上下库水位重叠梯级水库优化调度研究

熊 曦，黄绪臣

（湖北省水利水电规划勘测设计院有限公司，武汉 430070）

湖北省南河流域水能资源丰富， 目前流域水电资源开发已基本完成， 但由于各水库水电站投资主体不一，仍以单库独立运行方式为主，且流域“龙头水库”三里坪水库与其下游寺坪水库存在水位重叠，调度矛盾突出。岳辉通过编制和实施《南河流域梯级联合调度方案》，对三里坪、寺坪、过渡湾、白水峪4座主要电站的联调效益进行初步探讨［1］。本文以南河流域三里坪、寺坪、过渡湾、白水峪、南河及庙子头6 座电站为研究对象，采用梯级优化调度方法［2］，进一步分析消除上下库水位重叠影响、 提升梯级联调效益的可行性。

1 概况

南河是汉江中游右岸一大支流， 发源于神农架东南麓的韭菜垭子，于谷城县城关镇下游5 km 处汇入汉江，全流域面积6497 km2，主河道长267 km。南河流域属副热带气候区，雨量充沛，多年平均降雨量890 mm。径流年内分配与降雨基本一致，汛期为4—10 月，多年平均径流深400 mm，呈下游向上游递增趋势。

南河以水能资源开发利用为主，干流规划梯级开发16 级， 分别是玉泉河一级—两河口—饶家河—龙潭嘴—阳日湾—马桥一级—马桥二级—三里坪—寺坪—寺坪二级—过渡湾—白水峪—南河—庙子头—金盆沟。本次研究对象为其中的6 座，分别为三里坪、寺坪、过渡湾、白水峪、南河及庙子头水库。

三里坪水库位于十堰市房县境内， 是南河干流骨干水库之一。工程承担配合丹江口水库对其下游谷城县城防洪和对汉江中下游防洪的双重任务。

寺坪梯级位于襄阳市保康县境内， 与三里坪梯级相衔接，也是南河干流骨干电站之一。由于水库下游有马栏河支流来水汇入， 下游生态水量基本上有保障。

三里坪及寺坪均为引水式电站， 由于规划建设不合理，三里坪发电引水至寺坪库区，三里坪正常尾水位为301.85 m，下游寺坪水库正常蓄水位为315 m，造成寺坪正常蓄水位时淹没三里坪尾水位， 两水库存在水位重叠。

各水库基本情况如表1。

表1 南河流域梯级水库基本情况

2 模型建立

2.1 优化准则与目标函数

水电站水库优化调度有许多优化准则， 本文采用发电量最大准则，目标函数如下：

式中E*(T)为梯级在调度期（T 个时段）内所能取得的最大发电量（kW·h）；Nsdc为梯级水库个数；Pi(t)为第i 个水库t 时段平均出力（kW）；EiZ(Vi(T+1))为第i个水库调度期末库蓄水量为Vi(T+1) 时的余留发电量，该函数考虑水库调度后效性的影响。

2.2 约束条件

约束条件包括水量平衡约束、库水位约束、出力约束、泄流能力约束、生态流量约束、水库特性约束及其他约束［3］。

2.3 模型求解

本文以旬为时段，采用动态规划逐次渐近法［4］对南河流域梯级电站进行优化调度， 首先将梯级水库分解为Nsdc个单库子系统， 给定初始轨迹并对每个水库按单一水库优化方法求出其优化运行策略，并作为联合运行的初始解； 然后考虑多库联合运行条件， 依次改进多库的运行策略， 即对任一水库i 寻优时，可将其余水库的策略暂时固定，则第i 水库可按照动态规划递推方程式进行寻优计算。

采用值迭代法可求得第i 库的稳态运行策略，以代替其初始运行策略。 依次对i 个水库逐一进行上述演算，一轮演算之后再重复第二轮，直至所有水库的运行策略满足收敛条件为止， 最后可得梯级水库近似最优解。

2.4 计算条件

本次还原了1960 年4 月—2019 年4 月南河流域各水库坝址处旬入流情况， 由此计算出区间入流作为调度模型的入流条件。 生态流量按照当前水资源开发利用管理要求，需进行优先考虑，如表1。水位～库容关系、下泄流量～下游水位关系、水位～泄流能力关系等基础资料参考各水库初步设计报告成果拟定， 并结合运行资料对相关参数进行率定， 各水库采用的综合出力系数及水头损失如表2。

表2 南河流域梯级水库水头损失及综合出力系数

3 计算结果

从梯级最优化的角度考虑， 为分析三里坪和寺坪之间水位重叠的相互影响及三里坪和寺坪对其后白水峪、南河、庙子头等梯级发电优化的作用，分别拟定以下方案进行分析计算。

方案一：不考虑三里坪调蓄，仅优化寺坪发电量。

方案二：寺坪不参与调蓄，维持水库在一定水位运行，由三里坪进行调蓄。

方案三：由三里坪和寺坪共同参与梯级的调节，使梯级发电量达到最大。

方案一中当不考虑三里坪调蓄且寺坪不参与梯级调度，即仅对寺坪自身进行优化调度时，寺坪年均发电量为1.7293 亿kW·h，且基本维持在高水位运行。

方案二固定寺坪不同水位时梯级年均发电量及方案三流域梯级最优化长系列年均发电量如表3。

当寺坪固定水位运行时，寺坪的固定水位越高，寺坪及梯级的发电量越大， 寺坪固定水位从303 m开始，平均每抬高1 m，三里坪减少约200 万kW·h电量，而寺坪则增加约216 万kW·h电量，梯级总电量增加约27 万kW·h电量，总体来说，在寺坪固定水位运行时，梯级总发电量变化不明显。

南河梯级中三里坪、寺坪的调节性能较好，下游过渡湾、白水峪、南河及庙子头4 个电站的调节性能较差且由于马栏河汇入区间入流较大，时常产生大量弃水，下游4 个梯级电站的总装机容量为108.2 MW，占梯级装机容量的45%。 且三里坪受到汛限水位的影响，夏汛时调蓄作用相对有限，为了提升梯级的发电量，需要寺坪也参与到梯级调度中，以减少下游电站的弃水，增加下游白水峪、南河、庙子头等梯级发电效益。 当三里坪和寺坪共同参与梯级优化调度时梯级最优发电量达8.297 亿kW·h， 相比寺坪固定水位运行时梯级总发电量2.0%，相比梯级设计总发电量提升6.2%，效益提升增加明显。

为对比分析三里坪与寺坪实际运行水位与梯级联合优化后运行差别， 现将三里坪与寺坪实际平均水位过程与优化平均水位过程进行比较， 如图1 与图2。

图2 寺坪实际平均水位与优化平均水位对比

三里坪实际运行平均水位与优化平均水位趋势基本一致， 不过实际平均水位尤其是枯期的实际水位相比优化水位仍偏低，而寺坪实际运行平均水位基本为一条直线，实际运行多年平均水位为310.7 m。在梯级联合优化后， 寺坪优化水位在汛前将会明显预泄，多年优化平均水位为309.2 m，在汛期将会拦蓄一定水量。因此，在以梯级发电量最大为目标时，寺坪需降低平均水位1.5 m，且改变年内水位过程，从4月下旬至10 月下旬汛期时择机抬高水位，利用自身调蓄能力减小下游电站弃水。

在整个梯级的优化调度结果中， 三里坪和寺坪需要交替蓄水、泄水，汛期寺坪优先拦蓄洪水，三里坪后蓄，三里坪受到汛限水位的限制，需在汛前降低水位， 且在汛期维持在较低水位运行难以为下游电站调蓄，因此寺坪也需提前预泄发电降低水位，以便在三里坪汛期受汛限水位限制后， 蓄水抬高水位为其后梯级调蓄，减少流域梯级弃水。

4 结语

本文通过构建梯级优化调度模型， 分析存在水位重叠的三里坪水库及寺坪水库运行方式， 为减少水位重叠程度与时间， 从流域防洪要求和梯级总体最优的角度考虑， 需要寺坪与三里坪形成时空交错的蓄泄过程，同时三里坪、寺坪作为流域“龙头”水库，在保证流域梯级发电量最大前提下，应尽可能发挥其调蓄作用，减少流域弃水，提高流域中下游的白水峪、南河、庙子头等梯级发电量。总结三里坪、寺坪水库运行方式， 可为相似情况梯级水库实际运行提供参考。如何从梯级优化调度结果入手，进一步分析上下库水位重叠梯级水库运行规律， 总结明确的调度规则以指导实际运行，下一步将重点研究。