王 祥，鮑正風(fēng)，舒衛(wèi)民，張東杰

(中國長江三峽集團(tuán)有限公司，湖北 宜昌 443000)

三峽工程是治理長江和開發(fā)利用長江水資源的關(guān)鍵骨干性工程，自2003年運(yùn)行來在防洪、發(fā)電、航運(yùn)和水資源利用方面發(fā)揮巨大綜合效益。根據(jù)《長江三峽水利樞紐環(huán)境影響報(bào)告書》結(jié)論，由于三峽工程的投入運(yùn)行改變了河流自然生態(tài)境條件，造成天然河道流速減緩洪峰流量削減，將會對四大家魚的自然繁殖帶來不利影響，為保障四大家魚的繁殖需通過水庫調(diào)度產(chǎn)生人造洪峰促進(jìn)四大家魚產(chǎn)卵[1]。當(dāng)前國內(nèi)學(xué)者對三峽水庫促進(jìn)四大家魚繁殖生態(tài)調(diào)度進(jìn)行了大量研究，研究表明四大家魚產(chǎn)卵需在一定的水溫條件下伴隨連續(xù)的水流漲水過程，漲水過程持續(xù)時間越長產(chǎn)卵效果越好，當(dāng)水位下降流速減緩時產(chǎn)卵活動大都停止[2-5]。依據(jù)生態(tài)調(diào)度研究成果，三峽水庫自2011-2018年在消落期及汛期開展了12次生態(tài)調(diào)度試驗(yàn)，監(jiān)測結(jié)果顯示在調(diào)度期均發(fā)現(xiàn)四大家魚較為明顯的產(chǎn)卵過程，表明實(shí)施的生態(tài)調(diào)度具有促進(jìn)四大家魚產(chǎn)卵作用[6]，后期可持續(xù)開展生態(tài)調(diào)度進(jìn)行監(jiān)測跟蹤評估優(yōu)化生態(tài)調(diào)度方案。

當(dāng)前三峽水庫生態(tài)調(diào)度研究主要聚焦于四大家魚繁殖所需的水文、水力學(xué)條件，研究提出的生態(tài)調(diào)度方案未充分考慮運(yùn)行約束導(dǎo)致實(shí)施困難。為創(chuàng)造四大家魚繁殖所需的水文、水力學(xué)條件，可通過三峽水庫調(diào)蓄實(shí)現(xiàn)人造洪峰模擬天然漲水過程。三峽水庫出庫流量由三峽電站發(fā)電計(jì)劃控制，發(fā)電計(jì)劃需充分考慮三峽水庫承擔(dān)的各項(xiàng)任務(wù)、面臨的約束和葛洲壩電站最大發(fā)電能力等因素。本文對三峽水庫生態(tài)調(diào)度面臨的約束進(jìn)行分析，構(gòu)建模型評估不同時間開展三峽水庫生態(tài)調(diào)度的可行性，用以探求滿足三峽-葛洲壩梯級水庫綜合運(yùn)用和生態(tài)調(diào)度的適宜方案，供實(shí)時調(diào)度三峽水庫生態(tài)調(diào)度方案的編制和啟動提供參考。

1 工程概況

1.1 三峽-葛洲壩梯級水庫

三峽工程是治理和開發(fā)長江的骨干性工程，位于長江上游與中游的分界點(diǎn)，控制流域面積達(dá)100 萬km2，約占長江流域總面積的 55%。三峽水庫是以防洪為主，兼有發(fā)電、航運(yùn)等多功能的綜合利用水利樞紐，在水庫設(shè)計(jì)過程中，主要是通過設(shè)置一系列體現(xiàn)不同作用的控制水位來統(tǒng)籌考慮水庫的安全性、經(jīng)濟(jì)性和可靠性，這些控制水位將水庫總庫容分割成多個不同功能的庫容，防洪庫容是三峽水庫的一個重要指標(biāo)，三峽工程建成運(yùn)行后，水庫擁有221.5 億m3的防洪庫容，汛前水庫需通過發(fā)電調(diào)度逐步消落水位至145 m釋放防洪庫容。

葛洲壩工程是三峽工程的反調(diào)節(jié)樞紐，通過葛洲壩調(diào)節(jié)可減緩三峽電站調(diào)峰運(yùn)行引起的水位波動對下游航運(yùn)造成的不利影響。葛洲壩樞紐位于三峽壩下約38 km的宜昌市，有反調(diào)節(jié)庫容0.86 億m3，電站裝機(jī)2 715 MW。它的主要任務(wù)是對三峽電站調(diào)峰引起的不穩(wěn)定下泄流量進(jìn)行反調(diào)節(jié)，避免對下游航運(yùn)造成不利的影響。

1.2 水庫功能

1.2.1 防 洪

防洪是三峽工程首要任務(wù)，在三峽工程論證、初步設(shè)計(jì)、優(yōu)化調(diào)度不同階段對三峽水庫防洪調(diào)度方式進(jìn)行了大量的研究，最終形成了當(dāng)前對荊江補(bǔ)償調(diào)度和兼顧城陵磯補(bǔ)償?shù)恼{(diào)度方式。根據(jù)批復(fù)的三峽調(diào)度規(guī)程要求：1 -4月三峽水庫按不小于6 000 m3/s 控制下泄流量(同時滿足葛洲壩下游廟嘴水位不低于39 m的要求)，至5月25日水庫水位逐步降至不高于155 m，6月10日消落至汛限水位，確保汛期221.5 億m3防洪庫容充分釋放[7]。

1.2.2 發(fā) 電

三峽電站裝機(jī)容量22 500 MW，設(shè)計(jì)多年平均發(fā)電量882 億kWh，是世界上裝機(jī)容量最大的水電站，在全國電網(wǎng)互聯(lián)格局中處于中心位置，其投產(chǎn)運(yùn)行向華中、華東和南方電網(wǎng)送電，有效緩解了受電區(qū)域用電緊張局面。受當(dāng)前我國能源結(jié)構(gòu)、電網(wǎng)負(fù)荷特性等因素影響，實(shí)時運(yùn)行對三峽電站電力質(zhì)量與發(fā)電量提出了較高要求，且三峽電站需深度參與電力系統(tǒng)調(diào)峰運(yùn)行，其調(diào)峰幅度又受制于葛洲壩可用機(jī)組和調(diào)節(jié)庫容，日常發(fā)電計(jì)劃編制需統(tǒng)籌考慮三峽-葛洲壩梯級電站。

1.2.3 航 運(yùn)

宜昌至重慶河段長660 km，流經(jīng)丘陵和高山峽谷，在三峽工程建設(shè)以前，受制于自然地理?xiàng)l件航道水流湍急，分布大量暗礁和險灘，嚴(yán)重地制約了航道通航能力，其河段年單向通過能力只有1 000 萬t。三峽工程投運(yùn)并蓄水至175 m運(yùn)行，使得庫區(qū)江面寬度由蓄水前150～250 m 變?yōu)?00～2 000 m，平衡抬升水深約40 m，航道內(nèi)主要灘險均被淹沒，航行條件得到根本改善。

2 生態(tài)調(diào)度啟動條件

2.1 水 溫

長江四大家魚的產(chǎn)卵繁殖季節(jié)在每年 4 月下旬至7 月上旬，產(chǎn)卵活動與其產(chǎn)卵場水域的水溫、水流流態(tài)等一系列要素密切相關(guān)，其中水溫是影響四大家魚繁殖的主要外界條件之一[8]。研究發(fā)現(xiàn)，四大家魚繁殖的最低水溫為18 ℃，水溫低于18 ℃，則繁殖活動被迫終止，20～24 ℃為其最適宜繁殖水溫范圍，水溫低于18 ℃不能夠促進(jìn)四大家魚自然繁殖[9]。

三峽水庫蓄水前，宜都斷面四大家魚年內(nèi)首次產(chǎn)卵時間為4 月中旬至5 月初，蓄水后產(chǎn)卵時間有所推遲。分析宜昌站長系列水溫資料，表明受三峽建庫影響宜昌斷面4、5月份水溫較建庫前分別降低2.3、1.7 ℃，從而導(dǎo)致四大家魚適宜產(chǎn)卵時間推遲。三峽水庫蓄水以來，宜昌站水溫變化過程如圖1所示，水溫達(dá)到18 ℃的日期基本推遲至5月上旬，水溫達(dá)到四大家魚繁殖適宜時間由蓄水前的4月下旬推遲至5月上旬。綜合考慮水溫因素，生態(tài)調(diào)度適宜實(shí)施時間為5月上旬-7月上旬。

圖1 三峽水庫蓄水以來宜昌站水溫曲線統(tǒng)計(jì)

2.2 來 水

研究表明魚類產(chǎn)卵與河道漲水過程、漲水持續(xù)時間及河道水流流態(tài)變化相關(guān)，漲水過程持續(xù)時間越長、漲水期間河道水流流態(tài)變化越劇烈，則越有利于魚類產(chǎn)卵[10]。柏海霞等對宜昌站下游宜都斷面產(chǎn)卵場不同流量下斷面流速進(jìn)行模擬分析，顯示宜都斷面產(chǎn)卵場流量低于10 000 m3/s時流速分布較為均勻穩(wěn)定，產(chǎn)卵場江段河道流量在10 000～20 000 m3/s之間變化時流速變化最為劇烈，流量超過30 000 m3/s時產(chǎn)卵場流速分布均勻穩(wěn)定[11]。2011-2018年三峽水庫連續(xù)8年共實(shí)施了12次生態(tài)調(diào)度試驗(yàn)，試驗(yàn)總時長74 d，試驗(yàn)期間監(jiān)測到宜都斷面四大家魚產(chǎn)卵總量31.8億粒，占監(jiān)測期間(5月15日-7月15日)四大家魚繁殖總量的48%，生態(tài)調(diào)度效果顯著。監(jiān)測結(jié)果如圖2所示,表明流量在12 000～25 000 m3/s期間繁殖現(xiàn)象發(fā)生較為集中，超過30 000 m3/s之后產(chǎn)卵發(fā)生概率較小。

圖2 宜都斷面產(chǎn)卵場流量與卵密度關(guān)系

綜合研究成果和生態(tài)調(diào)度實(shí)踐，生態(tài)調(diào)度流量宜控制在10 000～25 000 m3/s以創(chuàng)造適宜的水力學(xué)條件，水流變化過程需持續(xù)不少于3 d，每天平均增加1 000～2 000 m3/s。

生態(tài)調(diào)度要求四大家魚產(chǎn)卵場水溫達(dá)18 ℃以上，三峽建庫以來宜昌站歷年水溫監(jiān)測結(jié)果顯示產(chǎn)卵場水溫達(dá)到18 ℃水溫時間主要出現(xiàn)在5月上中旬，至6月水溫逐步上升至24 ℃左右，統(tǒng)計(jì)三峽水庫建庫以來相應(yīng)時段入庫流量，結(jié)果如圖3所示。三峽水庫建庫以來5月上旬至6月下旬平均入庫流量逐步增加，流量范圍在9 230～19 500 m3/s之間。以三峽水庫建庫后5月上旬至6月下旬平均入庫流量和三峽水庫水位日降幅按不超0.6 m測算，開展生態(tài)調(diào)度可控制三峽水庫出庫流量10 000～23 200 m3/s，滿足生態(tài)調(diào)度所需的10 000～25 000 m3/s流量條件。

圖3 2003-2018年5-6月三峽分旬入庫流量過程圖

3 運(yùn)行約束及模型構(gòu)建

3.1 運(yùn)行約束

三峽水庫生態(tài)調(diào)度適宜啟動時間為5上旬至7月上旬，期間三峽水庫處于集中消落期至汛期過渡階段，運(yùn)行面臨防洪、發(fā)電、航運(yùn)等相關(guān)約束。三峽工程通航論證中要求實(shí)現(xiàn)萬噸級船隊(duì)從重慶直達(dá)武漢，其保證率應(yīng)不低于50%?？紤]水庫運(yùn)行特性和通航保證率要求，經(jīng)過大量研究論證三峽水庫調(diào)度規(guī)程中規(guī)定：一般情況下，4月末三峽水位不低于枯水期消落低水位155 m，同時消落期水庫水位日降幅按不超0.6 m控制[7]。三峽-葛洲壩梯級電站是緊密聯(lián)系的整體，葛洲壩電站對三峽電站由于調(diào)峰運(yùn)行下泄的非恒定流進(jìn)行調(diào)蓄，確保下游航運(yùn)安全。梯級電站運(yùn)行需滿足安全和經(jīng)濟(jì)運(yùn)行要求，其中經(jīng)濟(jì)運(yùn)行要求電站不棄水。綜合考慮三峽-葛洲壩梯級水庫運(yùn)行目標(biāo)，生態(tài)調(diào)度期間約束條件如下：

(1)三峽水庫水位日消落約束：H1-H2≤0.6 m，其中H1為日初水位，H2為日末水位。

(2)三峽日出力約束：N1-N2≤300 萬kW，其中N1為高峰時段出力，N2為低谷時段出力，生態(tài)調(diào)度期間三峽調(diào)峰量按不超300 萬kW控制。

(3)葛洲壩不棄水約束：Q三≤Q葛，其中Q三為三峽高峰出庫，Q葛為葛洲壩滿發(fā)流量。

(4)流量日變幅約束：1 500 m3/s≤Q2-Q2≤2 000 m3/s，其中Q1為當(dāng)日三峽水庫出庫流量，Q2為第二日三峽水庫出庫流量。

3.2 模型構(gòu)建

3.2.1 模型計(jì)算流程

水庫調(diào)度可采用常規(guī)調(diào)度模型和優(yōu)化調(diào)度模型進(jìn)行調(diào)度過程的模擬，生態(tài)調(diào)度方案主要控制水庫出庫流量滿足要求，可采取常規(guī)調(diào)度模型進(jìn)行模擬。常規(guī)調(diào)度模型計(jì)算一般分為水位控制模式、流量控制模式、出力控制模式和混合控制模式四種類型，計(jì)算依據(jù)為水量平衡原理，水量平衡計(jì)算公式如下：

W入-W出=ΔV

(1)

式中：W入為時段內(nèi)入庫水量，m3；W出為時段內(nèi)出庫水量，m3；ΔV為時段內(nèi)水庫庫容變化量，m3。

生態(tài)調(diào)度期為控制三峽水庫出庫流量滿足要求采取流量控制模式，流量控制模式首先將出庫流量用來發(fā)電，當(dāng)出庫流量超過最大發(fā)電流量時為其他出庫流量，其中計(jì)算三峽水庫出庫流量計(jì)算公式如下：

Q出庫=Q發(fā)電+Q其他出庫

(2)

式中：Q出庫為水庫出庫流量；Q發(fā)電為電站發(fā)電流量；Q其他出庫為包含泄洪流量 、船閘用水流量。

依據(jù)以水定電的方式確定三峽發(fā)電計(jì)劃，三峽電站發(fā)電流量計(jì)算公式如下：

N=KQ發(fā)電H

(3)

式中：N為電站的平均出力；Q發(fā)電為電站發(fā)電流量；H為發(fā)電凈水頭；K為電站綜合出力系數(shù)。

計(jì)算采用三峽水調(diào)自動化系統(tǒng)的發(fā)電調(diào)度模塊，流量控制模式計(jì)算流程如圖4所示，首先根據(jù)三峽水庫時段初水位、入庫流量、出庫流量計(jì)算電站出力和末水位，依次判斷三峽水庫出庫流量、電站出力、末水位是否滿足約束條件，若不滿足則按相應(yīng)的約束值反算其他發(fā)電指標(biāo)至各項(xiàng)值滿足約束要求。

圖4 已知出庫流量求出力流程圖

3.2.2 模擬結(jié)果評價

為驗(yàn)證模型模擬精度，應(yīng)用模型對實(shí)際發(fā)生的調(diào)度過程進(jìn)行模擬，以電站出力作為評價指標(biāo)將模擬結(jié)果同實(shí)際運(yùn)行過程進(jìn)行對比，選取2018年5-7月逐日三峽水庫實(shí)際運(yùn)行數(shù)據(jù)進(jìn)行測算，模擬結(jié)果見表1所示。

表1 流量控制模式計(jì)算出力與實(shí)際出力偏差表

模擬結(jié)果表明5-7月流量控制模式下出力偏差平均值和相對誤差較小，模擬誤差在可接受范圍內(nèi)。5-6月三峽水庫不棄水時最大單日出力誤差360 MW，由此引起的水位控制偏差約0.05 m。7月隨著三峽水庫出庫流量增加，模擬誤差逐步增大，表明模擬誤差跟出庫流量呈現(xiàn)正相關(guān)。

4 結(jié)果及討論

監(jiān)測資料和相關(guān)研究成果表明四大家魚繁殖活動最早開始時間為每年的4月28日，最晚開始時間為5月10日，最早結(jié)束時間為6月15日，最晚結(jié)束日期為7月5日，一般認(rèn)為四大家魚自然繁殖時期為每年的5-7月份[12]。 以5-7月調(diào)度期三峽水庫入庫流量、運(yùn)行控制目標(biāo)、葛洲壩棄水約束和電網(wǎng)負(fù)荷特性為邊界，模擬不同時間啟動生態(tài)調(diào)度并對結(jié)果進(jìn)行分析。

4.1 5月上中旬

5月上旬至中旬三峽水庫水位需從160 m消落至153 m左右，日均消落水位0.35 m。綜合考慮5月上中旬三峽水庫調(diào)度目標(biāo)、入庫流量、相關(guān)約束，模擬結(jié)果見表2。

表2 三峽水庫5月上中旬生態(tài)調(diào)度模擬結(jié)果

模擬結(jié)果表明5月上中旬開展生態(tài)調(diào)度葛洲壩電站無棄水風(fēng)險，且對三峽水庫水位消落無影響。當(dāng)三峽入庫流量為5月上旬平均入庫流量8 600 m3/s時，受三峽水庫日消落水位不超0.6 m制約，三峽水庫開展生態(tài)調(diào)度初始出庫流量可由10 000 m3/s增加至13 000 m3/s，生態(tài)調(diào)度可持續(xù)3 d。當(dāng)入庫流量較8 600 m3/s偏小時不滿足生態(tài)調(diào)度相關(guān)要求，因此開展生態(tài)調(diào)度需三峽入庫流量不低于8 600 m3/s。實(shí)時調(diào)度中預(yù)報(bào)三峽入庫流量不低于8 600 m3/s時，監(jiān)測宜昌站水溫滿足條件可按三峽水庫初始出庫流量10 000 m3/s擇機(jī)啟動生態(tài)調(diào)度。

4.2 5月下旬至6月上旬

5月下旬至6月上旬三峽水庫水位需從153 m消落至145 m左右，日均消落水位0.42 m。綜合考慮5月下旬至6月上旬三峽水庫調(diào)度目標(biāo)、入庫流量、相關(guān)約束，模擬結(jié)果見表3。

表3 三峽水庫5月下旬至6月上旬生態(tài)調(diào)度模擬結(jié)果

模擬結(jié)果表明5月下旬至6月上旬三峽水庫入庫水量疊加可補(bǔ)水量滿足生態(tài)調(diào)度流量啟動條件，開展生態(tài)調(diào)度主要受三峽水庫消落目標(biāo)和葛洲壩電站棄水因素制約。5月下旬至6月上旬最小和平均來水條件下開展生態(tài)調(diào)度 考慮模型模擬誤差存在三峽水庫日消落水位超0.6m風(fēng)險。5月下旬至6月上旬最大來水條件下開展生態(tài)調(diào)度將導(dǎo)致葛洲壩電站棄水。

4.3 6月中下旬及后期

6月中下旬及后期，宜昌站水溫基本在21～24 ℃，滿足生態(tài)調(diào)度適宜的水溫條件，期間三峽入庫流量基本超葛洲壩電站滿發(fā)流量，生態(tài)調(diào)度可無需兼顧葛洲壩電站棄水因素。在保證防洪安全前提下，三峽水庫可提前抬升庫水位預(yù)蓄部分水量為生態(tài)調(diào)度創(chuàng)造條件，生態(tài)調(diào)度期間通過逐步加大三峽水庫出庫流量維持3天以上的漲水過程，最大出庫流量考慮三峽電站可用機(jī)組和電網(wǎng)負(fù)荷需求綜合擬定。

5 結(jié) 論

本文以三峽水庫開展生態(tài)調(diào)度面臨的實(shí)際約束為邊界，通過分析不同時間啟動生態(tài)調(diào)度的可行性，得出以下結(jié)論：

(1)5月上旬至5月中旬三峽入庫流量不低于8 600 m3/s時，監(jiān)測宜昌站水溫滿足生態(tài)調(diào)度水溫條件可擇機(jī)啟動生態(tài)調(diào)度，期間開展生態(tài)調(diào)度可避免葛洲壩棄水同時不影響三峽水庫汛前消落。

(2)5月下旬至6月上旬開展生態(tài)調(diào)度將影響三峽水庫汛前消落，增加三峽水庫日消落水位超0.6m風(fēng)險，且易導(dǎo)致葛洲壩電站棄水。

(3)6月中下旬及7月可根據(jù)長江上下游水情擇機(jī)開展生態(tài)調(diào)度，為確保生態(tài)調(diào)度持續(xù)時間可適當(dāng)抬升三峽庫水位預(yù)蓄部分水量，待生態(tài)調(diào)度結(jié)束后逐步將庫水位消落至汛期限制水位范圍。

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