基于确定性预报基础上的喜河水库中小洪水预泄调度研究与应用

但其宝，张 伟，陈光辉

（陕西汉江投资开发有限公司喜河水力发电厂，陕西 石泉，725271）

1 工程概况

石泉水库位于陕西省石泉县县城上游1 km处，建成于20世纪70年代末，坝址以上控制流域面积为23 400 km2，多年平均流量342 m3/s，水库设计多年平均年径流量108亿m3。水库正常蓄水位410 m，相应库容为2.738亿m3；死水位400 m，相应库容为1.075亿m3；极限死水位393 m，相应库容为0.544亿m3；防洪限制水位405 m。电站调节性能为季调节，安装5台45 MW水轮发电机组，年利用小时3 507 h。石泉机组工作水头为47.5～26.0 m，平均水头42.0 m，设计水头39.0 m；发电引用流量分别为：单机最大发电流量138.5 m3/s，5台机全开最大发电流量677.5 m3/s。石泉水库属二等大（Ⅱ）型工程，水库按重现期100年洪水设计，相应洪峰流量21 500 m3/s（最大下泄流量20 050 m3/s），重现期500年洪水校核，相应洪峰流量26 400 m3/s（最大下泄流量24 150 m3/s）。

喜河水库位于石泉水库下游42.3 km处，为汉江在陕西境内梯级开发的第三级，2006年投产发电。坝址以上控制流域面积为25 207 km2，多年平均流量361 m3/s，多年平均年径流量113.8亿m3。水库总库容2.29亿m3，水库正常蓄水位362 m，相应库容1.671亿m3；死水位360 m，主汛期防洪限制水位361 m，次汛期防洪限制水位362 m。电站调节性能为日调节，安装3台60 MW水轮发电机组，年利用小时2710h。喜河机组工作水头为32.5～13.0m；额定水头25.0 m；最大发电引用流量（3台机满发）855 m3/s。喜河水库属二等大（Ⅱ）型工程，水库按重现期100年洪水设计，相应洪峰流量21800m3/s（最大下泄流量21 200 m3/s），重现期1 000年洪水校核，相应洪峰流量28200m3/s（最大下泄流量27300m3/s）。

喜河水库运行10年来，安全度过洪水40场次，其中1 000～4 000 m3/s的中小洪水比例达47%，可见，提高中小洪水调度水平对提高电站综合发电效益十分重要。

2 预泄调度可行性研究

2.1 喜河水库控制运用特性

喜河水库流域降水时空分布不均匀，径流特性丰、枯差异大，年际间或年内不同时段来水不稳定，汉江洪水陡涨陡落。喜河水库位于石泉水库下游，库尾基本与石泉水库尾水衔接，受喜河枢纽工程自身特性制约，喜河水库调节性能仅为日调节，调节库容只有2 200万m3。喜河电站为径流式电站，电站发电综合效益很大程度上取决于来水量，通过增发电量来实现经济效益最大化，而喜河水库主要入库流量来自上游石泉水库下泄流量，区间仅有汉江一级支流池河在左岸汇入库区，池河河长114 km，流域面积1 033 km2，多年平均流量13 m3/s，故而喜河水库入库流量组成较为单一，由于石泉水库调蓄作用，喜河仅为上游石泉的反调节水库运行。

图1 汉江上游干流梯级电站位置图Fig.1 Distribution of the cascade power stations in upper reach of the Han river

图2 喜河水库洪水场次统计图Fig.2 Statistics of the floods of Xihe reservoir

喜河水库与上游石泉水库的河道距离只有40 km，两者的区间流量很小，喜河水库的入库流量主要以干流的流量为主，因此完全可以依据石泉水库的下泄流量较准确地推求得到。由于2009年12月已建成石泉-喜河水调自动化系统，喜河水库全面共享石泉水库水调自动化成果，喜河水库的洪水预见期增大，因此，可以充分利用这些有效的预报信息，进行水库预报预泄调度。

几年来，喜河水库和石泉水库一直进行联合调度,主要做法有以下几个方面：喜河水库和石泉水库签订水库报汛合同，石泉水库闸门运行及水雨情预报信息按照约定时间提前通知喜河电厂；通过石泉-喜河水调自动化系统，喜河电厂可以实时共享石泉电厂发电机组、出入库流量、上游水雨情遥测站信息；喜河电厂每日根据石泉电厂三日滚动发电计划制定本厂三日滚动发电计划并报调度中心，确保短期联合调度具体实施；喜河电厂每月根据石泉电厂月度发电计划制定本厂月度发电计划并报调度中心，确保中期联合调度实施；遇有特殊水情，两厂专业人员提前会商，并告知调度工作注意事项；喜河卫星云图系统，可以及时掌握云层运动趋势，了解流域内可能的降水情况。

喜河水库的入库洪水90%以上来自于石泉水库的泄流，根据石泉水库的洪水调度规则，其下泄流量需通过机组发电和开启闸门下泄，基本上可控制，因此，喜河水库的入库流量可以实时准确获得，为水库进行预泄调度奠定了基础。同时，喜河水电厂与石泉水电厂签署如下协议：石泉水库在开启第一、第二个闸门前4 h和开启其他闸门时，将所启闭的闸门、下泄流量、操作时间等内容电话通报给喜河水库；当预报石泉水库出库流量大于等于3 500 m3/s时，提前4 h电话通知喜河水库。综上原因可以认为，喜河入库流量预报为确定性预报。

图3 支流池河位置图Fig.3 Location of the Chi river

2.2 喜河水库效益提升方法研究

喜河水库提升发电综合效益可在不改变石泉、喜河两水电站现有动力设备和水工建筑特性的条件下，结合径流预报，编制出喜河水库最优调度方案，指导水库实现最佳调度运用，提升综合发电效益效果。由于石泉、喜河同属一个发电集团，可以通过加强上下游水雨情信息联系沟通、发挥石泉-喜河水库联合调度系统优势，实现双库联调，喜河充分利用上游石泉电厂的水库调节性能，克服常规调度的弊端，积极挖掘水库自身潜力，建立起两个水电站彼此间的水力联系和电力联系，利用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，在洪水入库前，通过机组消落水位，腾出一定库容，增加发电量，实现经济效益。此外，还要实现厂内经济运行，即用最小的流量发出电网系统要求的所需功率。为实现厂内经济运行，在水库长、中、短优化运行计划中始终坚持“以水定电”，确定最佳日负荷曲线和最佳运行机组组合方式，减少机组空转时长、降低空耗水量，加强巡回检查、异常分析、设备缺陷处理，努力提高机组综合效益。杜绝因设备故障造成的无端弃水。科学制定水库分期水位控制，指导水库经济运行,努力提高汛后水库蓄满率，积极探索小流量时最优运行方式，定期开展经济运行分析，提出改进措施，最大限度增加发电量。

3 预泄调度实施方案研究

数据分析表明，石泉为高水头小流量机组，单机流量小，5台机全开时最大发电流量约680 m3/s；喜河为低水头大流量机组，单机流量大，3台机全开满发时最大发电流量约855 m3/s。由此得出，在不考虑石泉-喜河区间流量的情况下，喜河水库可晚于石泉水库进行预泄腾库。所以，制约喜河水库腾库时间的主要因素为石泉-喜河区间流量。

3.1 喜河水库预泄腾库过程研究

表1 喜河水库预泄腾库时间计算表（Q区间=0）Table 1 Calculation results of pre-release time of Xihe reservoir(Q区间=0)

表2 喜河水库预泄腾库时间计算表（Q区间=20 m3/s）Table 2 Calculation results of pre-release time of Xihe reservoir(Q区间=20 m3/s)

根据现有水库基本调度资料，进行预泄腾库时间计算，结果见表1～6。

从表7中可以看出，喜河水库水位每降低1 m，在3台机组满发情况下，机组发电耗水率增加0.49～0.71 m3/kW·h。若按3台机组满发一天430万kW·h计算，库水位每降低1 m，损失水量见表8。

表3 喜河水库预泄腾库时间计算表（Q区间=50 m3/s）Table 3 Calculation results of pre-release time of Xihe reservoir(Q区间=50 m3/s)

表4 喜河水库预泄腾库时间计算表（Q区间=80 m3/s）Table 4 Calculation results of pre-release time of Xihe reservoir(Q区间=80 m3/s)

表5 喜河水库预泄腾库时间计算表（Q区间=100 m3/s）Table 5 Calculation results of pre-release time of Xihe reservoir(Q区间=100 m3/s)

表6 喜河水库预泄腾库时间计算表（Q区间=150 m3/s）Table 6 Calculation results of pre-release time of Xihe reservoir(Q区间=150 m3/s)

表7 喜河水库不同库水位下3台机满发耗水率统计表Table 7 Statistics of water consumption rates as the three units operation in full load with different water levels

表8 喜河水库不同库水位下日满发损失水量统计表Table 8 Statistics of water loss as operation in full load with different water levels

通过以上计算数据可以看出，若预泄腾库时间把握不足，水库在低水位运行3～4 d，会将近损失1 m的库容（约1 000万m3）。受降雨预报的不确定性、降雨时空分布的差异及洪水预报误差等因素的影响，不能准确把握腾库时机和水位消落深度，就会造成水量的损失。预泄控制水位的高低对洪水预泄调度效果起至关重要的作用，预泄控制水位越低，腾出的防洪库容越大，对防洪有利但存在水位回蓄风险；预泄控制水位越高，水位回蓄风险低但腾出的防洪库容小，对提高防洪能力效果不显著。

3.2 洪水预泄调度分析

结合历史资料分析，石泉水库水位的消落深度主要根据预报的降雨历时、降雨强度、当前的入库流量、水库的运行实况、流域前期土壤的含水量等因素来综合确定，最主要的依据因素是降雨预报的强度及历时。

（1）当石泉水库流域降雨量加前期影响小于50 mm，洪峰流量一般小于1 000 m3/s，洪水总量小于1.15亿m3，洪水发生时，调整机组运行方式，5台机满发，后期拦蓄水量2 000万m3左右，可根据精细化调度要求结合水库运行实况，合理控制消落水位。

（2）当石泉水库流域降雨量加前期影响在50～70 mm，洪峰流量在1 000～1 500 m3/s，洪水总量在1.15～2.5亿m3，后期拦蓄水量3 000万m3左右，主汛期洪前水位控制在402 m。

（3）当石泉水库流域降雨量加前期影响在70～100 mm，洪峰流量在1 500～2 500 m3/s，洪水总量在2.5～4.5亿m3，拦蓄水量1.15亿m3左右，主汛期洪前将水位降至394 m左右，保持5台机组满发，回蓄水位控制在405 m左右；次汛期将库水位降至399 m运行，保持5台机组满发，回蓄水位控制在407 m左右。

（4）当石泉水库流域降雨量加前期影响在100 mm以上时，洪峰流量将大于2 500 m3/s，洪水总量4.5亿m3以上，洪前将库水位降至394.00 m运行，保持5台机组满发，后期按照动态水位控制原则进行合理调蓄。次汛期按照410 m回蓄；主汛期根据洪水后期天气预报情况，以洪水间歇期的长短决定后期回蓄水位（洪水间歇期是前一场洪水结束至下一场洪水的发生之间时间）。

根据上述石泉水库调度运行方式，关于喜河水库入库流量，可得出下述结论。

结论1：当石泉水库洪峰流量小于1 000 m3/s，洪水总量小于1.15亿m3，可认为洪水全部被石泉水库拦蓄。

结论2：当石泉水库洪峰流量在1000～1500m3/s，洪水总量在1.15～2.5亿m3，可认为洪水全部被石泉水库拦蓄或存在少量弃水。

结论3：当石泉水库洪峰流量大于1 500 m3/s，洪水总量大于2.5亿m3，可认为石泉水库存在弃水可能。

分析假定石泉水库5台机全开时最大发电引用流量680 m3/s，石泉-喜河区间流量分别按0 m3/s、20 m3/s、50 m3/s、80 m3/s、100 m3/s、150 m3/s及喜河水库回蓄水位不超汛限或短时超汛限考虑，可得出以下推论：

（1）针对结论1，若预计区间流量Q区间小于150m3/s或短时Q区间大于150 m3/s，喜河水库无需降水位运行，主汛期水库水位控制在361 m附近，次汛期水库水位控制在362 m附近，水库按来水或满发运行。

（2）针对结论2，为拦截石泉水库可能产生的弃水，喜河水库应降水位运行，主汛期水库水位控制在360 m附近，次汛期水库水位控制在361 m附近。若预计区间流量Q区间小于150 m3/s或短时Q区间大于150 m3/s，预泄腾库时间点可根据石泉水库预计开始弃泄的时间及区间流量，对应表1～表6确定；若预计区间流量Q区间大于150 m3/s，预泄腾库时间点应在前面的基础上提前。

图4 喜河水库洪水调度图（调度期末水库水位362 m）Fig.4 Flood regulation(reservoir level 362 m at the end of regu⁃lation)

（3）针对结论3，喜河水库亦可能产生弃水，根据预测的洪水量级，为减少弃水，喜河水库应降水位运行，水库水位应控制在358 m及以下。若预计区间流量Q区间小于150 m3/s或短时Q区间大于150 m3/s，预泄腾库时间点可根据石泉水库预计开始弃泄的时间及区间流量，对应表1～表6确定；若预计区间流量Q区间大于150 m3/s，预泄腾库时间点应在前面的基础上提前。

3.3 典型洪水预泄调度综合效益分析

“20130624”洪水期间，喜河首次实现零弃水，本场洪水石泉水库弃水量0.609亿m3，喜河无弃水，实现了中小洪水资源的优化利用。究其原因，一是上游降雨时段、区域相对集中，上下游涨水过程存在时间差，干支流流量涨幅不大，来水相对较少，石泉水库最大入库流量3900m3/s，入库总水量6.249亿m3；二是石泉水库前期依靠发电将水位降到393.63 m，洪水调度期间维持较高水位运行，最大限度回蓄，为喜河水库发挥调蓄作用提供了有利条件；三是喜河水库及时了解了流域的雨水情时空分布，掌握了上游石泉的运行方式，提前发电腾库，动态制定、调整机组运行方式，洪水前期准确把握洪前腾库和石泉水库存在时间差的机会，有效地进行了发电预泄腾库调度，为后续迎峰留有充裕库容。6月19日18时，在上游降雨还未开始之际，喜河就开始采用机组满发、超发方式提前腾库，水库水位最低降至357.20 m，腾库深度达4.8 m，低于死水位2.8 m，重复利用库容0.488亿m3。“20130624”洪水洪前腾库增发电量318万kW·h。

图5 “20130624”洪水调度过程线Fig.5 Regulation of Flood 20130624

“20170905”洪水期间，石泉水库洪峰流量1 740 m3/s，弃水量 0.315亿m3。喜河水库自8月23日07时开始全开3台机组腾库迎洪。9月1日06时水库降至最低水位357.51 m，腾库阶段消落水位3.26 m，重复利用库容3 243万m3。喜河水库本场洪水总量1.758亿m3，无弃水，“20170905”洪水腾库增发电量213.92万kW·h。

图6 “20170905”洪水调度过程线Fig.6 Regulation of Flood 20170905

4 结语

最理想状态是每一场洪水来临之前把水位控制到恰到好处，衔接紧凑，避免盲目降水位后耗水率增大造成发电量损失或降水位不及时造成不必要的弃水，实现洪水资源最大化利用。

（1）洪水预报精度是预报预泄调度的基础，需要加强对石泉水库洪水预报的预报精度及预见期分析。

（2）根据预泄调度规则，研究石泉水库和喜河水库的泄洪闸门组合，减少预泄调度的决策时间。

（3）在洪水调度过程中，虽然石泉-喜河水雨情信息共享，但还是要加强同石泉水库的沟通，提前预判并及时准确掌握石泉水库的调度运行方式，把握好预泄腾库的良好时机，在确保水库安全运行的前提下，争取效益最大化。实际预泄调度中，应根据天气预报的降雨量级并结合石泉水库的运行方式，分阶段控制水库水位。当出现降雨与预报偏差较大、库水位预泄下降较多时，应及时调整机组运行方式，回蓄水位。