基于不同需求的长洲水利枢纽汛期优化调度研究

黄 锋，侯贵兵，李媛媛，王保华

(1.中水珠江规划勘测设计有限公司，广东 广州 510610；2.珠江流域防汛抗旱总指挥部调度研究中心，广东 广州 510610)

长洲水利枢纽位于珠江流域西江干流浔江河段，是西江下游河段广西境内的最后一个梯级，坝址以上集水面积占西江流域87.4%，工程自2009年建成投入运行以来，在发电、航运、灌溉等方面体现出良好的综合效益。随着流域经济社会持续快速发展，长洲水利枢纽防洪与水资源供需矛盾日益突出，新的治水形势和思路对其水资源综合利用提出了更高要求。如何通过优化调度，充分发挥水库综合效益，是长洲水利枢纽迫切需要研究解决的问题。

近年来随着中国在预报技术和系统上的不断完善和改进，洪水预报的精度不断提高，洪水预报信息在水库调度中的应用越来越广泛。在保证防洪安全的前提下，通过预报调度技术实现水库汛期运行水位动态控制，是缓解水资源供需矛盾的有效途径。自21世纪初开始，国内外学者就水库汛期运行水位动态控制问题开展了大量研究：任明磊等[1]研究了利用短期降雨预报信息进行水库汛限水位动态控制的实时调度方法；李响等[2]主要基于分期设计洪水调洪和预报预泄方法研究了三峡水库汛期不同分期水位控制运用方案；周新春等[3]探讨了大型水库中小洪水实时预报调度技术在三峡水库调度中的应用。

经过多年的研究，水库汛期运行水控制理论与方法虽已逐步完善，但由于水库汛期运行水位实时动态控制受到水库自然条件、防护对象和预报水平等不同因素的影响，水库汛期动态调度实践中存在困难性和复杂性。本文在总结以往研究成果的基础上，基于长洲水利枢纽实际调度运行资料，全面分析近年水库供水、发电、航运、生态等方面的运用情况，评估水库现状汛期调度运用方案以及存在的问题，分析其在供水、发电、航运、生态等不同方面的调度需求；利用现代预测预报和调度技术，考虑上下游、左右岸制约因素，系统研究基于不同调度需求的长洲水利枢纽汛期优化调度方案并分析调度实践中的风险，以其指导汛期水库的科学调度，充分利用水资源，在满足防洪安全的前提下，进一步发挥水库社会、环境和经济效益[4-6]。

1 研究背景

1.1 长洲水利枢纽现状调度方案

根据长洲水利枢纽可研报告，长洲水库正常蓄水位20.6 m，为了减少水库淹没损失，汛期5—10月运行水位18.6 m。当入库流量大于16 300 m3/s且小于21 000 m3/s时，电站停止发电，在不影响下游航运及防洪安全前提下，入库流量全部通过泄洪闸控制渐进下泄，直至水库水位基本恢复到天然状态。当入库流量大于21 000 m3/s时，43孔泄洪闸全部敞开泄洪，水库水位基本恢复到天然状态。

1.2 长洲水利枢纽现状调度方案存在的问题

1.2.1水库供水调度评估

长洲水利枢纽库区供水主要集中在平南，保持平南站水位20.6 m，方能保证平南丹竹片农村饮水安全工程一级泵站正常抽水。经现场调研了解到，平南丹竹片农村饮水安全工程2020年5、9月均出现过不能正常取水的现象，水厂采用应急管道取水，丹竹片区供水安全无法保障。

分析2020年5、9月长洲运行水位、出入库流量以及相应的平南水位，见图1、2。由图1可知，2020年5月2—21日，长洲坝址水位在18.42～18.56 m，入库流量在1 950～4 400 m3/s，相应的平南水文站水位为19.12～20.32 m，低于满足丹竹片区取水要求的20.6 m；由图2可知，2020年9月2—8日，长洲坝址水位在18.53～18.57 m，入库流量在2 450～3 600 m3/s，相应的平南水文站水位为20.32～20.55 m，低于满足丹竹片区取水要求的20.6 m。可知，在汛期长洲水利枢纽保持汛限水位18.6 m运行，当流域来水较小时，会导致丹竹水厂取水口无法取水，丹竹片区无法正常供水运行。

图1 2020年5月长洲水利枢纽运行状态及平南水位

图2 2020年9月长洲水利枢纽运行状态及平南水位

1.2.2水库生态调度评估

流域水利枢纽的建设势必从水文情势、理化参数、生物指标、形态结构等方面对水生态系统带来影响，改变由水生生物群落与水环境共同构成的具有特定结构和功能的动态平衡系统[7-8]。在水生态环境问题中，尤以鱼类对水生生态环境的改变较为敏感，鱼类资源的变化，鱼种的繁衍恢复程度已成为众多水生态影响的代表，也是目前水生态修复领域关注的焦点。

为加强改善修复西江水生生物繁育生态环境研究，2015—2017年，珠江水利委员会组织开展了西江干流鱼类繁殖期水量调度方案编制的研究工作。根据西江干流生态调度方案制定时所提出的分析成果，并在2016—2021年连续多年适时启动组织实施了多次鱼类繁殖期水量调度(试验)生态监测和多次水量调度，结果显示通过优化红水河龙滩、岩滩、桥巩，柳江红花，郁江西津，浔江长洲等主要水电站以及其他相关电站的调度，显著改善了西江干支流主要鱼类产卵江段生境。

1.2.3水库航运调度评估

随着“黄金水道”西江航运干线的建成和高速发展，作为西江干流航线重要节点的长洲水利枢纽，其调度运行直接关系到库区的航运条件及下游航运流量等[9]。2020年1月，西江航运干线上游来水严重不足，长洲水利枢纽坝最小入库流量只有1 800 m3/s，对应的运行水位19.9 m，西江航运干线长洲水利枢纽船闸发生了船舶滞航的情况；2020年5月上中旬来水异常偏少，长洲水利枢纽日均入库流量维持在3 000 m3/s左右，尤其是5月14日日均入库流量降至2 000 m3/s，运行水位为18.4 m，给上下游通航带来了较大影响，其中库区上游藤县蒙江段因航道水深不足多次发生了船舶搁浅事件。

1.2.4水库发电调度评估

长洲水利枢纽具有一定的调峰、调频能力，对促进广西电网的安全稳定运行意义重大。枢纽自建成运行以来，汛期运行水位严格控制汛限水位以下，在汛期未发生洪水时，由于上游运行水位过低、机组发电水头不足，严重影响水能利用效率；而洪水发生时，受下游水位顶托影响不得不停机，造成了大量的水能资源浪费。长洲水利枢纽历年弃水量见表1。

表1 长洲水利枢纽历年来弃水量统计

2 基于不同需求的汛期优化调度方案研究

长洲水利枢纽现状承担的供水、生态、航运及发电等方面的调度任务均对水库的汛期运行调度提出了需求。长洲水利枢纽利用现代水文预报调度技术，开展汛期优化调度研究，以不降低水库设计标准、不增加下游和库区防洪压力为前提条件，在流域来水较小时适时适度抬高运行水位，以满足供水、生态、航运及发电调度等需求是很有必要的。

2.1 调度需求分析

2.1.1供水调度需求分析

通过建立库区水动力学数学模型，模拟不同的坝址水位和入库流量组合，分析入库流量-平南水位-坝址运行水位之间的关系与规律，确定汛期不同量级来水情况下满足丹竹片区供水要求的安全调度临界水位。通过长洲水利枢纽入库流量与坝址水位离散控制节点离散组合，形成多种离散组合，采用一维水流数学模型计算全部组合下的水库回水线，以不增加库区淹没为前提，建立满足浔江平南段平南中心水文站水位的入库流量-坝址水位之间的相关关系，获得不同入库流量满足库区取水要求同时不超出设计淹没范围的坝址水位，计算结果见表2。由计算结果可知，为满足库区取水要求，当长洲入库流量在2 000～5 000 m3/s时，坝址运行水位需提高至19.1～20.3 m，当长洲水利枢纽入库流量大于6 000 m3/s，则可以恢复汛限水位18.6 m运行。

表2 满足库区供水的不同入库流量对应的临界水位

长洲水利枢纽水库水位对库区淹没十分敏感，为减少淹没损失，汛期降低库区水位至 18.6 m运行。根据《长洲水利枢纽初步设计报告》，长洲水利枢纽水库干流回水线按以下标准确定：土地淹没线采用汛期运行水位18.6 m，敞泄流量21 000 m3/s及以下各级流量推算的沿程回水尖灭点连线和正常蓄水位20.6 m为起始水位按非汛期(11月至次年4月)5年一遇洪峰流量为11 800 m3/s推算回水线组合的外包线。为分析水库提高运行水位后是否会造成库区淹没，计算上述不同入库流量2 000～5 000 m3/s与坝址水位19.6 m组合的沿程水面线，从偏安全的角度考虑，满足库区取水要求的水面线不能超过土地淹没回水控制线要求，结果见图3，可见不同入库流量与坝址水位组合的沿程水面线均低于土地淹没线。

图3 满足库区供水的不同流量-水位对应的回水与库区淹没线对比

2.1.2生态、航运以及发电调度需求分析

根据《西江干流生态调度方案》成果，可有效刺激四大家鱼产卵，增加西江干流的鱼类资源量的调度目标分为3个流量级分别为：洪峰流量为5 000～8 000 m3/s低流量级调度过程，洪峰流量为8 000～12 000 m3/s的中流量级调度过程，洪峰流量为12 000～15 000 m3/s高流量级调度过程，且以中、高流量的调度过程为佳。长洲库区东塔产卵场四大家鱼繁殖期对水文节律有特殊需求：涨水阶段刺激产卵所需的涨水天数至少为3 d，流量日均涨率需达到1 000 m3/s以上，鱼卵漂程范围内流速大于0.25 m/s。

长洲水利枢纽作为西江干流鱼类繁殖期水量调度体系中最下游的反调节水库，见图4，需要控制水库运行水位配合上游水库调度解决长洲库区及下游鱼类繁殖期生态需水问题[10]，减缓长洲水利枢纽调度所带来的不良生态环境影响。

图4 调度水库系统示意

受西江航运干线上游来水不足以及长洲枢纽坝下至界首段航道下切严重等因素综合影响，长洲水利枢纽保持汛限水位运行时，会发生船舶滞航或者引起船舶搁浅事件，对航道通航产生较大的影响。因此当流域来水较小时，适当提高长洲水利枢纽坝址水位，既可以避免上游航道发生搁浅，又可以加大泄量将下游超吃水船舶疏导，有利于保障航道安全畅通。

长洲水利枢纽在非汛期有一定的调峰、调频能力，对促进广西电网的安全稳定运行发挥了不可替代的作用。然而据统计，长洲水利枢纽运行以来多年平均弃水量为617亿m3，严重影响了电站的发电效益[11-12]。长洲水利枢纽作为低水头电站，提高水头可有效增加发电量，因此迫切需要利用现代水文预报调度技术，在保证防洪安全的基础上抬高运行水位，尽可能减少汛期弃水，增加发电量，使水资源优化利用。

2.2 汛期运行水位动态控制域分析

现有水库汛期运行水位动态控制域一般使用预泄能力约束法、库容补偿法、预报预泄调度法及其他方法来求解。长洲水利枢纽属于低水头电站，汛限水位18.6 m对应的泄流能力为21 000 m3/s，而长洲水利枢纽入库流量达到21 000 m3/s时已经敞泄，同时上游大藤峡水库未完全投入使用，所以不适合使用泄流能力约束法以及库容补偿法求解。本文在保证防洪安全的前提下，综合考虑供水、航运、生态等调度需求，结合水库预报预泄思想建立模型，求解水位动态控制上限值，模型如下：

目标函数：

MaxZ=Z0+ΔZ

(1)

约束条件：

ΔZ≥k(Zg,Zs,Zh,Zf)

(2)

ΔZ≤f(V0+Wout)-F(V0)

(3)

ΔZ/ΔT≤l(Z)

(4)

式中Z——考虑不同需求的汛期运行水位上限，m；Z0——汛期起调水位值，m；ΔZ——腾空时间内上浮动的水位值，m；k(*)——满足不同调度需求的水位函数；Zg、Zs、Zh、Zs——满足供水、生态、航运、发电调度需求的最低水位；f(*)——水库-库容关系函数；V0——汛期起调水位对应的库容，m3；Wout——水库有效腾空时间内下泄的流量，m3；ΔT——水库有效腾空时间；l(*)——水位变幅函数，预泄过程水位变幅不应过大。

2.2.1有效预见期

长洲水利枢纽水情预测系统自2008年9月正式投入运行以来，经过多次对运行参数的率定与复核，系统运行稳定可靠，洪峰预报准确。长洲水利枢纽各年各场次洪水预报平均绝对误差为807 m3/s，平均洪峰预报精度为95.87%；峰现时间平均误差为4.8 h，预报合格率为85.36%。综上所述，洪水预报精度达到GB/T 22482—2008《水文情报预报规范》[13]要求的甲级标准，可以为长洲水利枢纽汛期优化调度提供可靠的水情预报数据。

随着气象预报、实时水文预报技术和水文信息的收集、传输、贮存、处理技术的日趋成熟和广泛应用，水文预报的水平也得到明显提高。汛期优化调度需在水情预报的基础进行，通过预报预泄调度确保下游及水库防洪安全，预报期和预报精度是直接影响水库能否实现较大洪水来临前预泄到汛期限制水位的主要因素。采用中短期水文预报技术，可提前3～5 d较准确地预报大洪水和特大洪水，为优化长洲实时调度提供了技术依据。本次计算有效预见期采用3 d。

2.2.2水库腾空时间分析

在不形成人造洪峰、预泄流量必须小于下游安全泄量的前提下，为了确保库区防洪安全，在较大洪水来临之前，坝址水位需预泄至汛限水位18.6 m，库区水位也需回落至汛限水位相应的库区水位，但由于长洲水利枢纽为河道型水库，库区洪水回落至汛限水位相应的库水位仍要滞后一段时间。因此水库腾空时间ΔT必须考虑库区洪水的滞后时间，见式(5)：

ΔT≤Ty-Tz

(5)

式中Ty——有效预见期；Tz——库区洪水回落滞后时间。

本文采用一维水流数学模型计算不同流量级入库洪水与不同坝址水位降落速度下，库区水位回落滞后时间，结果见表3。由计算结果可知，当不同入库流量对应的坝址水位19.1m经过0.5～2.0 d回落至汛限水位时，库区水位回落滞后时间为1.6～0.6 d；当不同入库流量对应的坝址水位19.6 m经过0.5～2.0 d回落至汛限水位时，库区水位回落滞后时间为1.8～0.9 d。考虑到有效预见期为3d，为保障库区防洪安全，坝址水位应在2 d内预泄至汛限水位，才能满足库区水位在预见期内回落，确保库区防洪安全。

表3 长洲从不同坝址水位预泄至汛限水位对应库区水位回落滞后时间

2.2.3动态控制域求解

根据2.1供水调度需求分析可知，当长洲入库流量在2 000～5 000 m3/s时，坝址运行水位需提高至19.1～20.3 m才能满足库区供水。统计长洲水利枢纽近年来主汛期最小日均入库流量，结果见表4。由结果可知，长洲水利枢纽汛期最小日均入库流量为3 500 m3/s左右，对应的满足库区供水要求最低坝址水位为19.6 m。

表4 长洲水利枢纽汛期最小日均流量统计 单位：m3/s

考虑到长洲库区中段和库尾段水位下降比坝址水位降落滞后，考虑尽量控制防洪风险，汛期不宜将长洲库水位抬高太多。结合长洲水利枢纽调度需求，考虑库区堤岸稳定需要和洪水预报可靠性，长洲水利枢纽汛期最高运行水位为19.6 m。同时根据上面腾空时间分析，当入库流量为3 500 m3/s，坝址水位19.6 m时，水库经过2 d预泄至汛限水位库区回落滞后时间为1 d。考虑到有效预见期3 d，本次长洲水利枢纽坝址水位预泄时间为2 d，能满足库区水位在预见期内回落，确保库区防洪安全。

库水位涨落速率过大可能影响护岸稳定，主要是造成库岸坍塌[14]。统计水库2008年以来相邻日平均水位差值以及同一天内最高水位和最低水位的差值，其频率分布分别见图5、6。从图中可以看出，日平均水位变化在0.5 m以内累计频率达到97.05%，1 d内最大水位变幅范围在0.5 m范围内的累计频率达到了98.1%，实际最大日水位变幅达到1 m以上，且根据水库运行期间均未发生过相关库岸坍塌等相关事故的报道。本次研究汛期运行水位动态控制上限为19.6 m，坝址预泄至汛限水位18.6 m的时间为2 d，故长洲水利枢纽水位日变幅为0.5 m，即可以确保洪水入库前将水库运行水位预泄至原设计汛限水位，确保不降低原设计防洪标准。根据长洲水利枢纽多年调度实践分析可知，长洲水利枢纽日变幅为0.5 m是安全可靠的，因此本次研究汛期运行水位动态控制上限取值19.6 m是合理的。

图5 相邻日平均水位差值频率分析

图6 1 d内最高最低水位变幅频率分析

2.3 基于不同需求的汛期优化调度方案

2.3.1预泄判别条件

长洲水利枢纽为径流式电站，不承担流域防洪任务，其预泄时机主要需根据库区防洪安全确定。通过长洲水利枢纽坝址水位19.6 m与不同入库流量离散控制节点离散组合，形成多种离散组合，采用一维水流数学模型计算全部组合下的水库回水线，坝址水位为19.6 m时，当入库流量小于13 500 m3/s时，库区水位不超过土地淹没回水控制线。从保证库区淹没安全角度来讲，预报入库流量将大于13 500 m3/s时，水库要预泄至汛限水位。

同时根据长洲水利枢纽多年调度实践，预报3 d后入库流量大于11 800 m3/s且继续上涨时，水库预泄至18.6 m运行，多年的运行实践，库区未发生防洪安全事故。例如受2015年第22号台风“彩虹”影响，10月4—6日广西大部地区出现狂风暴雨天气，10月3日，水情预报长洲入库6日凌晨可能出现超过11 800 m3/s的洪水，此时水库水位19.6 m，长洲水利枢纽4日8时开始加大泄量预泄，并在调度期间加强上下游影响区巡逻，于10月6日2时预泄到汛限水位18.6 m，预泄流量10 900 m3/s，加泄600 m3/s，预泄过程未造成人造洪峰，库区也未产生不利影响。

因此，根据长洲库区腾空时间、坝址最高可蓄水位与入库流量关系以及调度实践，且考虑长洲入库洪水涨率太大对洪水预报精度的影响，建议长洲预泄时机为：预报长洲3 d后入库流量大于11 800 m3/s时，水库在2 d内预泄至18.6 m运行。

2.3.2起蓄判别条件

考虑到洪水预报误差的客观存在性，西江流域常常因上游各支流洪水的叠加出现多峰型洪水的实际情况[15]，以及退水期库区中段、库尾段水位回落略微比坝址水位滞后等诸多因素，在洪水退水期进行水库预蓄调度时，采取偏于安全的预蓄判别流量。考虑到西江洪水多为多峰型洪水，若流量较大时开始预蓄的防洪风险较大，长洲水利枢纽满发流量为7 450 m3/s，有效预见期内回蓄至19.6 m需要减小出库700 m3/s左右，综合考虑预报误差以及根据多年调度实践，为安全起见，退水阶段当入库流量小于8 000 m3/s且预报未来几日无明显涨水过程时开始回蓄。因此预蓄判别流量为8 000 m3/s。

2.3.3汛期优化调度方案

长洲水利枢纽汛期优化调度方案以不降低水库设计标准、不增加下游和库区防洪压力为前提条件，在流域来水较小时适时适度抬高运行水位，以满足库区供水、生态、航运、发电等需求，发挥水库综合效益；在洪水来临之前将水库水位提前预泄至汛限水位，不增加流域防洪压力。综合考虑水电站流域相关洪水预报信息、有效预见期、水库泄流能力等关键因子的基础上，确定具体水库泄流及库水位实时控制方案。

a)长洲水利枢纽汛期水库最高运行水位为19.6 m。

b)当预报长洲水利枢纽坝3 d后入库流量大于11 800 m3/s时，水库应立即转入防洪调度，加大水库泄流，在2 d内使水库水位消落到原设计防洪限制水位18.6 m；水库消落至汛限水位后，按现行的防洪调度方式进行调度。

c)在退水过程中，当入库流量小于8 000 m3/s时开始回蓄，有效预见期内逐步恢复水库水位至19.6 m。

3 风险和效益分析

3.1 风险分析

水库汛期优化调度方案的合理性，要考虑水库调洪最高水位、下游控制站组合流量、水库兴利蓄水等防洪与兴利目标，是一较复杂的多目标决策问题。为分析长洲水利枢纽汛期优化调度方案是否合理，本文从下游防洪安全、库区淹没安全等多方面进行风险评价。

3.1.1下游防洪安全分析

选择下游控制断面梧州最大洪峰流量作为汛期优化调度方案实施前后对防洪安全影响评价的重要参数，以此说明汛期优化调度方案是否会对防洪控制断面造成风险；从安全稳定角度对大坝水位下降速率进行分析，以此说明汛期优化调度方案是否对库区岸坡稳定造成风险。选取典型洪水进行调洪计算，并统计以上指标，并与原设计调度方案进行对比，分析方案对下游防洪安全的影响，调度结果见表5。由结果可知，汛期优化调度方案最大日水位变幅未超过0.5 m/d，不会对库区淹没安全和岸坡稳定造成不利影响，可以保证不同典型的来水条件下不降低原库区防洪标准；与原设计方案对比，汛期优化调度方案调度后下游控制断面梧州洪峰均未增加，预泄增加的流量不会增加下游防洪风险。原设计调度方案、汛期优化调度方案的起调水位分别为19.6、18.6 m。

表5 长洲水利枢纽汛期优化调度方案调洪成果统计

3.1.2库区淹没安全分析

由于长洲水利枢纽为河道型水库，库区洪水回落至设计汛限水位相应的库水位仍要滞后一段时间，如果库区水位未及时预泄至原设计水位时，当预见期内洪水涨率较大时，有可能对库区淹没造成一定的风险。

选取典型洪水中来水较大的1988年来水，按照拟定的优化调度方案，采用一维水流数学模型计算分析长洲水利枢纽从19.6 m预泄至汛限水位18.6 m库区洪水位变化情况，计算成果见表6。从表中可以看出，长洲水利枢纽坝址水位在2 d内从19.6 m预泄至18.6 m，库区水位回落滞后了1 d，在有效预见期内回落了下来，不会对库区淹没造成防洪风险。

表6 长洲水利枢纽汛期优化调度方案库区雍高水位成果统计 单位：m

3.2 效益分析

长洲水利枢纽进行汛期优化调度效益主要包括增蓄水量以及水头抬高带来的供水、发电、航运、生态效益。通过前面计算可知，长洲水利枢纽汛期运行水位控制域上限为19.6 m，与汛限水位18.6 m相比，增加效益情况见表7。

表7 长洲水利枢纽优化方案增加效益

从表7可以看出，通过长洲汛期优化调度，在流量较小的情况下将汛期运行水位由18.6 m抬高至19.6 m，可保障库区上游尤其是平南县丹竹片区水厂正常取水；可增加库区水深1.0～1.5 m，加强了水库对航运流量的调节能力，对西江干流航线的正常运行具有重要的意义；可增加蓄水量2亿m3，为生态调度储备水源。同时对优化调度方案进行发电模拟运行，统计得出汛期多年平均弃水量减少3.93亿m3，多年平均发电量由10.69亿kW·h提高到11.23亿kW·h，平均增加0.54亿kW·h，增幅为5.05%，效益十分显著。

4 结语

a)汛期优化调度是一个风险与效益共存的问题，本文通过全面分析近年水库供水、发电、航运、生态等方面的运用情况，评估水库现状汛期调度运用方案以及存在的问题，得出其在供水、发电、航运、生态等不同方面的调度需求；结合调度需求、洪水预报信息可利用性分析，开展长洲水利枢纽汛期优化调度方案研究，在确保防洪安全的前提下，将汛期运行水位由18.6 m提高至19.6 m。

b)通过分析长洲水利枢纽实施汛期优化调度前后的风险与效益变化，得出方案实施不会增加库区和下游防洪风险，可在保障防洪安全的前提下提高库区水位1.0～1.5 m，增蓄水量2亿m3，充分发挥了水库供水、航运、生态效益，同时增加发电量5.05%，经济、社会效益显著。

c)文中仅对长洲水利枢纽单库优化调度进行了研究，随着水库调度技术和管理水平的不断提升，如何与上游水库建立联合优化调度机制，以取得更大的综合利用效益和防洪安全保障是接下来研究的重点。