淺析水庫(kù)調(diào)度圖優(yōu)化方法與實(shí)際運(yùn)用評(píng)估

伍 昕，譚 君

（1.五凌電力有限公司，湖南 長(zhǎng)沙 410004；2.湖南省水電智慧化工程技術(shù)研究中心，湖南 長(zhǎng)沙 410004）

1 概述

碗米坡水庫(kù)地處酉水中游，集雨面積10 415 km2，占酉水全流域面積的56.2%，壩址多年平均流量296 m3/s，多年平均年徑流量93.3億m3，水庫(kù)總庫(kù)容3.78億m3，正常蓄水位248 m，相應(yīng)庫(kù)容2.56億m3，死水位238 m，死庫(kù)容1.31億m3，調(diào)節(jié)庫(kù)容1.25億m3，庫(kù)容系數(shù)1.3%，為不完全季調(diào)節(jié)水庫(kù)。工程無(wú)下游設(shè)計(jì)防洪任務(wù)。

碗米坡原設(shè)計(jì)水庫(kù)調(diào)度圖[1]（見圖1）比較簡(jiǎn)單，對(duì)不同時(shí)期的水位控制指導(dǎo)不夠精細(xì)。在實(shí)際調(diào)度中，庫(kù)水位控制過高，則無(wú)法及時(shí)消落會(huì)導(dǎo)致大量無(wú)益棄水發(fā)生；庫(kù)水位控制過低，會(huì)導(dǎo)致庫(kù)水位長(zhǎng)期處于低水位運(yùn)行，水頭效益將明顯降低。因此，原設(shè)計(jì)水庫(kù)調(diào)度圖難以滿足實(shí)際調(diào)度控制運(yùn)用的需求，需研究?jī)?yōu)化水庫(kù)調(diào)度圖，明確不同時(shí)期的庫(kù)水位控制區(qū)間。

圖1 碗米坡原設(shè)計(jì)水庫(kù)調(diào)度圖

2 水庫(kù)調(diào)度圖優(yōu)化研究

2.1 基礎(chǔ)資料整理與分析

2.1.1 年最大洪水分布

碗米坡壩址洪水系暴雨形成，4～9月份為汛期，年最大洪峰流量多出現(xiàn)在5～9月份，占全年的93.9%，其中又以6～7月份最為集中，占全年的61.6%，個(gè)別年份出現(xiàn)在4月、10月、11月份（最遲1961-11-19）。壩址處大洪水歷時(shí)一般為3～5 d，最長(zhǎng)為7 d，大洪水以峰、量較大的復(fù)峰居多，壩址實(shí)測(cè)最大洪峰流量為12 700 m3/s (2003-07)，實(shí)測(cè)最小年最大洪峰流量為2 800 m3/s (2013-06)。年最大洪水分布情況見表1。

表1 碗米坡年最大洪水統(tǒng)計(jì)表

2.1.2 各月流量頻率分析

收集碗米坡1961～2021年逐月最大流量及1951～2021年逐月平均流量資料，并對(duì)水庫(kù)投運(yùn)后部分枯水期月度異常最大入庫(kù)流量進(jìn)行校核[2]，按照公式確定經(jīng)驗(yàn)頻率，采用P-Ⅲ型曲線適線，分別求得碗米坡逐月最大、平均流量統(tǒng)計(jì)參數(shù)成果（見表2、3），其中年最大入庫(kù)洪水、年徑流量采用設(shè)計(jì)成果。

表2 碗米坡逐月最大流量頻率曲線參數(shù)成果表

從各月最大流量適線圖綜合分析，Cv、Cs參數(shù)分布合理，符合碗米坡洪水“暴漲暴落”的自然特性。1996年11月6日，酉水流域發(fā)生大型“重陽(yáng)水”，石堤、碗米坡、鳳灘洪峰分別為3 740 m3/s、4 650 m3/s、 7 020 m3/s。碗米坡該年11月份的經(jīng)驗(yàn)頻率數(shù)據(jù)點(diǎn)明顯偏離頻率曲線，而其它點(diǎn)據(jù)匹配良好，故該點(diǎn)應(yīng)當(dāng)作歷史極值來(lái)看待，重現(xiàn)期接近180年一遇。

表3 碗米坡逐月平均流量頻率曲線參數(shù)成果表

2.1.3 各月棄水概率分析

對(duì)歷史洪水資料統(tǒng)計(jì)分析洪峰流量與1 d及3 d洪量的相關(guān)關(guān)系，以248 m為棄水限制水位，以滿發(fā)流量進(jìn)行水庫(kù)調(diào)節(jié)計(jì)算，得出不同起調(diào)水位下確保不棄水的最大洪水量級(jí)。

根據(jù)歷年逐月最大入庫(kù)流量資料系列，以不同控制水位下攔洪能力限值，統(tǒng)計(jì)超過限值流量出現(xiàn)的次數(shù)，計(jì)算出逐月不同控制水位的棄水概率；根據(jù)逐月最大入庫(kù)流量頻率分析成果，查算不同控制水位下攔洪能力出現(xiàn)的頻率，綜合2種方法得出碗米坡水庫(kù)逐月不同控制水位的棄水概率（見圖2）。

圖2 碗米坡各月不同起調(diào)水位棄水概率分布圖

2.1.4 各月水頭保證率分析

以碗米坡各月不同頻率月均入庫(kù)流量，查算相應(yīng)尾水位，用期望各月平均庫(kù)水位減去尾水位，得出逐月不同控制水位、不同保證率下可獲得的發(fā)電水頭（見圖3）。

圖3 碗米坡各月平均水頭保證率曲線圖

一般而言，碗米坡獲得38 m以上工作水頭，機(jī)組可以確保處于良好的工作工況，發(fā)電耗水率相對(duì)較低，運(yùn)行比較經(jīng)濟(jì)。在同一控制水位情況下，各月發(fā)電水頭變幅基本在2.5 m以下，不同頻率來(lái)水對(duì)發(fā)電水頭影響不大，為獲取較好的發(fā)電水頭，關(guān)鍵在于平均庫(kù)水位控制的高低。

2.1.5 機(jī)組耗水率分析

根據(jù)碗米坡水輪機(jī)特性曲線及實(shí)際運(yùn)行資料分析,得出機(jī)組耗水率曲線（見圖4）。

圖4 碗米坡不同水頭發(fā)電耗水率曲線圖

2.2 水庫(kù)調(diào)度圖繪制與控制策略分析

2.2.1 優(yōu)化水庫(kù)調(diào)度圖繪制

通過對(duì)碗米坡逐月平均流量、最大流量進(jìn)行頻率分析，以各月棄水概率降幅明顯偏小為原則確定下限控制水位，汛期以近似75%保證率流量為騰庫(kù)前基流，以騰庫(kù)時(shí)間不超過48 h反推確定上限控制水位，以騰庫(kù)時(shí)間不超過28 h反推，綜合考慮月度發(fā)電水頭保證率因素確定月度平均水位最低控制目標(biāo)，進(jìn)而以90%來(lái)水頻率可以獲得的發(fā)電水頭確定月度平均發(fā)電耗水率控制目標(biāo)。

汛期月均水位最低控制目標(biāo)值適當(dāng)降低，一方面便于實(shí)施預(yù)泄調(diào)度騰庫(kù)迎洪，提高水量利用率，同時(shí)可以避免因?qū)嶋H來(lái)水偏枯或來(lái)水分布均勻而導(dǎo)致實(shí)際發(fā)電水頭過低，耗水率大幅增加。當(dāng)實(shí)際來(lái)水偏豐或來(lái)水分布集中時(shí)，庫(kù)水位必然自然抬高，實(shí)際發(fā)電水頭不會(huì)明顯降低，發(fā)電耗水率亦可得到保障。

在水庫(kù)調(diào)度圖上繪制各月平均日發(fā)電量作為參考指示線，用于日前發(fā)電方式參考（優(yōu)化水庫(kù)調(diào)度圖見圖5）。

圖5 碗米坡水電站優(yōu)化水庫(kù)調(diào)度圖

2.2.2 不同時(shí)期庫(kù)水位控制策略分析

優(yōu)化水庫(kù)調(diào)度圖中，上限、平均、下限三根水位線將庫(kù)水位劃分為高位和低位兩個(gè)運(yùn)行區(qū)間。在中長(zhǎng)期調(diào)度運(yùn)用上，以月度平均水位最低值為基本控制目標(biāo)，確保月均庫(kù)水位不低于目標(biāo)值，實(shí)現(xiàn)發(fā)電耗水率不高于目標(biāo)值；以上限控制水位和下限控制水位為基準(zhǔn)，結(jié)合短期氣象預(yù)報(bào)和不同凈入庫(kù)的騰、蓄時(shí)間曲線（見圖6）指定具體調(diào)度方案，實(shí)施水庫(kù)的騰、蓄調(diào)度轉(zhuǎn)換。

圖6 碗米坡不同凈入庫(kù)騰、蓄時(shí)間曲線圖

12～2月份是碗米坡來(lái)水最枯的時(shí)期，月最大流量均值217～310 m3/s，實(shí)測(cè)最大流量?jī)H836 m3/s，對(duì)水庫(kù)調(diào)蓄的需求不大，騰庫(kù)時(shí)間很短，245 m起調(diào)無(wú)棄水風(fēng)險(xiǎn)。246 m平均水位下可以獲得43 m發(fā)電水頭，再抬高平均水位對(duì)降低耗水率不明顯。

3月份為入汛前的過渡月份，來(lái)水略微增加，月最大流量均值569 m3/s，實(shí)測(cè)最大流量1 520 m3/s，243 m起調(diào)棄水概率僅1.5%。12～3月份由于月均入庫(kù)流量遠(yuǎn)低于機(jī)組過流能力660 m3/s，期間宜采用“集中發(fā)電集中蓄水”（機(jī)組全停蓄水后單機(jī)出力5萬(wàn)kW以上集中消落水位）的調(diào)度策略循環(huán)利用水量，并控制日發(fā)電量不低于24萬(wàn)kW·h，以滿足生態(tài)流量的調(diào)度需求。

4月份開始進(jìn)入汛期，較容易發(fā)生“春汛”，年最大洪水發(fā)生1次，月最大流量均值1 550 m3/s，實(shí)測(cè)最大流量4 190 m3/s，240 m起調(diào)棄水概率28%。4月份來(lái)水年際變化較大，有的年份沒有發(fā)生洪水，導(dǎo)致“春旱”。雨季開始時(shí)間一般在下半月，要密切關(guān)注氣象部門發(fā)布的時(shí)間，采用“上半月高位、下半月低位區(qū)間控制”的調(diào)度策略。

5～7月份是主汛期，年最大洪水多發(fā)生在這一時(shí)期，月最大流量均值2 670～3 890 m3/s，實(shí)測(cè)最大流量12 700 m3/s，238 m起調(diào)棄水概率達(dá)55%～78%。夏季雨季結(jié)束時(shí)間一般在7月下旬，因水庫(kù)的調(diào)節(jié)庫(kù)容較小，汛末蓄水問題并不突出。采用“低位區(qū)間控制，積極預(yù)泄騰庫(kù)”的調(diào)度策略。

8～9月份是后汛期，容易發(fā)生“秋汛”，時(shí)有發(fā)生年最大洪水，月最大流量均值2 330 m3/s、1 890 m3/s，實(shí)測(cè)最大流量9 900 m3/s、7 720 m3/s，238 m起調(diào)棄水概率達(dá)39%和31%。這一時(shí)期年際變化極大，且月內(nèi)來(lái)水分布也極不均勻，來(lái)水暴漲暴落，峰型尖瘦，既可能因?yàn)檫B續(xù)高溫導(dǎo)致“秋旱”，無(wú)水發(fā)電，又可能連續(xù)暴雨，洪水泛濫。采用“高溫時(shí)期高位、正常情況低位區(qū)間控制，積極預(yù)泄騰庫(kù)”的調(diào)度策略。

10～11月份是平水期，容易發(fā)生“重陽(yáng)水”，年最大洪水各發(fā)生1次，月最大流量均值1 280 m3/s、805 m3/s，實(shí)測(cè)最大流量4 350 m3/s、4 650 m3/s，238 m起調(diào)棄水概率15%和6%。這一時(shí)期年際變化極大，月內(nèi)來(lái)水分布也極不均勻，枯水時(shí)候偏多，豐水時(shí)候偏少。大型“重陽(yáng)水”（洪峰流量2 500 m3/s以上）出現(xiàn)概率18%左右，一般是由于副熱帶高壓邊緣停滯湘西北，西南暖濕氣流通道打開，北方冷空氣不斷補(bǔ)充南下形成，雨日一般較長(zhǎng)，來(lái)水相對(duì)較慢，峰型矮胖。密切關(guān)注連續(xù)陰雨（5～7 d）天氣預(yù)報(bào)，采用“正常情況高位、陰雨時(shí)期低位區(qū)間控制，適度預(yù)泄騰庫(kù)”的調(diào)度策略。

3 實(shí)際調(diào)度運(yùn)用評(píng)估

通過統(tǒng)計(jì)碗米坡2004～2021年實(shí)際運(yùn)行18年以來(lái)資料，與優(yōu)化后的水庫(kù)調(diào)度圖確定的運(yùn)行指標(biāo)對(duì)比分析，實(shí)際水庫(kù)調(diào)度運(yùn)用仍有一定潛力可挖。

3.1 平均庫(kù)水位對(duì)比分析

實(shí)際多年平均庫(kù)水位243.6 m，較調(diào)度圖控制指標(biāo)244 m偏低0.4 m。其中最高年平均水位245.1 m (2007年)，最低年平均水位242.3 m(2011年)，年平均水位低于244 m的年份達(dá)到13年，占比72.2%。各月運(yùn)行情況見表4。

表4 碗米坡逐月平均庫(kù)水位對(duì)比分析表單位：m

3.2 平均水頭對(duì)比分析

實(shí)際多年平均水頭40.3 m，較調(diào)度圖控制指標(biāo)40.6 m偏低0.3 m。其中最高年平均水頭42.1 m（2007年），最低年平均水頭39.3 m（2018年），年平均水頭低于40.6 m的年份達(dá)到13年，占比72.2%。各月運(yùn)行情況見表5。

表5 碗米坡逐月平均水頭對(duì)比分析表單位：m

3.3 平均耗水率對(duì)比分析

實(shí)際多年平均耗水率11.4 m3/kW·h，較調(diào)度圖控制指標(biāo)11.2 m3/kW·h偏低0.2 m3/kW·h。其中最高年平均耗水率12.0 m3/kW·h（2006年），最低年平均耗水率10.7 m3/kW·h（2007年），年平均耗水率低于11.2 m3/kW·h的年份達(dá)到11年，占比61.1%。各月運(yùn)行情況見表6。

表6 碗米坡逐月耗水率對(duì)比分析表單位：m3/kW·h

3.4 棄水概率對(duì)比分析

實(shí)際年平均棄水概率31.5%，較調(diào)度圖控制指標(biāo)29.4%增加2.1%，各月棄水概率統(tǒng)計(jì)情況見表7。

表7 碗米坡逐月棄水概率對(duì)比分析表單位：%

3.5 綜合評(píng)估分析

2004～2021年，碗米坡電廠實(shí)際多年平均水量利用率84.3%，較設(shè)計(jì)值85.3%降低1%，主要原因是碗米坡電廠處于湘西北電源末端，容易產(chǎn)生不同程度的棄水調(diào)峰損失電量，發(fā)生年份高達(dá)13年，占比72.2%。截止2021年，已累計(jì)棄水調(diào)峰損失電量2.82億kW·h。電廠累計(jì)發(fā)電119.4億kW·h，平均年發(fā)電量?jī)H6.63億kW·h，即使計(jì)入棄水調(diào)峰損失電量，平均年發(fā)電量也只有6.78億kW·h，低于設(shè)計(jì)發(fā)電量。

綜合歷年逐月平均庫(kù)水位、水頭、耗水率等運(yùn)行指標(biāo)，在今后的調(diào)度控制運(yùn)用中，主要應(yīng)結(jié)合5 d預(yù)見期降雨數(shù)字化定量預(yù)報(bào)，按照水庫(kù)調(diào)度圖指示的庫(kù)水位控制區(qū)域，及時(shí)合理調(diào)整發(fā)電運(yùn)行方式，抬高每年10月份至次年4月份的平均運(yùn)行水位，降低發(fā)電耗水率，以增加年度發(fā)電量。經(jīng)測(cè)算，年度耗水率如降低0.2 m3/kW·h，年度發(fā)電量將增加1 100萬(wàn)kW·h，增發(fā)率1.7%左右。

4 總結(jié)

本次研究采用的月平均、最長(zhǎng)資料序列已結(jié)合上游水文站和下游電站的實(shí)測(cè)資料進(jìn)行可靠性對(duì)比分析，并對(duì)P-Ⅲ型曲線適線參數(shù)成果的合理性檢查，以保障后續(xù)分析成果的準(zhǔn)確性。本次研究在以前研究[3，4]的基礎(chǔ)上延長(zhǎng)資料序列13年，理論頻率曲線參數(shù)CV值均略有減小，資料的代表性更加可靠，逐月水位控制目標(biāo)成果更加可信。

實(shí)際調(diào)度運(yùn)用評(píng)估表明，10月份至次年3月份，水庫(kù)水位一旦降得過低，再蓄上來(lái)相對(duì)困難。當(dāng)實(shí)施騰庫(kù)調(diào)度時(shí)，一般情況下消落至水位控制下限線附近即可，突破下限值不宜超過2 m，同時(shí)在管理上應(yīng)允許水庫(kù)調(diào)度適當(dāng)承擔(dān)一定的棄水風(fēng)險(xiǎn)。

為更好地實(shí)現(xiàn)碗米坡中長(zhǎng)期調(diào)度目標(biāo)，水庫(kù)短期騰、蓄調(diào)度的精準(zhǔn)轉(zhuǎn)換尤為重要，需要進(jìn)一步引入降雨數(shù)值預(yù)報(bào)，不斷研究提升未來(lái)2～5 d的逐日徑流預(yù)報(bào)的精度。