考慮生態流量需求的梯級水庫汛末蓄水調度研究
——以溪洛渡-向家壩水庫為例

夏 青 青張 琪林 偉汪 利

(1.三峽大學 三峽庫區生態環境教育部工程研究中心，湖北 宜昌 443002； 2.三峽大學 水利與環境學院，湖北 宜昌 443002)

1 研究背景

近年來，流域梯級水電站水庫群在調度運行過程中發揮了具大的防洪、發電、航運等綜合效益，但同時人們對流域的生態環境需求也越來越重視。正在開發的金沙江下游梯級水電站水庫群調節能力巨大，然而隨著溪洛渡、向家壩梯級水電站的陸續建成，極大地改變了金沙江下游原有的徑流規律，在運行調度過程中不可避免地存在著競爭性蓄水導致的汛末蓄水困難，發電興利與無效棄水矛盾突出，以及對其下游流域的生態環境造成影響等問題[1]。

針對以上問題，眾學者展開了相關研究。彭楊等針對溪洛渡-向家壩梯級水庫運用過程中蓄水與排沙的矛盾，考慮到上游修建白鶴灘水庫的條件，對兩座水庫的汛末蓄水時間進行了優化研究[2]；李亮等針對溪洛渡和向家壩梯級組合的特點，考慮到梯級電站的發電特性，采用聯合優化調度模型，對兩座電站的蓄放水規律進行了研究[3]；張琪等提出了基于水電站調度圖的溪洛渡-向家壩改進蓄水策略,并從年平均蓄滿率、汛末蓄水位、總棄水量、總發電量等指標入手進行綜合分析，確定了最優蓄水時間[4]；周研來等以溪洛渡-向家壩-三峽梯級水庫為對象，通過風險分析、興利效益分析與多目標決策，推求出了可權衡防洪與興利矛盾的梯級聯合蓄水方案[5]；陳炯宏等考慮到下游地區蓄水期對上游梯級水庫下泄流量的新要求，在綜合分析防洪、泥沙、庫區、發電及供水等指標的基礎上，推薦了溪洛渡-向家壩-三峽梯級蓄水調度方案[6]。

上述內容主要是針對溪洛渡-向家壩梯級在蓄水調度過程中的防洪風險、發電興利與泥沙淤積等之間的相互矛盾而開展的研究，未能充分考慮到蓄水期下游河道的生態需水過程。而針對河道生態徑流量的計算, 國內外學者已提出了很多方法[7-8]，國內一些學者在考慮到生態流量過程的前提下對長江上游水庫群的調度問題開展了一定的研究。比如：辛小康等針對目前長江上游水庫群建設運行的現狀，總結了水庫群建設對水環境和水生態造成的影響，在此基礎上，提出了長江上游水庫群生態調度研究的方向[9]；龍凡等利用年內展布法和改進的FDC法來計算最小生態流量和適宜的生態流量過程，進而以此為約束條件建立了生態調度模型，并運用該模型研究了生態流量對溪洛渡-向家壩梯級發電效益的影響[10]；李舜等通過多種生態流量計算方法，對宜昌站最小、適宜、最大生態徑流和適宜生態徑流閾值分別進行了計算分析[11]。

上述研究為考慮生態需求的溪洛渡-向家壩梯級汛末蓄水調度提供了解決思路。基于此，本文聚焦于汛末蓄水期溪洛渡-向家壩梯級汛末集中蓄水所帶來的水資源利用矛盾與沖突，為減小梯級汛末蓄水興利對下游生態環境帶來的不利影響，開展了考慮生態流量需求的梯級水庫群汛末蓄水調度方案研究。

2 蓄水期最小生態徑流計算

河道最小生態徑流是指河流中能滿足當前生態需求的最小流量，當河流水量低于該流量時，河道中的水生生態系統將會遭受到嚴重破壞[12]。逐月最小生態徑流計算法是計算河道最小生態徑流過程的基本水文學方法，該方法以長系列月徑流系列為基礎，選取歷年逐月最小值組成全年最小生態徑流過程[13-14]。本文聚焦于9月1～30日汛末蓄水期，以日為時段開展研究，為了更加精確地確定蓄水期各日的最小生態徑流大小，借助于逐月最小生態徑流計算法的基本思想，采用溪洛渡、向家壩壩址1956～2010年長系列歷史日徑流數據，截取55 a的9月1～30日的逐日徑流系列，選擇每日最小值組成9月份蓄水期的最小生態流量過程，如公式(1)所示。

(1)

利用公式(1)計算得到了溪洛渡、向家壩9月份各日最小生態徑流過程，結果如表1所示。

表1 溪洛渡、向家壩梯級9月份最小生態徑流計算結果Tab.1 The results of minimum ecological runoff of Xiluodu and Xiangjiaba in September

3 溪洛渡-向家壩梯級提前蓄水方案制定

3.1 基于調度圖的提前蓄水方案制定

根據金沙江下游梯級原蓄水方案，溪洛渡、向家壩兩座水電站于9月11日開始同步蓄水，9月底分別從汛限水位560 m和370 m蓄至正常蓄水位600 m和380 m[15-16]。然而，隨著金沙江流域水庫數量的增多，梯級水庫群汛末集中蓄水矛盾突出，提前蓄水成為改善水庫群蓄水矛盾的有效方式之一[17-18]。考慮到防洪安全、庫區淹沒及泥沙淤積等問題，根據已有研究成果，最終確定兩座水電站的起蓄時間提前至9月1日，蓄滿時間不變，仍為9月30日[4-5]。基于此，在兩座水電站原調度圖的基礎上，重新進行了調整，即將原蓄水方案起蓄時間點對應的各調度線移動至新的起蓄時間點，繪制新的各條調度線，構成新的調度圖，用于指導水電站汛末蓄水過程。兩座水電站的蓄水期調度圖分別如圖1和圖2所示。圖中實線為原調度線，虛線為起蓄時間提前后的新調度線。

圖1 溪洛渡水電站9月份運行調度圖Fig.1 Operation chart of Xiluodu Hydropower Station in September

圖2 向家壩水電站9月份運行調度圖Fig.2 Operation chart of Xiangjiaba Hydropower Station in September

如果根據溪洛渡、向家壩兩座水電站已有調度圖和調度規則進行蓄水調度，一方面，蓄水期的生態流量難以得到滿足；另一方面，兩座水電站的出力可能會在不同調度區之間頻繁跳動，進而引起下泄流量和出力過程波動較大的問題。因此，為了更好地運用調度圖來指導梯級的汛末蓄水過程，以各調度線作為過渡線，并結合兩座水電站的最小生態徑流要求，采用以下改進蓄水策略。

3.2 汛末蓄水調度約束條件

在調度圖的基礎上，溪洛渡-向家壩梯級水電站進行蓄水調度時，還必須滿足以下各類約束條件[19-20]。

(1) 水量平衡約束。

Vk,t+1=Vk,t+(Ik,t-qk,t-Sk,t)Δt,t=[1,T]

(2)

式中，k為水電站編號，其中1表示溪洛渡，2表示向家壩；Vk,t為水電站k在t時段的初蓄水量；Ik,t、qk,t、Sk,t分別為k電站在t時段的平均入庫流量、發電引用流量和棄水流量；Δt表示時段間隔，在本文蓄水調度研究中，以d為時段間隔；T為汛末蓄水期總時段長，本研究中以d為時段間隔，則T=30 d。

(2) 水電站出力約束。

Nk,t,min≤Ak·qk,t·Hk,t≤Nk,t,max，t=[1,T]

(3)

式中，Nk,t,min、Nk,t,max分別為k水電站t時段最小和最大出力約束，取決于電站的保證出力、預想出力和電網要求。其中，溪洛渡水電站的裝機容量為13 860 MW，近期情況下，水電站的保證出力為3 795 MW[15]；向家壩水電站的裝機容量為6 400 MW，近期情況下的水電站保證出力為2 009 MW[16]。

(3) 庫水位及變幅約束。

Zk,t,min≤Zk,t≤Zk,t,max,t=[1,T]

(4)

|Zk,t-Zk,t-1|≤ΔZk,t=[1,T]

(5)

式中，Zk,t為k水庫t時段的初水位；Zk,t,min、Zk,t,max分別為時段最低、最高庫水位約束，ΔZk為k水庫的水位變幅約束，根據兩座水電站的調度規程及下游通航的要求，兩座水電站的日變幅均不超過4.5 m。

(4) 下泄流量約束。

Qk,t,min≤Qk,t≤Qk,t,max,t=[1,T]

(6)

式中,Qk,t為k水庫t時段的下泄流量，Qk,t=qk,t+Sk,t；Qk,t,min、Qk,t,max分別為時段最小、最大允許下泄流量約束，根據蓄水期的防洪、發電及航運要求綜合確定。若考慮水庫下游河道的最小生態流量要求，兩座水庫的最小下泄流量還應不小于9月每日最小生態徑流量。

4 汛末蓄水調度計算與分析

4.1 蓄水調度方案評價指標

綜合溪洛渡-向家壩梯級水電站汛末蓄水興利和生態需求，采用蓄水期年平均發電量、棄水量、水庫蓄滿率、汛末蓄水位，并引入生態流量滿足度指標對調度方案進行評價。

(7)

(8)

(3) 汛末蓄滿率Rk。若兩座水庫在蓄水調度期末蓄水至正常蓄水位600 m和380 m，則認為水庫已蓄滿，蓄滿率可用下式計算。

(9)

(10)

(5) 生態流量滿足度Mk。

(11)

4.2 不同蓄水方案調度計算

選取1956～2010年溪洛渡-向家壩長系列歷史入庫徑流資料，分別采用未考慮下游河道最小生態徑流要求的兩座水電站9月11日起蓄的原蓄水方案(原方案)和基于改進的蓄水策略的兩座水電站9月1日提前蓄水的蓄水方案(改進方案)，進行汛末蓄水調度計算。不同蓄水方案的調度計算結果評價指標如表2所示。

對比表2可以算出：對于原蓄水調度方案，一方面溪洛渡、向家壩兩座水電站水庫汛末蓄滿率不能達到100%，汛末難以蓄滿；而另一方面又有大量的棄水產生，且兩座水電站下游的生態流量滿足度相對較低，均不超過80%。在這種情況下，當采用考慮下游生態流量要求的改進提前蓄水方案時，兩座水電站水庫的汛末蓄滿率均可達到100%，而總棄水量相比原方案減少了18.3%，發電量增大了12.1%；同時，兩座水電站的生態流量滿足度均得到了有較大程度的提高，分別達到了100%和96.85%。

對產生上述情況的原因進行了分析：當采用原蓄水方案時，9月11日開始蓄水會導致前期大量棄水，為使汛末庫水位回蓄至正常蓄水位，兩座水電站在9月份中后期部分時段按降低出力運行，導致了下泄流量不滿足河道最小生態流量的要求，且向家壩水電站來水取決于溪洛渡水電站水庫的下泄流量，生態流量滿足度更低。而改進后的方案通過提前蓄水使得棄水量大大減少，9月份水電站平均運行水位較原方案抬高，發電量增大。兩座水電站在蓄水發電的同時，還能兼顧到下泄流量盡可能滿足下游生態流量的要求，因此，能夠更加合理地利用水資源，充分發揮梯級水電站綜合興利和生態效益的作用。在防洪方面，文獻[5]將汛末蓄水期水位超壩前最高安全水位約束定為風險事件，計算確定了兩座水庫9月1日同步蓄水，向家壩防洪風險率仍然為0%，而溪洛渡防洪風險率從原9月10日蓄水方案的0%提高到了1.64%。可見，改進蓄水方案將使得溪洛渡水電站超安全水位風險略有上升，而對向家壩水電站不會產生影響。并且考慮到兩座水庫雖然提前蓄水，但起蓄水位不變，預留的防洪庫容和原來相比會不發生變化，汛末期配合三峽水庫蓄水調度對確保長江中下游防洪安全不會造成較大的影響[6]。

4.3 典型年蓄水過程比較分析

為了進一步檢驗改進后的蓄水方案的調度效果，選擇了9月份來水較豐的1999年和來水較枯的1983年作為典型年來水過程，比較分析其不同蓄水方案的下泄流量、出力及庫水位變化過程。1999年和1983年汛末蓄水調度計算結果分別如圖3和圖4所示。

由圖3(a)～(f)所示的兩座電站的調度過程可以看出：針對9月份來水較豐的情形，溪洛渡水電站在蓄水過程中，當采用未考慮生態流量需求的原蓄水方案時，9月11日開始蓄漲庫水位使得之后部分時段出現了下泄流量減少、低于最小生態需水量的情形，如第18～23時段；對于下游向家壩水電站，上游溪洛渡水電站蓄水導致下游來水量減少，不能達到生態流量需求的時段更多，并且出現了水電站的出力在不同出力區間跳動，導致向家壩水電站的出力和下泄流量過程出現了較為劇烈的鋸齒狀波動的情況。當采用考慮生態需求的改進蓄水方案時，溪洛渡、向家壩水電站蓄水期各時段的下泄流量均能滿足下游生態流量的要求，生態流量滿足度達到了100%。同時，改進蓄水策略有助于減小兩座水電站在蓄水過程中下泄流量、出力過程波動幅度大的問題，原蓄水方案中流量和出力過程的鋸齒狀波動現象得到了明顯消除。并且相比原方案，兩座水電站蓄水期均維持在更高的庫水位運行，有利于水電站發電效益的發揮。

表2 溪洛渡-向家壩梯級不同蓄水方案計算結果Tab.2 The results of different impounding schemes in Xiluodu - Xiangjiaba Cascade Hydropower stations

對比分析圖4(a)～(f)兩座水電站的調度過程可知：當兩座水電站來水較少時，對于溪洛渡水電站而言，當采用未考慮下游河道最小生態需水量的原蓄水方案時，兩座水電站均有1/3時段的下泄流量低于最小生態流量，其中溪洛渡水電站最大差值在第21日達到了2 824 m3/s，向家壩水電站最大差值在第20日達到了3 026 m3/s。當考慮下游河流最小生態需水量的提前蓄水方案時，溪洛渡水電站各時段的下泄流量均滿足最小生態流量的要求，生態流量滿足度為100%，下泄流量、出力過程波動幅度更加平緩；由于來水較枯，第23～24日向家壩水電站仍然存在下泄流量小于最小生態需水量的情形，生態流量滿足度為93.30%，但是相對于原方案，其調度結果仍得到了很大改善，最大差值出現在第23日，僅為134 m3/s。此外，改進的蓄水策略同樣使得兩座水電站的下泄流量、出力過程波動幅度更加平緩，更有利于水電站的穩定運行。

圖3 1999年溪洛渡、向家壩水電站9月蓄水調度過程線Fig.3 The impounding operation hydrograph of Xiluodu-Xiangjiaba Cascade Hydropower stations in September，1999

圖4 1983年溪洛渡、向家壩水電站9月蓄水調度過程線Fig.4 The impounding operation hydrograph of Xiluodu-Xiangjiaba Cascade Hydropower stations in September，1983

5 結 語

本文以溪洛渡-向家壩梯級水電站為研究對象，確定了汛末蓄水期水電站下游最小生態徑流過程，提出了基于調度圖的梯級改進提前蓄水方案；同時，引入了生態流量滿足度并結合其他興利指標，對蓄水方案進行了評價。研究結果表明：采用考慮下游生態流量要求的改進提前蓄水方案，會有助于提高梯級汛末蓄滿率、增大發電效益、減少棄水量，而且也使得梯級電站的運行出力、下泄流量過程更加平穩，下游生態流量滿足度得到了明顯提高。隨著金沙江下游梯級中烏東德、白鶴灘水電站的陸續興建，如何將以三峽水庫為核心的三峽梯級與金沙江下游4庫梯級汛末蓄水調度聯合考慮，還有待開展進一步的深入研究。