南水北调中线水源区水库联合调度与水情预报

2010-04-14孔祥林

水利水电快报 2010年2期

孔祥林张沙肖雪

(长江水利委员会网络与信息中心,湖北武汉 430010)

丹江口水利枢纽是汉江的防洪控制工程,也是南水北调中线工程的水源地,水电站是华中电网重要的调频、调峰和事故备用电站。目前已建成并运用了水库调度与水情自动化预报系统,产生了较大的经济效益,但在洪水资源化和发电兴利方面还没有实现最大效益化;加之南水北调中线工程即将建成运行,枢纽的兴利任务将会发生相应的变化,枯水期恒定持续调水将是面临的新课题。因此,丹江口水库调度与水情自动化预报系统还需要进一步完善。

1 水库调度与水情自动化预报现状

丹江口水利枢纽是国内最早开展水库调度与水情自动化预报系统研究的工程之一。经过10多年的研究开发,目前已建成了丹江口水库调度与水情自动化预报系统。该系统主要由以下部分组成。

(1)洪水预报模型子系统。根据丹江口水库流域水文地理、气象特征,按分块流域分别应用蓄满产流和API等模型,利用地貌瞬时单位线、马斯京根法和合成流量法,研制了考虑上游水利工程影响的入库洪水计算方法,建立了洪水预报模型库,实现了预报残差自适应实时校正技术、实时洪水预报综合修正技术,开发了基于图形界面的实时交互综合修正、模拟降雨预报等交互式标准功能模块。主要有:经验产流洪水预报模型、蓄满产流洪水预报模型、流量合成洪水预报模型、库周区地貌单位线汇流模型、神经网络洪水预报模型。

(2)洪水调度模型子系统。研发了常规经验调度、优化调度、预报预泄调度、闸门控制调度等水库洪水调度模型,建立了丹江口水库洪水调度模型库,实现了模型与经验有机结合的洪水调度决策技术和多阶段多目标调度方案优选技术。用户可依据不同的约束条件生成洪水调度方案,通过人机交互方式,灵活多样、直观方便地实现洪水模拟仿真、多方案优选,为会商决策提供技术支持。主要有:常规经验调度、优化调度、预报预泄调度、闸门控制调度、补偿调度模型。

(3)兴利调度模型子系统。研发了发电优化调度和综合兴利调度等模块,建立了丹江口水库兴利调度模型库;用户可选择不同的边界条件进行年、季、月、旬发电调度计划编制和分析计算,有利于提高电站运行的经济效益。主要有:多种发电、灌溉的常规、优化和交互式调度模型,短、中、长期发电计划编制功能模块。

(4)信息采集传输子系统。开发了基于主动数据库的容错、传递、校正与预警技术,集成洪水调度模型的数据库方法。主要包括水文电报自动接收、翻译、存储,遥测自动收集110个雨量站和56个水文(水位)站的水雨情,超短波、卫星传输信息,自动解码与数据核查、滤错,水雨情动态监视与报警,数据上传、下载等功能模块。

(5)数据库管理及信息服务子系统。应用分布式数据库与主动数据库实现数据库系统、业务系统的无缝集成,统一数据管理与基础资料整编,实现不同层次的数据共享与基于 Internet和 Intranet的信息发布。主要包括水雨情数据处理、水雨情数据查询、水雨情数据报表、数据图形查询等功能模块。

1992年库周边区水情自动遥测系统投入运行,与气象预报系统、水情信息实时处理系统、洪水预报调度系统集成为水库调度自动化系统,2000年,在原有系统的基础上升级为现在的丹江口水库调度决策自动化系统。

该系统功能强、复杂程度高,在水库调度决策集成、开放性和扩展性、以业务为中心的协同工作环境、管理模块等方面具有创新。在流域气象预报、洪水预报方案研制、水库调度模型、数据远程实时传输等方面具有明显特色。经过几年的稳定运行,在防汛和发电等方面已经取得了显著的经济效益和社会效益。多年平均节水增发电量为2.058亿kW◦h。其中,2000年,发生7场洪水,平均洪峰预报精度为91.1%,平均洪量预报精度为 93.9%,水量利用率为91.4%,节水增发电量为 4.469亿 kW◦h。

2 存在的问题

(1)洪水资源最大化。目前,丹江口水利枢纽的调度方式对洪水资源化的利用还不够完善,还没有实现洪水资源最大化。现行的调度方式使水库运行丰枯不均,洪峰来时大流量泄洪,洪峰过后陷入低水位或发电死水位以下,这样既浪费了大量的水资源,也对汉江流域生态环境带来较大的不利影响。分析1998～2007年丹江口水库入库水量、出库水量和弃水量的资料,可以看出,10a间丹江口水库入库水量为 3036.40亿 m3,年均入库水量为 303.64亿m3,但同期泄洪弃水量高达 348.378亿 m3,即有近1 a的汉江水量被白白地浪费掉了。因此,实现丹江口水利枢纽洪水资源最大化非常必要。

(2)发电效益最大化。目前,丹江口水利枢纽发电调度主要是针对枢纽本身,虽然已产生了较大的经济效益,但是,对分布在汉江干支流上且具有相关水文关系的水电站群进行发电联合调度将会产生更大的经济效益。

(3)满足枯水期恒定持续调水。目前,丹江口水利枢纽主要是进行防洪调度和发电调度,南水北调中线工程即将建成运行,枯水期恒定持续调水是面临的新课题,要及早进行研究。

3 完善方案

3.1 水库群洪水资源化自动联合调度

在丹江口水利枢纽上游的汉江干支流上已建成多座梯级水库,包括石泉、安康、喜河、蜀河(2004年11月开工,2010年建成)水电站,规划建设的水电站有孤山子,而且还建有许多小型子水库,在南水北调中线水源区形成了一个庞大的水库群。如果把水源区的水库群作为一个整体系统来进行联合洪水调度,南水北调中线工程就可以发挥巨大的效益,也是对洪水实行资源化管理的最优措施。

另一方面,丹江口水库本身也存在洪水资源化调度优化空间。每当水库大量弃水后,往往第2年库水位就维持在低水位运行。1998～2007年,仅2005年水库最低水位略高于死水位,其他 9 a最低水位均处于死水位以下。从各年度水情曲线的分析来看,除2000年7月22日水库最高水位达到152m外,其他年份均低于150m。在7月20日～8月20日时间段,坝前库水位均低于155 m;在 8月20日～9月 30日时间段,除2003年 9月10日库水位达到156 m外,其余时间段均低于156 m。因此,合理确定汛限水位也是实现洪水资源最大化的有效手段。

对丹江口水利枢纽及上游的水库群实施洪水资源化联合调度,就是对水源区内与丹江口水库有水文关系的水库,在不降低水库防洪标准的前提下,综合运用现代控制论、运筹学、决策理论和系统工程等优化理论,结合现代气象、水文预报,以基于数学规划论的动态规划或随机动态规划法,通过择优计算编制水库优化调度图及优化调度方案,使水源区的水库群在保持一定安全度的前提下,通过在时空上合理分配水量,将绝大部分洪水,以丹江口水利枢纽为中心,合理地分配拦蓄在各个水库中,以达到防洪错峰、尽可能扩大蓄水兴利之目的。

而在水源区,由于区域面积较大,干流河段距离较长,使得水库群中的各水库发生洪水的同步程度和传播时间存在差异,为水源区的水库群联合调洪,提高下游地区防洪能力和实现洪水资源最大化提供了可能条件。应以具有最大库容的丹江口水利枢纽为中心进行水源区水库群洪水资源化联合调度。

在丹江口水利枢纽初期工程运行期间,干流梯级水库间的洪水联合调度运用得不多,但与支流上黄龙滩子水库联合调度次数较多,且效果也不错。

水源区水库群洪水资源化联合调度不等同于水库防洪调度,它不是被动地防御洪水,而是兼顾防洪和兴利效益,利用现代科技手段,突破设计中的部分防洪调度参数和规则,将防洪和兴利相结合进行调度。不降低水库原有的防洪标准、弃水最少,是评价水库群洪水资源化联合调度是否可行的唯一准则。

3.2 枯水期供水自动化联合调度

水源区供水联合调度是指当丹江口水库的水位不能满足调水要求时,需要从上游水库群进行联合调水,以满足丹江口水库的调水需要。供水联合调度一般仅发生在枯水期,故也可称为枯水期供水联合调度。中线调水是丹江口水利枢纽承担的一项重要任务,尽力满足北方的供水需求,特别是在北方正值缺水的枯水期,是实施枯水期联合调度的目的。

联合调水应在上游水库能够满足当地供水的条件下进行,同时还应考虑水库中的水量和近期的降水情况。

3.3 发电联合优化调度

发电联合调度是在丹江口水库满足防洪和供水的情况下进行。已知各水库的入流过程及综合利用要求,以及水库承担的兴利任务与调度规则,有计划地对天然汇入各水库的流量进行蓄泄,制定出水电站及其水库优化运行调度计划。

水库群发电自动联合调度分为长、中、短期调度。长期调度是将较长时期(1 a)的有限输入优化分配到较短时段(月或旬);中期调度是以日为时段,制定未来一段时期内的发电计划;短期调度是根据中期运行调度,结合电网的实际负荷需求,制定日内各计算时段(1 h或15 min)电站的预计出力。

确定网内水电站群在全年各时段的优化运行策略(或优化运行方式),要统一考虑水电站水库彼此间的水力联系和电力联系;利用各水库调节性能差异和水文不同步性进行库容和电力补偿调节,以充分发挥库群的总体效益;以水源区电站群多年运行的总效益(总发电量或总电力产值)最大为优化目标;必须满足电网对水电站群运行的经济性与可靠性要求;进行电力系统日负荷图上的电力电量平衡,以保证每座电站的工作容量能得到充分利用;采用“分解协调法”、按“偏优损失最小”原则确定每座水电站水库的时段运行决策;由于水源区水库群中水库数量较多,联合调度优化时,可采用随机优化多维时空相关理论和余留效益统计迭代模型与算法进行求解,并绘制水电站群的优化调度图。

寻求在满足电力系统给定总负荷及其他约束条件下的梯级电站群整体最优联合调度,要考虑各梯级电站间的水头、流量具有密切联系的特点;计入上下级电站区间径流的补充或扣损以及水流传播时间;分析两相邻梯级电站间水头衔接程度和下一级库水位波动对上一级电站水头变化的影响(这种情况在丹江口水利枢纽二期工程后比较常见);以全梯级电站年发电量最多或总体电能价值最大为优化目标;充分利用短、中、长期水文、气象预报,选择库容最大、调节性能最好的“龙头电站”作为补偿水库,并列为重点优化计算目标;处于同一条河流、同一电网且数目较多的梯级电站,可采取当作一个纯水电系统,把求解目标化简或合并水头的方法处理;采用计入径流的时间、空间相关关系,建立优化调度数学模型,应用随机动态规划、增量动态规划或多层次、多目标规划法求解,得出各时段梯级电站整体最优运行方式;库群联合优化调度,其增发电效益比单站独立调度更为显著。