珠江三角洲水資源配置工程運行調(diào)度方案研究

徐洪軍，黃永健，艾 銳

(廣東省水利電力勘測設計研究院有限公司，廣州 510635)

1 珠江三角洲水資源配置工程概況

1.1 工程任務和規(guī)模

珠江三角洲水資源配置工程(以下簡稱“珠三角工程”)是從西江水系向珠江三角洲東部地區(qū)引水，解決廣州市南沙區(qū)、深圳市、東莞市等城市生活、生產(chǎn)缺水問題，提高供水保證程度，為香港特別行政區(qū)以及廣東省番禺、順德等地區(qū)提供應急備用供水條件。工程已于2019年上半年全線開工建設，計劃于2024年初建成通水。

工程主體由一條干線、二條分干線、三座泵站、四座調(diào)蓄水庫組成，從佛山市順德區(qū)龍江鎮(zhèn)和杏壇鎮(zhèn)交界處的鯉魚洲島西江干流取水，取水流量80m3/s，多年平均供水量17.08億m3。

輸水干線可分為3段：第一段為鯉魚洲取水口～南沙高新沙水庫段，雙管供水，由鯉魚洲泵站加壓輸水，設計輸水流量80m3/s，從高新沙水庫為南沙供水，南沙分水20m3/s，多年平均供水量5.31億m3；第二段為高新沙水庫～沙溪高位水池段，單管供水，由高新沙泵站加壓，設計輸水流量60m3/s，在沙溪高位水池設有東莞沙溪分水口，分水規(guī)模為15m3/s；第三段為沙溪高位水池～羅田水庫，單管自流供水，設計輸水流量55m3/s。

分干線有兩條：自深圳羅田水庫分出東莞分干線和深圳分干線，東莞多年平均供水量3.30億m3，沙溪分水后，從羅田水庫以自流方式通過東莞分干線以輸送至東莞松山湖水廠，東莞分干線設計輸水流量15m3/s。深圳多年平均供水量8.47億m3，羅田水庫分水后，由羅田泵站加壓后通過深圳分干線輸送至公明水庫，深圳分干線設計輸水流量30m3/s。

1.2 取水加壓泵站工程

1.2.1 鯉魚洲泵站

西江鯉魚洲泵站位于西江干流鯉魚洲，為珠三角工程的一級泵站，負責把西江水提水到南沙高新沙水庫，鯉魚洲泵站取水點為西江，交水點為高新沙水庫，西江取水的最低運行水位為0m、最高運行水位為8.08m。高新沙水庫最低運行水位為-1m、最高運行水位為4.3m。

鯉魚洲泵站裝機容量7.2萬kW，變壓器容量6.3萬kVA，設8臺機組，其中2臺備用，6臺機組全開時總設計流量80m3/s；根據(jù)泵站供水流量需要和實際揚程情況，投入2～6臺機組，變頻水泵調(diào)速范圍67%～100%，穩(wěn)定運行的取水流量范圍20～80m3/s。西江限制引水工況下(即當馬口站和三水站總來水流量<2500m3/s時，下同)只開啟2臺機組降速運行，引水流量20m3/s。其它工況下，可按當時的實際運行揚程，投入3～5臺機組，調(diào)速范圍67%～100%。

1.2.2 高新沙泵站

高新沙泵站為珠三角工程的二級泵站，負責把西江水由高沙水庫提水到沙溪高位水池，后自流到羅田水庫，以高新沙水庫為進水前池。高新沙水庫進水池最低運行水位為1.6m、最高運行水位為4.3m。交水點羅田水庫最低運行水位為19.15m、最高運行水位為33.24m。

高新沙泵站裝機容量7.2萬kW，變壓器容量5萬kVA，設6臺機組，其中2臺備用，4臺機組全開時總設計流量60m3/s。根據(jù)供水流量需要和實際揚程情況，投入1～4臺機組，變頻水泵調(diào)速范圍90～100%，高新沙泵站穩(wěn)定運行的輸水流量范圍為15～60m3/s。

在工程檢修期和西江限制引水工況，停止為深圳、東莞供水，高新沙泵站停止運行。

1.2.3 羅田泵站

羅田泵站為珠三角工程的三級泵站，設在深圳分干線的首部，負責把西江水由羅田水庫提水到公明水庫。泵站進水池是羅田水庫，出水池為公明水庫，設計流量30m3/s。羅田泵站機組設計要求羅田水庫水位變幅控制在5m左右，即羅田泵站進水池羅田水庫最低運行水位為28.24m，最高運行水位為33.24m。羅田泵站出水池公明水庫最低運行水位為26.66m，最高運行水位為59.86m，汛期最高運行水位控制在59.36m以下。

羅田泵站裝機容量2萬kW，變壓器容量2.5萬kVA，設4臺機組，其中1臺備用。根據(jù)供水流量需要和實際揚程情況，投入1～3臺機組，變頻水泵調(diào)速范圍60%～100%，保證機組穩(wěn)定運行流量范圍10～30m3/s。

1.3 調(diào)蓄水庫

1.3.1 南沙調(diào)蓄水庫

工程新建高新沙水庫總庫容482萬m3，調(diào)節(jié)庫容為420萬m3，其中用于南沙區(qū)應急備用的庫容為333.6萬m3，其余庫容86.4萬m3用于工程在線調(diào)節(jié)。在線調(diào)節(jié)庫容主要用于改善泵站機組行條件、避免頻繁啟停、提高供水系統(tǒng)穩(wěn)定性等需要。

高新沙水庫死水位-1.00m、正常蓄水位4.2m、設計校核洪水位4.3m，其中用于南沙區(qū)應急備用庫容的相應水位為3.2m。水庫最低運行水位-1.00m，最高運行水位4.3m，其中3.2m以下庫容主要在南沙區(qū)應急供水時使用，一般情況不用。水位在3.2～4.2m之間用于工程在線調(diào)節(jié)，使用頻率高。

1.3.2 東莞調(diào)蓄水庫

東莞市調(diào)蓄工程為大溪水懷德水庫(擬擴建)和五點梅水庫群(包括五點梅水庫、馬尾水庫和蘆花坑水庫)，總調(diào)節(jié)庫容約3800萬m3。大溪水懷德水庫正常蓄水位88m，死水位55m，調(diào)節(jié)庫容約3500萬m3，其中用于本工程的調(diào)節(jié)庫容約3300萬m3。五點梅水庫群正常蓄水位10.994m，死水位為6.94m，因計劃實施五點梅水庫群物理隔離工程尚未完成，調(diào)節(jié)庫容未不確定，暫按500萬m3考慮。

1.3.3 深圳調(diào)蓄水庫

1)羅田水庫：

已建的羅田水庫是深圳市的交水點之一，水庫雖不承擔調(diào)蓄任務，但羅田水庫對高新沙泵站提水入庫和出庫水量起到在線調(diào)節(jié)作用。羅田水庫也是羅田泵站的進水前池，可確保羅田泵站的穩(wěn)定運行。羅田水庫死水庫為19.15m，正常蓄水位33.24m。

正在建設的深圳市羅田水庫～鐵崗水庫輸水隧洞工程，按自流輸水設計，因兩座水庫水頭差有限，要求羅田水庫盡量維持較高水位運行；另外,為調(diào)蓄水庫集雨區(qū)來水和泵站運行調(diào)度靈活性，需要配置一定的調(diào)節(jié)庫容；羅田泵站機組設計要求羅田水庫水位的變幅控制在5m左右。設計考慮以上因素，羅田水庫泵站正常運用時水位變幅為28.24～33.24m，并且盡量控制在32.24m以上運行。如遇特別枯水年,羅田水庫消落至28.24m以下時，需要先啟動鯉魚洲泵站和高新沙泵站抽水補庫，水位回蓄到28.24m以上再啟動羅田泵站為公明水庫供水。

2)公明水庫：

深圳市調(diào)蓄工程為利用已建公明水庫，興利庫容1.4億m3。公明水庫死水位為26.66m，正常蓄水位59.86m。

公明水庫是羅田泵站出水池，最高運行水位為正常蓄水位59.86m。公明水庫考慮預留一定的庫容用于調(diào)蓄水庫集雨區(qū)洪水，水位59.36m以上用于調(diào)蓄洪水(10a一遇洪水3d洪量蓄于庫中)。公明水庫運行水位在26.66～59.36m之間。

2 工程水量調(diào)度

2.1 取水調(diào)度

本工程為跨流域調(diào)水工程，工程取水以不影響取水口下游河道內(nèi)外生產(chǎn)、生活和生態(tài)用水為前提，同時考慮工程檢修需要，工程取水調(diào)度如下：

1)根據(jù)設計西江取水限制條件，當上游馬口站和三水站總來水量≥2500m3/s時，可正常按需供水，最大引水規(guī)模為80m3/s。當上游馬口站和三水站部來水量<2500m3/s時，只引取20m3/s供南沙，停止向東莞、深圳供水。

2)每年安排1個月檢修期，進行泵站維護和管道清淤。檢修期間，西江取水20m3/s，保持單管運行僅供南沙，兩根管道交替檢修，停止為東莞、深圳供水。泵站及輸水管道工程檢修期安排在每年西江枯水期，盡量與西江枯水期不能引水時段相結(jié)合，減少對受水區(qū)東莞、深圳的影響。

3)當西江發(fā)生水污染等突發(fā)事件時，本工程停止取水；事件處理完畢、水質(zhì)達標后，工程恢復正常取水。

4)當遇特枯水年，流域出現(xiàn)嚴重缺水時，本工程服從西江流域統(tǒng)一水量調(diào)度。

2.2 用水需求

根據(jù)工程建設管理單位與受水區(qū)簽訂的供水協(xié)議，本工程建成投產(chǎn)后，即按工程設計供水量供水。如工程建成初期各受水區(qū)水量需求達不到設計供水量，可根據(jù)各分水口的實際水量需求進行調(diào)度。

工程供水計劃以受水區(qū)用水計劃為指導，供水計劃細劃到日，每日供水量主要由供水量、補庫水量兩部分組成，其中供水量可根據(jù)各市提供的用水計劃來確定。供用水計劃一般情況下分為年計劃、月計劃，通常以月計劃為主，遇水庫發(fā)生大洪水或特枯水年等特殊情況可臨時使用周計劃或日計劃來調(diào)度。由本工程管理的水庫，補庫水量可根據(jù)水庫當前水位和計劃蓄水位，結(jié)合本工程的供水能力分析確定，非本工程管理的水庫可由水庫管理部門根據(jù)水情、水位、用水等實際情況提出補庫計劃。

深圳市供水量包括羅田水庫供水量、羅田水庫補水量、公明水庫供水量和公明水庫補水量等4部分。

東莞市供水量包括東莞分干線供水量、東莞沙溪分水口供水量，其中沙溪分水口供水量又分為蘆花坑水廠供水量、大溪水懷德水庫補水量和五點梅水庫群補水量等3部分。

南沙供水量包括南沙支線供水量、高新沙水庫補水量、從高新沙水庫取水的其他水廠供水量(未建設)。

2.3 分段供水量

深圳分干線(羅田泵站)供水量包括公明水庫供水量和公明水庫補水量。

工程干線分段供水量根據(jù)各分水口的位置及各分水口的計劃供水量，由輸水管道遠端向首端累加計算。其中，干線沙溪分水口～羅田水庫段供水量為東莞分干線供水量、羅田水庫供水量、羅田水庫補水量和深圳分干線供水量之和。干線高新沙水庫～沙溪分水口段供水量為沙溪分水口～羅田水庫段供水量和東莞沙溪分水口供水量之和；干線鯉魚洲取水口～高新沙水庫段供水量為干線高新沙水庫～沙溪分水口段供水量與南沙供水量之和。

3 工程運行調(diào)度方案分析

3.1 泵站供水流量及運行時間分析

3.1.1 全天不間斷均勻供水流量

本工程各級泵站均采用變頻調(diào)速控制技術(shù)，可以滿足不同工況下不同供水流的均勻供水需要。達到設計供水規(guī)模時，工程設計年供水量17.08億m3，按全年365天、每天24h均勻供水(下同)計算日平均供水流量54.1m3/s，其中，南沙區(qū)年供水量5.31億m3，日平均供流量16.8m3/s；東莞市年供水量3.30億m3，日平均供流量10.5m3/s，深圳市年供水量8.47億m3，日平均供流量26.9m3/s。

3.1.2 機組滿負荷運行時間

根據(jù)《泵站技術(shù)管理規(guī)程》(GB/T 30948—2021)9.2.3、9.2.7要求:“灌溉、供水泵站運行期間應在保證安全運行和滿足供水計劃的前提下，實施優(yōu)化調(diào)度”，“有條件的泵站，宜根據(jù)供排水需要實行電能峰谷調(diào)度”。本工程考慮利用所設調(diào)蓄水庫做日內(nèi)調(diào)節(jié)，泵站峰谷調(diào)度，可減少輸水泵站能源消耗，實現(xiàn)多級泵站經(jīng)濟運行、減少電費支出的目標[1-4]。

鯉魚洲泵站年供水量為17.08億m3，按設計供水流量(80m3/s)滿負荷運行時間為16.2h/d。高新沙泵站年供水量為11.77億m3，按設計供水流量(60m3/s)滿負荷運行時間為14.9h/d。

在達到設計供水規(guī)模之前，如投產(chǎn)初期，南沙區(qū)供水量只有南沙支線供水，設計流量為10m3/s,按南沙區(qū)按分配流量20m3/s滿負荷運行時間為12h/d。

東莞、深圳按全部達產(chǎn)計算，東莞設計供水量3.30億m3a，折算日平均供水流量10.5m3/s，按東莞分配流量20m3/s滿負荷運行時間為12.6h/d。深圳設計供水量8.47億m3，日平均供水流量為26.9m3/s，按深圳分配流量40m3/s滿負荷運行時間為16.1h/d。

3.2 峰谷運行所需調(diào)節(jié)庫容分析

泵站峰谷運行需要設置一定的調(diào)節(jié)庫容將日內(nèi)不均勻引水過程進行調(diào)節(jié)，在泵站開機時段內(nèi)按滿負荷運行引足全天所需水量，將開機時段內(nèi)供水量以外的富余水量存于調(diào)節(jié)水庫，停機后則由調(diào)節(jié)水庫供水，則調(diào)節(jié)水庫供水時間為泵站停機時間。

南沙區(qū)調(diào)節(jié)水庫供水時間為12h/d，供水流量為10m3/s，所需調(diào)節(jié)庫容為43.2萬m3，高新沙水庫配置有在線調(diào)節(jié)庫容86.4萬m3，只需利用50%，完全可以滿足調(diào)節(jié)需要。

東莞調(diào)節(jié)水庫供水時間為11.4h/d，供水流量為10.5m3/s，所需調(diào)節(jié)庫容為43.1萬m3。沙溪分水口供水量可用五點梅水庫群調(diào)節(jié)，東莞分干線供水可用羅田水庫調(diào)節(jié)，所需庫容較小，兩個水庫的調(diào)節(jié)庫容完全可以滿足調(diào)節(jié)需要。

深圳調(diào)節(jié)水庫供水時間為7.9h/d，供水流量為26.9m3/s，所需調(diào)節(jié)庫容為76.5萬m3。羅田水庫調(diào)節(jié)庫容較大，即使考慮用于東莞分干線供水的調(diào)蓄后所需庫容也不到100萬m3，并且深圳還可以同時使用羅田泵站提水到公明水庫，用公明水庫做部分調(diào)蓄，因此峰谷運行對羅田水庫的水位影響不大。

3.3 用電量及電費支出

3.3.1 用電量

工程設有三級泵站，鯉魚洲泵站、高新沙泵站、羅田泵站運行期間平均揚程分別為40m、49.3m、32.8m。按公式E=9.81QHT/η/10000(E為用電量、Q為流量、H為揚程、T為時間、η為效率系數(shù)取0.7)計算，鯉魚泵站、高新沙泵站的單方水用電量分別為0.1557kW·h/m3、0.1919kW.h/m3。因此，南沙供水單方水用電量為0.1557kW·h/m3，東莞和深圳供到羅田水庫交水點的單方水用電量為0.3476kW·h/m3，按工程設計供水量(南沙僅南沙支線供水)計算的廣州、東莞、深圳年用電量分別為4910萬kW·h、7479萬kW·h、19196萬kW·h。

從羅田水庫提水到公明水庫的單方水用電量為0.1277kW.h/m3。按深圳規(guī)劃供水布局，大部分水量由羅田水庫供出，公明水庫供水量較少，主要用于調(diào)蓄，在檢修期利用深圳分干線為羅田水庫反供水。公明水庫按每年補水量約7000萬m3，年用電量約894萬kW·h。

3.3.2 電費計算

3.3.2.1 電價政策

2021年7月國家發(fā)展改革委印發(fā)《關(guān)于進一步完善分時電價機制的通知》，部署各地進一步完善分時電價機制，服務以新能源為主體的新型電力系統(tǒng)建設，促進能源綠色低碳發(fā)展。根據(jù)廣東電網(wǎng)有限責任公司關(guān)于2022年3月代理購電工商業(yè)用戶價格的公告(珠三角五市電價格表)和深圳市供電局有限公司代理購電用戶電價格表(深圳市)，工業(yè)用電分為基本電價和電度電價，電度電價劃分為尖峰時間、高峰時段、平時段和低谷時段，電價情況見表1。

表1 泵站所在地區(qū)工業(yè)電價表

從表1可以看出，峰谷分時電價差較大，利用低谷或平時段開機運行，高峰時段停機，可有效節(jié)省提水電費。

3.3.2.2 泵站峰谷運行節(jié)省電費分析

電費支出中的基本電費以泵站變壓器容量為基數(shù)計算，與運行時段和用電量無關(guān)，因此文章只做電度電費計算分析。按峰谷分時電價計算峰谷運行調(diào)度的電費支出與全天運行均勻供水的電費支出做對比，詳見表2。工程可節(jié)省電費約1億元，節(jié)省約33%。如工程投產(chǎn)初期供水量較少，泵站滿負荷運行時間不足8h，可節(jié)省電費高達67%(如表2中深圳向公明水庫提水電費)。

表2 泵站峰谷運行節(jié)省電費成果對比表

3.3 推薦運行調(diào)度方案

3.3.3.1 泵站運行方式選擇

現(xiàn)有電價政策的峰平谷比價為1.7∶1∶0.38，峰谷電價差較大，為節(jié)省工程電費支出，提高工程經(jīng)濟效益，推薦泵站按峰谷運行調(diào)度。

為盡量減少工程電費支出，需合理選擇泵站開機運行時間，泵站峰谷運行開機時段選擇原則為：優(yōu)先使用低谷時段(8h)，其次利用與低谷時段相連的平時段(7h)，再利用其他平時段(2h)，盡量不使用高峰時段(7h)，不宜使用尖峰時段(3h)。

3.3.3.2 工程分類調(diào)度

工程運行調(diào)度可劃分為正常供水調(diào)度、限制取水(含檢修)調(diào)度和應急供水調(diào)度。

正常供水調(diào)度時，工程為全部受水區(qū)供水，啟用鯉魚洲泵站、高新沙泵站，按峰谷運行調(diào)度，在抽水時段內(nèi)滿負荷運行，將西江水提水到高新沙水庫、東莞沙溪水分口、羅田水庫，由高新沙水庫、羅田水庫等調(diào)蓄水庫做日內(nèi)調(diào)蓄，均勻供給用水戶。根據(jù)公明水庫供水量和補庫水量需求，確定羅田泵站的滿負荷運行時間。

限制取水(含檢修)調(diào)度時，只引取西江水供南沙區(qū)，停止為東莞、深圳供水。只需鯉魚洲泵站運行，按峰谷運行調(diào)度，在抽水時段內(nèi)滿負荷運行,由高新沙水庫進行調(diào)蓄。在西江限制取水時鯉魚洲泵站最大供水流量為20m3/s。工程檢修期單管交替運行，最大取水流量為40m3/s。

應急供水調(diào)度時，因增加了順德、番禺或香港的應急供水，需壓減東莞、深圳的供水流量。應急供水調(diào)度與正常供水調(diào)度相似，按峰谷運行調(diào)度。當啟用順德或番禺應急供水時，鯉魚洲泵站運行調(diào)度不變，因需減少東莞、深圳的供水流量，則相應縮短高新沙泵站滿負荷運行時間。當啟用香港應急供水時，鯉魚洲泵站和高新沙泵站運行調(diào)度不變，需增加羅田泵站的滿負荷運行時間，由公明水庫通過規(guī)劃建設的公明水庫～清林徑水庫連通工程將西江水輸送至深圳水庫，再供給香港。因工程設計中預留了10m3/s的應急供水規(guī)模，因此，應急供水時不會影響工程受水區(qū)的正常供水。

3.3.3.3 峰谷運行調(diào)度時機

工程設計中考慮了西江限制取水條件、工程檢修期、沿線地區(qū)應急供水等需要，設計供水規(guī)模為80m3/s，按遠期2040年水平年設計供水量為17.08億m3，如按全年均勻供水計算，日平均流量54.1m3/s，可按滿負荷80m3/s運行時間為16.2h/d，工程可按峰谷運行調(diào)度，靈活安排抽水時間。

工程投產(chǎn)初期實際供水量較少時，滿負荷運行時間短，實施峰谷運行調(diào)度的效益相對更大，工程應按峰谷運行調(diào)度。

當遇西江特枯水限制取水或檢修期結(jié)束后，如調(diào)蓄水庫庫容使用量較大，根據(jù)工程設計要求需盡快完成補庫任務，以備下一次使用。此時建議按不使用尖峰時段、盡量少使用高峰時段的原則，延長泵站滿負荷運行時間，盡早完成補庫任務。

4 結(jié)論與建議

4.1 結(jié)論

在現(xiàn)有國家電價機制和南方電網(wǎng)峰谷分時電價政策下，用戶峰谷電價差較大，工程受水區(qū)設置了多個調(diào)蓄水庫，調(diào)節(jié)庫容充足，工程具備很好的峰谷運行調(diào)度條件。

按工程設計供水量計算，實施峰谷運行調(diào)度工程可節(jié)省電度電費約1億元，節(jié)省約33%。工程投產(chǎn)初期供水量較少，如滿負荷抽水時間不足8h，最高可節(jié)省電費67%。

本工程運行調(diào)度方案研究主要利用調(diào)蓄水庫和峰谷分時電價政策，制定了峰谷運行調(diào)度方案，在發(fā)揮工程效益，節(jié)能降耗，降低工程運行成本，體現(xiàn)綠色發(fā)展理念等方面具有現(xiàn)實意義。

4.2 建議

1)除泵站峰谷運行調(diào)度之外，如應用國內(nèi)在復雜供水系統(tǒng)提高泵站的運行效率、長輸水系統(tǒng)梯級泵站運行優(yōu)化研究、梯級泵站引水多水庫水資源聯(lián)合優(yōu)化調(diào)度等方面的研究成果，可進一步節(jié)能減耗，建議在工程投產(chǎn)運行中根據(jù)實際情況加以研究和應用[7]。

2)工程運行調(diào)度方案的實施需納入工程智慧化管理系統(tǒng)建設，通過建立全面、系統(tǒng)、科學的泵站運行優(yōu)化調(diào)度模型，打造全面立體感知、智能決策分析、協(xié)同聯(lián)動指揮的智能運行中心，智慧管控泵站安全、穩(wěn)定、經(jīng)濟運行，助力工程打造新時代生態(tài)智慧水利工程標桿[8-10]。