流域梯级水资源管理决策支持系统关键技术研究——以金沙江下游—三峡梯级水电站为例

张海荣，鲍正风，汤正阳，徐 杨，刘亚新，任玉峰

（1.中国长江电力股份有限公司，443133，宜昌；2.智慧长江与水电科学湖北省重点实验室，443133，宜昌）

一、研究背景

修建梯级水电站是实现水资源高效利用的有效途径。 通过在河段上合理规划建设电站，可充分利用河流的水能资源，在保证防洪安全的前提下，争取发电、航运、供水等效益的最大化。 我国在长江中上游流域规划建设了众多水电基地，目前已形成以长江干流三峡—葛洲坝梯级为核心，以金沙江下游乌东德、白鹤滩、溪洛渡、向家坝为主干， 金沙江中游梯级、雅砻江梯级、大渡河梯级、嘉陵江梯级和乌江梯级等5 大水电基地混联的水资源格局。 其中，金沙江下游—三峡梯级防洪库容占长江上游防洪库容的75.4%， 装机容量占全国水电装机容量的13%。 充分发挥金沙江下游—三峡梯级电站的防洪、发电等综合效益， 对于保障国家防洪安全、能源供应、推动长江经济带发展具有重要意义。

随着水文气象情势不断改变、上游电站相继建成投运、电力市场改革持续推进，水库调度运行面临着许多新的变化。 当前， 如何考虑气象、水文、 上游电站建设等环境变化的影响，以水库调度规程、众多科研项目成果为指导，在生态调度、电力市场调度运行边界内，寻求满足业务需求的优化调度方案，是金沙江下游—三峡梯级水资源管理面临的关键问题。

二、研究现状

1.水资源管理决策支持系统研究进展

随着运筹学、控制论以及系统平台技术的逐步发展，决策支持系统研究不断深入，呈现出多学科交叉的突出优势。 目前，美国陆军工程兵团、丹麦水利研究所、美国乔治亚理工学院等研究机构已研发了水资源管理决策支持系统（Water Resources Management Decision Support System，WRMDSS），而国内的相关研究应用较少。原因主要有二：一是我国水资源管理规模巨大，世界尚无其他国家的水资源调度涉及如此多的水库、如此复杂的水库拓扑结构。 二是我国水资源管理目标众多， 管理体制与国外不同，相关调度模型在国内的沿用受到制约，照搬国外水资源管理模式难以解决我国水资源管理相关问题。

2.金沙江下游—三峡梯级水电站水资源管理现状

当前，三峡集团下属中国长江电力股份有限公司全面负责金沙江下游—三峡梯级电站的水资源管理业务，包括水雨情遥测、流域气象水文预报、调度运行等相关方面的工作。

在水雨情遥测方面，长江电力依托三峡水利枢纽梯级调度通信中心，建设并管理着国内水电企业中规模最大、功能最齐全的水雨情遥测系统。该系统包括自建站与共享站共1400 余个，控制上游流域65 万km2，可在10分钟内收集流域范围内的所有水雨情信息，并实时监视水雨情数据。

在气象水文预报方面，通过与中国气象台等多家单位保持长期合作，三峡水利枢纽梯级调度通信中心建设了一整套气象水文预报系统。 除常规天气预报外，该系统还提供各类灾害性天气的预报、预警服务，为梯级水库枢纽防洪调度及各类应急调度提供支持。 水文预报业务已基本覆盖整个长江上游流域，利用各类模型提供短、中、长期径流预报产品。

调度运行主要包含短期 （3～7 天计划）、中期（旬、月计划）、长期（年计划）调度计划制作及实时运行。 短期调度计划主要以15 分钟为尺度，中期以日为尺度，长期以旬、月为尺度。实时运行主要依据当日计划进行，并根据实际运行水位、 流量等情况对计划实时跟踪修正， 保障梯级水库运行安全及综合效益发挥。目前，调度计划的制作与运行主要依托水调自动化系统及电调自动化系统， 它们是金沙江下游—三峡梯级信息收集分析、 水库综合调度、 电力调度控制以及实施梯级调度业务的综合平台， 但在优化调度与决策支持方面的功能略显不足。

3.存在问题

由于内外部环境不断变化，金沙江下游—三峡梯级水资源管理面临的矛盾愈发突出。

从时间尺度上看，水电系统的调度运行需要在多时间尺度 （包括年、月、旬、日前、日内以及实时尺度）进行统一，要改变以往不同时间尺度计划间彼此割裂的情势。 大尺度计划应为小尺度计划提供边界约束与起讫目标，小尺度计划也应随着调度计划的不断执行为大尺度计划提供反馈，在保证大尺度调度目标完成的情况下， 不断修正未来小尺度调度计划。仅从发电调度的角度看，长、中、短期调度计划的耦合嵌套研究需求十分迫切。

从空间尺度上看，水电系统涉及不同区域、不同流域、不同梯级、不同电站甚至不同电站厂房之间（如溪洛渡左右岸分厂）的调度协同。 仅从水力联系来看，金沙江下游—三峡梯级电站的来水受到金沙江中游、 雅砻江、岷江、嘉陵江、乌江等流域梯级的调度影响，上游水库群未来调度计划的未知性，为下游梯级调度计划制定带来极大困难；径流在河道传播的水力学特征不确定，也为下游梯级的调度计划带来了较大误差。 此外，考虑到电网条件，不同区域甚至厂站之间的发电计划如何协调，也是在库群调度运行中需要考虑的问题。

从目标维度上看，水电系统涉及防洪、发电、航运、生态、供水等不同调度目标间的平衡，还涉及不同利益主体（不同流域梯级）之间的协调。 近年，防洪调度要求愈发严格，如何在汛限水位严监管的条件下，满足水库航运、生态、供水等多目标需求，充分发挥金沙江下游—三峡梯级间的联合优化调度潜力，进行水库群综合效益最优的调度研究显得尤为重要。

综上，科学有效的水资源调度方案将能有效指导水库群安全稳定运行，保障水库综合效益充分发挥。 金沙江下游—三峡梯级水资源管理决策支持系统作为水调系统、电调系统的有效补充，其设计开发显得尤为必要。 为达到以上建设目标，该系统涵盖了水库河道仿真模拟、梯级水库群长中短期优化调度、预报及调度运行评估、业务场景与应用示范等四大基本模块，系统功能结构如图1 所示。

三、关键技术

根据金沙江下游—三峡梯级水资源管理面临的突出问题，金沙江下游—三峡梯级水资源管理决策支持系统从巨型水电能源数据整编、上游水库群智能模拟、 河道水动力学模拟、长中短期优化调度、预报调度效益评估、 多业务嵌套重构等6 个方面，系统总结了6 大关键技术。

1.巨型水电能源系统多源异构数据收集与处理

水库群的水资源管理涉及众多要素，包括流域气象水文、电站调度运行、电网负荷等结构化数据，以及调度规程、调度指令、生态调度方案等非结构化数据。 决策支持系统以水电能源系统中水文气象要素、社会经济情景等海量多源异构数据 （信息）为主要对象，系统研究了水电能源大数据的清洗、融合方法，智能辨析数据的准确性和完备性，并制定了统一的数据存储格式和调用方法，为后续调度业务提供数据支撑。

2.长江上游水库群调度智能模拟

为考虑上游水库群调蓄影响，在梯级水库群间现有调度计划共享不够全面的背景下，基于上游水电站的历史运行数据，通过径向基神经网络（RBF）、深度神经网络（DNN）等方法，提取上游水库群的调度规则，在调度计划制作中分析预测上游水电站最可能的蓄泄规律，为下游电站调度运行提供参考。 同时，考虑到上游电站的建设进程，针对两河口等即将投产的电站， 设计了动态增减水电站、调度规则训练以及提取的功能。

3.河道水文过程及水库下游泄水波演进模拟

当涉及上下游电站联合调度时，电站间水力联系的解析是难点问题，上游电站的下泄流量何时到达下游，下游电站的库水位对上游电站的尾水位有何影响，在水库精细化调度中尤为重要。 针对此问题，决策支持系统通过将长河段划分成若干子河段，对每一子河段分别建立一维水动力学模型，以实测断面地形、水文站实测水文过程等为基础， 率定模型参数，模拟计算不同条件下河道断面的水力过程，实现流域水动力过程的仿真模拟。 通过系统探究梯级电站不同运行条件对水文过程和下游电站入库流量影响，研究建库后坝址间、库区内、河道内洪水传播规律，在实现给定边界条件和调度方案的前提下出入库流量和沿程水面线的仿真，为短期及实时精细化调度提供输入，也为三峡水库库尾淹没分析提供依据。

4.流域梯级水电站群长中短期嵌套联合发电优化调度

立足实际业务需求与约束，将运行方式、电力市场、环境保护、应急调度等多维约束模型化，有效提升优化模型的生产应用价值与功能拓展空间。 在此基础上，探究中长期调度与短期调度耦合嵌套模式，建立了梯级水电站群不同时间尺度调度模型耦合嵌套方法，实现了上下层模型间的“控制”和“反馈”功能。 “控制”表现为上层模型为下层模型提供调度期初末的控制水位约束；“反馈”表现为以实际出现的当前水位为起调水位，调整后续余留期的优化调度方案。 充分利用实际运行和最新预报信息，尽可能减小计划与实际运行偏差，将相互割裂的年、月、日计划进行整合。

图1 金沙江下游—三峡梯级水资源管理决策支持系统结构图

5.预报调度效益定量评估指标及后评估体系

水库调度涉及对历史过程的复盘分析、总结提炼，对当前过程的实时监视、风险评估，对未来计划的改进修正、不断挖潜。实现上述目标首先需要研究提出预报调度效益定量评估指标，建立相关评估体系。决策支持系统综合考虑流域、电站、机组等多层级的经济、安全、优化性能和可靠性综合评估指标集， 构建了可反映梯级水库群综合调度效益指标层次的优化方案评价指标体系。 通过制定不同的计算基准，提出定量评估防洪、发电等调度效益中人为与自然因素影响的方法，回答这样一个问题： 梯级电站发电量年年攀升，究竟有多少归功于优化调度，有多少归功于来水偏丰影响。

6.流域一体化水资源管理模式下多业务嵌套重构

该技术针对场次洪水、应急调度等不同调度事件，以及消落期、蓄水期、汛期等不同调度时期，以上游水库群智能模拟、洪水传播、库群调度等模型方法为基础，重构相关业务流程，打通流域一体化水资源管理模式链条，满足不同调度需求。

以场次洪水调度场景为例。 首先， 在流域一体化水资源管理的视角下， 进行上游水库群调度运行模拟， 再结合上游水库群调蓄影响进行洪水传播模拟， 分析关键断面实时水位以及当前水位距移民参考线的距离， 并对有淹没危险的断面进行提醒警告。 在以上两步分析的基础上， 进行多方案的水库调度方案制作。 最后，利用预报调度评估体系进行不同调度方案的评估对比，最终制定该场次洪水的调度方案。 用户只需一次操作， 系统即可完成上述完整场景的生成， 为业务人员提供全面决策。

四、展 望

受制于技术水平与研究格局，当前研究仍有较多不足，后续研究工作可从以下方面开展。 首先，进行长江上游流域水库群联合优化调度研究。目前研究工作仅采用数据挖掘等多种方法分析了上游水库群联合调度情景， 将其作为边界输入金沙江下游—三峡梯级水库的联合优化调度模型。 其次， 充分考虑电力市场影响。 随着我国电力市场改革相关工作不断推进， 未来需深化联合优化调度与电力市场的结合， 研究考虑电网负荷需求及电量现货交易的发电优化调度。