（水利水电工程专业论文）梯级电站调峰对通航的影响及对策研究.pdf

中文摘要 水电站在调峰过程中由于工况的频繁切换，发电流量随负荷的逐时变化，不 可避免的在水库的上、下游产生非恒定流现象，使河道的水位变幅、涨率、流速 等比天然河道变化大，从而对水库的通航造成不利影响。特别是对于像三峡这种 大容量、大库容、大流量的水电站，在调峰运行过程中，流量变幅严重影响了三 峡水电站上下游河道的通航要求。 本文在以往研究成果基础上，以三峡工程为依托，通过原型观测、模型试验 及数值模拟，对梯级水电站调峰对通航影响进行了系统的研究。 论文主要内容： ( 1 ) 对三峡一葛洲坝两坝间河道进行了详细的调研，主要分析和研究了两坝 间河段河势特征与河床演变特点，全面总结了两坝间水流运动规律。 ( 2 ) 对于三峡一葛洲坝两坝间河道，通过1 ：1 5 0 三峡葛洲坝梯级水利枢纽 调度模型试验，以及原型观测验证，自主开发了反映两坝问水流运动特征的河道 二维的数学模型。 ( 3 ) 结合两坝间河段河势特征和三峡电站调峰特点，系统研究了三峡一葛洲 坝两坝间河道非恒定水流状态，及其对通航的影响。 ( 4 ) 针对三峡一葛洲坝梯级水电站特点，建立了考虑河道航运约束的梯级电 站优化调度模型，并采用该模型对整个河道进行了调峰流量下的优化演算，为电 站调峰提供了可靠的依据。通过实践检验，该模型具有较高的实用价值，可以在 类似工程中推广应用。 ( 5 ) 通过物理模型试验及数值模拟，以改善三峡一葛洲坝两坝间河道通航条 件，提高三峡电站调峰能力为目的，本文提出了行之有效的河道整治方案。 关键词：通航，调峰，原型观测，模型实验，水流运动规律，河道整治 a b s t r a c t d u r i n gt h ep r o c e s so fv a r i a b l el o a d ，b e c a u s eo ft h eh y d r o p o w e rs t a t i o nw o r k c o n d i t i o nf r e q u e n ts w i t c h o v e r , t h ed i s c h a r g i n go fe l e c t r i c i t yg e n e r a t e dw i t hl o a dc h a n g e g e n e r a t e su n s t e a d yf l o wp h e n o m e n o ni nt h eu p s t r e a ma n dd o w n s t r e a mo fr e s e r v o i r s o t h er a n go fs t a g e ，r i s i n gr a t eo fs p e e da n dc u r r e n tv e l o c i t yo fs t r e a mw a yc h a n g em u c h m o r et h a nn a t u r a ls t r e a mc h a n n e l 。w h i c hm a k e sd i s a d v a n t a g ee f f e c t st ot h en a v i g a t i o n o fs t r e a mw a y e s p e c i a l l yt ot h eh y d r o p o w e rs t a t i o nw i t hh i 曲一c a p a c i t y , g r e a tr e s e r v o i r c a p a c i t y , a n dl a r g ec a p a c i t ym e t e rs u c h 嬲t h r e eg o r g e sp r o j e c t , f l o wv a r i a b l e a m p l i t u d ei n f l u e n c e ss e v e r e l yo nt h en a v i g a b l er e q u i r e m e n t so ft h eu p s t r e a ma n d d o w n s t r e a mo f 也et h r e eg o r g e sh y d r o p o w e rs t a t i o n t h es u b j e c to ft h i sp a p e ri sad e l i b e r a t er e s e a r c ho fh o wt 1 1 ef l o o dc o n s i d e r a t i o no f t h es t e pf l y e ra f f e c t st h en a v i g a t i o n ，w h i c hi sb a s e do nt h ea l r e a d yd a t aa n dr e s u l t i n t h i sp a p e r , t h ep r o t o t y p eo b s e r v a t i o n ，m o d e le x p e r i m e n ta n dn u m e r i c a la n a l y s i si sb e e n c a r r i e do u t t h em a i o rc o n t e n t sa r ea sf o l l o w s ： ( 1 ) t h ep a p e ri n v e s t i g a t et h es t r e a mw a yo ft h r e eg o r g e sd a ma n dg e z h o u b ad a m d e l i b e r a t e l y , a n dm a i n l y a n a l y s i st h ec h a r a c t e r b e t w e e nt h e s et w od a ma n dt h ec h a r a c t e r t h e i rb e n c hc h a n g e s ( 2 ) a c c o r d i n gt ot h eg r a v i t a t i o ns i m i l a r i t yc r i t e r i o n ，t h ee n t i t yt h r e eg o r g e sd a m a n d g e z h o u b ad a m ss t r e a mw a ym o d e ls c a l e d1 15 0h a sb e e ne s t a b l i s h e da n da l l a c c e p t a b l es i m i l a r i t yh a sb e e np r o v e d t h e nt h ea u t h o rd e v e l o p sat w o d i m e n s i o n m a t h e m a t i cm o d e lt or e f l e c tt h ef l u i df o r mb e t w e e nt h et w od a m s ( 3 ) d e p e n d i n go nt h es e c t i o nc o n d i t i o nb e t w e e na n dt h ew a y t h r e eg o r g e sd a mt u r n u pt h ef l o o dp e a k , t h ea u t h o rr e s e a r c ht h eu n s t e a d yf l o wc o n d i t i o nb e t w e e nt h e s et w o d a m sa n dh o wd o s et h eu n s t e a d yf l o wa f f e c tt h en a v i g a t i o n ( 4 ) a i m i n g a tt h ec h a r a c t e r e sa b o u tg e z h o u b aa n dt h r e eg o r g e sp o w e r s t a t i o n s ，o n e o p t i m i z ed i s p a t c h i n gm o d e lo ft h er e s e r v o i r sh a sb e e ne s t a b l i s h e dw h i c hn a v i g a t i o nw a s c o n s i d e r e d u s i n gt h i sm o d e l al o to fr e l i a b l ed a t ac a ng u i d et h ep o w e r s t a i o n sh o wt o s h a v ep e a k p l a c t i s es h o w st h a tt h i sm o d e li sr e a s o n a b l ea n du s e f u l i ti sc a nb ew i d e l y s p r e a di nt h ee n g i n e e r i n gd o m a i n ( 5 ) a ne f f i c i e n tp l a nh a sb e e nd e s i g n e db a s e do ne n t i t ym o d e le x p e r i m e n ta n d n u m e r i c a lv a l u e k e y w o r d s ：n a v i g a t i o n ，p e a ks h a v i n g ，p r o t o t y p eo b s e r v a t i o n , m o d e le x p e r i m e n t ， f l o wm o t i o nl a w , r i v e rr e g u l a t i o n 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作和取得的 研究成果，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他人已经发表 或撰写过的研究成果，也不包含为获得墨盗盘堂或其他教育机构的学位或证 书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中 作了明确的说明并表示了谢意。 一躲佛娠一期：州年z 月习同 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解丕鲞盘堂有关保留、使用学位论文的规定。 特授权丕鲞盘堂可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检 索，并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。同意学校 向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权说明) 学位论文作者签名： 诩茄爝 签字同期：乒汐。罗年易? 2 日 一2 靠 签字日期：z 口p 多年 第一章绪论 1 1 研究意义 第一章绪论 1 1 1 水电站调峰的必要- 陛与重要性 水电作为一种可再生可调节的能源在我国的电力系统中扮演着十分重要的作 用，随着三峡水电站的开始发电，我国的水电装机比重已经得到了大大的提高。2 0 0 4 年全国水电装机容量突破1 亿k w ，预计到2 0 2 0 年全国发电装机容量将达到约9 5 亿k w ，其中水电的装机容量将达到约2 5 亿k w 。 由于电力系统负荷的随机性，需要电力系统中的部分发电厂根据用户的需求随 时的改变出力，从而满足供电的可靠性。相对于火电厂，水电厂具有运行方式灵活、 调节性能优越的特点，能够很好的适应电力系统中负荷的变化，大型的水力机组通 常只需要几分钟的时间，便能完成从开机到满负荷的转换。同时水电厂在调整出力 的过程中，除机组效率发生变化外，不会带来水量的损失。缘于上述特点，决定了 水电厂在电力系统中可以轻松的完成调峰任务。 近年来，我国电力市场的供需关系发生了很大的变化，用电负荷特性更加突出， 电网峰谷差持续增长，呈现出最大负荷的增长高于用电量的增长，电力峰谷差的增 长高于最大负荷的增长的特点。其中华中电网最大峰谷差近1 0 年年均增长9 5 8 ， 1 9 9 6 年之后，以年均1 0 6 3 的速度增长，1 9 9 9 年已达9 2 1 万k w 2 1 。因此我国电网 的调峰矛盾越加显得突出。 由于火电调峰能力有限，且火电机组调峰幅度越大、越频繁，其耗煤越高，因 此水电在电力系统中扮演了十分重要的调峰作用。在丰水期虽然由于库容的限制水 电一般承担基荷运行，但是为了弥补火电调峰能力差的缺陷，水电站有时也不得不 弃水调峰。在枯水期也是一般全年峰谷差最大的时期，水电承担了电力系统中主要 的调峰任务。特别是对于三峡电站这种具有季调节的大型水电站，在电网中承担较 大的调峰任务，不仅能够很好的满足电力系统中的调峰容量平衡，而且能够使电力 系统负荷经削峰后，由火电承担的负荷尽可能小，保证负荷曲线尽可能平坦，节约 了燃料，带来了巨大的经济效益。 水电厂机动灵活的特点能够很好的发挥其在电力系统中补偿调节的作用，水电 站一般在电力系统中担任备用容量，其通过承担调峰任务对保证电网安全稳定运行 和供电质量、合理利用资源有着重要作用，是电力系统中重要的动能经济单元，可 第一章绪论 以发挥其巨大的容量效益从而提高了整个电力系统运行的可靠性和经济性。 1 1 2 调峰对通航的影响 水电站在调峰过程中由于工况的频繁切换，发电流量随负荷的逐时变化，不可 避免的在水库的上、下游产生非恒定流现象，使河道的水位变幅、涨率、流速等比 天然河道变化大，从而对水库的通航造成不利影响。特别是对于像三峡这种大容量、 大库容、大流量的水电站，在调峰运行过程中，4 小时内流量变幅最大可达 1 6 0 0 0 m 3 s ，而l 小时内的流量变幅最大值可达6 0 0 0 m 3 s 3 1 ，如此大的流量变幅严重 影响了三峡水电站上下游河道的通航要求。 水电站调峰过程中在河道引起的明渠非恒定流是一种自由表面的波动现象，属 于重力波范畴。这种波的主要作用力是重力、惯性力以及摩擦力。在明渠非恒定流 中水位、流量的变化将形成一种波动，向上、下游传播，同时质点随之波动，流量 也随之传递。明渠非恒定流波动按照波动的变化剧烈程度，又可分为连续波和不连 续波，水电站调峰所引起的非恒定流中其各水力要素随时间流程的变化相对较缓， 因此其属于连续波，其流动属于明渠非恒定渐变流。 航运是水利枢纽工程一个重要开发目标之一。为了保证在兴建水利枢纽工程后 河道航运的正常进行，对河道的通航水流有一定的要求包括通航流量、通航水位、 允许最大流速和局部水面比降的限制。一般要求河道有一定的水深，航道内水流的 表面流速不能过大同时水位变率及日水位变辐不能太大，同时为了保证船舶的平稳 航行，应当保证航道水流流态的平稳，尽量消除诸如横流、回流、漩水等碍航水流 的发生。 总的看来，水电站调峰对航运的不利影响主要有： ( 1 ) 水电站在调峰过程中下泄流量的剧烈变化会导致下游沿程水位发生巨幅 波动。特别是在枯水期，电站的负荷调节使下游河道水位变化幅度超过通航允许值， 甚至有可能造成船只搁浅或停航【4 j 。 ( 2 ) 水电站在调峰期间下泄非恒定流的波流运动不仅使得下游河道流速的大 小和方向发生周期性变化，在若干局部河段呈现出顺流、逆流、斜流、横流交相更 迭的复杂态势。而且使得水面比降的大小和方向发生周期性变化，对航行和停泊船 队的纵摇、横摇、升沉产生不利影响。 ( 3 ) 水电站调峰过程中引起的水流波动加剧了下游河床的演变，使其更为复 杂。主要体现在：水位频繁的陡涨陡落加剧了岸滩的坍塌；大、小水频繁交替出现 加剧了边滩的不稳定性；使过渡性浅滩淤积加剧等 ( 4 ) 水电站调峰过程中引起的非恒定流对通航建筑物也有着不利影响。使船 舶的航行和停泊条件极为恶劣，严重危及升船机运行和船舶安全【引。 第一章绪论 1 2 国内外研究现状 1 2 1 水电站调峰对通航的影响研究 对于水电调峰对通航的影响研究，国外鲜见此类的研究资料。对于水电厂断面 下游河道水位的不规律变化。b a 包洛托夫等人最早注意并为直接寻求下游水位与 流量间的关系作了很多努力。勃罗斯拉夫斯基所谓水位按指数规律变化的建议得到 了发展，h a 卡特维利施维利建议在制定优化运行方式时考虑其影响的方法。 我国目前有很多在建或已经建成的水电站都存在着此类问题。如乌江彭水水电 站，乌江干流上游的一座大型水力水电工程，电站建成后是系统最大的调峰、调频 骨干电站，担任系统调峰进行日调节，而乌江航运历史悠久，自古以来就是贵州腹 地联络长江中下游的重要交通要道，彭水电站由调峰所产生的河道非恒定流对乌江 航运有着严重的不利影响，因此文献 6 8 】均对这一问题进行了研究，通过数值模拟 可以看出彭水水电站对下游航运的影响是客观存在的，要解决这一矛盾必须优化彭 水水电站的运行方式。位于四川省岷江支流大渡河上的龚咀水电站于1 9 7 1 年建立， 自投入运转以来，由于大幅度的调峰，使下游航道水深不稳定，时涨时落，水位变 幅很大，破坏了水流的稳定状态，恶化了原河道的通航水流条件【9 】。还有湖北丹江 口水电站，是华中电网中的主力电厂，担负着电力系统的调峰、调频、调相负载配 用和事故配用的任务。自工程建成投入运用以来，由于大容量的调节日变幅所引起 的低谷水的传播，使浅滩水深减小，造成航行水深不够船舶搁浅而给航运带来不利 影响【9 】【1 0 1 。 目前我国研究调峰对通航的影响主要是针对枢纽下游，以单个电站日调节对下 游航道水流的影响为主，采取的研究手段主要还是原型观测、模型试验和数值模拟。 文献 1 1 通过对我国已建成的安康水电站的原型观测，系统研究了电站日调节 非恒定流对下游河道通航的影响，提出了日调节对航深影响距离的估算方法；通航 保证率和设计流量的确定原则。文献 1 2 】通过对嘉陵江支流白龙江上游的碧口水电 站下游6 6 4 公里河道的原型观测及分析研究，得到如下认识：电站负荷调节变化产生 的不稳定流波的传播特性随河槽形态、河床坡降，以及周围环境的变化而变化，并 随流量组合变化方式的不同而不同：电站负荷调节变化产生的不稳定流波均为变化 频繁的复合波，其波动频率随传播距离的增加而减小。文献 1 3 】通过对广西的融江、 柳江上的重点观测。发现由于电站调节导致枯水季径流量减小，水位日变幅加大， 最直接的影响就是通航水深减小，通航保证率降低，同时由于不稳定流的影响导致 航行条件变差。 随着三峡水电站建成并发电，文献 1 4 】实地观测了三峡电站调峰试验中下游河 道的非恒定流现象，通过原型观测及分析得出了以下主要结论：( 1 ) 两坝间非恒定 第一章绪论 流出现顺涨波和逆涨波的双峰现象( 2 ) 调峰期间两坝间水位变幅和小时变幅范围 分别为0 5 2 3 0 6 1 5 m 和0 1 8 5 一o 2 3 5 m ，( 3 ) 两坝间水面线的变化，局部河段存在 负比降现象。( 4 ) 在调峰期间，各河段流速变化与比降关系密切。( 5 ) 局部河段存 在横比降和横向流速( 6 ) 水位一流量关系为不规则的逆时针绳套曲线等。 因此，我国对水电站调峰与河道通航之间的关系问题研究主要集中在对三峡水 电站的模型试验研究上。三峡工程举世瞩目，其总装机容量1 8 2 0 0 m w ，在电力系 统中承担了大量的调频、调峰任务，而长江干流是我国的“黄金水道”，年运输量占 全国内河运输量的7 8 。因此对三峡水电站调峰对通航的影响的研究显得至关重 要。 文献 9 】 1 5 【1 6 】对三峡水电站调峰对通航的影响进行了试验研究，通过1 ：1 5 0 的 水力学模型试验模拟了三峡电站下游的不稳定流过程，研究了这种非恒定流的传播 特性及对通航的影响。通过试验指出：葛洲坝水利枢纽为三峡电站提供了8 0 0 0 万 m 3 的反调节库容，对减轻三峡电站负荷日调节造成的坝下水流不稳定有很大的改善 作用；航道中水位与流速变化，与三峡电站与葛洲坝电站的负荷调节方式密切相关。 文献 1 7 通过同样的物理模型研究了三峡电站汛期调峰对通航的影响，研究表明： 在三峡电站调峰过程中，两坝间韵非恒定流受多种复杂因素的综合影响，除三峡日 平均流量、日调峰幅度、葛洲坝调节库容和葛洲坝反调节方式等因素外，两坝间河 势及急弯、瓶颈段等特殊水流边界是其固有的影响因素。为了控制下游水位变幅以 满足通航的要求，需要选择合理的调峰幅度及优化葛洲坝反调节方式。 文献 1 8 】 1 9 】在l ：1 1 0 正态水力学模型的基础上，也对三峡水电站调峰对通航 的影响进行了试验研究，研究表明：由于三峡电站汛期调峰流量大、流量变幅大， 其产生的非恒定流波动较枯水期调峰更为强烈。文献 2 0 2 1 】 2 2 】利用l ：1 0 0 的三峡 库区水工模型，进行了三峡工程运行至5 0 + 4 年和7 0 + 6 年淤积地形条件下的电站汛 期日调节对上游通航水流条件影响的物理模型试验，研究表明：三峡电站汛期进行 一定容量的日调节是可行的，但在调节流量较大情况下，口门区右侧航线的横流和 船闸与升船机前的波高会超过通航标准。上游日调节波高、口门区右侧最大横流均 随调节流量增加而增加，与起始流量及电站机组开关时间( 不大于6 m i n ) 关系不大。 随着淤积年份增加，日调节通航水流条件逐渐变差。 文献 3 】通过对三峡工程设计各阶段物理模型试验，一维和二维数学模型计算以 及自航船模研究成果，阐明了汛期和非汛期电站调峰运行条件下，三峡和葛洲坝两 枢纽区间，以及葛洲坝下游宜昌河段的往复流和重力长波运动特性及其对通航条件 的影响，指出了优化通航条件的有效途径。 数值模拟也是研究水电站调峰对通航的影响一个重要手段。非恒定流的计算方 法包括一维、二维和三维。目前的研究主要是采用一维的数学模型，因为河道的长 4 第一章绪论 度远大于其宽度和深度，从宏观角度分析研究问题的着眼点集中在断面平均水力要 素上，因此一维水流运动的假设是可以接受的。 一维非恒定流的计算方法多种多样，但是其主要思想就是在水流的连续性方程 和能量方程的基础上作一些修正。1 8 7 0 年，圣维南研究了河口潮汐波速问题，并在 1 8 7 1 年法国科学院的学会会刊上发表了两篇文章，给出了河口潮汐波速公式和明渠 非恒定流的理论和通用方程即圣维南方程组，为明渠非恒定流研究奠定了理论基础 【2 ”。圣维南方程组是一组复杂的偏微分方程，难以求得解析解，其主要的数值解法 有显示差分法、隐式差分法和特征线法。目前应用较多的主要是显示差分法【摊2 8 】和 p r e i s s m a n n 四点隐式差分法 2 9 - 3 4 】。相对于显示差分法，p r e i s s m a n n 隐格式法具有计 算速度快、稳定性强、收敛性较好的特点，特别适用于流动变化不太剧烈的缓变流 的长时段演算1 3 6 1 。目前对水电站调峰在河道中所产生的非恒定流的数值模拟，一般 都利用该计算方法。 文献 3 5 】采用以p e r i s s m n a n 隐式差分法的数学模型对黄河四龙至龙湾河段的电 站非恒定流进行计算分析。分析了不同流量等不同特殊入流边界情况下电站非恒定 流在河道中的流速、流向、流态、比降等水流条件的沿程变化；利用计算结果对电 站非恒定流在下游的传播规律、影响范围和程度进行了分析，同时研究了电站日调 节的调频调峰使得下游出现两峰两谷的变化过程，为水面曲线的计算、对下游通航 的影响以及电站的调度提供了参考数据及理论基础。 文献 3 6 1 3 7 都通过数值模拟研究了三峡电站调峰过程中对下游航运的影响，上 游边界给定三峡电站的下泄流量，计算得出了下游河道水位和流量的变化。研究表 明：如果不对水电站下泄的非恒定流进行有效控制，势必对航运和其他方面造成一 定程度的危害，通过数值模拟可以优化三峡及葛洲坝水电站调峰的运行方式，以满 足通航的要求。 文献 6 8 n u 对彭水水电站由调峰所产生的河道非恒定流进行了数值模拟，通过 计算可以看出彭水水电站对下游航运的影响是客观存在的，要解决这一矛盾必须优 化彭水水电站的运行方式。文献 3 8 n 对水口电站日调节不稳定流进行数值模拟， 通过计算给出了水口水电站下游河道水位及流量的波动过程。 一维非恒定流计算能较为精确地给出各断面水位、流量的变化。但作为通航条 件最为关心的是河道流场的变化，所以要真正全面分析调峰对通航的影响必须进行 二维或三维的计算【3 9 】。 目前国内外对二维明渠非恒定流的数值模拟研究尚处于起步阶段，主要的研究 成果有：文献 3 9 】 4 0 采用插值元法对二维垂向平均方程进行数学离散，然后用交替 方向隐式求解，这样就避免了全隐式大型稀疏矩阵的求解。通过对三峡工程下游河 道二维非恒定流的计算表明该方法具有内存省、计算速度快、适应性强等优点，但 第一章绪论 是其数值模拟的精度还有待进一步的研究。文献 4 1 】利用有限差分法求解天然河道 的二维非恒定流，同时在处理不规则边界时用到了物理分布法。文献 4 2 1 利用有限 差分法和有限元法相结合的s i m p l e r 算法对河道二维非恒定流进行了数学模拟， 该方法实用、简便、所需资料少，对于类似和一般的潮流河段的数学模拟具有参考 价值。此外文献 4 3 】还利用格子b o l t z m a n n 方法对二维明渠浅水波方程进行了数值 模拟，但是其有一定的局限性，其数学模型还难以适应河道的二维非恒定流。 1 2 2 电站调峰对通航的影响对策研究 水电站在充分发挥其发电效益的同时需要兼顾其航运效益，要满足其通航要求 最直接的措施是优化水电站的运行方式。为了兼顾其发电调峰和通航两方面的要 求，国内学者对该问题进行了研究，并提出了一些行之有效的工程措施。 文献 4 4 认为日调节电站对下游航道的影响主要表现在两个方面：一是枯水期 日水位变幅大，枯水航深不足，通航的连续性受到破坏；二是水位陡涨陡落，影响 了航道的稳定性。针对这两方面的问题，作者认为需对航道进行治理和采取相应的 对策改善通航水流条件，而改善通航水流条件的实质在于降低波流运动的强度，以 及避开或错开出现有关参数峰值的时段和区段，以达消浪、减速、稳定水位、改善 流态之目的。根据内河航道与港口水文规范要求，枢纽瞬时最小下泄流量不应 小于原天然河流设计最低通航水位相应的流量。文献【1 l 】提出的主要措施有：设置 满足航运设计流量要求的小型发电机组；修建蓄能电站或其它调峰替代电站；修建 反调节枢纽或航运渠化工程。同时还提出了调蓄水流、整治航道、加强电站科学规 划、法治管理提高航电综合效益、加强航运科学调度减少航运损失等。 对于某些电站，由于年内来水量不均，枯水期流量远远小于洪水期流量。此类 电站日调节使得枯水期下泄流量在某段时间内有可能小于最低通航水位相应的流 量，从而船舶通航受到影响。因此在充分发挥有限水资源综合利用效益的基础上， 保证通航的安全性，有必要进行乘峰通航问题的研究。文献 3 5 】对乘峰通航问题进 行了研究，提出了日调节电站乘峰通航的几种形式：单峰：可以利用峰值通航，即 乘峰通航；双峰：若两谷都低于设计流量，一般难以乘峰通航( 渡船除外) ，若两 谷只有低低谷低于设计流量，有可能乘峰通航；多峰：较为复杂，需要更详细的水 文预报工作。 航道的整治是改善调峰电站通航条件的最为主要的措施。日调节电站下游航道 整治与自然河流航道整治并无本质差别，只是因为其水流变化特点与自然河流有所 不同，航道水深条件恶化加剧，河床演变加剧，其整治难度加大，整治建筑物的强 度要求更高。针对日调节电站下游波谷流量小，水位陡涨陡落和河床变形特点，结 合有关航道整治工程成功经验【4 】，近坝段航道整治的基本原则归结为：控制河势、 第一章绪论 稳定边滩、集中水流、低坝整治、结合疏浚、因势利导。同时文献 3 5 】还认为整治 水位( 流量) 和整治线宽度是航道整治工程中成败的关键要素，它们是相互关联的 有机统一体。整治设计时必须通过有效方法( 经验的、计算的、优良河段模拟) 确 定整治水位和整治线宽度，以期最大限度地改善滩险的航行条件。整治水位( 流量) 的确定方法一般有三种：平滩水位法、多年平均流量法、造床流量法。整治河段的 整治线布置应遵循的原则为：整治线的方向和位置依靠主导河岸，其起点和终点以 稳定深槽的主导河岸为依托，并根据河道地形，地貌特征，尽量利用比较坚实的河 岸、硬角、矶头作为整治线的控制点。将整治线布置成缓和、均匀变化的连续曲线， 两组反向曲线应以适当的直线过渡段联接，曲线的部分线型采用不同弯曲半径的平 滑曲线。 对于梯级电站，发挥下游电站的反调节作用是两坝间通航条件的有效措施。国 内学者对改善梯级电站两坝间通航条件措施也进行了大量的研究。文献 4 5 】根据三 峡工程设计各阶段实体模型、一维和二维数学模型以及自航船模研究成果，提出了 在不增大坝前水位变幅的条件下，提高葛洲坝水库调蓄能力；在不减小电站负荷调 峰变幅的条件下，提高航运基荷；优化反调节水库下泄流量过程线等改善通航条件 的措施。文献 1 6 】在此基础上进一步研究，提出改善通航条件的措施为：在不增大 河道型水库坝前水位变幅的条件下，提高其调蓄能力；不减小电站负荷调峰变幅条 件，提高航运基荷；优化“反调节”下泄流量过程，充分发挥其对调峰电站下泄流量 过程的“削峰填谷”功能。 主要看来，目前解决水电站调峰与通航的矛盾，最主要的对策还是集中体现在 对河道的整治和发挥梯级电站的反调节作用上。 1 2 3 梯级水电站优化调度研究现状 梯级水电站之间不仅存在电力联系，而且还存在水力联系，上一级水电站的发 电和泄水影响着下一级或更下一级水电站的发电和泄水。水电站优化调度的核心问 题是水库在确保水库安全的前提下，根据水库的入流过程，通过最优化方法，求解 水库优化调度数学模型，寻求最优运行方案。水库按照此最优方案蓄泄运行，可使 防洪、发电、灌溉、航运等部门在整个调度周期内总效益最大而不利影响最小。 ( 1 ) 梯级水电站优化调度模型研究 建立优化调度模型是水库调度的关键环节，采用何种模型对计算结果具有决定 性影响。水库优化调度模型种类繁多，从径流描述上划分，一般可分为确定型，随 机型两种；按优化目标又可分单目标最优和多目标最优。 确定型【删由于采用未来径流为已知的确定时序过程的假定，使得优化成果偏 大，但它可以求解十库以上的规模；随机型【47 j 是用随机过程描述径流，它与实际比 第一章绪论 较吻合，理论上也比较完善，充分利用了已获得的长系列径流资料所反映的信息， 但存在“维数灾”的困难。 单目标最优化模型是选出一个主目标作为优化目标，综合利用的其他目标或要 求，往往作为约束条件来予以考虑和满足。单目标模型中，根据最优准则的考虑不 同，又可以有不同的模型结构( 主要是目标函数形式) t 4 剐。多目标优化模型不同于单 目标优化模型，它同时考虑几个目标的最优，故又称多准则规划模型。由于此时最 优化目标函数已不止一个，而是有好几个，故也称向量最优化问题。 目前利用单目标最优化模型对梯级水电站优化调度研究主要有：文献 4 9 】利用 发电量最大模型，采用直接搜索模式来求解。文献 5 0 51 通过对总耗能量最小优化 调度模型求解，使梯级电站调度既满足了整个电力系统的经济运行要求，又节约了 水力资源，但该模型会造成水头最高的水电站耗能量最大，容易造成该水库低水位 运行的现象。文献 5 2 5 3 建立了梯级水电站总蓄能最大的优化调度模型，在实际应 用中取得了较好的经济效益，但对于某些特殊运行条件，由于不同约束条件之间的 矛盾，存在无解的情况，容易出现放空末级水库的现象，导致下个调度时段无水可 调。文献 5 4 建立了梯级水电站发电效益最大长期优化调度模型，取得了很好的经 济效益。文献 5 5 利用边际成本的方法建立了一种总运行成本最小的优化调度模型， 该模型能大大节约水力资源，提高整个梯级水电站的经济效益。 梯级水电站优化调度受很多因素影响，要尽可能多地兼顾各方面的利益要求， 使梯级水电站综合效益最大必须要引入梯级水电站的多目标优化模型。文献 5 6 5 7 】 把发电引用水量、泄洪损失水量、蓄水量、灌溉水量、航运蓄水量和供水量作为目 标，建立了梯级水电站优化调度多目标模型，该模型构造的时空网络图结构清晰， 算法效率较高。文献【5 8 】在考虑调度目标选取、水流流达时间和多年调节水库运行 特点的基础上，建立了水库优化调度的多目标多模型系统，应用大系统分解协调原 理进行求解，该模型系统对解决复杂河流水库联合调度具有重要参考价值。文献 5 9 】 以发电量和保证出力为目标，建立了隔河岩和高坝洲梯级水电站水库联合优化调度 多目标数学模型。针对三峡梯级水电站短期优化调度问题，文献 6 0 】建立了模糊优 化调度数学模型，利用模糊多目标动态规划法和逐次逼近方法进行求解，较好地克 服了常规模糊动态规划方法在库容变化较大时出现的“维数灾”问题。 针对梯级水电站短期调峰运行方式的研究主要有：文献 6 1 提出峰负荷时段出 力最大和总发电量最大的多目标调峰模型，再将其转化为单目标问题求解。文献 6 2 】 考虑到调峰电量最大且尽量平坦的目标函数形式复杂，不利于计算，定义了一种替 代的调峰目标函数形式。文献【6 3 】则是通过预留调峰容量、限制最大出力满足调峰 要求，采用随机变量反映调峰要求的不确定性，建立了期望效益最大模型。文献 6 4 】 针对三峡梯级电站峰、谷、平典型负荷特征，建立梯级电站同( 异) 步式调峰和联合 第一章绪论 调峰模型。模型中考虑上下游电站间水头联系，计及水头损失，增强了调度模型的 实用性和合理性。 ( 2 ) 计算求解方法的研究 梯级水电站优化调度是具有复杂约束条件的大型动态非线性规划问题【6 5 1 ，目前 对于梯级水电站优化方法一般有线性规划、非线性规划、动态规划、马尔可夫决策 规划和大系统分解协调方法等。 对于梯级水电站的短期调峰问题，文献 6 6 】和 6 7 分别采用线性规划方法和混合 整数线性规划方法求解梯级水电站短期优化调度问题。文献 6 8 1 贝j j 利用变状态空间 动态规划求解，同时在约束条件中引入了下游不稳定流对航运的影响，得到了比较 满意的结果。 文献 4 6 】在研究梯级水库能量转换规律和最优调度函数的基础上，提出了梯级 水库参数辨识型优化调度方法，引入箱库模型对梯级水库能进行分析，构建了梯级 水库的非线性实时调度函数，通过对最优参数的辨识，优选出最优调度规则，较好 地减缓了计算过程中的“维数灾”障碍。文献 6 9 详细描述了弃水和蓄水之间的非线 性关系，应用非线性规划和惩罚技术把大规模水电站群的优化调度问题转化为目标 函数为非线性，约束条件为线性的模型，提高了计算速度。 动态规划法( d p ) 是上世纪5 0 年代美国数学家r b e l l m a n 提出了解决多阶段过程 优化问题的一种有效算法，因其对问题类型，目标函数和约束条件没有任何限制而 在水电站优化调度中得到广泛应用 7 0 - 7 1 】，因此其一直被公认为是解决水库优化调度 模型最有效的工具【7 2 】。对于单库问题，d p 算法显得卓有成效，但是对于梯级水电 站这类多维优化问题，其计算工作量与一维模型相比呈指数函数增长，出现所谓的 “维数灾”( c o d ) i h - 题 7 3 】。为了克服“维数灾”障碍，许多基于动态规划最优化原理的 改进动态规划相继提出：增量动态规划( d p ) 、离散微分动态规划( d d d p ) 、状态 增量逐次近似动态规划( i d p s a ) 、随机动态规划( s d p ) 、微分动态规划( d d p ) 以及逐级优化( p o a ) 。这些方法在一定程度上限制了“维数灾”【6 8 1 。 1 9 6 0 年美国数学家r a h o w a r d 提出了马氏决策规划( m d p ) ，从而为解决随机 情况下的多阶段决策问题奠定了基础。文献 7 4 】对于梯级水电站长期优化调度问题， 其径流采用随机马尔柯夫模型，通过余留效益函数建立长期优化调度的随机动态规 划模型，在三峡梯级系统的应用取得了较好的结果。文献 7 5 1 通过逐步优化算法， 将一个多阶段优化问题转化为一系列二阶段优化问题，在一定程度上减轻了动态规 划的“维数灾”障碍。文献 6 4 】对于梯级电站短期调峰问题，利用了逐次逼近算法来 求解梯级调峰模型，得出联合调峰能提高梯级总效益，以及增大调峰幅度不一定减 少发电量等结论。文献 7 6 1 用年内逆推动态规划和年间逐次逼近法求解广东省新丰 江等七库联合优化调度问题。文献 7 7 】应用随机优化方法研究了黄河上游梯级水电 9 第一章绪论 站的兴利优化调度问题，通过对入流的巧妙处理，较有效地避免了“维数灾”问题。 文献1 7 8 1 应用隐随机优化调度函数来解决五库联合优化调度。 大系统分解协调方法是根据问题的复杂程度，将问题分解为一系列子系统问 题，在子系统之上设置协调器以获得各子系统的计算结果，并由协调器指示各子系 统修改有关参数，重新计算直至获得满意结果【79 l 。文献 8 0 一8 2 1 都是利用大系统分解 协调方法将梯级水电站高维的非线性问题来降低维数进行简化求解。在梯级水电站 优化调度中，常采用的分解协调方法是l a g r a n g e 松弛法，适合于求解大规模梯级水 电站优化调度问题【8 3 1 。文献 8 4 】采用大系统分解协调方法和逐步优化算法求解汉江 梯级水库优化调度模型，并探讨了发电和航运之间的相互影响。 1 3 存在的问题 梯级水电站调峰与通航问题的研究不仅涉及到水力学及河流动力学问题，而且 还与梯级水电站的优化调度有关。明渠非恒定流理论帮助我们研究水流的物理本质 和内在规律，而梯级水电站优化调度理论为我们解决发电调峰通航之间的矛盾提供 了理论基础。 通过上节可以看出，前人对明渠非恒定流及水电站优化调度理论均进行了较为 系统的研究，并已经应用到了三峡工程。虽然以上两个理论各自均较为成熟，但是 由于天然河道的不规则性，水流运动的不确定性以及梯级水电站优化模型的多维 性，决定了该问题的复杂性。对于三峡梯级水电站调峰与通航问题的研究还存在着 以下主要问题： ( 1 ) 在改善梯级调峰电站间通航条件的对策研究方面，不仅理论研究有待深 化，工程应用更不多见。航道的整治是改善调峰电站通航条件的最为主要的措施。 对于三峡一葛洲坝梯级河道来说，通过航道的整治可以改善两坝间控制性河段的通 航水流条件，降低三峡电站下游雍水高度，并充分利用两坝间反调节库容，增加调 峰机组的出力，从而提高三峡电站的发电效益。但是河道整治工程涉及到航运、水 文、地形地质条件等多个因素的影响其情况十分复杂，因此有必要对其开展专题研 究。 ( 2 ) 就研究手段而言，目前对于非恒定流的数值模拟主要还是局限在一维， 一维计算对于长度较长的河道来说，能够较为精确地给出各断面平均水位及平均流 量的变化。但作为对船泊通航水流状况的分析来看，更为关心的是河道的水流流态， 即是否有漩涡、回流、横流等碍航水流发生。因此有必要建立河道非恒定流二维水 流数学模型，并对梯级水电站间河道进行二维的流场分析，其最关键的问题是如何 处理复杂的边界和如何求解水流的控制方程，从而节约大量的内存和计算时间。 l o 第一章绪论 ( 3 ) 梯级水电站优化调度系统是一个非常庞大复杂的系统，其求解方法多样、 处理约束条件繁琐、计算过程复杂计算量大、收敛精度不高、实用性不强。从目前 水电站经济运行的研究情况来看，大多数的研究过分偏重于发电效益，对于由水电 站调峰产生的非恒定流所引起的航行困难只作偶然事件看待，航运要求一般只进行 粗略的处理，对于像三峡水电站这种具有重要航运价值的水利枢纽工程来说，这显 然不能满足要求。因此在梯级水电站的优化调度问题中，有必要重点研究由于调峰 发电而引起的航运问题，从而制定合理的发电、航运日运行计划。 1 4 拟解决的关键技术问题及本文创新点 本文在以往研究成果基础上，以三峡工程为依托，通过原型观测、模型试验及 数值模拟，对梯级水电站调峰对通航影响进行了系统的研究。拟解决的关键技术问 题如下： ：， ( 1 ) 通过原型观测，对三峡一葛洲坝两坝间的河流水流特性进行详细的分析 研究。 ( 2 ) 通过大比尺物理模型准确模拟最近年份河道地形状况、以及河势变化， 并引入高精度的自动化控制和测试系统，精确模拟电站调峰时下泄水流的非恒定流 过程。 ( 3 ) 研究河道二维非恒定流计算理论，选择准确有效的数值计算方法，并建 立相应的数学模型，对两坝间河道的非恒定流进行精确的数值模拟。 ( 4 ) 通过物理模型试验及数值计算，对三峡一葛洲坝两坝间河道提出行之有 效的河道整治方案，使之满足河道通航要求。 ( 5 ) 通过上述研究，提出三峡一葛洲坝梯级电站合理的水库优化调度模型。 该模型应当在考虑到葛洲坝的反调节功能的前提下，以满足梯级航运约束的情况 下，最大限度的满足调峰需求。 围绕着以上关键技术问题，本文的主要研究内容及创新点主要有： ( 1 ) 对三峡一葛洲坝两坝间河道进行了详细的调研，主要分析和研究了两坝 间河段河势特征与河床演变特点，全面总结了两坝间水流运动规律。 ( 2 ) 对于三峡一葛洲坝两坝问河道，通过1 ：1 5 0 三峡葛洲坝梯级水利枢纽 调度模型试验，以及原型观测验证，自主开发了精确反映两坝间水流运动特征的河 道二维的数学模型。 ( 3 ) 结合两坝间河段河势特征和三峡电站调峰特点，系统研究了三峡一葛洲 坝两坝间河道非恒定水流状态，及其对通航的影响。 ( 4 ) 针对三峡一葛洲坝梯级水电站特点，建立了考虑河道航运约束的梯级电 第一章绪论 站优化调度模型。并采用该模型对整个河道进行了调峰流量下的优化演算，为电站 调峰提供了可靠的依据。通过实践检验，该模型具有较高的实用价值，可以在类似 工程中推广应用。 ( 5 ) 通过物理模型试验及数值模拟，以改善三峡一葛洲坝两坝间河道通航条 件、提高三峡电站调峰能力为目的，本文提出了行之有效的河道整治方案。 1 2 第二章两坝间河段河势特征及水流特性 第二章两坝间河段河势特征及水流特性 2 1 两坝间河