三峡水利枢纽综合调度管理研究与实践acla

1、三峡水利枢纽综合调度管理研究与实践2008-11-12 来源：人民长江2008年第2期摘要: 三峡工程装机容量2250万kw，年发电量近1000亿kwh，所提供的大量清洁可再生能源在中国经济建设中扮演重要角色。三峡水库是多目标运用水库，首要任务是防洪，其次是发电并兼顾调节航运的任务，此外还须考虑生态与环境保护因素。介绍了三峡水库在实现水能综合高效利用方面的研究成果，包括枢纽管理体制，防洪、发电、航运以及泥沙等关系处理，三峡水利枢纽管理调度系统建设，气象水文预报工作现状及成果，防洪、发电、航运调度成绩以及三峡水库泥沙研究与实践等，特别介绍了三峡水库在通过电站运行调度保护流域生态方面的研究所取得的

2、一定的成果，例如有关通过人造洪峰改善下游四大家鱼产卵课题的研究等。20032006年枢纽实际调度运行的各项参数表明，三峡水利枢纽发挥了防洪、发电、航运等多方面的效益，成果显著。关 键 词: 防洪;发电;航运;生态调度;调度管理;三峡水利枢纽中图分类号: tv697.1 文献标识码: a中国长江三峡工程是迄今为止世界最大的水利枢纽工程。三峡水利枢纽建成后，控制流域面积100万km2 ，防洪库容221亿m3 ，可极大改善下游防洪形势;三峡水库全长600km，上游川江航道因此得到根本改善;三峡电站拥有总装机2250万kw，年发电量近1000亿kwh，每年可为国家节约大量化石燃料，显著减少温室气体排放

3、。三峡工程拥有巨大的防洪、发电、航运等综合效益，在国家社会经济发展中举足轻重;工程建成后，调度管理将面临前所未有的挑战如何协调平衡防洪、发电、航运等各方的利益，如何进行科学合理的调度管理，使其综合效益最大，加上日益突出的水利工程的生态环保需求则无疑都给管理增加了新的课题。1 管理体制水资源一体化管理是当今流域管理的趋势，而三峡工程突出的作用，特殊的地位也决定了它的管理体制必须采用一体化的综合管理模式。综合管理模式首先体现在三峡工程对防洪、发电、航运等进行统一的多目标管理。为此，政府组织相关部门研究制定了三峡葛洲坝水利枢纽梯级调度规程（以下简称调度规程，针对不同时期，如围堰发电期、初期运行期以及

4、正常运行期，制定不同的调度规程），并以法律法规的形式颁布实施。调度规程从多目标管理的角度出发，协调各方的利益，以综合效益最大为目标，是目前三峡工程管理的法律性文件，各种调度管理措施都必须服从规程的规定。此外，距三峡大坝下游约38km处的葛洲坝水利枢纽是三峡工程不可分割的梯级枢纽，三峡葛洲坝梯级枢纽及其水库必须联合统一调度。中国长江三峡工程开发总公司是三峡工程的项目法人，代表国家负责梯级枢纽的建设和运行管理，在调度规程规定的职责范围内实行统一调度。而在汛期，当入库流量超过一定值后，则由长江防总或国家防总直接指挥三峡葛洲坝梯级枢纽的调度与管理。2 多目标管理多目标问题的求解原理可根据决策分析过程中

5、的目标效用函数v是否存在，是否能够显式表达而分成3类:目标效用函数v存在并可用数学公式表达，则可采用决策者偏好的事先估计进行求解;存在一个稳定的效用函数v，但并不试图将它明确地表达出来，只假设该函数的一般形式，则决策者的偏好在求解过程中通过交互逐步明确;不存在一个稳定的效用函数，无论是显式的还是隐式的，则采用决策偏好的事后估计法进行求解1 。三峡工程调度管理是典型的多目标决策问题。三峡工程的巨大效益包括经济效益、社会效益、生态效益等，在目标函数中，发电效益较易量化，而防洪、航运、生态环境等方面的效益则很难估算。虽然很多学者试图构建多目标水库综合效益目标函数的显式表达形式，例如采用洪水损失的期望

6、值作为防洪效益以及提出一些生态效益的计算方法等，但目前都尚不成熟。因此试图构建一个显式的三峡工程效益函数目前还无法实现，而根据上述求解原理之（2），遵循“决策者的偏好在求解过程中通过交互逐步明确”的思路则是可行的，以下对此稍加阐述。建三峡首要目的是防洪，因此防洪要求必须首先满足。而防洪效益的实现则是通过调度规程中规定的防洪调度方案给予保障，该方案是建立在对多个方案的计算比较基础之上，最终根据决策者偏好选取，由各种阶段的水位、流量阈值组成。在满足防洪要求的基础上，对发电效益和航运效益进行优化，其中发电效益可采用联合优化调度模型进行求解，而航运调度的内容则是根据航运部门的要求，保证相关江段水位、流

7、量、水位变幅在规定阈值范围之内。当发电、航运产生冲突时，根据决策者的偏好进行交互，形成最终解决方案。调度规程中对上述内容都进行了详细描述。水库环境生态效益在决策者偏好中的地位越来越重要，为此调度规程中对水库环境、泥沙以及库区生态调度也专门进行了规定。需要指出的是，上述多目标决策过程的前提条件是保证枢纽的安全。3 研究与实践三峡工程采用分期蓄水方式，2003年6月1日首次下闸蓄水，进入围堰发电期运行，库水位维持在135139m之间;2006年6月，上游三期围堰爆破拆除，大坝全线挡水，同年10月，实现156m蓄水，枢纽进入初期运行阶段;预计在2008年水库可进入正常运行状态，即正常蓄水位（npl）

8、175m，汛期限制水位（fcl）145m。三峡水利枢纽的运行已近4a，工程的防洪、发电、航运等效益也逐步得以发挥，特别是实现156m蓄水后，各方面的效益更加明显。4a来，三峡葛洲坝梯级枢纽综合调度管理系统已基本建成，图1为该系统中的相关业务流程。从图1（略）中不难发现，气象水文信息采集系统是整个调度管理的基础，预报是调度管理决策的依据。此外，调度管理涉及的部门众多，包括国家防总、长江防总、交通航运部门、国家电网公司等。三峡水利枢纽综合调度管理工作涉及方方面面，以下结合水库运行以来的调度管理实践介绍有关方面的研究成果。3.1 气象水文预报3.1.1 气象预报气象预报的准确程度，通过影响水文预报的

9、精度，间接影响水库的防洪、发电等一系列重要决策。表1列出了2004年和2006年短期（24，48h）雨量预报准确率，表2为24h强降水预报准确率统计。由表知，2004年，上游流域面雨量预报24，48h预报准确率分别为81%和69%，面雨量大于20mm降水过程24h预报准确率为52%;2005年该3项指标分别为76%，76%和52%;2006年为85%，82%，60%。3.1.2 水文预报（1）长期水情预报。长期水情预报采用枯季分级退水模型、数理统计、小波人工神经网络组合模型等方法，参考气象长期预报结果而做出综合预报，各月平均流量预报误差统计见表3，预报平均误差2004年为3.8%，2005年0

10、.7%，2006年三峡上游天气异常，出现了持续异常干旱天气，坝址出现了百年不遇的枯水流量，直接导致预报平均误差达42.6%。长期水文预报一直以来就是预报界的一个难题，其根源在于长期降雨预报能力的欠缺。在当前三峡电站“以水定电”的调度管理模式下，长期水文预报能力的缺失对于年发电计划的编制等重要工作都将产生不利的影响。（2）短期水情预报。三峡入库流量分3部分，即上游干流寸滩站入流，乌江武隆站入流以及三峡区间产流。科研和生产部门曾经采用过萨克拉门托模型、tank模型、综合约束线性系统（scls）模型等，这些模型大多采用降雨径流应答关系及经验性的“黑箱”模型的分析方法。三峡区间现有的洪水预报方案为:干

11、流预报采用上下游水位（流量）相关法，区间产流采用新安江三源流模型及经验单位线法2 。三峡水库蓄水后，河道水力学特性和洪水特性都发生了较大改变，因此对于以往采用的模型，须对参数进行重新率定。此外也研究了新的预报方法及手段，例如:gis技术被应用到三峡区间洪水预报系统当中，采用分布式结构对区间进行了划分，在模拟子流域降雨产流时仍沿用了新安江三源流模型3 。目前的短期预报具有了一定的精度，为梯级枢纽调度提供了可靠的安全保证。各年短期（12，24，48h）流量预报的月平均误差见表4。短期预报中一个非常重要的内容就是对于洪峰峰值及出现时间的预测，水库运行期内几场大洪水的峰值及峰现时间的预报情况如表5所示

12、。从表5可以看出，洪峰预报无论是峰值流量第3/7页 还是峰现时间都较为准确，预见期也都达到了2d以上，为防洪调度提供了准确的数据支持。3.2 梯级联合优化调度葛洲坝是三峡的反调节水库，二者紧密相联，必须进行联合调度管理。采取优化调度思想，建立科学合理的模型方法，可以发挥梯级联合调度的优势，获取更大的效益。三峡葛洲坝梯级枢纽联合优化调度的基本原则是4 :兼顾防洪、发电、航运的要求，充分发挥最大的综合效益;汛期以防洪和排沙为主，发电服从防洪和排沙;枯水期，发电和航运统筹兼顾;调度中应充分考虑水库上下游环境水质及生态保护因素。对三峡葛洲坝梯级水库优化调度方面的研究众多。从时段上分为长期优化、短期优化

13、以及日优化模型等;从优化算法看，包括动态规划算法及其综多改进算法5，6 、遗传算法7 、模拟退火算法8 等。目前三峡葛洲坝梯级枢纽实时调度所采用的方法是严格按照调度规程中规定的各项约束条件（如汛限水位约束、保障航运安全的水位小时变幅约束、日变幅约束等）调度运行，在调度规程规定的可调节范围之内进行优化调度，尽量减少弃水，多发电。葛洲坝除发挥反调节水库作用（调节因三峡调峰造成的下泄流量不稳）外，也适当参与发电优化调度。优化调度主要通过控制三峡下泄流量以及葛洲坝坝上5号站水位，使梯级电站发电效益最大。三峡水利枢纽运行近4a来，各项效益得到了显著的发挥:（1）防洪效益。利用围堰发电期内有效防洪库容发挥

14、防洪应急调度作用。2004年9月长江上游发生较大洪水，经国家防总办公室同意，9月8日0:20三峡库水位从135.31m开始逐步上升，其后稳定在136.1136.3m，最高库水位136.42m，出现在10日22:50。本次洪水调度过程中三峡最大出库流量56800m3/s，最大削峰流量3700m3/s，拦蓄水量4.95亿m3 ，缓解了长江宜昌至石首河段的防洪压力。（2）航运效益。从表6船闸运行数据可以看出，20042005年输送的旅客人数以及货运量均比2003年有了明显增长。另一方面，在枯水期，通过水库调度补偿航运流量是增加葛洲坝枢纽下游枯期水深的有效措施。2004年的枯水期，应航道部门的要求，三

15、峡水库先后3次实施了补偿航运流量调节方案，增大了下泄流量，提高了葛洲坝引航道和长江中游航道通航水深，在一定程度上缓解了长江中游浅滩河段枯期通航水深不足的紧张状况，保障了船舶航行安全，效果明显。（3）发电效益。自2003年7月10日三峡电站首台机组2号并网运行以来，至2006年底，三峡电厂累计发电1461亿kwh，节水增发电量58亿kwh;葛洲坝大江电站、二江电站第4/7页 20032006年累计发电628亿kwh，节水增发45亿kwh，详细信息见表7。3.3 生态调度研究三峡工程建成后每年将生产1000亿kwh清洁电能，减少大量的原煤消耗和温室气体排放，从根本上有利于生态环境保护。但同时，大坝

16、挡水，库区淹没蓄水等也不可避免地给生态环境带来负面影响。为此，在工程设计论证以及初期运行期间，围绕生态环境保护做了大量的研究工作，并投入大量资金开展各项保护措施。近些年来，通过水库自身运行调度改善大坝上下游生态状况的研究越来越受到各方的关注，生态调度的呼声越来越高。三峡水利枢纽生态调度的主要热点问题包括:低温水下泄、气体过饱和、“人造洪峰”等。关于这些热点问题，三峡总公司组织会同相关科研单位开展了多项监测研究工作，取得了一系列成果，其中比较有代表意义的是“针对四大家鱼（青、草、鲢、鳙）自然繁殖需求的三峡工程生态调度方案的研究”，该研究成果进一步阐明了水利工程给鱼类造成影响的机理，包括:（1）水

17、利工程一定程度上继续对鱼类早期资源产生影响。工程的调节使水文情势和水体理化特性发生变化，使部分产卵场消失或移动;洪峰过程弱化，使产卵规模减小。（2）低温水下泄，有可能使鱼类生长发育延缓，产卵期推迟;清水下泄，河道冲刷下切，原有产卵场河床底质发生变化;繁殖期洪峰主要依赖区间来水，过程弱化。（3）水质的变化对鱼类资源的影响越来越突出。为此，在进一步弄清四大家鱼自然繁殖的水文学机理的基础上，未来可采取各类生态调度措施，制造利于鱼类繁殖的“人造洪峰”，抑制低温水下泄，保护水质等。3.4 水库泥沙泥沙问题是关系水库寿命，引起广泛争论的重大技术问题。在水库调度方案中，对泥沙问题的考虑占有相当重要的地位。三

18、峡水库采取“蓄清排浑”的调度原则，减少水库的泥沙淤积。从近4a来水库运行过程中泥沙监测资料看，水库中泥沙淤积情况比初步设计时预计的要好得多:水库来沙量大幅减少，寸滩+武隆站1990年前年均输沙量之和为4.67亿t，19912003年年均输沙量为3.48亿t（清溪场站从1983年开始测流，因此没有长系列资料，用寸滩和武隆代替），减少约1/3，而蓄水后减幅更大。水库排沙比好于设计值，2003年612月，入库泥沙2.08亿t，出库0.84亿t，排沙比40%;2004年，入库泥沙1.66亿t，出库0.637亿t，排沙比38%;2005年，入库2.54亿t，出库1.03亿t，排沙比41%。而论证期间数学

19、模型采用的三峡水库10a水沙系列的年均入库沙量为5.09亿t，由此第1个10a的年均出库泥沙1.54亿t，年均库内淤积3.55亿t，排沙比30%。随着上游水土保持工作的开展以及上游梯级电站的建设，三峡水库的入库泥沙问题将向着更有利的方向发展。但同时水库下游河岸冲刷的问题比过去预计的要严重些，由于三峡水库尚未蓄至正常蓄水位175m，上游水电工程的大规模开发正在进行中，来水来沙情况将来还会第5/7页 有较大的变化，因此，下游河势的调整可能还要持续相当长的时间。4 结论与展望几年的实践证明，三峡枢纽的调度管理是成功的，不仅有效地利用了水资源，同时也保证了航运等其它目标的实现，泥沙问题也得到了良好解决，取得这些成绩主要归功于:（1）对三峡工程进行的长期研究，为调度管理提供了最科学最充分的指导。有关问题在规划设计阶段经过了系统的研究，且大多得到了较好的解决。（2）建设了一套科学完善的调度管