資水柘溪以下低水頭梯級(jí)電站防洪聯(lián)合調(diào)度淺析

王鐵牛 龍 瑛

（益陽(yáng)水文水資源勘測(cè)局 益陽(yáng)市 413000）

目前資水柘溪以下規(guī)劃的7個(gè)梯級(jí)電站已建成東坪、株溪口、馬跡塘、白竹洲、修山5級(jí)，金塘沖和史家洲電站在規(guī)劃初設(shè)階段，已建5級(jí)電站均為低水頭電站，它們的閘門高度分別為10.5m，10.5m，9.5m和6.5m（馬跡塘電站有兩種閘門，高度不同），7.5m，7.5m。因是低水頭電站，我們從閘門高度就可以粗略看出水頭高低。從理論講，只要有庫(kù)容，就有利用庫(kù)容來調(diào)蓄洪水的可能，但因庫(kù)水位長(zhǎng)期保持在蓄水位附近，空庫(kù)調(diào)蓄能力小，徑流式電站在設(shè)計(jì)上是不承擔(dān)調(diào)洪錯(cuò)峰任務(wù)的。從近年發(fā)生洪水的實(shí)際效果看，各電站如自己按設(shè)計(jì)控制壩上水位，以來多少泄多少逐漸開閘泄洪，則因信息不準(zhǔn)，沒有預(yù)泄，有抬高庫(kù)區(qū)洪峰水位、擴(kuò)大淹沒損失的可能，如2008年資水冬汛，因沒有提前預(yù)泄空庫(kù)降水位，洪水位有抬高，加上預(yù)警不及時(shí)，有的地方增大了損失。

各級(jí)電站建成后改變了河道原有的過水條件，加上河道破壞，過水能力減小，對(duì)日益嚴(yán)重的資水中下游防洪產(chǎn)生了更大的壓力，因此采取信息共享，聯(lián)合調(diào)度是形勢(shì)所需。

1 解決問題的思路

（1）整合信息，統(tǒng)一平臺(tái)。信息分散：有個(gè)別電站自己建有少量雨水情站點(diǎn)，氣象、水文、水利也各自建有站點(diǎn)，所建站點(diǎn)的目的有所不同，電站是為自己調(diào)度服務(wù)的，氣象可能注重于行政區(qū)劃的面，水文可能注重于河流的流域，水利可能注重于水利工程。為了獲得所有電站聯(lián)調(diào)所需信息，至少要整合部分關(guān)健信息。目前益陽(yáng)市防指已做了大量工作，平臺(tái)已經(jīng)搭建，部分重要信息已聯(lián)網(wǎng)進(jìn)入，如上游控制性電站柘溪庫(kù)水位和5級(jí)低水頭電站壩上下水位已入網(wǎng)進(jìn)信息平臺(tái)。

（2）建立機(jī)構(gòu)，統(tǒng)一調(diào)度。2010年益陽(yáng)市防指獲得了湖南省防指代為調(diào)度的授權(quán)書，經(jīng)過幾年的實(shí)踐，已建立了以市防指為主體，相關(guān)部門參與的梯級(jí)聯(lián)調(diào)組織機(jī)構(gòu)，每年都針對(duì)調(diào)度方案做調(diào)研，綜合電站、縣防指、相關(guān)專家的意見進(jìn)行改進(jìn)和優(yōu)化，為統(tǒng)一調(diào)度提供了保障。這樣做實(shí)際上是一個(gè)開放式的不斷優(yōu)化調(diào)度的過程。

（3）完善制度，規(guī)范調(diào)度。聯(lián)合調(diào)度是統(tǒng)一科學(xué)調(diào)度，工作過程是一個(gè)開放的系統(tǒng)工程。洪水來得快，信息傳至各電站和相關(guān)縣區(qū)防指、縣級(jí)防指和電站預(yù)警均需時(shí)間，因此決策如作戰(zhàn)，信息收集要快要準(zhǔn)，決策要科學(xué)，時(shí)效性強(qiáng)。信息來源有省防辦、柘溪電站、水文、氣象、安化、桃江兩縣防辦及5家低水頭電站，決策人員有市防辦、市水利、市氣象、市水文等部門專家、領(lǐng)導(dǎo)，信息流程、信息反饋，決策程序，執(zhí)行與監(jiān)督，違規(guī)處罰等需要系統(tǒng)的制度作保證，大洪水更要有規(guī)范的預(yù)警制度。聯(lián)調(diào)在信息共享，上下溝通，調(diào)度指令傳送流程、預(yù)警制度，監(jiān)督和處罰辦法各方面都作了制度性規(guī)定，各種制度不斷完善，保證了調(diào)度的規(guī)范統(tǒng)一。

（4）開展預(yù)警。沒有建電站前，預(yù)警只針對(duì)接近警戒或超警戒大水。聯(lián)合調(diào)度后既要對(duì)洪水預(yù)警，也要對(duì)電站壩址上下游適當(dāng)范圍內(nèi)預(yù)警，以防開關(guān)閘門造成危害，聯(lián)合調(diào)度方案中對(duì)預(yù)警作了詳細(xì)規(guī)定，實(shí)行由縣區(qū)防指負(fù)責(zé)制，電站主要負(fù)責(zé)壩址上下游一定區(qū)域。這是認(rèn)真落實(shí)防洪工作以防為主的指導(dǎo)思想。

2 梯級(jí)調(diào)度原理分析

2.1 需預(yù)泄，但不必空庫(kù)

前面已提到，低水頭電站設(shè)計(jì)上是不承擔(dān)蓄水調(diào)峰任務(wù)的，每個(gè)電站均是以來水多少控庫(kù)水位，以來多少泄多少開閘泄洪，若如此，則低水頭徑流式電站的聯(lián)調(diào)是不阻水式調(diào)度。梯級(jí)電站設(shè)計(jì)的水位高度是下級(jí)電站水頭抬高水位不影響到上級(jí)電站的壩下，可以設(shè)想為靜止?fàn)顟B(tài)時(shí)（蓄滿水，入、出庫(kù)流量為0），本電站庫(kù)水位與上級(jí)電站壩下低部持平，顯然，如下級(jí)電站不預(yù)泄水，阻水就有可能。如果在來水前早早放空水庫(kù)，則有幾個(gè)問題出現(xiàn)：一是不能全開閘門，否則下游會(huì)形成人工大洪水；二是庫(kù)區(qū)岸坡可能不穩(wěn)，河中的船只、網(wǎng)箱等會(huì)出險(xiǎn)；三是會(huì)對(duì)水生物造成破壞；四是大大超出了設(shè)計(jì)范圍，對(duì)大水作用小而對(duì)發(fā)電站極不利，因此不必在預(yù)測(cè)洪水來之前泄空，最好是適當(dāng)預(yù)泄。

2.2 預(yù)泄方式分析

把各梯級(jí)電站串聯(lián)起來看待，如果沒有支流來水，設(shè)想多種預(yù)泄方法：一是同時(shí)預(yù)泄；二是上游電站先預(yù)泄，下游后泄；三是先預(yù)泄下游，后預(yù)泄上游。將庫(kù)水位降至預(yù)定值，稱為目標(biāo)水位，目標(biāo)水位是指不或少阻洪水的綜合最佳值。

設(shè)梯級(jí)電站第一級(jí)代號(hào)為1，庫(kù)容為W1，預(yù)泄庫(kù)容為△W1，預(yù)泄降低水位數(shù)為△H1，預(yù)泄所用時(shí)間為T1，預(yù)泄平均流量為△Q1；梯級(jí)電站第二級(jí)代號(hào)為2，庫(kù)容為W2，預(yù)泄庫(kù)容為△W2，預(yù)泄降低水位數(shù)為△H2，預(yù)泄所用時(shí)間為T2，預(yù)泄平均流量為△Q1，……梯級(jí)電站第n級(jí)代號(hào)為n，庫(kù)容為Wn，預(yù)泄庫(kù)容為△Wn，預(yù)泄降低水位數(shù)為△Hn，預(yù)泄所用時(shí)間為Tn，預(yù)泄平均流量為△Qn。則所需預(yù)泄總庫(kù)容為∑△W=△W1＋△W2＋……＋△Wn

第一種方法是同時(shí)預(yù)泄。同時(shí)預(yù)泄是各梯級(jí)電站同時(shí)開閘泄水，各級(jí)電站必須預(yù)泄適當(dāng)流量才能降低庫(kù)水位到設(shè)定的目標(biāo)值。又可分兩種情況，一種為在同時(shí)間內(nèi)預(yù)泄到各自目標(biāo)水位，則下級(jí)電站必須比上級(jí)多預(yù)泄，最末級(jí)電站必須承擔(dān)所有空庫(kù)水量∑△W的泄水任務(wù)，如梯級(jí)多即n大，則最末級(jí)電站流量會(huì)很大。泄水時(shí)間同始同終，理論上越到下級(jí)，越需有大流量泄水，但實(shí)際上上級(jí)電站泄來的水要流過一定長(zhǎng)度河道，需要時(shí)間。設(shè)想即便同時(shí)將所有電站同時(shí)預(yù)泄到目標(biāo)庫(kù)水位，則下游電站還需要保持泄去上游來水，最下級(jí)電站有可能泄水成災(zāi)。要保持庫(kù)水位不升高，則不能大流量泄水，因此下級(jí)電站泄水需很長(zhǎng)時(shí)間，這還不包含上游來水到達(dá)最后一級(jí)的時(shí)間，實(shí)際上同開同泄至目標(biāo)水位是不可實(shí)現(xiàn)的；另一種是同時(shí)預(yù)泄控制流量，各級(jí)電站預(yù)泄流量為下級(jí)比上級(jí)略大，保證能預(yù)泄至目標(biāo)水位，則先上游電站，后下游電站會(huì)逐步降低庫(kù)水位至目標(biāo)值，最末級(jí)電站因要加泄上游電站來水，泄水時(shí)間會(huì)最長(zhǎng)，要包含上游來水運(yùn)行時(shí)間和小流量泄水所需時(shí)間。如果泄水可用于發(fā)電，則這是好的預(yù)泄法，如控制好，只有第一級(jí)發(fā)電損失多些，其它各級(jí)損失小。

第二種方法是先預(yù)泄上游首級(jí)，后泄下一級(jí)，逐級(jí)泄流。這種方式在現(xiàn)實(shí)中執(zhí)行難，因?yàn)楫?dāng)所徑流式梯級(jí)電站正常蓄水或發(fā)電時(shí)，水庫(kù)是比較滿的，上游一開，下級(jí)電站必須適時(shí)開，不能等上級(jí)泄水結(jié)束后再開，因?yàn)槿绻掠坞娬静患皶r(shí)開閘則水有漫閘門和產(chǎn)生大水的可能。如果能利用兩級(jí)之間的距離實(shí)現(xiàn)水流運(yùn)行的無縫對(duì)接，那是最好的調(diào)度方式，在安全第一的情況下，一般不能用這種方式。在中小水不產(chǎn)生淹沒的前提下可進(jìn)行研究。

第三是種方法先下游電站預(yù)泄，后上游電站預(yù)泄。這是一種最安全的預(yù)泄方法。先預(yù)泄最下游一級(jí)電站，再預(yù)泄上級(jí)電站，同時(shí)下級(jí)必須在上級(jí)預(yù)泄時(shí)以來多少泄多少泄去上級(jí)電站來水。但這種方式會(huì)有預(yù)泄時(shí)間過長(zhǎng)，最后首級(jí)電站需時(shí)至少會(huì)達(dá)∑T=T1＋T2＋……＋Tn，n 大時(shí)，最上級(jí)電站預(yù)泄等待的時(shí)間∑T-T1會(huì)很長(zhǎng)。級(jí)數(shù)多了不能采用，也不經(jīng)濟(jì)。

從上述三種預(yù)泄水方式分析，第一種的同時(shí)開閘預(yù)泄，同時(shí)（或用時(shí)相差不多）完成預(yù)泄，在現(xiàn)實(shí)中難實(shí)現(xiàn)，不可取；第二種的同開可不同時(shí)降至目標(biāo)水位，現(xiàn)實(shí)可以采用。第三種：先泄下游最再泄上游，逐級(jí)預(yù)泄，當(dāng)梯級(jí)數(shù)量多時(shí)會(huì)因下級(jí)各庫(kù)預(yù)泄時(shí)間過長(zhǎng)導(dǎo)至首級(jí)電站根本沒有時(shí)間預(yù)泄迎接洪水，而且下游電站發(fā)電損失過大，在級(jí)數(shù)多的梯極電站中不可用。

好在現(xiàn)實(shí)中n不會(huì)很大（即難出現(xiàn)大河全部建低水頭梯級(jí)電站的情形）。河長(zhǎng)很長(zhǎng)的大河，落差必大，必定會(huì)規(guī)劃有高水頭電站。

2.3 綜合優(yōu)選調(diào)度方法

徑流式電站的水庫(kù)是河道，正常情況下庫(kù)水位較高，水庫(kù)偏滿。來水時(shí)必須預(yù)泄，適當(dāng)空庫(kù)。根據(jù)資水柘溪以下來水不同的實(shí)際情況，調(diào)度方案可作分段調(diào)度和流量分級(jí)預(yù)泄：

（1）按來水不同分段調(diào)度：柘溪來水為主的是柘溪-東坪-株溪口河段；以柘溪和柘溪至馬跡塘電站區(qū)間來水混合的是馬跡塘-白竹洲-修山河段；兩段之間洪水運(yùn)行時(shí)間多在4 h以上，分段調(diào)度可行。

（2）適當(dāng)預(yù)泄。沒有預(yù)泄，阻水必能產(chǎn)生。經(jīng)綜合考慮過水能力，庫(kù)區(qū)上下承受能力，以不同流量來水，預(yù)降不同庫(kù)水位，控制降水在蓄水深度的一半左右，建議：大于3 000m3/s小于4 000m3/s，預(yù)降2m，大于4 000m3/s小于5 000m3/s，預(yù)降3m，大于5 000 m3/s，預(yù)降（3.5～4）m。

（3）分段后梯級(jí)不多，預(yù)泄的時(shí)間不長(zhǎng)，流量不很大，發(fā)電站損失也不大，不同量級(jí)的洪水可分別對(duì)應(yīng)采用先上后下預(yù)泄、同時(shí)預(yù)泄、先下后上預(yù)泄方式，待成熟后實(shí)施。預(yù)泄后以不淹沒為前題，來多少泄多少，建議在4000m3/s到來時(shí)1h逐漸全開閘門，確保各級(jí)均在洪水到來之前恢復(fù)近似天然河道情勢(shì)。

2.4 不足和建議

一方面要把各電站的出流測(cè)準(zhǔn)，最好是建立水位～流量關(guān)系圖或關(guān)系式，可以建立正常蓄水位下單孔開度～流量關(guān)系，然后再實(shí)現(xiàn)不同庫(kù)水位下單孔開度～流量關(guān)系，最后建立每個(gè)電站的出流關(guān)系；二是馬跡塘電站入庫(kù)水文站辰溪站至少汛期要恢復(fù)水位、流量監(jiān)測(cè)并報(bào)汛，枯期水位報(bào)汛。沒有這兩個(gè)方面作保證，調(diào)度就沒有可靠、準(zhǔn)確的信息作保障。

3 結(jié) 語(yǔ)

以上并不是最優(yōu)調(diào)度方法和最優(yōu)參數(shù)，可能有不當(dāng)之處，待進(jìn)一步研究；不統(tǒng)一調(diào)度不行；過分空庫(kù)調(diào)度沒有必要且有害；低水頭電站的聯(lián)調(diào)不是萬能，實(shí)際調(diào)度證明，在超過一定量級(jí)的大流量時(shí)，即使適時(shí)將所有電站的閘門全開，之后就沒有能力調(diào)庫(kù)水位了，如有可能發(fā)生淹沒也只能預(yù)警撤離；關(guān)健是要保護(hù)河道，保持大的泄水能力，不在低洼地搞建設(shè)，不設(shè)阻水建筑物，不破壞河道，不侵占河道，規(guī)范河道采砂和河道兩岸建設(shè)。