寶珠寺水電站洪水調度優化方案

盧錕明，趙文發，程 龍，袁 超

(中國電建集團西北勘測設計研究院有限公司，西安 710065)

0 前 言

汛期水庫優化調度是緩解水資源供需矛盾、防洪減災的直接有效的非工程措施[1-2]。而隨著水雨情預報信息采集數據精度的提高，結合短中長期預報技術及水文氣象新方法等途徑，將洪水預報應用于多功能水庫汛期調度領域，可以優化調度方案，發揮多功能水庫最大效益[3-4]。本文以寶珠寺水庫為例，在流域水文氣象資料基礎上，通過研究洪水組成及遭遇規律、水文氣象預報水平、洪水預報新技術新方法、水庫預泄能力等，對不同類型、不同量級典型洪水進行調洪演算。在不降水庫防洪標準、不增加下游防洪壓力和防洪風險完全可控的前提下，開展寶珠寺水電站洪水調度優化設計，對于合理利用洪水資源，提高洪水資源利用率是十分必要的，效益也是明顯的[5-7]。

1 工程概述

白龍江是嘉陵江上游最大的支流，干流全長576 km，流域面積約31 808 km2。寶珠寺是長江支流嘉陵江水系白龍江干流唯一具有年調節能力的多功能水庫，水庫以發電為主，兼有防洪、工業供水、航運、灌溉等綜合利用效益[8]。

寶珠寺水電站位于四川省廣元市境內，距廣元市約20 km，距成都市約250 km，距綿陽市約160 km，距上游已建的碧口水電站約87 km，下距紫蘭壩水電站約14 km。電站壩址以上流域面積28 428 km2，裝機容量為700 MW，設計多年平均年發電量22.0億kWh。

寶珠寺水電站正常蓄水位588.00 m，汛期限制水位583.00 m，死水位558.00 m，調節庫容為13.40億m3，水庫回水長度72 km。寶珠寺為大(1)型工程，主要建筑物為1級建筑物。大壩、泄洪消能建筑物等按1 000年一遇洪水標準設計，洪峰流量為19 600 m3/s，設計洪水位588.46 m；10 000年一遇洪水標準校核，洪峰流量為25 600 m3/s，校核洪水位591.85 m；上游碧口水庫可能垮壩洪水作為非常洪水復核大壩安全，洪峰流量102 300 m3/s，非常洪水位(保壩)594.70 m；廠房和下游河道護岸工程按1 000年一遇洪水設計，尾水平臺高程498.70 m[9]。

2 原設計擬定的汛期洪水調度方式

寶珠寺水庫汛期防洪調度的基本原則是：確保安全、減輕淤積、多發電量，實行“安全第一，常備不懈，以防為主，全力搶救”的方針。設計確定的泄洪建筑物開啟順序：對稱開啟2右底孔、2左底孔、2中孔、外表孔、內表孔。原設計汛期洪水調度方式如下：

(1) 當入庫流量大于全廠滿發流量(956 m3/s)、水庫水位低于汛期限制水位(583.00 m)時，不限制機組運行臺數，可以根據發電需要發電運行，按原設計擬定的水庫調度圖運行，多余水量充蓄水庫，直至水庫水位達到汛期限制水位(583.00 m)。

(2) 水庫水位達到汛期限制水位(583.00 m)后，當入庫流量大于全廠滿發流量(956 m3/s)但小于8 750 m3/s時，逐步開啟右底孔、左底孔、中孔，水庫水位維持在汛期限制水位運行。當入庫洪水流量超過8 750 m3/s，水庫水位開始從583.00 m逐漸升高。

(3) 當入庫流量超過13 600 m3/s(1%洪峰)且水庫水位達到585.30 m(1%洪水位)時，入庫洪水達到百年一遇，增開外表孔敞泄。

(4) 當入庫流量超過19 600 m3/s(0.1%洪峰)且水庫水位達到588.46 m(0.1%洪水位)時，入庫洪水達到千年一遇，增開內表孔敞泄。

(5) 當入庫洪水超過25 600 m3/s(0.01%洪峰)，且水庫水位達到591.85 m(0.01%洪水位)時，所有泄洪設施全部開啟敞泄，以宣泄保壩洪水(碧口水電站潰壩洪水)。

按寶珠寺水電站原擬定的運行方式，汛期水庫水位達到汛期限制水位583.00 m后、且入庫洪峰流量不超過8 750 m3/s時，應控制水庫水位在583.00 m運行，即對洪峰流量在8 750 m3/s以下的洪水基本不調蓄，存在較大的棄水現象，汛期洪水調度方案有優化的潛力。

3 汛期洪水調度優化方案

水庫優化調度是根據水庫洪水入流過程，在一定調度準則下，通過優化的方法求得使目標函數達到極限時的最優運行策略[10]。通過水庫調度優化，可以利用防洪與興利公用庫容減少棄水，增加發電量[11]。根據近年寶珠寺水電站運行資料，汛期未發生洪水時，水庫水位大多數時候低于汛限水位，具備臨時適當抬高運行水位的條件。且寶珠寺水電站以上干支流梯級水電站的相繼建成投產，攔蓄了部分泥沙，寶珠寺水庫入庫泥沙呈現減少的趨勢。為發揮寶珠寺水庫巨大的調洪庫容，結合洪水預報，在滿足大壩防洪安全、下游防洪要求及庫區防洪要求下對寶珠寺水庫汛期洪水調度方案進行了優化。

3.1 洪水預報

在實際洪水預報調度工程中，氣象降雨預報早于實際降雨信息，實際降雨早于預報凈雨信息，預報凈雨早于入庫洪峰信息，更早于調洪最高水位信息[12]。準確、及時的水情實時及預報信息是寶珠寺水庫預報調度的關鍵，預報精度與預見期直接影響調度效果。

寶珠寺、碧口水電站水雨情信息采集已實現自動測報，洪水預報的精度達到了甲級水平，但預見期短，在此基礎上，通過水文氣象耦合應用、短中長期預報結合及水文氣象新技術新方法等途徑，延長預見期，爭取到24～120 h的預報預泄時間。

3.2 預報調度

在水庫防洪調度優化設計中，涉及到水庫上、下游防洪安全的協調，必須對洪水流量進行合理的時空再分配[13]。本次優化調度結合氣象、降雨及洪水預報，首先判別洪水類型(區間型洪水、全流域型洪水、上游型洪水)，根據洪水類型，分別按“區間型洪水預報調度方案”、“全流域型洪水預報調度方案”、“上游型洪水預報調度方案”的啟用條件進行判別，當分別滿足相應類型洪水預報調度的啟用條件后，在不降低水庫防洪標準、不增加下游防洪壓力和防洪風險完全可控的前提下，合理利用洪水資源，提出水庫常遇洪水預報調度的啟用條件及蓄水控制指標，實施洪水預報調度。

3.2.1 區間型洪水調度優化方案

區間型洪水特點是洪水峰量小，過程陡漲陡落，歷時短。以區間洪水特點作為出發點，以減少水庫棄水、發揮水庫的綜合利用效益為準則，當汛期水庫水位達到汛期限制水位583.00 m時，進行調度優化。區間型洪水調度優化方案如下：

(1) 滿足區間型洪水預報調度啟用條件時，水庫才允許蓄水。

(2) 當預報入庫洪峰流量小于全廠滿發流量956 m3/s時，電站平均發電流量應等于入庫流量，維持水庫水位不超過汛期限制水位583.00 m。

(3) 當預報入庫洪峰流量大于956 m3/s、小于等于5 000 m3/s時，電站按全廠滿發流量956 m3/s發電，剩余水量蓄在水庫里，控制水庫最高蓄水位為587.00 m。

(4) 當預報入庫洪峰流量大于5 000 m3/s、小于等于5 500 m3/s時，電站按全廠滿發流量956 m3/s發電，剩余水量通過泄洪設施下泄(棄水)，維持水庫水位在583.00 m運行；待洪峰流量過后、洪水處于退勢時，關閉泄洪設施，電站按全廠滿發流量956 m3/s發電，剩余水量蓄在水庫里，控制水庫最高蓄水位為586.00 m。

(5) 當預報入庫洪峰流量大于5 500 m3/s、小于等于6 000 m3/s時，電站按全廠滿發流量956 m3/s發電，剩余水量通過泄洪設施下泄(棄水)，維持水庫水位在583.00 m運行；待洪峰流量過后、洪水處于退勢、且入庫洪水流量小于5 500 m3/s后，關閉泄洪設施，電站按全廠滿發流量956 m3/s發電，剩余水量蓄在水庫里，控制水庫最高蓄水位為585.00 m。

(6) 當預報入庫洪峰流量大于6 000 m3/s時，原則上應恢復正常防洪調度，提前將水庫水位降到汛期限制水位。但可以等到洪峰過后，洪水處于退勢、且入庫洪水流量小于5 500 m3/s后，滿足區間型洪水預報調度啟用條件時攔蓄洪尾水量。

3.2.2 全流域型洪水調度優化方案

全流域型洪水特點是洪水量較大，而峰有大、有小，但總體上較區間型要小，洪峰流量多在2 000 m3/s以上，整體上呈“區間洪水造峰，上游洪水造量”的組合，洪水過程較長。針對全流域型洪水的特點，對全流域型洪水進行調度優化。全流域型洪水調度優化方案如下：

(1) 滿足全流域型洪水預報調度啟用條件時，水庫才允許蓄水。

(2) 當預報入庫洪峰流量小于全廠滿發流量956 m3/s時，電站平均發電流量應等于入庫流量，維持水庫水位不超過汛期限制水位583.00 m。

(3) 當預報入庫洪峰流量大于956 m3/s、小于等于2 500 m3/s時，電站按全廠滿發流量956 m3/s發電，剩余水量蓄在水庫里，控制水庫最高蓄水位為587.00 m。

(4) 當預報入庫洪峰流量大于2 500 m3/s、小于等于3 000 m3/s時，待洪峰流量過后、洪水處于退勢時，電站按全廠滿發流量956 m3/s發電，剩余水量蓄在水庫里，控制水庫最高蓄水位為587.00 m。

(5) 當預報入庫洪峰流量大于3 000 m3/s、小于等于3 500 m3/s時，電站按全廠滿發流量956 m3/s發電，剩余水量通過泄洪設施下泄(棄水)，維持水庫水位在583.00 m運行；待洪峰流量過后、洪水處于退勢、且入庫洪水流量小于3 000 m3/s后，關閉泄洪設施，電站按全廠滿發流量956 m3/s發電，剩余水量蓄在水庫里，控制水庫最高蓄水位為587.00 m。

(6) 當預報入庫洪峰流量大于3 500 m3/s、小于等于5 000 m3/s時，電站按全廠滿發流量956 m3/s發電，剩余水量通過泄洪設施下泄(棄水)，維持水庫水位在583.00 m運行；待洪峰流量過后、洪水處于退勢、且入庫洪水流量小于3 000 m3/s后，關閉泄洪設施，電站按全廠滿發流量956 m3/s發電，剩余水量蓄在水庫里，控制水庫最高蓄水位為587.00 m。

(7) 當預報入庫洪峰流量大于5 000 m3/s時，原則上應恢復正常防洪調度，提前將水庫水位降到汛期限制水位。但可以等到洪峰過后，洪水處于退勢、且入庫洪水流量小于3 000 m3/s后，滿足全流域型洪水預報調度啟用條件時攔蓄洪尾水量。

3.2.3 上游型洪水調度優化方案

上游型洪水的特點是峰小量大，洪峰流量多在1 000～2 500 m3/s之間變化，過程緩漲緩落，歷時長。針對上游型洪水的特點，對上游型洪水進行調度優化。上游型洪水調度優化方案如下：

(1) 滿足上游型洪水預報調度啟用條件時，水庫才允許蓄水。

(2) 當預報入庫洪峰流量小于全廠滿發流量956 m3/s時，電站平均發電流量應等于入庫流量，維持水庫水位不超過汛期限制水位583.00 m。

(3) 當預報入庫洪峰流量大于956 m3/s、小于等于1 500 m3/s時，電站按全廠滿發流量956 m3/s發電，剩余水量蓄在水庫里，控制水庫最高蓄水位為587.00 m。

(4) 當預報入庫洪峰流量大于1 500 m3/s、小于等于2 500 m3/s時，電站按全廠滿發流量956 m3/s發電，剩余水量通過泄洪設施下泄(棄水)，維持水庫水位在583.00 m運行；待洪峰流量過后、洪水處于退勢時，關閉泄洪設施，電站按全廠滿發流量956 m3/s發電，剩余水量蓄在水庫里，控制水庫最高蓄水位為587.00 m。

(5) 當預報入庫洪峰流量大于2 500 m3/s時，原則上應恢復正常防洪調度，提前將水庫水位降到汛期限制水位。但可以等到洪峰過后，洪水處于退勢、且入庫洪水流量小于2 000 m3/s時，滿足上游型洪水預報調度啟用條件時攔蓄洪尾水量。

3.3 實測洪水驗證

《水文情報預報規范》提出了對水文預報方案進行了檢驗和評定的要求，目的在于考察預報成果的精度及可能影響[14]。預報調度是以預報的洪水過程、而不是實測過程為依據，需要實測洪水對調度優化方案進行驗證。

3.3.1 區間型洪水實測過程驗證

區間型洪水實測驗證選擇不同洪峰流量對應的典型洪水過程，按擬定的區間型洪水防洪調度方式進行驗證，得到不同量級洪水的調節計算成果(見表1)、區間型代表洪水過程調度圖(見圖1)。

表1 實測區間型典型洪水過程驗證計算結果表

3.3.2 全流域型洪水實測過程驗證

全流域型洪水實測驗證選擇不同洪峰流量對應的典型洪水過程，按擬定的全流域型洪水防洪調度方式進行驗證，得到不同量級洪水的調節計算成果(見表2)、全流域代表洪水過程調度圖(見圖2)。

圖1 區間型洪水調度過程圖

圖2 全流域型洪水調度過程圖

3.3.3 上游型洪水實測過程驗證

上游型洪水實測驗證選擇不同洪峰流量對應的典型洪水過程，按擬定的上游型洪水防洪調度方式進行驗證，得到不同量級洪水的調節計算成果(見表3)、上游型代表洪水過程調度圖 (見圖3)。

圖3 上游型洪水調度過程圖

3.3.4 洪水實測過程驗證結果

根據不同類型實測洪水過程驗證計算結果，針對不同類型洪水擬定的優化調度方案，均滿足控制水位要求，也滿足上下游及本工程防洪安全要求，說明擬定的優化調度方案合理可行，符合本流域洪水特性。

表2 實測全流域型洪水過程驗證計算結果表

表3 實測上游型洪水過程驗證計算結果表

4 優化方案效益

采用洪水預報調度優化方案運行后，效益有直接效益和間接效益。

(1) 直接效益主要為發電效益。發電效益主要包括2個部份：一是增加發電水頭、降低發電耗水率后增發的電量；二是增加蓄水量直接增發的發電量。寶珠寺水庫采用預報調度后，可增加多年平均發電量約為3 835萬kWh，占設計多年平均發電量的1.74%。按目前電價計算，可增加發電收入約1 428萬元。

(2) 間接效益為增加水電發電量替代火電站發電量而節約的煤耗、減少廢氣排放的環境效益、社會效益和防洪效益等。環境效益主要表現為：按燃煤火電標煤耗320 g/kWh計算，每年可以節約煤炭約1.23萬t，可以減少廢氣排放，其環境效益和社會效益也是明顯的。同時由于汛期多攔蓄洪水，將減輕下游的洪水損失和防洪壓力，具有一定的防洪效益。

目前，根據初步了解，調度方案已獲得長江水利委員會批準，同意寶珠寺水電站按照該方案進行洪水調度。

5 結 語

寶珠寺水電站洪水調度優化方案是在不影響工程本身及上下游防洪安全的前提下，適當攔蓄常遇洪水(洪尾)臨時抬高水庫水位，以提高發電水頭和洪水資源化利用率，并未改變汛期限制水位，也未改變防洪標準。

該防洪優化調度方案建立在完善水電站水文氣象預報系統、加強新技術新方法的研究應用、提高水文氣象預報精度的基礎上，應積極開展試驗性調度運用，加強滾動預報，逐步逐級抬高預報預泄運行水位，并不斷總結完善，進一步研究洪水預報調度方案，更好、更充分地發揮水庫的綜合效益[15]。