上下庫水位重疊梯級水庫優化調度研究

熊 曦，黃緒臣

（湖北省水利水電規劃勘測設計院有限公司，武漢 430070）

湖北省南河流域水能資源豐富， 目前流域水電資源開發已基本完成， 但由于各水庫水電站投資主體不一，仍以單庫獨立運行方式為主，且流域“龍頭水庫”三里坪水庫與其下游寺坪水庫存在水位重疊，調度矛盾突出。岳輝通過編制和實施《南河流域梯級聯合調度方案》，對三里坪、寺坪、過渡灣、白水峪4座主要電站的聯調效益進行初步探討［1］。本文以南河流域三里坪、寺坪、過渡灣、白水峪、南河及廟子頭6 座電站為研究對象，采用梯級優化調度方法［2］，進一步分析消除上下庫水位重疊影響、 提升梯級聯調效益的可行性。

1 概況

南河是漢江中游右岸一大支流， 發源于神農架東南麓的韭菜埡子，于谷城縣城關鎮下游5 km 處匯入漢江，全流域面積6497 km2，主河道長267 km。南河流域屬副熱帶氣候區，雨量充沛，多年平均降雨量890 mm。徑流年內分配與降雨基本一致，汛期為4—10 月，多年平均徑流深400 mm，呈下游向上游遞增趨勢。

南河以水能資源開發利用為主，干流規劃梯級開發16 級， 分別是玉泉河一級—兩河口—饒家河—龍潭嘴—陽日灣—馬橋一級—馬橋二級—三里坪—寺坪—寺坪二級—過渡灣—白水峪—南河—廟子頭—金盆溝。本次研究對象為其中的6 座，分別為三里坪、寺坪、過渡灣、白水峪、南河及廟子頭水庫。

三里坪水庫位于十堰市房縣境內， 是南河干流骨干水庫之一。工程承擔配合丹江口水庫對其下游谷城縣城防洪和對漢江中下游防洪的雙重任務。

寺坪梯級位于襄陽市?？悼h境內， 與三里坪梯級相銜接，也是南河干流骨干電站之一。由于水庫下游有馬欄河支流來水匯入， 下游生態水量基本上有保障。

三里坪及寺坪均為引水式電站， 由于規劃建設不合理，三里坪發電引水至寺坪庫區，三里坪正常尾水位為301.85 m，下游寺坪水庫正常蓄水位為315 m，造成寺坪正常蓄水位時淹沒三里坪尾水位， 兩水庫存在水位重疊。

各水庫基本情況如表1。

表1 南河流域梯級水庫基本情況

2 模型建立

2.1 優化準則與目標函數

水電站水庫優化調度有許多優化準則， 本文采用發電量最大準則，目標函數如下：

式中E*(T)為梯級在調度期（T 個時段）內所能取得的最大發電量（kW·h）；Nsdc為梯級水庫個數；Pi(t)為第i 個水庫t 時段平均出力（kW）；EiZ(Vi(T+1))為第i個水庫調度期末庫蓄水量為Vi(T+1) 時的余留發電量，該函數考慮水庫調度后效性的影響。

2.2 約束條件

約束條件包括水量平衡約束、庫水位約束、出力約束、泄流能力約束、生態流量約束、水庫特性約束及其他約束［3］。

2.3 模型求解

本文以旬為時段，采用動態規劃逐次漸近法［4］對南河流域梯級電站進行優化調度， 首先將梯級水庫分解為Nsdc個單庫子系統， 給定初始軌跡并對每個水庫按單一水庫優化方法求出其優化運行策略，并作為聯合運行的初始解； 然后考慮多庫聯合運行條件， 依次改進多庫的運行策略， 即對任一水庫i 尋優時，可將其余水庫的策略暫時固定，則第i 水庫可按照動態規劃遞推方程式進行尋優計算。

采用值迭代法可求得第i 庫的穩態運行策略，以代替其初始運行策略。 依次對i 個水庫逐一進行上述演算，一輪演算之后再重復第二輪，直至所有水庫的運行策略滿足收斂條件為止， 最后可得梯級水庫近似最優解。

2.4 計算條件

本次還原了1960 年4 月—2019 年4 月南河流域各水庫壩址處旬入流情況， 由此計算出區間入流作為調度模型的入流條件。 生態流量按照當前水資源開發利用管理要求，需進行優先考慮，如表1。水位～庫容關系、下泄流量～下游水位關系、水位～泄流能力關系等基礎資料參考各水庫初步設計報告成果擬定， 并結合運行資料對相關參數進行率定， 各水庫采用的綜合出力系數及水頭損失如表2。

表2 南河流域梯級水庫水頭損失及綜合出力系數

3 計算結果

從梯級最優化的角度考慮， 為分析三里坪和寺坪之間水位重疊的相互影響及三里坪和寺坪對其后白水峪、南河、廟子頭等梯級發電優化的作用，分別擬定以下方案進行分析計算。

方案一：不考慮三里坪調蓄，僅優化寺坪發電量。

方案二：寺坪不參與調蓄，維持水庫在一定水位運行，由三里坪進行調蓄。

方案三：由三里坪和寺坪共同參與梯級的調節，使梯級發電量達到最大。

方案一中當不考慮三里坪調蓄且寺坪不參與梯級調度，即僅對寺坪自身進行優化調度時，寺坪年均發電量為1.7293 億kW·h，且基本維持在高水位運行。

方案二固定寺坪不同水位時梯級年均發電量及方案三流域梯級最優化長系列年均發電量如表3。

當寺坪固定水位運行時，寺坪的固定水位越高，寺坪及梯級的發電量越大， 寺坪固定水位從303 m開始，平均每抬高1 m，三里坪減少約200 萬kW·h電量，而寺坪則增加約216 萬kW·h電量，梯級總電量增加約27 萬kW·h電量，總體來說，在寺坪固定水位運行時，梯級總發電量變化不明顯。

南河梯級中三里坪、寺坪的調節性能較好，下游過渡灣、白水峪、南河及廟子頭4 個電站的調節性能較差且由于馬欄河匯入區間入流較大，時常產生大量棄水，下游4 個梯級電站的總裝機容量為108.2 MW，占梯級裝機容量的45%。 且三里坪受到汛限水位的影響，夏汛時調蓄作用相對有限，為了提升梯級的發電量，需要寺坪也參與到梯級調度中，以減少下游電站的棄水，增加下游白水峪、南河、廟子頭等梯級發電效益。 當三里坪和寺坪共同參與梯級優化調度時梯級最優發電量達8.297 億kW·h， 相比寺坪固定水位運行時梯級總發電量2.0%，相比梯級設計總發電量提升6.2%，效益提升增加明顯。

為對比分析三里坪與寺坪實際運行水位與梯級聯合優化后運行差別， 現將三里坪與寺坪實際平均水位過程與優化平均水位過程進行比較， 如圖1 與圖2。

圖2 寺坪實際平均水位與優化平均水位對比

三里坪實際運行平均水位與優化平均水位趨勢基本一致， 不過實際平均水位尤其是枯期的實際水位相比優化水位仍偏低，而寺坪實際運行平均水位基本為一條直線，實際運行多年平均水位為310.7 m。在梯級聯合優化后， 寺坪優化水位在汛前將會明顯預泄，多年優化平均水位為309.2 m，在汛期將會攔蓄一定水量。因此，在以梯級發電量最大為目標時，寺坪需降低平均水位1.5 m，且改變年內水位過程，從4月下旬至10 月下旬汛期時擇機抬高水位，利用自身調蓄能力減小下游電站棄水。

在整個梯級的優化調度結果中， 三里坪和寺坪需要交替蓄水、泄水，汛期寺坪優先攔蓄洪水，三里坪后蓄，三里坪受到汛限水位的限制，需在汛前降低水位， 且在汛期維持在較低水位運行難以為下游電站調蓄，因此寺坪也需提前預泄發電降低水位，以便在三里坪汛期受汛限水位限制后， 蓄水抬高水位為其后梯級調蓄，減少流域梯級棄水。

4 結語

本文通過構建梯級優化調度模型， 分析存在水位重疊的三里坪水庫及寺坪水庫運行方式， 為減少水位重疊程度與時間， 從流域防洪要求和梯級總體最優的角度考慮， 需要寺坪與三里坪形成時空交錯的蓄泄過程，同時三里坪、寺坪作為流域“龍頭”水庫，在保證流域梯級發電量最大前提下，應盡可能發揮其調蓄作用，減少流域棄水，提高流域中下游的白水峪、南河、廟子頭等梯級發電量?？偨Y三里坪、寺坪水庫運行方式， 可為相似情況梯級水庫實際運行提供參考。如何從梯級優化調度結果入手，進一步分析上下庫水位重疊梯級水庫運行規律， 總結明確的調度規則以指導實際運行，下一步將重點研究。