標的調度運行方式，供決策者參考。另外，該模型使用靈活簡便，可根據月調度特點，逐月計算調度運行方式，但模型計算結果的準確性較依賴于黃藏寺水庫月入庫徑流量的短期預測，計算前需要決策者根據預測結果確定水庫當月允許下泄的最大水量，建議下一步開展黃藏寺水庫壩址月徑流量短期預測的研究。

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【責任編輯 趙宏偉】