疏勒河流域昌马水库减淤调度优化研究

2018-11-14赵国荣

水利规划与设计 2018年10期

赵国荣

(甘肃水务节水科技发展有限责任公司,甘肃兰州 73000)

疏勒河流域地处河西走廊西端，是河西走廊三大内陆河之一，内辖昌马、双塔、花海三大灌区，承担着玉门市、瓜州县22个乡镇、6个国营农场134.42万亩耕地的农业灌溉和甘肃矿区等单位的工业供水、生态供水及水利发电供水等任务。昌马水库作为疏勒河的龙头工程，是疏勒河灌区的命脉工程，直接关系着灌区的生死存亡。该水库自2003年11月正式建成后，设计总库容1.934亿m3。截止2015年4月，由于淤积导致的库容损失15.22%，多年平均库容损失1.17%。而通过对昌马水库淤积形态分析表明，调度方式在水库淤积形态中起着至关重要的作用，因此对昌马水库进行减淤调度优化研究就显得极为重要。

1 昌马水库调度现状及存在的问题

1.1 昌马水库调度现状

昌马水库现状调度方式总体按照发电调度服从灌溉调度，灌溉调度服从汛期调度的原则进行，兼顾下游工业等用水，在春灌、夏灌、秋冬灌时进行灌溉，其他时段蓄水，形成了昌马水库“两蓄、两放”的运行方式(如图1所示)，同时兼顾在水位允许时进行发电。在汛期时，昌马水库根据库水位判别洪水并兼顾排沙，在汛期按照汛限水位调度，初汛(6月20—30日)和末汛(8月10日—9月10日)按照库水位2000.8m进行调节，主汛期(7月1日—8月20日)按照库水位1993.3m进行调节。但水位在超汛限水位时，按照发电洞、溢流堰、排沙洞的顺序进行泄洪，确保水库安全。

图1 昌马水库运行方式调度示意图

1.2 现状调度存在的问题

现状水库在汛期调度时，鉴于该时期河水含沙量大，为减少水库淤积，建设之初，设计单位要求在7月份畅泄排沙，空库运行。但通过对2003—2013年昌马水库主汛期运行水位分析(如图2所示)，发现其中2003年没有排沙，2004—2009年进行了畅泄排沙，但是时间并不满足初设要求，而2010—2012年虽然进行了排沙调度，但是水位偏高，在最低发电水位以上，2013年进行了畅泄排沙调度，但排沙时间已经明显短于2004—2009年。其次，按照调洪演算结论，水库按照2000.8m进行汛期水位控制，完全能够满足设计洪峰和校核洪水的下泄需求，但鉴于昌马水库的重要性，在实际调度过程中主汛期汛限水位按照1993.3m进行控制，这浪费了水能资源。另外，昌马水库运行调度数据没有与上游昌马堡水文站数据对接，迟于水文站实测流量数据24h左右，影响调度的准确性。鉴于以上原因，昌马水库减淤调度过程急需优化。

图2 昌马水库不同年份主汛期实际运行图

2 昌马水库调度优化原则与目标

2.1 昌马水库调度优化原则

(1)昌马水库根据各汛期的汛限水位进行防洪调度的原则保持不变，但现状汛期的划分是按照旬为单位进行控制，比较笼统，本次优化调度方案对其精细划分。

(2)根据昌马水库坝址处水沙关系以及近期水库运行的现状，在减淤调度的过程中，须充分利用大水时来水携沙能力强，排沙比高等特点进行排沙。

(3)水库建设之初，初步设计报告提出的畅泄排沙方案过程简单，对水库发电效益和库容效益损失较大，而部分年份来沙主要集中在主汛期8月份，故需兼顾考虑发电效益和库容效益。

(4)维持昌马水库灌溉调度方案与原调度方案一致，发电调度须服从灌溉调度。

2.2 昌马水库调度优化目标

通过分析昌马水库优化调度原则，结合昌马水库来水量和来沙量，提出减淤调度优化总体目标，即在不同的调度方案下，在保障下游影响区域内防护区的安全泄量，满足下游的防洪要求下，充分利用坝址处水力资源减少水库淤积，满足用水户的蓄水诉求并兼顾水力发电，取得较优的效益。

3 昌马水库减淤调度优化

3.1 汛期划分

本次在昌马水库汛期重新划分时，主要利用数理统计方法和模糊分析法，综合确定汛期。

3.1.1 数理统计方法

根据昌马堡水文站典型年逐月来水量图(如图3所示)，疏勒河来水量主要集中在6、7、8这三个月，并在7月下旬达到极值。通过对昌马水库超过日平均来水量80m3以上数理统计(见表1)，疏勒河来水主要集中在5月下旬—9月下旬之间；当流量超过140m3/s时，疏勒河来水集中在6月中旬—9月中旬之间；当以流量为样本加大取值参数时，时间更加反映出更为集中的特点，主要来水量集中在7月上旬—8月下旬，因此综合分析昌马水库的主汛期主要为7月上旬—8月下旬。

图3 昌马堡水文站典型年逐月来水量图

3.1.2 模糊分析法

通过对影响昌马水库上游的水文情况进行分析，洪水在汛期前期增强，后期逐渐减弱，这是进行汛期模糊集分析方法的理论基础。模糊集分析方法通过对实测资料的分析研究选取出能够判断汛期与非汛期的标准值，再根据多年的实际流量确定各年的汛期，在计算域内任一时间t被样本覆盖的次数nt，最后通过构建隶属度函数求得隶属度，时间t属于汛期的隶属度为：

(1)

根据表1，大于100m3/s流量段满足此时间段，故按照此进行隶属度分析，通过统计、计算，结果如图4所示。

表1 昌马水库超过日平均来水量80m3以上数理统计表

通过对昌马水库1957—2014年的来水量进行隶属度计算，绘制出隶属度函数曲线，根据汛期经验，采用隶属度0.3进行划分，则主汛期划定为7月13日—8月16日。

图4 100m3/s以上汛期隶属度统计图

3.1.3 汛期划定结论

目前昌马水库汛期为：初汛期6月10—30日，主汛期7月1日—8月20日，末汛期8月10日—9月10日。经过本文资料分析，可将初汛期定于6月20日—7月13日，主汛期定于7月13日—8月16日，末汛期定于8月17日—9月10日。与目前汛期划分相比较，在新的汛期分期中应用当前的汛限水位进行控制，从而缩短主汛期的时间，给库水位更多时间上涨，缓解用水矛盾，增加发电效益，而且对于末汛期还会增加相应的蓄水。

3.2 昌马水库减淤调度优化方案

3.2.1 优化方案

根据甘肃省昌马水库库区冲淤电算成果，大水期输沙能力要强于小水期输沙能力，因而大水期排沙效率要比小水期效率高得多；而通过降低水位可有效增加水库输沙能力，小水期改善作用较小，大水期改善作用大。因而通过降低水位排沙更加增加了水库大水期排沙的效率，水库排沙效率随流量和坝前水位变化，坝前水位控制使得大、小水时输沙能力和排沙效率相对河道进一步分化。水库的排沙效率随着流量的增大而增大，小水期排沙效率低而大水期排沙效率高，而大水期降低水位后排沙效率更高，疏勒河大水期均发生在疏勒河汛期，故为了一方面减少水库淤积，另一方面充分发挥水力资源，因此可以界定一个排沙流量，在低于该流量的小水期蓄水，在高于该流量的大水期降低水位排沙。

故根据昌马水库来水量，对昌马水库逐日平均来水量进行频率分析，可按照逐日平均流量300m3/s(两年一遇)进行流量分级。在水库运行过程中，根据河流水沙关系量，当入库流量小于分级流量时，水库排沙效率不高，可维持在较高水位运行，不参与排沙，甚至可以淤积部分泥沙；当水库来水量大于确定的分级流量时，水库排沙效率较高，从而可以降低水库水位，或降低至更低的水位运行，对前期淤积的泥沙进行冲刷，达到将本次来水量所携带的泥沙排出水库或淤积在死库容的目的，这即是本次昌马水库所要执行的水沙调度方案。

3.2.2 水沙调度执行原则

昌马水库执行水沙调度时，利用现有和新建的天气预报系统和洪水预报系统，对水库进行优化调度，按照调度执行简图调度，如图5所示，并坚持以下原则。

(1)昌马水库执行水沙调度时，水文数据要与昌马水库调度实现全面对接。

(2)判定逐日平均流量大于300m3/s后，必须舍弃相应的经济效益，诸如发电，蓄水等，在保证下游影响区安全泄量的前提下，尽最大可能降低水位，达到排沙要求。

(3)水库上游集雨面积内雨情测报系统和洪水预报调度等系统必须具有高精度、强范围性和相应的稳定性。

(4)必须建立高效、强有力的管理团队，建立健全相应的管理机构，对水库进行严格调度。

(5)调度人员须在合理调度区间内，充分发挥昌马水库的电力效益、灌溉效益和防洪效益等。

图5 昌马水库优化调度简图

4 水库减淤调度优化效益分析

4.1 数据处理原则

选取昌马水库建成后，超过分级流量的年份，进行整体效益分析，主要分析初设要求在7月份畅泄情况下的年发电量、蓄水量，现状运行方式下的年发电量、蓄水量，调度优化后的年发电量、蓄水量，并遵循以下原则。

(1)因发电洞最大可引水60m3/进行发电，故若水位满足发电条件，来水量介于0～60m3/s的，按来水量计算；若超过60m3/s的，按60m3/s进行计算发电量。

(2)汛期若按照初设畅泄方案进行计算，则7月份畅泄不蓄水、不发电，为便于计算，水位采用1952m，库容采用0m3。

(3)减淤调度优化方案汛期采用厘定后的新汛期，即初汛期定于6月20日—7月13日，主汛期定于7月13日—8月16日，末汛期定于8月17日—9月10日。

(4)疏勒河灌区7月份需水量计算时，采用管理单位统计数据，2014年6月27日—7月15日，约需水9411.12万m3；7月16日—7月31日约需水8025.37m3，日平均流量57.69m3/s。本文进行效益分析时采用保守计算，灌区需水量按7月份按照60m3/s计算，即保证水库最小下泄流量60m3/s；采取同样处理办法，8月1—20日下游最小需水按55m3/s进行计算，8月20日—9月20日下游最小需水按45m3/s计算。

(5)由于代入历史数据后，水库调度存在蝴蝶效应，库容的变化将有可能影响所有以后所有水库调度数据，故为便于计算进行效益分析，时间节点在当年汛期结束后终止。

(6)电站出力计算时，水轮机效率采用0.90，发电机效率采用0.94。

(7)水库建成后，利用昌马堡水文站实测数据，对比排沙流量，经过分析，2006年、2008年、2010年、2011年、2013年均满足减淤调度的历史情景，故在效益分析时，以此5年数据计算三种调度方案的发电量，主汛期末的蓄水量。

4.2 历史情景效益计算

利用前述计算原则，代入满足条件的历史情景数据，其调度过程详见各典型年不同调度方案的库水位调度过程，如图6所示。

图6 各典型年不同调度方案的库水位调度过程

根据以上调度原则，采用前述效益分析数据处理原则，通过计算三个方案下的效益分析如图7所示。

通过对昌马水库满足条件的5年历史情景数据进行发电量和主汛期末蓄水量效益计算分析，优化方案年发电量略优于现状调度方案，较7月份畅泄方案发电量平均增效15.81%；采取8月20日主汛期末蓄水量比较，调度优化方案较7月份畅泄方案高4.24%，比现状方案低22.69%，主要是由于2011年满足条件来水在8月16日，按照优化调度方案运行排沙滞后，只有短短3天的蓄水时间，降低了平均值，若剔除2011年历史数据，则优化调度方案蓄水量和发电量均优于其他两种方案。故从以上分析来看，优化调度方案在发电量增效和蓄水量效益分析上均优于其他两种方案。