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水库调度

根据水库承担的任务的主次及规定的调度原则,运用水库的调蓄能力,在保证工程安全的前提下,有计划地对入库的天然径流进行蓄泄,以达到除害兴利、综合利用水资源、最大限度地满足国民经济各部门的需要的目的。它是水库运行管理的中心环节,其主要内容包括:编制水库调度规程和年调度计划;拟定各项水利任务的调度方式;确定面临时段(月、旬)水库蓄泄计划及日常实时操作规则等。

根据水库承担的任务的主次及规定的调度原则,运用水库的调蓄能力,在保证工程安全的前提下,有计划地对入库的天然径流进行蓄泄,以达到除害兴利、综合利用水资源、最大限度地满足国民经济各部门的需要的目的。它是水库运行管理的中心环节,其主要内容包括:编制水库调度规程和年调度计划;拟定各项水利任务的调度方式;确定面临时段(月、旬)水库蓄泄计划及日常实时操作规则等。

发展概况

20世纪初,由于水库的大量兴建,促进了河川径流调节理论的发展,开始应用经验的方法(以实测水文要素为依据)利用水库对洪水和枯水进行调节。1926年苏联莫洛佐夫(А.А.Мороzов)提出水电站水库调配调节的概念,而后逐步发展形成以为指南的水库调度方法,这种方法至今仍被广泛采用。50年代以来,由于现代应用数学、径流调节理论、电子计算技术及其实时控制技术的迅速发展,使得以最大经济效益为目标的水库优化调度理论得到了迅速发展,特别以水电站和电力系统经济运行为目标的水电站水库优化调度日益完善,并在实际运用中取得了初步效果。中国自50年代开始了大规模的水利建设,并随之逐步开展了系统的水库调度工作,在利用预报进行水库调度、综合利用水库调度、水沙调度等方面均有相当的发展,还出版了有关水库调度的专著。运行中的大中型水库比较普遍地编制年度计划,有的大型水库还编制了较完善的调度规程,研究和拟定了适合本水库的调度方式。对于水电站水库优化调度理论的研究和实践,进行过以变分法为基础的水电站经济运行和单库长期调度方案的研究,以动态规划原理拟定单库优化调度方案,应用马尔柯夫过程进行径流描述和配合动态规划原理进行优化调度的研究和实施,利用罚函数和障碍函数法进行多目标水库优化调度,采用调度图,结合最优蓄放水次序拟定水电站群的调度策略等,均取得了初步成效。这些也是大多数运行水电站在现阶段及今后提高运行水平的主要研究课题和措施。

水库调度规程

水库调度所必须遵循的规范性文件。内容一般包括总则、运用指标、防洪和兴利各方面的调度原则和调度方式、年度调度计划的编制和执行方法、有关注意事项等。它一般由设计单位协同水库管理部门共同制订,并经过运行实践逐步修订和完善。

水库调度计划

由水库管理部门在每年初根据水库调度规程及当年实际情况制定,主要内容包括:当年的入库径流量预测,各运行期(汛期、蓄水期、供水期等)的运用指标(主要是控制水位),遭遇各种可能洪水的对策,兴利供水过程和计划效益指标(如灌溉面积及计划供水过程、计划发电出力过程及年电量、工业及城市供水计划等),以及在调度中的注意事项等,还可根据长期水文预报及其概率分布,并结合水库调度图拟定年内水库运行控制水位过程线及其可能的变幅,作为指导执行年度调度计划的重要依据。必要时,还要拟定各运行期的调度计划。

水库调度方式

为满足既定的防洪、兴利任务和要求而拟定的具体蓄泄规则。它是保证水库安全、经济运行的关键,总的要求为:①当遭遇设计和校核标准洪水时,要按照拟定的防洪调度方式泄洪,以确保大坝安全;②当遭遇下游防洪标准洪水时,应控制下泄流量不超过河道允许值,以保证下游堤防和防护对象安全渡汛;③当遭遇设计枯水年份时,应保证兴利各部门的正常供水;④当遭遇丰水年份时,应尽可能扩大兴利各部门的效益;⑤当遭遇特枯水年份时,应尽可能使各用水部门因减少供水的损失减至最小。水库调度方式一般如下:

防洪调度方式

可分为水库对下游无防洪任务和有防洪任务两类,前者只需解决大坝遭遇设计洪水和校核洪水的安全渡汛,其调度一般采用库水位达到一定高程后即敞泄的方式;后者应统一考虑大坝安全和水库下游防洪要求拟定调度方式。一般而言,为大坝安全的调洪库容和为下游防洪的防洪库容可以结合使用,但由于两者的防洪标准不同,在拟定调度方式时,需对高低频率洪水拟定严格的判别条件。通常的方法为:对于以拦洪为主的水库,可采用库水位(如防洪高水位)为判别条件;对于以滞洪为主的水库,可采用入库流量(如相应下游防洪标准的洪峰流量)为判别条件。当库水位或入库流量超过规定值时,水库即按保证大坝安全进行调度;没有超过规定值时,应按保证下游防洪安全进行调度。保证下游防洪安全调度的具体方式为:①若坝址至下游防洪控制点的区间流域面积较小,即对下游防护对象安全的威胁主要取决于水库下泄量时,可根据下游防洪标准及其安全泄量,采用固定下泄量(分一级或多级控制)方式;②若水库至下游防洪控制点的区间流域面积较大,应考虑区间洪水大小,决定水库的下泄量,以使水库泄水与区间来水两者之和不超过防洪标准相应的安全泄量,即补偿调度方式。具体补偿方法,可根据入库洪水及下游区间的洪水预报情况拟定,或根据它们的统计特性及经验方式拟定。

灌溉及给水调度方式 采用以实测入库径流资料为样本绘制水库调度图,以具体控制水库的供水量。调度图由调度线划分若干个运行区,其中主要包括①以保证正常供水为目标的保证运行区;②以充分利用多余水量尽量扩大供水效益为目标的加大供水区;③以尽量减少降低供水量幅度为目标的降低供水区。在实际运行中,由面临时段的库水位所在运行区决定水库的运行方式及供水量。

发电调度方式 对于长期调节水库(指具有年或多年调节能力的水库),一般应绘制水库调度图,其各个调度区的划分与上述基本相同。在实际调度中,按调度图由面临时段的库水位决定其发电出力;对于仅有日调节能力的水库,除因日调节需要水库水位必须消落,一般应尽量维持高水位运行,其日发电量由日入库径流量决定;对于径流式水电站,水库应尽量维持在正常蓄水位运行。洪水期的发电调度,应在保证大坝安全和满足下游防洪要求的前提下,尽量增加发电效益。常用的调度原则和方式为:①因防洪要求或为了减少弃水量,水库须于洪水前腾空库容,其预泄量应尽可能与加大发电用水相结合,②在退水过程中,若库水位已超过汛期限制水位,应尽量加大发电用水,使库水位回落,以减少水库弃水;③对于调节性能较好的水库,因遭遇洪水而超蓄(库水位高于汛期限制水位),应在下次洪水到来以前,库水位消落到汛期限制水位,以保证水库和下游河道防洪的安全并尽可能利用超蓄水量加大发电效益。④如汛末遭遇洪水时,应视来水情况,确定库水位,可高于汛期限制水位,但不要超过汛末蓄水位。

综合利用调度方式 承担防洪、兴利两种以上水利任务的水库的调度方式,它们各自的调度方式与以上相同,这里着重解决它们之间的关系处理和统一调度方式为:①防洪和兴利关系的处理,要使它们相互协调,主要体现在运行特性水位(指汛期限制水位、防洪高水位、汛末蓄水位、兴利下限水位)、库容分配、蓄水时间和预留防洪库容时间等方面,应尽可能做到防洪和兴利库容重复使用。②水库承担两种以上的兴利任务,要尽可能使各部门用水在时间和空间上结合,由于各兴利任务的设计保证率及引水方式的不同,以及主次关系的差异,要求水库对于不同来水年份,对不同任务采取不同的供水原则,常采用两级调节调度图规定其调度方式(见

水沙调度方式 是多沙河流上水库的专门调度方式,目的在于:针对来水多沙特点,采取合理的运用方式,尽可能减少水库淤积,在保持水库长期使用的前提下,充分发挥兴利和防洪效益。常见的调度方式为:①蓄清排浑方式,亦称泥沙的年调节,适用于河床比降较小、滩地库容所占比重较大的水库。汛期(丰沙期)降低运用水位,以利排沙,汛后(少沙期)蓄水兴利。蓄水及供水期的淤积量,在每年的汛前或汛初利用有利的水沙条件(丰水少沙)采用降低库水位,沿程冲刷和溯源拉沙相结合的方法清除。在汛期中遭遇常遇洪水时,蓄洪水位不超过滩地高程,以保持水库的长期使用。②蓄水拦洪运用方式,亦称泥沙多年调节,适用于河床比降较大、滩地库容所占比重不大的水库,按一般蓄水运用方式运用一段时间(一般为2~3年)以后,选择有利时机放空水库,采用人造洪峰、溯源冲刷等方式,清除多年的淤积物。并在蓄水运用期充分利用排沙。

水库群调度方式 水库群有串联(位于同一河流上下游,有水力联系)、并联(位于不同河流或同一河流的干流与下游支流,无水力联系,但担负共同的水利任务)及以上二者的混合形式。它们能共同担负下游的防洪、同一灌区的给水、向同一电力系统供电等,其调度方式要互相配合,使之获得最大总效益。

水库群防洪调度方式 要根据它们的地理位置、控制洪水的比重、调节洪水能力的大小,以及担任综合利用任务的多少等进行选择。一般而言,当各库洪水基本同步,且区间面积较小时,可以采用固定下泄量方式进行调度;若区间面积较大时,可采用平行补偿方式进行调度。当各库控制洪水比重及对洪水的调节能力相差较大,则应采用先后补偿方式调度,以控制洪水比重较大、调节性能好的水库最后补偿控制泄量。

水库群灌溉及给水调度方式 根据总弃水量最小的原则拟定蓄放水次序,并应结合地理位置、径流条件、输水损失以及综合利用效益等因素,确定最佳调度方式。一般而言,对于库容系数较大的并联水库和位于上游河段的串联水库,应先蓄水后供水。对于库容系数较小的并联水库和位于下游河段的串联水库,应尽量先供水后蓄水。对于位于不同高程和地区的用户,在水量分配时,应先高后低、就近供水,以减少输水损失。

水库群发电调度方式 即在保证系统正常供电的条件下,使水电站群总的电力、电量效益最大而进行的统一调度方式。一般应在分析各电站在地理位置、水文特性、调节能力、电站规模等方面差异的基础上,划分被补偿和补偿电站,前者以本身有利的方式工作,后者则根据电力系统要求进行电力补偿调度。在实时补偿中,应参照补偿调度图(见进行,对于库水位位于补偿区的各电站,按照系统正常供电要求及其他限制条件,以总发电量最大决定它们的蓄放水次序,分配各电站应发的出力。

水库预报调度

在以水库调度图为基本依据的同时,考虑气象、水文预报进行水库调度。由于在调度时对来水有一定程度的预知,可以更有计划地进行蓄泄,从而在一定程度上缓和了防洪和兴利的矛盾,并提高了水库的综合利用效益,在这方面中国积累了不少经验。①水库防洪预报调度,目前一般只考虑短期水文预报,其方式是在洪水来临前根据预报进行预泄,腾出部分兴利库容进行洪水调节,并根据洪水期的实际来水及预报值,适时地修正和决定水库泄、蓄洪水量,以减少一定标准洪水所需的专门防洪库容,从而提高了兴利效益,或在既定的防洪库容条件下,扩大防洪效益和提高水库防洪标准。②水库兴利预报调度,根据水库调度图,考虑短期预报进行调度,一般根据长期预报制订年度运行方案。在面临时段的具体调度中,根据水库水位及来水情况逐步修订计划,以保证水库效益的正常发挥。在水电站水库调度中,对于多年调节水库应着重考虑减少水头损失,如汛初和汛期是否采用加大出力方式运行,应由当时的库水位并考虑短期水文预报等条件决定,在汛后主要是抓紧及时蓄水,水库蓄泄水量以保证电力系统正常供电为原则,供水期应按保证运行方式工作,供水期末库水位以消落到年消落水位附近为宜。对于调节性能较差的水库,应注意减少弃水量,要考虑短期预报确定水库各运行期的蓄水位。③防洪和兴利结合的预报调度,一般应尽量利用扩大兴利效益来进行水库预泄,当预报来洪水时,水库预泄的水量应保证水库的回蓄,对于退水过程或汛末的超蓄水位的消落,要考虑短期预报确定其方式,以尽量利用余水兴利和保证汛后的蓄水。对于调节性能较差的水库,主要是考虑短期预报进行一次洪水中的防洪、兴利相结合的预报调度。

水库优化调度 是系统分析方法在水库调度中的应用。它运用现代数学、径流描述理论(例如以历史径流资料为样本的确定性径流过程,或将径流描述为随机变量或随机过程,如离散化的马尔柯夫过程、由蒙特卡罗方法给出的人工合成径流过程等(见径流调节),以保证水库正常工作(正常供水或供电等)为约束条件,推求满足一定目标(常概化为一多元函数或泛函,称目标函数)的最优调度方案及实时操作措施,作为水库调度的依据。在中国,60年代以来,已有一些水电站开始研究优化调度的方法,70年代逐步进行实践,取得了初步的效益。至于以防洪、灌溉、给水等为主的综合利用水库优化调度,还处于开始研究阶段,是今后水库调度工作的主要发展方向。