金文婷 黃 強(西安理工大學(xué) 西北旱區(qū)生態(tài)水利工程國家重點實驗室培育基地，陜西 西安 710048)

龍羊峽和劉家峽梯級水電站水庫調(diào)水調(diào)沙合理庫容研究

金文婷 黃 強(西安理工大學(xué) 西北旱區(qū)生態(tài)水利工程國家重點實驗室培育基地，陜西 西安 710048)

為了確定黃河上游龍羊峽、劉家峽梯級水電站水庫實施水資源綜合利用所需的合理庫容，建立了以梯級水電站水庫調(diào)沙水量最大為目標(biāo)的黃河上游梯級水庫調(diào)水調(diào)沙模型，通過分析研究，獲得了龍羊峽、劉家峽梯級水電站水庫相應(yīng)方案下的合理庫容。對研究背景、不同方案下的情景模擬分析過程及其分析結(jié)果作了介紹。

梯級水庫;調(diào)水調(diào)沙;水庫庫容;龍羊峽水電站;劉家峽水電站

1 研究背景

近年來，隨著國民經(jīng)濟的迅速發(fā)展，對水資源的需求量在不斷加大，而黃河上游天然來水量卻在逐年減少，因而導(dǎo)致黃河上游寧蒙河段的水資源供需矛盾日益突出，水沙關(guān)系發(fā)生較大變化，河槽淤積萎縮，河道斷面形態(tài)加劇惡化，主槽過流能力下降，形成了部分河段“二級懸河”現(xiàn)象。二級懸河形勢的日益嚴峻，勢必應(yīng)采取有效的手段對黃河上游的泥沙問題進行治理。對于像黃河這樣多泥沙、且具有大水輸大沙特性的河流來說,水庫調(diào)水調(diào)沙具有明顯的成效，能夠為泥沙淤積河段重構(gòu)和諧的水沙關(guān)系發(fā)揮作用。

因此,研究黃河上游梯級水庫群在調(diào)水調(diào)沙條件下的合理庫容，可以為黃河上游梯級水庫調(diào)水調(diào)沙工作的可行性提供科學(xué)依據(jù)，并支撐黃河上游調(diào)水調(diào)沙工作的開展,以減輕下游河槽淤積、緩解“二級懸河”的問題[1～3]。

本文依據(jù)黃河上游天然來水資料,包括1956～2010年共55a逐月的干流唐乃亥水文站徑流資料、龍羊峽至劉家峽區(qū)間入流資料、劉家峽至蘭州斷面區(qū)間入流資料,以及國務(wù)院1987年61號文件所確定的2010現(xiàn)狀年蘭州斷面綜合用水資料，建立了黃河上游多目標(biāo)龍羊峽、劉家峽梯級調(diào)水調(diào)沙聯(lián)合調(diào)度模型。模型設(shè)置了2010年的調(diào)沙與不調(diào)沙情景，采用自迭代模擬優(yōu)化算法來求解模型，運用長系列計算結(jié)果，分析了梯級水庫合理的興利庫容[4～7]。

2 模型的建立及求解

實施龍羊峽、劉家峽梯級水庫水沙聯(lián)合調(diào)度，旨在有效地實現(xiàn)下游供水、發(fā)電、防洪、防凌以及調(diào)水調(diào)沙的多目標(biāo)任務(wù)[8]。面對復(fù)雜的調(diào)水調(diào)沙體系，應(yīng)協(xié)調(diào)好用水目標(biāo)之間的相互矛盾，突出黃河上游調(diào)水調(diào)沙的重點，兼顧供水、發(fā)電等綜合利用，并將多目標(biāo)轉(zhuǎn)化為單目標(biāo)。

具體方法為:將多目標(biāo)中的最首要內(nèi)容作為單一目標(biāo)，其他則以不等式約束形式加以實現(xiàn)，亦即約束法。本文以調(diào)水調(diào)沙水量最大作為主要目標(biāo)，將防洪、防凌、供水和發(fā)電目標(biāo)轉(zhuǎn)化為約束條件。

2.1 目標(biāo)函數(shù)

將黃河上游梯級水庫調(diào)水調(diào)沙水量最大作為模型求解的目標(biāo)， 目標(biāo)函數(shù)如下

(1)

式中，i為年數(shù)，i=1，2，…，55(即具有水文資料的1956～2010年)；j表示以年為計算周期的月時段數(shù)，j=1，2，…，12；W1(i,j)為龍羊峽水庫在第i年j時段的蓄水量；W2(i,j)為劉家峽水庫在第i年j時段的蓄水量。

2.2 約束條件

各約束條件在不同時期所考慮的數(shù)目及優(yōu)先順序不同：防凌期不考慮汛限水位約束，且必須嚴格遵守將防凌流量約束放在首位，因為該時期龍羊峽、劉家峽梯級水庫對下游的供水在部分時段會因受防凌流量限制而產(chǎn)生不足；供水期不考慮防凌流量約束及汛限水位約束，應(yīng)將供水及發(fā)電放在首位；防洪期不考慮防凌約束，該時期應(yīng)將汛限水位對應(yīng)的庫容約束放在首位，并滿足其余約束條件。

(1) 單庫水量平衡約束

V(i,j+1)=V(i,j)+[Qin(i,j)-Qout(i,j)]×Δt

(2)

式中，Qin(i,j),Qout(i,j)分別表示單個電站第i年第j時段的入庫、出庫流量；V(i,j)，V(i,j+1)表示單個電站第i年第j時段的始末庫容。對于劉家峽水庫而言，先確定劉家峽的出庫流量，即從蘭州斷面需水量進行逆推，劉家峽的入庫流量由龍羊峽水庫的出庫流量與這2座水庫的區(qū)間來水兩部分組成，需滿足水量平衡；對于龍羊峽水庫而言，入庫流量為唐乃亥水文實測徑流加有無西線調(diào)水，出庫流量則根據(jù)下游需水及發(fā)電、防洪、防凌等要求決定，同樣也應(yīng)滿足水庫水量平衡需要。

(2) 梯級水庫水量平衡約束

Q龍入(i,j)+ΔQ龍(i,j)+Q龍劉(i,j)+

ΔQ劉(i,j)+Q劉蘭(i,j)=Q蘭(i,j)

(3)

式中， Q龍入(i,j)表示龍羊峽水庫在第i年第j時段的入庫流量；ΔQ龍(i,j),ΔQ劉(i,j)分別表示龍羊峽、劉家峽水庫在第i年第j時段的水庫補/蓄水量所對應(yīng)的流量；Q龍劉(i,j),Q劉蘭(i,j)分別表示龍羊峽至劉家峽、劉家峽至蘭州斷面在第i年第j時段的區(qū)間入流量；Q蘭(i,j)表示第i年第j時段末龍、劉水庫對蘭州斷面的實際供水量。

(3) 防凌流量約束

Q劉出(i,j)≤Q防凌(i,j)

(4)

式中，Q劉出(i,j)表示第i年第j時段劉家峽的出庫流量;Q防凌(i,j)表示第i年第j時段限制劉家峽出庫大小的防凌安全流量，j=1，2，3，4，5。

(4) 庫容約束

(5)

(5) 最小下泄流量約束

Q龍出(i,j)≥Qmin(i,j)

(6)

式中，Q龍出(i,j)表示龍羊峽水庫在第i年第j時段的出庫流量；在灌溉供水期，Qmin(i,j)=800m3/s，表示灌溉期最小下泄流量；而在其他時期，Qmin(i,j)=300m3/s，表示最小生態(tài)流量。

(6) 電站保證出力約束

Nmin龍/劉(i,j)≤N龍/劉(i,j)≤Nmin龍/劉(i,j)

(7)

式中,Nmin龍/劉(i,j)，Nmin龍/劉(i,j)分別表示龍羊峽、劉家峽水電站的最小出力和最大裝機出力。

(7) 變量非負約束

Q(i,j),V(i,j),N(i,j)≥0

(8)

上述約束條件中，各時段的龍羊峽和劉家峽水庫的出庫流量、庫容以及出力值，均不能為負值。

2.3 模型求解

本研究模型采用模擬計算與自迭代優(yōu)化相結(jié)合的方法，首先通過數(shù)學(xué)表達式將系統(tǒng)中的參數(shù)與變量之間的關(guān)系連接起來，用計算機編程語言逐一實現(xiàn)；在模擬中嵌入尋優(yōu)過程，在初始路線的基礎(chǔ)上進行條件判別，依據(jù)判別結(jié)果修正變量，返回到初始計算逐一模擬系統(tǒng)運行過程，直至邊界條件均得到滿足，輸出模型結(jié)果。

在龍羊峽、劉家峽水電站梯級水庫聯(lián)合調(diào)度中，由于從龍羊峽水庫入庫、出庫，經(jīng)劉家峽水庫調(diào)節(jié)，到蘭州斷面供水的這一水資源利用過程中，其水量平衡方程有2個未知數(shù)，即Q龍出(i,j)、Q劉出(i,j)，不利于模型的求解，只有通過設(shè)定初始值通化模型計算過程。

因此，為得到初始迭代路線的龍羊峽、劉家峽水庫出庫流量值，根據(jù)2座水庫多年聯(lián)合運行的實際資料數(shù)據(jù)，求得這2座水庫12個月每月的出庫比例K(i)，作為一個時段內(nèi)水量平衡計算中初次迭代的數(shù)據(jù)，再通過約束條件判別，不斷修正時段中龍羊峽、劉家峽水庫的出庫流量大小，返回迭代計算，直至計算結(jié)果滿足各水庫流量、水位以及庫容的要求，并計算其發(fā)電效益。一個方案下，在得到滿足多目標(biāo)要求的運行結(jié)果后，盡可能多次地模擬多年調(diào)水調(diào)沙過程。

3 計算結(jié)果分析與合理庫容的確定

通過調(diào)水調(diào)沙模型，由數(shù)據(jù)庫輸入長系列運算數(shù)據(jù)，經(jīng)模型的水量平衡計算、邊界條件約束以及自迭代優(yōu)化，來計算長系列龍羊峽、劉家峽水庫不調(diào)水調(diào)沙方案下的運行過程；再據(jù)此從55a水庫水位變化過程中選擇合適的時機多次調(diào)水調(diào)沙，最終得到基于長系列調(diào)水調(diào)沙的運行結(jié)果。

由于水平年情景、方案設(shè)置的不同，黃河上游梯級水庫水沙調(diào)度模型的計算結(jié)果，為2010年不調(diào)沙、調(diào)沙長系列運行結(jié)果。

對2010年調(diào)沙、不調(diào)沙2種調(diào)度方案梯級水庫的調(diào)度過程，進行了統(tǒng)計分析與總結(jié)。結(jié)果表明：

(1) 調(diào)水調(diào)沙方面。據(jù)2010年的來水和綜合用水要求，長系列55a中,可實現(xiàn)2 580m3/s持續(xù)14d調(diào)沙的年數(shù)為26a，平均2a調(diào)一次，調(diào)沙頻率較為理想。

(2) 綜合效益方面。梯級多年平均發(fā)電量由不調(diào)沙方案下的122.4億kW·h,略微減小到調(diào)水調(diào)沙方案下的119.7億kW·h，使發(fā)電量減小了2.7億kW·h，發(fā)電量減小幅度為2.2%；與此相關(guān)的發(fā)電年保證率也隨之降低了1.7%，但均能滿足90%的發(fā)電設(shè)計要求；調(diào)沙方案下，多年平均供水量為295億m3，與不調(diào)沙的方案相比,只減少了0.25億m3，但是，與1987年的分水方案所要求的蘭州斷面需水量相比，高出57億m3。2種調(diào)度方案的供水破壞年數(shù)均為13a，供水保證率達到設(shè)計值的75%，缺水量均為0。

(3) 棄水方面。在不調(diào)沙方案下， 龍羊峽和劉家峽水庫的多年棄水月數(shù)分別是40,65個月，月平均棄水量分別為13.76億、13.15億m3；在調(diào)沙方案下，龍羊峽、劉家峽水庫的多年棄水月數(shù)分別為33,72個月，月平均棄水量則分別為13.35億、9.78億m3。

一般情況下，劉家峽水庫由于其調(diào)節(jié)庫容較小，調(diào)節(jié)性能較低，因此發(fā)生棄水的次數(shù)比龍羊峽水庫的要多，且劉家峽的棄水月數(shù)有相當(dāng)一部分與龍羊峽的棄水月數(shù)重疊。從梯級水庫的多年總棄水量來分析，在不調(diào)沙方案下，梯級水庫的總棄水量為1 405.15億m3；而在調(diào)沙方案下,梯級水庫的總棄水量為1 144.71億m3，即總棄水量減少了260.44億m3，減幅為18.5%。

可見，調(diào)水調(diào)沙將豐水年汛期發(fā)生的棄水進行了部分利用。在該利用過程中，是把汛期應(yīng)有的棄水提前在4月作為沖沙水量下泄了；由于出庫流量過大，在這2個時段,水庫均為裝機滿發(fā)狀態(tài)，只是在4月份調(diào)沙后,水庫水位大幅降低，加上后續(xù)月份的天然來水不足，致使發(fā)電水頭較低。因此,相比不調(diào)沙而言，調(diào)水調(diào)沙情況下,梯級發(fā)電量有所減少。

梯級水庫合理庫容的確定，應(yīng)當(dāng)是根據(jù)長系列梯級水庫所需庫容規(guī)模的變化過程,來對龍羊峽、劉家峽水庫的多年庫容規(guī)模進行分析，并對水庫的庫容規(guī)模進行排頻，以尋求水庫的合理庫容。現(xiàn)狀年梯級水庫庫容變化見圖1，庫容排頻見圖2。圖中的庫容規(guī)模為水庫所需的興利庫容。

由圖1和圖2可以得出如下結(jié)論。

(1) 對龍羊峽、劉家峽水庫長系列庫容規(guī)模變化過程展開了分析，結(jié)果表明，在實施調(diào)水調(diào)沙的年份,其庫容規(guī)模增大，其中1963～1969、1975～1980、1982～1990這些年份由于連續(xù)實施了調(diào)水調(diào)沙，因而龍羊峽、劉家峽水庫的庫容規(guī)模變化幅度也較大。

(2) 梯級水庫庫容頻率曲線分析結(jié)果表明，由于龍羊峽、劉家峽梯級水庫聯(lián)合調(diào)度模型的設(shè)定目標(biāo)是調(diào)沙水量最大，因此,在滿足下游供水要求方面,采取了在豐水年多供水，枯水年則按75%的設(shè)計保證率滿足80%供水需求的措施。圖2中,為滿足供水保證率情形下的庫容排頻，經(jīng)過綜合考慮，將水庫的庫容頻率選擇為90%。

綜上所述,可以得出以下結(jié)論，即在不調(diào)沙方案下,梯級水庫的合理庫容值分別為V龍=75.3億m3，

V劉=17.9億m3；在調(diào)沙方案下，V龍=139.8億m3，V劉=28.2億m3。

(3) 現(xiàn)有的龍羊峽興利庫容為193.5億m3，劉家峽為33.4億m3，經(jīng)過與計算得出的2010年調(diào)沙和不調(diào)沙方案的龍羊峽、劉家峽水庫所需的合理庫容相比較，認為現(xiàn)有的庫容能夠滿足該情景下水資源的綜合利用以及調(diào)水、調(diào)沙的要求。

4 結(jié) 語

為了緩解黃河上游河段泥沙淤積狀況，決定實施調(diào)水調(diào)沙的治理措施。為此，對黃河上游龍羊峽、劉家峽梯級水電站水庫在現(xiàn)狀情景下長系列調(diào)水調(diào)沙的情景進行模型研究，以確定滿足水資源綜合利用所需要的合理庫容值。

通過建立龍羊峽和劉家峽梯級水電站水庫調(diào)水調(diào)沙的多目標(biāo)聯(lián)合調(diào)度模型，采用了長系列調(diào)度運行數(shù)據(jù)資料，以模擬、計算調(diào)水調(diào)沙過程；根據(jù)分析和計算結(jié)果，確定了現(xiàn)狀水平年調(diào)沙與不調(diào)沙方案下梯級水庫的合理庫容。最后，將計算結(jié)果與龍羊峽、劉家峽水庫的現(xiàn)有庫容進行了比較，結(jié)果表明，龍羊峽、劉家峽水庫的現(xiàn)有興利庫容能夠滿足現(xiàn)狀條件下水資源綜合利用的要求，特別是能夠滿足調(diào)水調(diào)沙的要求。

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(編輯:趙秋云)

2015-04-09

金文婷，女，西安理工大學(xué)西北旱區(qū)生態(tài)水利工程國家重點實驗室培育基地,碩士研究生.

1006-0081(2015)04-0038-04

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