吕仲成 王树平

（1.浙江省电力公司紧水滩水力发电厂，浙江丽水 323000；2.中国水电顾问集团成都勘测设计研究院，成都 610072）

水质良好是河流生态健康的重要标志.河流的水质因子包括营养盐、溶解氧、pH值、透明度、水温等.河流水质因子的失衡，会影响水生生物的生长、发育、繁殖、行为及分布，并直接威胁着人类的用水安全［1].

1 瓯江梯级水库简介

瓯江位于浙江省南部，总流域面积17 800余km2，水能资源十分丰富.经有序地开发水能资源，瓯江主干流相继建设了紧水滩、石塘、玉溪、开潭、五里亭、外雄梯级水电站，支流建设了滩坑大型水电站，总装机超过1 200MW，是浙江电网负荷的重要组成部分.近年来，随着社会经济建设步伐的加大，瓯江梯级水库综合利用功能呈多元化发展，已远远超出了电站设计初时的综合利用要求.梯级水电站又被新赋予乡镇生活供水、工业供水、农村饮水等综合利用要求，对水库的水质有较高的要求，给电站发电计划和调度带来困难.

2 “水质控制”研究背景

在瓯江主干流水库中，紧水滩水库处于龙头，为国家大Ⅰ型水库，电站是以发电为主，兼有防洪、灌溉、航运及发展养殖等综合效益的工程，在电网中担负系统调峰、调相及事故备用任务，并为下游日调节电站提供径流调节效益.库区拥有30余km2的水面，水库水质清新、溶氧丰富，素有“浙南明珠”的美誉，这为开发旅游和发展渔业养殖提供了优良的条件，是促进地方经济增长，提高当地民众经济收入和改善生活质量重要环境资源.为此，当地政府鼓励扶持库区群众发展渔业生产，并规划发展网箱养殖面积5.9万m2.2009年紧水滩水库上游库面出现大面积蓝藻污染，紧水滩水库水质的富营养化引起了社会的高度关注.经调查，造成紧水滩水库上游库段水质富营养化的因素主要是网箱养殖迅速发展，大量饵料投放，不可避免带来的水质污染.

紧水滩水库下游玉溪水库是一座典型的乡镇生活供水、工业供水、农村饮水、防洪、发电等综合利用功能水库.在本次紧水滩水库大面积蓝藻污染事件发生后5个月间，紧水滩电站通过控制发电，抬高水位净化水质等措施，下游石塘水库、玉溪水库并没有发生蓝藻污染，玉溪水库的水质仍能达到供水要求.经分析，紧水滩水库属大Ⅰ型水库，水库通过沉淀降解等对污染物有较强的净化作用，入库水质或上游库区水质虽然不能满足要求，但经过水库净化后出库水质有所改善，能满足下游的水质要求.

针对紧水滩水库大面积蓝藻污染事件，如果投入大量的人力、物力进行全面综合治理，其成本巨大.在水库上游流域内实施水资源保护规划无疑会限制当地经济建设，而限制过度还有可能引发激烈的社会矛盾，因此限制到何种程度则是需要深入研究的课题，就当前而言，利用水库调度来缓解水质恶化，防止水华现象发生是有效途径.2009年浙江电网在地方政府有序控制网箱养殖的基础上，利用水库自净能力采取污染物总量控制的方法，开展梯级混合型水库水质调度研究，以达到水质保护与经济发展双赢的效果.

3 “水质控制”应用原理

水库的富营养化都有其主要营养物质源，可归结到某一个或多个化学元素.而水库营养物质量的多少，既受入库负荷影响，又与浮游植物的生长、底泥营养物质释放速率、水体中营养物质的沉降及水深等有关，其浓度变化可根据质量守恒方程得到.营养物质质量守恒方程为［2]

式中，V（t）为水库蓄水量；QI（t）、QO（t）分别为时段入库、出库流量；CI（t）、C（t）为入库、出库浓度；K为降解系数.因此，要想通过水量水质统一调度，改善水库水质环境，就须从营养物质质量守恒方程出发，通过控制水库蓄水量或蓄水位，使得出库营养物质的浓度满足城市用水水质要求.

在紧水滩水库的现实调度中，防汛效益和电网调度需求都位于首要的位置，只有当防汛和电网调度对紧水滩电站都没有特殊要求的情况下，才可考虑进行水库的水质优化调度.因此，将水质元素浓度作为边界值植入发电调度计算原理中是最合理的.

3.1 计算原理

其基本思想是梯级所有水库入库流量和初期富营养物质浓度给定的情况下，计算水库入库流量富营养物质在具净化功能水库净化和区间流量汇入后的浓度，通过控制梯级水库出库流量过程，使优化模型在满足优化目标和常规边界约束条件的同时，确保下游控制点水库的富营养物质浓度能满足水质要求.

瓯江梯级中玉溪水库为乡镇生活供水、工业供水、农村饮水供水水库，也是本水质调度模型中需进行水质控制的水库.模型中，可以通过上游水库的出库流量控制，使玉溪水库富营养物质浓度达到国家分类水域的地面水质供水标准最低值以下，即玉溪水库的水质达到供水要求，同时，水质调度模型能在满足水质调度要求的基础上，制定发挥瓯江梯级水库联合调度效益的优化调度方案，包括考虑水质调度的梯级库群发电量最大、发电收益最大和调峰电量最大等.

3.2 计算模型

梯级水库群调度的目标函数为

式中，Ni，t为i电站t时段平均出力；Δt为t时段步长；θi，t为i电站t时段效益因子，在库群发电量最大模型中恒等于1，在发电收益最大模型中为上网电价，在调峰电量最大模型中则为典型负荷参数.

水质约束条件为：玉溪水质标准约束

式中，ct为玉溪水库t时段富营养物质浓度；c标为水质污染控制标准值.

各水库富营养物质质量守恒约束

式中，Vt、Vt＋1为水库t时段初、末蓄水量；Cbt、Cet为t时段初、末富营养物质浓度；k为降解系数；WIt为水库t时段入库水量；WOt为水库t时段出库水量.

其他常规约束条件包括：水量平衡约束，可用水量约束，水库允许最高最低水位约束，水库综合利用要求约束，水流传递约束，水电站群出力带宽约束，机组运行约束，电站最大最小出力约束，各水库的最大最小出库约束，其他边界约束.

目标结果：梯级各电站考虑水质调度的各项调度结果过程.

3.3 计算步骤

Step1：根据龙头水库入库洪水预报和梯级区间径流预报，自上而下逐电站进行单库优化计算，除了满足常规水量平衡外，还需满足富营养物质质量守恒约束.

Step2：按DPSA法进行梯级各水库间的协调优化，梯级上下游之间除了考虑水力联系外，还应计算上下游的富营养物质传递，并在最下游的玉溪水库判断其是否满足水质控制标准，若满足则继续按原目标优化，若不满足则对目标函数给予适当惩罚后再按原目标优化，直至优化目标收敛.

3.4 其他说明

事实上，模型模式综合了水位控制、出库控制、出力控制、水库调度图等模式的混合控制方法，各算法之间以水位进行衔接联系，即本时段末水位作为约束条件

式中，Zmin，t，Zt，Zmax，t为水库t时段的最小水位约束、时段水位和 最 高 水位约束；Qout，min，t，Qout，t，Qout，max，t为水库t时段的最小出库约束、时段出库流量和最大出库约束；Nmin，t，Nt，Nmax，t为电站t时段的最小出力约束、时段出力和最大出力约束.各时段可以任意配置不同计算模式，该各模式算法如下.

3.4.1 水位控制模式

控制各时段的时段末水位值，通过水量平衡计算出库流量，在考虑水头受阻、电站、电站机组可用台数等情况下，将全部水量用来发电（可适当扣除考虑航运等综合用水情况），多余的水才为弃水；当来水满足不了水位控制要求时，按实际来水计算水位.针对某时段，计算步骤如下：

Step1：确定电站出力系数、时段初水位、时段末控制水位、时段平均入库流量等.

Step2：计算时段初、末库容，并根据水量平衡方程求得时段平均出库流量.

Step3：计算尾水位，进而求得时段净水头，并以该出库流量作为时段平均发电流量.

Step4：根据机组可用台数和净水头确定电站的最大容量（可用机组总预想出力）.

Step5：根据N＝KQH计算时段平均出力.

Step6：判断时段平均出力是否超过电站最大容量，若超过最大容量，则按最大容量发电，并以Q＝N／（KH）重算发电流量，多余部分流量作为弃水；若未超过则停止计算.

3.4.2 出库流量控制模式

控制各时段的出库流量，将全部水量利用来发电，当全部满发后，多余的水量为弃水；当水位突破上下限约束时，按实际上下线水位控制，重新拟定本时段的出库流量用来发电.

3.4.3 出力控制模式

控制各时段的出力，在水位没有达到最高水位时，按无弃水原则反算水库水位，异常情况考虑以下几个方面：1）由于水头或装机限制电站发电满足不了给定出力时，按限制出力发电；2）当水位低于最低水位时，按最低水位控制发电；3）当水位高于最高水位时，按最高水位进行控制，出力为给定出力，多余的水为弃水.

3.4.4 水库调度图模式

按时段初水位控制原则，根据时段初水位在调度图中的位置决定本时段的出力，按无弃水原则反算电站出力，并考虑如下调度规则：1）当时段末水位超过最高水位时，按最高水位控制，全部水量用来发电；2）当水位低于最低水位时，按最低水位进行控制安排发电.

计算步骤如下：Step1：确定时段初水位，并在调度图上查出对应出力作为该时段平均出力；Step2：按出力计算方式计算各时段末水位和时段平均出库流量；Step3：循环以上两步，逐时段计算.

4 “水质控制”应用

由于紧水滩水库年内来水极不均匀，水库来水主要集中在4～9月份.根据营养物质质量守恒方程，当来水丰富的时候，应抬高水库控制水位，充分发挥水库的净化作用，一般水库的出库水量水质都能达到质量要求；在枯水期来水少的时候，也是紧水滩水库水位较低的时候，水库营养物质的浓度往往会高于平时，甚至城市用水要求，其出库水量的水质也不能达到要求.玉溪水库因其承担城市供水的功能，因此库区不准养殖，区间的来水水的质量也较高，可通过玉溪区间来水进行稀释紧水滩、石塘两水电站的出库水量（在枯水期紧水滩和石塘两站的发电一般较少，容易稀释），使库区水质达到供水要求.

5 其他水质控制措施

1）根据库区的自然条件如水的流速、水的交换量、库区底质等多方面因素，科学分析，确定水环境条件和生态系统所能支撑的库区渔业养殖容量，并合理布局，科学合理的投放饵料，统筹养殖、防洪、供水安全，确保瓯江流域龙头紧水滩水库的水资源、水环境、水生态全面、协调、可持续发展.

2）网箱养殖中废弃的网箱，在水体中自然降解非常缓慢，自然降解不能充分完成，将导致水质进一步劣化；若不控制，水库水质会逐渐恶化，最终导致水库失去自我调节能力.因此加强宣传，对养殖户进行相关的法律教育，及时清理养殖所产生的垃圾，并加强监督管理，保持库面清洁.

3）为了确保网箱养殖的可持续发展，保障合法养殖户利益和防洪安全，执法单位应该加强库区巡查，坚决取缔未经审批就开展网箱养殖的养殖户.

4）加强水质监测，并修订防水质污染的各项预案，落实各项技术保障措施，加强监督力度，提高应急处置能力.

6 结 语

根据浙江省瓯江流域的自然地理和气候特点，切实抓好水库调度、洪水调度、水情监测预报，提高水情预报精度，延长预见期，为防汛和兴利调度科学决策提供依据，对地方经济的发展、环境的污染、防洪的安全进行全面分析，充分认识防洪安全和地方经济发展的重要性，立足自身抓重点，实现瓯江流域水库的优化调度，才能促进人和自然的和谐发展.

［1]李振海.典型综合利用水库水环境问题及污染控制措施——以张峰水库为例［J].中国水利水电科学研究院学报，2007，5（1）：21－25.

［2]邵东国.综合利用水库水量水质统一调度模型［J].水利学报，2000（8）：10－15.