長江流域梯級水庫群聯(lián)合調(diào)度關(guān)鍵問題研究

許繼軍，陳 進，尹正杰，陳廣才，楊春花，董玲燕

（長江科學院水資源綜合利用研究所，武漢 430010）

長江流域梯級水庫群聯(lián)合調(diào)度關(guān)鍵問題研究

許繼軍，陳 進，尹正杰，陳廣才，楊春花，董玲燕

（長江科學院水資源綜合利用研究所，武漢 430010）

長江流域干支流已建和在建的大型梯級水庫群規(guī)模龐大，實施聯(lián)合調(diào)度將對長江防洪安全、水資源優(yōu)化配置和水電能源高效利用意義重大。對長江流域大型梯級水庫群聯(lián)合調(diào)度需要解決的主要理論、方法、技術(shù)和管理問題進行了歸納剖析，并結(jié)合近年來開展的相關(guān)科研工作，簡要介紹在大型梯級水庫群聯(lián)合調(diào)度的發(fā)展戰(zhàn)略、優(yōu)化模型、生態(tài)調(diào)度、管理體制和仿真平臺等方面的主要成果和研究進展。

長江流域；梯級水庫群；聯(lián)合調(diào)度

1 背景簡介

長江流域水資源豐富、水能開發(fā)潛力巨大，在我國水利水電發(fā)展中處于十分重要的戰(zhàn)略地位。我國規(guī)劃的13大水電基地中有5個處在長江流域，而且都位于上游地區(qū)，它們是金沙江、雅礱江、大渡河、烏江和三峽水電基地。按照《長江流域綜合規(guī)劃》，長江上游地區(qū)裝機300 MW以上的水電站80多座，總裝機容量將超過17萬MW；1 000 MW以上的水電站48座，總裝機容量將超過15萬MW。近期以三峽工程為骨干的長江干支流梯級水電站群已初具規(guī)模。據(jù)不完全統(tǒng)計，截止2009年底，僅長江上游地區(qū)已建成的大型水電站裝機總量3.8萬MW，年發(fā)電量超過1 700億kW·h。目前在建的預(yù)計2020年前能完成的大型水電站裝機總量更是高達8.8萬MW，主要集中在金沙江中下游、雅礱江和大渡河，相應(yīng)的年均發(fā)電總量將增加3 900億kW·h。

大型梯級水庫群的聯(lián)合調(diào)度，是今后長江流域水利發(fā)展和流域綜合管理的必然趨勢，其重要意義體現(xiàn)在：①聯(lián)合調(diào)度能利用流域各梯級水庫調(diào)節(jié)性能的不同，充分發(fā)揮大型水庫的調(diào)節(jié)優(yōu)勢，通過水庫之間的削峰、錯峰，提高流域梯級整體的防洪能力；②聯(lián)合調(diào)度能統(tǒng)籌兼顧流域干支流及上下游的水量和水頭，科學利用水能資源，有利于緩解電網(wǎng)豐枯、峰谷矛盾，提高電網(wǎng)的調(diào)峰、調(diào)頻和事故備用等安全穩(wěn)定運行能力，改善電網(wǎng)電能質(zhì)量；③聯(lián)合調(diào)度能充分利用梯級水庫之間的庫容補償，可將更多的洪水留存下來，以提高枯水季節(jié)的水資源供給能力，保障居民生活和工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)用水的基本安全［1］；④聯(lián)合調(diào)度能夠更好地體現(xiàn)流域統(tǒng)籌協(xié)調(diào)和綜合管理的意圖，保障河流公共服務(wù)功能（包括防洪、供水、航運、生態(tài)等目標）得以順利實施。

2 聯(lián)合調(diào)度待解決的關(guān)鍵問題

在強有力的科技支撐和管理條件下，長江流域大型梯級水庫群實現(xiàn)聯(lián)合調(diào)度是可能的［2］。考慮到長江流域大型梯級水庫群規(guī)模龐大，尤其是聯(lián)合調(diào)度系統(tǒng)復(fù)雜、目標任務(wù)多、技術(shù)含量高、協(xié)調(diào)難度大，目前還存在著許多待解決的關(guān)鍵問題。

其中待研究的基礎(chǔ)理論問題包括［3－5］：①梯級水庫群多目標聯(lián)合調(diào)度復(fù)雜巨系統(tǒng)優(yōu)化理論；②梯級水庫群聯(lián)合調(diào)度系統(tǒng)安全理論與風險控制方法；③梯級水庫群聯(lián)合生態(tài)調(diào)度理論與方法；④梯級水庫群泥沙沖淤規(guī)律及其對策方法；⑤梯級聯(lián)合調(diào)度作用下河流生態(tài)系統(tǒng)演變規(guī)律與累積效應(yīng)；⑥梯級水庫動態(tài)汛限水位控制理論和洪水資源利用方法；⑦氣候變化及人類活動對梯級聯(lián)合調(diào)度影響及對策；⑧大型梯級水庫溫室氣體排放規(guī)律及區(qū)域氣候效應(yīng)。

待解決的關(guān)鍵技術(shù)問題包括［6，7］：①變化條件下的梯級水庫群聯(lián)合調(diào)度水文精細預(yù)報技術(shù)；②梯級水庫群聯(lián)合調(diào)度優(yōu)化數(shù)學模型和算法；③梯級水庫群水能資源配置及群落優(yōu)化運行方案；④兼顧生態(tài)保護和恢復(fù)的河流生態(tài)控制性因子聯(lián)合調(diào)控技術(shù)；⑤梯級水庫群聯(lián)合調(diào)度系統(tǒng)集控及網(wǎng)絡(luò)通訊保障技術(shù)；⑥梯級水庫群聯(lián)合調(diào)度系統(tǒng)電網(wǎng)安全運行方案和調(diào)控技術(shù)；⑦梯級水庫群聯(lián)合調(diào)度決策支持系統(tǒng)及仿真技術(shù)；⑧梯級水庫群聯(lián)合調(diào)度的生態(tài)效應(yīng)定量評估和預(yù)測技術(shù)；⑨特殊條件下的梯級水庫群聯(lián)合調(diào)度應(yīng)急預(yù)案；⑩梯級水庫群聯(lián)合調(diào)度下的長江防洪方案優(yōu)化；○11梯級水庫群聯(lián)合調(diào)度運行下的跨地區(qū)和跨流域調(diào)水方案；○12梯級水庫群聯(lián)合調(diào)度下的水沙調(diào)控技術(shù)。

尚待明確的管理問題包括：①梯級水庫群聯(lián)合調(diào)度的管理體制、管理辦法和協(xié)調(diào)機制；②梯級水庫群聯(lián)合調(diào)度的利益分配和補償機制；③梯級水庫群聯(lián)合調(diào)度的法律保障和政策措施；④梯級水庫群聯(lián)合調(diào)度的生態(tài)管理目標和補償機制；⑤梯級聯(lián)合調(diào)度下的水權(quán)制度和水市場運作機制；⑥面向電力市場的梯級水電站競價規(guī)則和交易機制。

3 聯(lián)合調(diào)度系統(tǒng)發(fā)展戰(zhàn)略研究

長江流域大型水庫／水電站眾多，建設(shè)規(guī)模巨大，為世界之最，不僅涉及地域范圍廣，而且調(diào)度目標多、任務(wù)復(fù)雜，涉及眾多行業(yè)和部門。要組建成為一個綜合的水力和電力聯(lián)合調(diào)度系統(tǒng)，首先需要做好戰(zhàn)略規(guī)劃。在中國工程院和國家自然科學基金委的聯(lián)合資助下，長江科學院承擔了國家自然科學基金項目“長江上游大型梯級水電站聯(lián)合調(diào)度系統(tǒng)發(fā)展戰(zhàn)略研究（U0970151）”，從聯(lián)合調(diào)度系統(tǒng)建設(shè)、運行和管理等層面，提出長江上游大型梯級水電站群聯(lián)合調(diào)度的發(fā)展思路、建設(shè)內(nèi)容和工作目標。

研究認為，長江上游梯級水庫群聯(lián)合調(diào)度系統(tǒng)發(fā)展，應(yīng)結(jié)合長江上游水電開發(fā)規(guī)劃和運行管理現(xiàn)狀，本著統(tǒng)籌規(guī)劃、因地制宜、突出重點、分步實施和協(xié)調(diào)推進的原則，采取市場引導(dǎo)和行政協(xié)調(diào)相結(jié)合等方式，分階段、分區(qū)域逐步完善系統(tǒng)建設(shè)，并通過運用先進的系統(tǒng)調(diào)度理論方法、調(diào)控技術(shù)、管理體制和協(xié)調(diào)機制，統(tǒng)籌發(fā)電、防洪、供水、航運和生態(tài)環(huán)境保護等多目標需求之間關(guān)系，確保聯(lián)合調(diào)度系統(tǒng)的科學合理和安全高效。

在系統(tǒng)建設(shè)中應(yīng)本著“以點帶面，逐步完善”的原則，以三峽梯級與金沙江中下游梯級的聯(lián)合調(diào)度為重點，逐步涵蓋其它梯級，保證聯(lián)合調(diào)度系統(tǒng)建設(shè)穩(wěn)步推進；在系統(tǒng)運行中應(yīng)本著“生態(tài)友好，全局最優(yōu)”的原則，強調(diào)流域水能和水資源的優(yōu)化配置和整體效益，同時兼顧河流生態(tài)保護；在系統(tǒng)管理中應(yīng)本著“公正協(xié)調(diào)，和諧發(fā)展”的原則，在社會公共利益得以保障的前提下，通過統(tǒng)籌協(xié)調(diào)和合理補償，保證聯(lián)合調(diào)度作業(yè)的依法有序進行［8］。

研究還確定了長江上游聯(lián)合調(diào)度系統(tǒng)發(fā)展階段目標，計劃在2020年前，逐步開展由6～7個骨干梯級調(diào)度分中心組成的聯(lián)合調(diào)度運行，包括：三峽及清江梯級、金沙江中下游梯級、烏江梯級、雅礱江梯級和大渡河梯級；在2030年前，建成涵蓋整個長江上游的大型梯級水電站群聯(lián)合調(diào)度運行系統(tǒng)及其集控樞紐中心（見圖1），在現(xiàn)代化流域統(tǒng)一管理體制下，全面實現(xiàn)流域內(nèi)的水文補償、庫容補償和電力補償?shù)嚷?lián)合統(tǒng)一調(diào)度。其中三峽梯級與金沙江中下游梯級的聯(lián)合調(diào)度，將是聯(lián)合調(diào)度系統(tǒng)發(fā)展的工作重點［8］。

圖1 長江上游大型梯級水庫群聯(lián)合調(diào)度群落布局示意圖Fig.1 Layout of large-scale cascade reservoirs for the joint operation in upper Yangtze River basin

4 聯(lián)合調(diào)度多目標優(yōu)化模型研究

除了常規(guī)的防洪、發(fā)電、供水和調(diào)水、航運調(diào)度目標以外，有關(guān)生態(tài)和水沙調(diào)控等目標也開始被越來越多的人所接受。如何協(xié)調(diào)這些目標之間的關(guān)系，一直都是焦點問題，值得深入研究和探討，以確定滿足社會不同發(fā)展階段的主要關(guān)注和利益取向。長江流域已建和在建的大型水庫，大多數(shù)都具有多重目的和綜合效益。近期隨著一批控制性的大型水庫建設(shè)，不僅將增強洪水調(diào)控能力，也為進一步提高水能資源利用創(chuàng)造了更好的條件。在此有利變化條件及實施梯級聯(lián)合調(diào)度運行下，管理者再次審視這些水庫的防洪與興利之間關(guān)系。

以金沙江下游梯級水電站為例，按照以往防洪規(guī)劃，每年到汛期它們都需要降低到汛限水位運行，預(yù)留最大為145億m3的防洪庫容。現(xiàn)在有專家認為只需要考慮水庫自身及下游川江防洪安全，沒有必要為距該梯級下游1 000 km外的荊江地區(qū)防洪預(yù)留那么大的防洪庫容。這樣可以抬高汛限水位，增加發(fā)電水頭爭取多發(fā)電，再用多發(fā)電產(chǎn)生的效益來補償荊江分蓄洪區(qū)啟用所造成的損失，進而通過多次蓄洪以逐步恢復(fù)蓄洪區(qū)濕地生態(tài)環(huán)境。

針對該設(shè)想，2008年長江科學院承擔了“金沙江下游梯級水庫群防洪庫容調(diào)整與興利效益復(fù)核研究”。研究中構(gòu)建由金沙江下游梯級（4個水庫）與三峽梯級（2個水庫）組成的梯級水庫群聯(lián)合調(diào)度多目標優(yōu)化模型，以梯級總發(fā)電量最大為尋優(yōu)目標，并考慮將生態(tài)流量作為約束條件之一。對于這6個串聯(lián)水庫群的聯(lián)合優(yōu)化調(diào)度，其模型求解是一個多維非線性的復(fù)雜大系統(tǒng)問題，研究中采用POA（逐次優(yōu)化算法）進行求解［9］。結(jié)果表明，若減少原規(guī)劃確定的防洪庫容，或縮短汛限水位時間，都可以提高該梯級水電站的發(fā)電效益。假設(shè)取消全部防洪庫容，梯級總發(fā)電量將增加5.1%，即增加97.1億kW·h／a發(fā)電量；若再能進一步增加水電站裝機容量，則發(fā)電量還能提高。當然防洪庫容減少，會增加川江和荊江河段的防洪壓力。相對而言，將原規(guī)劃防洪庫容減少一半的方案，既能獲得較好發(fā)電效益（增加66.8億kW·h／a發(fā)電量，約16.3億元／a收入），對川江防洪影響也不大，對荊江防洪影響也在可控范圍內(nèi)。另外考慮川江河段珍稀魚類的生態(tài)保護要求，研究還建議位于最下游的向家壩水電站應(yīng)考慮實施生態(tài)調(diào)度，雖然發(fā)電效益會降低0.6%，但能有效提高壩下游生態(tài)流量滿足率［10］。

5 聯(lián)合生態(tài)調(diào)度研究

水庫建成及其蓄水和放水行為，將改變河流水文和水力學特性，影響其物理化學性質(zhì)，進而對壩下河道生態(tài)環(huán)境造成一定影響。目前國內(nèi)水庫調(diào)度規(guī)程及運行方式，原則上重點考慮防洪、發(fā)電、供水等經(jīng)濟效益和社會安全，而忽略了河流自身的生態(tài)安全與水環(huán)境要求，從而導(dǎo)致建壩河流的生態(tài)系統(tǒng)完整性破壞、生物多樣性退化等問題。已有實踐表明，通過水庫群聯(lián)合調(diào)度，雖然不能完全消除大壩對河流的物理阻斷效應(yīng)，但可以通過模擬自然水文情勢，為河流重要生物產(chǎn)卵、繁殖和生長創(chuàng)造適宜的水文水力條件。

2008－2010年期間，圍繞著水庫群的生態(tài)調(diào)度問題，長江科學院通過開展“水庫生態(tài)調(diào)度理論方法與應(yīng)用研究”、“Developing Ecosystem Flow Recommendations for the Lower Jinsha River”等科研項目，對水庫群生態(tài)調(diào)度的基本思想、調(diào)度目標、原則和主要內(nèi)容進行了探討和研究。研究認為，水庫群聯(lián)合生態(tài)調(diào)度的核心思想，是通過調(diào)整水庫群下泄流量過程和合理利用不同調(diào)度方式，達到改善庫區(qū)及整個河流系統(tǒng)的生境條件，盡量避免水文情勢劇烈變化成為河流生態(tài)問題的限制性因素。鑒于河流生態(tài)問題的復(fù)雜性，目前宜先抓住影響生態(tài)問題的關(guān)鍵水文過程，建立生態(tài)需求和梯級水庫調(diào)度之間關(guān)系［11］?？陀^而言，河流生態(tài)問題的解決僅僅依靠水庫生態(tài)調(diào)度是不能完全解決的，還需要輔以水環(huán)境保護、生態(tài)修復(fù)、流域綜合管理等必要的工程與非工程措施。

6 聯(lián)合調(diào)度管理體制研究

大型梯級水庫群聯(lián)合調(diào)度運行，是一項極為復(fù)雜的系統(tǒng)工作，必須有一整套的管理體制和協(xié)調(diào)機制來保障聯(lián)合調(diào)度的合法有序運行。目前，我國還沒有出臺有關(guān)梯級水庫群聯(lián)合調(diào)度的政策條例和管理辦法。針對該問題，長江科學院開展了“以三峽工程為骨干的長江上游水庫群聯(lián)合調(diào)度研究”、“長江上游水電開發(fā)與生態(tài)環(huán)境保護的協(xié)調(diào)對策研究”、“水庫群聯(lián)合調(diào)度管理體制與協(xié)調(diào)機制研究”、“長江流域控制性水庫聯(lián)合生態(tài)調(diào)度的管理體制和運行機制研究”等科研工作。

研究過程中結(jié)合長江干支流水庫群運行現(xiàn)狀及存在的問題，在保障防洪和用水安全的前提條件下，本著效率優(yōu)先、利益共享、公平協(xié)調(diào)、合理補償?shù)仍瓌t，提出了以三峽水庫為核心的長江干支流控制性水庫群聯(lián)合調(diào)度的管理體制和協(xié)調(diào)機制。并針對不同調(diào)度模式（防洪調(diào)度、發(fā)電調(diào)度、抗旱應(yīng)急調(diào)度和生態(tài)調(diào)度）下的管理主體和利益相關(guān)方，初步提出了相應(yīng)的協(xié)調(diào)原則、方式和程序［12，13］。從長江流域水庫運行現(xiàn)狀來看，可采取“自上而下”和“自下而上”2種方式，逐步組建聯(lián)合調(diào)度管理體制和組織機構(gòu)。其中“自上而下”方式是在國務(wù)院相關(guān)部委指導(dǎo)下和各省級政府配合下，成立以水行政主管部門為主的梯級水庫群聯(lián)合調(diào)度管理委員會，由該委員會來負責各管理部門組建和制定配套管理規(guī)章，然后統(tǒng)一部署成立水庫群聯(lián)合調(diào)度集控和協(xié)調(diào)中心。“自下而上”方式是以現(xiàn)有三峽梯調(diào)中心和烏江梯調(diào)中心為參考模式，其它干支流水系根據(jù)需要，成立各自的梯調(diào)中心，先實現(xiàn)各干支流水系各自的梯級聯(lián)調(diào)，然后在各梯調(diào)中心基礎(chǔ)上，本著自愿協(xié)商原則，成立涵蓋整個長江流域上游水系的聯(lián)合調(diào)度集控和協(xié)調(diào)中心?！白陨隙隆笔怯烧鲗?dǎo)的，“自下而上”是各水庫群自發(fā)形成的。最好的方式是將二者結(jié)合起來，將國家意志和公共發(fā)展與水庫管理實體利益融合，通過政府引導(dǎo)和市場競爭等手段，建立管理組織和協(xié)調(diào)機構(gòu)。

7 聯(lián)合調(diào)度仿真平臺研究

大型梯級水庫群聯(lián)合調(diào)度作業(yè)，對信息管理系統(tǒng)的要求更高。以歐美國家為例，隨著水情自動測報、計算機、通信和自控等技術(shù)的不斷發(fā)展，各國梯級水庫控制的集中化、自動化程度越來越高，幾乎所有工作都可以在一個集中控制中心遠距離完成，全面實現(xiàn)了計算機控制［6］。在調(diào)度軟件系統(tǒng)方面，不僅僅滿足水庫調(diào)度信息的數(shù)字化采集、處理、分析和公布，更重要是基于模型計算基礎(chǔ)上的智能化響應(yīng)和決策。

針對長江流域梯級水庫群聯(lián)合調(diào)度的未來管理需求，長江科學院利用當前最新發(fā)展的數(shù)字流域模擬技術(shù)及3D可視化仿真技術(shù)，開展了“流域整體模型系統(tǒng)集成研究及示范”。通過該研究，提出數(shù)字流域及整體模型系統(tǒng)的體系結(jié)構(gòu)、集成模式及解決途徑；并從應(yīng)用角度，初步研發(fā)3D水利信息管理平臺（見圖2）、2D專業(yè)模型控制平臺和3D可視化決策平臺，以滿足水利管理工作人員、專業(yè)技術(shù)人員和管理決策人員等不同層次的信息化需求；繼而以三峽梯級水庫調(diào)度為例，初步研制了梯級水庫聯(lián)合調(diào)度可視化決策仿真平臺（見圖3）。在該平臺中，集成了分布式水文模型、水動力模型、水庫優(yōu)化調(diào)度模型和調(diào)洪調(diào)度模型，通過這些模型可以模擬梯級水庫聯(lián)合調(diào)度的水文及水動力過程，計算結(jié)果可通過可視化平臺進行模擬仿真顯示，便于管理決策者的直觀判斷和科學決策。

圖2 3D水利信息管理平臺用戶界面Fig.2 The interface of 3D watershed GIS m anagement system

圖3 三峽-葛洲壩梯級水庫聯(lián)合調(diào)度虛擬仿真Fig.3 Simulation of the joint operation of Three Gorges-Gezhouha cascade reservoirs

8 結(jié) 語

本文結(jié)合近年來開展的相關(guān)科研工作，對梯級水庫群聯(lián)合調(diào)度的發(fā)展戰(zhàn)略、優(yōu)化模型、生態(tài)調(diào)度、管理體制和仿真平臺等方面，進行了探討、研究和總結(jié)，認為長江流域大型梯級水電站群的聯(lián)合調(diào)度，將能有效提高長江防洪安全保障，促進流域水資源的整體優(yōu)化配置和水能資源的高效利用?？紤]到長江流域大型梯級水庫群聯(lián)合調(diào)度系統(tǒng)復(fù)雜、規(guī)模龐大，管理目標多、技術(shù)含量高、協(xié)調(diào)難度大，強有力的科技支撐和管理手段必不可少，在當前有必要抓緊時間研究解決其中存在的幾個關(guān)鍵問題：

（1）在調(diào)度方法方面，需要完善的多目標聯(lián)合調(diào)度系統(tǒng)優(yōu)化理論和新思路來指導(dǎo)；

（2）在減少負面效應(yīng)方面，需要科學評估梯級水庫建成運行后的不利影響，準確掌握梯級水力關(guān)系改變、水沙變異與河流生態(tài)環(huán)境之間的長期相互作用機理；

（3）在系統(tǒng)安全保障方面，不僅要有一套理論先進、具有實用性和可操作性的技術(shù)支持體系，對信息采集、電子監(jiān)控、自動控制、網(wǎng)絡(luò)通訊等提出更高的技術(shù)要求；

（4）從提高系統(tǒng)管理效率角度，需要完善管理制度、協(xié)調(diào)機制和政策法規(guī)措施；

（5）為保障生態(tài)安全，需要研究解決兼顧生態(tài)保護和恢復(fù)需求的梯級水電站聯(lián)合調(diào)度模式和技術(shù)方案；

（6）在應(yīng)對全球氣候變化和人類活動影響等方面，需要充分認識變化條件下的水資源演變規(guī)律及其影響，尋求科學對策和合理措施。

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（編輯：王 慰）

Key Issues in the Joint Operation of Large Cascade Reservoirs in Yangtze River Basin

XU Ji-jun，CHEN Jin，YIN Zheng-jie，CHEN Guang-cai，YANG Chun-hua，DONG Ling-yan
（Water Resources Department，Yangtze River Scientific Research Institute，Wuhan 430010，China）

The joint operation of large-scale cascade reservoirs in the Yangtze River basin will not only strengthen the flood control capability，but also bring great integrated benefit towater resources utilization and hydropower output due to their tremendous storage capacity and hydropower installed capacity.The key issues in the development，running andmanagementof jointoperation system are proposed.According to researches performed in recent years，research achievements and progresseswith respect to the developing strategy，themulti-objective optimization model，the ecological operation，themanagement system and coordinationmechanism，and the system simulation technology for the joint operation of large-scale cascade reservoirs are presented.

Yangtze River basin；large-scale cascade reservoirs；joint operation

TV211.1

A

1001－5485（2011）12－0048－05

2011-10-20

國家自然科學基金項目（U0970151，51109007）；水利部公益性行業(yè)科研項目（201101004）

許繼軍（1971-），男，湖北武漢人，高級工程師，博士，主要從事水資源綜合利用研究，（電話）027-82926390（電子信箱）xujj＠m(xù)ail.crsri.cn。