尼尔基丰满水库联合调度研究

2013-08-21高海菊

东北水利水电 2013年7期

高海菊，陈娟，曲洋

（水利部松辽水利委员会，吉林长春 130021）

1 基本概况

1.1 工程概况

1）尼尔基水库。尼尔基水利枢纽位于嫩江干流中游，扼嫩江由山区丘陵地带流入广阔的松嫩平原的咽喉，控制流域面积为6.64万km2，占嫩江流域面积的22.4%，多年平均径流量为115亿m3，占嫩江流域多年平均径流量的45.7%。坝址右岸为内蒙古自治区莫力达瓦达斡尔族自治旗尼尔基镇，左岸为黑龙江省讷河市二克浅乡，下距工业重镇齐齐哈尔市公路里程约189 km。尼尔基水利枢纽是一座具有多年调节性能的大型综合利用水利枢纽工程。工程建设任务以防洪、城镇生活和工农业供水为主，结合发电，兼有改善下游航运及水生态环境，并为松辽流域水资源的优化配置创造条件。水库于2000年开工建设，2010年全面竣工，并开始发挥效益。水库总库容86.10亿m3，其中防洪库容23.68亿m3，兴利库容59.68亿m3，电站共装机4台，总装机容量为25万kW。

2）丰满水库。丰满水库位于吉林市东南24 km，距第二松花江河口400 km，控制流域面积4.25万km2，占第二松花江流域的55%，占哈尔滨以上松花江流域的14%。丰满水库始建于1937年，经过20世纪50年代以来的改造、扩建，已建成以发电、防洪并重，兼有灌溉、航运、养殖、旅游等多功能的水利枢纽工程。水库总库容109.88亿m3，其中兴利库容64.75亿m3，死库容27.58亿m3。丰满发电厂是东北电力系统主力电厂之一，总装机12台、容量100.4万kW。

1.2 综合利用要求

1）尼尔基水库。按照现行的调度运用方式，尼尔基水库主要是为水库下游灌区和城镇生活供水，承担着齐齐哈尔50年一遇提高到100年一遇、尼尔基至齐齐哈尔市两岸20年一遇提高到50年一遇，齐齐哈尔市以下两岸35年一遇提高到50年一遇的防洪任务，结合发电，兼顾下游河道环境用水和航运用水。尼尔基水电站装机250 MW，主要向东北电网供电，地理位置适中，可适当承担电网调峰运行。按规划要求尼尔基水利枢纽建成后，松花江干流哈尔滨断面保证率P=90%的通航流量提高到550 m3/s，结合松花江航道整治，满足松花江干流Ⅲ级航道的通航标准。尼尔基水利枢纽建成后，水库放流应使齐齐哈尔江段流量不小于35 m3/s，哈尔滨江段流量不小于250 m3/s。

2）丰满水库。丰满水库原以发电为主，现为发电、防洪并重，兼有灌溉、城市及工业用水、养殖和旅游等综合利用的大型水电站，承担着吉林市、松原市100年一遇和二松50年一遇的防洪任务，担负着东北电网的调峰及长春市引水（引松入长）11 m3/s和吉林市及环境用水150 m3/s，春灌季节不小于361 m3/s（含长春市用水）的任务。

1.3 项目研究的必要性

随着松花江流域经济社会的快速发展和人民生活水平的不断提高，用水矛盾越来越突出。尼尔基、丰满水库分别为嫩江和第二松花江流域的控制性骨干工程，承担着嫩江和第二松花江及松花江干流的防洪、航运、生态环境、供水等各项任务，对于解决或缓解流域各业争水矛盾起着举足轻重的作用。为充分发挥尼尔基、丰满水库的联合调蓄和相互补偿作用，通过合理调节和优化调度嫩江、第二松花江径流过程，提高水库联合运用总体效益（供水、发电与航运、生态环境），对于解决河流来水与用水之间的矛盾、兴利与防洪之间的矛盾、河道内与河道外之间的竞争性用水矛盾，以及缓解供水与发电、航运和生态环境保护之间的矛盾等，均具有十分重要的现实意义。因此，利用当代的理念和先进的理论方法，重点研究和探讨尼尔基、丰满水库的联合调度是十分必要的。

1.4 基本原则

1）坚持“安全第一、统筹兼顾”的原则，在保证水库工程安全、服从防洪总体安排的前提下，协调防洪、兴利等任务及社会经济各用水部门的关系，发挥水库的综合利用效益。

2）水库调度应采用成熟可靠的技术和手段，研究优化调度方案，提高水库调度的科学技术水平。

3）坚持以水库调度任务和要求为依据，分析确定水库调度原则。

4）坚持以原有设计参数、指标为准。

5）充分利用水头和水量，提高水量利用率。

6）丰水期尽量安排多用多发，减少弃水；枯水期防止多用超发，控制水库水位不低于死水位以下运行。

7）汛期应严格执行规定的防洪限制水位，控制水库低于防洪限制水位运行。

8）坚持先上游后下游、先生活后生产以及水量平衡的原则。

各分区余缺水量=区间径流总量-城市农村生活用水-工业用水-农业灌溉用水-湿地用水区间

径流总量=本区径流量+上区入境水量+支流入境

水量上区入境水量=上区余水量+上区回归水量

9）采用补偿供水原则。尼尔基水库采用补偿供水方式为下游供水，补偿供水区间为尼尔基至塔哈、塔哈至江桥、江桥至白沙滩、白沙滩至三岔河、三岔河至哈尔滨5个水资源四级区。支流的余水汇入到相应的干流区间，支流缺水干流不补。

2 主要成果

下文以2020年水平年为例阐述尼尔基、丰满水库联合调度主要成果。

2.1 调度运行原则

2020年尼尔基水库以供水为主，丰满水库以发电为主，可以满足流域河道内外的用水要求。经反复的计算及分析研究，提出了满足下游用水需求的水库调度运行原则，考虑到丰满水库原有调度原则已不适应目前的水文情势，联合调度报告按照45年长系列（1956—2000年）径流资料重新调算后得到。

2.1.1 尼尔基水库

尼尔基水利枢纽是以防洪、供水为主，结合发电的水库，汛期兴利调度服从防洪调度，在汛期控制水库水位不超过汛限水位213.37 m运行；4至10月为补偿供水期，水库以补偿供水为主，结合发电；11至翌年3月为发电供水期，水库合理控制水库蓄水位，根据保证出力要求适当调整出力进行放流发电。根据上述原则，对45年径流系列进行排频，选取P=95%，75%左右的年份若干个，并依据拟定的各级放流目标，推求各行业供水的初步调度线，采用45年径流系列对水库进行调节计算，对初步调度线进行修正，调度图见图1。

调度图执行原则：1）水库月初水位在S4供水限制线以上。供水期按M4供水目标放流；发电期按出力为1.8万kW运行。2）水库月初水位在S3供水限制线以上，S4供水限制线以下：供水期按M3供水目标放流；发电期按出力为1.8万kW运行。3）水库月初水位在S2供水限制线以上，S3供水限制线以下。供水期按M2供水目标放流；发电期按出力为1.8万kW运行。4）水库月初水位在S1供水限制线以上，S2供水限制线以下。供水期按M1供水目标放流；发电期按出力为1.8万kW运行。5）水库月初水位在S1供水限制线以下。供水期按M0供水目标放流；发电期按出力为1.26万kW运行。2020年水平年尼尔基水库放流目标汇总见表1。

图1 尼尔基水库2020水平年调度图

表1 2020年水平年尼尔基水库放流目标 m3/s

2.1.2 丰满水库

2020年，丰满水库采用以发电为主的调度运行原则，此时电站保证出力为15.30万kW，保证率为90%，破坏出力9.03万kW。丰满水库调度图见图2，电力调度线见表2。

调度图执行原则：1）水库月初水位在保证出力线以上，按保证出力（15.30万kW）运行。2）水库月初水位在保证出力线以下，按0.59倍保证出力（9.03万kW）运行。

2.2 水库运行特性

2.2.1 尼尔基水库

1）水库调节流量。尼尔基水库入库径流丰枯变化较大，在45年逐月径流中，最小月平均入库流量为2.32 m3/s，最大入库流量为2 940.79 m3/s，经水库调节后，月平均最大出库流量为2 933.80 m3/s。水库多年平均补偿供水期放流量98.04亿m3，发电供水期放流量9.06亿m3。

2）出力。从电站45年逐时段出力过程线可以看出，保证出力为1.80万kW；保证程度为90%。

3）发电量。电站多年平均发电量为5.85×108kW·h，多年平均装机利用小时数为2 339 h。在45年中，以1975年发电量1.62×108kW·h为最小，年利用小时数为646 h，以1998年发电量9.43×108kW·h为最大，年利用小时数为3 773 h。

表2 2020水平年丰满水库电力调度线 m

图2 丰满水库2020水平年调度图

4）水头。电站多年平均水头为25.75 m，最大运行水头为33.40 m，最小运行水头为10.03 m，均在原设计水头参数范围内。

5）弃水量及水量利用系数。尼尔基水电站在45年长系列调算时，有12个月产生弃水，平均年弃水量为4.85×108m3，水量利用系数为95.53%。

2.2.2 丰满水库

1）水库调节流量。丰满水库入库径流丰枯变化较大，在45年逐月径流中，最小月平均入库流量为72.85 m3/s，最大入库流量为1 543.75 m3/s，经水库调节后，月平均最大出库流量为1 538.05 m3/s。

2）出力。从电站45年逐时段出力过程线可以看出，保证出力为15.30万kW，保证程度为90%。

3）发电量。电站多年平均发电量为17.17×108kW·h，多年平均装机利用小时数为1 717 h。在45年中，以1979年发电量7.60×108kW·h为最小，以1986年发电量31.76×108kW·h为最大。

4）水头。电站多年平均水头为62.83 m，最大运行水头为68.09 m，最小运行水头为47.31 m，均在原设计水头参数范围内。

5）弃水量及水量利用系数。丰满水电站在45年长系列调算时，没有产生弃水，水量利用系数为100%。

3 理论创新

一般常规水库采用直供的方式向水库用水户供水，目标单一，水库的供水过程线比较容易推算，若用水户没有其他供水水源，那么用水户的需水量过程线就是水库的供水过程线。然而，尼尔基水库采用补偿供水方式向下游供水，供水半径较长，一直延伸至哈尔滨，且该区域内降水空间分布不均，水库汇水区与供水区的丰枯特性不一致，这些都给水库的调度带来了不利影响。另外，枢纽补偿供水区域水系发达，有多条支流汇入，水库不是唯一供水水源，因此水库调度图的编制还需进行嫩江各支流以及第二松花江的供需平衡计算，这也是本次调度工作的一大难点，与常规水库调度图编制存在较大差异。

鉴于上述情况，课题组研究讨论后采取了下面方法加以解决。

3.1 合理选择控制点

在进行水库兴利调度图编制过程时将传统方法进行了拓展，采用试算逐步逼近的计算方法。1）假设几条水位控制线，控制线的条数因“库”而异，水库供需矛盾突出，控制线需要多些，否则，控制线少些，并确定控制线分割区域的放流目标。本文直接采用尼尔基水库初步设计时的调度线为初始调度线，目的在于检验原有调度图的适用性。2）根据假定的控制线进行长系列径流调算，并依据下游各用水户需求的满足状况，对调度线进行调整。该步骤比较繁琐，需要逐月寻找控制点。3）调整完后再进行长系列调算，重复上面的步骤，直到满足下游用水需求为止。如果始终不能满足用水需求，有可能需求过大，已超出了该水库的调节供水能力。

3.2 逐月调整调度图

在进行逐月修正时，按放流目标由大到小的顺序，依照以下原则逐步修正：选择按照某级放流目标放流的所有年份，然后分析该级目标下是否有缺水情况：若有，则需增加该级放流目标的值；若无，则应分析该级放流目标的数值是否偏大。通过对比分析分区内各年应放流值的差值，判断是否需增加水位控制点。综合考虑以上情况给出合理的放流目标及水位控制点，并依此进行水库的兴利调节计算，根据计算结果再调整放流目标及水位控制点，直到满足要求为止。

综上所述，根据长系列径流调算结果选择控制点，与采用典型年的方法相比，更加容易收敛，控制点的选取更有针对性，放流目标的确定比较简便。

4 效果评价

1）有利于保障下游各业用水要求。嫩江、第二松花江流域在松辽流域的经济地位显著，区域内有黑龙江省的哈大齐工业走廊，吉林省长吉图经济区中的长春、吉林经济圈，广阔的松嫩平原也分布在该区域。但是区域内降水时空分布不均，与下游用水过程不符，供用水保证率偏低，亟需大型调节工程对当地水资源进行合理调度，提高水资源利用效率。尼尔基水库和丰满水库实行联合调度为下游城市群发展以及社会各界用水提供了有力保障。

2）有利于保护河流水生态环境。尼尔基水库、丰满水库均承担下游河段生态环境流量的要求，枢纽可根据河道内生态环境需水量进行水资源配置，保证河流生态所需的下泄水量，改善河流生态环境状况，恢复河流系统的生态功能。

3）有利于实现水资源优化配置。该区域水资源的天然时空分布与生产力布局不相适应，地区间和用水部门间争水现象比较突出，尼尔基、丰满联合调度给该区域水资源优化配置，提供了便利条件。

4）有利于提高下游防洪减灾能力。蓄水工程利用防洪库容拦蓄洪水，削减进入下游河道的洪峰流量，达到减免洪水灾害的目的。尼尔基、丰满水库联合调度可以实现流域间错峰放流，提高了下游防洪标准，特别减轻了下游哈尔滨市的防洪压力。

5）有利于提高下游河段通航能力。随着区域内社会经济的快速发展，河道内、河道外争水现象越来越突出，经济社会常常挤占河道内用水，航运用水保证率比较低，不能满足通航要求。尼尔基水库、丰满水库共同承担起松花江干流三岔河口以下河段的通航任务，联合调度后实现了两个流域间水量的互补，哈尔滨以下河段通航保证率可以达到90%，满足了航运的要求。

6）有利于保障国家粮食安全。东北地区承担新增150.5亿kg粮食生产能力的任务，松嫩平原是流域内主要的粮食增产区之一。产区通过北部引嫩、中部引嫩、南部引嫩、大安灌区引水、引嫩入白以及哈达山水利枢纽引水等工程从嫩江、第二松花江干流引水。尼尔基水库、丰满水库联合调度后，减轻了河道内与河道外用水的矛盾，为上述引水工程创造了更加有力的引水条件，确保了松嫩平原粮食主产区供水安全，保障了本地区粮食安全。