某梯級小水電防洪優化調度運用研究

段云輝

【摘要】針對河南省境內某梯級小水電工程的實際情況，對龍頭水庫防洪和興利調度的原則進行了簡單探討，通過對比計算不同調度方式下梯級電站的發電效益，制定了防洪及發電調度運用規則。實際運用表明，該研究可以在確保水庫安全渡汛的情況下，實現水庫梯級電站發電效益的最大化，較好地指導電站的實際運行。

【關鍵詞】梯級水電站；調度原則；防洪優化調度；運用規則

引言

我國近1/2的地域，1/3的縣市，1/4的人口主要靠小水電供電，小水電在我國能源結構中占有非常重要的地位。隨著我國水電事業的發展，梯級開發已經成為小水電開發的重要方式之一。與中小流域梯級水電火熱開發建設局面的相比，針對中小流域梯級水電優化管理調度的研究尚不十分匹配，造成上下游水資源分配不合理的現象。如何解決日益凸顯的梯級調度管理問題，建立合理的防洪發電調度運用規則，是充分發揮梯級小水電綜合效益的關鍵。

某梯級水電站系統位于伊河流域欒川縣境內，上游建有金牛嶺水利樞紐工程，由大壩和發電廠兩部分組成，是伊河欒川段伊河梯級開發規劃的龍頭水庫，下游建有龍王莊水電站、松樹嶺水電站、大清溝生態水電站、馬路灣水電站和拔云嶺水電站等5座電站。工程主要任務以發電為主，兼顧旅游、防洪、水產養殖等功能。對金牛嶺水利樞紐工程實施科學管理、合理調度，可以實現“一庫多用，一水多用”，更好地滿足各用水部門對水庫和水資源的綜合利用要求。

1、龍頭水庫調度原則

水庫興利調度的任務是依據規劃設計的要求，合理調配水量，科學處理防洪與興利的關系，充分發揮水庫的綜合利用效益。在進行水庫興利調度時要遵守以下調度原則：貫徹“一水多用、梯級聯合調度”的原則，發揮龍頭水庫的調節作用，提高水的重復利用率；按照流域調度的要求，堅持興利服從防洪，做到統籌兼顧；興利調度方式，要根據水庫調節性能和興利各部門用水特點及效益最大的原則制定；非汛期利用龍頭水庫的調蓄功能，最大限度滿足下游各梯級電站流量互相匹配，聯合運用；汛期棄水時，結合棄水進行發電。

防洪調度的任務是根據設計確定的樞紐工程設計洪水、校核洪水和下游防護對象的防洪標準，按照設計的調洪原則在保證樞紐工程安全的前提下運行，盡量減輕或避免上、下游洪水災害。在進行水庫興利調度時要遵守以下防洪調度原則：大壩安全第一；按設計確定的目標、任務或按照上級有關文件規定進行防洪調度。金牛嶺水庫是欒川縣伊河防洪體系的一部分，運行時應該從整個防洪系統考慮，充分考慮系統內外的水情信息，按照上級防汛部門的統一部署進行調度運用。

2、優化調度

2.1 單庫優化調度。金牛嶺水利樞紐工程作為伊河梯級開發規劃的龍頭水庫，其調度方式合理與否，直接影響到整個樞紐工程的效益。對該水庫進行合理調度可采用常規調度和優化調度兩種方式，常規調度借助于常規調度圖進行水庫調度，常規調度圖則是根據實測的徑流時歷特性資料計算和繪制的一組調度曲線及水庫特征水位劃分的若干調度區組成的。優化調度是借助于優化方法尋求水庫最優運行方式的一種調度方法，優化調度能夠更有效地利用水庫的調蓄能力，獲得更大的經濟效益。

為分析金牛嶺水庫優化調度的效果，對常規調度和優化調度兩種方式進行對比計算：常規調度首先判斷供水期、蓄水期和不蓄不供期，然后供水期、蓄水期按等流量調節，不蓄不供期按來多少放多少方式，同時考慮電站最大過水能力、裝機容量的限制，分別進行豐水、平水、枯水三個典型年的水能計算；優化調度首先選取豐水、平水、枯水三個典型年設計徑流過程，以年發電量最大為目標，考慮水位、庫容、電站最大過水能力、電站裝機、水量平衡等約束條件，建立金牛嶺水庫優化調度數學模型，然后根據水庫調度過程的多階段決策特點，采用動態規劃數學模型求解。

2.2 梯級優化調度。金牛嶺水庫電站下游伊河欒川段已建成水電站5座，作為龍水水庫，其調度運用效果對下游5座徑流式水電站發電效益有著直接影響。對流域梯級電站實行聯合調度，統一管理，有利于實現水能資源的高效利用，充分發揮梯級樞紐的綜合利用效益。

為進一步說明金牛嶺水庫梯級電站聯合優化調度的效果，以下分別從金牛嶺水庫梯級電站聯合優化調度情況下金牛嶺水庫電站發電量的減少和整個梯級發電量的增加兩方面進行定量分析計算。

金牛嶺水庫梯級電站優化調度數學模型與金牛嶺水庫單庫優化調度模型相似，也屬多階段決策模型，因此也采用動態規劃求解。兩模型主要區別在于：梯級電站優化調度時，目標函數是梯級年發電量最大，而不僅僅是金牛嶺水庫電站年發電量最大。

選取豐水、平水、枯水三個典型年分別進行水庫梯級電站聯合優化調度，梯級電站計算結果見表2。為分析聯合調度時，金牛嶺水庫電站年發電量的減少情況，表中同時列出了金牛嶺水庫單獨優化調度的結果。

3、防洪及發電調度運用規則

水庫調度圖及其相應的調度規則是指導水庫運行調度的基本依據。水庫調度圖的上下基本調度線是電站發保證出力時水庫運行的邊界條件。

將常規方法確定的水庫調度圖、單庫優化調度圖、梯級聯合優化調度圖繪在同一張圖上，見圖1，可以發現：供水期按保證出力運行，其上下基本調度線基本重合。蓄水期（及不蓄不供期）按常規或優化運行方式計算，其上、下調度線有所不同。為了在確保水庫安全渡汛情況下，避免不必要的泄洪，充分利用水能資源，實現水庫梯級電站發電效益最大化，因此，建議按梯級調度線指導水庫調度。

首先根據不同的來水、水庫蓄水狀態及所處的運行區等條件，作出水電站按什么出力發電的運行決策；然后將按水庫調度圖作出水電站發電出力大小的各種決策歸納為便于指導實際運行的如下調度規則：

3.1 當水庫實際蓄水位落于上、下基本調度線及兩線之間的保證出力區時，則水電站在供水期按保證出力工作，即水電站出力N=Np。

3.2 當水庫實際蓄水位落于上基本調度線之上時，則水電站在供水期按加大出力工作，則水電站出力N>Np。

3.3 當水庫實際蓄水位落于下基本調度線以下的限制出力區時，則水電站在供水期按降低出力工作，即水電站出力N

3.4 蓄水期及不蓄不供期盡量高水頭運行。由于水庫庫容相對較小，汛期很容易蓄滿，因此，可結合天氣預報，在保證水庫防洪安全的條件下，采用早蓄方案，使電站能在大多數月份處于高水位運行狀態。

3.5 為保證建筑物安全，汛期水庫水位不得超過汛限水位，非汛期水位不得超過正常蓄水位。

3.6 根據調洪演算結果和水庫下游保護對象所在斷面處的水位流量關系，即可確定水庫遭遇不同設計洪水時，水庫下游河道斷面的相應水位，為防洪搶險及下游居民生產、生活安全提供決策依據。

在實時調度運行過程中，應根據以上調度規則，考慮下游電站合理匹配，保證梯級電站總發電量最大，同時還應兼顧水庫下游群眾生活用水、農業生產用水和河道生態需水要求，合理確定水庫泄流方案。當偶爾水庫下泄流量和下游梯級電站不能合理匹配，進入河道的多余流量有可能給下游群眾生產和生活造成不便、或者有可能會給下游人民的生命財產構成威脅時，應及時發出預警和根據事先設定的預案采取相應的措施。

4、結論

4.1 在開展梯級小水電防洪優化調度時，要嚴格遵守相應的調度原則。

4.2 梯級水電站開展聯合運行效益顯著：梯級聯合調度與龍頭水庫優化相比，梯級總發電量增加161萬度，增發率為2.6%。

4.3 水庫調度運行圖起調度決策的指導作用，在水庫調度圖指導下，水庫調度可根據當時水位和預報來水情況，根據制定的調度規則指導水庫運行。

4.4 實際運用表明，該研究可以在確保水庫安全渡汛的情況下，實現水庫梯級電站發電效益的最大化，較好地指導電站的實際運行，同時也可以為同類電站的運行提供參考。

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