2021年金沙江下游梯級(jí)水庫(kù)蓄水實(shí)踐研究

田 銳，舒衛(wèi)民，阮燕云，馮志洲

(1.三峽水利樞紐梯級(jí)調(diào)度通信中心，湖北 宜昌 443002； 2.智慧長(zhǎng)江與水電科學(xué)湖北省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，湖北 宜昌 443002)

0 引 言

2021年6月28日，白鶴灘水電站首批機(jī)組投產(chǎn)發(fā)電，標(biāo)志著白鶴灘水庫(kù)正式并入金沙江下游梯級(jí)(以下簡(jiǎn)稱(chēng)“金下梯級(jí)”)水庫(kù)調(diào)度序列，金下梯級(jí)四庫(kù)調(diào)度格局已經(jīng)形成，從上游至下游依次為烏東德水庫(kù)、白鶴灘水庫(kù)、溪洛渡水庫(kù)和向家壩水庫(kù)。

金下梯級(jí)位于金沙江下游和長(zhǎng)江上游干流(以下簡(jiǎn)稱(chēng)“長(zhǎng)上干”)的交界點(diǎn)，作為承擔(dān)長(zhǎng)江流域開(kāi)發(fā)及治理的骨干工程之一，具有防洪、發(fā)電、航運(yùn)、補(bǔ)水等綜合效益。近年來(lái)，隨著烏東德水電站、白鶴灘水電站陸續(xù)投產(chǎn)發(fā)電，金下梯級(jí)水庫(kù)蓄水形勢(shì)發(fā)生改變。前期研究大都集中于溪洛渡水庫(kù)和向家壩水庫(kù)(以下簡(jiǎn)稱(chēng)“溪向”)梯級(jí)水庫(kù)蓄水過(guò)程，針對(duì)梯級(jí)四庫(kù)蓄水期運(yùn)行方式的研究尚且不足。2021年金下梯級(jí)水庫(kù)蓄水調(diào)度實(shí)踐表明：在四庫(kù)聯(lián)合調(diào)度的新形勢(shì)下，基于中長(zhǎng)期來(lái)水預(yù)報(bào)，合理控制梯級(jí)水庫(kù)水位控制節(jié)點(diǎn)，在兼顧金下梯級(jí)水庫(kù)蓄滿(mǎn)的同時(shí)，保障梯級(jí)電站綜合效益，是研究金下梯級(jí)水庫(kù)蓄水期控制的主要目標(biāo)。本文對(duì)2021年金下梯級(jí)水庫(kù)蓄水實(shí)踐進(jìn)行分析，探究滿(mǎn)足蓄水需求和綜合效益的水位控制策略，為實(shí)時(shí)調(diào)度水位控制和計(jì)劃編制提供參考[1]。

1 蓄水影響因素

1.1 上游水庫(kù)群調(diào)蓄

金下梯級(jí)徑流主要受金沙江上中游梯級(jí)水庫(kù)和雅礱江梯級(jí)影響，其中，已經(jīng)建成的大型水庫(kù)有梨園、阿海、金安橋、龍開(kāi)口、魯?shù)乩⒂^音巖、錦一、二灘等水庫(kù)[2]；正在建設(shè)的水庫(kù)有蘇洼龍、楊房溝、兩河口等水庫(kù)。雅礱江水庫(kù)及金沙江中游梯級(jí)水庫(kù)調(diào)蓄特征值見(jiàn)表1。考慮上述在建水庫(kù)正常運(yùn)行，按照流域防洪統(tǒng)一調(diào)度安排，金中梯級(jí)和雅礱江梯級(jí)集中于8～10月蓄水，總待蓄庫(kù)容55.98億m3，其中雅礱江梯級(jí)待蓄水量40.9億m3，占比約73%；8月份待蓄水量40.07億m3，占比約72%。

表1 雅礱江及金沙江中游梯級(jí)水庫(kù)調(diào)蓄特征值Tab.1 Characteristic values of regulation and storage of cascade reservoirs of Yalong River and middle Jinsha River

1.2 梯級(jí)水庫(kù)蓄水形勢(shì)變化

近年來(lái)，隨著烏東德電站、白鶴灘電站建成投產(chǎn)，金下梯級(jí)水庫(kù)蓄水形勢(shì)愈發(fā)復(fù)雜，與上游水庫(kù)蓄水期的重疊將顯著減少金下梯級(jí)來(lái)水，形成與上游水庫(kù)爭(zhēng)水的事實(shí)。同時(shí)，8～9月仍處于洪水多發(fā)期，金下梯級(jí)水庫(kù)在蓄水的同時(shí)，需兼顧下游荊江河段防洪需求。因此，需要進(jìn)一步研究防洪庫(kù)容的科學(xué)釋放。目前，烏東德水庫(kù)、白鶴灘水庫(kù)集中于8月蓄水，總待蓄庫(kù)容99.42億m3，其中，烏東德待蓄庫(kù)容24.43億m3，白鶴灘待蓄庫(kù)容74.99億m3；溪洛渡水庫(kù)集中于8～9月份蓄水，總待續(xù)庫(kù)容46.51億m3；向家壩水庫(kù)集中于9月蓄水，待蓄庫(kù)容9.03億m3。表2為金下梯級(jí)水庫(kù)蓄水特征值。

表2 金下梯級(jí)水庫(kù)蓄水特征值Tab.2 Storage characteristic values of cascade reservoirs in the lower reaches of Jinsha River

2 2021年蓄水實(shí)踐

2.1 實(shí)況來(lái)水

(1) 降雨。2021年金下梯級(jí)水庫(kù)蓄水期間，金沙江降雨階段性特征明顯。圖1為2021年金沙江流域8～10月降水量距平圖。從時(shí)間上看，8～10月金沙江流域降雨偏少，金沙江流域降水在8月中旬、9月中旬分別經(jīng)歷了“由少轉(zhuǎn)多”“由多轉(zhuǎn)少”的迅速轉(zhuǎn)換。從空間上看，降雨偏豐區(qū)域集中于金沙江上游和雅礱江上游。流域降雨呈時(shí)空分布不均、秋季連陰雨的特征。

圖1 2021年金沙江流域8～10月降水量距平圖Fig.1 Precipitation anomaly map of Jinsha River Basin from August to October 2021

(2) 來(lái)水。以金下梯級(jí)的龍頭水庫(kù)烏東德水庫(kù)為例(下同)，2021年8月烏東德水庫(kù)平均入庫(kù)流量6 660 m3/s，相應(yīng)來(lái)水頻率70.3%；9月烏東德水庫(kù)平均入庫(kù)流量8 850 m3/s，相應(yīng)來(lái)水頻率42.2%。8月、9月來(lái)水偏豐時(shí)段集中于8月下旬至9月中旬，其中，8月烏東德水庫(kù)入庫(kù)流量偏少，年均值偏枯20%，8月上中旬偏枯明顯，下旬受華西秋雨影響，枯豐轉(zhuǎn)換迅猛，下旬流量逐步加大至與多年均值持平；9月上中旬烏東德入庫(kù)流量較多年均值偏豐10%～20%，下旬豐枯急轉(zhuǎn)，入庫(kù)流量退至較多年均值偏枯20%。表3為2021年金下梯級(jí)蓄水期烏東德水庫(kù)分旬來(lái)水統(tǒng)計(jì)。

表3 2021年蓄水期烏東德水庫(kù)分旬來(lái)水統(tǒng)計(jì)Tab.3 Statistics of inflow from Wudongde Reservoir in 10 days during the storage period in 2021

2.2 預(yù)報(bào)精度

2021年8月1日至9月30日，烏東德水庫(kù)12，24，36，48，60，72，84，96，108 h平均誤差和最大誤差如圖2所示。隨著預(yù)見(jiàn)期的延長(zhǎng)，預(yù)報(bào)精度逐步降低。評(píng)價(jià)上述預(yù)見(jiàn)期內(nèi)所有預(yù)報(bào)點(diǎn)預(yù)報(bào)精度，可為金下梯級(jí)的日計(jì)劃滾動(dòng)編制、水位精準(zhǔn)控制提供技術(shù)保障。

圖2 2021年8～10月烏東德水庫(kù)入庫(kù)流量預(yù)報(bào)誤差統(tǒng)計(jì)Fig.2 Error of predicted inflow of Wudongde Reservoir from August to October，2021

烏東德水庫(kù)建成后，由于上游水庫(kù)到烏東德洪水傳播時(shí)間大幅縮短[3]，入庫(kù)預(yù)報(bào)精度受上游水庫(kù)調(diào)蓄影響極大，12 h最大預(yù)報(bào)誤差達(dá) 25.71%。以烏東德水庫(kù)蓄水期平均入庫(kù)6 660 m3/s測(cè)算，由預(yù)報(bào)誤差引起的單日水位偏差達(dá)1.5 m。

2.3 蓄水進(jìn)程

金下梯級(jí)水庫(kù)起蓄時(shí)間自2021年8月1日起，至10月10日溪洛渡水庫(kù)蓄滿(mǎn)為止，歷時(shí)71 d，累計(jì)蓄水量135.16億m3。金下梯級(jí)水庫(kù)蓄水特征指標(biāo)見(jiàn)表4。金下梯級(jí)蓄水過(guò)程見(jiàn)圖3。8月底烏東德水庫(kù)迎來(lái)首輪12 000 m3/s量級(jí)的漲水過(guò)程，為配合下游防洪，逐步攔蓄至 965.00 m以上，于9月上旬蓄至最高水位974.51 m；9月上旬末，烏東德水庫(kù)迎來(lái)第二輪12 000 m3/s量級(jí)的漲水過(guò)程。由于此時(shí)烏東德水庫(kù)已無(wú)調(diào)蓄能力，以白鶴灘水庫(kù)攔蓄為主，且延伸期預(yù)報(bào)長(zhǎng)江上游流域后續(xù)無(wú)明顯漲水過(guò)程，9月14日，白鶴灘水庫(kù)啟用800.00 m以上庫(kù)容攔蓄洪水尾巴，于9月30日蓄至816.00 m左右后維持。烏東德水庫(kù)利用965.00 m以上庫(kù)容攔蓄棄水11億m3，白鶴灘水庫(kù)利用800.00 m以上庫(kù)容攔蓄棄水32億m3，烏東德水庫(kù)、白鶴灘水庫(kù)(以下簡(jiǎn)稱(chēng)“烏白水庫(kù)”)共攔蓄棄水達(dá)43億m3。

圖3 蓄水期金下梯級(jí)調(diào)度過(guò)程Fig.3 Dispatch process of cascade reservoirs in the lower reaches of Jinsha River during impoundment period

表4 梯級(jí)水庫(kù)蓄水關(guān)鍵指標(biāo)Tab.4 Key indicators of cascade reservoir in impoundment period in 2021

通過(guò)對(duì)金沙江下游遭遇的兩場(chǎng)洪水?dāng)r蓄，證明了烏白水庫(kù)防洪庫(kù)容潛力有進(jìn)一步挖掘空間。

2.4 調(diào)度評(píng)價(jià)

汛前、蓄水前來(lái)水預(yù)測(cè)見(jiàn)圖4，由于8月長(zhǎng)江上游流域來(lái)水整體偏枯，8月中旬上游水庫(kù)待蓄水量高達(dá)480億m3，上游水庫(kù)群蓄滿(mǎn)壓力大，且各單位蓄水前對(duì)蓄水期來(lái)水預(yù)測(cè)均偏枯。為保證三峽水庫(kù)完成175 m年度蓄水任務(wù)，8月1日至10月10日金下梯級(jí)水庫(kù)蓄水期間，長(zhǎng)江水利委員會(huì)(以下簡(jiǎn)稱(chēng)“長(zhǎng)江委”)下達(dá)4次調(diào)度意見(jiàn)，要求加快金下梯級(jí)水庫(kù)蓄水進(jìn)度。按調(diào)令要求，8月底金下梯級(jí)水庫(kù)預(yù)留防洪庫(kù)容30億m3。蓄水期間調(diào)令執(zhí)行情況見(jiàn)圖5，金下梯級(jí)8月底預(yù)留防洪庫(kù)容40億m3，向家壩水庫(kù)下泄流量均為發(fā)電流量。

圖4 長(zhǎng)期預(yù)報(bào)評(píng)定Fig.4 Long-term forecast assessment

圖5 蓄水期間調(diào)令執(zhí)行情況Fig.5 Implementation of dispatch order during the impoundment period

2021年8月下旬，中期預(yù)報(bào)后續(xù)來(lái)水情況較蓄水前預(yù)報(bào)偏豐，金下梯級(jí)需預(yù)留充足防洪庫(kù)容，避免因前期減少出庫(kù)造成“前蓄后棄”的風(fēng)險(xiǎn)。通過(guò)調(diào)整計(jì)劃，8月底預(yù)留防洪庫(kù)容40億m3，較調(diào)度意見(jiàn)多預(yù)留10億m3，有效減少9月中旬棄水量。9月烏東德水庫(kù)實(shí)際入庫(kù)流量8 850 m3/s，與多年均值持平；烏東德水庫(kù)入庫(kù)流量直至9月底仍在6 000 m3/s以上。由于金下梯級(jí)水庫(kù)已基本蓄滿(mǎn)，造成9月中下旬溪向梯級(jí)存在棄水情況。

3 啟示與思考

3.1 蓄水期間來(lái)水特性分析

受上游水庫(kù)群調(diào)蓄影響，金下梯級(jí)水庫(kù)入庫(kù)流量在7～8月有所減少、枯水期1～5月流量則有所增大。以二灘水庫(kù)建成前(1959～1998年)金下梯級(jí)入庫(kù)流量作為天然情況下來(lái)水資料，并與多年均值(1959～2013年)及近10 a均值(2012～2021年)比較(表5)。由表5可以看出，近10 a均值較天然來(lái)水系列及多年均值系列8月流量降幅分別達(dá)16.5%和16.7%，而9月流量則與天然來(lái)水系列及多年均值系列基本持平，主要原因?yàn)榻鹬刑菁?jí)及雅礱江梯級(jí)水庫(kù)集中蓄水期為8月，9月蓄水占比少。

表5 蓄水期烏東德水庫(kù)不同歷史時(shí)段來(lái)水情況Tab.5 Inflow from Wudongde Reservoir in different historical periods during impoundment period m3/s

3.2 優(yōu)化剩余防洪庫(kù)容分配

考慮上游兩河口水庫(kù)建成后8～9月均勻蓄水影響，金下梯級(jí)8～9月月均入庫(kù)流量分別減少1 500 m3/s和540 m3/s。以此對(duì)天然系列(1959～1998年)還現(xiàn)處理后，得到烏東德水庫(kù)8～9月月均入庫(kù)流量分別為7 030 m3/s和7 740 m3/s，對(duì)應(yīng)月均水量分別為188.29億m3和200.62億m3。

規(guī)程要求考慮金下梯級(jí)7月均按汛限水位左右運(yùn)行，按烏白梯級(jí)集中于8月蓄水、溪向梯級(jí)集中于9月蓄水考慮：烏白梯級(jí)8月待蓄水量99.42億m3，多年平均流量下來(lái)水量為205.4億m3(考慮烏白區(qū)間8月多年平均流量為640 m3/s)，烏白梯級(jí)蓄滿(mǎn)條件下向家壩出庫(kù)流量5 010 m3/s(考慮白溪區(qū)間8月多年平均流量為1 050 m3/s)，金下梯級(jí)預(yù)留防洪庫(kù)容55.54億m3。溪向梯級(jí)9月待蓄水量55.54億m3，多年平均流量下來(lái)水量為244.9億m3(考慮烏溪區(qū)間9月多年平均流量為1 710 m3/s)，溪向梯級(jí)蓄滿(mǎn)條件下向家壩出庫(kù)流量7 310 m3/s。此時(shí)會(huì)出現(xiàn)“前蓄后棄”的情況，對(duì)梯級(jí)水庫(kù)綜合效益及防洪安全產(chǎn)生不利影響。

將金下梯級(jí)作為整體考慮：金下梯級(jí)水庫(kù)8～9月總待蓄庫(kù)容達(dá)154.96億m3，8～9月總來(lái)水量478.5億m3(考慮烏溪區(qū)間8，9月多年平均流量分別為1 690 m3/s和1 710 m3/s)，金下梯級(jí)水庫(kù)蓄滿(mǎn)情況下，出口斷面(向家壩水電站)8～9月平均出庫(kù)流量6 140 m3/s，與向家壩電站滿(mǎn)發(fā)流量基本一致，在8月底預(yù)留充足防洪庫(kù)容的同時(shí)能有效減小棄水(表6)。

表6 金下梯級(jí)水庫(kù)防洪庫(kù)容釋放方案對(duì)比Tab.6 Comparison of flood control capacity release schemes of cascade reservoirs on the Lower Jinsha River

4 結(jié) 論

(1) 在2021年金下梯級(jí)水庫(kù)蓄水調(diào)度過(guò)程中，以中期滾動(dòng)預(yù)報(bào)指導(dǎo)計(jì)劃編制的模式，能兼顧下游蓄水及防洪需求，確保梯級(jí)水庫(kù)完成蓄水任務(wù)，為充分發(fā)揮梯級(jí)水庫(kù)綜合效益提供保障。

(2) 上游水庫(kù)的陸續(xù)建成影響了烏東德水庫(kù)短期入庫(kù)的預(yù)報(bào)精度，進(jìn)而影響日內(nèi)水位控制精度；中長(zhǎng)期預(yù)報(bào)對(duì)未來(lái)金下梯級(jí)水庫(kù)蓄水調(diào)度過(guò)程影響進(jìn)一步加大；后期調(diào)度過(guò)程中，應(yīng)進(jìn)一步加強(qiáng)金下梯級(jí)來(lái)水預(yù)報(bào)。

(3) 上游水庫(kù)群調(diào)蓄對(duì)金下梯級(jí)水庫(kù)來(lái)水的影響以雅礱江梯級(jí)為主，主要集中于8月。通過(guò)對(duì)金下梯級(jí)水庫(kù)蓄水過(guò)程分析，整體考慮梯級(jí)水庫(kù)蓄水調(diào)度，蓄水期均勻釋放防洪庫(kù)容，在預(yù)留充足防洪庫(kù)容的同時(shí)，可充分發(fā)揮梯級(jí)水庫(kù)綜合效益。