清江来水对葛洲坝水电站调度策略影响研究

庞树森， 张 俊， 张玉松， 彭付近， 黄 斌， 吕祥熙

(1.中国长江电力股份有限公司， 湖北 宜昌 443002； 2.长江水利委员会水文局，湖北 武汉 430010； 3.宜昌市水文局， 湖北 宜昌 443000)

1 研究背景

葛洲坝水电站为低水头、径流式水电站，电站发电水头维持在15～27 m，其实时调度的难点之一是无法准确计算机组发电水头的变化，主要原因是因为葛洲坝水电站下游水位变化具有不确定性。影响葛洲坝水电站下游水位变化的因素主要有：(1)电站实时调度出库流量，造成水库下游水位变化，短时间内无法达到稳定状态，当水电站配合电网进行调峰或者操作泄水闸门后，水电站出库流量短时间内发生较大变化，需要3～5 h才能达到稳定状态[1-2]；(2)下游干、支流来水对水电站下游产生顶托作用[3]，从而使下游来水直接影响水电站水头的变化，影响机组的发电效率，从而影响水电站的全厂出力。因此下游来水的顶托作用成为葛洲坝水电站调度中需要考虑的重要影响因素。图1为长江与清江相对地理位置及相关河段水电站分布。

图1 长江与清江相对地理位置及相关河段水电站分布

由图1可知，葛洲坝水电站与清江和长江交汇口的距离仅40 km，其调度易受到下游清江来水的顶托影响，在回水影响下水电站下游的水位与流量关系将发生显著变化[4-5]，增加了水电站调度的难度。水库下游水位变化一直是制约水库精准调度的主要因素[6-8]，国内对顶托作用的影响研究主要集中在常规河道上下游水位对上游水位影响分析上[9-12]，随着水能资源的大力开发，水电站的调度运行工作受到极大的重视，许多学者也采用不同的方法对水电站下游水位受回水顶托作用的影响进行研究，吴垠等[13]分别研究了岷江、横江单独涨水对向家坝水电站的顶托作用，得到了金沙江、岷江、横江流量3个参数的关系；邴建平等[14]采用统计分析的方法得到了受雅砻江顶托影响下的银江水电站坝址复杂的水位流量关系；曹辉等[15]对在建的白鹤滩工程受下游溪洛渡水电站回水的影响进行了研究，表明溪洛渡不同蓄水水位对白鹤滩工程下游水位有不同的影响；李亚莉[16]利用多种方法充分分析了安康水电站受下游回水顶托作用对发电量的影响，得到了顶托作用下的发电影响量。

长江干流上的葛洲坝水电站，机组发电水头小，水位变化对机组发电影响大，全厂发电量也随之波动，因此有必要研究清江来水对葛洲坝水电站下游水位的影响，以提高葛洲坝水电站实时调度和发电计划的制定精度。本文采用宜昌水文站作为葛洲坝水电站下游水位变化的代表站，利用清江高坝洲水库下游高坝洲站作为清江来水的代表站，分析清江来水对宜昌站水位的顶托影响，研究葛洲坝水电站下游水位变化规律，为葛洲坝水电站调度策略提供参考。

2 清江来水对宜昌站的顶托作用

清江流域内主汛期降雨较多，多年平均降雨量为1 460 mm，高坝洲站多年平均流量为356 m3/s。清江流域内从上到下的主要控制性水库有水布垭、隔河岩、高坝洲3座水库[17]，该3座梯级水库的运行调度在一定程度上改变了清江流域水量时空分布。

为探讨清江来水对宜昌站的顶托影响，本文首先拟合稳定流的宜昌站水位流量关系，通过历史数据的分析，结合水位流量关系曲线对比研究清江来水对宜昌站的顶托作用。

2.1 稳定流下宜昌站水位-流量关系

清江来水流量在2 000 m3/s时对宜昌站水位有顶托影响[3]，清江流量汇入长江，约3 h后对宜昌站水位产生顶托作用，考虑实时调度的时效性，本文采用宜昌站与高坝洲站同时刻水位流量数据进行分析。

考虑水电站调峰对下游水位流量关系的影响[18-20]，选取葛洲坝水电站调峰结束3 h以后宜昌站实测水位、流量稳定数据，拟合清江来水流量小于2 000 m3/s的宜昌站水位-流量曲线，认为该曲线对应的即为宜昌站不受清江来水顶托影响的水位-流量关系曲线；拟合清江来水流量大于2 000 m3/s的宜昌站水位-流量曲线，认为该曲线对应的即为宜昌站可能受清江来水顶托影响的水位-流量关系曲线。图2为清江不同来流量下拟合的宜昌站稳定流水位-流量关系曲线以及设计曲线。

图2 清江不同来流量下拟合的宜昌站稳定流水位-流量关系曲线以及设计曲线

通过实测数据分别拟合清江来水流量小于2 000 m3/s和大于2 000 m3/s时的多项式曲线，得到R2分别为 0.999 0以及0.998 9，说明拟合效果较好。以实测数据(清江流量小于2 000 m3/s)拟合的曲线与宜昌站设计曲线对比，当宜昌站流量小于3 000 m3/s时，两条曲线基本一致，说明当清江流量小于2 000 m3/s，宜昌站水位未出现明显的顶托。清江来水流量大于2 000 m3/s时，拟合的曲线在其他两条曲线的上方，说明顶托作用明显。

2.2 宜昌站水位顶托量与清江来水流量关系

选取宜昌站水文站实测流量资料，根据近20年50场次清江来水过程，拟合清江来水流量小于2 000 m3/s时宜昌站稳定流下的水位流量关系，根据宜昌站实测流量按水位流量综合线查算水位，认为该水位即代表宜昌站不受清江来水顶托影响下的水位。当清江来水流量大于2 000 m3/s时对应的宜昌站实测水位与该水位之差即为宜昌站水位的顶托量。表1给出了宜昌站不同流量时，清江不同来流量(高坝洲流量)对应的水位顶托影响量。

表1 宜昌站不同流量时受清江不同来流量的水位顶托影响量

由表1可看出，在宜昌站流量维持不变时，随着清江来水流量的增大，其顶托作用也逐渐增加，顶托影响量与清江流量呈正比例关系；当清江流量相对稳定时，随着宜昌站流量的增加，顶托作用逐渐减小，顶托影响量与宜昌站流量呈反比。

3 清江来流量对葛洲坝水电站的调度影响分析

3.1 对葛洲坝水电站发电出力的影响

清江来水对宜昌站产生顶托作用，从而影响葛洲坝水电站的发电水头，继而影响其发电出力。不同清江来流量对宜昌站的顶托对葛洲坝发电出力有不同影响，以葛洲坝水库上游水位65.0 m为例，分别计算葛洲坝水电站出库流量在8 000～40 000 m3/s时，葛洲坝水电站未受清江来水顶托影响和受清江顶托影响的全厂出力，两者差值为葛洲坝水电站受不同清江来流量影响的损失出力，据此分析葛洲坝水电站损失出力与清江来水的关系。宜昌站不同流量下葛洲坝水电站受清江来流量影响的出力损失见图3。

图3 宜昌站不同流量下葛洲坝水电站受清江来流量影响的出力损失(上游水位65.0 m)(流量单位：m3/s)

分析图3可知，在宜昌站任一流量下，随着清江来流量的增加，葛洲坝水电站下游水位所受的顶托作用越明显，机组水头损失越大，电站出力损失越大。葛洲坝水电站机组满发流量约为20 000 m3/s，当葛洲坝水电站出库流量小于水电站满发流量时，相同清江来流量下，随着出库流量的增加，电站损失出力不断增大；当葛洲坝水电站出库流量大于电站满发流量时，清江来水流量相同的情况下，随着葛洲坝电站出库流量的增加，发电水头减少，电站总出力减少(如图4所示)，受此影响，葛洲坝水电站损失出力反而减小。当葛洲坝水电站出库流量等于满发流量时，受清江来水影响损失出力最大，最大损失出力可达26×104kW。

图4 2020年葛洲坝水电站日均发电出力-出库流量关系曲线

3.2 对葛洲坝电站调度策略的影响

当清江来水流量不大于2 000 m3/s时，葛洲坝下游水位不受清江来水顶托影响，葛洲坝水电站可按调度规程正常调度运行；当预测清江来流量将大于2 000 m3/s时，需要考虑清江对葛洲坝电站调度的影响。

(1)发电计划制定上，根据清江流域梯级水库预见期内的调度计划，考虑葛洲坝水电站受清江来水的影响时长以及顶托作用产生的损失出力，减掉该损失后制定全厂发电计划。

(2)实时调度上，根据水库上游水位变化趋势，计算电站出库流量，考虑葛洲坝水电站未来3 h受下游清江顶托的影响，实时修正发电计划时充分考虑损失出力，以此核算需要修改的出力值。

(3)需要联合三峡水电站优化调度，优化葛洲坝水库运行水位[21]，通过适当提高库水位和减小发电机组耗水率，增加全厂发电能力，从而减少清江来水顶托的不利影响。

(4)当预判清江来水流量将造成葛洲坝水电站出现较大损失出力时，及时沟通电网部门，预判并核减全厂出力，保证电网系统稳定安全。

4 结 论

(1)当清江来流量大于2 000 m3/s时，清江来水开始对葛洲坝下游水位产生顶托作用，影响葛洲坝水电站的调度。顶托水位影响量随着清江来水的增加而增加，随着宜昌站流量的增加而减少。

(2)由于清江来水产生的顶托量会对葛洲坝水电站出力产生影响，由此产生的葛洲坝水电站出力损失随着清江来水的增加而增大，随着电站出库流量的增加先增加后减少。清江来流量相同，出库流量达到约20 000 m3/s时，葛洲坝水电站的损失出力最大。

(3)葛洲坝水电站调度需要充分考虑清江来水的顶托影响，当出现顶托时，发电计划制定和实时调度中都应该考虑顶托影响量带来的损失出力。

(4)本文未充分考虑水电站应急调度、电网调峰，闸门启闭时效、应急保电等原因引起的短时增减出库流量对宜昌站水位-流量关系的影响，这些因素的变化也均会引起下游水位的变化。今后需要重点从以上方面综合分析宜昌站的水位-流量关系以及各种因素对顶托的影响量。

(5)研究成果可为葛洲坝水电站调度运行策略提供参考依据。随着水库运行及河道整治工程的开展，河道水位-流量关系会不断发生变化，清江梯级水库的联合优化调度运行也将引起清江来流量的变化，研究成果需要在水文观测及水库调度数据进一步丰富的基础上，随着研究方法的进步做进一步完善。