侯家其,陳 聰,田遠(yuǎn)洋,熊一橙
(重慶交通大學(xué)河海學(xué)院,重慶 400074)
近年來,各流域隨著梯級水庫群的不斷建成,使河流的水文過程發(fā)生了很大程度的改變[1-2],天然徑流情勢的改變被認(rèn)為是對河流系統(tǒng)完整性影響最為直接、威脅最大的因素[3]。這導(dǎo)致梯級水庫在運行調(diào)度過程中的調(diào)節(jié)能力不足。本文在運用調(diào)度模擬的方法來分析在梯級水庫調(diào)節(jié)下,下游水庫調(diào)節(jié)能力的改變程度。
通過研究水庫發(fā)電調(diào)度,主要是應(yīng)用參數(shù)-模擬-優(yōu)化模型(PSO)和隱隨機優(yōu)化模型(ISO),這2種水庫模擬調(diào)度決策方法。1967年Young[4]應(yīng)用回歸方程來擬定庫容、入庫流量與泄流三者之間的相關(guān)性,水庫調(diào)度決策利用隱隨機優(yōu)化模型。紀(jì)昌明等[5]在梯級水電站群中,采用粗糙集和支持向量機方式來挖掘水庫發(fā)電調(diào)度規(guī)則,數(shù)據(jù)結(jié)果優(yōu)于單一方法。王麗萍等[6]采用貝葉斯統(tǒng)計和MCMC思想方法來建立水庫隨機優(yōu)化調(diào)度模型。1997年Nalbantis等[7]第一次提出調(diào)度規(guī)則參數(shù)化。然后,Koutsoyiannis等[8]深入研究提出了參數(shù)-模擬-優(yōu)化模型(PSO)。在水庫群聯(lián)合調(diào)度研究方面[9-12],李昱等[13]轉(zhuǎn)變原聚合水庫調(diào)度規(guī)則方式,探究水庫群聯(lián)合供水配置方法。
水庫在運行調(diào)度過程中調(diào)節(jié)計算一直是研究的重點和難點,王平[14]利用簡化水量平衡公式法、差積曲線法計算各時段調(diào)節(jié)流量;王平[15]提出了對DL/T 5105—1999《水電工程水利計算規(guī)范》調(diào)節(jié)計算的改進(jìn)思路和辦法,得到了比常規(guī)方法更大的發(fā)電保證出力。在劃分某一特定水庫的調(diào)節(jié)性能方面并沒有理論上的定量判別標(biāo)準(zhǔn),一般僅按照庫容系數(shù)作經(jīng)驗性判定,如在2009年出版的《水資源規(guī)劃及利用》中[16],根據(jù)庫容系數(shù)判定水庫的調(diào)節(jié)性能標(biāo)準(zhǔn)的界限較為含糊,而且對不同調(diào)節(jié)性能水庫使用有差別的徑流調(diào)節(jié)和水能計算方法,不利于常規(guī)調(diào)節(jié)方法的通用與推廣。
在此基礎(chǔ)上,本文以重慶磨刀溪的大灘口水庫和門坎灘水庫為例,以水電站水庫的實際運行調(diào)度規(guī)則為基礎(chǔ),建立基于POA算法的梯級優(yōu)化調(diào)度模型求解水庫群的發(fā)電調(diào)節(jié)能力。并采用“虛擬調(diào)節(jié)庫容”的方式,評估受上游水庫調(diào)節(jié)后,下游門坎灘水庫的調(diào)節(jié)能力。
本文中的梯級水庫群主要任務(wù)是承擔(dān)發(fā)電任務(wù),目標(biāo)函數(shù)以發(fā)電量最大為目標(biāo),采用逐次最優(yōu)性優(yōu)化算法(POA)對模型進(jìn)行求解。本文采用目標(biāo)函數(shù)如下:
(1)
約束條件和水量平衡方程:
Sm,t+1=Sm,t+3600(Im,t-rm,t)Δt
(2)
(3)
Rm,t=qm,t+dm,t
(4)
式中Sm,t——水庫m時段t的初始蓄水量,m3;Im,t——水庫m時段t的入庫徑流,m3/s;Rm,t——水庫m時段t的出庫流量,m3/s;Inm,t——水庫m時段t的區(qū)間流量,m3/s;Km——水庫m上游電站數(shù);k——上游電站的序號;Rm,t,k——水庫m時段t的上游水庫k的出庫流量,m3/s;qm,t——水庫m時段t的發(fā)電流量,m3/s;dm,t——水庫m時段t的棄水流量,m3/s。
1.2.1虛擬調(diào)節(jié)庫容
本文采用“虛擬調(diào)節(jié)庫容”的方式評估已建成水庫的調(diào)節(jié)能力。在模擬優(yōu)化調(diào)度基礎(chǔ)上,通過對比單庫優(yōu)化調(diào)度的棄水量與梯級水庫群聯(lián)合優(yōu)化調(diào)度減少的棄水量,分析水庫能夠得到提升的有效“虛擬調(diào)節(jié)庫容”。虛擬調(diào)節(jié)庫容為在水庫群優(yōu)化調(diào)度之后,比原運行方式減少的棄水量。該棄水量相當(dāng)于增加水庫調(diào)節(jié)能力(比如增加水庫調(diào)節(jié)庫容)后,水庫可以減少的棄水量。
(5)
式中Vs——水庫的虛擬調(diào)節(jié)庫容;qn——水庫減少的n次棄水量;N——棄水時段數(shù)。
1.2.2調(diào)節(jié)能力評估方法
根據(jù)《水資源規(guī)劃及利用》中的相關(guān)定義,水庫的調(diào)節(jié)能力可以由庫容系數(shù)來確定,計算公式如下:
(6)
依據(jù)《水利水能規(guī)劃——水資源及其利用》,不同的庫容系數(shù)代表水庫具有不同的調(diào)控能力,標(biāo)準(zhǔn)見表1。
表1 庫容系數(shù)劃分標(biāo)準(zhǔn)
(7)
本文通過建立梯級優(yōu)化調(diào)度,以減少的棄水量為基礎(chǔ),提出“虛擬調(diào)節(jié)庫容”概念,核算小水庫實際能達(dá)到對入庫徑流的最大調(diào)節(jié)能力。
磨刀溪位于重慶市萬州區(qū)的東南部,為長江上游干流右岸的一級小支流,流域介于東經(jīng)108°14′~109°01′,北緯30°11′~30°56′之間,河流源于重慶市石柱縣武陵山麓的杉樹坪,主河道長170 km,流域面積3 167 km2。
大灘口水庫樞紐工程位于磨刀溪上游小溪壩河段,位于門坎灘電站上游59 km處,壩址控制流域面積1 330 km2,水庫具有季調(diào)節(jié)能力。
門坎灘水電站位于磨刀溪下游河段云陽縣外郎鄉(xiāng)竹林村和云萬村的門坎灘,廠址位于老門坎灘水電站廠區(qū),控制流域面積2 173.0 km2。水庫群基礎(chǔ)特征值見表2,磨刀溪流域示意見圖1。
表2 水庫群基礎(chǔ)特征值
圖1 磨刀溪流域示意
根據(jù)門坎灘的設(shè)計調(diào)度方式,通過運用POA算法求解水庫調(diào)度過程,方案一在門坎灘原設(shè)計調(diào)度圖基礎(chǔ)上建立門坎灘單庫POA優(yōu)化調(diào)度模型,方案二通過模擬水庫調(diào)度建立大灘口-門坎灘POA優(yōu)化調(diào)度模型,通過對比2種不同方案下所得到的庫容系數(shù)計算結(jié)果,確定水庫的調(diào)節(jié)能力。方案一應(yīng)用庫容系數(shù)計算法式(6)確定水庫調(diào)節(jié)能力,方案二通過虛擬庫容計算法式(7)確定水庫調(diào)節(jié)能力。2種不同方案對應(yīng)的水位過程與棄水過程見圖 2、3。
圖2 單庫優(yōu)化水位與棄水過程
對2015—2018年的入庫徑流資料進(jìn)行分析,得到門坎灘在2種不同方案下的結(jié)果對比,利用POA算法對建立梯級優(yōu)化調(diào)度模型求解得到能夠有效利用來水徑流,有效減少棄水量,提升發(fā)電效益。整理2種方式的計算結(jié)果,門坎灘棄水量、發(fā)電用水量、發(fā)電量結(jié)果,見圖4、5。門坎灘單庫優(yōu)化調(diào)度與建立的梯級優(yōu)化調(diào)度模型的結(jié)果對比見表3。
表3 梯級優(yōu)化與單庫優(yōu)化調(diào)度結(jié)果對比
通過構(gòu)建的梯級水庫群優(yōu)化調(diào)度模型與門坎灘單庫調(diào)度結(jié)果對比,2種不同方案下,方案二年平均棄水量減少了12 252.21萬m3,年平均發(fā)電用水量增加6 129.87萬m3,年平均發(fā)電量增加881.17萬kW·h。進(jìn)行梯級聯(lián)合調(diào)度之后,通過方案二的模擬水庫調(diào)度,門坎灘水電站的發(fā)電效益明顯有了大幅的提高,對水資源的優(yōu)化調(diào)度更加合理,充分發(fā)揮了門坎灘水庫的調(diào)節(jié)能力。
圖3 梯級優(yōu)化水位與棄水過程
圖4 單庫調(diào)度計算結(jié)果
圖5 梯級調(diào)度計算結(jié)果
門坎灘屬于小(1)型水庫,設(shè)計有旬調(diào)節(jié)水庫,本身具有一定的調(diào)節(jié)能力,通過《水利水能規(guī)劃——水資源規(guī)劃及其利用》上關(guān)于庫容系數(shù)的定義,計算門坎灘在2種不同方案下的調(diào)節(jié)能力。
a)方案一。原門坎灘調(diào)節(jié)庫容為334萬m3,設(shè)計為旬調(diào)節(jié),調(diào)節(jié)系數(shù)為0.246%。對門坎灘單庫采用4年的平均來水量計算,多年平均來水量為108 999.38萬m3。根據(jù)式(6)計算得到門坎灘庫容系數(shù)為0.308%,以表1庫容系數(shù)劃分標(biāo)準(zhǔn)判定,門坎灘具有旬調(diào)節(jié)能力。
b)方案二。由于使用了梯級水庫聯(lián)合調(diào)度模型,很大程度上的減少了棄水,在計算庫容系數(shù)也有相應(yīng)的改變,與單庫優(yōu)化的棄水量進(jìn)行對比,整理后的數(shù)據(jù)見表4。
表4 梯級優(yōu)化調(diào)度與單庫優(yōu)化調(diào)度結(jié)果的棄水量對比 單位:萬m3
從表中看出,使用梯級聯(lián)合調(diào)度減少了49 008.83萬m3水量,相當(dāng)于給門坎灘水庫增加了能夠調(diào)蓄49 008.83萬m3徑流的興利庫容。實際棄水過程見圖6。
圖6 門坎灘優(yōu)化調(diào)度棄水過程
由于門坎灘本身庫容較小,將減少的棄水量換算成門坎灘的興利庫容,通過選取大于門坎灘水庫庫容的棄水過程,便于提高計算準(zhǔn)確性。統(tǒng)計出的典型棄水減少量見表5。
表5 門坎灘梯級優(yōu)化棄水量 單位:萬m3
原門坎灘興利庫容為334萬m3,通過梯級聯(lián)合調(diào)度之后減少了部分棄水,增加的虛擬興利庫容V1為1 315.32萬m3,則總的興利庫容為調(diào)節(jié)增加的虛擬興利庫容加上原有的興利庫容,記為V興=1 649.32萬m3。
利用庫容系數(shù)計算式(7),多年平均來水量為102 191.31萬m3,計算得到門坎灘庫容系數(shù)為1.62%。
以庫容系數(shù)劃分標(biāo)準(zhǔn)來判定門坎灘水庫調(diào)節(jié)能力,通過建立大灘口-門坎灘的梯級優(yōu)化調(diào)度模型,計算結(jié)果表明聯(lián)合調(diào)度的基礎(chǔ)上,可以有效提升下游水庫對于來水的調(diào)節(jié)能力。初步確定梯級聯(lián)合調(diào)度后的門坎灘水庫具有更高的調(diào)節(jié)能力。
門坎灘水庫上游已修建大灘口等水電站,其入流過程已發(fā)生變化。建立梯級聯(lián)合調(diào)度運行模型將會對下游電站發(fā)電具有巨大的提升能力,有效減少發(fā)電過程中的有益棄水,提升水電站的經(jīng)濟效益,結(jié)論如下。
a)本文通過對于入庫徑流的模擬調(diào)度過程進(jìn)行分析,水庫的發(fā)電用水量和發(fā)電量能得到很大程度的提升,棄水量得到減少,提高小水電的發(fā)電效益。
b)本文建立了新的水庫調(diào)節(jié)能力計算方法。不局限于水庫本身固有的庫容大小,提出“虛擬調(diào)節(jié)庫容”的概念,重新核算門坎灘水庫在大灘口水庫影響下的庫容系數(shù),為小水電核定調(diào)節(jié)能力提供了一種新思路。