金沙江下游-三峡梯级水库不同时期调度策略研究

2022-11-23李天成

水利水电快报 2022年10期

李鹏，李天成

(1.三峡水利枢纽梯级调度通信中心，湖北宜昌 443002； 2.智慧长江与水电科学湖北省重点实验室，湖北宜昌 443002)

0 引言

乌东德、白鹤滩、溪洛渡、向家坝水电站为川渝河段及长江中下游防洪的骨干工程，是“西电东送”的骨干电源点。三峡工程是长江治理与保护的关键性骨干工程，是中国“西电东送”和“南北互供”的骨干电源点。葛洲坝水电站是径流式电站，主要任务是对三峡水利枢纽日调节下泄的非恒定流过程进行反调节。梯级6座电站水库总防洪库容376.43亿m3，总装机容量7 003.5万kW，包含5座世界排名前12的水电站，送电区域包括华东、华中、华南、西南等区域，覆盖了半个中国(表1)[1-2]。梯级电站分布区域和规模居世界同类企业之首，调度较为复杂。当前，乌东德、白鹤滩水电站尚未全面投入正常运行，因此，提前研究未来梯级6座电站全面正常运行后不同调度时期的调度运行策略十分必要。

1 梯级水库运行节点

水库调度规程是指导梯级水库运行的基本依据[3]。调度规程规定溪洛渡水库、向家坝水库和三峡水库的运行节点如表1。

表1 梯级各电站基本情况Tab.1 Basic information of cascade power stations

(1) 溪洛渡水库水位6月底需降至560 m以下，7月1日至9月10日按防洪限制水位560 m控制运行，当需要水库防洪运用时，按防汛主管部门的调度指令实施防洪调度。根据全流域来水情况，宜在9月底前蓄至正常蓄水位600 m，后水库进入供水期，统筹考虑供水期整体效益，合理确定消落供水期水库水位。

(2) 向家坝水库水位6月底需降至防洪限制水位370 m，7月1日至9月10日按370 m控制运行，当需要水库防洪运用时，按防汛主管部门的调度指令实施防洪调度。一般情况下，向家坝水库自9月11日开始蓄水，9月底前可蓄至正常蓄水位380 m；10～12月，水库水位一般维持380 m运行，1月开始进入水库供水期，水库水位逐步消落。

(3) 三峡水库水位4月末不低于枯期消落低水位155 m，5月25日不高于155 m，6月10日消落至防洪限制水位145 m；汛期水位按防洪限制水位145 m控制运行，实时调度库水位可在防洪限制水位上下一定范围内变动；6月11日至8月20日，当实时入库流量小于28 000 m3/s、预报未来3 d入库流量均不大于30 000 m3/s，且沙市站、城陵矶(莲花塘)站水位分别在41.0 m、30.5 m以下、预报洞庭湖水系未来3 d无中等强度以上降雨过程时，库水位可在144.9～148.0 m之间浮动；8月21日至9月10日，当预报入库流量不超过55 000 m3/s，且沙市站、城陵矶(莲花塘)站水位分别低于40.3 m、30.4 m，三峡水库水位可适当上浮，一般情况下不超过150 m；结合防洪抗旱形势需要，经水利部和长江水利委员会同意，9月1日后可逐渐抬升水位，9月10日可控制在150～155 m；水库蓄水时间不早于9月10日，一般情况下9月底控制水位162 m，视来水情况可调整至165 m，10月底可蓄至175 m；后水库进入供水期，在综合考虑航运、水生态发电、水资源需求条件下逐步消落。

在实际调度中，梯级水库调度应以调度规程为基础，结合实际情况需求，科学合理地开展优化调度。

2 消落期调度实践

2.1 梯级水库整体消落进程

梯级水库消落期往往伴随着电站机组检修、外送线路检修、生态调度等多项需求，同时需兼顾水库岸边坡稳定及特殊应急调度等。因此，梯级水库消落期调度的总体原则为保证枯水期生态供水前提下，满足下游河道航运、生态、工程施工、电网运行、库岸稳定、应急调度等综合利用需求，合理利用水资源。

根据梯级水库调度规程，通常情况下溪洛渡水库供水时期为12月下旬至6月，向家坝水库供水时期为1～6月，三峡水库供水时期为1月至6月上旬。统计近5 a消落期溪洛渡水库、向家坝水库(以下简称“溪向”)-三峡水库、葛洲坝水库(以下简称“三葛”)梯级水库水位运行情况(图1～3)。

图1 溪洛渡水库近5 a消落期运行过程Fig.1 Operation process of Xiluodu Reservoir during the falling stage in recent 5 years

图2 向家坝水库近5 a消落期运行过程Fig.2 Operation process of Xiangjiaba Reservoir during the falling stage in recent 5 years

图3 三峡水库近5 a消落期运行过程Fig.3 Operation process of the Three Gorges Reservoir during the falling stage in recent 5 years

从近5 a梯级水库消落期运行实况可以看出：由于电网对三峡水电站顶峰保电的高要求，消落前期通常需要长时间维持较高水位运行。因此，三峡水库会伴随着明显的消落后期集中消落情况出现；从梯级水库联合消落层面考虑，通常会安排溪洛渡、向家坝水库早于三峡水库开始消落，从一定程度上减缓三峡水库集中消落的压力，且三峡水库在高水头时期，金沙江下游梯级水库进行消落，从水头效益层面上考虑，有利于梯级水库的整体发电效益。

在各水库消落调度方面，溪洛渡水库4月底基本消落至570 m左右，4月底前考虑外送线路检修及电网保供需求，水库整体缓步消落；5月水库加快集中消落，考虑机组运行工况及库岸边坡稳定，5月底水库水位基本消落至545～550 m，2021年受白鹤滩水库蓄水影响，水库水位消落至540 m附近。

向家坝水库调节能力有限，受溪洛渡水库消落及自身外送线路检修影响，消落期间水库水位运行规律性相对不强，时常有水库水位反复回蓄情况出现；5月中旬至6月下旬，向家坝水库整体处于集中消落时期，水库水位于6月下旬基本消落至371 m附近。

三峡水库消落规律较为明显，整体上1～4月水库水位缓步消落，控制4月底水位不低于155 m，5月至6月10日为集中消落期，水库水位加快消落，控制5月25日水位不高于155 m，6月10日水位消落至145 m附近。

2.2 梯级水库消落期典型调度过程

梯级水库消落期，除了应急调度之外，较为常见的典型调度包括保电调度、生态调度及向家坝反调节调度。从图1～3可以看出，2018年梯级水库消落过程部分时段较历年偏差较大，因此本文选取2018年进行典型调度过程分析。

2.2.1 保电调度

2018年2月上旬之前，受寒潮影响，电网电力负荷需求较大，溪洛渡电站持续加大出力为电网实施保电调度，全厂出力从350万kW最高调增至750万kW，并且长时间维持在550万kW以上运行。对应溪洛渡水库日均出库流量长时间维持在3 000～4 000 m3/s之间波动，水库水位迅速消落，2月12日水库水位最低消落至569.88 m，1月至2月上旬溪洛渡水电站全厂平均出力约570万kW，较近5 a历史同期均值偏大约100万kW。随着气温回暖及用电负荷降低影响，水位有所回升，调度过程见图4。

图4 2018年溪洛渡水库调度运行过程Fig.4 Xiluodu Reservoir dispatching operation process in 2018

三峡水库水位2018年年初173.72 m，1月上中旬受寒潮影响，电网电力负荷需求较大，持续加大出力为电网实施保电调度，全厂出力持续维持在680万kW以上，对应三峡水库的日均出库流量维持在7 000～8 000 m3/s之间波动；2月22日起，受寒潮加剧影响，全厂出力最大增加至约960万kW，对应日均出库流量约9 800 m3/s，1月末库水位消落至171.88 m。2月寒潮持续，上旬全厂出力基本维持在800万kW以上，对应出库流量基本维持在8 000 m3/s以上，水位持续下降，1月至2月上旬三峡水电站全厂平均出力约780万kW，较近5 a历史同期均值偏大约60万kW；春节期间出库虽降至约6 500 m3/s，但入库减小至约4 100 m3/s，水位继续下降，至2月末降至166.29 m。3月寒潮基本结束，但受3月3～21日期间保电影响，三峡水库日均出库维持在7 500 m3/s左右，水库水位进一步消落至21日161.79 m。随着保电期结束，三峡水电站出力逐步减小，库水位有所回升，调度过程见图5。

图5 2018年三峡水库调度运行过程Fig.5 Dispatching operation process of Three Gorges Reservoir in 2018

2.2.2 生态调度

5月15～25日，溪洛渡水库、向家坝水库、三峡水库开展了梯级水库联合生态调度。此次生态调度旨在宜宾以下河段制造一场连续的洪水过程，为鱼类繁殖创造适宜的水文、水力条件，促进川江河段和长江中下游河段产漂流性卵鱼类繁殖。溪洛渡-向家坝生态调度时间为5月15～18日，考虑向家坝出库流量到达三峡水库传播时间，根据气象预报，三峡水库生态调度时间为5月19～25日。通过溪洛渡、向家坝水库联合调度，向家坝日均出库流量从3 300 m3/s上涨至4 300 m3/s，流量日涨幅约300 m3/s。由于试验期间向家坝出库流量较大，溪洛渡水库向向家坝水库补水，溪洛渡库水位从562.7 m消落至557.0 m，向家坝库水位从376.9 m消落至375.5 m。三峡水库根据防总调度令，出库流量从14 100 m3/s逐步上涨至24 600 m3/s。梯级水库调度过程见图6～8。

图6 溪洛渡水库生态调度运行过程Fig.6 Operation process of ecological regulation of Xiluodu Reservoir

图7 向家坝水库生态调度运行过程Fig.7 Operation process of ecological regulation of Xiangjiaba Reservoir

图8 三峡水库生态调度运行过程Fig.8 Operation process of ecological regulation of Three Gorges Reservoir

2.2.3 检修协同调度

消落期间溪洛渡、向家坝水库时常面临外送线路检修，尤其是溪洛渡水库外送线路检修期间，电站出力受限，出库流量大幅减小。然而，向家坝水库在消落期承担着对下游航运和生态补水任务，此时往往还需要配合溪洛渡外送线路检修进行反调节，开展梯级水库联合调度，共同保障线路检修的顺利实施。4月1～15日，溪洛渡水电站右岸外送线路牛从直流开展检修工作，期间溪洛渡出库流量大幅减小，最低日均减小至1 700 m3/s。为应对牛从直流检修工作，向家坝水库在牛从直流检修前，抬升水库水位至377.42 m，牛从直流检修期间，配合溪洛渡进行反调节，利用自身库容向下游补水，牛从检修期末水库水位消落至371.15 m。牛从检修结束后，溪洛渡电站恢复出力，增加出库流量，向家坝水库适当减小出库流量，水位适当抬升(图9，10)。

图9 溪洛渡水库联合调度运行过程Fig.9 Joint dispatching operation process of Xiluodu Reservoir

图10 向家坝水库联合调度运行过程Fig.10 Joint dispatching operation process of Xiangjiaba Reservoir

3 汛期调度实践

3.1 梯级水库汛期整体调度过程

汛期梯级水库来水量约占全年来水量的70%，面临巨大防洪压力，调度期内按规程严格执行防洪调度。溪洛渡水库汛期为7月1日至9月10日，水位一般按在汛限水位560 m上下浮动2 m范围内运行。向家坝水库汛期为7月1日至9月10日，水位一般在370.0～372.5 m范围内运行。三峡水库汛期为6月10日至9月10日，根据实时水雨情情况，水库水位一般在144.9～148.0 m之间浮动控制。

统计近5 a汛期溪向-三葛梯级水库水位运行情况见图11～13。

图11 溪洛渡水库近5 a汛期运行过程Fig.11 Operation process of Xiluodu reservoir in flood season in recent 5 years

图12 向家坝水库近5 a汛期运行过程Fig.12 Operation process of Xiangjiaba Reservoir in flood season in recent 5 years

图13 三峡水库近5 a汛期运行过程Fig.13 Operation process of Three Gorges Reservoir in flood season in recent 5 years

从近5 a梯级水库汛期运行实况可以看出，汛期梯级水库为了保障长江中下游河道安全，经常需在防总调度令的指导下实施防洪调度，水库水位被迫上涨，梯级水库汛期实际运行水位往往较汛限水位偏高。在遭遇多场洪水的情况下，水库完成上一场防洪调度后，需尽快采取预泄措施，降低水库水位，预留足够的防洪库容以应对下一场洪水的到来，因此库水位时常有反复涨落的情况出现。在遭遇大洪水时，梯级水库将开展联合防洪调度，共同释放防洪库容，拦蓄洪水，减轻长江中下游防洪压力。

3.2 梯级水库联合防洪调度

汛期梯级水库以自身及长江中下游防洪安全为调度宗旨，严格执行防洪调度指令，必要时开展梯级水库联合防洪调度。本文以2020年第5场编号洪水为例进行调度过程分析。

2020年8月15～20日，受上游流域范围广、强度大、雨区重叠的降水影响，岷江、沱江、涪江、嘉陵江等支流和上游干流来水均居历史前列，上游多站水位和流量出现超警、超保、超历史的情况。8月17日14∶00寸滩站流量50 400 m3/s，长江5号洪水在三峡水库上游形成。承接4号洪水，三峡水库入库流量从8月17日08∶00从47 800 m3/s开始起涨，涨至20日08∶00时洪峰75 000 m3/s，后逐步转退。期间，三峡水库陆续接到3道防洪调度指令，出库流量逐步加大至48 000 m3/s；溪洛渡、向家坝梯级水库配合三峡水库进行联合防洪调度，向家坝水库出库流量减小至6 300 m3/s下泄。此外，乌东德水库在5号洪水期间首次参与防洪调度，利用自身防洪库容抬升水位，拦蓄部分洪量，进一步减小了长江中下游的防洪压力。

此次梯级水库联合防洪调度期间，乌东德水库水位由957.39 m拦蓄至965.41 m，溪洛渡水库水位由580.22 m拦蓄至593.27 m，向家坝水库水位由372.03 m拦蓄至379.70 m，三峡水库水位由157.7 m拦蓄至167.65 m，梯级水库累计拦蓄洪量约137.9亿m3，有效减轻长江中下游的防洪压力。调度过程见图14～16。

图14 溪洛渡水库防洪调度过程Fig.14 Flood control operation process of Xiluodu Reservoir

图15 向家坝水库防洪调度过程Fig.15 Flood control operation process of Xiangjiaba Reservoir

图16 三峡水库防洪调度过程Fig.16 Flood control operation process of Three Gorges Reservoir

4 蓄水期调度实践

4.1 梯级水库蓄水期整体调度过程

随着汛期的结束，梯级水库水位需逐步蓄至正常蓄水位，以应对枯期电网电力供应需求和下游航运、生态等用水需求。溪洛渡水库汛后开始逐步蓄水，宜在9月底前蓄至正常蓄水位600 m；向家坝水库一般自9月11日开始蓄水，9月底前可蓄至正常蓄水位380 m；三峡水库开始兴利蓄水时间一般不早于9月10日，10月底可蓄至正常蓄水位175 m。

统计近5 a蓄水期溪向-三葛梯级水库水位运行情况见图17～19。

图17 溪洛渡水库近5 a蓄水期运行过程Fig.17 Operation process of Xiluodu Reservoir during the storage period of recent 5 years

图18 向家坝水库近5 a蓄水期运行过程Fig.18 Operation process of Xiangjiaba Reservoir during the storage period of recent 5 years

图19 三峡水库近5 a蓄水期运行过程Fig.19 Operation process of Three Gorges Reservoir during the storage period of recent 5 years

从近5 a梯级水库蓄水期运行实况可以看出，蓄水期梯级水库运行规律相对较为明显。考虑到金沙江流域来水规律及梯级水库上下游关系，从梯级水库联合蓄水层面考虑，在梯级水库蓄水阶段，通常会安排溪洛渡、向家坝水库早于三峡水库蓄水，在三峡水库蓄水后期若遭遇较强秋汛，溪-向梯级水库可利用已腾出的调节库容协助三峡水库进行联合调度，顺利完成蓄水任务。

各水库蓄水调度层面上，溪洛渡水库9月上旬末水位基本控制在585～595 m(2019年受汛期运行水位严格不超汛限水位影响，起蓄水位偏低)， 9月底至10月上旬逐步蓄至正常蓄水位。向家坝水库调节能力有限，相较溪洛渡水库而言，水位运行过程波动明显，蓄满时间跨度较长，在9月下旬至10月上旬之间。三峡水库9月上旬末水位基本控制在155～165 m之间(2019年水位偏低原因同溪洛渡水库)，后续逐步抬升水位，基本于10月底前后蓄至正常蓄水位。

4.2 中小洪水联合优化调度

汛末蓄水时期遭遇中小洪水时，在保障梯级枢纽运行安全的情况下，为提高水资源利用率，宜适时开展中小洪水联合优化调度，拦蓄洪水退水段洪量。本文以2021年三峡水库10月上中旬调度过程为例进行分析。

受2021年9月中下旬洪水过程影响，三峡水库10月初水位较历年同期偏高。根据气象中期预报，10月3～7日将长江上游流域将出现一次明显的强降雨过程。考虑三峡水库自身运行安全及库尾淹没风险，采取联合调度措施，通过预泄提前降低三峡水库水位，并减少向家坝水库出库流量。于10月5日下达调度指令，三峡水库出库流量加大至26 500 m3/s，向家坝出库流量减小至4 000 m3/s；7日三峡水库迎来洪峰流量为38 000 m3/s的洪水过程，为1981年以来10月份遭遇的最大洪峰。本次联合调度有效保障了三峡水库的调度运行安全，避免了库尾淹没风险。洪峰过后，向家坝水库恢复正常调度，三峡水库入库流量逐步转退，及时减小了出库流量，拦蓄洪水退水段洪量，提高了水资源利用率，保障了三峡水库转入正常运行期首年正式蓄水任务的顺利完成(图20)。

图20 三峡水库2021年10月上中旬调度过程Fig.20 Dispatching process of the Three Gorges Reservoir in the first and middle of October 2021

5 梯级六库调度策略讨论

随着乌东德水库、白鹤滩水库(以下简称“乌白”)相继投运，金沙江下游-三峡梯级水库联合调度模式逐步向六库模式转变，亟待探索新的联合调度策略。本文仅对六库联调模式下的梯级调度策略可能发生的变化提出初步的思考，后续再进行研究探索。

(1) 消落期。梯级水库在保障顺利消落及保电、生态调度顺利实施的情况下，实现发电效益最大化是调度目标。从调度实况看，由于受前期电网保电及后续电站机组、外送线路检修影响，梯级水库在5～6月集中消落期面临的不弃水消落压力通常较大。随着乌东德、白鹤滩水库(以下简称“乌白水库”)的蓄水投产，将改变下游水库的年内来水分布，导致消落期间下游水库的入库流量进一步增加，尤其是乌白水库的集中消落将加剧下游水库集中消落期不弃水消落的压力。因此，需要进一步研究优化乌白水库投产之后下游梯级四库集中消落期前的水位控制节点和消落次序。

(2) 汛期。梯级水库首要目标是防洪。乌白水库投产后，金沙江下游梯级水库防洪库容增加了99.4亿m3，且随着金沙江、雅砻江上游各级水库的陆续兴建，长江上游梯级水库的总防洪库容逐渐增加，分担了部分防洪压力。此外，随着气象预报和水文预报技术不断进步，中长期尺度的预报精度不断提升，对梯级水库防洪调度而言，可以更好地采取预报预泄措施，保障水库及下游的防洪安全。在此情况下，需要重点研究如何预留梯级水库防洪库容以及优化梯级水库汛期运行水位。如遭遇大洪水需要梯级水库联合防洪调度时，如何释放梯级水库防洪库容等。

目前，关于梯级水库防洪库容释放问题，已有初步研究结论：金沙江下游梯级水库配合三峡水库为长江中下游防洪调度时，防洪库容整体释放顺序为向家坝、溪洛渡、白鹤滩、乌东德；当单库达到满发后停止拦蓄转入后一级，在金下梯级四座水库均达到额定水头基础上，考虑白鹤滩、乌东德、溪洛渡、向家坝满发流量逐步递减，超满发拦蓄量可考虑分级拦蓄，上游电站能发尽发，下游电站被动拦蓄。具体释放方案有待在实际调度中进一步验证完善。

(3) 蓄水期。随着乌白梯级水库的相继蓄水，在来水偏枯的情况下，下游梯级水库汛末水位可能会较往年偏低，此时面临更大的蓄满压力，尤其是三峡水库。在这种情况下，需要进一步调整梯级水库蓄水时机，有效减轻梯级水库蓄满压力。随着蓄水进程的推进，梯级水库可用调节库容逐渐减小，水库均维持在较高的水位运行，此时若梯级水库面临较强秋汛降雨，将会产生较大的弃水压力。因此，应基于当前的气象预报及水文预报技术水平，进一步研究预留调节库容，充分利用秋汛降雨实现梯级水库不弃水蓄满。