雅砻江和金沙江中下游梯级水库联合优化调度建模及应用Ⅱ——联合优化调度规则分析

张海荣，姚华明，汤正阳，吴碧琼，信天旗

(1.中国长江电力股份有限公司 智慧长江与水电科学湖北省重点实验室，湖北 宜昌 443133；2.大连理工大学 水资源与防洪研究所，辽宁 大连 116024)

1 研究背景

水库优化调度是运用系统工程的理论和最优化技术，寻求最优运行策略及相应决策的一种过程，“雅砻江和金沙江中下游梯级水库联合优化调度建模及应用Ⅰ——联合优化调度潜力分析”已经根据求解问题，建立相应的调度模型，并进行了模型的求解方法研究，主要建立在实测径流资料已知的基础之上。但在水库实际运行中，未来径流变化不可能重复以往的径流序列，优化调度所得到的运行策略无法直接运用，因此需对优化调度成果进行综合分析，探究其内在规律，提炼出可指导水库实际运行的调度规则。

调度规则是指导库群系统联合优化调度的关键工具，也是确定库群蓄放水次序的重要依据，通常依据当前时段的水文状况，对水库下泄流量、出力负荷要求等做出合理的决策，以达到能长期运行的理想状态[1]。针对联合优化调度规则提取，众多研究在确定性优化调度的基础上，通过调度函数或调度图等其他形式，拟合回归出一定的调度规则，用以指导径流未知情景下的水库调度。如丁毅等[2]以长江上游水库群为对象，系统探讨了水库群综合调度需求，初步提出了联合优化调度的原则、方式和方案；李安强等[3]以溪洛渡、向家坝和三峡水库为对象，提出了三库防洪库容在协调川江与长江中下游区域防洪中的分配方案及三峡水库防洪优化调度方式；康玲等[4]以长江上游水库群为对象，提出了非线性安全度策略，使各水库的防洪库容均衡地被使用，充分发挥了水库群的防洪效益。其中，调度图由于其简单直观、易于操作，在调度规则提取中得到了广泛应用，如张双虎等[5]提出了一种结合遗传算法与系统模拟来制定梯级水库优化调度图的理论及方法，直接以调度图基本轨线为决策变量，指导水库运行，并且可将其推广到兼顾防洪、发电和供水的多目标综合利用水库群；郭旭宁等[6]构建虚拟聚合水库，通过模拟-优化方法构建水库调度图，验证了库群联合调度的合理性，并且根据聚合水库的水量平衡关系与聚合水库调度图中供水限制线的位置关系，确定水库群的供水任务；朱金峰等[7]考虑生态流量目标需求，构建模型，得到了水库群的分级调度准则和优化调度图，并提出了重要水库生态用水的调度规则；许子宽等[8]综合考虑多方面用水，构建水库群联合调度图，提出了具体的供水方案。

当前，长江上游流域已经形成众多巨型水库群混连的调度格局，相关上游水库群配合三峡水库，汛前有序消落、汛后渐次蓄水，对于保障长江中下游防洪安全、充分发挥水库群发电效益具有重要意义。针对长江流域水库群的蓄放水规律研究，我国学者取得了众多成果。何小聪等[9]以三峡、溪洛渡、向家坝水库为对象，以“同步拦蓄”的不足为基础，提出了更具防洪效益的“等比例蓄水”方法；黄草等[10]以长江上游15座大型水库组成的库群为研究对象，提出了该库群在长系列、多目标的条件下的调度规则，并得出库群在考虑多目标的状况下，优化的蓄放水次序在多年长系列上具有统计规律；骆光磊等[11]提出了水库群运行自适应矩估计改进深度神经网络模拟方法，改善参数训练方式，得出了该方法与传统方法相比能更好地模拟库群的运行过程，获取上游库群的下泄计划。

目前，针对金中、雅砻江和金下梯级水库的调度规则以及蓄放水次序研究尚未见诸报端，该区域的水库运行缺少合理的策略，本文在“金中、雅砻江梯级水库与金下梯级联合优化调度建模及应用Ⅰ——联合优化调度潜力分析”研究成果的基础上，进行金中、雅砻江和金下梯级中龙盘、两河口、锦屏一级、二滩、乌东德、白鹤滩、溪洛渡、向家坝8座拥有较强调节能力的电站的优化调度图的绘制，并进一步对相关子流域多年平均逐月调蓄水量和水位进行了对比分析，最后对相关电站的汛前消落和汛末蓄水次序进行了分析。

2 研究电站介绍

雅砻江、金沙江中游与金沙江下游主要电站分布见图1，梯级电站库容与装机容量见表1。

图1 雅砻江、金中与金下主要电站分布Fig.1 Distribution of main power stations on YalongRiver and the middle and downstream of Jinsha River

表1 雅砻江、金中与金下梯级电站库容与装机容量Table 1 Storage capacity and installed capacity ofcascade hydropower stations on Yalong River andthe middle and downstream of Jinsha River

3 联合优化调度图绘制

水库发电调度图是根据河川径流特性及电力系统和综合用水部门要求编制而成的曲线图，以时间为横坐标，水位为纵坐标，由一些控制指示线将不同时期水库水位划分为不同的调度出力区域，它综合反映了各种来水条件下的水库调度规则，是指导水电站水库经济运行的实用工具[12]。目前，用调度图表示库群联合调度规则的方法大致有如下4种：①在单库调度图上增设联合调度线，各水库调度任务由水位与联合调度线间的相对位置决定；②通过制定联合调度规则，将各水库单库调度图有机结合实现联合调度；③将库群等效为聚合水库，依据总体蓄水量确定调度任务，通过分水规则实现库群间水量分配；④对于双库调度系统，通过绘制二维调度图实现双库优化调度[13-14]。

图2 金中、雅砻江和金下梯级相关水库优化调度图Fig.2 Optimal operation diagram of cascade reservoirs on Yalong River and the middle and downstream of Jinsha River

本文根据“雅砻江梯级水库与金沙江中下梯级水库联合优化调度建模及应用Ⅰ——联合优化调度潜力分析”中联合优化调度结果，提取联合调度规则，将各水库单独调度图有机结合实现联合调度,通过将各水库1956—2010年多年优化水位进行排频，根据不同置信区间求取水位包络线，绘制单库调度运行区间，并结合联合调度规则实现库群的联合调度。具体方法如下：

(2)

式中：δit为电站i第t个调度时段运行水位的标准差；n为电站数量；N为研究时段总年份数；T为年内调度时段数。

4 结果分析

4.1 金中、雅砻江和金下梯级主要电站联合优化调度图

龙盘、两河口、锦屏一级、二滩、乌东德、白鹤滩、溪洛渡、向家坝这8座拥有较强调节能力的电站调度方案如图2所示。非汛期，多数水库的50%分位包络线、5%分位包络线和95%分位包络线重合在水库正常运行水位，如锦屏一级、二滩、乌东德、溪洛渡和向家坝，利用当前时段的入库流量，尽量保持高水位运行。汛期，在水库运行水位区间约束内，部分龙头水库如龙盘、两河口水库，通过运用其防洪库容有效拦蓄洪水，可极大地减小下游梯级电站的弃水，增加流域整体发电量。

4.2 调蓄水量与运行水位分析

表2和表3给出了金中、雅砻江、金下在单独调度与联合调度两种情形下，3个子流域多年平均的逐月调蓄水量(负值为向下游补水，正值为蓄水)和水位对比情况(水位差值 = 单独调度水位-联合调度水位)。

表2 金中、雅砻江、金下调蓄水量对比Table 2 Comparison of water storage among Yalong Riverand the middle and downstream Jinsha River 亿m3

表3 金中、雅砻江、金下运行水位对比Table 3 Comparison of operational water level among Yalong River and the middle and downstream Jinsha River m

从表2可知，通过水库群联合调度，金中、雅砻江在1—4月份向下游补水显著，将更多的水量供给下游金下梯级发电，而金下梯级在此期间基本保持蓄泄平衡，维持高水位运行，利用上游来水尽可能地增加发电量。而在7—9月份汛期阶段，联合优化调度情形下，金中、雅砻江梯级拦蓄洪水效益显著，减轻了下游金下梯级弃水风险。

从表3可知，联合调度情形下，1—5月份金中、雅砻江梯级平均水位下降显著，而金下梯级水位相较于单独调度有一定上升，维持了金下梯级高水头运行，而在汛期阶段，金中、雅砻江水位有较大回升，拦蓄了较多洪水，保障了下游金下梯级的安全稳定运行。

4.3 汛前消落次序

基于水库群联合优化调度结果，以金中、雅砻江和金下梯级中龙盘、两河口等8座拥有较强调节能力的电站为研究对象，统计其汛前消落次序及其发生频率，如表4所示。

表4 汛前消落次序及其发生频率Table 4 Sequences and frequency of water releasingof reservoirs before flood season

从表4可以看出，各水库汛前消落次序宜为：两河口—龙盘—锦屏一级—二滩—向家坝—白鹤滩—溪洛渡—乌东德，总体思路为上游水库优先消落，尽可能地保持下游溪洛渡、乌东德等电站高水位运行，提高流域整体发电效益。

进一步，以1964年、1970年和1971年3种典型年逐年分析各骨干水库的消落时间如图3所示。由于地理位置、水文条件和水库功能各异，各电站在不同年份的消落时间不尽相同，两河口和龙盘分属雅砻江与金沙江中游的龙头水库，消落开始时间较早，分别为上年12月份和当年1月份，锦屏一级和二滩的消落时间为当年3月份，金中四库的消落时间集中在当年5—6月份。

图3 各电站汛前消落开始时间Fig.3 Starting time of water releasing of each powerstation before flood season

4.4 汛末蓄水次序

金中、雅砻江和金下梯级中龙盘、两河口等8座电站汛末蓄水次序及其发生频率如表5所示。

表5 汛末蓄水次序及其发生频率Table 5 Sequences and frequency of water storageat the end of flood season

从表5中可以看出，各水库汛末蓄水次序宜为：锦屏一级—龙盘/二滩—两河口—乌东德—白鹤滩/溪洛渡—向家坝，总体思路为上游水库提前蓄水，减轻下游水库防洪压力，减小弃水损失。

图4给出了25%(1964年)、50%(1970年)、75%(1971年)3种频率的发电典型年下，各骨干水库汛末蓄水开始时间。锦屏一级、龙盘和二滩电站蓄水开始时间集中在当年6月份，两河口蓄水开始时间为7月份，乌东德、白鹤滩和溪洛渡电站蓄水时间集中在8月下旬和9月下旬，向家坝电站蓄水时间为9月下旬。同时，来水偏丰年份的蓄水时间相应有所推迟。

图4 各电站汛末蓄水开始时间Fig.4 Starting time of water storage of each powerstation at the end of flood season

5 结 语

针对金中、雅砻江梯级水库与金下梯级水库联合调度规则提取问题，以金中、雅砻江梯级水库与金下梯级水库的联合发电调度成果为基础，探究了梯级上下游水库间和不同梯级间的运行规律，形成了联合优化调度图。通过对比单独调度与联合优化调度前后调蓄水量与运行水位可知，联合优化调度情形下，金中、雅砻江在1—4月份向下游补水显著，将更多的水量供给下游金下梯级发电，梯级平均水位下降显著。而金下梯级在此期间基本保持蓄泄平衡，维持高水位运行，利用上游来水尽可能地增加发电量。而在7—9月份汛期阶段，金中、雅砻江梯级拦蓄洪水效益显著，水位有较大回升，减轻了下游金下梯级弃水风险。

通过统计分析金中、雅砻江和金下梯级中龙盘、两河口等8座拥有较强调节能力的电站蓄放水次序，汛前各水库消落次序宜为：两河口—龙盘—锦屏一级—二滩—向家坝—白鹤滩—溪洛渡—乌东德。两河口和龙盘消落开始时间分别为上年12月份和当年1月份，锦屏一级和二滩的消落时间为当年3月份，金中四库的消落时间集中在当年5月份；汛末各水库蓄水次序宜为：锦屏一级—龙盘/二滩—两河口—乌东德—白鹤滩、溪洛渡—向家坝。锦屏一级、龙盘和二滩电站蓄水开始时间集中在当年6月份，两河口蓄水开始时间为7月份，乌东德、白鹤滩和溪洛渡电站蓄水时间集中在8月下旬和9月下旬，向家坝电站蓄水时间为9月下旬，流域内其他电站可根据其龙头水库的运行情况，依据调度图灵活控制。