调水背景下丹江口水库优化调度与效益分析

王若晨, 欧阳硕

(1.汉江水利水电(集团)有限责任公司 水库调度中心，武汉 430048; 2.长江水利委员会 水文局，武汉 430010)

调水背景下丹江口水库优化调度与效益分析

王若晨1, 欧阳硕2

(1.汉江水利水电(集团)有限责任公司 水库调度中心，武汉 430048; 2.长江水利委员会 水文局，武汉 430010)

针对南水北调中线一期工程建成调水这一新常态下丹江口水库调度问题，从丹江口水库蓄水、供水、发电等不同运行任务出发，通过设定弃水最小化、发电量最大化调度目标函数和不同供水调度情景，建立了丹江口水库优化调度模型，构建满足丹江口水库调度运行方式的求解空间，采用1956—2015年丹江口天然入库径流系列，运用较成熟的动态规划优化算法对丹江口优化调度进行模拟，研究水源地枢纽丹江口水库不同调度目标函数和运行方式对下游区域水文情势和供需水平衡的影响，试图为提出可权衡汉江流域多方用水需求的丹江口调度运行方式提供基础支撑。结果表明：考虑南水北调中线一期工程引水后，采用丹江口优化调度方案的下泄水量>272亿m3，能够满足下游基础供水需求。

南水北调中线工程；丹江口水库；调度方案；供水调度；目标函数

1 研究背景

南水北调中线工程是目前我国工程量最浩大的跨流域调水工程。自2014年12月27日南水北调中线工程正式通水后，丹江口水库除承担中下游农村、城镇生产、生活及生态用水外，还需兼顾北方京津冀等地区用水需求。加之汉江流域大规模水资源的开发利用改变了天然水文情势，必将产生流域外调水与流域内用水的矛盾、流域内上下游间的蓄泄矛盾等。

水库优化调度一直是流域水资源优化配置的重要组成部分，国内外学者从防洪[1-2]、发电[3-4]、供水[5-7]、生态[8-10]等多个方面对水库优化调度理论方法和综合效益开展了大量研究。针对丹江口水库调度问题，研究人员开展了丰富的研究，取得了较为丰富的研究成果。2010年，王本德等[11]针对丹江口水库降雨预报存在的漏报风险问题，基于贝叶斯理论，提出了利用分级预报信息的防洪优化调度准则；刘勇等[12]针对丹江口库区径流预报中物理成因考虑较少的问题，利用主成分分析法研究前期气象因子与水库秋汛期入库径流过程的相关关系，以大气环流因子、海温因子等气象物理信息和前期降雨、径流等水文信息作为预报因子集，建立了3层BP神经网络预报模型。2012年，胡军等[13]在满足防洪、灌溉、航运等综合利用要求的条件下，以发电量最大为目标，建立了丹江口水库优化调度模型。2015年，杨光等[14]考虑未来径流变化对水库调度的影响，建立了考虑未来径流变化的丹江口多目标优化调度模型，模拟得出兼顾丹江口水库供水和发电的多目标调度规则。

目前研究多集中在丹江口水库水文预报[11-12]、 供水发电[14]、 防洪[15]、 生态环境[16]及水土流失[17]等方面， 较少定量研究南水北调中线工程一期建成调水后， 丹江口水库多调度任务间关系变化规律， 未能量化分析南水北调中线工程调水对丹江口水库运行方式的影响。 因此， 南水北调中线工程调水新形势下丹江口水库优化调度研究成为流域水资源优化配置领域的热点和难点问题之一。 为探索南水北调中线工程调水条件下丹江口水库运行方式， 本文通过设定弃水最小、 发电量最大调度目标函数和不同的调度情景， 建立了丹江口水库优化调度模型， 采用1956—2015年丹江口入库旬径流系列， 对丹江口优化调度进行模拟，尝试找到可权衡南水北调调水和中下游供水等供水需求及防洪、 蓄水和发电等任务的丹江口调度运行方式， 有效缓解南水北调中线工程调水对水源地下游区域的影响。

2 水库调度模型

为从不同角度分析南水北调中线工程调水条件下丹江口水库运行方式对流域外调水、中下游的供水及水库自身蓄水的影响，本文选取适应不同情景阶段的发电量最大、弃水最小2个目标函数，建立了考虑南水北调中线工程调水的丹江口水库调度模型。

2.1 目标函数

2.1.1 弃水最小(Obj1)

以丹江口水库弃水最小为主要优化目标，充分利用流域水资源。其具体表述为

(1)

式中：Qt,d表示水库t时段的弃水流量；Wd为弃水水量；Δt为调度时段步长；T为总时段数。

2.1.2 发电量最大(Obj2)

丹江口水库发电量最大为主要优化目标，其具体表述为

(2)

式中：Nt表示水库t时段的出力；P为调度期总发电量。

2.2 约束条件

上述模型约束条件如下：

(1) 库容(水位)上下限约束为

Zt,min≤Zt≤Zt,max， (t=1,2,…,T) 。

(3)

式中：Zt,min，Zt,max，Zt分别为水库t时段允许的最低水位、最高水位及面临时段水位。

(2) 水库水量平衡约束为

Vt=Vt-1+(It-Qt-St)Δt 。

(4)

式中：Vt，It，Qt分别为调度期水库t时段的水库库容、入库流量、出库流量；St为调水工程的引水流量。

(3) 水库电站出力约束为

Pmin,t≤Pt≤Pmax,t。

(5)

式中：Pt为水库电站t时段平均出力；Pmax,t，Pmin,t分别为电站总出力最大值、最小值。

(4) 水库下泄能力约束为

Qout,t≤Qmax(Zt) 。

(6)

式中：Qout,t为调度期水库在t时段的下泄流量；Qmax(Zt)为对应水位Zt下的该水库最大下泄能力。

(5) 出库流量约束为：

Qout,t≥Qmin；

(7)

(8)

式中：Qmin为调度期水库的最小下泄流量，需综合考虑下游供水、生态、航运用水等需求来确定；ΔQ为对应水库日下泄流量最大变幅；Qout,t-1为调度期水库t-1时段的下泄流量。

(6) 满足水库防洪调度规程要求及流域防洪标准。

3 南水北调中线工程调水方案

根据2014年国务院审批同意的《南水北调中线一期工程水量调度方案》[18]，南水北调中线总干渠从丹江口水库陶岔引水，采用专用渠道输水到河南、河北、北京、天津等受水区。全线除北京境内有加压泵站外为自流输水，通过总干渠上的节制闸和分水口门(分水闸)进行输水和分水控制，为保证输水工程安全，不得随意利用退水闸分水。中线总干渠主要监测断面包括陶岔、刁河、方城草墩河、黄河北岸、漳河北岸、岗头隧洞、北拒马河、王庆坨(河北天津界)，其主要指标见表1。

表1 主要监测断面设计流量及设计水位指标

Table 1 Design discharges and design water levels of monitored sections

监测断面名称位置设计流量/(m3·s-1)加大流量/(m3·s-1)设计水位/m陶岔陶岔闸后350420147．38刁河刁河渡槽进口节制闸350420146．80方城草墩河草墩河进口节制闸330400136．04黄河北岸穿黄出口节制闸265320111．93漳河北岸漳河出口节制闸23526591．87岗头隧洞岗头隧洞进口节制闸12515065．99北拒马河北拒马河暗渠进口节制闸506060．73王庆坨(河北天津界)王庆坨连接井进口闸50605．11

4 实例分析

4.1 丹江口水库调度运行方式

丹江口大坝加高后，水库综合利用主要任务为防洪、供水(含灌溉)、发电、航运等。由于丹江口水库调度规程尚未编制完成，本文根据2014年国务院批复的《南水北调中线一期工程水量调度方案》[18]进行分析，考虑南水北调中线一期工程影响的陶岔渠首多年平均引水95亿m3；结合2015年批复的鄂北水资源配置工程，清泉沟渠首多年平均引水13.98亿m3(包含引丹灌区6.28亿m3和鄂北水资源配置工程7.7亿m3)。在满足汉江中下游用水需求的条件下，按丹江口水库来水和库水位，结合受水区需调水量，提出丹江口水库防洪及供水方案，按丹江口水库水位高低，进行分区调度。丹江口水库运行水位：正常蓄水位170 m；汛期限制水位，在夏季(6月21日至8月20日)为160 m，在秋季(9月1日至9月30日)为163.5 m；死水位150 m；极限消落水位145 m。

丹江口水库运行具体供水调度方案：按库水位高低，分区调度。

4.1.1 供水调度线

调度线分别为：① 正常蓄水位线；② 防洪限制水位线；③ 降低供水线1；④ 降低供水线2；⑤ 限制供水线；⑥ 极限消落水位线。6条调度线月初水位值见表2。

表2 丹江口水库调度线月初水位值

Table 2 Processes of water level scheduling lines of Danjiangkou reservoir in the beginning of each month

序号调度线不同月份的月初水位值/m5月6月7月8月9月10月11月12月翌年1月翌年2月翌年3月翌年4月1正常蓄水位线170170170170170．0170．0170170170170170170．02防洪限制水位线170164160160163．5163．5170170170170170170．03降低供水线1156156156159161．4163．5168168168168165160．54降低供水线2155155155155156．0161．0163163163161158155．05限制供水线148148150152152．0152．0152152152152152151．06极限消落水位线145145145145145．0145．0145145145145145145．0

4.1.2 供水调度区

供水区分为4种情况，分述如下。

(1) 加大供水区。当丹江口水库坝前水位在防洪限制水位线之上时，陶岔渠首按不大于最大过水能力(420 m3/s)供水，清泉沟包含2个引水工程，采用按需引水(多年平均供水不超过(6.28+7.7)亿m3)。

(2) 保证供水区。当丹江口水库坝前水位在防洪限制水位线与降低供水线1之间时，陶岔渠首按不大于设计流量(350 m3/s)供水，清泉沟按需引水(多年平均供水不超过(6.28+7.7)亿m3)。

(3) 降低供水区。当丹江口水库坝前水位在降低供水线1与限制供水线之间时，陶岔渠首和清泉沟引水总量分别不能超过300 m3/s(坝前水位>163 m)和260 m3/s(坝前水位<163 m)。

(4) 限制供水区。当丹江口水库坝前水位在限制供水线与极限消落水位线之间时，陶岔渠首和清泉沟引水总量不超过135 m3/s。

此外，供水调度区存在1个最小下泄流量。为保证中下游供水、生态和航运需水，一般情况下丹江口下泄流量≥490 m3/s，但当丹江口水库的水位在147～150 m，来水流量<350 m3/s时，下泄流量≥400 m3/s。

4.2 调度结果比较与分析

以建立的水库调度模型为基础，构建满足丹江口水库调度运行方式的DP求解空间，选取1956—2015年长系列入库旬径流资料，运用DP优化算法[19-20]仿真模拟，并设置丹江口大坝加高后无南水北调中线一期工程调水(情景1)和考虑南水北调调水(情景2)的2种丹江口调度情景，制定了相应情景下不同调度目标函数的优化调度方案，并对其流域水资源配置效益进行对比分析，模拟调度结果如表3所示。

表3 不同调度情景下丹江口调度结果对比分析

Table 3 Comparison of the water dispatching of Danjiangkou Reservoir under different scenarios

情景编号目标函数发电量/亿kW·h发电用水量/亿m3弃水量/亿m3下泄水量/亿m3调水量/亿m3陶岔清泉沟1Obj144．85276．487．7364．13013．971Obj245．44276．288．1364．28013．822Obj138．44240．332．1272．4792．4913．142Obj245．51293．637．7331．3039．797．01

由表3可知，不考虑南水北调引水的影响(情景1)，弃水量最小和发电量最大目标下，丹江口多年平均下泄水量分别为364.13,364.28亿m3，多年平均弃水量分别为87.7,88.1亿m3，多年平均发电量分别为44.85,45.44亿kW·h；而考虑南水北调引水的影响(情景2)，弃水量最小和发电量最大目标下，丹江口多年平均下泄水量分别为272.47，331.30亿m3，多年平均弃水量分别为32.1，37.7亿m3，多年平均发电量分别为38.44，45.51亿kW·h。相比情景1，情景2的弃水量最小调度方案，丹江口多年平均下泄水量减少91.66亿m3，减少了丹江口下游地区水资源量；另一方面，南水北调引水有效地缓解了北方水资源短缺问题，且丹江口多年平均弃水量减少了55.6亿m3，提高了流域水资源利用率。

此外情景2条件下，发电量最大调度方案下的陶岔多年平均调水量仅39.79亿m3，不能满足调水需求，且弃水较大，相比弃水量最小调度方案，可行性和合理性较差。

丹江口优化调度的水位、流量(包含电站发电用水、南水北调供水、清泉沟引水和弃水)过程如图1所示。

图1 丹江口供水优化调度的流量和水位过程Fig.1 Water level and discharge processes of the scheduling of Danjiangkou Reservoir under different scenarios

综合表3和图1可知：由于北方水资源短缺问题严重，南水北调中线一期工程引水量较大，对丹江口供水、发电等综合效益均具有明显的影响。在考虑南水北调中线一期工程调水的条件下按弃水最小目标函数计算，丹江口调度方案发电量等受到影响较小，减少了约14%；而主要供水任务中，丹江口下泄水量受到影响大，减少91.66亿m3，约占下游供水总量的24%。根据《汉江干流综合规划报告》[21]，2020水平年，汉江流域本流域用水的需水量约为201亿m3，丹江口水库下游皇庄最小控制下泄流量为500 m3/s，丹江口中下游河道外用水需供水量约103亿m3，河道内生态基流约为174亿m3，考虑南水北调中线一期工程引水后，丹江口供水优化调度方案的下泄水量>272亿m3，能够满足下游基础供水需求。

此外，表4给出了2个调度情景下丹江口弃水量最小调度方案多年平均逐月弃水流量过程。由表4可以看出，相比南水北调调度前，情景2弃水减少量主要集中在汛期，约为50%；尽管南水北调引水方案在一定程度上提高了流域水资源利用率，但是由于要满足汛期安全的需要，丹江口水库主汛期水位维持在160 m以下，考虑南水北调供水调度主要根据丹江口坝前水位进行调水调节，低水位条件下无法充分利用汛期洪水资源，仍存在较大的弃水量。

表4 不同调度情景下丹江口弃水量最小调度方案多年平均弃水过程对比分析

Table 4 Comparison of the process of mean abandoned water flow of Danjiangkou Reservoir with the objective of minimum abandoned water flow under different scenarios

情景不同月份的弃水量/亿m31月2月3月4月5月6月7月8月9月10月11月12月100002052114465320299380020000472502441862342200差值0000158064221134651600

因此，根据上述模拟仿真结果可知，可以考虑对丹江口供水调度分调度期采取不同的水位控制措施。依据陶岔渠首引水能力，在汛期(5—10月份)水位约束条件下，考虑短期预报在汛期的中小洪水应用，水位贴近汛期防洪限制水位运行，加大陶岔渠首引水流量；在枯水期(11月份—翌年4月份)，丹江口应维持相对高水位运行，根据下游基础供水需求，减小陶岔渠首引水流量，控制水库运行水位。

5 结 论

本文针对丹江口大坝加高后水库主要调度任务调整，在满足汉江中下游用水需求条件下，考虑受水区需调水量，建立了弃水最小、发电量最大等不同调度目标下丹江口水库调度模型，对丹江口优化调度进行模拟，为制定满足多方需求的丹江口调度运行方式提供基础支撑。模拟结果表明：

(1) 考虑南水北调中线一期工程引水后，丹江口调度方案发电量等次要任务受到影响较小，但丹江口下泄水量受到影响较大，采用弃水量最小调度方案时，下泄水量减少近100亿m3。

(2) 丹江口供水调度方案的下泄水量>272亿m3，能够满足下游基础性的供水需求。

然而，尽管对满足中下游基础性用水需求影响较小，但南水北调中线一期工程引水对丹江口水利枢纽综合效益及汉江流域水资源配置影响较大，减少了汉江中下游近1/3的地表水资源量，对汉江流域水资源配置和汉江中下游生态环境的影响较大；加之远期汉江上游引汉济渭工程投运，将进一步跨流域引调汉江上游水资源，因此亟需深入研究跨流域调水模式下满足防洪、供水需求、兼顾发电、航运等效益的丹江口水库综合调度模式。

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(编辑：占学军)

Benefit Analysis and Optimal Scheduling of Danjiangkou Reservoir inthe Presence of the South-to-north Water Transfer Project

WANG Ruo-chen1, OUYANG Shuo2

(1.Reservoir Dispatching Center, Hanjiang Group，Wuhan 430048, China; 2.Bureau of Hydrology, Changjiang Water Resources Commission, Wuhan 430010, China)

As the first-stage project of the south-to-north water transfer project has been built, the scheduling of Danjiangkou reservoir has become an important issue. The aim of this research is to provide basic support for the scheduling which could make a trade-off among multiple users in the Hanjiang river basin. In the light of storage, water supply, and power generation tasks, a scheduling model for Danjiangkou Reservoir was built through setting objective functions (minimum abandoned water flow and maximum power generation) and water supply dispatching scenarios (in the presence and in the absence of the south-to-north water transfer project). The solution space which meets the dispatching operation mode of Danjiangkou reservoir was constructed. Dynamic programming algorithm and natural incoming runoff series of Danjiangkou between 1956 and 2015 were used for the simulation. The influences of objective function and operation mode on the water regime and water balance in the downstream were analyzed. Results show that in the presence of the first stage of middle route south-to-north water transfer project, the discharge of Danjiangkou reservoir’s optimization scheduling is more than 27.2 billion m3, which could meet the water demands in the lower reach of Hanjiang River.

middle route of south-to-north water transfer project; Danjiangkou reservoir; operation scheme; water supply regulation; objective function

2016-09-05;

2016-10-02

国家自然科学基金青年基金项目(51609007)

王若晨(1987-)，男，江苏常州人，工程师，硕士, 长期主要从事梯级水库群联合调度研究，(电话)18612441752(电子信箱)ruochen_wang@126.com。

10.11988/ckyyb.20160900

2016,33(12):17-21

TV121

A

1001-5485(2016)12-0017-05