长江上游流域水库群调蓄对三峡-葛洲坝梯级电站运行影响分析

2020-05-30梁志明戴凌全侯雨坤熊江涛

三峡生态环境监测 2020年1期

梁志明，戴凌全，侯雨坤，郭乐，熊江涛

（1.中国长江三峡集团公司，北京 100038；2.三峡水利枢纽梯级调度通信中心，湖北宜昌 443133；3.三峡大学水利与环境学院，湖北宜昌 443002；4.中交第二航务工程勘察设计院有限公司，武汉 430071）

长江上游水能资源丰富，占全国水能资源蕴藏量的1/3，规划有金沙江、雅砻江、大渡河、乌江和长江上游干流五个水电基地，装机容量1.756×108kW，占全国规划的十三大水电基地的59.23%。随着长江上游流域水电开发的逐年深入，诸多控制性水库先后蓄水运行，上游水库群调节库容逐年增大。截至2017年7月，长江上游大型水库102座，总调节库容超8×1010m3。

三峡-葛洲坝梯级电站是长江上游梯级电站群最后两级。根据《关于2019年长江流域水工程联合调度运用计划的批复》，三峡-葛洲坝梯级电站以上纳入长江联合防洪调度的关键控制性水库共计20座，分布在金沙江中游、金沙江下游、岷江、沱江、嘉陵江、乌江等流域。上游控制性水库规模不一，电站特性不同，调度管理关系复杂，实际运行过程中不确定性较大。而上游水库群庞大的调节库容规模决定了其调蓄作用将对三峡-葛洲坝梯级电站运行造成极大影响。但是，当前研究大多数集中于长江上游流域梯级水库群联合优化调度宏观层次，未从三峡-葛洲坝梯级电站实际运行调度出发去开展调蓄影响研究。因此，分析上游水库群调蓄规律，量化其运行调度对三峡-葛洲坝梯级电站的影响，对三峡-葛洲坝梯级电站科学调度，高效利用水资源意义重大。本文从上游关键控制性水库群运行过程着手，对长江上游水库群调蓄影响进行分析，梳理上游水库群调蓄时空变化规律，进而明晰上游水库群调蓄对三峡-葛洲坝梯级电站入库水量影响及梯级电站发电能力的影响。研究成果将有助于提高三峡-葛洲坝梯级电站调度决策水平，进一步提升梯级电站水资源利用效率，充分发挥梯级电站综合效益。

1 长江上游关键控制性水库群概况

三峡-葛洲坝梯级电站位于湖北宜昌，地处长江上游与中游的交界处。在三峡-葛洲坝梯级电站以上，长江上游主要流域有金沙江中游流域、雅砻江流域、金沙江下游流域、嘉陵江流域、乌江流域和岷沱江流域六大流域。根据流域水库群特性及运行资料分析，对三峡水库运行影响较大的水库共计26座（具体水库拓扑关系见图1），上游水库群调节总库容为3.5×1010m3。

图1 三峡上游流域水库群概况图Fig.1 Overview of reservoirs in the upper reaches of the Three Gorges

将上述26座水库调节库容按流域进行统计，获得三峡上游各流域调节库容及对应比例统计表（表1）。由该表可知，乌江流域、雅砻江流域、金沙江下游流域调节库容占比较多，乌江流域占比26.1%、雅砻江流域占比24.4%，金沙江下游流域占比21.3%，三大流域总占比71.7%；嘉陵江流域、岷沱江流域总占比23.0%，金沙江中游流域占比5.2%。

表1 上游流域调节库容统计表Table 1 Storage capacity of the upstream watershed regulation

2 长江上游关键控制性水库群调蓄影响分析

长江上游水库群调蓄对三峡-葛洲坝梯级电站的影响直接体现在三峡水库入库水量（流量）上，进而通过“水量-电量”转换关系，反映到电量上。为定量分析长江上游水库群调蓄作用对三峡-葛洲坝梯级电站的影响，拟从水量影响、电量影响两方面进行分析。首先，通过上游水库群特性资料及运行资料，对上游水库群整体调蓄水平及调蓄过程进行分析，获取上游水库群对三峡-葛洲坝梯级电站水量的影响规律。其次，三峡水库入库流量序列中剔除受上游水库群调蓄影响部分，获取三峡-葛洲坝梯级电站还原入库流量序列。以还原入库流量序列、还现入库流量序列作为输入，测算不同流量序列下三峡-葛洲坝梯级电站发电能力，进而获取上游水库群调蓄对梯级电站电量的影响规律[1-4]。

2.1 上游水库调蓄对三峡-葛洲坝梯级水电站水量影响规律

2.1.1 调蓄水量计算

以26座水库2001—2016年水位数据为基础，根据水库水位-库容关系曲线得到各水库旬平均水位。根据水库水量平衡原理，计算得到各水库旬平均调蓄水量、调蓄流量值。相关计算公式为水库调度基础公式水量平衡方程转化得到，各研究者都有不同表述方式，但本质相差不大。采用的计算公式如下所示：

式中：Wtx为调蓄水量，108m3；Qtx为调蓄流量，m3/s；Vt+1为t时段末库容值，108m3；Vt为t时段初库容值，108m3；△t为t时段长，s。当Qtx（Wtx）＞ 0时，表示该水库泄水，Qtx（Wtx）为泄水流量（泄水量）；Qtx（Wtx）＜ 0时，表示该水库蓄水，Qtx（Wtx）为蓄水流量（蓄水量）。为定量分析上游水库群调蓄影响，特定义如下指标：

式中：Rtx为调蓄占比，无量纲；Qtx为上游水库群调蓄流量，m3/s；Qrk为三峡入库流量，m3/s。Rtx是衡量上游水库群调蓄作用占三峡实际入库的比重，三峡水库建库前（2003年以前）水库入库流量采用宜昌站流量。

调蓄占比绝对值|Qrk |：由于调蓄占比有正有负，为衡量上游水库群调蓄整体影响，引入调蓄占比绝对值。

按照上述调蓄流量计算方法及相应统计指标，对上游水库群26座水库逐旬调蓄流量、调蓄水量分别进行计算，并分流域对各水库调蓄流量（水量）进行累加，得到各流域逐旬调蓄流量（水量）。从整体调蓄水平、调蓄水量分期分析、各流域调蓄分析三个方面，研究上游水库群调蓄对三峡-葛洲坝梯级电站的水量影响。

2.1.2 整体调蓄水平

调蓄流量占比绝对值和调蓄流量占比逐旬过程分别如图2和图3所示。由图2可知三峡上游水库群调蓄流量占比以2006年、2011年、2015年为节点，呈现出阶梯状逐步增加的趋势。2001—2005年处于1%水平，2006—2010年处于5%水平，2011—2014年处于10%水平，2015—2016年处于18%水平。

由图3可知旬最大调蓄占比绝对值出现在2016年9月上旬。在该旬，上游水库群拦蓄水量占三峡水库实际入库流量的44.28%，大幅减小该旬三峡水库流量。

图2 2001—2016年长系列逐旬调蓄占比绝对值过程图Fig.2 Time series of absolute value of storage ratio from 2001 to 2016

图3 2001—2016年长系列逐旬调蓄占比过程图Fig.3 Time series of the storage proportion from 2001 to 2016

2.1.3 调蓄水量分期分析

根据三峡水库运行特性，将一个完整水文年划分为集中消落期（5月下旬至6月上旬）、汛期（6月中旬至9月上旬）、蓄水期（9月中旬至10月下旬）及其他时期，对三峡上游水库群各分期内的调蓄水量进行分析。

由图4可知，2001—2016年间，调蓄水量整体呈现上涨趋势。集中消落期调蓄水量年均占比10.99%，汛期年均占比34.26%，蓄水期年均占比12.35%，其他时期占比42.39%。2001—2016年，集中消落期年均调蓄水量为1.415×109m3，汛期年均调蓄水量为7.388×109m3，蓄水期年均调蓄水量为2.487×109m3，其他时期为7.986×109m3。结合年均占比分析可知，汛期与其他时期调蓄水量相当，但汛期三峡来水量较大，故年均占比较小，非汛期来水量较小，年均占比较大。

由图5可知，从总的调蓄过程来看，在汛期上游水库群整体调蓄趋势是拦蓄洪量，年均拦蓄洪量为4.891×109m3，最高为2016年，拦蓄洪量1.791×1010m3，2014—2016年，上游水库群拦蓄洪量为1.4×1010～1.8×1010m3。在消落期，上游水库群整体调蓄趋势是蓄水，年均蓄水量为1.146×109m3，最大蓄水量为5.025×109m3，但在2016年为泄水状态。在蓄水期，上游水库群整体调蓄趋势为蓄水，年均蓄水量为1.578×109m3，2015—2016年蓄水量在5×109m3左右。其他时期上游水库群整体调蓄趋势为泄水，年均泄水量为6.516×109m3，2015—2016年泄水量均在2×1010m3以上。

图4 2001—2016年逐年分期调蓄水量过程图Fig.4 Annual water storage process from 2001 to 2016

图5 分期调蓄水量分析图Fig.5 Analysis of water storage at different stages

2.1.4 各流域调蓄分析

对三峡上游水库群调蓄量按照流域进行分析，发现金沙江下游流域（21.3%）、雅砻江流域（24.3%）、岷沱江流域（20%）三个流域调蓄占比都超过了20%；乌江流域与嘉陵江流域距离三峡库区较近，蓄泄状态能快速反映到三峡入库流量中去，两个流域占比之和为28%；金沙江中游流域调蓄水平较低（7%）。各流域水库群调蓄量占比与调节库容占比基本一致[5-8]。

2.2 上游水库调蓄对三峡-葛洲坝梯级水电站电量的影响规律

2.2.1 径流还原与还现计算

根据上游水库群调蓄结果，结合三峡水库实际旬入库流量过程进行还原计算，还原计算公式为：

式中：Qhy,t为三峡水库t时段对应的还原入库流量，m3/s；Qin,t为三峡水库t时段对应的实际入库流量，m3/s；Qtx,t为三峡水库t时段对应的上游水库群调蓄流量，m3/s。

根据上述计算方法，获得三峡水库2001—2016年逐旬还原入库流量，还原入库流量序列起点为2001年，现将2001年以前三峡水库入库流量（采用宜昌站流量）视为天然入库流量。选取1977—2000年序列加入分析，由此可得三峡水库1977—2016年共40年还原（天然）入库流量。

根据还原计算成果，以2016年溪洛渡水库、三峡水库上游水库群调蓄水平作为还现标准，对还原流量进行还现计算。还现计算公式如下：

式中：Qhx,t为三峡水库t时段对应的还现入库流量，m3/s；Qtx,2016,t为2016年t时段对应三峡水库上游水库群旬调蓄流量，m3/s。根据上述计算方法，获得三峡水库1977—2016年逐旬还现入库流量。

采取三峡水库1977—2016年还原入库流量、还现入库流量，按照《三峡（正常运行期）-葛洲坝水利枢纽梯级调度规程》规定的梯级电站运行规则，进行1977—2016年三峡-葛洲坝梯级电站还原流量及还现流量下的年度发电能力测算，并从年度发电能力、分期电量、调蓄影响电量（同一时段下，两种入库径流测算电量差值即为调蓄影响电量）等多方面进行分析。

2.2.2 三峡-葛洲坝梯级年度发电能力

分析图6至图9可知，以1977—2016年还原径流作为入库流量，在不考虑上游水库调蓄作用前提下，三峡-葛洲坝梯级电站最高发电量为1.215×1011kW·h，最低发电量为8.16×1010kW·h，平均年发电量为1.051×1011kW·h。以1977—2016年还现径流作为来流量，在三峡上游水库群2016年调蓄水平下，三峡-葛洲坝梯级电站最高发电量为1.244×1011kW·h，最低发电量为8.270×1010kW·h，平均年发电量为1.091×1011kW·h。三峡-葛洲坝梯级电站调蓄影响电量最大值为7.750×109kW·h，最小值为0.570×108kW·h，调蓄影响电量平均值为4.001×109kW·h。其中，三峡电站调蓄影响电量最大值为6.745×109kW·h，最小值为-2.850×108kW·h，调蓄影响电量平均值为3.180×109kW·h。葛洲坝电站调蓄影响电量最大值为1.175×109kW·h，最小值为2.510×108kW·h，调蓄影响电量平均值为8.210×108kW·h。

图7 三峡-葛洲坝梯级电站1997—2016年还原分期电量图Fig.7 Power at different stages of natural runoff for Three Gorges-Gezhouba cascade hydroeletric stations from 1997 to 2016

图8 三峡-葛洲坝梯级电站1977—1996年还现分期电量图Fig.8 Power at different stages of current runoff for Three Gorges-Gezhouba cascade hydroeletric stations from 1977 to 1996

图9 三峡-葛洲坝梯级电站1997—2016年还现分期电量图Fig.9 Power at different stages of current runoff for Three Gorges-Gezhouba cascade hydroeletric stations from 1997 to 2016

2.2.3 电量分期分析

分析图10、图11，分别从集中消落期、汛期、蓄水期、其他时期探讨上游水库群调蓄对三峡-葛洲坝梯级电站年度发电量的影响。

还现电量计算中，三峡-葛洲坝梯级电站集中消落期发电量最大值为9.632×109kW·h，最小电量为5.783×109kW·h，平均电量为7.564×109kW·h。汛期最大电量为4.869×1010kW·h，最小电量为2.309×1010kW·h，平均电量为3.929×1010kW·h。蓄水期最大电量为2.479×1010kW·h，最小电量为9.988×109kW·h，平均电量为1.814×1010kW·h。其他时期最大电量为5.281×1010kW·h，最小电量为3.714×1010kW·h，平均电量为4.415×1010kW·h。

还原电量计算中，三峡-葛洲坝梯级电站集中消落期发电量最大值为9.309×109kW·h，最小电量为4.450×109kW·h，平均电量为7.145×109kW·h。汛期最大电量为4.756×109kW·h，最小电量为2.591×1010kW·h，平均电量为4.149×1010kW·h。蓄水期最大电量为2.592×108kW·h，最小电量为1.096×109kW·h，平均电量为1.925×109kW·h。其他时期最大电量为4.601×1010kW·h，最小电量为3.010×1010kW·h，平均电量为3.727×1010kW·h。

年电量构成中，还现计算中，集中消落期、汛期、蓄水期及其他时期比例分别为：6.93%、36.00%、16.62%、40.45%。还原计算中，集中消落期、汛期、蓄水期及其他时期比例分别为：6.80%、39.45%、18.31%、35.44%。整体来看，相较于还原计算，还现计算实现了电量从汛期向其他时期的转移。

图10 三峡-葛洲坝梯级电站1977—1996年调蓄影响电量Fig.10 Power affected by regulation at Three Gorges-Gezhouba cascade hydroeletric stations from 1977 to 1996

图11 三峡-葛洲坝梯级电站1997—2016年调蓄影响电量Fig.11 Power affected by regulation at Three Gorges-Gezhouba cascade hydroeletric stations from 1997 to 2016

3 结论与展望

3.1 结论

综合上游水库群调蓄作用对三峡-葛洲坝梯级电站水量与电量影响分析结果，上游水库群调蓄作用改变了三峡-葛洲坝梯级电站入库水量的年内分配关系，进而影响了梯级电站年内电量分配关系[9-11]。

（1）三峡-葛洲坝梯级电站集中消落期调蓄影响电量最大值为9.632×109kW·h，最小值为5.783×109kW·h，均值为7.654×109kW·h。汛期调蓄影响电量最大值为4.896×1010kW·h，最小值为2.307×1010kW·h，均值为3.929×1010kW·h。蓄水期调蓄影响电量最大值为2.479×1010kW·h，最小值为9.988×109kW·h，均值为1.814×1010kW·h。其他时期调蓄影响电量最大值为5.281×1010kW·h，最小值为3.714×1010kW·h，均值为4.415×1010kW·h。

（2）在集中消落期，由于上游水库群消落水位为下游补水，故梯级电站入库流量增加，调蓄影响为增发电量。在汛期，上游水库群拦蓄洪水，减轻了梯级电站防洪压力，调蓄影响为减发电量，但由于汛期梯级电站出力水平较高，影响较为有限。在蓄水期，上游水库群蓄水，梯级电站入库流量减小，调蓄影响为减发电量。在其他时期，上游水库群由于发电等需求，为下游补水，梯级电站入库流量增加，调蓄影响电量为增发电量。

（3）整体来看，上游水库群调蓄在一定程度上优化了三峡-葛洲坝梯级电站年内径流分配，对梯级电站发电效益有着积极的作用，增发电量主要集中在其他时期[12-13]。