面向运行约束的三峡水库生态调度研究

2020-04-15鲍正风舒卫民张东杰

中国农村水利水电 2020年1期

王祥，鲍正风，舒卫民，张东杰

(中国长江三峡集团有限公司，湖北宜昌 443000)

三峡工程是治理长江和开发利用长江水资源的关键骨干性工程，自2003年运行来在防洪、发电、航运和水资源利用方面发挥巨大综合效益。根据《长江三峡水利枢纽环境影响报告书》结论，由于三峡工程的投入运行改变了河流自然生态境条件，造成天然河道流速减缓洪峰流量削减，将会对四大家鱼的自然繁殖带来不利影响，为保障四大家鱼的繁殖需通过水库调度产生人造洪峰促进四大家鱼产卵[1]。当前国内学者对三峡水库促进四大家鱼繁殖生态调度进行了大量研究，研究表明四大家鱼产卵需在一定的水温条件下伴随连续的水流涨水过程，涨水过程持续时间越长产卵效果越好，当水位下降流速减缓时产卵活动大都停止[2-5]。依据生态调度研究成果，三峡水库自2011-2018年在消落期及汛期开展了12次生态调度试验，监测结果显示在调度期均发现四大家鱼较为明显的产卵过程，表明实施的生态调度具有促进四大家鱼产卵作用[6]，后期可持续开展生态调度进行监测跟踪评估优化生态调度方案。

当前三峡水库生态调度研究主要聚焦于四大家鱼繁殖所需的水文、水力学条件，研究提出的生态调度方案未充分考虑运行约束导致实施困难。为创造四大家鱼繁殖所需的水文、水力学条件，可通过三峡水库调蓄实现人造洪峰模拟天然涨水过程。三峡水库出库流量由三峡电站发电计划控制，发电计划需充分考虑三峡水库承担的各项任务、面临的约束和葛洲坝电站最大发电能力等因素。本文对三峡水库生态调度面临的约束进行分析，构建模型评估不同时间开展三峡水库生态调度的可行性，用以探求满足三峡-葛洲坝梯级水库综合运用和生态调度的适宜方案，供实时调度三峡水库生态调度方案的编制和启动提供参考。

1 工程概况

1.1 三峡-葛洲坝梯级水库

三峡工程是治理和开发长江的骨干性工程，位于长江上游与中游的分界点，控制流域面积达100 万km2，约占长江流域总面积的 55%。三峡水库是以防洪为主，兼有发电、航运等多功能的综合利用水利枢纽，在水库设计过程中，主要是通过设置一系列体现不同作用的控制水位来统筹考虑水库的安全性、经济性和可靠性，这些控制水位将水库总库容分割成多个不同功能的库容，防洪库容是三峡水库的一个重要指标，三峡工程建成运行后，水库拥有221.5 亿m3的防洪库容，汛前水库需通过发电调度逐步消落水位至145 m释放防洪库容。

葛洲坝工程是三峡工程的反调节枢纽，通过葛洲坝调节可减缓三峡电站调峰运行引起的水位波动对下游航运造成的不利影响。葛洲坝枢纽位于三峡坝下约38 km的宜昌市，有反调节库容0.86 亿m3，电站装机2 715 MW。它的主要任务是对三峡电站调峰引起的不稳定下泄流量进行反调节，避免对下游航运造成不利的影响。

1.2 水库功能

1.2.1 防洪

防洪是三峡工程首要任务，在三峡工程论证、初步设计、优化调度不同阶段对三峡水库防洪调度方式进行了大量的研究，最终形成了当前对荆江补偿调度和兼顾城陵矶补偿的调度方式。根据批复的三峡调度规程要求：1 -4月三峡水库按不小于6 000 m3/s 控制下泄流量(同时满足葛洲坝下游庙嘴水位不低于39 m的要求)，至5月25日水库水位逐步降至不高于155 m，6月10日消落至汛限水位，确保汛期221.5 亿m3防洪库容充分释放[7]。

1.2.2 发电

三峡电站装机容量22 500 MW，设计多年平均发电量882 亿kWh，是世界上装机容量最大的水电站，在全国电网互联格局中处于中心位置，其投产运行向华中、华东和南方电网送电，有效缓解了受电区域用电紧张局面。受当前我国能源结构、电网负荷特性等因素影响，实时运行对三峡电站电力质量与发电量提出了较高要求，且三峡电站需深度参与电力系统调峰运行，其调峰幅度又受制于葛洲坝可用机组和调节库容，日常发电计划编制需统筹考虑三峡-葛洲坝梯级电站。

1.2.3 航运

宜昌至重庆河段长660 km，流经丘陵和高山峡谷，在三峡工程建设以前，受制于自然地理条件航道水流湍急，分布大量暗礁和险滩，严重地制约了航道通航能力，其河段年单向通过能力只有1 000 万t。三峡工程投运并蓄水至175 m运行，使得库区江面宽度由蓄水前150～250 m 变为400～2 000 m，平衡抬升水深约40 m，航道内主要滩险均被淹没，航行条件得到根本改善。

2 生态调度启动条件

2.1 水温

长江四大家鱼的产卵繁殖季节在每年 4 月下旬至7 月上旬，产卵活动与其产卵场水域的水温、水流流态等一系列要素密切相关，其中水温是影响四大家鱼繁殖的主要外界条件之一[8]。研究发现，四大家鱼繁殖的最低水温为18 ℃，水温低于18 ℃，则繁殖活动被迫终止，20～24 ℃为其最适宜繁殖水温范围，水温低于18 ℃不能够促进四大家鱼自然繁殖[9]。

三峡水库蓄水前，宜都断面四大家鱼年内首次产卵时间为4 月中旬至5 月初，蓄水后产卵时间有所推迟。分析宜昌站长系列水温资料，表明受三峡建库影响宜昌断面4、5月份水温较建库前分别降低2.3、1.7 ℃，从而导致四大家鱼适宜产卵时间推迟。三峡水库蓄水以来，宜昌站水温变化过程如图1所示，水温达到18 ℃的日期基本推迟至5月上旬，水温达到四大家鱼繁殖适宜时间由蓄水前的4月下旬推迟至5月上旬。综合考虑水温因素，生态调度适宜实施时间为5月上旬-7月上旬。

图1 三峡水库蓄水以来宜昌站水温曲线统计

2.2 来水

研究表明鱼类产卵与河道涨水过程、涨水持续时间及河道水流流态变化相关，涨水过程持续时间越长、涨水期间河道水流流态变化越剧烈，则越有利于鱼类产卵[10]。柏海霞等对宜昌站下游宜都断面产卵场不同流量下断面流速进行模拟分析，显示宜都断面产卵场流量低于10 000 m3/s时流速分布较为均匀稳定，产卵场江段河道流量在10 000～20 000 m3/s之间变化时流速变化最为剧烈，流量超过30 000 m3/s时产卵场流速分布均匀稳定[11]。2011-2018年三峡水库连续8年共实施了12次生态调度试验，试验总时长74 d，试验期间监测到宜都断面四大家鱼产卵总量31.8亿粒，占监测期间(5月15日-7月15日)四大家鱼繁殖总量的48%，生态调度效果显著。监测结果如图2所示,表明流量在12 000～25 000 m3/s期间繁殖现象发生较为集中，超过30 000 m3/s之后产卵发生概率较小。

图2 宜都断面产卵场流量与卵密度关系

综合研究成果和生态调度实践，生态调度流量宜控制在10 000～25 000 m3/s以创造适宜的水力学条件，水流变化过程需持续不少于3 d，每天平均增加1 000～2 000 m3/s。

生态调度要求四大家鱼产卵场水温达18 ℃以上，三峡建库以来宜昌站历年水温监测结果显示产卵场水温达到18 ℃水温时间主要出现在5月上中旬，至6月水温逐步上升至24 ℃左右，统计三峡水库建库以来相应时段入库流量，结果如图3所示。三峡水库建库以来5月上旬至6月下旬平均入库流量逐步增加，流量范围在9 230～19 500 m3/s之间。以三峡水库建库后5月上旬至6月下旬平均入库流量和三峡水库水位日降幅按不超0.6 m测算，开展生态调度可控制三峡水库出库流量10 000～23 200 m3/s，满足生态调度所需的10 000～25 000 m3/s流量条件。

图3 2003-2018年5-6月三峡分旬入库流量过程图

3 运行约束及模型构建

3.1 运行约束

三峡水库生态调度适宜启动时间为5上旬至7月上旬，期间三峡水库处于集中消落期至汛期过渡阶段，运行面临防洪、发电、航运等相关约束。三峡工程通航论证中要求实现万吨级船队从重庆直达武汉，其保证率应不低于50%。考虑水库运行特性和通航保证率要求，经过大量研究论证三峡水库调度规程中规定：一般情况下，4月末三峡水位不低于枯水期消落低水位155 m，同时消落期水库水位日降幅按不超0.6 m控制[7]。三峡-葛洲坝梯级电站是紧密联系的整体，葛洲坝电站对三峡电站由于调峰运行下泄的非恒定流进行调蓄，确保下游航运安全。梯级电站运行需满足安全和经济运行要求，其中经济运行要求电站不弃水。综合考虑三峡-葛洲坝梯级水库运行目标，生态调度期间约束条件如下：

(1)三峡水库水位日消落约束：H1-H2≤0.6 m，其中H1为日初水位，H2为日末水位。

(2)三峡日出力约束：N1-N2≤300 万kW，其中N1为高峰时段出力，N2为低谷时段出力，生态调度期间三峡调峰量按不超300 万kW控制。

(3)葛洲坝不弃水约束：Q三≤Q葛，其中Q三为三峡高峰出库，Q葛为葛洲坝满发流量。

(4)流量日变幅约束：1 500 m3/s≤Q2-Q2≤2 000 m3/s，其中Q1为当日三峡水库出库流量，Q2为第二日三峡水库出库流量。

3.2 模型构建

3.2.1 模型计算流程

水库调度可采用常规调度模型和优化调度模型进行调度过程的模拟，生态调度方案主要控制水库出库流量满足要求，可采取常规调度模型进行模拟。常规调度模型计算一般分为水位控制模式、流量控制模式、出力控制模式和混合控制模式四种类型，计算依据为水量平衡原理，水量平衡计算公式如下：

W入-W出=ΔV

(1)

式中：W入为时段内入库水量，m3；W出为时段内出库水量，m3；ΔV为时段内水库库容变化量，m3。

生态调度期为控制三峡水库出库流量满足要求采取流量控制模式，流量控制模式首先将出库流量用来发电，当出库流量超过最大发电流量时为其他出库流量，其中计算三峡水库出库流量计算公式如下：

Q出库=Q发电+Q其他出库

(2)

式中：Q出库为水库出库流量；Q发电为电站发电流量；Q其他出库为包含泄洪流量、船闸用水流量。

依据以水定电的方式确定三峡发电计划，三峡电站发电流量计算公式如下：

N=KQ发电H

(3)

式中：N为电站的平均出力；Q发电为电站发电流量；H为发电净水头；K为电站综合出力系数。

计算采用三峡水调自动化系统的发电调度模块，流量控制模式计算流程如图4所示，首先根据三峡水库时段初水位、入库流量、出库流量计算电站出力和末水位，依次判断三峡水库出库流量、电站出力、末水位是否满足约束条件，若不满足则按相应的约束值反算其他发电指标至各项值满足约束要求。

图4 已知出库流量求出力流程图

3.2.2 模拟结果评价

为验证模型模拟精度，应用模型对实际发生的调度过程进行模拟，以电站出力作为评价指标将模拟结果同实际运行过程进行对比，选取2018年5-7月逐日三峡水库实际运行数据进行测算，模拟结果见表1所示。

表1 流量控制模式计算出力与实际出力偏差表

模拟结果表明5-7月流量控制模式下出力偏差平均值和相对误差较小，模拟误差在可接受范围内。5-6月三峡水库不弃水时最大单日出力误差360 MW，由此引起的水位控制偏差约0.05 m。7月随着三峡水库出库流量增加，模拟误差逐步增大，表明模拟误差跟出库流量呈现正相关。

4 结果及讨论

监测资料和相关研究成果表明四大家鱼繁殖活动最早开始时间为每年的4月28日，最晚开始时间为5月10日，最早结束时间为6月15日，最晚结束日期为7月5日，一般认为四大家鱼自然繁殖时期为每年的5-7月份[12]。以5-7月调度期三峡水库入库流量、运行控制目标、葛洲坝弃水约束和电网负荷特性为边界，模拟不同时间启动生态调度并对结果进行分析。

4.1 5月上中旬

5月上旬至中旬三峡水库水位需从160 m消落至153 m左右，日均消落水位0.35 m。综合考虑5月上中旬三峡水库调度目标、入库流量、相关约束，模拟结果见表2。

表2 三峡水库5月上中旬生态调度模拟结果

模拟结果表明5月上中旬开展生态调度葛洲坝电站无弃水风险，且对三峡水库水位消落无影响。当三峡入库流量为5月上旬平均入库流量8 600 m3/s时，受三峡水库日消落水位不超0.6 m制约，三峡水库开展生态调度初始出库流量可由10 000 m3/s增加至13 000 m3/s，生态调度可持续3 d。当入库流量较8 600 m3/s偏小时不满足生态调度相关要求，因此开展生态调度需三峡入库流量不低于8 600 m3/s。实时调度中预报三峡入库流量不低于8 600 m3/s时，监测宜昌站水温满足条件可按三峡水库初始出库流量10 000 m3/s择机启动生态调度。

4.2 5月下旬至6月上旬

5月下旬至6月上旬三峡水库水位需从153 m消落至145 m左右，日均消落水位0.42 m。综合考虑5月下旬至6月上旬三峡水库调度目标、入库流量、相关约束，模拟结果见表3。

表3 三峡水库5月下旬至6月上旬生态调度模拟结果

模拟结果表明5月下旬至6月上旬三峡水库入库水量叠加可补水量满足生态调度流量启动条件，开展生态调度主要受三峡水库消落目标和葛洲坝电站弃水因素制约。5月下旬至6月上旬最小和平均来水条件下开展生态调度考虑模型模拟误差存在三峡水库日消落水位超0.6m风险。5月下旬至6月上旬最大来水条件下开展生态调度将导致葛洲坝电站弃水。

4.3 6月中下旬及后期

6月中下旬及后期，宜昌站水温基本在21～24 ℃，满足生态调度适宜的水温条件，期间三峡入库流量基本超葛洲坝电站满发流量，生态调度可无需兼顾葛洲坝电站弃水因素。在保证防洪安全前提下，三峡水库可提前抬升库水位预蓄部分水量为生态调度创造条件，生态调度期间通过逐步加大三峡水库出库流量维持3天以上的涨水过程，最大出库流量考虑三峡电站可用机组和电网负荷需求综合拟定。