黄河上游梯级水库汛期增泄联合调度研究

于显亮 彭杨 李颖曼 姚礼双

关键词：汛期增泄；联合调度；发电量；反调节；梯级水库；黄河上游

０引言

目前黄河上游水沙调控体系不够完善，仅建成龙羊峡、刘家峡两座大型骨干水库，工程布控局限性较强［１－３］。龙羊峡、刘家峡梯级水库（以下简称龙刘梯级水库）的联合运用使黄河宁蒙河段汛期水量以及有利于输沙的大流量过程大幅度减少，导致宁蒙河段水沙关系逐步恶化，主槽严重淤积萎缩，行洪输沙能力急剧下降，防洪防凌形势严峻［４－１０］。为保障凌汛期宁蒙河段防凌安全，限制龙刘梯级水库的下泄水量，造成龙刘梯级水库的发电效益降低［１１－１３］。目前拟建的黑山峡水库（也称大柳树水库）库容巨大，将其与龙刘梯级水库联合运用可为协调宁蒙河段水沙关系、解决宁蒙河段防凌问题创造有利条件［１４－１７］。因此，开展龙羊峡、刘家峡、黑山峡梯级水库（以下简称龙刘黑梯级水库）联合调度研究，对完善黄河上游水沙调控体系、发挥黄河上游梯级水库的综合效益具有重要意义［１８－２１］。

为减小宁蒙河段淤积泥沙量、恢复和维持中水河槽，许多学者对宁蒙河段的水沙调控相关指标开展了大量研究。申冠卿等［２２］、陈雄波等［２３］的研究结果表明宁蒙河段输沙过程与来水过程具有良好的响应关系，当龙刘梯级水库汛期增泄１５亿、３０亿、６０亿ｍ３时，宁蒙河段分别减淤０．１３８亿、０．２２２亿、０．５１４亿ｔ。张红武等［７］通过数值计算与物理模型试验发现汛期宁蒙河段临界调控流量为２０００～２５００ｍ３／ｓ、调控时间为１５～２０ｄ时，可以恢复和维持宁蒙河段行洪排沙能力。段高云等［２４］、安催花等［２５］的研究结果表明有利于恢复与维持宁蒙河段中水河槽规模的调控流量为２５００～３０００ｍ３／ｓ，维持年内冲淤平衡的大流量过程不小于３０ｄ，控泄时机为７月中旬至８月下旬。以上研究表明，汛期泄放大流量过程不仅可以提高宁蒙河段行洪排沙功能，还可以防止多沙支流入汇淤堵干流河道［７，２５－２７］，但上述研究未与水库调度相结合，没有统筹考虑汛期增泄对龙刘梯级水库发电量的影响。

本文结合宁蒙河段水沙调控指标，分别对龙刘梯级水库现状联合调度、龙刘梯级水库汛期增泄联合调度以及龙刘黑梯级水库汛期增泄联合调度３种方案进行分析，进而探究水库汛期增泄和黑山峡水库投入运用后对龙刘梯级水库发电效益的影响，以期为充分发挥龙刘梯级水库发电效益、缓解黄河宁蒙河段泥沙淤积状况以及完善黄河上游水沙调控体系提供技术支撑。

１梯级水库概况

１．１水库基本资料

龙刘梯级水库不仅承担着西北电网的主要调频、调峰任务，而且兼顾防洪、防凌和灌溉等综合利用。龙羊峡水库位于青海省共和县境内，上距黄河源头１６８４．５ｋｍ，控制流域面积为１３．１４万ｋｍ２，是黄河上游库容最大、具有多年调节性能的龙头水库，控制着下游兰州断面６２％的水量，唐乃亥水文站为龙羊峡水库的入库控制站。刘家峡水库位于甘肃省永靖县境内洮河汇入口下游１．５ｋｍ处，控制流域面积为１８．２万ｋｍ２，占黄河全流域面积的１／４，是不完全年调节水库［２８］，大夏河和洮河是刘家峡水库的２条主要入库支流，折桥水文站、红旗水文站分别为大夏河、洮河的入黄控制站。

拟建的黑山峡水库位于黄河上游梯级电站末端、宁蒙河段首部，上距刘家峡水库３９０ｋｍ，控制流域面积为２５．２万ｋｍ２，开发任务以反调节、防洪防凌为主，兼顾供水、发电，在黄河保护治理中具有重要战略地位。龙羊峡、刘家峡、黑山峡水库的主要特征参数见表１［２９－３０］。

１．２水库运行方式

目前龙刘梯级水库的运行方式如下：每年７月至９月上旬黄河主汛期龙刘梯级水库在汛限水位以下运行；９月中旬至１０月龙羊峡水库蓄水运行，刘家峡水库适当蓄水并在１０月月底留有足够的防凌库容，枯水年份龙刘梯级水库允许泄放至死水位，以满足发电和供水要求；１１月至３月为宁蒙河段防凌时期，刘家峡水库按照防凌要求控制下泄流量，１１月、１２月、１月、２月、３月刘家峡水库防凌控制流量分别为７２９、４６５、４２３、３７１、４２７ｍ３／ｓ，龙羊峡水库进行补偿调节以满足梯级电站出力要求；４月至６月为宁蒙地区的主灌溉期，依次由刘家峡、龙羊峡水库向下游补水，６月月底龙刘梯级水库水位不可高于汛限水位［３１］。

拟建的黑山峽水库主要与龙刘梯级水库联合运用，充分发挥其在调水调沙、防洪、防凌、发电、供水等方面的作用。黑山峡水库运行方式如下：汛期７月至９月上旬按汛限水位运行；９月中旬至１０月黑山峡水库向下游补水并在１０月月底留有足够的防凌库容，水位允许降至死水位，此时龙刘梯级水库蓄水运行，最高水位允许达到正常蓄水位；１１月至３月黑山峡水库按防凌要求控制下泄流量［３２］，１１月、１２月、１月、２月、３月黑山峡水库防凌控制流量分别为６５０、４５０、４２０、３６０、３５０ｍ３／ｓ，在上游来水较大时可回蓄部分库容；４月至６月按黑山峡、刘家峡、龙羊峡水库的顺序向下游补水，６月月底黑山峡水库水位不可高于汛限水位［２９，３３］。龙羊峡、刘家峡、黑山峡水库调度示意见图１［２９，３２］。

１．３方案拟定

为分析汛期增泄和黑山峡水库反调节作用对龙刘梯级水库发电量的影响，拟定３种梯级水库联合调度方案。方案１为龙刘梯级水库按现状运行，不开展汛期增泄；方案２为龙刘梯级水库汛期增泄联合调度，根据宁蒙河段水沙调控研究成果，拟定每年７月中旬至８月下旬刘家峡水库以不小于２５００ｍ３／ｓ流量持续下泄３０ｄ以上，刘家峡水库难以增泄时再由龙羊峡水库补充下泄；方案３考虑黑山峡水库的反调节作用，开展龙刘黑梯级水库汛期增泄联合调度，每年７月中旬至８月下旬黑山峡水库以不小于２５００ｍ３／ｓ流量持续下泄３０ｄ以上，黑山峡水库难以增泄时依次由刘家峡、龙羊峡水库进行补水。除汛期外，其余时期方案２和方案３的水库调度方式与方案１的相同。

根据龙羊峡、刘家峡、黑山峡水库调度示意图，分析有、无黑山峡水库时汛期增泄对龙刘梯级水库发电量的影响。采用时段末水位控制法依次对各时段的水库出力和下泄流量进行试算求解。考虑到梯级水库间存在紧密的水力联系，按照自上而下的顺序依次对各水库的出力和下泄流量进行计算。在计算上游水库下泄流量和出力时，往往无法考虑下游水库的调度要求，因此当反调节水库与上游水库运行方式不同时，可能会出现上游水库的调度结果难以满足下游水库调度要求的情况。例如，上游水库汛期拦蓄洪水时，下游水库因来水不足难以实现汛期增泄；凌汛期上游水库因出力要求而保持大流量发电运行时，可能导致下游水库无法按照防凌要求控制下泄流量。因此，在计算过程中需根据下游水库前一时段的蓄水情况以及当前时段的调度需求，判断上游水库是否需要蓄水或增泄。若需要，则对当前时段上游水库时段末水位进行调整并重新计算水库的出力和下泄流量，直到调度结果可以同时满足上下游水库的调度要求。若无论如何调整上游水库时段末水位都无法满足下游水库调度要求，则需逆时序、逐时段对上游水库水位进行调整，直到当前时段能满足水库的调度要求。

水库出力和下泄流量计算过程中约束条件除水量平衡、水库泄流能力、蓄水能力、下泄流量以及出力外，还应包括汛期增泄，即７月中旬至８月下旬最下游水库下泄流量以不小于２５００ｍ３／ｓ至少持续下泄３０ｄ，表达式如下：

当水库调度过程难以满足式（１）的汛期增泄要求时，可通过试算将式（１）中的增泄天数３０ｄ调整为可以实现以不小于２５００ｍ３／ｓ流量持续下泄的最大天数。

２计算结果分析

２．１计算条件

基于１９７９—１９９０年、１９９８—２０１５年唐乃亥水文站、折桥水文站、红旗水文站的实测日均流量数据对不同方案的梯级水库联合调度发电量进行计算，计算时分别从１９７９年７月１日、１９９８年７月１日开始起调，起调水位为各水库的汛限水位［３０］。除汛期（７月至９月上旬）以１ｄ为计算时段外，其余各月均以１０ｄ为计算时段，１９７９年７月—１９９０年６月、１９９８年７月—２０１５年６月龙刘梯级水库的入库多年平均来水量分别为３１８亿、２４９亿ｍ３。

２．２汛期增泄实现情况

对于方案１，１９７９—１９９０年和１９９８—２０１５年内只有在１９８４年能实现汛期增泄，表明龙刘梯级水库现状运用方式难以满足宁蒙河段减淤要求。在来水量较大的１９７９—１９９０年，方案２和方案３所有年份均能实现汛期增泄，而在来水量较小的１９９８—２０１５年，方案２有４ａ（２００２年、２００３年、２００４年和２００８年）未实现汛期增泄，方案３仅１ａ（２００３年）未实现汛期增泄，表明在来水量较大的时期，方案２通过改变龙刘梯级水库的运用方式，可以满足宁蒙河段减淤要求，但在来水量较小时期，即使改变龙刘梯级水库的运用方式也难以满足宁蒙河段减淤要求。方案３通过黑山峡水库的反调节作用，将龙刘梯级水库非汛期的多余水量调节到汛期进行增泄，即使在来水量较小的时期，也能较好地实现汛期增泄，满足宁蒙河段减淤要求。２００３年方案３未实现汛期增泄，主要原因是２００２年来水量特别小、仅１２３．８３亿ｍ３［３４］，导致龙刘黑梯级水库年末蓄水量不足，难以在２００３年实现汛期增泄。

２．３下泄水量变化

１９７９—１９９０年、１９９８—２０１５年不同方案的刘家峡、黑山峡水库各月多年平均下泄水量变化情况见图２。作为各方案的最后一级水库，方案１、方案２的刘家峡水库以及方案３的黑山峡水库各月多年平均下泄水量变化趋势整体一致。方案３中因黑山峡水库承担宁蒙河段的防凌任务，龙刘梯级水库下泄流量不再受防凌要求限制［３５］，与方案１和方案２相比，方案３刘家峡水库凌汛期各月多年平均下泄水量明显增加。

１９７９—１９９０年、１９９８—２０１５年各方案的刘家峡、黑山峡水库在汛期（７—９月上旬）、凌汛期（１１—３月）、非汛期及全年的多年平均下泄水量变化见表２。各方案的最后一級水库年下泄水量相差较小，相较于方案１和方案２，方案３水库年下泄水量整体最大，各方案的水库下泄水量差别主要体现在汛期。因汛期增泄，方案２和方案３最后一级水库汛期下泄水量均较方案１大幅度增加，且增加幅度基本相同。凌汛期由于方案３中黑山峡水库承担防凌任务，龙刘梯级水库可保持较大流量发电运行，因此方案３中刘家峡水库下泄水量明显增大，而方案２中刘家峡水库按防凌要求控制下泄，其下泄水量与方案１差别不大。方案３中刘家峡水库在凌汛期保持较大流量下泄，龙刘梯级水库水头降低，导致龙刘梯级水库在汛期需适当蓄水运行，在来水量较大的１９７９—１９９０年，刘家峡水库汛期下泄水量小于方案１的，而在来水量较小的１９９８—２０１５年，黑山峡水库蓄水量难以满足汛期增泄要求，龙刘梯级水库需对黑山峡水库补水，因此其汛期下泄水量大于方案１的。因非汛期蓄水，方案２和方案３中刘家峡水库下泄水量较方案１中有所减小，尤其是方案３中下泄水量减小更多。

２．４龙刘梯级水库发电量变化

不同方案下龙刘梯级水库在不同时期多年平均发电量见表３。方案３中龙刘梯级水库年发电量最大，其次为方案１，方案２最小。与方案１相比，１９７９—１９９０年、１９９８—２０１５年方案３中龙刘梯级水库年发电量分别增加了１２．６５亿、１．４４亿ｋＷ·ｈ，方案２中龙刘梯级水库年发电量分别减小了７．０６亿、１４．２０亿ｋＷ·ｈ。方案２中龙刘梯级水库年发电量大幅度减小，主要原因是水库汛期增泄，产生较多弃水，发电水头降低，导致其与方案１在凌汛期、非汛期水库下泄水量相差不大的情况下，发电量显著减小，并且１９９８—２０１５年来水量较小，使发电量减小幅度增大。方案３中龙刘梯级水库年发电量大幅提高的原因是黑山峡水库的反调节作用使凌汛期龙刘梯级水库不用按照防凌要求控制下泄流量，可保持较大流量发电运行，发电量大幅度增加，虽然汛期、非汛期水库发电量因下泄水量减小而有所减小，但减小幅度远小于凌汛期水库增加的发电量。因此，仅利用龙刘梯级水库进行汛期增泄，会降低凌汛期、非汛期水库的发电水头，减小两库凌汛期和非汛期的发电量，且来水量越小、减小的发电量越多；而黑山峡水库承担防凌任务后，凌汛期龙刘梯级水库下泄流量不再受防凌要求限制，发电量明显增大。

３结论

本文针对宁蒙河段减淤要求，以龙羊峡、刘家峡、黑山峡水库为调控主体，开展黄河上游梯级水库汛期增泄联合调度研究，分析有、无黑山峡水库时进行汛期增泄对龙羊峡、刘家峡梯级水库发电量的影响，得出如下结论：

１）方案１龙刘梯级水库现状运用方式下进行汛期增泄难以满足宁蒙河段减淤要求。

２）方案２利用龙刘梯级水库进行汛期增泄时，在来水量较小的年份可能无法实现汛期增泄，还会加剧凌汛期水库发电与防凌调度之间的矛盾，降低两库凌汛期和非汛期发电量，并且来水量越小对两库发电量的影响越大。

３）方案３利用黑山峡水库反调节作用开展龙刘黑梯级水库联合调度，不仅可实现汛期增泄、满足宁蒙河段减淤要求，还可缓解水库发电与防凌调度之间的矛盾，增加龙刘梯级水库凌汛期的发电量，从而提高龙刘梯级水库全年发电量。在１９７９—１９９０年、１９９８—２０１５年两个时期，方案３梯级水库年发电量较方案１分别增加了１２．６５亿、１．４４亿ｋＷ·ｈ，较方案２分别增加了１９．７１亿、１５．６４亿ｋＷ·ｈ。因此，开展龙刘黑梯级水库汛期增泄联合调度，对缓解宁蒙河段淤积、促进黄河上游水能资源开发利用等具有重要作用。