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    浅析水库调度图优化方法与实际运用评估

    时间：2023-01-20 16:35:49来源：百花范文网本文已影响人

    伍 昕，谭 君

    （1.五凌电力有限公司，湖南 长沙 410004；
    2.湖南省水电智慧化工程技术研究中心，湖南 长沙 410004）

    碗米坡水库地处酉水中游，集雨面积10 415 km2，占酉水全流域面积的56.2%，坝址多年平均流量296 m3/s，多年平均年径流量93.3亿m3，水库总库容3.78亿m3，正常蓄水位248 m，相应库容2.56亿m3，死水位238 m，死库容1.31亿m3，调节库容1.25亿m3，库容系数1.3%，为不完全季调节水库。工程无下游设计防洪任务。

    碗米坡原设计水库调度图[1]（见图1）比较简单，对不同时期的水位控制指导不够精细。在实际调度中，库水位控制过高，则无法及时消落会导致大量无益弃水发生；
    库水位控制过低，会导致库水位长期处于低水位运行，水头效益将明显降低。因此，原设计水库调度图难以满足实际调度控制运用的需求，需研究优化水库调度图，明确不同时期的库水位控制区间。

    图1 碗米坡原设计水库调度图

    2.1 基础资料整理与分析

    2.1.1 年最大洪水分布

    碗米坡坝址洪水系暴雨形成，4～9月份为汛期，年最大洪峰流量多出现在5～9月份，占全年的93.9%，其中又以6～7月份最为集中，占全年的61.6%，个别年份出现在4月、10月、11月份（最迟1961-11-19）。坝址处大洪水历时一般为3～5 d，最长为7 d，大洪水以峰、量较大的复峰居多，坝址实测最大洪峰流量为12 700 m3/s (2003-07)，实测最小年最大洪峰流量为2 800 m3/s (2013-06)。年最大洪水分布情况见表1。

    表1 碗米坡年最大洪水统计表

    2.1.2 各月流量频率分析

    收集碗米坡1961～2021年逐月最大流量及1951～2021年逐月平均流量资料，并对水库投运后部分枯水期月度异常最大入库流量进行校核[2]，按照公式确定经验频率，采用P-Ⅲ型曲线适线，分别求得碗米坡逐月最大、平均流量统计参数成果（见表2、3），其中年最大入库洪水、年径流量采用设计成果。

    表2 碗米坡逐月最大流量频率曲线参数成果表

    从各月最大流量适线图综合分析，Cv、Cs参数分布合理，符合碗米坡洪水“暴涨暴落”的自然特性。1996年11月6日，酉水流域发生大型“重阳水”，石堤、碗米坡、凤滩洪峰分别为3 740 m3/s、4 650 m3/s、 7 020 m3/s。碗米坡该年11月份的经验频率数据点明显偏离频率曲线，而其它点据匹配良好，故该点应当作历史极值来看待，重现期接近180年一遇。

    表3 碗米坡逐月平均流量频率曲线参数成果表

    2.1.3 各月弃水概率分析

    对历史洪水资料统计分析洪峰流量与1 d及3 d洪量的相关关系，以248 m为弃水限制水位，以满发流量进行水库调节计算，得出不同起调水位下确保不弃水的最大洪水量级。

    根据历年逐月最大入库流量资料系列，以不同控制水位下拦洪能力限值，统计超过限值流量出现的次数，计算出逐月不同控制水位的弃水概率；
    根据逐月最大入库流量频率分析成果，查算不同控制水位下拦洪能力出现的频率，综合2种方法得出碗米坡水库逐月不同控制水位的弃水概率（见图2）。

    图2 碗米坡各月不同起调水位弃水概率分布图

    2.1.4 各月水头保证率分析

    以碗米坡各月不同频率月均入库流量，查算相应尾水位，用期望各月平均库水位减去尾水位，得出逐月不同控制水位、不同保证率下可获得的发电水头（见图3）。

    图3 碗米坡各月平均水头保证率曲线图

    一般而言，碗米坡获得38 m以上工作水头，机组可以确保处于良好的工作工况，发电耗水率相对较低，运行比较经济。在同一控制水位情况下，各月发电水头变幅基本在2.5 m以下，不同频率来水对发电水头影响不大，为获取较好的发电水头，关键在于平均库水位控制的高低。

    2.1.5 机组耗水率分析

    根据碗米坡水轮机特性曲线及实际运行资料分析,得出机组耗水率曲线（见图4）。

    图4 碗米坡不同水头发电耗水率曲线图

    2.2 水库调度图绘制与控制策略分析

    2.2.1 优化水库调度图绘制

    通过对碗米坡逐月平均流量、最大流量进行频率分析，以各月弃水概率降幅明显偏小为原则确定下限控制水位，汛期以近似75%保证率流量为腾库前基流，以腾库时间不超过48 h反推确定上限控制水位，以腾库时间不超过28 h反推，综合考虑月度发电水头保证率因素确定月度平均水位最低控制目标，进而以90%来水频率可以获得的发电水头确定月度平均发电耗水率控制目标。

    汛期月均水位最低控制目标值适当降低，一方面便于实施预泄调度腾库迎洪，提高水量利用率，同时可以避免因实际来水偏枯或来水分布均匀而导致实际发电水头过低，耗水率大幅增加。当实际来水偏丰或来水分布集中时，库水位必然自然抬高，实际发电水头不会明显降低，发电耗水率亦可得到保障。

    在水库调度图上绘制各月平均日发电量作为参考指示线，用于日前发电方式参考（优化水库调度图见图5）。

    图5 碗米坡水电站优化水库调度图

    2.2.2 不同时期库水位控制策略分析

    优化水库调度图中，上限、平均、下限三根水位线将库水位划分为高位和低位两个运行区间。在中长期调度运用上，以月度平均水位最低值为基本控制目标，确保月均库水位不低于目标值，实现发电耗水率不高于目标值；
    以上限控制水位和下限控制水位为基准，结合短期气象预报和不同净入库的腾、蓄时间曲线（见图6）指定具体调度方案，实施水库的腾、蓄调度转换。

    图6 碗米坡不同净入库腾、蓄时间曲线图

    12～2月份是碗米坡来水最枯的时期，月最大流量均值217～310 m3/s，实测最大流量仅836 m3/s，对水库调蓄的需求不大，腾库时间很短，245 m起调无弃水风险。246 m平均水位下可以获得43 m发电水头，再抬高平均水位对降低耗水率不明显。

    3月份为入汛前的过渡月份，来水略微增加，月最大流量均值569 m3/s，实测最大流量1 520 m3/s，243 m起调弃水概率仅1.5%。12～3月份由于月均入库流量远低于机组过流能力660 m3/s，期间宜采用“集中发电集中蓄水”（机组全停蓄水后单机出力5万kW以上集中消落水位）的调度策略循环利用水量，并控制日发电量不低于24万kW·h，以满足生态流量的调度需求。

    4月份开始进入汛期，较容易发生“春汛”，年最大洪水发生1次，月最大流量均值1 550 m3/s，实测最大流量4 190 m3/s，240 m起调弃水概率28%。4月份来水年际变化较大，有的年份没有发生洪水，导致“春旱”。雨季开始时间一般在下半月，要密切关注气象部门发布的时间，采用“上半月高位、下半月低位区间控制”的调度策略。

    5～7月份是主汛期，年最大洪水多发生在这一时期，月最大流量均值2 670～3 890 m3/s，实测最大流量12 700 m3/s，238 m起调弃水概率达55%～78%。夏季雨季结束时间一般在7月下旬，因水库的调节库容较小，汛末蓄水问题并不突出。采用“低位区间控制，积极预泄腾库”的调度策略。

    8～9月份是后汛期，容易发生“秋汛”，时有发生年最大洪水，月最大流量均值2 330 m3/s、1 890 m3/s，实测最大流量9 900 m3/s、7 720 m3/s，238 m起调弃水概率达39%和31%。这一时期年际变化极大，且月内来水分布也极不均匀，来水暴涨暴落，峰型尖瘦，既可能因为连续高温导致“秋旱”，无水发电，又可能连续暴雨，洪水泛滥。采用“高温时期高位、正常情况低位区间控制，积极预泄腾库”的调度策略。

    10～11月份是平水期，容易发生“重阳水”，年最大洪水各发生1次，月最大流量均值1 280 m3/s、805 m3/s，实测最大流量4 350 m3/s、4 650 m3/s，238 m起调弃水概率15%和6%。这一时期年际变化极大，月内来水分布也极不均匀，枯水时候偏多，丰水时候偏少。大型“重阳水”（洪峰流量2 500 m3/s以上）出现概率18%左右，一般是由于副热带高压边缘停滞湘西北，西南暖湿气流通道打开，北方冷空气不断补充南下形成，雨日一般较长，来水相对较慢，峰型矮胖。密切关注连续阴雨（5～7 d）天气预报，采用“正常情况高位、阴雨时期低位区间控制，适度预泄腾库”的调度策略。

    通过统计碗米坡2004～2021年实际运行18年以来资料，与优化后的水库调度图确定的运行指标对比分析，实际水库调度运用仍有一定潜力可挖。

    3.1 平均库水位对比分析

    实际多年平均库水位243.6 m，较调度图控制指标244 m偏低0.4 m。其中最高年平均水位245.1 m (2007年)，最低年平均水位242.3 m(2011年)，年平均水位低于244 m的年份达到13年，占比72.2%。各月运行情况见表4。

    表4 碗米坡逐月平均库水位对比分析表单位：m

    3.2 平均水头对比分析

    实际多年平均水头40.3 m，较调度图控制指标40.6 m偏低0.3 m。其中最高年平均水头42.1 m（2007年），最低年平均水头39.3 m（2018年），年平均水头低于40.6 m的年份达到13年，占比72.2%。各月运行情况见表5。

    表5 碗米坡逐月平均水头对比分析表单位：m

    3.3 平均耗水率对比分析

    实际多年平均耗水率11.4 m3/kW·h，较调度图控制指标11.2 m3/kW·h偏低0.2 m3/kW·h。其中最高年平均耗水率12.0 m3/kW·h（2006年），最低年平均耗水率10.7 m3/kW·h（2007年），年平均耗水率低于11.2 m3/kW·h的年份达到11年，占比61.1%。各月运行情况见表6。

    表6 碗米坡逐月耗水率对比分析表单位：m3/kW·h

    3.4 弃水概率对比分析

    实际年平均弃水概率31.5%，较调度图控制指标29.4%增加2.1%，各月弃水概率统计情况见表7。

    表7 碗米坡逐月弃水概率对比分析表单位：%

    3.5 综合评估分析

    2004～2021年，碗米坡电厂实际多年平均水量利用率84.3%，较设计值85.3%降低1%，主要原因是碗米坡电厂处于湘西北电源末端，容易产生不同程度的弃水调峰损失电量，发生年份高达13年，占比72.2%。截止2021年，已累计弃水调峰损失电量2.82亿kW·h。电厂累计发电119.4亿kW·h，平均年发电量仅6.63亿kW·h，即使计入弃水调峰损失电量，平均年发电量也只有6.78亿kW·h，低于设计发电量。

    综合历年逐月平均库水位、水头、耗水率等运行指标，在今后的调度控制运用中，主要应结合5 d预见期降雨数字化定量预报，按照水库调度图指示的库水位控制区域，及时合理调整发电运行方式，抬高每年10月份至次年4月份的平均运行水位，降低发电耗水率，以增加年度发电量。经测算，年度耗水率如降低0.2 m3/kW·h，年度发电量将增加1 100万kW·h，增发率1.7%左右。

    本次研究采用的月平均、最长资料序列已结合上游水文站和下游电站的实测资料进行可靠性对比分析，并对P-Ⅲ型曲线适线参数成果的合理性检查，以保障后续分析成果的准确性。本次研究在以前研究[3，4]的基础上延长资料序列13年，理论频率曲线参数CV值均略有减小，资料的代表性更加可靠，逐月水位控制目标成果更加可信。

    实际调度运用评估表明，10月份至次年3月份，水库水位一旦降得过低，再蓄上来相对困难。当实施腾库调度时，一般情况下消落至水位控制下限线附近即可，突破下限值不宜超过2 m，同时在管理上应允许水库调度适当承担一定的弃水风险。

    为更好地实现碗米坡中长期调度目标，水库短期腾、蓄调度的精准转换尤为重要，需要进一步引入降雨数值预报，不断研究提升未来2～5 d的逐日径流预报的精度。

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