考虑生态流量需求的梯级水库汛末蓄水调度研究——以溪洛渡-向家坝水库为例

夏 青 青张 琪林 伟汪 利

(1.三峡大学 三峡库区生态环境教育部工程研究中心，湖北 宜昌 443002； 2.三峡大学 水利与环境学院，湖北 宜昌 443002)

1 研究背景

近年来，流域梯级水电站水库群在调度运行过程中发挥了具大的防洪、发电、航运等综合效益，但同时人们对流域的生态环境需求也越来越重视。正在开发的金沙江下游梯级水电站水库群调节能力巨大，然而随着溪洛渡、向家坝梯级水电站的陆续建成，极大地改变了金沙江下游原有的径流规律，在运行调度过程中不可避免地存在着竞争性蓄水导致的汛末蓄水困难，发电兴利与无效弃水矛盾突出，以及对其下游流域的生态环境造成影响等问题[1]。

针对以上问题，众学者展开了相关研究。彭杨等针对溪洛渡-向家坝梯级水库运用过程中蓄水与排沙的矛盾，考虑到上游修建白鹤滩水库的条件，对两座水库的汛末蓄水时间进行了优化研究[2]；李亮等针对溪洛渡和向家坝梯级组合的特点，考虑到梯级电站的发电特性，采用联合优化调度模型，对两座电站的蓄放水规律进行了研究[3]；张琪等提出了基于水电站调度图的溪洛渡-向家坝改进蓄水策略,并从年平均蓄满率、汛末蓄水位、总弃水量、总发电量等指标入手进行综合分析，确定了最优蓄水时间[4]；周研来等以溪洛渡-向家坝-三峡梯级水库为对象，通过风险分析、兴利效益分析与多目标决策，推求出了可权衡防洪与兴利矛盾的梯级联合蓄水方案[5]；陈炯宏等考虑到下游地区蓄水期对上游梯级水库下泄流量的新要求，在综合分析防洪、泥沙、库区、发电及供水等指标的基础上，推荐了溪洛渡-向家坝-三峡梯级蓄水调度方案[6]。

上述内容主要是针对溪洛渡-向家坝梯级在蓄水调度过程中的防洪风险、发电兴利与泥沙淤积等之间的相互矛盾而开展的研究，未能充分考虑到蓄水期下游河道的生态需水过程。而针对河道生态径流量的计算, 国内外学者已提出了很多方法[7-8]，国内一些学者在考虑到生态流量过程的前提下对长江上游水库群的调度问题开展了一定的研究。比如：辛小康等针对目前长江上游水库群建设运行的现状，总结了水库群建设对水环境和水生态造成的影响，在此基础上，提出了长江上游水库群生态调度研究的方向[9]；龙凡等利用年内展布法和改进的FDC法来计算最小生态流量和适宜的生态流量过程，进而以此为约束条件建立了生态调度模型，并运用该模型研究了生态流量对溪洛渡-向家坝梯级发电效益的影响[10]；李舜等通过多种生态流量计算方法，对宜昌站最小、适宜、最大生态径流和适宜生态径流阈值分别进行了计算分析[11]。

上述研究为考虑生态需求的溪洛渡-向家坝梯级汛末蓄水调度提供了解决思路。基于此，本文聚焦于汛末蓄水期溪洛渡-向家坝梯级汛末集中蓄水所带来的水资源利用矛盾与冲突，为减小梯级汛末蓄水兴利对下游生态环境带来的不利影响，开展了考虑生态流量需求的梯级水库群汛末蓄水调度方案研究。

2 蓄水期最小生态径流计算

河道最小生态径流是指河流中能满足当前生态需求的最小流量，当河流水量低于该流量时，河道中的水生生态系统将会遭受到严重破坏[12]。逐月最小生态径流计算法是计算河道最小生态径流过程的基本水文学方法，该方法以长系列月径流系列为基础，选取历年逐月最小值组成全年最小生态径流过程[13-14]。本文聚焦于9月1～30日汛末蓄水期，以日为时段开展研究，为了更加精确地确定蓄水期各日的最小生态径流大小，借助于逐月最小生态径流计算法的基本思想，采用溪洛渡、向家坝坝址1956～2010年长系列历史日径流数据，截取55 a的9月1～30日的逐日径流系列，选择每日最小值组成9月份蓄水期的最小生态流量过程，如公式(1)所示。

(1)

利用公式(1)计算得到了溪洛渡、向家坝9月份各日最小生态径流过程，结果如表1所示。

表1 溪洛渡、向家坝梯级9月份最小生态径流计算结果Tab.1 The results of minimum ecological runoff of Xiluodu and Xiangjiaba in September

3 溪洛渡-向家坝梯级提前蓄水方案制定

3.1 基于调度图的提前蓄水方案制定

根据金沙江下游梯级原蓄水方案，溪洛渡、向家坝两座水电站于9月11日开始同步蓄水，9月底分别从汛限水位560 m和370 m蓄至正常蓄水位600 m和380 m[15-16]。然而，随着金沙江流域水库数量的增多，梯级水库群汛末集中蓄水矛盾突出，提前蓄水成为改善水库群蓄水矛盾的有效方式之一[17-18]。考虑到防洪安全、库区淹没及泥沙淤积等问题，根据已有研究成果，最终确定两座水电站的起蓄时间提前至9月1日，蓄满时间不变，仍为9月30日[4-5]。基于此，在两座水电站原调度图的基础上，重新进行了调整，即将原蓄水方案起蓄时间点对应的各调度线移动至新的起蓄时间点，绘制新的各条调度线，构成新的调度图，用于指导水电站汛末蓄水过程。两座水电站的蓄水期调度图分别如图1和图2所示。图中实线为原调度线，虚线为起蓄时间提前后的新调度线。

图1 溪洛渡水电站9月份运行调度图Fig.1 Operation chart of Xiluodu Hydropower Station in September

图2 向家坝水电站9月份运行调度图Fig.2 Operation chart of Xiangjiaba Hydropower Station in September

如果根据溪洛渡、向家坝两座水电站已有调度图和调度规则进行蓄水调度，一方面，蓄水期的生态流量难以得到满足；另一方面，两座水电站的出力可能会在不同调度区之间频繁跳动，进而引起下泄流量和出力过程波动较大的问题。因此，为了更好地运用调度图来指导梯级的汛末蓄水过程，以各调度线作为过渡线，并结合两座水电站的最小生态径流要求，采用以下改进蓄水策略。

3.2 汛末蓄水调度约束条件

在调度图的基础上，溪洛渡-向家坝梯级水电站进行蓄水调度时，还必须满足以下各类约束条件[19-20]。

(1) 水量平衡约束。

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

(2)

式中，k为水电站编号，其中1表示溪洛渡，2表示向家坝；Vk,t为水电站k在t时段的初蓄水量；Ik,t、qk,t、Sk,t分别为k电站在t时段的平均入库流量、发电引用流量和弃水流量；Δt表示时段间隔，在本文蓄水调度研究中，以d为时段间隔；T为汛末蓄水期总时段长，本研究中以d为时段间隔，则T=30 d。

(2) 水电站出力约束。

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

(3)

式中，Nk,t,min、Nk,t,max分别为k水电站t时段最小和最大出力约束，取决于电站的保证出力、预想出力和电网要求。其中，溪洛渡水电站的装机容量为13 860 MW，近期情况下，水电站的保证出力为3 795 MW[15]；向家坝水电站的装机容量为6 400 MW，近期情况下的水电站保证出力为2 009 MW[16]。

(3) 库水位及变幅约束。

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为k水库t时段的初水位；Zk,t,min、Zk,t,max分别为时段最低、最高库水位约束，ΔZk为k水库的水位变幅约束，根据两座水电站的调度规程及下游通航的要求，两座水电站的日变幅均不超过4.5 m。

(4) 下泄流量约束。

Qk,t,min≤Qk,t≤Qk,t,max,t=[1,T]

(6)

式中,Qk,t为k水库t时段的下泄流量，Qk,t=qk,t+Sk,t；Qk,t,min、Qk,t,max分别为时段最小、最大允许下泄流量约束，根据蓄水期的防洪、发电及航运要求综合确定。若考虑水库下游河道的最小生态流量要求，两座水库的最小下泄流量还应不小于9月每日最小生态径流量。

4 汛末蓄水调度计算与分析

4.1 蓄水调度方案评价指标

综合溪洛渡-向家坝梯级水电站汛末蓄水兴利和生态需求，采用蓄水期年平均发电量、弃水量、水库蓄满率、汛末蓄水位，并引入生态流量满足度指标对调度方案进行评价。

(7)

(8)

(3) 汛末蓄满率Rk。若两座水库在蓄水调度期末蓄水至正常蓄水位600 m和380 m，则认为水库已蓄满，蓄满率可用下式计算。

(9)

(10)

(5) 生态流量满足度Mk。

(11)

4.2 不同蓄水方案调度计算

选取1956～2010年溪洛渡-向家坝长系列历史入库径流资料，分别采用未考虑下游河道最小生态径流要求的两座水电站9月11日起蓄的原蓄水方案(原方案)和基于改进的蓄水策略的两座水电站9月1日提前蓄水的蓄水方案(改进方案)，进行汛末蓄水调度计算。不同蓄水方案的调度计算结果评价指标如表2所示。

对比表2可以算出：对于原蓄水调度方案，一方面溪洛渡、向家坝两座水电站水库汛末蓄满率不能达到100%，汛末难以蓄满；而另一方面又有大量的弃水产生，且两座水电站下游的生态流量满足度相对较低，均不超过80%。在这种情况下，当采用考虑下游生态流量要求的改进提前蓄水方案时，两座水电站水库的汛末蓄满率均可达到100%，而总弃水量相比原方案减少了18.3%，发电量增大了12.1%；同时，两座水电站的生态流量满足度均得到了有较大程度的提高，分别达到了100%和96.85%。

对产生上述情况的原因进行了分析：当采用原蓄水方案时，9月11日开始蓄水会导致前期大量弃水，为使汛末库水位回蓄至正常蓄水位，两座水电站在9月份中后期部分时段按降低出力运行，导致了下泄流量不满足河道最小生态流量的要求，且向家坝水电站来水取决于溪洛渡水电站水库的下泄流量，生态流量满足度更低。而改进后的方案通过提前蓄水使得弃水量大大减少，9月份水电站平均运行水位较原方案抬高，发电量增大。两座水电站在蓄水发电的同时，还能兼顾到下泄流量尽可能满足下游生态流量的要求，因此，能够更加合理地利用水资源，充分发挥梯级水电站综合兴利和生态效益的作用。在防洪方面，文献[5]将汛末蓄水期水位超坝前最高安全水位约束定为风险事件，计算确定了两座水库9月1日同步蓄水，向家坝防洪风险率仍然为0%，而溪洛渡防洪风险率从原9月10日蓄水方案的0%提高到了1.64%。可见，改进蓄水方案将使得溪洛渡水电站超安全水位风险略有上升，而对向家坝水电站不会产生影响。并且考虑到两座水库虽然提前蓄水，但起蓄水位不变，预留的防洪库容和原来相比会不发生变化，汛末期配合三峡水库蓄水调度对确保长江中下游防洪安全不会造成较大的影响[6]。

4.3 典型年蓄水过程比较分析

为了进一步检验改进后的蓄水方案的调度效果，选择了9月份来水较丰的1999年和来水较枯的1983年作为典型年来水过程，比较分析其不同蓄水方案的下泄流量、出力及库水位变化过程。1999年和1983年汛末蓄水调度计算结果分别如图3和图4所示。

由图3(a)～(f)所示的两座电站的调度过程可以看出：针对9月份来水较丰的情形，溪洛渡水电站在蓄水过程中，当采用未考虑生态流量需求的原蓄水方案时，9月11日开始蓄涨库水位使得之后部分时段出现了下泄流量减少、低于最小生态需水量的情形，如第18～23时段；对于下游向家坝水电站，上游溪洛渡水电站蓄水导致下游来水量减少，不能达到生态流量需求的时段更多，并且出现了水电站的出力在不同出力区间跳动，导致向家坝水电站的出力和下泄流量过程出现了较为剧烈的锯齿状波动的情况。当采用考虑生态需求的改进蓄水方案时，溪洛渡、向家坝水电站蓄水期各时段的下泄流量均能满足下游生态流量的要求，生态流量满足度达到了100%。同时，改进蓄水策略有助于减小两座水电站在蓄水过程中下泄流量、出力过程波动幅度大的问题，原蓄水方案中流量和出力过程的锯齿状波动现象得到了明显消除。并且相比原方案，两座水电站蓄水期均维持在更高的库水位运行，有利于水电站发电效益的发挥。

表2 溪洛渡-向家坝梯级不同蓄水方案计算结果Tab.2 The results of different impounding schemes in Xiluodu - Xiangjiaba Cascade Hydropower stations

对比分析图4(a)～(f)两座水电站的调度过程可知：当两座水电站来水较少时，对于溪洛渡水电站而言，当采用未考虑下游河道最小生态需水量的原蓄水方案时，两座水电站均有1/3时段的下泄流量低于最小生态流量，其中溪洛渡水电站最大差值在第21日达到了2 824 m3/s，向家坝水电站最大差值在第20日达到了3 026 m3/s。当考虑下游河流最小生态需水量的提前蓄水方案时，溪洛渡水电站各时段的下泄流量均满足最小生态流量的要求，生态流量满足度为100%，下泄流量、出力过程波动幅度更加平缓；由于来水较枯，第23～24日向家坝水电站仍然存在下泄流量小于最小生态需水量的情形，生态流量满足度为93.30%，但是相对于原方案，其调度结果仍得到了很大改善，最大差值出现在第23日，仅为134 m3/s。此外，改进的蓄水策略同样使得两座水电站的下泄流量、出力过程波动幅度更加平缓，更有利于水电站的稳定运行。

图3 1999年溪洛渡、向家坝水电站9月蓄水调度过程线Fig.3 The impounding operation hydrograph of Xiluodu-Xiangjiaba Cascade Hydropower stations in September，1999

图4 1983年溪洛渡、向家坝水电站9月蓄水调度过程线Fig.4 The impounding operation hydrograph of Xiluodu-Xiangjiaba Cascade Hydropower stations in September，1983

5 结 语

本文以溪洛渡-向家坝梯级水电站为研究对象，确定了汛末蓄水期水电站下游最小生态径流过程，提出了基于调度图的梯级改进提前蓄水方案；同时，引入了生态流量满足度并结合其他兴利指标，对蓄水方案进行了评价。研究结果表明：采用考虑下游生态流量要求的改进提前蓄水方案，会有助于提高梯级汛末蓄满率、增大发电效益、减少弃水量，而且也使得梯级电站的运行出力、下泄流量过程更加平稳，下游生态流量满足度得到了明显提高。随着金沙江下游梯级中乌东德、白鹤滩水电站的陆续兴建，如何将以三峡水库为核心的三峡梯级与金沙江下游4库梯级汛末蓄水调度联合考虑，还有待开展进一步的深入研究。