金沙江下游梯级水库防洪与兴利方案探讨及其影响效益评估.ppt

金沙江下游梯级水库防洪与兴利方案探讨及其影响效益评估,长江科学院 许继军 Water Resources Department Changjiang River Scientific Research Institute (CRSRI),Flexible Flood Control Capacity Exploration and Relevant Extra Profits Estimation of Cascade Reservoir in Lower Jinsha River,1. 项目基本情况 (Review),Cascade reservoirs in lower Jinsha River,Jingjiang reach,Three Gorges dam,Chuanjiang mainstream,Flood diversion area,两种思路： （1）上游所建水库，有条件应多预留防洪库容，尽可能提高长江中下游防洪标准、减少分洪量。 （2）上游所建水库，尽量多发电，而不必过多承担防洪任务，以发电增量效益来补偿中下游分蓄洪区的分洪损失。（水电能源迫切需求和分蓄洪区湿地保护）。,研究目标 (Object),计算金沙江下游梯级不同防洪库容方案的发电增量效益 To estimate the extra profits of reducing the flood control capacity,初步明确金沙江下游梯级水库防洪库容变化对水库 泥沙淤积、长江中游分蓄洪区的防洪影响 To assess the impacts of capacity changing on sand sediment and downstream flood control,1. 项目基本情况 (Review),2.金沙江及长江上游洪水特性分析,（1）金沙江洪水是由上游融雪(冰)洪水和下游暴雨洪水所组成，而最大洪水主要是由暴雨所产生。 （2）长江上游宜宾至宜昌河段，有川西暴雨区和大巴山暴雨区，暴雨频繁，岷江、嘉陵江分别流经这两个暴雨区，洪峰流量大，暴雨走向大多和洪水流向一致，使岷江、沱江和嘉陵江洪水相互遭遇，易形成寸滩、宜昌站峰高量大的洪水。 （3）长江上游干支流洪水先后叠加，汇集到宜昌后，易形成峰高量大的洪水，过程历时较长，一次洪水过程短则7-10天，长则可达1月以上。 （4）宜昌站一次洪水过程一般至少由上游两次暴雨过程形成，宜昌至螺山河段的洪水主要也来自长江上游洪水。,长江上游洪水总体情况(Flood Characteristic of Upper YR),2.金沙江及长江上游洪水特性分析,金沙江洪水特性,屏山站,汛期，金沙江屏山站观测的洪水总量一般占宜昌站的1/3。,宜昌站,李庄站,寸滩站,金沙江洪水发生时间在6月下旬10月中旬，集中在79月，其组成: 干流石鼓以上占25%33%， 支流雅砻江小得石占27%35%， 石鼓、小得石至屏山区间占26%37%。 金沙江洪水较稳定，洪量年际变化较小，可预见性相对较强。,石鼓,小得石,金沙江中下游区间,3.梯级水库防洪库容调整方案研究,原长江流域综合规划（1990年版）拟定的开发方案 The Comprehensive Utilization Plan of the Yangtze River Basin (published in 1990),四个水库规划方案,3.梯级水库防洪库容调整方案研究,有关争论 some debates on flood control capacity,Some experts think the cascade reservoir should be met to the overall arrangements of flood control in YR basin, and should hold more flood control capacity in flooding season as can as possible, for the safety of Chuan river and Jing river. Therefore, they suggest the government should pay some compensation for the reducing in power generation.,谭培伦、蒋光明等对如何正确处理溪洛渡及向家坝发电与防洪的关系进行了分析，认为这两个水电站应当服从长江防洪的总体安排，在可能条件下尽量多留一些防洪库容，为川江及长江中下游防洪起更大一些的作用，并建议国家及地方政府应对其防洪功能（因防洪而导致发电效益减少）给予一定的补偿。,3.梯级水库防洪库容调整方案研究,但也有专家认为，由于金沙江洪水组成相对较稳定，且不在川西暴雨带内，短历时高强度的暴雨很少见，突发性的大洪水并不常见，洪水的可预见本身就比较好。再考虑近年来整个长江流域水情监测系统及预报技术的提高，流域性洪水的可预见增强，在一定程度上有助于水库的联合调度。这样，适当减少金沙江梯级水库的防洪库容而提高汛限水位，增加发电，未必就会增加长江中游分蓄洪区的分洪运用风险。,Some experts have opposite opinions, and think it is feasible to increase hydropower generation by reducing the flood control capacity, according to the flood characteristic coming from upstream. Furthermore, they even think it wouldnt increase the probability of flood diversion in the middle of YR, if flood regulation of reservoirs were well done.,有关争论 some debates on flood control capacity,3.梯级水库防洪库容调整方案研究,3. 梯级水库防洪库容调整方案研究,本次研究假定的防洪库容方案,（1）方案Z：按照规划的防洪库容，采用联合优化调度算法，计算复核梯级水电站的发电效益，以便与原规划结果进行对比；,（2）方案A：不预留防洪库容，这是一种极端情况，在这种情况下水电站汛期能充分利用水头、且汛后蓄满率较好； （3）方案B：汛期预留防洪总库容为规划库容的一半，这里存在多种组合； （4）方案C：以2008年10月份主办的生态流量研讨会上通过的金沙江生态流量推荐过程，作为水库下泄流量过程的约束条件，来研究不同防洪库容方案的生态流满足情况，这里考虑位于最下游的向家坝水电站，按照生态流量要求，来控制下泄流量。,梯级水库联合优化调度模型,4. 发电增量效益复核分析,是以梯级总发电量最大，作为优化目标。,4. 发电增量效益复核分析,模型求解方法POA,其优化原理： 最优路线具有这样的特征：每对决策集合相对于它的初始值和终止值来说都是最优的。,运用此原理可将一个复杂的序列决策问题化为一系列的二阶段决策问题，使原问题得到简化。,在程序计算时需解决两个问题： 约束优化问题罚函数法 非线性最优搜索黄金分割点与缩小搜索廊道相结合,4. 发电增量效益复核分析,生态流量约束条件,7日滑动平均法是以天然流量过程为生态流量基准的，其基本思想是将水库调度对径流过程影响约束在一定范围内，以避免天然径流过程被过多的干扰。 该方法的优点是简单、可操作性强，但若某日的天然流量较前几日发生较大变化，用前7日的平均流量为依据计算某日的生态流量范围，就会出现偏差，即出现天然流量过程也不满足生态流量需求的现象。 以屏山站1950年6月-2008年5月共58年的逐日流量资料计算为例，按照该方法计算得到的天然径流过程的生态流量满足率为87.2%。,基于规划设计参数的计算方案,4. 发电增量效益复核分析,规划设计参数下各计算方案的发电调度结果,4. 发电增量效益复核分析,与原规划报告中的发电量相比增加1.46%,5.防洪库容调整对库区泥沙淤积影响分析,库区泥沙冲淤计算模型,采用长江科学院开发的一维库区泥沙冲淤数学模型（ HELIU-2软件）进行计算。,库区泥沙淤积计算条件,依据巧家水文站水沙资料选1961-1970年作为水库泥沙淤积计算代表系列年。 并考虑到上游金安桥、观音岩水库及支流雅砻江上二滩水库的拦沙影响。 水库入库水沙条件：根据上游干支流水库计算成果，经上游干支流水库拦沙后，乌东德水库前10年年均入库沙量为0.544亿t，水库运行41-50年及91-100年时，年均入库沙量分别为0.764亿t及1.010亿t。 并考虑水库群区间支流的入库水沙条件。,5.防洪库容调整对库区泥沙淤积影响分析,库区泥沙冲淤计算方案,（1）方案Z：规划条件的防洪库容方案； （2）方案A：规划条件，考虑不设防洪库容的方案，即假定各水电站在汛期全部不预留防洪库容的极端情况； （3）方案B6：规划条件，考虑汛期仅预留一半的防洪库容方案，即假定这些水电站的总防洪库容削减50%，其中乌东德与溪洛渡不设防洪库容，向家坝则维持防洪库容不变，剩余需减少的防洪库容由白鹤滩承担； （4）方案zx_Z：可研设计条件的防洪库容方案。,5.防洪库容调整对库区泥沙淤积影响分析,库区泥沙淤积计算结果-梯级总体情况,表5-12 不同方案四库泥沙淤积总量表 单位：亿m3,对于规划方案Z，梯级水库运行初期10年，四库区总泥沙淤积量为11.024亿m3；至梯级水库运用100年末，四库区泥沙淤积总量为123.590亿m3，占梯级水库总库容（384.12亿m3）的32.2%，其中乌东德、白鹤滩、溪洛渡和向家坝的泥沙淤积量分别占总量的18.1%、37.7%、36.1%和8.1%。,5.防洪库容调整对库区泥沙淤积影响分析,出库泥沙计算结果-梯级总体情况,表5-12 不同方案四库泥沙淤积总量表 单位：亿m3,对于规划方案Z，四库联合运行后，向家坝水库出库泥沙逐年增加，水库运行前10年，出库泥沙总量为6.198亿t，水库运行91-100年，出库泥沙总量为7.542亿t；至100年末，累积出库沙量为69.513亿t。年均出库沙量为天然情况下向家坝坝址多年平均悬移质输沙量（2.47亿t）的28.1%，仅为宜昌站多年平均悬移质输沙量（4.52亿t）的15.4%。,5.防洪库容调整对库区泥沙淤积影响分析,乌东德水库库区泥沙计算结果,表5-12 不同方案四库泥沙淤积总量表 单位：亿m3,规划方案Z，水库运用100年末，库区泥沙淤积总量为22.338亿m3，占水库总库容的56.7%，此时悬移质泥沙排沙比为86.14%，水库淤积未达到平衡状态。,5.防洪库容调整对库区泥沙淤积影响分析,白鹤滩水库库区泥沙计算结果,规划方案Z，水库运用100年末，库区泥沙淤积总量为46.619亿m3，占水库总库容的26.0%，此时悬移质泥沙排沙比仅为38.51%，故水库淤积仍未达到平衡状态。,5.防洪库容调整对库区泥沙淤积影响分析,溪洛渡水库库区泥沙计算结果,表5-12 不同方案四库泥沙淤积总量表 单位：亿m3,规划方案Z，水库运用100年末，库区泥沙淤积总量为44.629亿m3，占总库容的38.6%，此时悬移质泥沙排沙比为65.16%，故水库淤积仍未达到平衡状态。,5.防洪库容调整对库区泥沙淤积影响分析,向家坝水库库区泥沙计算结果,表5-12 不同方案四库泥沙淤积总量表 单位：亿m3,规划方案Z，至水库运用100年末，库区泥沙淤积总量为10.005亿m3，占总库容的20.1%，此时悬移质泥沙排沙比为89.21%。,6 防洪库容调整对下游的防洪影响分析,（1）金沙江下游梯级对川江河段的防洪补偿调度,金沙江下游梯级水库需做对岷江及其它区间小支流做防洪补偿调度，拦蓄金沙江洪水，以避免李庄洪水流量超过其安全流量。,安全水位272m 对应安全流量44700m3/s,采用典型年法作30天0.2%、0.5%、1%、2%及5%五种不同频率设计洪水,李庄水文站典型洪水年选择 1959年 1966年 1991年,6 防洪库容调整对下游的防洪影响分析,典型洪水年选择及设计洪水确定,李庄站1959不同频率下洪水过程线,李庄站1966不同频率下洪水过程线,李庄站1991不同频率下洪水过程线,B6方案下金沙江梯级防洪库容 1959年 （87.22亿m3） 1966年 （43.55亿m3） 1991年 （87.22亿m3）,6 防洪库容调整对下游的防洪影响分析,典型年1959年不同频率下各方案防洪调度结果,对Z与B6方案，遇50年一遇及以上设计洪水，区间最大流量已超过李庄处安全量； 对Z与B6方案，遇50年一遇及以下设计洪水，通过金沙江下游梯级调蓄能保证李庄处安全行洪流量； 对A方案，因金沙江梯级无防洪库容，对各频率设计洪水李庄处最大流量均超过其安全行洪流量。,6 防洪库容调整对下游的防洪影响分析,典型年1966年不同频率下各方案防洪调度结果,对Z方案，遇500年一遇及以下设计洪水均能保证李庄处行洪安全; 对B6方案，因防洪库容减少一半，遇100年一遇及以上设计洪水不能保证李庄处行洪安全；遇50年一遇及以下设计洪水能保证李庄处行洪安全; 对A方案，因金沙江梯级无防洪库容，对各频率设计洪水李庄处最大流量均超过其安全行洪流量。,6 防洪库容调整对下游的防洪影响分析,典型年1991年不同频率下各方案防洪调度结果,对Z与B6方案，遇50年一遇及以下设计洪水通过金沙江梯级调蓄能保证李庄处安全行洪流量; 对Z与B6方案，遇100年一遇及以上设计洪水区间最大流量已超过李庄处安全行洪流量; 对A方案，因金沙江梯级无防洪库容，对各频率设计洪水李庄处最大流量均超过其安全行洪流量。,6 防洪库容调整对下游的防洪影响分析,（2） 金沙江下游梯级配合三峡梯级对长江中游进行防洪调度,安全流量44700m3/s,安全流量60600m3/s,安全流量60000m3/s,三峡水库防洪调度方式： 对荆江河段进行防洪补偿的调度方式； 兼顾对城陵矶地区进行防洪补偿的调度方式； 对荆江河段和城陵矶的分库容补偿调度方式。,嘉陵江,乌江,清江,洞庭湖,荆江分洪区,城陵矶分洪区,寸滩站,B6方案防洪库容 1954年 （87.22亿m3） 1998年 （43.55亿m3）,6 防洪库容调整对下游的防洪影响分析,典型洪水年及设计洪水确定,宜昌站1954不同频率下洪水过程线,宜昌站1998不同频率下洪水过程线,宜昌水文站典型洪水年选择 1954年 1998年,寸滩站,6 防洪库容调整对下游的防洪影响分析,第一种调度方式：对荆江河段进行防洪补偿调度1954年型设计洪水,规划Z方案，对500年一遇及以下设计洪水，荆江河段可以不分洪，但城陵矶地区仍有300400亿m3的超额洪水需要分洪；对于1954年实际洪水，可将城陵矶地区分蓄洪量进一步减少到180亿m3左右。 总库容减少一半的B6方案，对200年一遇及以下设计洪水，其对长江中游地区的防洪效果，与Z方案相当；但对200一遇以上设计洪水，其防洪效果比Z方案差。 在在500一遇以上设计洪水条件下，城陵矶地区的分蓄洪量为371.2亿m3 。,嘉陵江,乌江,清江,洞庭湖,重点保护 荆江河段,寸滩站,6 防洪库容调整对下游的防洪影响分析,第二种调度方式：兼顾对城陵矶地区防洪补偿调度1954年型设计洪水,嘉陵江,乌江,清江,洞庭湖,重点保护 荆江河段,兼顾 城陵矶地区,规划Z方案，对500年一遇及以下设计洪水，可保证荆江河段不分洪。与第一种调度方式相比，第二种调度方式对减少城陵矶地区分洪量更为有效。例如，对1954年实际洪水，可将城陵矶地区分蓄洪量进一步减少到150亿m3左右。 总库容减少一半B6方案，对200年一遇及其以下设计洪水，其对荆江及城陵矶地区的防洪效果与Z方案基本相同。而对于500年一遇洪水，其防洪效果比Z方案差，城陵矶地区的分蓄洪量为305亿m3。,寸滩站,6 防洪库容调整对下游的防洪影响分析,第三种调度方式：对荆江和城陵矶分库容补偿调度1954年型设计洪水,嘉陵江,乌江,清江,洞庭湖,重点保护 荆江河段,兼顾 城陵矶地区,规划Z方案，对500年一遇及以下设计洪水，可保证荆江河段不分洪，对减少城陵矶分蓄洪量更好。对1954年实际洪水，可将城陵矶分蓄洪量减少到130亿m3左右。 总库容减少一半的B6方案，对于200年一遇及以下设计洪水时，其防洪调度效果与Z方案基本相同。但对于500年一遇洪水，因洪量较大，金沙江梯级水库预留的72.4亿m3防洪库容已蓄满，三峡水库防洪库容也已利用，此时三峡水库对下泄流量的控制有限，其最大下泄流量将超过荆江河段的安全过流能力，可能会导致荆江河段需要紧急分洪25.7亿m3。,7 结论与建议,金沙江洪水组成相对较稳定，洪量年际变化较小，且不在川西暴雨带内，突发性的大洪水并不常见,可预见性较好。金沙江洪水占宜昌洪水的1/3，7d以下时段的洪水不易与长江中游洪水发生遭遇，而15d以上时段则易发生遭遇。 对于规划方案Z，梯级联合发电调度结果显示：年均总发电量将能达到1902.7亿kW.h。梯级水库运行100年后，四库区泥沙淤积总量为123.59亿m3，其中乌东德、白鹤滩、溪洛渡和向家坝库区泥沙淤积总量分别为22.3亿m3、46.6亿m3、44.6亿m3和10.0亿m3，分别占各自总库容的56.7%、26.0%、38.6%、20.1%。 防洪调度