郁江流域水電站水庫群水量不平衡問題分析

黃 馗，潘志浩，陳森林，3，董前進(jìn)，3，梁 斌，譚安琪，毛玉鑫

（1.廣西電網(wǎng)電力調(diào)度控制中心，南寧 530023；2.武漢大學(xué)水利水電學(xué)院，武漢 430072；3.武漢大學(xué)水資源與水電工程科學(xué)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，武漢 430072；4.中國長江電力股份有限公司，湖北 宜昌 443133）

0 引 言

水量平衡是水文水資源領(lǐng)域最基本的原理，通過研究區(qū)域水量平衡，可以確定區(qū)域各水文要素之間關(guān)系、合理認(rèn)識和評價(jià)區(qū)域水資源、指導(dǎo)水資源優(yōu)化配置［1-3］。目前我國大中型水電站均已建立起水庫調(diào)度自動(dòng)化系統(tǒng)［4］，流域大規(guī)模梯級水電站開發(fā)使得各水庫水力關(guān)系更為復(fù)雜［5］。隨著郁江流域梯級水電站水庫群逐步建成投產(chǎn)，各水電站以及部分水電站之間開始出現(xiàn)水量不平衡現(xiàn)象，尤其是在宋村、牛灣水電站依次投產(chǎn)之后，位于下游的西津水電站入庫水量明顯小于上一級水電站出庫水量。上述問題的存在，將對郁江流域梯級水電站水庫群的防洪度汛、來水預(yù)測預(yù)報(bào)、聯(lián)合優(yōu)化調(diào)度［6］等造成一系列的影響，并影響電站的經(jīng)濟(jì)效益和安全生產(chǎn)［7］。

針對郁江流域水電站水庫群水量不平衡問題，基于水量平衡原理，通過對郁江流域12座水電站近年來實(shí)際運(yùn)行數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)、比較、分析，探討影響水庫群水量不平衡的主要原因。

1 研究區(qū)概況

郁江位于云南省東部和廣西壯族自治區(qū)南部，屬珠江流域西江水系，由發(fā)源于云貴高原的右江和發(fā)源于越南境內(nèi)的左江匯流而成，于廣西桂平市注入西江潯江段，流域面積89 357 km2，其中我國境內(nèi)面積77 778 km2，干流全長1 157 km，平均比降0.33‰。郁江地處中亞熱帶和南亞熱帶季風(fēng)氣候區(qū)，西北部氣溫低，氣候干燥，東南部氣溫高，氣候濕潤，年平均氣溫16.7～22.1 ℃，年平均降雨量1 115～1 470 mm，年平均徑流量476.7 億m3。郁江流域水電站水庫群主要有左江、山秀、馱娘江、右江、那吉、魚梁、金雞灘、宋村、牛灣、西津、仙衣灘和桂航12 座水電站，其中完全年調(diào)節(jié)電站1 座、不完全季調(diào)節(jié)電站1 座、日調(diào)節(jié)電站9座、徑流式無調(diào)節(jié)電站1座，總庫容達(dá)90.98 億m3，可調(diào)節(jié)庫容34.45 億m3。

2 水量平衡分析

采用郁江流域12 座水電站2013-2020年逐小時(shí)面雨量、入庫流量、出庫流量、水庫水位以及水位庫容關(guān)系曲線，其中宋村、牛灣數(shù)據(jù)分別從2016年、2019年投產(chǎn)后開始，面雨量數(shù)據(jù)由氣象系統(tǒng)分區(qū)采用面積加權(quán)平均計(jì)算獲得。

郁江流域水電站水庫群水量平衡主要從單一水電站和水電站區(qū)間兩方面進(jìn)行計(jì)算分析。

2.1 單一水電站水量平衡分析

對單一水電站水庫，時(shí)段平均入庫流量基于水量平衡原理計(jì)算，公式如式（1）所示。

式中：Δt為計(jì)算時(shí)段長，s；為Δt內(nèi)平均入庫流量，m3/s；為Δt內(nèi)平均出庫流量，m3/s；ΔV為Δt內(nèi)水庫庫容變化量，m3；為Δt內(nèi)水庫水面蒸發(fā)、滲漏等平均損失流量，m3/s。

表1 郁江流域各電站多年水量平衡要素統(tǒng)計(jì)表Tab.1 Statistical table of multi-year water balance elements of each hydropower stations on Yujiang River

2.2 水電站區(qū)間水量平衡分析

水電站區(qū)間水量平衡采用區(qū)間降雨徑流系數(shù)進(jìn)行分析，基于水量平衡原理，在水電站區(qū)間，若不考慮相鄰區(qū)域水量調(diào)入與調(diào)出，其年水量平衡公式為［9］：

式中：ΔS為包氣帶含水量年變化量，mm；P為年平均面降雨量，mm；R為年天然徑流深，mm；E為年實(shí)際蒸散發(fā)量，mm。

假定一年內(nèi)區(qū)間包氣帶含水量變化量為0，則區(qū)間降雨徑流系數(shù)為：

可以看出，區(qū)間降雨徑流系數(shù)在客觀上反映了水電站區(qū)間降雨、徑流和蒸散發(fā)之間的水量平衡關(guān)系，其中水電站區(qū)間徑流深計(jì)算公式［10］如下：

式中：Qrk為下級水電站入庫流量，m3/s；Qck為上級水電站出庫流量，m3/s；T為以秒為單位的時(shí)段長，s；F為水電站區(qū)間面積，km2。

根據(jù)式（5）和式（6）計(jì)算郁江流域各水電站2013-2020年逐年區(qū)間徑流系數(shù)如表2所示，并將其繪制成圖2，以觀察2013-2020年郁江流域各水電站區(qū)間徑流系數(shù)逐年變化情況。

圖2 郁江流域各水電站2013-2020年逐年區(qū)間徑流系數(shù)Fig.2 Yearly interval runoff coefficients of hydropower stations on Yujiang River from 2013 to 2020

由表2和圖2可以看出，郁江流域各水電站區(qū)間水量平衡主要存在問題有：①2013-2020年仙衣灘、桂航每年區(qū)間徑流系數(shù)基本都大于1；②2017-2019年宋村、牛灣水電站區(qū)間徑流系數(shù)明顯較其他水電站偏大；③圖3可以看出，2016年宋村投產(chǎn)運(yùn)行之后，西津區(qū)間徑流系數(shù)開始變小甚至出現(xiàn)負(fù)值，尤其是在2019年牛灣投產(chǎn)運(yùn)行，西津入庫水量明顯小于牛灣出庫水量，出現(xiàn)嚴(yán)重水量不平衡現(xiàn)象。

由表2和圖2可以看出，郁江流域各水電站區(qū)間水量平衡主要存在問題有：①2013-2020年仙衣灘、桂航每年區(qū)間徑流系數(shù)基本都大于1；②2017-2019年宋村、牛灣水電站區(qū)間徑流系數(shù)明顯較其他水電站偏大；③圖3可以看出，2016年宋村投產(chǎn)

表2 郁江流域各水電站2013-2020年逐年區(qū)間徑流系數(shù)Tab.2 Yearly interval runoff coefficients of hydropower stations on Yujiang River from 2013 to 2020

圖3 西津水電站2013-2020年逐年區(qū)間徑流系數(shù)變化過程Fig.3 Yearly interval runoff coefficients of Xijin hydropower station from 2013 to 2020

西津水電站建于1958年，并于1964年開始投入發(fā)電，運(yùn)行時(shí)間比較長，因此認(rèn)為西津數(shù)據(jù)較其他水電站可靠，并且假定面雨量為真實(shí)值，則造成以上問題的主要原因是仙衣灘、桂航的入庫流量和宋村、牛灣的出庫流量計(jì)算偏大。

3 原因分析

導(dǎo)致水電站水庫群水量不平衡的原因是多方面的，包括水務(wù)計(jì)算各個(gè)環(huán)節(jié)、水文測量誤差和外界因素導(dǎo)致的系統(tǒng)誤差等［11］。根據(jù)郁江流域各水電站水量平衡計(jì)算公式中各部分組成要素，探討其中可能導(dǎo)致水量不平衡的因素，分析造成郁江流域水電站水庫群水量不平衡的主要原因。

郁江流域水電站水庫群水量平衡計(jì)算涉及要素有出庫流量、入庫流量和庫容變化相應(yīng)的折算流量。各水電站出庫流量計(jì)算主要有兩種方式，一是采用發(fā)電流量和棄水流量之和，需要根據(jù)時(shí)段水位、出力數(shù)據(jù)分別查水輪機(jī)組NHQ 曲線、泄流設(shè)施曲線插值計(jì)算；另一種是直接根據(jù)壩下水位～下泄流量關(guān)系曲線插值計(jì)算。入庫流量是根據(jù)水庫水位變化和出庫流量，利用水量平衡式反推求得。庫容變化相應(yīng)的折算流量根據(jù)水庫水位變化查水位庫容關(guān)系曲線得到庫容變化量計(jì)算獲得。可以看出，出庫流量、入庫流量、庫容變化相應(yīng)折算流量的計(jì)算從根本上與水位、水電站水庫特性曲線有著密切的關(guān)系。經(jīng)過多年的運(yùn)行，大多數(shù)水電站由于受沖淤、航道整治、下游建壩等因素影響，使得原河道水力特性發(fā)生改變，水電站水庫特性曲線隨之發(fā)生變化。因此，導(dǎo)致郁江流域水電站水庫群水量不平衡的主要原因是特性曲線的準(zhǔn)確性。

特性曲線的繪制本身存在誤差，例如水庫地形測量是一項(xiàng)艱巨復(fù)雜的任務(wù)，使得水位庫容關(guān)系曲線本身就存在一定的誤差，而且有些曲線仍采用的是工程設(shè)計(jì)階段通過模型試驗(yàn)推算的經(jīng)驗(yàn)曲線，沒有更新，導(dǎo)致誤差更大。郁江流域宋村、牛灣和仙衣灘水電站由于下游水庫蓄水，使得其尾水位控制斷面位于下游水庫回水區(qū)內(nèi)，桂航水電站也因?yàn)槭艿较掠螡〗佣嗡豁斖校菜涣髁筷P(guān)系較原曲線產(chǎn)生系統(tǒng)性抬升，同等下泄流量情況下尾水位偏高，若仍采用原曲線，在尾水位一定的情況下計(jì)算的出庫流量較實(shí)際情況偏大，同時(shí)反推入庫流量也會(huì)偏大，從而導(dǎo)致西津入庫水量小于上游出庫水量、仙衣灘和桂航區(qū)間徑流系數(shù)大于1。

此外，隨著人類對水資源開發(fā)利用加強(qiáng)，電站區(qū)間興修大量水電站和引用水工程，由于缺乏對庫區(qū)各功能引用水的有效監(jiān)測手段，以及某些水量平衡要素獲取難度大，使得水量平衡分析過程中存在缺項(xiàng)、不夠全面等問題。

4 結(jié) 論

基于水量平衡原理，采用水量平衡差和區(qū)間徑流系數(shù)對郁江流域各水電站的入庫流量、出庫流量等要素進(jìn)行計(jì)算分析，結(jié)合各水電站實(shí)際運(yùn)行情況，發(fā)現(xiàn)郁江流域水電站水庫群存在水量不平衡現(xiàn)象，并分析造成水量不平衡的原因，得出以下幾點(diǎn)結(jié)論。

（1）仙衣灘和桂航的徑流系數(shù)均大于1，表明區(qū)間降雨量觀測偏小、或出（入）庫流量計(jì)算偏大，且后者的可能性更大；

（2）西津出入庫流量精度可信，宋村和牛灣計(jì)算的出（入）庫流量偏大；

（3）宋村、牛灣、仙衣灘及桂航等4 座水電站特性曲線及出庫流量計(jì)算方法需要完善。