黃 馗,潘志浩,陳森林,3,董前進(jìn),3,梁 斌,譚安琪,毛玉鑫
(1.廣西電網(wǎng)電力調(diào)度控制中心,南寧 530023;2.武漢大學(xué)水利水電學(xué)院,武漢 430072;3.武漢大學(xué)水資源與水電工程科學(xué)國家重點(diǎn)實(shí)驗室,武漢 430072;4.中國長江電力股份有限公司,湖北 宜昌 443133)
水量平衡是水文水資源領(lǐng)域最基本的原理,通過研究區(qū)域水量平衡,可以確定區(qū)域各水文要素之間關(guān)系、合理認(rèn)識和評價區(qū)域水資源、指導(dǎo)水資源優(yōu)化配置[1-3]。目前我國大中型水電站均已建立起水庫調(diào)度自動化系統(tǒng)[4],流域大規(guī)模梯級水電站開發(fā)使得各水庫水力關(guān)系更為復(fù)雜[5]。隨著郁江流域梯級水電站水庫群逐步建成投產(chǎn),各水電站以及部分水電站之間開始出現(xiàn)水量不平衡現(xiàn)象,尤其是在宋村、牛灣水電站依次投產(chǎn)之后,位于下游的西津水電站入庫水量明顯小于上一級水電站出庫水量。上述問題的存在,將對郁江流域梯級水電站水庫群的防洪度汛、來水預(yù)測預(yù)報、聯(lián)合優(yōu)化調(diào)度[6]等造成一系列的影響,并影響電站的經(jīng)濟(jì)效益和安全生產(chǎn)[7]。
針對郁江流域水電站水庫群水量不平衡問題,基于水量平衡原理,通過對郁江流域12座水電站近年來實(shí)際運(yùn)行數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計、比較、分析,探討影響水庫群水量不平衡的主要原因。
郁江位于云南省東部和廣西壯族自治區(qū)南部,屬珠江流域西江水系,由發(fā)源于云貴高原的右江和發(fā)源于越南境內(nèi)的左江匯流而成,于廣西桂平市注入西江潯江段,流域面積89 357 km2,其中我國境內(nèi)面積77 778 km2,干流全長1 157 km,平均比降0.33‰。郁江地處中亞熱帶和南亞熱帶季風(fēng)氣候區(qū),西北部氣溫低,氣候干燥,東南部氣溫高,氣候濕潤,年平均氣溫16.7~22.1 ℃,年平均降雨量1 115~1 470 mm,年平均徑流量476.7 億m3。郁江流域水電站水庫群主要有左江、山秀、馱娘江、右江、那吉、魚梁、金雞灘、宋村、牛灣、西津、仙衣灘和桂航12 座水電站,其中完全年調(diào)節(jié)電站1 座、不完全季調(diào)節(jié)電站1 座、日調(diào)節(jié)電站9座、徑流式無調(diào)節(jié)電站1座,總庫容達(dá)90.98 億m3,可調(diào)節(jié)庫容34.45 億m3。
采用郁江流域12 座水電站2013-2020年逐小時面雨量、入庫流量、出庫流量、水庫水位以及水位庫容關(guān)系曲線,其中宋村、牛灣數(shù)據(jù)分別從2016年、2019年投產(chǎn)后開始,面雨量數(shù)據(jù)由氣象系統(tǒng)分區(qū)采用面積加權(quán)平均計算獲得。
郁江流域水電站水庫群水量平衡主要從單一水電站和水電站區(qū)間兩方面進(jìn)行計算分析。
對單一水電站水庫,時段平均入庫流量基于水量平衡原理計算,公式如式(1)所示。
式中:Δt為計算時段長,s;為Δt內(nèi)平均入庫流量,m3/s;為Δt內(nèi)平均出庫流量,m3/s;ΔV為Δt內(nèi)水庫庫容變化量,m3;為Δt內(nèi)水庫水面蒸發(fā)、滲漏等平均損失流量,m3/s。
表1 郁江流域各電站多年水量平衡要素統(tǒng)計表Tab.1 Statistical table of multi-year water balance elements of each hydropower stations on Yujiang River
水電站區(qū)間水量平衡采用區(qū)間降雨徑流系數(shù)進(jìn)行分析,基于水量平衡原理,在水電站區(qū)間,若不考慮相鄰區(qū)域水量調(diào)入與調(diào)出,其年水量平衡公式為[9]:
式中:ΔS為包氣帶含水量年變化量,mm;P為年平均面降雨量,mm;R為年天然徑流深,mm;E為年實(shí)際蒸散發(fā)量,mm。
假定一年內(nèi)區(qū)間包氣帶含水量變化量為0,則區(qū)間降雨徑流系數(shù)為:
可以看出,區(qū)間降雨徑流系數(shù)在客觀上反映了水電站區(qū)間降雨、徑流和蒸散發(fā)之間的水量平衡關(guān)系,其中水電站區(qū)間徑流深計算公式[10]如下:
式中:Qrk為下級水電站入庫流量,m3/s;Qck為上級水電站出庫流量,m3/s;T為以秒為單位的時段長,s;F為水電站區(qū)間面積,km2。
根據(jù)式(5)和式(6)計算郁江流域各水電站2013-2020年逐年區(qū)間徑流系數(shù)如表2所示,并將其繪制成圖2,以觀察2013-2020年郁江流域各水電站區(qū)間徑流系數(shù)逐年變化情況。
圖2 郁江流域各水電站2013-2020年逐年區(qū)間徑流系數(shù)Fig.2 Yearly interval runoff coefficients of hydropower stations on Yujiang River from 2013 to 2020
由表2和圖2可以看出,郁江流域各水電站區(qū)間水量平衡主要存在問題有:①2013-2020年仙衣灘、桂航每年區(qū)間徑流系數(shù)基本都大于1;②2017-2019年宋村、牛灣水電站區(qū)間徑流系數(shù)明顯較其他水電站偏大;③圖3可以看出,2016年宋村投產(chǎn)運(yùn)行之后,西津區(qū)間徑流系數(shù)開始變小甚至出現(xiàn)負(fù)值,尤其是在2019年牛灣投產(chǎn)運(yùn)行,西津入庫水量明顯小于牛灣出庫水量,出現(xiàn)嚴(yán)重水量不平衡現(xiàn)象。
由表2和圖2可以看出,郁江流域各水電站區(qū)間水量平衡主要存在問題有:①2013-2020年仙衣灘、桂航每年區(qū)間徑流系數(shù)基本都大于1;②2017-2019年宋村、牛灣水電站區(qū)間徑流系數(shù)明顯較其他水電站偏大;③圖3可以看出,2016年宋村投產(chǎn)
表2 郁江流域各水電站2013-2020年逐年區(qū)間徑流系數(shù)Tab.2 Yearly interval runoff coefficients of hydropower stations on Yujiang River from 2013 to 2020
圖3 西津水電站2013-2020年逐年區(qū)間徑流系數(shù)變化過程Fig.3 Yearly interval runoff coefficients of Xijin hydropower station from 2013 to 2020
西津水電站建于1958年,并于1964年開始投入發(fā)電,運(yùn)行時間比較長,因此認(rèn)為西津數(shù)據(jù)較其他水電站可靠,并且假定面雨量為真實(shí)值,則造成以上問題的主要原因是仙衣灘、桂航的入庫流量和宋村、牛灣的出庫流量計算偏大。
導(dǎo)致水電站水庫群水量不平衡的原因是多方面的,包括水務(wù)計算各個環(huán)節(jié)、水文測量誤差和外界因素導(dǎo)致的系統(tǒng)誤差等[11]。根據(jù)郁江流域各水電站水量平衡計算公式中各部分組成要素,探討其中可能導(dǎo)致水量不平衡的因素,分析造成郁江流域水電站水庫群水量不平衡的主要原因。
郁江流域水電站水庫群水量平衡計算涉及要素有出庫流量、入庫流量和庫容變化相應(yīng)的折算流量。各水電站出庫流量計算主要有兩種方式,一是采用發(fā)電流量和棄水流量之和,需要根據(jù)時段水位、出力數(shù)據(jù)分別查水輪機(jī)組NHQ 曲線、泄流設(shè)施曲線插值計算;另一種是直接根據(jù)壩下水位~下泄流量關(guān)系曲線插值計算。入庫流量是根據(jù)水庫水位變化和出庫流量,利用水量平衡式反推求得。庫容變化相應(yīng)的折算流量根據(jù)水庫水位變化查水位庫容關(guān)系曲線得到庫容變化量計算獲得??梢钥闯觯鰩炝髁?、入庫流量、庫容變化相應(yīng)折算流量的計算從根本上與水位、水電站水庫特性曲線有著密切的關(guān)系。經(jīng)過多年的運(yùn)行,大多數(shù)水電站由于受沖淤、航道整治、下游建壩等因素影響,使得原河道水力特性發(fā)生改變,水電站水庫特性曲線隨之發(fā)生變化。因此,導(dǎo)致郁江流域水電站水庫群水量不平衡的主要原因是特性曲線的準(zhǔn)確性。
特性曲線的繪制本身存在誤差,例如水庫地形測量是一項艱巨復(fù)雜的任務(wù),使得水位庫容關(guān)系曲線本身就存在一定的誤差,而且有些曲線仍采用的是工程設(shè)計階段通過模型試驗推算的經(jīng)驗曲線,沒有更新,導(dǎo)致誤差更大。郁江流域宋村、牛灣和仙衣灘水電站由于下游水庫蓄水,使得其尾水位控制斷面位于下游水庫回水區(qū)內(nèi),桂航水電站也因為受到下游潯江河段水位頂托,尾水位流量關(guān)系較原曲線產(chǎn)生系統(tǒng)性抬升,同等下泄流量情況下尾水位偏高,若仍采用原曲線,在尾水位一定的情況下計算的出庫流量較實(shí)際情況偏大,同時反推入庫流量也會偏大,從而導(dǎo)致西津入庫水量小于上游出庫水量、仙衣灘和桂航區(qū)間徑流系數(shù)大于1。
此外,隨著人類對水資源開發(fā)利用加強(qiáng),電站區(qū)間興修大量水電站和引用水工程,由于缺乏對庫區(qū)各功能引用水的有效監(jiān)測手段,以及某些水量平衡要素獲取難度大,使得水量平衡分析過程中存在缺項、不夠全面等問題。
基于水量平衡原理,采用水量平衡差和區(qū)間徑流系數(shù)對郁江流域各水電站的入庫流量、出庫流量等要素進(jìn)行計算分析,結(jié)合各水電站實(shí)際運(yùn)行情況,發(fā)現(xiàn)郁江流域水電站水庫群存在水量不平衡現(xiàn)象,并分析造成水量不平衡的原因,得出以下幾點(diǎn)結(jié)論。
(1)仙衣灘和桂航的徑流系數(shù)均大于1,表明區(qū)間降雨量觀測偏小、或出(入)庫流量計算偏大,且后者的可能性更大;
(2)西津出入庫流量精度可信,宋村和牛灣計算的出(入)庫流量偏大;
(3)宋村、牛灣、仙衣灘及桂航等4 座水電站特性曲線及出庫流量計算方法需要完善。