金沙江下游梯級水庫群協同防洪調度策略研究

荊 柱,李 肖 男,何 小 聰,徐 楊,陳 永 生,施 勇

(1.長江勘測規劃設計研究有限責任公司,湖北 武漢 430010; 2.長江設計集團有限公司,湖北 武漢 430010;3.長江水利委員會水旱災害防御創新團隊,湖北 武漢 430010; 4.中國長江電力股份有限公司,湖北 宜昌 443133; 5.長江水利委員會 水資源局,湖北 武漢 430010; 6.南京水利科學研究院,江蘇 南京 210029)

0 引 言

金沙江下游烏東德、白鶴灘、溪洛渡和向家壩四座梯級水庫(以下簡稱“金下四庫”)是長江流域保護與治理開發的骨干工程,工程開發任務是以發電為主,兼顧防洪、航運和促進地方經濟社會發展。4座梯級水庫群總調節庫容208.21億m3,預留防洪庫容154.93億m3,裝機容量46 460 MW,多年平均發電量約1 878.7億kW·h,是長江上游防洪體系的骨干工程[1]。2021年起,金沙江下游烏東德、白鶴灘水庫相繼建成投產,金沙江下游梯級水庫群正式成型,進一步提升了長江流域的防洪能力和洪水資源化利用水平。但烏東德、白鶴灘水庫的建成運用,不可避免改變了長江上游整體的水文情勢,對下游溪洛渡、向家壩、三峽水庫的調度運行也帶來了新的挑戰。

金下四庫防洪目標具有多元化特征,且分布在洪水地區組成、遭遇特性差異較大的不同區域[2]?，F有調度規程中,金沙江下游溪洛渡、向家壩水庫對川渝河段的防洪調度方式中未曾全面考慮烏東德、白鶴灘水庫的攔蓄作用[3-4],防洪運用的邊界條件發生了變化。同時,金下四庫規模大、效益好,整體協同防洪調度有利于實現梯級水庫群發電效益的最大化,避免金沙江下游水能資源的浪費。因此,如何在不同來水情況下合理分配金下四庫有限的防洪庫容量,明確金下四庫在聯合防洪調度時的使用次序和攔蓄方式,有效協調多區域防洪任務,確保梯級水庫群防洪與興利效益的高效發揮是亟需解決的問題。

在梯級水庫群聯合調度方面,眾多專家學者開展了大量的研究工作[5-10]。李安強等[11]基于大系統分解協調原理對長江上游溪洛渡、向家壩、三峽水庫聯合調度的防洪能力進行計算,結果表明聯合調度方案可以減少三峽下游在遭遇大洪水時的分蓄洪量。周新春等[12]探討了三峽水庫與金沙江梯級水庫群之間防洪庫容的互用性,計算了各水庫防洪庫容的互用比例,研究結果可以為梯級水庫群實時防洪預報調度提供參考。張尚弘等[13]從入庫洪水形態、調洪計算模型、防洪調度規程3個方面對金下四庫與三峽水庫聯合調度后的荊江地區防洪安全展開了研究,提出了金下四庫協同三峽水庫防洪調度時需要預留的最小庫容量。

上述研究成果從水庫群聯合調度的安全性、防洪庫容的共用性、最小預留防洪庫容量等多個角度對金沙江下游梯級水庫群的防洪能力和調度策略展開了研究,取得了大量的研究成果。但一方面,上述研究的水庫主要為金沙江下游溪洛渡、向家壩水庫,尚未涉及新建成投產的烏東德、白鶴灘水庫。另一方面,上述研究主要是針對金沙江下游梯級配合三峽水庫的聯合防洪調度展開分析,對新形勢下金下四庫內部的啟用次序和攔蓄方式仍缺乏系統性的比較和討論,對不同啟用次序下防洪安全及發電效益的影響也鮮有定量研究。

本文以金下四庫為對象,研究面向多區域防洪的梯級水庫群協同調度策略,統籌防洪安全和發電效益,分析金下四庫不同使用次序和攔蓄方式對梯級水庫群綜合效益的影響,在確保防洪安全的前提下盡可能提升汛期發電效益,為提升梯級水庫群調度決策科學水平提供關鍵技術支撐。

1 協同防洪調度策略設置

金下四庫在面向不同區域進行防洪調度時,需要結合水庫來水條件、下游防洪需求以及工程調度特性等,在總體打捆運用的原則下,科學擬定金下四庫協同防洪的調度策略,明確金下四庫的使用次序和攔蓄方式,充分發揮工程的綜合效益。一方面,需要在滿足工程泄流能力、最小下泄流量等防洪調度約束條件下,盡可能減少金下四庫受泄流能力約束而被動滯洪的影響,降低防洪調度時的庫容使用量。另一方面,需要進一步考慮不同水電站機組出力系數、最大出力限制等發電計算約束條件,分析不同調度策略對金下四庫整體發電效益的影響,在確保防洪安全的前提下盡可能提升金下四庫汛期防洪調度時的發電效益。

1.1 設計洪水及調度方式

金下四庫在川渝河段的主要防洪保護對象為宜賓、瀘州、重慶,控制站點分別為李莊、朱沱、寸灘水文站,研究范圍內水庫群組、防洪保護城市及重要控制站點的概化示意見圖1。不同區域的防洪目標主要是通過金下四庫調度,將宜賓主城區、瀘州主城區的防洪標準由20 a一遇提高到50 a一遇,將重慶主城區的防洪標準由50 a一遇盡可能提高到100 a一遇?？紤]金沙江與岷江、嘉陵江洪水遭遇特點、川渝河段大洪水發生情況,以及宜賓市、瀘州市、重慶市防洪需要,分別以李莊、朱沱、寸灘為控制站點選取不同典型年洪水過程,放大生成面向宜賓、瀘州、重慶的整體設計洪水過程[14],具體信息見表1。

表1 川渝河段不同區域設計洪水Tab.1 Designed floods in different regions of the Sichuan,Chongqing river section

圖1 金下四庫及川渝河段概化圖Fig.1 Overview diagram of cascade reservoirs in the lower reaches of the Jinsha River and Sichuan,Chongqing river section

由于金沙江下游各庫區間無大的支流匯入,且各庫控制流域面積差異不大,金下四庫在原則上整體打捆運用,面向不同區域的防洪調度方式和預留庫容量主要如下[14]:

(1) 金下四庫為宜賓預留防洪庫容9.1億m3。① 當預報6 h后李莊流量大于51 000 m3/s時,對宜賓主城區進行削峰補償調度,具體攔蓄量為ΔQ計算如下:李莊流量>51 000 m3/s且<53 000 m3/s,ΔQ=3 000 m3/s;李莊流量>53 000 m3/s,ΔQ=2×(李莊超頻洪峰-51 000 m3/s)。② 為兼顧興利需要,對水庫最小下泄流量要求如下:當入庫流量Q<10 000 m3/s,水庫最小下泄流量minQ≥2 500 m3/s;當入庫流量Q≥10 000 m3/s,水庫最小下泄流量minQ≥7 500 m3/s。

(2) 金下四庫為瀘州(兼顧宜賓)預留防洪庫容14.6億m3。① 當預報24 h后朱沱洪峰將超過52 600 m3/s,上游水庫按照9 000 m3/s和為宜賓防洪攔蓄流量之間最大值進行攔蓄。② 若宜賓發生超頻洪水,而瀘州未出現超頻洪峰,則上游水庫采取對宜賓防洪方式調度,按照宜賓防洪所確定的攔蓄方式進行攔蓄,當對宜賓控制站李莊超頻洪水攔蓄所用的庫容量超過9.1億m3時,則不再對宜賓進行防洪。③ 為兼顧興利需要,水庫最小下泄流量按2 500 m3/s控制。

(3) 金下四庫為重慶(兼顧宜賓、瀘州)預留防洪庫容29.6億m3。① 當預報36 h內寸灘出現超50 a頻率洪峰流量時,水庫開始啟動攔蓄,攔蓄流量為預報36～60 h內超出50 a頻率洪峰流量(83 100 m3/s)的2倍。② 在攔蓄流量確定后,持續攔蓄一日,并在下一日再根據①中所敘攔蓄方式重新確定下一次攔蓄流量,循環操作完成整個防洪調度。③ 若宜賓、瀘州發生超頻洪水,而重慶未出現超頻洪峰,則上游水庫按照相應區域防洪調度方式進行攔蓄,當上游水庫群為宜賓、瀘州超頻洪水所用的攔蓄庫容量超過14.6億m3時,則不再對上述兩區域進行防洪。④ 若重慶出現超頻洪峰,宜賓和瀘州也同時出現,則攔蓄量取三者中最大值。⑤ 為兼顧興利需要,水庫最小下泄流量按2 500 m3/s控制。

1.2 調度策略設置

金下四庫在面向川渝河段進行防洪調度時,首先需要依據不同區域的預報來水情況和調度方式,確定整體打捆運用的攔蓄總量。在此基礎上,進一步探討金下四庫內部的使用次序和攔蓄方式。其中,向家壩水庫具有泄流能力較大、出力受阻程度較輕、總防洪庫容較小的特征,且對下游川渝河段防洪作用時效性最佳,是金沙江下游梯級防洪調度的總控開關,直接關系到金沙江下游梯級調度運用的靈活性和關鍵時刻對防洪風險的控制能力。因此,在研究金下四庫防洪庫容內部的使用次序中,原則上優先使用烏東德、白鶴灘、溪洛渡(簡稱“烏白溪”)三庫,最后使用向家壩水庫攔蓄烏白溪三庫攔蓄后(受操作時效或下泄流量約束而未能達成攔蓄目標)的多余洪量及金沙江下游區間流量。從整體上設定烏東德、白鶴灘、溪洛渡三庫同步攔蓄、依次攔蓄兩大類調度策略,具體見表2。同時,為兼顧興利效益,在攔蓄時金下四庫盡量按照滿發流量下泄,如遇金沙江下游來水較少且需加大攔蓄的特殊情況時,溪洛渡、向家壩水庫最小下泄流量為2 500 m3/s。

表2 金下四庫防洪調度時內部使用次序Tab.2 Usage order of cascade reservoirs in the lower reaches of the Jinsha River during flood control operation

2 烏東德、白鶴灘、溪洛渡水庫同步攔蓄方式

2.1 面向川渝河段防洪調度計算

面向川渝河段不同區域防洪需求,依據1.1節中金下四庫打捆運用時的調度方式以及表2中的內部使用次序,考慮各庫泄流能力等約束條件,計算從汛限水位起調時遭遇不同典型年設計洪水,不同調度策略下金下四庫整體使用的防洪庫容量,計算結果見表3～5。計算結果表明,絕大部分典型年設計洪水中,金下四庫受不同調度策略影響所使用的防洪庫容量并不相同。大部分典型年設計洪水中烏東德、白鶴灘、溪洛渡三庫采用同步攔蓄的策略,金下四庫防洪庫容使用量最小。在采用依次攔蓄的策略時,被動滯洪情況較為嚴重,相較于其他調度策略多使用0.15億～9.84億m3的防洪庫容量,不利于金沙江下游梯級防洪效益的發揮。在李莊1961年、朱沱1989年、寸灘1981年等典型年設計洪水中,由于金沙江干流來水較小,不受各庫泄流能力約束,不同調度策略下金下四庫防洪庫容使用總量全部一致。即當金沙江下游來水較小時,金下四庫不產生被動滯洪,總庫容使用量不受四庫內部使用次序的影響。

表3 金沙江下游梯級對宜賓防洪調度時使用庫容量Tab.3 Capacity used of cascade reservoirs in the lower reaches of the Jinsha River for Yibin flood control 億m3

表4 金沙江下游梯級對瀘州(兼顧宜賓)防洪調度時使用庫容量Tab.4 Capacity used of cascade reservoirs in the lower reaches of the Jinsha River for Luzhou flood control 億m3

表5 金沙江下游梯級對重慶(兼顧宜賓、瀘州)防洪調度時使用庫容量Tab.5 Capacity used of cascade reservoirs in the lower reaches of the Jinsha River for Chongqing flood control 億m3

從機理性的角度分析,金沙江下游烏東德、白鶴灘、溪洛渡水庫受泄流能力約束,在來水大于水庫當前水位的泄流能力時,會發生被動滯洪的現象,相比于主動攔蓄,額外消耗了多余的防洪庫容。為盡量減少金下四庫因被動滯洪而額外消耗的防洪庫容,需要使各庫的泄流能力盡可能保持均衡,上側水庫泄放的洪水不受或少受下側水庫泄流能力制約。采用同步攔蓄的方式有利于使各庫泄流能力得到同步改善,減少被動滯洪的影響。若采用依次攔蓄的調度策略,即優先使用某一水庫單獨攔蓄,運用至某水位高程下再切換使用另一水庫再行攔蓄,在防洪調度中容易使得不同水庫泄流能力間的差異逐漸加大,在來水較大時人為加大四庫整體的被動滯洪量。因此,當金下四庫面向川渝河段進行防洪調度時,若金沙江下游來水較大,建議烏東德、白鶴灘、溪洛渡水庫采用同步攔蓄的方式進行防洪調度,使各庫泄流能力盡量均衡,向家壩用于攔蓄烏白溪三庫攔蓄后的多余洪量和區間洪量。

2.2 金下四庫同步攔蓄方式設置

金沙江下游烏東德、白鶴灘、溪洛渡水庫采用同步攔蓄的方式進行防洪調度,同步攔蓄的具體方式包括按照三庫總防洪庫容比例、三庫攔蓄時剩余防洪庫容比例、等比例、泄流能力最小的水庫優先攔蓄4種方式。從表3～5的計算結果中可以看出,在遭遇不同典型年設計洪水時,金下四庫采用不同的方式進行同步攔蓄都有可能使得總庫容使用量最小,整體規律性并不明顯。而且,考慮到在實際防洪調度中,各庫起調水位組合情況復雜多變,并非同時處于汛限水位。因此,需要設置多種起調水位組合,分析不同起調水位下各同步攔蓄方式對金下四庫整體庫容使用量的影響。在具體起調水位的設置上,考慮金下四庫受泄流能力約束產生被動滯洪的影響,結合不同典型年設計洪水中金沙江下游來水量級,按照烏東德、白鶴灘、溪洛渡三座水庫起調水位分別處于相同或不同的泄流能力條件,分別按照汛限水位或22 000,25 000,28 000,31 000 m3/s流量下的泄流能力設置起調水位計算方案,具體見表6。

表6 金沙江下游梯級起調水位組合方案Tab.6 Combination plans of start-operation water level of cascade reservoirs in the lower reaches of the Jinsha River

面向川渝河段不同區域防洪需求,計算在11組起調水位方案下遭遇金沙江下游來水較大的典型年設計洪水時,采用4種不同的同步攔蓄調度策略下金下四庫整體使用的防洪庫容量。統計不同典型年中不同攔蓄方式使得總防洪庫容使用量最小的次數和最大的次數,見表7。計算結果表明,在相同起調水位下采用不同的同步攔蓄方式,金下四庫防洪庫容使用量最多相差4.66億m3。在遭遇不同典型年設計洪水時,采用策略1,2,4的同步攔蓄方式使金沙江下游烏東德、白鶴灘、溪洛渡三庫在不同起調水位下進行防洪調度,金下四庫總防洪庫容使用量最小的頻次基本相同,約30%,在防洪效果上皆好于策略3。但采用策略2(按三庫各時段剩余防洪庫容比例計算各庫攔蓄流量)進行同步攔蓄時,相較于其他攔蓄方式,從未出現金下四庫總防洪庫容使用量最大的情況,整體攔蓄效果最佳。

表7 不同攔蓄方式下防洪庫容使用量最小/最大次數統計Tab.7 Statistics of the minimum/maximum usage numbers of flood control capacity under different operation strategies

從機理性的角度分析,烏東德、白鶴灘、溪洛渡三庫在不同起調水位下,泄流能力并不相同。水庫起調水位越低,泄流能力越小,剩余防洪庫容越大。若按照剩余防洪庫容的比例進行分配,在同步攔蓄時計算得到的流量占比就越大,越有利于使得該水庫的泄流能力得到盡快改善。從整體上,有利于三庫更好地適應實時調度中不同的起調水位組合情況,使各庫泄流能力按照相對較快的速度得到同步改善,減少因被動滯洪而額外消耗的防洪庫容量。因此,當金沙江下游烏東德、白鶴灘、溪洛渡水庫采用同步攔蓄的方式進行防洪調度時,建議烏東德、白鶴灘、溪洛渡按照三庫剩余防洪庫容比例進行同步攔蓄,使各庫泄流能力盡量均衡,向家壩用于攔蓄烏白溪三庫攔蓄后的多余洪量和區間洪量。

3 向家壩預留防洪庫容量

金下四庫在面向川渝河段進行防洪調度時,優先啟用烏東德、白鶴灘、溪洛渡水庫進行同步攔蓄,向家壩用于攔蓄烏白溪三庫攔蓄后的多余洪量和區間洪量。因此,從防洪調度中烏白溪攔蓄后的多余洪量以及溪洛渡-向家壩區間洪量兩方面對向家壩水庫預留的防洪庫容量進行分析。

3.1 防洪調度中向家壩使用庫容量

面向川渝河段不同區域防洪需求,烏東德、白鶴灘、溪洛渡三庫按照剩余防洪庫容比例進行同步攔蓄,計算向家壩水庫作為金下四庫總控開關,在遭遇不同典型年設計洪水時不同起調水位下消耗的最大庫容量,結果見表8?？梢钥闯?在不同起調水位下遭遇不同典型年設計洪水時,由于烏東德、白鶴灘、溪洛渡三庫按照剩余防洪庫容的比例同步攔蓄洪水,基本可以滿足川渝河段不同區域的防洪需求。即在已知上游來水及區間來水過程時,可通過烏白溪三庫提前加大攔蓄,補償溪洛渡-向家壩區間洪量,使得向家壩所消耗的防洪庫容量較小,最大僅1.48億m3。

表8 不同起調水位下向家壩水庫最大使用庫容量Tab.8 Maximum usage capacity of Xiangjiaba reservoir under different initial operation water levels 億m3

3.2 溪洛渡-向家壩區間來水量

針對川渝河段不同控制站點的典型年設計洪水,分別對整場設計洪水以及防洪調度啟動攔蓄時段的溪洛渡-向家壩區間進行計算,結果見表9～10。計算結果表明,在不同典型年設計洪水中,金下四庫在防洪調度啟動攔蓄時段內,溪洛渡-向家壩區間洪量最大為0.82億m3。在整場設計洪水中,溪洛渡-向家壩區間洪量最大為5.05億m3。因此,當金下四庫面向川渝河段進行防洪調度時,受調度指令下達時間、閘門啟閉操作時效、區間來水預報誤差、水庫下泄流量約束等諸多因素影響,向家壩水庫需要預留約5億m3庫容用于攔蓄金沙江下游烏東德、白鶴灘、溪洛渡三庫攔蓄后的多余洪量及溪洛渡-向家壩區間洪量。

表9 川渝河段整場設計洪水中溪洛渡-向家壩區間洪量Tab.9 Flood volume of Xiluodu-Xiangjiaba section of different designed floods 億m3

表10 防洪調度啟動攔蓄時段內溪洛渡-向家壩區間洪量Tab.10 Flood volume of Xiluodu-Xiangjiaba section during flood control operation period 億m3

4 不同調度策略對發電效益的影響分析

在明確四庫不同調度策略對整體防洪庫容使用量影響的基礎上,進一步分析不同使用次序和攔蓄方式對發電效益的影響,在確保防洪安全的前提下盡可能兼顧四庫汛期防洪時的發電效益。按照表2中設定的四庫內部使用次序,考慮金下四庫各水電站機組出力系數、最大出力限制、尾水位曲線等因素,對防洪調度過程中的發電量以及防洪調度結束后的儲能量展開計算,統計不同典型年設計洪水中發電量極值及其對應的策略編號,結果見表11～12。計算結果表明,在不同啟用次序下,金下四庫防洪過程的發電量最大相差7.77億kW·h,發電量及儲能量之和最大相差10.7億kW·h。

表11 金沙江下游來水較小時的發電效益Tab.11 Power generation of reservoirs when the lower reaches of the Jinsha River has a small inflow 億kW·h

表12 金沙江下游來水較大時的發電效益Tab.12 Power generation of reservoirs when the lower reaches of the Jinsha River has a large inflow 億kW·h

對計算結果進行分析,當金沙江下游來水較小(小于各庫汛限水位對應的泄流能力約22 000 m3/s)時,從防洪調度過程的發電量來講,采用策略9最有利,采用策略5最不利;從整體發電效益來看,采用策略3、5最有利,采用策略9、10最不利。此外,金沙江下游來水不受水庫泄流能力約束,基本不存在被動滯洪的情況,金下四庫啟用次序不影響防洪庫容使用總量。因此,當金沙江下游來水較小時,若預報中長期無較大來水時,考慮到調洪末水位的儲能效益可以充分發揮,后期棄水風險及防洪風險都較小,建議從整體發電效益的角度,按照策略5“烏-白-溪”的使用次序,優先啟用烏東德水庫攔蓄洪水。若預報中長期來水較大,考慮到調洪末水位的儲能效益難以充分發揮,且后期棄水及防洪風險都較大,建議從防洪過程發電量的角度,按照策略9“溪-烏-白”的運用次序,優先啟用溪洛渡水庫攔蓄洪水,同時結合短期預報盡量使四庫泄流能力保持均衡,減小后期防洪調度中因被動滯洪而額外消耗的庫容量?？紤]到金下四庫各電站攔蓄同等洪量下的出力增加值,當從汛限水位起調攔蓄10億m3洪量時,溪洛渡水庫出力受阻改善最快。因此,可使溪洛渡水庫先攔蓄運用至570 m,再依次啟用烏東德、白鶴灘水庫攔蓄。

當金沙江下游來水較大(大于各庫汛限水位對應的泄流能力約22 000 m3/s)時,由于干流來水較大,對各水電站機組出力受阻等情況的改善都較好,不同使用次序下發電量差異較小,同時受水庫被動滯洪等因素影響,整體規律性并不明顯;從整體發電效益來看,采用策略5最有利,采用策略4、9最不利。同時,當金沙江下游來水較大時,一方面應優先考慮防洪調度的安全性,盡量減少因被動滯洪額外消耗的庫容量;另一方面,考慮到金下四庫防洪庫容消耗較多,當防洪調度結束后,需要及時降低水庫運行水位,為后期再遭遇洪水時留足防洪庫容,各庫調洪末水位的儲能量難以充分發揮,整體棄水風險較大。因此,當金沙江下游來水較大時,應使烏東德、白鶴灘、溪洛渡按照三庫剩余防洪庫容比例進行同步攔蓄,使各庫泄流能力盡量均衡,向家壩用于攔蓄烏白溪三庫攔蓄后的多余洪量和區間洪量。

5 結 論

本文對金下四庫面向川渝河段不同區域協同防洪時的調度策略展開研究,考慮水庫泄流能力、最小下泄流量等防洪調度約束,兼顧水電站機組出力系數、最大出力限制等發電效益約束,提出了金下四庫在整體打捆運用的基礎上,面向不同來水、不同起調水位時的金下四庫協同防洪的調度策略,明確了四庫的使用次序及攔蓄方式,可以在確保防洪安全的前提下盡可能地提升四庫發電效益。主要結論如下:

(1) 明確了不同調度策略對防洪安全及發電效益的影響。金沙江下游來水較小時,不同調度策略不影響金下四庫總防洪庫容使用量,在防洪調度時可兼顧發電效益,最多可增加約10.7億kW·h發電量。金沙江下游來水較大時,受泄流能力約束,不同調度策略下金下四庫總防洪庫容相差最高達10億m3,應優先考慮防洪安全。

(2) 給出了金下四庫面向川渝河段協同防洪時的調度策略。當金沙江下游來水小于22 000 m3/s時,若預報金沙江下游中長期來水較大,建議優先啟用烏東德水庫攔蓄洪水;若預報金沙江下游中長期來水較小,建議優先啟用溪洛渡水庫攔蓄洪水至570 m庫水位,同時結合短期預報盡量使四庫泄流能力保持均衡。當金沙江下游來水大于22 000 m3/s時,建議烏東德、白鶴灘、溪洛渡水庫按照三庫剩余防洪庫容比例進行同步攔蓄,使各庫泄流能力盡量均衡。

(3) 為確保金下四庫打捆運用的靈活性和可靠性,向家壩水庫應預留約5億m3庫容用于攔蓄烏白溪三庫攔蓄后的多余洪量及溪洛渡-向家壩區間洪量。同時,為兼顧興利效益,在攔蓄時金下四庫應盡量按照滿發流量下泄,如遇金沙江下游來水較少且需加大攔蓄的特殊情況時,溪洛渡、向家壩水庫最小下泄流量為2 500 m3/s。