黃河上游梯級水庫汛期增泄聯合調度研究

于顯亮 彭楊 李穎曼 姚禮雙

關鍵詞：汛期增泄；聯合調度；發電量；反調節；梯級水庫；黃河上游

０引言

目前黃河上游水沙調控體系不夠完善，僅建成龍羊峽、劉家峽兩座大型骨干水庫，工程布控局限性較強［１－３］。龍羊峽、劉家峽梯級水庫（以下簡稱龍劉梯級水庫）的聯合運用使黃河寧蒙河段汛期水量以及有利于輸沙的大流量過程大幅度減少，導致寧蒙河段水沙關系逐步惡化，主槽嚴重淤積萎縮，行洪輸沙能力急劇下降，防洪防凌形勢嚴峻［４－１０］。為保障凌汛期寧蒙河段防凌安全，限制龍劉梯級水庫的下泄水量，造成龍劉梯級水庫的發電效益降低［１１－１３］。目前擬建的黑山峽水庫（也稱大柳樹水庫）庫容巨大，將其與龍劉梯級水庫聯合運用可為協調寧蒙河段水沙關系、解決寧蒙河段防凌問題創造有利條件［１４－１７］。因此，開展龍羊峽、劉家峽、黑山峽梯級水庫（以下簡稱龍劉黑梯級水庫）聯合調度研究，對完善黃河上游水沙調控體系、發揮黃河上游梯級水庫的綜合效益具有重要意義［１８－２１］。

為減小寧蒙河段淤積泥沙量、恢復和維持中水河槽，許多學者對寧蒙河段的水沙調控相關指標開展了大量研究。申冠卿等［２２］、陳雄波等［２３］的研究結果表明寧蒙河段輸沙過程與來水過程具有良好的響應關系，當龍劉梯級水庫汛期增泄１５億、３０億、６０億ｍ３時，寧蒙河段分別減淤０．１３８億、０．２２２億、０．５１４億ｔ。張紅武等［７］通過數值計算與物理模型試驗發現汛期寧蒙河段臨界調控流量為２０００～２５００ｍ３／ｓ、調控時間為１５～２０ｄ時，可以恢復和維持寧蒙河段行洪排沙能力。段高云等［２４］、安催花等［２５］的研究結果表明有利于恢復與維持寧蒙河段中水河槽規模的調控流量為２５００～３０００ｍ３／ｓ，維持年內沖淤平衡的大流量過程不小于３０ｄ，控泄時機為７月中旬至８月下旬。以上研究表明，汛期泄放大流量過程不僅可以提高寧蒙河段行洪排沙功能，還可以防止多沙支流入匯淤堵干流河道［７，２５－２７］，但上述研究未與水庫調度相結合，沒有統籌考慮汛期增泄對龍劉梯級水庫發電量的影響。

本文結合寧蒙河段水沙調控指標，分別對龍劉梯級水庫現狀聯合調度、龍劉梯級水庫汛期增泄聯合調度以及龍劉黑梯級水庫汛期增泄聯合調度３種方案進行分析，進而探究水庫汛期增泄和黑山峽水庫投入運用后對龍劉梯級水庫發電效益的影響，以期為充分發揮龍劉梯級水庫發電效益、緩解黃河寧蒙河段泥沙淤積狀況以及完善黃河上游水沙調控體系提供技術支撐。

１梯級水庫概況

１．１水庫基本資料

龍劉梯級水庫不僅承擔著西北電網的主要調頻、調峰任務，而且兼顧防洪、防凌和灌溉等綜合利用。龍羊峽水庫位于青海省共和縣境內，上距黃河源頭１６８４．５ｋｍ，控制流域面積為１３．１４萬ｋｍ２，是黃河上游庫容最大、具有多年調節性能的龍頭水庫，控制著下游蘭州斷面６２％的水量，唐乃亥水文站為龍羊峽水庫的入庫控制站。劉家峽水庫位于甘肅省永靖縣境內洮河匯入口下游１．５ｋｍ處，控制流域面積為１８．２萬ｋｍ２，占黃河全流域面積的１／４，是不完全年調節水庫［２８］，大夏河和洮河是劉家峽水庫的２條主要入庫支流，折橋水文站、紅旗水文站分別為大夏河、洮河的入黃控制站。

擬建的黑山峽水庫位于黃河上游梯級電站末端、寧蒙河段首部，上距劉家峽水庫３９０ｋｍ，控制流域面積為２５．２萬ｋｍ２，開發任務以反調節、防洪防凌為主，兼顧供水、發電，在黃河保護治理中具有重要戰略地位。龍羊峽、劉家峽、黑山峽水庫的主要特征參數見表１［２９－３０］。

１．２水庫運行方式

目前龍劉梯級水庫的運行方式如下：每年７月至９月上旬黃河主汛期龍劉梯級水庫在汛限水位以下運行；９月中旬至１０月龍羊峽水庫蓄水運行，劉家峽水庫適當蓄水并在１０月月底留有足夠的防凌庫容，枯水年份龍劉梯級水庫允許泄放至死水位，以滿足發電和供水要求；１１月至３月為寧蒙河段防凌時期，劉家峽水庫按照防凌要求控制下泄流量，１１月、１２月、１月、２月、３月劉家峽水庫防凌控制流量分別為７２９、４６５、４２３、３７１、４２７ｍ３／ｓ，龍羊峽水庫進行補償調節以滿足梯級電站出力要求；４月至６月為寧蒙地區的主灌溉期，依次由劉家峽、龍羊峽水庫向下游補水，６月月底龍劉梯級水庫水位不可高于汛限水位［３１］。

擬建的黑山峽水庫主要與龍劉梯級水庫聯合運用，充分發揮其在調水調沙、防洪、防凌、發電、供水等方面的作用。黑山峽水庫運行方式如下：汛期７月至９月上旬按汛限水位運行；９月中旬至１０月黑山峽水庫向下游補水并在１０月月底留有足夠的防凌庫容，水位允許降至死水位，此時龍劉梯級水庫蓄水運行，最高水位允許達到正常蓄水位；１１月至３月黑山峽水庫按防凌要求控制下泄流量［３２］，１１月、１２月、１月、２月、３月黑山峽水庫防凌控制流量分別為６５０、４５０、４２０、３６０、３５０ｍ３／ｓ，在上游來水較大時可回蓄部分庫容；４月至６月按黑山峽、劉家峽、龍羊峽水庫的順序向下游補水，６月月底黑山峽水庫水位不可高于汛限水位［２９，３３］。龍羊峽、劉家峽、黑山峽水庫調度示意見圖１［２９，３２］。

１．３方案擬定

為分析汛期增泄和黑山峽水庫反調節作用對龍劉梯級水庫發電量的影響，擬定３種梯級水庫聯合調度方案。方案１為龍劉梯級水庫按現狀運行，不開展汛期增泄；方案２為龍劉梯級水庫汛期增泄聯合調度，根據寧蒙河段水沙調控研究成果，擬定每年７月中旬至８月下旬劉家峽水庫以不小于２５００ｍ３／ｓ流量持續下泄３０ｄ以上，劉家峽水庫難以增泄時再由龍羊峽水庫補充下泄；方案３考慮黑山峽水庫的反調節作用，開展龍劉黑梯級水庫汛期增泄聯合調度，每年７月中旬至８月下旬黑山峽水庫以不小于２５００ｍ３／ｓ流量持續下泄３０ｄ以上，黑山峽水庫難以增泄時依次由劉家峽、龍羊峽水庫進行補水。除汛期外，其余時期方案２和方案３的水庫調度方式與方案１的相同。

根據龍羊峽、劉家峽、黑山峽水庫調度示意圖，分析有、無黑山峽水庫時汛期增泄對龍劉梯級水庫發電量的影響。采用時段末水位控制法依次對各時段的水庫出力和下泄流量進行試算求解。考慮到梯級水庫間存在緊密的水力聯系，按照自上而下的順序依次對各水庫的出力和下泄流量進行計算。在計算上游水庫下泄流量和出力時，往往無法考慮下游水庫的調度要求，因此當反調節水庫與上游水庫運行方式不同時，可能會出現上游水庫的調度結果難以滿足下游水庫調度要求的情況。例如，上游水庫汛期攔蓄洪水時，下游水庫因來水不足難以實現汛期增泄；凌汛期上游水庫因出力要求而保持大流量發電運行時，可能導致下游水庫無法按照防凌要求控制下泄流量。因此，在計算過程中需根據下游水庫前一時段的蓄水情況以及當前時段的調度需求，判斷上游水庫是否需要蓄水或增泄。若需要，則對當前時段上游水庫時段末水位進行調整并重新計算水庫的出力和下泄流量，直到調度結果可以同時滿足上下游水庫的調度要求。若無論如何調整上游水庫時段末水位都無法滿足下游水庫調度要求，則需逆時序、逐時段對上游水庫水位進行調整，直到當前時段能滿足水庫的調度要求。

水庫出力和下泄流量計算過程中約束條件除水量平衡、水庫泄流能力、蓄水能力、下泄流量以及出力外，還應包括汛期增泄，即７月中旬至８月下旬最下游水庫下泄流量以不小于２５００ｍ３／ｓ至少持續下泄３０ｄ，表達式如下：

當水庫調度過程難以滿足式（１）的汛期增泄要求時，可通過試算將式（１）中的增泄天數３０ｄ調整為可以實現以不小于２５００ｍ３／ｓ流量持續下泄的最大天數。

２計算結果分析

２．１計算條件

基于１９７９—１９９０年、１９９８—２０１５年唐乃亥水文站、折橋水文站、紅旗水文站的實測日均流量數據對不同方案的梯級水庫聯合調度發電量進行計算，計算時分別從１９７９年７月１日、１９９８年７月１日開始起調，起調水位為各水庫的汛限水位［３０］。除汛期（７月至９月上旬）以１ｄ為計算時段外，其余各月均以１０ｄ為計算時段，１９７９年７月—１９９０年６月、１９９８年７月—２０１５年６月龍劉梯級水庫的入庫多年平均來水量分別為３１８億、２４９億ｍ３。

２．２汛期增泄實現情況

對于方案１，１９７９—１９９０年和１９９８—２０１５年內只有在１９８４年能實現汛期增泄，表明龍劉梯級水庫現狀運用方式難以滿足寧蒙河段減淤要求。在來水量較大的１９７９—１９９０年，方案２和方案３所有年份均能實現汛期增泄，而在來水量較小的１９９８—２０１５年，方案２有４ａ（２００２年、２００３年、２００４年和２００８年）未實現汛期增泄，方案３僅１ａ（２００３年）未實現汛期增泄，表明在來水量較大的時期，方案２通過改變龍劉梯級水庫的運用方式，可以滿足寧蒙河段減淤要求，但在來水量較小時期，即使改變龍劉梯級水庫的運用方式也難以滿足寧蒙河段減淤要求。方案３通過黑山峽水庫的反調節作用，將龍劉梯級水庫非汛期的多余水量調節到汛期進行增泄，即使在來水量較小的時期，也能較好地實現汛期增泄，滿足寧蒙河段減淤要求。２００３年方案３未實現汛期增泄，主要原因是２００２年來水量特別小、僅１２３．８３億ｍ３［３４］，導致龍劉黑梯級水庫年末蓄水量不足，難以在２００３年實現汛期增泄。

２．３下泄水量變化

１９７９—１９９０年、１９９８—２０１５年不同方案的劉家峽、黑山峽水庫各月多年平均下泄水量變化情況見圖２。作為各方案的最后一級水庫，方案１、方案２的劉家峽水庫以及方案３的黑山峽水庫各月多年平均下泄水量變化趨勢整體一致。方案３中因黑山峽水庫承擔寧蒙河段的防凌任務，龍劉梯級水庫下泄流量不再受防凌要求限制［３５］，與方案１和方案２相比，方案３劉家峽水庫凌汛期各月多年平均下泄水量明顯增加。

１９７９—１９９０年、１９９８—２０１５年各方案的劉家峽、黑山峽水庫在汛期（７—９月上旬）、凌汛期（１１—３月）、非汛期及全年的多年平均下泄水量變化見表２。各方案的最后一級水庫年下泄水量相差較小，相較于方案１和方案２，方案３水庫年下泄水量整體最大，各方案的水庫下泄水量差別主要體現在汛期。因汛期增泄，方案２和方案３最后一級水庫汛期下泄水量均較方案１大幅度增加，且增加幅度基本相同。凌汛期由于方案３中黑山峽水庫承擔防凌任務，龍劉梯級水庫可保持較大流量發電運行，因此方案３中劉家峽水庫下泄水量明顯增大，而方案２中劉家峽水庫按防凌要求控制下泄，其下泄水量與方案１差別不大。方案３中劉家峽水庫在凌汛期保持較大流量下泄，龍劉梯級水庫水頭降低，導致龍劉梯級水庫在汛期需適當蓄水運行，在來水量較大的１９７９—１９９０年，劉家峽水庫汛期下泄水量小于方案１的，而在來水量較小的１９９８—２０１５年，黑山峽水庫蓄水量難以滿足汛期增泄要求，龍劉梯級水庫需對黑山峽水庫補水，因此其汛期下泄水量大于方案１的。因非汛期蓄水，方案２和方案３中劉家峽水庫下泄水量較方案１中有所減小，尤其是方案３中下泄水量減小更多。

２．４龍劉梯級水庫發電量變化

不同方案下龍劉梯級水庫在不同時期多年平均發電量見表３。方案３中龍劉梯級水庫年發電量最大，其次為方案１，方案２最小。與方案１相比，１９７９—１９９０年、１９９８—２０１５年方案３中龍劉梯級水庫年發電量分別增加了１２．６５億、１．４４億ｋＷ·ｈ，方案２中龍劉梯級水庫年發電量分別減小了７．０６億、１４．２０億ｋＷ·ｈ。方案２中龍劉梯級水庫年發電量大幅度減小，主要原因是水庫汛期增泄，產生較多棄水，發電水頭降低，導致其與方案１在凌汛期、非汛期水庫下泄水量相差不大的情況下，發電量顯著減小，并且１９９８—２０１５年來水量較小，使發電量減小幅度增大。方案３中龍劉梯級水庫年發電量大幅提高的原因是黑山峽水庫的反調節作用使凌汛期龍劉梯級水庫不用按照防凌要求控制下泄流量，可保持較大流量發電運行，發電量大幅度增加，雖然汛期、非汛期水庫發電量因下泄水量減小而有所減小，但減小幅度遠小于凌汛期水庫增加的發電量。因此，僅利用龍劉梯級水庫進行汛期增泄，會降低凌汛期、非汛期水庫的發電水頭，減小兩庫凌汛期和非汛期的發電量，且來水量越小、減小的發電量越多；而黑山峽水庫承擔防凌任務后，凌汛期龍劉梯級水庫下泄流量不再受防凌要求限制，發電量明顯增大。

３結論

本文針對寧蒙河段減淤要求，以龍羊峽、劉家峽、黑山峽水庫為調控主體，開展黃河上游梯級水庫汛期增泄聯合調度研究，分析有、無黑山峽水庫時進行汛期增泄對龍羊峽、劉家峽梯級水庫發電量的影響，得出如下結論：

１）方案１龍劉梯級水庫現狀運用方式下進行汛期增泄難以滿足寧蒙河段減淤要求。

２）方案２利用龍劉梯級水庫進行汛期增泄時，在來水量較小的年份可能無法實現汛期增泄，還會加劇凌汛期水庫發電與防凌調度之間的矛盾，降低兩庫凌汛期和非汛期發電量，并且來水量越小對兩庫發電量的影響越大。

３）方案３利用黑山峽水庫反調節作用開展龍劉黑梯級水庫聯合調度，不僅可實現汛期增泄、滿足寧蒙河段減淤要求，還可緩解水庫發電與防凌調度之間的矛盾，增加龍劉梯級水庫凌汛期的發電量，從而提高龍劉梯級水庫全年發電量。在１９７９—１９９０年、１９９８—２０１５年兩個時期，方案３梯級水庫年發電量較方案１分別增加了１２．６５億、１．４４億ｋＷ·ｈ，較方案２分別增加了１９．７１億、１５．６４億ｋＷ·ｈ。因此，開展龍劉黑梯級水庫汛期增泄聯合調度，對緩解寧蒙河段淤積、促進黃河上游水能資源開發利用等具有重要作用。