溪洛渡-向家坝-三峡梯级水库联合蓄水方案与多目标决策研究

3 3 3 3
建 22 座 、 在 建 9 座 、 规 划 7 座） ， 总 库 容 2 485.4 亿 m ， 兴 利 库 容 1 368.68 亿 m ， 防 洪 库 容 769.24 亿 m（占 长 江 流 域 主 要 防 洪 水 库 防 洪 库 容 841.92 亿 m 的 91.4 %） ， 装 机 容 量 10 764.75 万 kW ， 多 年 平 均 发 电 量 4 246.13 亿 kW·h 。 按 照 原 设 计 调 度 规 程 ， 这 些 水 库 多 集 中 在 汛 末 9 月 和 10 月 两 个 月 内 蓄 水 ， 蓄 水 量 占 径 流 量 比 例 更 大，达到 50 % 以上，将引起中下游明显的减水过程，如果遇枯水年，情 况会更加严重。为保障下游用水安全，上游水库需减缓蓄水过程进行补水，若后续来水不足，则无 法蓄到设计水位，不仅严重影响水库综合效益的发挥，同时也带来流域抗旱、水污染事故应急处理 和生态等公益性调度能力不足的问题。因此，水电能源大规模开发背景下流域梯级水库汛末蓄水调 度问题，已成为梯级水库优化运行管理和流域水资源合理配置亟待解决的关键科学技术问题之一。 目前，针对水库汛末蓄水调度问题的研究多集中在单个水库蓄水调度模式的优化上，而对流域
束和联合蓄水方案的防洪风险； （2） 兴利效益分析，分析了联合蓄水方案的发电和蓄水等兴利效益； （3） 多目标决 向家坝 - 三峡梯级水库的较优联合蓄水方案，分别为 9 月 5 日起蓄的同步起蓄方案和 9 月 1 日 -9 月 5 日 -9 月 10 日起 蓄 的 异 步 起 蓄 方 案 ， 较 原 设 计 蓄 水 方 案 ， 年 均 发 电 量 可 分 别 增 加 23.76 和 20.43 亿 kW·h ， 增 幅 分 别 为 3.25% 和 2.78 % ； 蓄 水 率 可 由 96.73 % 分 别 提 高 至 97.51 % 和 97.57 % ， 两 者 均 可 在 不 降 低 原 防 洪 标 准 的 前 提 下 ， 提 高 梯 级 水库的综合效益，前者的发电效益较优，而后者的蓄水效益较优。 中图分类号： TV697 文献标识码： A 关键词： 联合蓄水调度；多目标决策；防洪风险；兴利效益；梯级水库 doi： 10.13243/ki.slxb.20141294
表1
项目 校核洪水位 /m 设计洪水位 /m 防洪高水位 /m 正常蓄水位 /m 防洪库容 /亿 m 调节性能 装机容量 /MW 多年平均发电量（ / 亿 kW·h） 保证出力 /MW 死水位 /m
3
溪洛渡 - 向家坝 - 三峡梯级水库的特征参数
溪洛渡 600.63 600 560 600 46.5 64.6 季调节 13 860 3 850 572.4 540 608.9 向家坝 381.86 380 380 370 380 9.03 9.03 季调节 6 400 307.47 2 009 370 三峡 180.4 166.9 145 175 221.5 165 季调节 22 400 4 990 >900 42 660 >1 779.87 10 849 / 277.03 238.63 175 梯级
水
2015 年 10 月 文章编号： 0559-9350 （2015） 10-1135-10
利
SHUILI
学
XUEBAO
报
第 46 卷 第 10 期
溪洛渡 - 向家坝 - 三峡梯级水库联合蓄水方案与多目标决策研究
周研来 1， 2 ，郭生练 2 ，陈 进 1
2. 武汉大学 水资源与水电工程科学国家重点实验室，湖北 武汉 （1. 长江科学院 水资源综合利用研究所，湖北 武汉 430010 ； 430072）
［8］
限的可蓄水量的限制条件下，如何根据各库入库流量，分析流域内的总可蓄水量，综合考虑防洪、 发电、蓄水和航运等综合因素，如何协调好防洪、发电、蓄水和航运等目标之间的矛盾，实现这一 特大型水库蓄水时机与蓄水进程的协同优化，是目前迫切需要探索的问题。 蓄水方案，主要研究内容包括以下 3 个部分： （1） 风险分析，推求了汛末各分期内坝前最高安全水位 约束和联合蓄水方案的防洪风险； （2） 兴利效益分析，分析了联合蓄水方案的发电和蓄水等兴利效 案，梯级水库联合蓄水方案优选流程详见图 1 。 益； （3） 多目标决策，评价了联合蓄水方案的防洪风险、发电和蓄水效益，得出了最优非劣质蓄水方 本 文 以 溪 洛 渡 -向 家 坝 -三 峡 梯 级 水 库 为 例 ， 推 求 了 可 权 衡 防 洪 与 兴 利 之 间 矛 盾 的 梯 级 水 库 联 合
（库 水 位 分 段 控 制） 和 坝 前 最 高 安 全 水 位 约 束 （基 于 防 洪 风 险 分 析 确 定 分 期 汛 限 水 位 约 束 ， 具
体计算流程详见本文第 2 节） 确定的，如同步起蓄方案中寻优区间 ① 的上边界为 8 月 20 日起蓄的坝前 的坝前最高安全水位，下边界为原汛限水位。
策，评价了联合蓄水方案的防洪风险、发电和蓄水效益，得出了最优非劣质蓄水方案。研究结果表明：溪洛渡 -
1
研究背景
在我国水电能源大规模开发格局下，一批大规模梯级水库已逐渐形成，其兴利库容占流域径
流量的比例大幅度提高，水库汛末蓄水对河道自然径流的影响程度也显著增强。同一流域上的水 库，其蓄水时间大致相同，往往存在集中蓄水和竞争蓄水现象。以长江上游为例，随着近期一大 批大型水电站开工建设和建成投运，以三峡工程为骨干的长江上游干支流梯级水库已初具规模。 截 至 2012 年 ， 长 江 流 域 干 流 石 鼓 以 下 及 主 要 支 流 已 建 、 在 建 和 规 划 的 控 制 性 水 库 共 38 座 （其 中 已
［3］
发电效益进行了比较。彭杨等 建议三峡水库适当提前蓄水时间不会降低水库的防洪标准，且有利于 型，对三峡水库运行初期的蓄水方式和时机选择进行了优化研究。刘心愿等 考虑了三峡水库防洪、 发电、航运、生态和抗旱等综合利用要求，建立了多目标蓄水优化调度模型，对汛末防洪库容和蓄 水调度图进行了优化研究。李雨等 建立了三峡水库提前蓄水的防洪风险与效益分析模型，对多组分 台阶蓄水方案，从防洪风险和蓄水效益 2 个方面进行了优选，并推荐三峡水库从 9 月 1 日及以后起 蓄。但这些研究未充分考虑三峡以上大型水库对三峡蓄水方案制定的影响，仍难以有效指导工程应 用实践。 解决梯级水库汛末蓄水调度问题的关键在于如何科学制定水库统一、协调的联合蓄水调度方 案，从而在满足流域防洪安全、下游用水和河道航运需求的同时，实现水库蓄水率的最大化。陈进
摘要： 为协调好梯级水库联合蓄水调度过程中防洪、发电、蓄水和航运等目标之间的矛盾，实现各水库蓄水时机 与 蓄 水 进 程 的 协 同 优 化 ， 以 溪 洛 渡 -向 家 坝 -三 峡 梯 级 水 库 为 例 ， 推 求 了 可 权 衡 防 洪 与 兴 利 之 间 矛 盾 的 梯 级 水 库 联合蓄水方案，主要研究内容主要包括以下 3 个部分： （1） 风险分析，推求了汛末各分期内坝前最高安全水位约
收稿日期： 2014-10-29
基金项目：国家自然科学基金项目 （51509008） ；湖北省自然科学基金项目 （2015CFB217） ； “湖北省高端人才引领培养计划 作者简介：周研来 （1985-） ，男，湖南娄底人，博士，工程师，主要从事水文学及水资源开发利用研究。 E-mail： zyl23bulls@
［11-12］ ［3-5］
月 20 日 。 图 2 中 同 步 起 蓄 方 案 的 寻 优 区 间 和 异 步 起 蓄 方 案 寻 优 区 间 是 参 照 三 峡 水 库 优 化 蓄 水 调 度 原
［5］
， 因 此 ， 表 2 中 溪 洛 渡 -向 家 坝 -三 峡 梯 级 水 库 的 起 蓄 时 间 不 会 早 于 8
［7］ ［6］ ［5］ ［4］
根据长江流域特性、上游大型水库建设和运行情况，从宏观的角度分析了水库汛末竞争性蓄水引发 的问题，提出了长江上游水库统一蓄水的基本原则和建议。欧阳硕等 针对流域干支流梯级水库汛末 竞争性蓄水这一工程问题，在保证防洪安全的前提下，提出了一种新的蓄放水策略来判定流域梯级 水库各水库的蓄水时机和次序，但其仅仅是生成了梯级水库联合蓄水调度非劣质解集，并没有提出 能权衡好防洪、发电、航运等多目标的蓄水决策方案。彭杨等 以梯级水库的发电、航运和排沙减淤 为目标，建立了溪洛渡 - 向家坝梯级水库水沙联合优化调度多目标决策模型，得到满足梯级水库发电 抬高关键时间节点蓄水水位研究，因而溪洛渡 - 向家坝梯级水库的发电效益增加不显著。 和减淤要求的蓄水方案，但其仅仅考虑了发电、航运和排沙减淤效益，并未针对防洪调度开展适当 三峡水库和溪洛渡、向家坝水库都是特大型水库，随着溪洛渡和向家坝水库的建成蓄水，在有
表2
蓄水日期
最 高 安 全 水 位 ， 下 边 界 为 8 月 25 日 起 蓄 的 坝 前 最 高 安 全 水 位 ； 寻 优 区 间 ⑤ 的 上 边 界 为 9 月 10 日 起 蓄
溪洛渡 - 向家坝 - 三峡梯级水库蓄水方案的起蓄和蓄满时间 （步长 =5 或 6d）
溪洛渡 8 月 20 日— 9 月 10 日 8 月 20 日— 9 月 5 日 9 月 30 日 9 月 30 日 9 月 30 日 9 月 10 日 向家坝 8 月 20 日— 9 月 10 日 8 月 25 日— 9 月 10 日 9 月 30 日 9 月 30 日 9 月 30 日 9 月 10 日 三峡 8 月 20 日— 9 月 10 日 9 月 1 日— 9 月 15 日 10 月 31 日 10 月 31 日 10 月 31 日 10 月 1 日
第一层次人选” 计划项目 （2013-2017） ；武汉大学水资源与水电工程科学国家重点实验室开放基金项目 （2014SWG02）
— 1135 —
梯级水库联合蓄水调度优化模型及方法的系统研究较少。李义天等 提出了三峡水库 9 月份分旬控制
［1］ ［2］
蓄水的方案，针对不同频率的洪水组合进行调洪演算，得到了 9 月各旬相应的防洪限制水位，并对其 三峡水库综合效益的发挥，提前蓄水利大于弊。刘攀等 建立了三峡水库蓄水调度函数的神经网络模