清水塘—大洑潭发电航运梯级电站最优日运行方式的研究.doc

清水塘大洑潭发电航运梯级电站最优日运行方式的研究 长沙理工大学硕士学位论文清水塘?大?潭发电航运梯级电站最优日运行方式研究姓名:徐灿波申请学位级别:硕士专业:水力学及河流动力学指导教师:胡旭跃;陈健强20080501摘 要清水塘枢纽和大袱潭枢纽位于沅水干流中游,是沅水中游两个连续梯级水电枢纽,清水塘位于河段上游,大袱潭位于河段下游,两枢纽都属于以发电为主,兼顾航运的多目标水利工程,而清水塘枢纽和大、袱潭枢纽设计拟定的运行方式时没有考虑电站泄流对通航水流条件的影响。因此必须对两梯级电站运行方式进行优化研究,充分发挥水利枢纽的综合效益。本文依托:沅水航运开发技术研究项目,在文献查阅和资料调查的基础上,对清水塘一大袱潭梯级电站最优运行方式进行了的研究。论文首先阐述了清水塘一大湫潭梯级水电站最优日运行方式研究的必要性,然后综合评述了国内外在水库运行优化调度的理论、方法和应用,对发电航运枢纽日运行方式优化问题研究现状进行了概括,并阐述了本文研究思路及研究内容。通过对流域基本资料和梯级水库基本资料的分析,明确了清水塘一大、袱潭水库拟定运行方式存在的问题,并提出了改进方案。分析梯级电站非恒定流对通航的影响及通航水流条件的改善措施,为研究梯级电站最优日运行方式研究奠定了基础。结合梯级电站日调节过程非恒定流特性,本文首次提出以泄流过程曲线为基础,考虑通航的约束,利用函数最佳平方逼近法建立数学模型来调节电站的泄流过程,同时运用模式搜索法对建立的模型进行求解,并采用该模型对清水塘一大湫潭水库三种典型日运行方案进行了计算和分析,得到了满足通航且发电最优的电站运行过程。根据清水塘一大、袱潭梯级枢纽的特点,建立了汛期梯级水库运行优化调度的动态规划模型,并且给出了求解步骤,并将该模型应用于三场典型洪水,得到了优化后的电站出流过程,在满足通航的条件下极大的提高了电站发电效益。对全文工作进行了总结,并提出了需进一步研究的问题。关键词:梯级水库;优化调度;.非恒定流;通航水流条件;模式搜索;动态规划法, .,. . .,. ,“ ”,. . ? , , ,., . . ,., . ,. ,.,. .: ; ; ; ;长沙理工大学学位论文原创性声明本人郑重声明:所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进行研究所取得的研究成果。除了文中特别加以标注引用的内容外,本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写的成果作品。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体,均己在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律后果由本人承担。日期:炒踔月玎作者签名:绦从谄学位论文版权使用授权书本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定,同意学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版,允许论文被查阅和借阅。本人授权长沙理工大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索,可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。本学位论文属于、保密口,在 年解密后适用本授权书。、不保密囱。请在以上相应方框内打“日期:沙年. 月万日作者签名:僬.枷忙导师签名:叼阮日期.朋年月冠日第一章绪论.研究意义清水塘枢纽和大、袱潭枢纽是沅水干流中游两个连续梯级水电枢纽,清水塘枢纽位于河段上游,大、袱潭枢纽位于河段下游,均按低水头枢纽开发建设。两枢纽建成后,除了在防洪、发电等方面发挥了巨大作用外,在改善原有河道的通航水流条件方面也起到了重要作用。枢纽修建以后,上游形成宽广的水库,淹没了上游库区滩险、减缓了急弯,较大幅度地增加了航道尺度,改善了水流流态;在下游水库的调节作用使得枯水期流量增加,通航不再受天然最小流量的限制,提高了河道的通航保证率。但是,水电站的建设也会给通航带来不利影响,枯水期电站负荷日调节和汛期大坝泄水引起下泄水流的不均匀变化,使得下游河道在一定范围距离内流速和水位都随时间发生变化,特别是两枢纽间河道通航水位受到上、下游枢纽调节所产生非恒定流的双重影响,引起水面线巨大起伏,纵横比降快速变化,水位衔接不顺畅,恶化了水流流态,严重影响到码头营运和船只的正常航行。从目前两枢纽拟定的运行方式来看,没有考虑电站日调节过程中产生的非恒定流对通航水流条件的影响,而沅水航道是联结湘黔两省水上运输大动脉,是全国内河水运主要通道之一。显然,要充分发挥梯级枢纽的综合效益,在水电站运行过程中,必须考虑电站泄流产生的非恒定流对通航的影响。本课题依托西部交通建设科技项目沅水航运开发技术研究,研究清水塘至大袱潭梯级电站间非恒定流特性及对航运的影响程度,从充分利用水资源和提高枢纽综合效益的角度出发,考虑发电和航运对水库运行的限制,分非汛期和汛期两种情况建立清水塘一大、袱潭梯级水库日优化运行模型。.水库运行优化调度方法介绍水库运行优化调度的一般方法于上世纪年代在国外提出,年代中期创立了系统工程并在水库群优化调度中得到广泛应用。随着数学规划理论的日渐完善和计算机技术的应用,优化调度方法更加丰富。通常根据优化的行为与机制有以下几类?:.传统方法人们经过几十年的研究和发展,借用运筹学的理论和方法,形成了许多富有成效的,具有成熟的理论和丰富的应用实例的方法。一线性规法线性规划产生于世纪年代,是运筹学的一个重要分支,是数学规划中发展最早、最为成熟的一种方法,也是最简单、应用最广泛的一种方法,有成熟的、通用的方法和程序。这方面的早期的研究有:、年.与.等人将线性规划法应用于、的水利系统优化运行研究乜。;年,.利用大型线性规划对的河的水污染处理系统作了实例分析研究;伍宏中研究了水电站群径流步长调节线性规划模型的思路、数学模型、算法和结构,讨论了模型的目标函数问题,并应用该模型进行了水电站群的优化开发和电力系统的电源优选,建立了包括水库库容和放水约束的线性规划模型,并且从理论上讨论了在洪水发生时,怎样利用最新预报的水情信息来调整水库调度隋, .建立了类似于的整数线性混合规划模型,用来解决和 上的水库系统防洪控制分析问题二非线性规划法及网络模型非线性规划产生于世纪年代,也是运筹学的一个重要分支,它用于研究非线性或线性函数在线性或与非线性约束条件下的最优化问题。它能有效地处理许多数学方法不能处理的不可导目标函数和非线性约束问题,加之大型计算机的使用,因此,在许多领域有越来越广泛的应用。但由于它优化过程较慢,且需要大量的计算机内存及机时,比线性规划复杂,又没有通用的求解方法和程序,使得它在水资源系统分析中的应用受到限制。若把水库调度问题化为静态,可以把整个水库群的时空关系展开为一张网络图,就成了水库调度的非线性网络模型,可由线性网络技术及图论知识进行近似求解。三动态规划法动态规划呻是最优化技术中适用范围最广的基本数学方法。由美国学者贝尔曼.等人于年发表的” 一文中正式提出。它通过分析系统的多阶段决策过程多阶段决策过程是指每个阶段的决策选择都要考虑过程的过去情况和决策对以后过程的影响,以求得整个系统的最优决策方案,而且不受目标函数和约束条件的线性、凸性或连续性的要求。动态规划可使一个多变量复杂的高维问题,进行分级处理,化为求解多个单变量的问题或较简单的低维问题。主要是运用“最优化原则对相邻两步建立基本函数间的某种递推关系后,就可以把原维的问题化为次个决策问题,而每次个决策只包含个变量的选择,就成为解个维的规划问题。水库调度问题由于时间上的季节性、周期性而具有多阶段决策的特点,故可采用动态规划模型。长期以来,动态规划是水库优化调度中最常用的一种方法,但当涉及复杂的、高维的问题时,计算工作量庞大,计算机存储受到限制,计算时间长,不可避免会出现“维数灾。所谓的“维数灾是指维数位于计算工作量表达式的指数位置。因此近十多年来,各国学者致力于降维方法,已提出多种有效改进的方法,使求解的水库数可达数十个。路志宏,魏守平凹等通过分析三峡梯级水电系统日优化调度的数学模型,提出了一种变状态空间动态规划法,该方法有效地克服了常规动态规划法中存在的“维数灾问题,从而为解决此类问题提供了一种现实可行的途径。阳放们等在总结多维确定性动态规划计算方法利弊的基础上,提出了一种双收敛算法并应用于引滦工程系统五水库实时联合供水优化调度。邹进,张勇传针对三峡梯级电站的短期优化调度是一个具有复杂约束条件的大型、动态、有时滞、模糊非线性的优化问题利用模糊多目标动态规划法,并结合逐次逼近方法来求解梯级短期优化调度问题。邱林,陈守煜幻基于实际水库调度是一个“预报、决策、实施、再预报、再决策、再实施的滚动向前过程,水库调度既要顾及入库径流的长期变化规律,又要适应当前水情变化情况,提出了求解水库实时优化调度问题的随机动态规划与逐步优化算法相结合的数学模型。梅亚东等针对黄河上游梯级水库,建立了含有水位、流量和出力等式约束的梯级优化调度模型,采用约束惩罚法将等式约束转化为目标函数的一部分,然后应用组合算法求解,结果证明该模型可有效地求解具有复杂、多变约束条件的长期联合优化调度模型”。到目前,比较常用的降维方法有以下几种:拉格朗日乘数法、状态增量动态规划法,逐步优化算法法,降维迭代、粗细网格套接的多次动态规划们。另外还有微分动态规划,年及离散微分动态规划?,年,?,年 ,都在不同程度上减轻了“维数灾问题,但还不是十分理想,解决。维数灾的另一类途径是在逐时段求最优时,借用其他优化技术,微分技术、一维搜寻技术、线性规划方法等。这些方法需要根据具体课题的特定情况来研究引用们。四大系统分解协调法由于水资源具有多级谱系结构,使得分解协调技术分解成为解决大规模复杂模型的有效途径之一。其做法是将复杂的大系统分解为若干简单的子系统,首先实现子系统局部最优化,再根据大系统的总目标和总任务,使各子系统相互协调配合,从而实现全局最优化。该法与一般的方法相比有简化复杂性、减小工作量、避免维数灾的优点。它可直接利用现有不同模型以求解子系统,并可用于静态和动态系统。其缺点是收效性差,即使收敛也需较长的机时,对随机入流的考虑也有困难。从整体上讲,它是一种有发展前途的大系统多目标决策技术。张勇传利用大系统分解协调的观点,对两并联水电站水库的联合优化调度问题进行了研究,先把两库联合问题变成两个水库的单库优化问题,然后在两水库单库最优策略的基础上引入偏优损失最小作为目标函数,对单库最优策略进行协调,以求得总体最优。.现代启发式优化方法自从二十世纪四十年代以来,由于实际应用领域的需要,人们根据大自然的运行规律,面向具体问题的经验、规则,提出一些解决实际问题的快速有效的搜索算法。之后,人们将启发式思想与人工智能领域中的各种有关问题求解的搜索方法相结合,提出许多启发式搜索算法。一遗传算法遗传算法阻引 是一种仿生优化算法,最先由在年提出的。它是通过模拟自然界生物进化过程与机制来求解极值问题的一类自组织、自适应人工智能技术。遗传算法的一个优点在于它们独立于特定问题或被分析系统,需要的只是系统性能的测度,而且这种测度可以是非线性、不可微、甚至不连续的。它常和其他最优解搜索方法结合使用,可大大减小陷于局部最优的可能性。鉴于这些特点,遗传算法在水库群优化调度寻求最优调度轨迹、水库调度规则等领域中得到了广泛的应用。胡明罡口采用实数编码遗传算法,对梯级水库进行独立的编码计算,结合各个水库不同的约束条件和调度要求,进行总体优化调度求解,避免动态规划解决此类问题时带来的“维数灾,并且计算速度快,可以对不同的情况进行实时计算。伍永刚口刀等人用二倍体遗传算法求解了清江梯级的目优化调度问题,提高了计算精度,缩短了计算时间和减少计算机内存。王亚娟口副等人用遗传算法对水火电混合电力系统短期发电调度的问题进行了研究,在模型中计及了水电机组的发电流量、挣水头和输出功率间的非线性关系,水流延迟等因素,有效地达到或接近全局最优解。二神经网络方法神经网络们以生物神经网络为模拟模型,具有自学习、自适应、自组织、高度非线性和并行处理等优点。可以用于多元回归分析,得到隐随机优化的确定优化规则。在众多的模型中,多层前馈神经网络模型是应用最多的一个,通常用反向传播学习算法算法对其学习训练。网络设计的任务是根据实际应用的具体要求确定适当的网络结构和参数组合,包括网络层数、每层的神经元数及所有的连接权值、阈值。目前,网络结构参数的确定还缺乏系统化的方法,通常采用反复试验的方法进行;网络权值的确定依靠现存的学习算法,通过对样本实例的学习训练来确定。算法存在学习速度缓慢,易陷入局部最小值的缺陷。目前,神经网络开始应用于水库优化调度研究中,年韦柳涛们等人在神经网络理论在梯级水电厂短期优化调度中的应用一文中提出了水电厂短期经济调度的神经网络方法,彭天波?等人于年运用网络的并行处理特性提出了渔洋河梯级水电站经济运行的神经网络方法。三模糊数学方法以美国控制论专家.建的模糊数学为基础建立的模糊数学模型,将模糊优选模型与经典优化技术融为一体,在有限可行域内寻找满意的调度方式,从而指导水库群运行,该模型不仅具有处理模糊信息的能力,还具有处理复杂系统中定性目标、对立目标等问题的能力。年,吴信益率先把提出的近似推理方法,引入以发电为主的水库兴利调度中,根据模糊控制思想,制定了乌溪江水电站水库的模糊推理调度方案。年张勇传等人把模糊等价聚类、模糊映射和模糊决策的基本概念引入水库优化调度中,探讨了径流和运行决策问题。鲁子林们根据综合利用水库来水预报结果具有模糊性,应用模糊线性规划方法优选调度决策,方法简便并适合当前中长期预报水平的调度。.其他方法近几年,对策论、存储论、灰色理论等在水库调度中得到了应用,丰富了水库优化理论。另外,由于实际应用的需要,多种优化方法的组合模型得到了较快的发展。.于年提出了机遇约束和线性规划相结合的模型。年以来,和曾提出一种线性一动态规划模型。.于年综合了许多优化方法,提出离散变量空间的优化模型。比较上述各优化模型的优缺点可发现,动态模型在应用上受“维数的限制需借助其他方法进行降维。非线性问题常常转化为线性规划模型,但线性模型的模拟与系统本身存在一些差异。多目标模型能较好地反映客观系统,但在理论求解上仍需进一步的研究。大系统分解模型、模拟模型及遗传算法规划模型在应用上很有特色,实用性也较强,具有良好的应用前景。由此可见,在处理实际问题时,应重视优化方法组合模型的研究。.发电航运水库优化运行研究现状航运对水库运行调度的要求包括以下几个方面:航运方面要求水库下泄流量不小于某一最低通航流量;如果水电站进行日调节,则要求下游水位的日变幅与时变幅不大于航运要求的数值,另外,还要求流速与水面比降不大于航运要求的数值。目前发电航运水库优化运行方式的研究主要从以下几方面进行:建立非恒定流计算模型比较水库泄流方案在水电站的发电航运问题研究中,常规方法是通过拟定多组电站泄流方案,然后建立非稳定流计算模型来进行方案比较。电站的出流过程当作是计算的边界条件,采用稳定流的计算结果作为该模型的初值解,非稳定流计算模型一般采用圣一维南方程,离散的非线性方程采用牛顿法或追赶法求解。通过迭代,逐步计算得到电站出流引起的航道中各断面参数变化情况,并判定各方案是否违反航运约束,对拟订的方案进行发电效益和通航水流条件的比较。王云莉,刘亚辉,石永燕等“对景洪电站种日调节工况下澜沧江景洪电站下游约 河段的水流条件进行了非恒定流计算,通过景洪电站日调节种运行工况下的非恒定流特征参数:下游河道水位日变幅、小时变率和变率,分析景洪电站种工况的非恒定流水流条件对景洪电站下游河道通航水流条件的影响,得到了对下游河道通航水流条件影响较小的景洪电站运行工况。吴晓黎,李承军等在研究三峡电站调峰流量对航运的影响分析时,为了给三峡调峰决策提供科学的参考,按照天的发电情况模拟了组种三峡流量过程,并对其产生的非恒定流情况进行计算,对于不满足约束的流量过程给出调峰策略。得出如下结论:在种调峰流量决策中,均流量为/的流量过程曲线是满足航运且发电效益较大的流量过程。根据非恒定流计算结果调节水库泄流过程对梯级水电站而言,中上游水电站主要担任调峰负荷任务,当下游水库为反调节库时,其主要任务是解决发电和航运矛盾。梯级水库河段两端都有坝,其非恒定流在一定程度上是可以调节的。梅菊花,周建中,李承军刀从充分利用水资源和提高电站经济效益角度出发,提出动态调节下游水电站的日放水过程和河道初始条件,以控制河道中的非恒定流的流态,在满足航运和上游水电站调峰负荷的需求下,协调上、下游水电站日放水过程和非恒定流的矛盾,并以三峡一枝江河道为例进行计算,达到了充分利用水资源的目的。郑守仁、孙尔雨、杨文俊“在对三峡电站调峰与通航问题进行研究时表明:三峡电站扩机增容至.后,按原设计的月份调峰方案的反调节泄流过程运行,两坝间水位最大日变幅可达./,在对反调节泄流过程作进一步优化调整后,原调峰方案不变,两坝间水位最大日变幅可降为./,其他通航条件以及宜昌河段的相应通航条件亦能满足航运要求。建立水库优化调度模型上述方法在研究电站运行期间发电和航运问题时,对发电和通航问题从两个方面进行考虑,并没有引入优化方法进行统一协调优化。这种方法得到的出流过程能满足航运要求,但很难找到水库运行的最优解。而在梯级电站的发电优化模型引入航运约束条件则较容易找到发电航运最优解。刘俊萍等们在研究汉江上游梯级电站发电与航运相互影响关系时,建立考虑航运和不考虑航运两种情况的优化调度模型,考虑航运时要求电站的下泄流量必须大于最小通航流量,计算结果表明:考虑航运情况下的航运保证率明显提高,航运效益增大。刘鑫卿、王麦力等拍们在研究河流主航道上大型水利枢纽的发电一航运优化日运行时,建立优化模型满足航运部门提出的主要航运约束条件:河道水流量或水位与流速、航道水深、航道水位的小时变率及下游港口水位的日变幅及其它约束条件,对三峡一葛洲坝两厂联合调度进行计算。优化后的结果显示:与优化前相比,不仅通航水流条件改善,而且两厂联合调度的出力也增大。唐德善拍从国民经济综合效益最大角度出发,建立了考虑航运和调峰要求的水电站日水量最优分配模型,并以黄河天桥水电站为实例进行计算,从计算结果可知:只考虑发电而不考虑航运要求分配日水量时,平均日效益为.万元;只考虑航运效益而不考虑发电要求分配日水量时,日平均效益为.万元;既考虑发电又考虑航运要求合理分配日水量时,平均日效益为.万元,因此对水电站进行发电与航运优化能大大提高水电站的经济效益。鲁子林随在探讨梯级水电站发电航运日优化运行模型时,建立了根据发电航运的要求考虑了项目标的优化模型,优化目标主要在于寻求最佳日运行方式,以使反调节水库下游最小通航流量和该库上、下游水位日变幅满足航运方面的要求,同时在发电方面尽量满足系统对水电站担负峰荷的要求,并尽可能增发电量。通过对某具有年调节水库的多目标综合枢纽进行优化计算,求得了发电与航运的最优解。张勇传针哺对主航道上一个水电站和一个火电站组成的电力系统,讨论水电站的发电、航运日优化运行问题。以水位日变幅、航道的水位、流速、小时变率等为约束条件,以火电厂的耗煤率和航运效益损失最小为目标函数建立优化调度模型,并用大系统分解协调解法进行求解,该模型用于三峡一葛洲坝发电航运日优化问题并获得成功。.有待进一步解决的问题综上所述,前人对梯级电站间非恒定流进行了较为系统的研究,对其特性及其控制性影响因素已有较为深刻的认识,但由于非恒定流计算的复杂性,目前研究发电航运梯级水库的日运行方式优化问题缺乏一套理论上严谨而又实用的数学模型和算法;而且在研究水库泄流对航运的影响时,主要考虑电站调峰时下泄水流产生的非恒定流对航运的影响,而对大坝泄洪和电站出现故障时产生的下游非恒定流对通航的影响及调节控制却研究得很少。.本文研究思路、主要工作、研究方法及技术路线.本文研究思路本文工作的主要目的是研究满足航运约束条件下,清水塘一大、袱潭梯级电站最优日运行方式。因此本文先对电站泄水时,梯级电站间水库及下游电站坝下断面的非恒定流控制性影响因素及对通航水流条件的影响程度进行了研究,在此基础上分汛期和非汛期两种情况建立优化调度模型对清水塘一大、袱潭梯级枢纽日运行方式进行优化,并运用模式搜索法和动态规划法对建立的模型进行求解。最后分析与比较了优化前后通航水流条件的变化情况。.本文的主要研究工作以水力学中描述非恒定流运动的圣维南方程组为基础,建立梯级电站间非恒定流数学模型,运用隐式差分格式对方程进行离散,并用追赶法进行求解。并建立初始条件优化模型,维持日运行方式的稳定性,对不合理的初始条件进行调整。研究在非汛期不同电站日运行方案下梯级电站间非恒定流特性,根据已拟定通航水力指标校核梯级电站间及下游电站坝下断面的通航水流条件,以不满足航运要求的通航水力指标为控制因素,以调整后的泄流过程与已知的泄流过程偏差最小为目标函数建立优化模型,调整上、下游电站的下泄流量,使通航水利指标控制在航运允许的范围内,再根据调整后的泄流方案进行非恒定流计算,检验其它通航水流条件是否满足航运要求,不断对下泄流量进行调整,直到满足通航水流条件。针对上游来流大于电站满发流量而小于最大通航流量时,建立最优化调度模型来优化电站运行方式,使电站在满足通航的前提下尽量多发电,以达到充分利用水资源的目的。.本文研究方法资料收集:收集沅水流域基本资料、清水塘至大伏潭间航道断面的几何参数、上下游流量、水位及河道糙率等水力参数资料和水库拟定运行方式等。数值计算:建立非汛期、汛期两种情况下考虑发电和航运限制的清水塘一大湫潭梯级电站日运行方式优化模型,并运用一维非恒定流数学模型计算电站运行过程中电站下游河道的通航水力指标。理论分析:分析清水塘一大湫潭水库运行存在的问题,对优化前后的电站出流过程、出力过程和通航水流条件进行比较,比较优化前后发电和航运的改善程度。.技术路线:收集流域资料和 分析梯级枢纽非恒定流特性、提出通航水利指标水库运行等资料建立一维非恒定流数学模型、计算各种建立非汛期、汛期综合考虑发电站出流过程下下游航道通航水利指电航运限制水库运行优化模型第二章清水塘.大湫潭梯级水库概况及其基本资料.流域基本资料.流域概况拟建清水塘水电站和在建大、袱潭水电站均位于沅水干流中游,湖南省怀化市辰溪县境内,它们是两个连续梯级水电枢纽,清水塘水电站位于河段上游,大漱潭水电站位于河段下游。沅江属洞庭湖水系,为洞庭湖四水之一,位于北纬。,东经。,发源于贵州省东南部,有南北两源,南源龙头江出自贵州省都匀县的云雾山,又称马尾河,习惯称沅江之源;北源重安江出自麻江及平越县之间大山,又称诸梁江,两水在贵州省炉山县汉河口相汇合后称清水江,东流至黔城与舞水,汇合后称沅江,然后经会同、黔阳、怀化、溆浦、辰溪、泸溪至沅陵折向东北,经桃源、常德、汉寿由德山入西洞庭的目平湖,全长,落差,流域平均坡降.,流域面积。沅江干流清水江自銮山进入湖南省境后,依次子托口下、黔城、雄溪原洪江市、大江口、辰溪、泸溪、沅陵等地分别有渠水、舞水、巫水、溆水、辰水、武水和酉水等七大支流汇入,七大支流总面积为,占沅江流域面积的%,两岸支流分布不对称,左岸支流面积为右岸的.倍,各支流河口多年平均流量之和为/,占沅江干流的%,与流域面积比相当。但径流的地区分配极不均衡,下游的酉水、武水和溆水较大,上游渠水、舞水和巫水较少。径流模数最大相差达.倍,各支流特征值见表.。表.沅江流域支流特征值表.气候清水塘至大、袱潭枢纽河段地处中亚热带季风湿润气候区,气候温和,雨量充沛,光照充足。根据当地气象资料统计,多年平均气温为.;多年平均降水量,降雨多集中在月,占全年的%以上;多年平均日照时数;多年平均风速为./。流域多年平均水面蒸发量巾套盆蒸发器,月平均最大值月份,最低值.月份,流域多年平均相对湿度为%。现以统计辰溪气象站年年气象资料气象特征值表如下:一气温流域多年平均气温.。,由于各地纬度、地形的差异,气温一般自上游向下游递增。年内月份气温最低,月份最高,月平均气温分别为.和.;流域极端最高气温.年月日新晃站,极端最低气温为.年月日三穗站。二降水沅水属亚热带气候区,气候温和多雨。据统计,坝址以上流域多年平均降水量,一月份为汛期,降水量约占全年降水量的.%,降雨日数占全年雨日的.%。流域各地年平均降水量在之间,降水总的趋势是由南向北递减。流域实测最大日雨量石番溪站年月日,最大天降水量白道站年月日。三风况多年平均风速./,汛期多年平均最大风速为./,风向以和居多,历年实测最大风速/通道站。四冰情研究表明河段内冬季不结冰,不存在影响航运天数的问题。五雾、霜、雪况沿河段冬季多薄雾,浓雾时间较少,一般上午时左右即散。初霜、雪日均在月上旬左右,终霜日在月上旬左右,终雪日在月下旬左右。六雷暴流域主要降雨集中在月,以月暴雨出现次数最多,大面积长历时的暴雨主要在月,个别年份推迟到月。暴雨历时一般为天,长的持续天以上。该流域洪水是由暴雨形成,流域月份为汛期,大洪水多出现在月份,据年资料统计,安江站年最大洪水出现在月份占%。沅江干流洪水过程形状,上中游以单峰形居多,下游多呈复式峰形。一次大洪水历时,中游为天,下游为天。特大暴雨造成的山洪爆发,冲毁村庄、农田公路、桥梁、水利设施等,会对航运影响较大。.水文基本资料清水塘、大袱潭梯级水库以上流域,设站最早的是黔城水文站,始于年月,剑河、芷江、新晃和锦屏等站相继于年和年设立,解放后逐步增加,到目前为止,水文、水位站已达多处。其中清水塘坝址上游约处有安江水文站,集水面积为。大、袱潭坝址下游约处有辰溪水位站、下游约处有浦市水文站,集雨面积分别为和。.水情预报站网及自动测报系统沅水洪江水电站上游的三板溪,洪江二个水电站已完成了自动测报系统的总体规划,铜湾电站也即将开工建设,下游的五强溪水电站系统已建成。因此清水塘电站、大、袱潭电站自动测报系统的建立可与上下游电站的自动测报系统衔接,测报系统与上述已建测报系统的通讯联系,收集上、下游电站的水雨情及调度情况,根据所收集的数据进行分析,作出正确的调度,从而为梯级水库优化调度提供了有利条件。.地貌与地质一地貌清水塘枢纽至大、袱潭枢纽之间河道位于沅水中游,地貌上总体属于中低山、岩溶丘陵区。河段为“型河谷,河谷宽敞,两岸山体雄厚,山顶高程,相对高差,山坡坡角,局部大于,山顶较平缓,沿河两岸级阶地较发育,呈断续带状分布。河床宽窄不一,最窄处一,宽处约。河流段属于亚热带常绿针阔混交林带,区内植被资源丰富,主要以人工林为主,优势树种主要有杉木、马尾松、油茶等。二地质流域地势总趋势西南高,东北低,地形起、袱变化大。区域地层总的分布是:上游以前震旦系上板溪群浅变质岩为主;中游除前震旦系地层外,出露较多的有寒武系碎屑岩夹碳酸盐岩,石炭三叠系碳酸盐岩夹砂页岩以及白垩陆相碎屑沉积之砂页岩;下游地段则以白垩系及第三系陆相碎屑岩为主,前震旦系浅变质岩零星出露,第四系河、湖相沉积物广泛分布,形成冲、湖积平原。沿河岸土壤类型主要为红壤,大约占%,其次是紫色土、水稻土、黄壤,分别占.%、.%、%。成土母质主要有板页岩、红岩、石灰岩三种类型,兼有部分第四系松散堆积物和四纪红壤。本区属整体间歇性上升区域,晚近期隆起速度相对减弱。根据.版:中国地震动峰值加速度区划图和中国地震动反映谱特征周期区划图,本区地震动峰值加速度为.,地震动反映谱特征周期为.,相应的地震基本烈度为度。.水库基本资料拟建清水塘水电站和在建大、袱潭水电站均位于沅水干流中游,湖南省怀化市辰溪县境内,它们是两个连续梯级水电枢纽,清水塘水电站位于河段上游,大、袱潭水电站位于河段下游,均按低水头水电站开发建设。清水塘水电站设计推荐坝址下坝址位于辰溪县仙人湾乡清水塘村上游.,距怀化市约。是一个以发电为主,兼顾航运、灌溉等综合利用的水电工程。工程坝址控制流域面积,占全流域面积的.%,坝址多年平均流量/。设计确定:正常蓄水位.,总库容.亿,电站装机,航道等级级,为大型水库,等工程,永久性水工建筑物挡水坝、电站厂房和船闸为级建筑物,临时性水工建筑物为级。大坝设计洪水标准年一遇,校核洪水标准年一遇。大、袱潭水电站工程位于湖南省怀化市辰溪县境内沅水干流中游,目前已经动工兴建,坝址位于修溪乡木洲村,坝址距离辰溪县大约.,坝址集雨面积为。根据沅水干流规划报告中规划,大、袱潭水电站开发任务以发电为主,兼顾航运等综合利用,选定正常蓄水位,装机容量,保证出力.,多年平均发电量.亿?。表.清水塘水电站主要技术指标表项目 单位 指标现状坝址控制集雨面积/ 多年平均流量.天然情况下下游常水位.正常蓄水位亿 .正常蓄水位相应库容.设计洪水位%.校核洪水位.%亿 .校核洪水位水库总库容.死水位亿 .死库容亿 .调节库容% .库容系数调节性能 日调节上游最高通航水位 .上游最低通航水位 .下游最高通航水位% .下游最低通航水位% .装机容量.保证出力%.多年平均发电量 亿装机年利用小时% .水量利用率.净增年发电量 亿?机组机型贯流式厶机组台数 口转轮直径 .额定流量 / .额定转速 /% .额定点效率% .最高效率.最大水头最小水头 .加权平均水头 .额定水头 .表.大、袱潭水电站主要技术指标表项目 单位 指标现状坝址控制集雨面积多年平均流量 /.天然情况下下游常水位.正常蓄水位亿 .正常蓄水位相应库容设计洪水位% .校核洪水位.%.校核洪水位水库总库容 亿.死水位死库容 .亿调节库容 亿 .库容系数 % .调节性能 日调节.上游最高通航水位.上游最低通航水位.下游最高通航水位%.下游最低通航水位%装机容量保证出力% .多年平均发电量 亿装机年利用小时水量利用率 % .净增年发电量 亿?机组机型贯流式、厶机组台数 口 转轮直径 .额定流量 / .额定转速 /%额定点效率 .%最高效率 .最大水头最小水头 .加权平均水头 .额定水头 .水库拟定的运行方式及改进.水库拟定的运行方式清水塘水库设计拟定运行方式为:当日平均流量小于电站引用流量/时,来流用于发电;当流量大于发电要求的流量而小于年一遇流量/时,通过控制闸门泄洪,维持水库水位为正常蓄水位;当流量大于年一遇流量/时,机组停发,船闸停航,可适当加大闸门的泄洪能力,直至闸门全开,接近于天然行洪状态。大湫潭水库设计拟定运行方式为:当日平均流量小于电站引用流量/时,来流于右汊下泄用于发电,左汊通航;当流量大于发电要求的流量而小于左汉正常蓄水位时的泄洪能力,左汊通过控制闸门泄洪,维持水库水位不超过正常蓄水位:当流量大于发电要求的流量与左汊正常蓄水位时的泄洪能力之和时,右汉开始控制泄洪,水库水位仍维持在正常蓄水位;当流量大于年一遇洪水标准的流量/时,全部闸门开闸泄洪以降低水库水位,电站机组停发,船闸停航。.拟定运行方式存在的问题及进一步解决方案两水库拟定的运行方式存在的问题可以概括为以下几点:.沅水航道是联结湘黔两省水上运输大动脉,是全国内河水运主要通道之一。拟定的水库运行方式没有考虑电站日调节过程中产生的非恒定流对航道通航水流条件的影响。.两枢纽都属于低水头径流式水电站,当来流大于电站满发流量时,按“来多少,泄多少方式泄流,下游水位迅速上升,电站出力受阻情况严重。.拟定的水库运行方式没有考虑上、下游电站的联合调度。根据现行拟定的水库运行方式存在的问题,有以下进一步解决方案:.计算电站日调节过程中产生的非恒定流对通航的影响,优化电站日泄流方式。建立基于雨情预报系统的水库调度的优化模型,减少最大下泄流量,增发短期电能,提高水电站发电效益.开展梯级电站联合调度运行研究工作。第三章梯级水库非恒定流及通航水流条件.梯级枢纽水库非恒定流特性研究梯级枢纽间水库非恒定流特性及其影响因素,是进一步优化电站运行和调节控制非恒定流的重要基础。梯级枢纽间水库非恒定流特性较单独水电站下游的非恒定水力特性要复杂的多,因为两坝间河道的水位变化既受上游电站来流量的控制,同时又受下游电站出流量的控制,兼具水库与天然河道的双重特性,当流量较小时,库区河道水位主要由下游坝前水位控制,当流量较大时,库区河道水位既受下游坝前水位控制,又受上游下泄流量大小的影响;同时两坝间河段沿程各断面的水位、流量、流速、比降等水力要素的变化,既要受上游电站流量变化的影响,又要受下游电站反调节作用的影响,还同下游水库的蓄水量,河道边界条件等因素有关。在研究梯级枢纽间水库非恒定流对通航的影响时,电站日调节泄水和汛期大坝泄水引起的非恒定流各有其特征,电站日调节引起的水流变化是一种平缓的长周期水面升降运动,一天内河道水流、水力要素变化频繁,其水位变幅、变率、流速、比降的变化,与上、下游电站的负荷、调节流量值及变化梯度紧密相关,当下游电站下泄流量相对较稳定时,两坝间河段水位、流速的变化趋势与上游电站下泄流量的变化相一致,变化幅度、变率则与电站下泄流量值大小及航段所处位置,河床地形等因素有关。当下游电站负荷同时发生变化,其变化趋势同时要受下游调度方式影响;大坝泄洪时短时间内下泄大量水体,在下游河道内形成顺涨波,水位迅速上升,沿程各河段很快上升到最高水位后又逐渐趋于稳定,伴随水位上涨发生明显波动现象,大坝泄洪过程中水位上升快,小时涨率大,并随泄洪流量增加而增加,下游河道非恒定的水体运动与泄流闸坝开启方式有关。综上所述,梯级枢纽间非恒定流控制性影响因素主要包括:两电站联合运行方式、河道的调节能力、水流初始状态等。.非恒定流对通航的影响清水塘枢纽和大、袱潭枢纽属于日调节电站,是以发电为主,兼顾航运等综合利用的水电站工程。电站在日调节过程中主要担任电力系统的调峰任务,既有一天内发电出力和电量的安全经济目标,又因同时水电站日调节出力变化带来出流波动,引起下游河道中产生非稳定流,形成航道和港口水力参数变动,从而直接涉及船舶的航行或锚泊的安全经济目标哺钔。电站日调节过程中产生的非恒定流对通航的影响主要表现在以下以几个方面:.水位陡涨陡落,影响船舶正常的航行和港口作业。电站日调节下泄最小流量往往小于枯水期最小流量,从而使下游通航水位下降,枯水流量历时延长,对航运业影响很大。.在调节过程中,由于过坝流量频繁变化,上下游航道口门出现横流,引航道内出现水位波动,严重时影响船舶正常航行。.水库调节非恒定流对下游河床影响较大,使得航道不稳定、航政复杂化。流量快速变化导致航道水面比降增加,若流速过大,就会影响船舶队的安全航行。.通航水力指标水库调节产生的非恒定流系一种重力长波和往复流的复合运动,有着极为复杂的态势和演变规律。经抽象概括,水体的这种运动可以由通航水力指标来表征【】.允许流速、比降限值的确定流速会对航行船舶产生阻力,对停泊船舶产生冲击力,它也是表征河流通航水流条件的一个主要参数。由于上游高水头电站在调峰期间下泄非恒定流而在两坝间形成的波流运动使得流速的大小和方向发生周期性变化,流速的这种变化,对航行船等会产生一定程度的影响,因此也应给流速规定一个适当的限值,控制电站调峰水流的流速使其不对船队的航行和停泊产生不利影响:水面比降对航行船队产生阻力,称“比降阻力,并对停泊船舶的平衡产生影响,因此水面比降是河流通航水流条件的另一个重要参数。由于上游高水头电站调峰而在两坝间河段形成的波流运动使得水面比降的大小和方向发生周期性变化,从而影响到航行船队的操纵性和对岸航速以及停泊船队的系缆力。因此亦应对水面比降规定一个适当的限值。航线上允许流速、比降的确定,需从全河段航道条件考虑。若流速、比降值定得低,则到处都是险滩,整治工程量过大,难以实现;若流速、比降限值定得偏大,船舶航行困难,航行安全得不到保证。因此为了满足运输发展的需要,一般可采用下述方法:结合航道条件和运输要求,优选运输船型。结合运量发展,选择经济合理的运输组织,确定船队规模和项推或拖带方式。对全段急流滩险进行流速、比降及河床地形的测量,分析滩险特征并进行分类排队。对重点急流滩险进行船舶自航过滩航迹测量和流速、比降测量,分析现有船舶过滩能力。根据全河段急流滩险情况,结合船舶的过滩能力,设定设计代表船型船队和载量。按照确定的代表船型船队和载量,进行过滩的实船观测,包括对岸航速、船舶阻力和有效推力。通过计算分析和实船观测,最后确定某种船舶对在一定载量条件下其允许航线上最大流速、比降值,此限值可分为几档流速、比降组合。内河航运假设标准取决于河流的自然条件和客货运量的需求。从自然条件看沅水流域属于典型的山区河流,河水陡涨陡落,洪峰流量大。清水塘至大、袱潭处在沅水中上游,按四级航道开发,通航吨级船舶。航运部门提出的通航参数如下:当河道水深小于.时,河道断航;当河道水深大于.时且河道断面平均流速小于./时,船舶可以自航;当河道水深大于.且河道断面平均流速为./时,须由拖轮助航;当河道断面流速大于.时,河道断航。通过对吨级船舶上滩能力计算:当最大平均流速为./时,则对应的最大局部比降不宜超过.,当最大平均流速为./时,则对应得最大局部比降不超过.。经对沅水河道现有的通航情况进行调查,并参照国内部分通航河流的实践经验,拟定河道现有的通航水力指标具体见表.。表.沅水吨级船舶允许流速、比降. . . . . . . .平均流速/. . . . . . . .局部比降.水位变幅限值在天然状态下山区河道枯水期日流量及水位较为稳定,水位变幅很小。电站调峰和汛期大坝泄水时,流量短时间内变化很大,下游河道水位频繁的陡涨陡落,而且变幅很大,对船舶航行与港区停靠、码头的建设和货物的装卸等产生极不利影响。由于上游电站泄流量和两坝间河段沿程水流边界的变化,而导致沿程水位发生着相应变化。在这种条件下,沿程水位是流量、位置和时间的函数,最, 水位的这种变化通常用“日