梯级水库常遇洪水弃水风险控制方法研究与应用

何 勇

(华电电力科学研究院有限公司，杭州 310030)

0 引 言

我国作为世界上水能资源蕴藏量最为丰富的国家之一，近年来水电产业的发展取得了长足进步，随着国内各流域水电站的逐步建成，如何合理安排梯级水电站的运行方式，在确保安全的前提下减少弃水，充分利用水资源，是提升水电站调度运营水平的关键。水电站水库弃水风险大小与其调节性能直接相关，当汛期来水较多时，调节性能较好的水库能够利用自身调节库容，一般弃水较少或者不弃水，而调节性能较差的水库调节库容十分有限，弃水次数和弃水量也较多[1-3]，这就需要各库适时预泄腾库，充分利用调节性能较好水库的调蓄能力，协调不同调节性能水库之间的匹配运行，最大程度减少弃水，提升水资源利用率。

弃水是汛期水库调度中关注的重要指标，当前已经有越来越多的学者开始研究如何通过定量控制水位和运行方式来减少弃水的问题，并形成了重要的研究成果，但现有成果一方面围绕单库[4-6]，另一方面梯级成果少有提出简便普适性的方法[7-9]，其中文献[7]研究了构皮滩、思林两库常遇洪水下的联合预泄调度方式，但未全面覆盖整个乌江梯级，同时前提条件设置较多。本文以充分利用调节性能较好水库的调蓄能力为原则，研究提出以整体弃水风险最小为目标的梯级水库弃水风险控制方法，并应用于乌江梯级水库，考虑常遇洪水区间分布情况，计算梯级水库起调水位和运行方式相关控制指标，以提升水资源利用率、增加梯级水电站经济效益。

1 梯级水库弃水风险控制方法

1.1 弃水风险概述

弃水风险可以理解为在具备一定可靠性的洪水预报条件下，水库在起调水位和某种运行方式下，未来一段时间内产生的弃水量。就单一水库而言，弃水风险除与调节性能有关外，还与其库水位和运行方式存在密切联系，库水位越高，发电流量越少，则对应的弃水风险越大，库水位越低，发电流量越大，弃水风险也就越小。对于梯级水库，某库的弃水风险还与其上游水库的水位和运行方式有关[10-12]。

弃水风险公式表示如下：

(1)

式中：R为弃水风险，亿m3；i为水库编号；N为水库总数；f(·)为弃水风险描述函数；Wi,flood为水库i的区间洪量，亿m3；Zi,0为水库i起调水位，m；Wi,e为水库i对应电站发电水量，亿m3；Zi,up为水库i上游水库水位，m；Wi,up为水库i上游电站出库水量，亿m3。

根据预泄调度[13-15]的思想，在制定梯级水库(特别是调节性能较好的水库)的合理起调水位范围，以及洪水期间的联合运行方式，对降低梯级水库弃水风险具有重要意义。

1.2 梯级水库弃水风险控制策略

结合梯级水库调度实际情况，本文将降低梯级弃水风险的控制策略总结如下：

(1)当调节性能较好水库的区间遭遇洪水时，通过本库调蓄能力降低弃水风险；当调节性能较差水库的区间遭遇洪水时，除利用本库有限的调蓄能力外，更多依靠上游调节性能较好水库的调蓄能力降低弃水风险。

(2)水库对应电站的发电运行方式由入库水量确定：当入库水量大于等于电站满发水量时，按照满发方式运行；当入库水量小于电站满发水量时，按照来水发电运行。

(3)根据洪水资源化利用的原则，洪水后期使水库蓄至较高水位，由水量平衡推算水库起调水位，并与死水位比较：当起调水位大于等于死水位时，说明水库能够抵御区间来水，不弃水；当起调水位小于死水位时，说明水库无法抵御区间来水，将产生弃水，只能从死水位起调。

(4)当水库产生弃水时，调整原则是逐级减小上游出库水量，即调整上游水库运行方式，最大程度减小本库弃水，直至上游水库已无调整空间(如上游电站发电水量为零)。

(5)按照梯级弃水总量一定情况下，下游优先弃水的原则，若某水库弃水且未满发时，需加大该库对应电站发电水量，将自身弃水量转移至下游调节性能较差水库。

(6)自上而下逐级调整后得出的梯级各库起调水位、相应的余留库容、洪水期发电水量及弃水量即为确保梯级水库弃水风险较小的控制指标，可为梯级联合调度运行方式提供参考。

1.3 计算步骤

本文以七日洪量表示洪水特征，在此条件下研究梯级水库弃水风险控制策略的求解方法，该方法主要通过迭代计算的方式求出各风险控制指标的合理范围，具体计算步骤如下。

(1)令i=1，由第一级水库开始计算。

(2)判定水库i是否为第一级水库：若是第一级水库，令水库i上游七日出库水量Wi,up为0；否则，令水库i上游七日出库水量等于上游水库i-1对应电站七日发电水量，即Wi,up=Wi-1,e。

(3)计算水库i上游七日出库水量与水库i七日区间水量之和(Wi,up+Wi,flood)，与其对应电站的七日特定满发运行方式下的发电水量Wi,full比较，确定其实际发电水量Wi,e：若(Wi,up+Wi,flood)≤Wi,full，水库i对应电站的七日发电方式为按入库水量发电；否则，水库i对应电站的七日发电方式为特定满发运行方式。需注意龙头电站汛期多停机蓄水。

(4)令水库i七日末水位为汛限水位Zi,l，对应库容Vi,T=Vi,l。

(5)由水库i七日区间水量Wi,flood、水库i对应电站的七日发电水量Wi,e、上游水库七日出库水量Wi,up，推算起调水位Zi,0(对应库容Vi,0)，Vi,0=Vi,T-Wi,up-Wi,flood+Wi,e。

(6)对比Zi,0与死水位Zi,d的大小：若Zi,0

(7)令水库i起调水位为死水位Zi,0=Zi,d，对应库容Vi,0=Vi,d。

(8)计算水库i七日弃水量Wi,q=Vi,0+Wi,up+Wi,flood-Wi,e-Vi,T。

(9)调整水库i的上游七日出库水量Wi,up=Vi,T-Vi,0-Wi,flood+Wi,e+Wi,q，令水库i七日弃水量Wi,q=0，判断Wi,up是否小于0：若Wi,up<0，转向(10)；否则转向(11)。

(10)令Wi,up=0，重新计算水库i七日弃水量Wi,q=Vi,0+Wi,up+Wi,flood-Wi,e-Vi,T。

(11)比较Wi,e与Wi,full：若Wi,e

(12)计算所得的Zi,0为水库i起调水位，Wi,e为水库i对应电站较优运行方式下的发电水量，若还有水库未计算完毕，则令i=i+1，转向(2)；若全部水库均已计算完毕，转向(13)。

(13)确定梯级水库的匹配运行方式，相应的各水库起调水位和运行方式能够满足较小梯级弃水风险的控制目标，计算结束。

符号说明：i为水库编号；N为水库总数；Wi,e为水库i对应电站的七日发电水量，亿m3；Wi,up为水库i上游七日出库水量，亿m3；Wi,flood为水库i七日区间水量，亿m3；Wi,full为水库i对应电站的七日特定满发运行方式下的发电水量，亿m3；Zi,l为水库i的汛限水位，m；Vi,l为水库i汛限水位对应库容，亿m3；Vi,T为水库i七日末库容，亿m3；Zi,0为水库i起调水位，m；Vi,0为水库i起调水位对应库容，亿m3；Zi,d为水库i死水位，m；Vi,d为水库i死库容，亿m3；Wi,q为水库i七日弃水量，亿m3。

2 算例分析

2.1 研究对象概况

乌江干流梯级电站总装机8 345 MW，乌江干流梯级水库主要参数见表1，梯级拓扑结构见图2。

由于索风营、思林、沙沱是日调节水库，在各自区间遭遇洪水时，较乌江梯级其他水库面临更大的弃水风险，文献[1]也证明了在长系列梯级模拟调度中，东风、索风营、思林、沙沱是主要发生弃水的四座水库。因此，本文有针对性地研究当洪东、东索、构思、思沙四个区间遭遇常遇洪水时，如何通过预泄腾库和联合运行的方法[16]对梯级弃水风险指标进行合理有效控制。

图1 梯级水库弃水风险控制策略求解流程图Fig.1 Calculating flow chart of cascade reservoirs surplus water risk control strategy

2.2 常遇洪水过程选取

为使计算结果所依据的洪水更接近于实际，选取2014年7月1日-2014年7月7日和2015年6月6日-2015年6月12日发生的两场洪水过程：2014年7月1日-2014年7月7日洪水为构思区间、思沙区间同时遭遇20%频率洪水，其他区间洪水频率均大于50%，2015年6月6日-2015年6月12日洪水为洪东区间、东索区间同时遭遇20%频率洪水，其他区间洪水频率均大于50%。在实际洪水基础上，根据梯级各区间设计洪水进行局部区间洪水过程的同倍比放大缩小，分别计算洪东、东索、构思、思沙四个区间遭遇20%、10%、5%三种频率常遇洪水时所有组合情况下的梯级弃水风险指标控制结果。两场洪水局部区间调整后的相关信息见表2和表3。

表1 乌江干流梯级水库主要参数Tab.1 Main parameters of cascade reservoirs located on the Wujiang River

图2 乌江干流梯级水库拓扑图Fig.2 Topological graph of cascade reservoirs located on the Wujiang River

由表2和表3可知，调整后的2014年7月1日-2014年7月7日洪水可研究构皮滩以下思林、沙沱遭遇常遇洪水时，如何通过利用构皮滩调蓄能力，并结合思林、沙沱调节库容和运行方式，降低梯级弃水风险；调整后的2015年6月6日-2015年6月12日洪水可研究东风、索风营遭遇常遇洪水时，如何通过利用东风调蓄能力，并结合索风营调节库容和运行方式，降低梯级弃水风险。

表2 局部区间调整后的2014.7.1-2014.7.7洪水信息Tab.2 Information of the flood whose partial region adjusted from July 1st,2014 to July 7th,2014

表3 局部区间调整后的2015.6.6-2015.6.12洪水信息Tab.3 Information of the flood whose partial region adjusted from June 6th,2015 to June 12th,2015

2.3 计算结果分析

按照乌江梯级水库调度实际情况，汛期除龙头电站停机蓄水外，其余电站按照特定的满发方式运行，这里特定的满发运行方式包含高峰时段满发和全时段满发两种，其中高峰时段是指一天中除去夜晚8 h负荷低谷外(水电不发电)，剩余的16 h满发时段。本文遵循以上原则，计算弃水风险控制指标。

2.3.1 构皮滩以下弃水风险控制计算结果分析

依据局部区间调整后的2014年7月1日-2014年7月7日洪水过程，结合乌江梯级调度实际情况迭代计算，可得到构皮滩以下构思和思沙区间同时遭遇、构思区间遭遇、思沙区间遭遇常遇洪水时的梯级弃水风险控制指标计算结果，见表4-表6和图3。

由表4可知，构思、思沙区间同时遭遇常遇洪水时的控制方式为：①遭遇20%频率洪水时，在允许的特定满发运行方式条件下，构皮滩起调水位范围[618.32 m，622.36 m]，对应七日发电水量范围[1.28 亿m3，5.23 亿m3]，思林七日发电水量范围[4.28 亿m3，8.24 亿m3]，沙沱满发；②遭遇10%频率洪水时，在允许的特定满发运行方式条件下，构皮滩起调水位范围[616.6 m，618.69 m]，对应七日发电水量范围[0，2.51 亿m3]，思林七日发电水量范围[2.94 亿m3，6.9 亿m3]，沙沱满发；③遭遇5%频率洪水时，在允许高峰时段满发和全时段满发两种条件下，构皮滩起调水位分别为616.15 m和616.6 m，对应的七日发电水量为0和0.61 亿m3，思林七日发电水量为5.34 亿m3和5.95 亿m3，沙沱满发，其中允许高峰时段满发时，沙沱弃水3.35 亿m3。

表4 构思、思沙区间同时遭遇常遇洪水时的梯级弃水风险控制指标计算结果Tab.4 Calculation of cascade reservoirs surplus water risk control indexes when Goupitan-Silin region and Silin-Shatuo region encounter frequent flood simultaneously

表5 构思区间遭遇常遇洪水时的梯级弃水风险控制指标计算结果Tab.5 Calculation of cascade reservoirs surplus water risk control indexes when Goupitan-Silin region encounters frequent flood

表6 思沙区间遭遇常遇洪水时的梯级弃水风险控制指标计算结果Tab.6 Calculation of cascade reservoirs surplus water risk control indexes when Silin-shatuo region encounters frequent flood

注：允许高峰时段满发条件下，构皮滩七日满发水量7.7 亿m3，思林七日满发水量7.15 亿m3，沙沱七日满发水量7.91 亿m3；允许全时段满发条件下，构皮滩七日满发水量11.55 亿m3，思林七日满发水量10.72 亿m3，沙沱七日满发水量11.86 亿m3。

由表5可知，构思区间遭遇常遇洪水时的控制方式为：①遭遇20%频率洪水时，在允许的特定满发运行方式条件下，构皮滩起调水位范围[619.71 m，623.75 m]，对应七日发电水量范围[2.31 亿m3，6.27 亿m3]，思林七日发电水量范围[5.32 亿m3，9.27 亿m3]，沙沱满发；②遭遇10%频率洪水时，在允许的特定满发运行方式条件下，构皮滩起调水位范围[617.85 m，621.89 m]，对应七日发电水量范围[0.93 亿m3，4.88 亿m3]，思林七日发电水量范围[5.32 亿m3，9.27 亿m3]，沙沱满发；③遭遇5%频率洪水时，在允许的特定满发运行方式条件下，构皮滩起调水位范围[616.6 m，620.6 m]，对应七日发电水量范围[0，3.93 亿m3]，思林七日发电水量范围[5.34 亿m3，9.27 亿m3]，沙沱满发，其中允许高峰时段满发时，沙沱弃水0.03 亿m3。

由表6可知，思沙区间遭遇常遇洪水时的控制方式为：①遭遇20%频率洪水时，在允许的特定满发运行方式条件下，构皮滩起调水位范围[619.69 m，623.73 m]，对应七日发电水量范围[2.3 亿m3，6.25 亿m3]，思林七日发电水量范围[4.28 亿m3，8.24 亿m3]，沙沱满发；②遭遇10%频率洪水时，在允许的特定满发运行方式条件下，构皮滩起调水位范围[617.89 m，621.93 m]，对应七日发电水量范围[0.96 亿m3，4.91 亿m3]，思林七日发电水量范围[2.94 亿m3，6.9 亿m3]，沙沱满发；③遭遇5%频率洪水时，在允许的特定满发运行方式条件下，构皮滩起调水位范围[616.62 m，620.65 m]，对应七日发电水量范围[0.01 亿m3，3.96 亿m3]，思林七日发电水量范围[2 亿m3，5.95 亿m3]，沙沱满发。

综上，若构皮滩以下遭遇常遇洪水时，可通过构皮滩调蓄并减小出库，思林、沙沱充分利用自身有限调节库容(由死水位起调)，洪水期间思林按来水发电，沙沱满发的方式，有效降低梯级弃水风险，在此控制方式下，仅当构思、思沙区间同时遭遇和构思区间遭遇5%频率洪水时，由于发电方式限制造成沙沱一定量的弃水，其余情况下梯级均不弃水。

图3 构皮滩以下遭遇常遇洪水时梯级弃水风险控制指标计算结果示意图Fig.3 Calculation chart of cascade reservoirs surplus water risk control indexes when the downstream region of Goupitan encounters frequent flood

2.3.2 索风营以上弃水风险控制计算结果分析

同理，依据局部区间调整后的2015年6月6日-2015年6月12日洪水过程，结合乌江梯级调度实际情况迭代计算，可得到索风营以上洪东和东索区间同时遭遇、洪东区间遭遇、东索区间遭遇常遇洪水时的梯级弃水风险控制指标计算结果，见表7-表9和图4。

表9 东索区间遭遇常遇洪水时的梯级弃水风险控制指标计算结果Tab.9 Calculation of cascade reservoirs surplus water risk control indexes when Dongfeng-Suofengying region encounters frequent flood

注：允许高峰时段满发条件下，东风七日满发水量2.55 亿m3，索风营七日满发水量7.15 亿m3；允许全时段满发条件下，东风七日满发水量3.82 亿m3，索风营七日满发水量6.01 亿m3。

图4 索风营以上遭遇常遇洪水时梯级弃水风险控制指标计算结果示意图Fig.4 Calculation chart of cascade reservoirs surplus water risk control indexes when the upstream region of Suofengying encounters frequent flood

由表7可知，洪东、东索区间同时遭遇常遇洪水的控制方式为：①遭遇20%频率洪水时，在允许的特定满发运行方式条件下，东风起调水位范围[957.42 m，969.23 m]，对应七日发电水量范围[1.37 亿m3，3.37 亿m3]，索风营满发；②遭遇10%频率洪水时，在允许的特定满发运行方式条件下，东风起调水位范围[950 m，959.62 m]，对应七日发电水量范围[0.92 亿m3，2.33 亿m3]，索风营满发，其中允许高峰时段满发时，索风营弃水0.59 亿m3；③遭遇5%频率洪水时，在允许的特定满发运行方式条件下，东风只能从死水位950 m起调，对应七日发电水量1.55 亿m3，索风营满发，其中允许高峰时段满发时，索风营弃水2.21 亿m3，允许全时段满发时，索风营弃水0.21 亿m3。

由表8可知，洪东区间遭遇常遇洪水的控制方式为：①遭遇20%频率洪水时，在允许的特定满发运行方式条件下，东风起调水位范围[964.49 m，970 m]，对应七日发电水量范围[2.55 亿m3，3.51 亿m3]，索风营可维持汛限水位837m运行，对应七日发电水量范围[3.09 亿m3，4.05 亿m3]；②遭遇10%频率洪水时，在允许的特定满发运行方式条件下，东风起调水位范围[960.91 m，968.24 m]，东风满发，索风营可维持汛限水位837m运行，对应七日发电水量范围[3.09 亿m3，4.36 亿m3]；③遭遇5%频率洪水时，在允许的特定满发运行方式条件下，东风起调水位范围[956.89 m，964.58 m]，东风满发，索风营可维持汛限水位837m运行，对应七日发电水量范围[3.09 亿m3，4.36 亿m3]。

由表9可知，东索区间遭遇常遇洪水时的控制方式为：①遭遇20%频率洪水时，在允许的特定满发运行方式条件下，东风起调水位范围[962.55 m，970 m]，对应七日发电水量范围[1.37 亿m3，2.67 亿m3]，索风营满发；②遭遇10%频率洪水时，在允许的特定满发运行方式条件下，东风起调水位范围[956.05 m，968.12 m]，对应七日发电水量范围[0.33 亿m3，2.33 亿m3]，索风营满发；③遭遇5%频率洪水时，在允许的特定满发运行方式条件下，东风起调水位范围[953.72 m，962.41 m]，对应七日发电水量[0，1.34 亿m3]，索风营满发，其中允许高峰时段满发时，索风营弃水0.66 亿m3。

综上，若索风营以上遭遇常遇洪水时：在洪东、东索区间同时遭遇和东索区间遭遇常遇洪水的情况下，可通过东风调蓄并减小出库，索风营充分利用自身有限调节库容(由死水位起调)，洪水期间索风营满发的方式，有效降低梯级弃水风险，在此控制条件下，由于发电方式限制，索风营会有一定量弃水；仅洪东区间遭遇常遇洪水时，东风利用自身调蓄能力，同时加大发电流量，索风营按照来水发电，可维持汛限水位837 m运行，梯级不弃水。

3 结 论

本文以充分利用调节性能较好水库的调蓄能力和洪水资源化利用为原则，结合调度实际，提出具有一般普适性的梯级水库弃水风险控制方法，该方法考虑梯级洪水空间分布，在洪水后期将水库蓄至较高水位，推算起调水位和运行方式，若发生弃水，逐级向上调整运行方式，直至梯级弃水量有所减少，最终迭代计算得出的起调水位和运行方式即为确保梯级弃水风险较小的控制指标。该方法应用于乌江梯级水库，重点研究易发生弃水水库的区间遭遇常遇洪水时的梯级弃水风险控制指标及控制方式(需要说明的是，由于起调水位成果是考虑后期水库能够蓄至汛限水位推算出的偏高水位，在首要确保不弃水的前提下可适当降低该水位值进行控制)，对基于一定可靠度的确定性洪水预报，制定梯级水库联合调度运行方式具有参考意义。