南水北調中線水源區水庫聯合調度與水情預報

孔祥林 張 沙 肖 雪

(長江水利委員會網絡與信息中心,湖北 武漢 430010)

丹江口水利樞紐是漢江的防洪控制工程,也是南水北調中線工程的水源地,水電站是華中電網重要的調頻、調峰和事故備用電站。目前已建成并運用了水庫調度與水情自動化預報系統,產生了較大的經濟效益,但在洪水資源化和發電興利方面還沒有實現最大效益化;加之南水北調中線工程即將建成運行,樞紐的興利任務將會發生相應的變化,枯水期恒定持續調水將是面臨的新課題。因此,丹江口水庫調度與水情自動化預報系統還需要進一步完善。

1 水庫調度與水情自動化預報現狀

丹江口水利樞紐是國內最早開展水庫調度與水情自動化預報系統研究的工程之一。經過10多年的研究開發,目前已建成了丹江口水庫調度與水情自動化預報系統。該系統主要由以下部分組成。

(1)洪水預報模型子系統。根據丹江口水庫流域水文地理、氣象特征,按分塊流域分別應用蓄滿產流和API等模型,利用地貌瞬時單位線、馬斯京根法和合成流量法,研制了考慮上游水利工程影響的入庫洪水計算方法,建立了洪水預報模型庫,實現了預報殘差自適應實時校正技術、實時洪水預報綜合修正技術,開發了基于圖形界面的實時交互綜合修正、模擬降雨預報等交互式標準功能模塊。主要有:經驗產流洪水預報模型、蓄滿產流洪水預報模型、流量合成洪水預報模型、庫周區地貌單位線匯流模型、神經網絡洪水預報模型。

(2)洪水調度模型子系統。研發了常規經驗調度、優化調度、預報預泄調度、閘門控制調度等水庫洪水調度模型,建立了丹江口水庫洪水調度模型庫,實現了模型與經驗有機結合的洪水調度決策技術和多階段多目標調度方案優選技術。用戶可依據不同的約束條件生成洪水調度方案,通過人機交互方式,靈活多樣、直觀方便地實現洪水模擬仿真、多方案優選,為會商決策提供技術支持。主要有:常規經驗調度、優化調度、預報預泄調度、閘門控制調度、補償調度模型。

(3)興利調度模型子系統。研發了發電優化調度和綜合興利調度等模塊,建立了丹江口水庫興利調度模型庫;用戶可選擇不同的邊界條件進行年、季、月、旬發電調度計劃編制和分析計算,有利于提高電站運行的經濟效益。主要有:多種發電、灌溉的常規、優化和交互式調度模型,短、中、長期發電計劃編制功能模塊。

(4)信息采集傳輸子系統。開發了基于主動數據庫的容錯、傳遞、校正與預警技術,集成洪水調度模型的數據庫方法。主要包括水文電報自動接收、翻譯、存儲,遙測自動收集110個雨量站和56個水文(水位)站的水雨情,超短波、衛星傳輸信息,自動解碼與數據核查、濾錯,水雨情動態監視與報警,數據上傳、下載等功能模塊。

(5)數據庫管理及信息服務子系統。應用分布式數據庫與主動數據庫實現數據庫系統、業務系統的無縫集成,統一數據管理與基礎資料整編,實現不同層次的數據共享與基于 Internet和 Intranet的信息發布。主要包括水雨情數據處理、水雨情數據查詢、水雨情數據報表、數據圖形查詢等功能模塊。

1992年庫周邊區水情自動遙測系統投入運行,與氣象預報系統、水情信息實時處理系統、洪水預報調度系統集成為水庫調度自動化系統,2000年,在原有系統的基礎上升級為現在的丹江口水庫調度決策自動化系統。

該系統功能強、復雜程度高,在水庫調度決策集成、開放性和擴展性、以業務為中心的協同工作環境、管理模塊等方面具有創新。在流域氣象預報、洪水預報方案研制、水庫調度模型、數據遠程實時傳輸等方面具有明顯特色。經過幾年的穩定運行,在防汛和發電等方面已經取得了顯著的經濟效益和社會效益。多年平均節水增發電量為2.058億kW?h。其中,2000年,發生7場洪水,平均洪峰預報精度為91.1%,平均洪量預報精度為 93.9%,水量利用率為91.4%,節水增發電量為 4.469億 kW?h。

2 存在的問題

(1)洪水資源最大化。目前,丹江口水利樞紐的調度方式對洪水資源化的利用還不夠完善,還沒有實現洪水資源最大化。現行的調度方式使水庫運行豐枯不均,洪峰來時大流量泄洪,洪峰過后陷入低水位或發電死水位以下,這樣既浪費了大量的水資源,也對漢江流域生態環境帶來較大的不利影響。分析1998～2007年丹江口水庫入庫水量、出庫水量和棄水量的資料,可以看出,10a間丹江口水庫入庫水量為 3036.40億 m3,年均入庫水量為 303.64億m3,但同期泄洪棄水量高達 348.378億 m3,即有近1 a的漢江水量被白白地浪費掉了。因此,實現丹江口水利樞紐洪水資源最大化非常必要。

(2)發電效益最大化。目前,丹江口水利樞紐發電調度主要是針對樞紐本身,雖然已產生了較大的經濟效益,但是,對分布在漢江干支流上且具有相關水文關系的水電站群進行發電聯合調度將會產生更大的經濟效益。

(3)滿足枯水期恒定持續調水。目前,丹江口水利樞紐主要是進行防洪調度和發電調度,南水北調中線工程即將建成運行,枯水期恒定持續調水是面臨的新課題,要及早進行研究。

3 完善方案

3.1 水庫群洪水資源化自動聯合調度

在丹江口水利樞紐上游的漢江干支流上已建成多座梯級水庫,包括石泉、安康、喜河、蜀河(2004年11月開工,2010年建成)水電站,規劃建設的水電站有孤山子,而且還建有許多小型子水庫,在南水北調中線水源區形成了一個龐大的水庫群。如果把水源區的水庫群作為一個整體系統來進行聯合洪水調度,南水北調中線工程就可以發揮巨大的效益,也是對洪水實行資源化管理的最優措施。

另一方面,丹江口水庫本身也存在洪水資源化調度優化空間。每當水庫大量棄水后,往往第2年庫水位就維持在低水位運行。1998～2007年,僅2005年水庫最低水位略高于死水位,其他 9 a最低水位均處于死水位以下。從各年度水情曲線的分析來看,除2000年7月22日水庫最高水位達到152m外,其他年份均低于150m。在7月20日 ～8月20日時間段,壩前庫水位均低于155 m;在 8月20日～9月 30日時間段,除2003年 9月10日庫水位達到156 m外,其余時間段均低于156 m。因此,合理確定汛限水位也是實現洪水資源最大化的有效手段。

對丹江口水利樞紐及上游的水庫群實施洪水資源化聯合調度,就是對水源區內與丹江口水庫有水文關系的水庫,在不降低水庫防洪標準的前提下,綜合運用現代控制論、運籌學、決策理論和系統工程等優化理論,結合現代氣象、水文預報,以基于數學規劃論的動態規劃或隨機動態規劃法,通過擇優計算編制水庫優化調度圖及優化調度方案,使水源區的水庫群在保持一定安全度的前提下,通過在時空上合理分配水量,將絕大部分洪水,以丹江口水利樞紐為中心,合理地分配攔蓄在各個水庫中,以達到防洪錯峰、盡可能擴大蓄水興利之目的。

而在水源區,由于區域面積較大,干流河段距離較長,使得水庫群中的各水庫發生洪水的同步程度和傳播時間存在差異,為水源區的水庫群聯合調洪,提高下游地區防洪能力和實現洪水資源最大化提供了可能條件。應以具有最大庫容的丹江口水利樞紐為中心進行水源區水庫群洪水資源化聯合調度。

在丹江口水利樞紐初期工程運行期間,干流梯級水庫間的洪水聯合調度運用得不多,但與支流上黃龍灘子水庫聯合調度次數較多,且效果也不錯。

水源區水庫群洪水資源化聯合調度不等同于水庫防洪調度,它不是被動地防御洪水,而是兼顧防洪和興利效益,利用現代科技手段,突破設計中的部分防洪調度參數和規則,將防洪和興利相結合進行調度。不降低水庫原有的防洪標準、棄水最少,是評價水庫群洪水資源化聯合調度是否可行的唯一準則。

3.2 枯水期供水自動化聯合調度

水源區供水聯合調度是指當丹江口水庫的水位不能滿足調水要求時,需要從上游水庫群進行聯合調水,以滿足丹江口水庫的調水需要。供水聯合調度一般僅發生在枯水期,故也可稱為枯水期供水聯合調度。中線調水是丹江口水利樞紐承擔的一項重要任務,盡力滿足北方的供水需求,特別是在北方正值缺水的枯水期,是實施枯水期聯合調度的目的。

聯合調水應在上游水庫能夠滿足當地供水的條件下進行,同時還應考慮水庫中的水量和近期的降水情況。

3.3 發電聯合優化調度

發電聯合調度是在丹江口水庫滿足防洪和供水的情況下進行。已知各水庫的入流過程及綜合利用要求,以及水庫承擔的興利任務與調度規則,有計劃地對天然匯入各水庫的流量進行蓄泄,制定出水電站及其水庫優化運行調度計劃。

水庫群發電自動聯合調度分為長、中、短期調度。長期調度是將較長時期(1 a)的有限輸入優化分配到較短時段(月或旬);中期調度是以日為時段,制定未來一段時期內的發電計劃;短期調度是根據中期運行調度,結合電網的實際負荷需求,制定日內各計算時段(1 h或15 min)電站的預計出力。

確定網內水電站群在全年各時段的優化運行策略(或優化運行方式),要統一考慮水電站水庫彼此間的水力聯系和電力聯系;利用各水庫調節性能差異和水文不同步性進行庫容和電力補償調節,以充分發揮庫群的總體效益;以水源區電站群多年運行的總效益(總發電量或總電力產值)最大為優化目標;必須滿足電網對水電站群運行的經濟性與可靠性要求;進行電力系統日負荷圖上的電力電量平衡,以保證每座電站的工作容量能得到充分利用;采用“分解協調法”、按“偏優損失最小”原則確定每座水電站水庫的時段運行決策;由于水源區水庫群中水庫數量較多,聯合調度優化時,可采用隨機優化多維時空相關理論和余留效益統計迭代模型與算法進行求解,并繪制水電站群的優化調度圖。

尋求在滿足電力系統給定總負荷及其他約束條件下的梯級電站群整體最優聯合調度,要考慮各梯級電站間的水頭、流量具有密切聯系的特點;計入上下級電站區間徑流的補充或扣損以及水流傳播時間;分析兩相鄰梯級電站間水頭銜接程度和下一級庫水位波動對上一級電站水頭變化的影響(這種情況在丹江口水利樞紐二期工程后比較常見);以全梯級電站年發電量最多或總體電能價值最大為優化目標;充分利用短、中、長期水文、氣象預報,選擇庫容最大、調節性能最好的“龍頭電站”作為補償水庫,并列為重點優化計算目標;處于同一條河流、同一電網且數目較多的梯級電站,可采取當作一個純水電系統,把求解目標化簡或合并水頭的方法處理;采用計入徑流的時間、空間相關關系,建立優化調度數學模型,應用隨機動態規劃、增量動態規劃或多層次、多目標規劃法求解,得出各時段梯級電站整體最優運行方式;庫群聯合優化調度,其增發電效益比單站獨立調度更為顯著。

4 結 語

丹江口水庫調度與水情自動化預報系統,雖然得到了良好的運用,并產生了較大的經濟效益,但在洪水資源化和發電興利方面還沒有實現最大效益化;加之南水北調中線工程即將建成運行,樞紐的興利任務將會發生相應的變化,枯水期恒定持續調水將是面臨的新課題。因此,丹江口水庫調度與水情自動化預報系統還需要進一步完善。

根據漢江水系中水庫的分布和各水庫之間的水文關系,建立以丹江口水利樞紐為中心的水庫群洪水資源化自動聯合調度、枯水期供水自動化聯合調度、發電聯合優化調度,具有合理性和可操作性,應該是可以實現的。

[1]劉 攀,肖 義,李 瑋,等.水庫洪水資源化調度初探[J].石河子大學學報,2006,(1):9-14.

[2]郭生練.水庫調度綜合自動化系統[M].武漢:武漢水利電力大學出版社,2000.