江垭水库动态调度研究

江垭水库动态调度研究汛限水位动态控制在江垭水库的运用江垭水电站 刘世军、涂俊钦 1、水库概况 江垭水库位于湖南省慈利县澧水一级支流溇水中游，下距慈利县城57km。坝址控制集雨面积3711 km2。占水面积的73.5%，多年平均降雨量为1535 mm，多年平均流量132 m3/s，年径流量41.6 亿m3。江垭水库是以防洪为主，兼有发电及灌溉等综合效益的工程。江垭水库总库容18.34亿m3，正常蓄水位236.0m，防洪限制水位210.6m，正常蓄水位以下预留防洪库容7.4亿m3，设计洪水位239.10m，核洪水位校242.70 m，库容系数0.28，属年调节水库。大坝加高3 m后，增加超蓄防洪库容1.15亿m3，特殊情况下考虑蓄水，总防洪库容增加为8.55亿m3。电站装机300MW，设计水头80 m，多年平均发电量为7.56亿KW.h。江垭枢纽工程主要由大坝、地下发电厂房组成。大坝为全断面碾压混凝土重力坝，坝顶高程245.0m，最大坝高131m。在溢流坝段设有三孔中孔和四孔表孔。地下厂房布置在右岸山体内。工程于1995年7月正式动工，1999年底整个工程已全部完工，于2003年1月8日通过国家竣工验收，泄洪建筑物正常投入使用，三台机组投产发电。江垭水库防洪设计标准为50年一遇洪水，当江垭来水不超过50年一遇的洪峰流量8470 m3/s，控制下泄不超过1700 m3/s，水库防洪调度方式按防洪高水位236 m控制，库水位在防洪高水位236 m以下，水库以确保下游安全进行调度，当水库水位超过236 m时，水库尽量开启泄洪闸门，直至洪峰流量过后，才视下游水情逐步腾空水库或关闭泄洪闸门蓄水。江垭水库的防洪任务主要是控制三江口洪峰流量不超过12000 m3/s。江垭水库在皂市和宜冲桥未建成前的防洪运用方式，采用错峰补偿调度方式。2、动态调度方式提出按照水利水电工程水利动能规范2第11条规定指出：“在满足大坝安全和不降低下游防洪标准的前提下，根据汛期洪水的规律，研究防洪库容和兴利库容重迭使用的可能性。”。如果江垭水库仍使用设计时年的防汛限制水位，这就使江垭水库整个汛期都按年最大设计洪水设防，经常处于超标准安全状态，而汛期一出现较大洪水就被迫弃水。江垭水库自2000年正常投运以来，在来水偏少的情况下，汛期出现大量泄洪弃水，而汛后又处于无水发电的尴尬境地，汛后水库的蓄满率仅为2%。针对上述情况，江垭水库请湖南省水电设计院、湖南省水文水资源勘测局进行了分期洪水、汛期径流量分布研究，研究分析表明江垭水库洪水分期明显，汛期来水呈规律性。初汛期（4、5月）的洪水基本不能对水库防洪形成威胁。主汛期67月2个月来水占年径流总量的1/3强，因此主汛期把握蓄水时机， 在不影响工程防洪效用的前提下，在汛期中有可能在出现一场洪水后较长历时晴朗天气，采用“短历时超蓄、洪前预泄”方式拦蓄部分水量，是尽可能多利用主汛期水量，充分利用水资源，争取更好发电效益有效途径。3、时段划分及控制水位确定江垭水库汛期径流量从4月1日开始初步递增，5月份开始比4月份明显增加。6月中旬开始径流量有急剧增加，6月21日至7月21日来水量达到年高峰，占到汛期总水量的36.5%，8月份之后水量明显减少。江垭水库汛期各旬来水量百分比见表1。因此江垭水库汛期大致可以分为5月1日-6月20日、6月21日-7月31日、8月1日-9月30日表1江垭水库汛期各旬来水量百分比（%）统计表月456789旬上中下上中下上中下上中下上中下上中下占汛期%3.04.14.35.96.05.85.55.310.410.19.26.85.34.74.93.03.52.2其调洪结果见表2。由表可见在初汛期（4、5月），在遭遇50年一遇的分期洪水时，库水位仅为225.24 m，离236 m的防洪高水位还相去甚远。同时从表3：江垭水库年最大洪水峰现机率表，也可以看出年最大洪水主要出现在67月。因此将45月的防汛限制水位可定在224 m，完全是可以满足工程本身和下游防汛要求。表2 江垭水库分期洪水调洪计算成果表月份起调水位（m）项目 频率单位0.02%0.2%0.5%1%2%5%4-5月洪峰流量M3/s844064305620501043803550210.6最高库水位M233.96225.94222.4219.66216.78214.03最大泄量M3/s150015001500150015001500220.0最高库水位M240.31233.26229.95227.62225.24222.89最大泄量M3/s1500150015001500150015006-7月洪峰流量M3/s157001220010700958084707010210.6最高库水位M240.85237.5923658最大泄量M3/s1049183227421440715001500表3江垭水库年最大洪水峰现机率表 月项目三四五六七八九次数11612166345百分比（%）2.22.213.426.735.513.36.7100 为优选主汛期合理的动态调度库容，我们对江垭水库的防洪能力进行了分析，具体方法为：按调洪最高水位到防洪水位236 m和超蓄防洪高水位239 m两种调度方式，即方式1、方式2进行调洪计算，分析不同起调水位、不同调度方式下江垭水库的防洪作用，见表4。表4江垭水库防洪能力分析成果表起调水位（m）防洪库容（亿M3）可抵御洪量（M3）可抵御洪量（亿M3）重现期（a）121212122107.658.7194801030012.013.1961662156.277.438470938010.711.850882205.146.20732082309.2710.424442243.934.99622071807.889.0913222302.123767.03582340.711.77306042103.885.334根据上表当按236 m防洪高水位控制时，215 m起调，水库可抵御50年一遇的洪水，完全满足防洪设计标准，如按239 m防洪高水位控制时，215 m起调，水库可抵御88年一遇的洪水。因此依据上述分析和工程的实际特性，经研究优化，分析於主汛期在防洪限制水位以上，优选拟定1.1亿m3 动态调蓄库容，即215 m动态防汛限制水位进行调度。经长系列模拟调度检验，一般常遇的中小洪水基本上可以完全有效调蓄。江垭水库拟在初汛期（45月）和主汛期（67月）分别采用224 m、215 m的动态汛限水位，与设计常规模拟运行相比，动态模拟运行多年平均水量利用率提高了5%，系列电量期望值增加2500万k .wh。湖南省防汛抗旱指挥部下达的大型水库汛期运用方案，水库的水位为:4月1日6月20日按210.60224.00米控制；6月21日7月31日按210.60215.00米控制；8月1日8月31日按230.00236.00米控制；9月1日9月30日按236.00米控制。汛限水位控制分期运用方案表单位：水位(米)、防洪库容(亿立米)主 汛 期后 汛 期日期水位防洪库容日期水位防洪库容5.01-6.206.21-7.31210.6-224.0210.6-215.07.4 -3.847.4-6.278.01-8.319.01-9.30230.0-236.0236.01.98-00 4、主汛期动态调度方式 江垭水库汛期主要采用“短历时超蓄、洪前预泄”的动态调度方式。此运行方式一般为在一次洪水过后，当水库水位仍在限制水位以上某一适当值时关闸，留蓄部分水量，同时与电力调度主管部门协商配合，争取加大发电出力，尽快将多蓄的水量通过水轮机泄放用掉。此期间如预报用后继洪水到来，则在保证安全的前提下，开闸放水，在下次洪峰到达以前，腾空到防洪限制水位。短历时超蓄，洪前预泄水量平衡方程为： T （W 蓄W发）=（Q预（t）Q入（t）t (1) t= t1 t1 W发=(Q发(t) Q入（t）t (2) t=t0 式中：W 蓄 可超蓄水量 W发 开始预洪前已通过加大发电出力用掉的水量 Q预 预洪前各时段预洪流量（包括中孔、溢洪道泄流和发电流量） Q发 泄流腾库开始之前各时段发电流量 Q入 开各时段入库流量 t0 超蓄开始时刻 t 1 泄流腾库开始时刻 T 腾库退水至防限水位的时刻 一般说来，对超蓄后至下一场洪水发生的间隔时间（t1t0 ）只能依据气象部门大气环流和天气形势分析，大致作出预测估计；此期间各时段加大发电出力发电流量Q发通过与电力调度主管部门联系协商，基本上可以确定；此期间入库流量根据娄水中上游山区型河流洪水陡涨陡落的退水特征及历史来水典型分析，参照天气形势预计，也大致上可作出估算值。也就是说，W发值（公式（2）在实际调度可以根据当时的具体情况，预测估算出来。泄流腾库水量平衡计算（公式（2）最关键的就是洪水预报的预见期，它决定了在后继洪水到达之前将超蓄的水量放掉、水位回落大防限水位210.6m的可用时限(T-t1)。江垭坝址以上流域面积较小，属山区型河道，洪水预报预见期估计在1530h左右，根据暴雨中心、雨型、走向、强度和地表层含水情况的不同。关于允许的腾库泄流量Q允，在皂市水库和宜冲桥水库未建成情况下，近期采用错峰补偿调节方式，以下游三江口为控制站，按三江口安全泄量12000 m3/s控制。设计规定，在预计8小时后三江口洪水流量小于12000 m3/s，江垭可允许泄流1700 m3/s，8小时后三江口洪水流量将达到12000 m3/s或以上时，江垭要关闸停止泄流，仅保留发电流量。在江垭洪水预报预见期内，洪峰并未到达，而三江口要汇集澧水干流、溇水、渫水三江的洪水流量，其汇流时间一般回长于江垭。因此，在江垭预泄腾库期间（要考虑计入江垭至三江口流达时间8h），三江口洪水流量达到12000 m3/s的机率很低。一般情况预泄腾库1700 m3/s考虑（含发电流量）。“短历时超蓄”，能超蓄多少？由式（1）得出可超蓄水量W 蓄： T W 蓄 =（Q预（t）Q入（t）t+ W发 (3) t= t1 预泄腾库之前已通过加大发电出力用掉的水量W发，只能根据当时实际条件估算，由上式可以看出，当W发一定时，W 蓄取决于洪水预报的预见期、下游允许的安全泄量和泄流期入库流量等变量。 以下分别按照降雨洪水预报和气象汛情预报两种方法的可能预见期，测算江垭水库的预泄腾库能力。计算条件作如下考虑： 1、 预定时限（T t1）当采用降雨洪水预报方法时，预定时限为预见期小时数减去1小时。此1小时用于实际调度中申请示汇报、待批准、与下游相关单位联系通报、开工作票以及闸门操作等事务工作所需要时间； 2、 安全泄量Q预如上已述，下游允许的安全泄量暂按1700 m3/s考虑（含发电流量），假定腾库泄流期内不变； 3、 入库流量Q入从偏于安全计，入流量以200 m3/s计（根据日径流样本分析，一次洪水发生前基流一般为120m3/s250 m3/s），同样，假定腾库泄流期内不变。由上拟定值，按式（3）可以计算出不同预见期在预定时限内可宣泄的水量。从“汛前预泄腾库”运行方式意义上讲，它也就是在预见期内水库水位必须消落到防洪限制水位210.6 m，相应腾库开时始时刻水库允许的超蓄水量。采用降雨洪水预报方法、采用气象预报汛情预报方法，不同预见期计算成果见表5。表 5 腾库能力及相应允许超蓄水位计算表预见期12h24h32h48h72h预泄腾库能力（亿m3）0.5151.1231.4512.2473.370相应超蓄水位（m）212.67215.09216.41219.60223.36 由以上分析计算可看到，从工程本身条件来说，“汛期短历时超蓄、洪前预泄”运行方式是有潜力的。即使不考虑关闸超蓄时刻至后继洪水到来开始腾库之前，通过加大发电用掉的那一部份超蓄水量W发，降雨洪水预报结合天气预报由表5可看到，只要预见期能达到24h，就有把握可以在后继洪水到来之前安全泄放掉库存的1.123亿m3超蓄水量。5、预泄保证条件和措施 、充分利用江垭较为先进水情自动测报系统，及时掌握雨情、水情，进行径流滚动预报，保证预报精度，增长预见期。江垭水情自动测报系统采用了差错控制、主备式中继等先进技术，现系统运行趋于稳定，畅通率在95%左右，所有17个野外点传输到中心站只需要12分钟。 、正确使用闸门集中控制系统，迅捷执行闸门调度命令。完成所有7孔闸门的一次操作只需要10分钟左右。 、利用实时卫星云图接受系统，了解大气环流和天气形势。 、逐步建成与省电力调度中心联网的水库调度自动化系统，实现水库运行有关的监测、分析、预报、调度自动化管理，并实时向省电力调度中心传送。 、充分估计调度中的不确定因素和风险因素，制定动态调度决策备用方案，考虑不同情况下可能发生的情况和后果，并制定相应的补救措施。 、加强与水文、气象部门的联系，及时掌握上、下游的水情及天气形势；及时向省防汛办请示汇报，加强省电力调度中心的调度联络，提出调度建议。 、新建江垭水库入库站江坪河水文站，保证了水库在高水头情况下，入库流量的准确性，提高了预报的精度，增长了预见期。 、江垭在不改变正常蓄水位、大坝设计标准和库区移民范围的前提下，水库超蓄防洪高水位从设计的防洪高水位236 m提高到239 m，增加超蓄库容1.15亿m3，在原设计安全泄量1700m3/s不变的前提下，水库防洪能力由50年一遇提高到100年