李天庆，周鹏程，杨开斌，卢 鹏，，陈 平，胡一帆

（1.中国电建集团昆明勘测设计研究院有限公司，云南 昆明 650051； 2.武汉大学水利水电学院，湖北 武汉 430072）

0 引 言

“十四五”期间，水利部提出了小水电“绿色、安全、智慧、惠民”的总体发展目标，在对小水电的生态保护提出了更严格要求的同时，对小水电的运行调度带来了严峻的考验。水库运行调度方式主要包括优化调度和常规调度［1］。优化调度以水文预报为基础，采用一定的优化准则，将水库运行调度问题转化为数学优化问题，对于水文预报精度较高的短期运行调度，运用优化调度的方式能够很好地提高水库的运行效益［2-4］。对于中长期运行调度，受限于水文预报的精度，优化调度存在明显不足。因此，目前基于调度图和调度规则的常规调度，仍是指导水库中长期运行调度的有效方式［5］。为了减少历史典型代表径流对调度图绘制的局限，提高调度图的运行效益，许多专家学者对常规发电调度图进行了优化和改进。徐敏等［6］以发电量最大为目标，兼顾蓄末蓄满率提出了传统调度图的优化方法；解阳阳［7］、李雅琴［8］等考虑丰水年、平水年和枯水年的径流差异，提出了分级发电调度图；李银银［9］、程春田［10］等对梯级水电站群联合调度图进行了研究。水电开发在带来发电、防洪等兴利效益的同时，也不可避免地会对生态环境造成一定影响。大坝建成后会改变河道的径流过程，对下游的水生、陆生物种带来了生存挑战，近些年来水电工程对生态保护的运行要求也越来越严格，生态调度也纳入了水库调度研究中［11］。雍婷等［12］等定义了生态限制供水线和生态库容，以丹江口水库为例，在绘制供水调度图考虑生态调度线；吴贞晖等［13］考虑生态流量的上下阈值，提出一种模拟和优化相结合的水库调度图优化方法。王娟［14］等以发电效益最大为目标，将生态流量转化为硬性约束条件，研究了梯级水电站多目标优化调度。由此可见，现有研究方法主要是将生态流量或生态限制水位作为水库发电调度的边界条件，无法反映水库生态调度与发电调度存在的用水冲突关系。针对这一问题，提出一种兼顾生态与发电的水库综合调度图，在保障生态调度需求的基础上，减小生态调度对发电调度的影响，尽可能提高水库的发电效益。以云南迪庆藏族自治州小中甸水库为对象，并以梯级水库群发电量最大为目标，优化小中甸水库的综合调度图，以便在保障鱼类产卵期的特定生态流量需求的基础上，更好地协调发电调度与生态调度的用水关系，以及小中甸水库与下游梯级水电站的径流补偿关系。

1 水库综合调度图的组成及绘制方法

1.1 水库综合调度图的组成

常规水库发电调度图由一组表征水库发电特征水位的调度线组成，基于历史径流绘制得到的常规发电调度图，能够协调好水库汛期和枯期的发电用水关系，但无法反映生态与发电之间的用水关系和调度方式的差异。

生态用水包括最小生态流量、适宜生态流量和鱼类产卵“洪水脉冲”过程等，最小生态流量也称为生态基流，是保护河流水生态系统可恢复的最基本要求，防止河道生态功能退化；适宜生态流量是维持河流生态系统的稳定及保持物种多样性所需要的流量；鱼类产卵“洪水脉冲”是为了保障河道水生生物繁殖和生长提供所需的洪水脉冲过程［15］。

在枯期，发电调度与生态调度的竞争关系表现在流量控制上，尤其对于中小水电站而言，鱼类产卵洪水脉冲流量要求较大，生态用水与发电用水存在较大的竞争关系。为协调好枯期生态与发电之间的用水关系，以常规发电调度图为基础，提出兼顾生态与发电的水库综合调度图（简称“综合调度图”），如图1所示。综合调度图纵坐标表示水位，横坐标表示时间，以年为周期，起始时间为汛期（蓄水期）的开始时间，终止时间为枯期（供水期）的结束时间（如图1假定6月初汛期开始，5月末枯期结束）。综合调度图分为发电调度期（图中除生态调度期外的时间）和生态调度期（图1中3月和4月），生态调度期以水库严格的生态流量调度需求为运行方式；发电调度期以出力控制为运行方式，水库水位介于上、下基本调度线时，按保证出力运行，水库水位超过上基本调度线时，加大出力，水库水位低于下基本调度线时，降低出力。发电调度期，汛期最高运行水位为汛期运行限制水位，生态调度期之前的枯期最低运行水位为枯期生态控制水位。

图1 水库生态-发电综合调度图Fig.1 Reservoir comprehensive operation chart considering ecology and power generation

1.2 枯期生态控制水位计算方法

枯期生态控制水位指的是保障枯期生态流量需求的水库最低运行水位，枯期生态控制水位设置时期为枯期开始时间至生态调度期开始时间。计算枯期生态控制水位时，首先推算生态调度期生态流量需要的“生态库容”，若历史天然径流均大于生态流量，则“生态库容”为0，枯期生态控制水位为死水位；若历史天然径流存在小于生态流量的情况，则需要为生态流量预留足够的“生态库容”，“生态库容”对应的水位为枯期生态控制水位。“生态库容”和枯期生态控制水位的计算方法如下：

（1）遍历历史天然径流过程，以枯期（供水期）期末为起始时间，按式（1）逆时序推求各年历史径流下的枯期“生态库容”。

式中：T表示枯期最后一个月；L表示枯期月数；T-L表示枯期第一个月；m表示第m年历史径流系列；表示第m年历史径流序列下第T月份生态流量所需的库容；表示第m年历史径流序列下枯期“生态库容”；Vdead为水库死库容；Qeco，T为第T月份生态流量为第m年历史径流序列下第T月份的入库流量；Δt为月时间转换单位。

（2）按式（2）或（3），取历史径流得到的历年枯期“生态库容”的最大值或取某一保证率（如90%年保证率）对应的值为水库枯期“生态库容”，然后按式（4），根据水库水位-库容关系曲线得到水库枯期生态控制水位。

式中：Veco表示水库枯期生态库容；Heco表示枯期生态控制水位；M表示历史径流的总年数；Fp表示P保证率对应的水库枯期生态库容；f(Veco)表示水库库容-水位关系曲线。

1.3 水库综合调度图的绘制步骤

水库综合调度图的绘制步骤如下：

（1）考虑汛期防洪限制水位，采用等出力控制方式，绘制出力控制模式的发电调度图，绘制流程如图2所示。

图2 等出力调度线和出力计算流程图Fig.2 Equal output dispatching line and output calculation process

（2）根据1.2节所述的方法，计算枯期生态控制水位；

（3）在发电调度图上，添加生态控制水位和生态调度期，绘制综合调度图。

2 水库综合调度图的优化

2.1 综合调度图优化模型的构建

1.3节得到的综合调度图，在发电调度图上直接添加生态控制水位，简单化地考虑生态与发电的用水关系，对水库的发电，尤其枯期发电将产生很大影响，不符合水库综合效益最大化的运行目标。为进一步协调好生态与发电的用水关系，提高水资源利用效率，以综合调度图的调度线对应的水位为优化对象，以多年平均发电量最大为优化准则，构建综合调度图优化模型，模型的目标函数和约束条件如下：

（1）目标函数。

（2）约束条件：

式中：P表示多年平均发电量；M表示历史径流的年数；T表示枯期最后一个月；表示第m年第t月的发电量；表示第m年第t月的初库容；分别表示第m年第t月的入库流量、发电流量和其他出库流量（包括通过泄洪设施下泄的流量、通过生态管道下泄的生态流量等）；Δt为月时间转换单位表示第m年第t月的出力；表示第m年第t月的月初水位；Ht，min、Ht，max分别表示第t月的最低允许运行水位和最高允许运行水位；Qt，min、Qt，max分别表示第t月的最小允许出库流量和最大允许出库流量；Nt，min、Nt，max分别表示第t月的最小允许出力和最大允许出力；ΔHk，t表示k调度线t时段对应的水位变幅表示k调度线t时段对应的水位最大寻优变幅；Hk，t表示k调度线t时段对应的水位，k∈[0，K]，0调度线表示最低调度线，K调度线为最高调度线；NB表示保证出力；αk表示k与k+1调度线的出力倍数；β表示高于K调度线的出力倍数；γ表示低于0调度线的出力倍数；η表示水库的出力系数表示第m年第t月的净水头。

2.2 综合调度图优化模型的求解

粒子群算法（PSO）是一种基于鸟类觅食的启发式智能搜索算法，个体通过参考个体历史最优位置和种群最优位置来更新位置，粒子群算法具有原理简单、易于实现、收敛速度快等优点，在水库调度领域被广泛使用。因此，采用粒子群算法进行综合调度图优化，计算步骤如下：

（1）设置算法参数，粒子个数设置为I=40，最大迭代次数设置为J=300。

（2）初始化粒子的位置和速度，初始化方式如下：

（3）对第0代粒子进行约束检查，然后采用长序列历史径流进行模拟运行，模拟运行结束后计算适应度，即多年平均发电量，设置粒子i的历史最优解为粒子i的第0代解，设置粒子全局最优解为适应度最大的粒子对应的解。

（4）更新粒子速度和位置，更新方式如下：

式中：wj=0.4(1-j/J)；c1=c2=2.0；表示第i个粒子k调度线第t月对应水位的速度表示为第i个粒子第j代k调度线第t月对应水位；表示第i个粒子历史最优解的k调度线第t月对应水位表示全局最优解的k调度线第t月对应水位。

（5）对新粒子位置进行约束检查和适应度求解，并更新粒子历史最优解和粒子全局最优解。

（6）判断是否否达到最大迭代次数J，若达到最大迭代次数则转到（7），否则j=j+1，并转到（4），进行下一代求解。

（7）输出全局最优解对应的调度线水位及梯级水电站的历年模拟运行结果。

3 实例应用

3.1 应用对象

小中甸水库所在河流为硕多岗河，硕多岗河发源于云南省迪庆藏族自治州香格里拉市城东北约30 km的楚力措，河流自北流向东南，从左岸汇入金沙江，河流全长153.2 km，流域面积1 966 km2。小中甸水库距香格里拉县城约32 km，是云南迪庆州唯一一座大型水库，是国家重点扶贫工程和全国大型水库建设规划项目。水库正常蓄水位3 235 m，主坝最大坝高52.7 m，总库容1.55亿m3，调节库容1.27 亿m3，具有年调节性能。工程以发电、生态环境保护为主，结合防洪和灌溉等综合利用为开发任务。发电调度方面，小中甸水库作为硕多岗河流域梯级水电工程的龙头水库，需要对下游吉沙水电站、冲江河水电站和螺丝湾水电站三个梯级水电站进行径流调节和补偿。防洪调度方面，水库防洪任务是确保枢纽工程安全和保障下游虎跳峡镇和沿河村庄人民群众生命财产安全，汛期设置防洪汛限水位为3 233 m，控制时间为7月1日-9月30日。生态调度方面，水库具有河道生态流量、下游景观生态流量和鱼类产卵期生态流量的运行要求，其中河道生态基流不小于1.42 m3/s，鱼类产卵期4月20日-5月20日，连续下泄生态流量不小于17.72 m3/s，并每周人造洪峰一次，每次不小于2 h，人造洪峰期间连续下泄生态流量不小于30 m3/s，重点旅游时段7月15日-9月15日，连续下泄景观生态流量不小于3.55 m3/s。

3.2 结果分析

硕多岗河径流汛期（6-10月）主要由降水补给，枯期（11月-次年5月）主要由深层地下水及融雪补给，汛期水量占全年水量的72%，根据流域降雨径流特性，小中甸水库以汛期6-10月为蓄水期、枯期11月-次年5月为供水期。以7月-次年6月作为调节年度，按设计保证率90%分别进行蓄水期和供水期典型流量过程选择与设计。根据鱼类产卵期时间（4月20日-5月20日）及所需生态流量，取历年枯期“生态库容”的最大值为小中甸水库枯期“生态库容”，得到4月20日之前枯期生态控制水位为3 222.5 m。

选择典型径流过程，采用传统等出力计算方法直接绘制得到的小中甸发电调度图（未经优化）如图3所示。采用1959年7月-2014年6月共55年径流资料，7月-次年3月按月尺度调度，次年4月-次年5月按旬尺度调度，4月20日-5月20日按生态流量调度，以硕多岗河梯级水电站发电量最大对综合调度图进行优化，优化得到的小中甸水库综合调度图如图4所示。与传统的发电调度图相比，经过优化后的小中甸水库综合调度图，4月20日-5月20日为鱼类产卵调度期，蓄水期2.0倍/供水期1.2倍加大出力线对应的水位整体降低；上基本调度线和下基本调度线，蓄水期对应水位整体增加，供水期对应的水位整体降低；0.8倍降低出力线，除8月份对应的水位降低了0.94 m外，其他月份对应的水位均不同程度增加。

图3 小中甸水库发电调度图Fig.3 Power generation operation chart of Xiaozhongdian reservoir

图4 小中甸水库综合调度图Fig.4 Comprehensive operation chart of Xiaozhongdian reservoir

采用传统的发电调度图，硕多岗河梯级水电站的多年平均运行指标如表1所示，梯级平均年发电量为13.45 亿kWh，小中甸水库的水量利用率为99.43%，生态流量的满足率为93%（51 a/55 a）。

表1 基于传统发电调度图的梯级水电站多年平均运行指标统计表Tab.1 Operation statistics index of cascade hydropower station based on power generation operation chart

采用优化后的小中甸水库综合调度图，硕多岗河梯级水电站的多年平均运行指标如表2所示，生态流量的满足率为100%，在满足小中甸水库防洪调度任务和生态调度任务，以及在小中甸水库蓄满率不变的情况下，梯级水电站的多年平均发电量提高了1.64%，水量利用率平均提高1.11%。采用综合调度图，小中甸水库的生态调度与发电调度的用水关系得到了很好地解决。

表2 基于综合调度图的梯级水电站运行指标统计表Tab.2 Operation statistics index of cascade hydropower station based on comprehensive operation chart

4 结 论

通过分析发电调度与生态调度的用水关系，引入枯期生态控制水位，对常规发电调度图进行改进，提出了兼顾生态与发电的水库综合调度图，并以发电量最大的优化准则构建了综合调度图优化模型。以云南迪庆藏族自治州小中甸水库为例来验证综合调度图的有效性。结果表明，通过设置枯期生态控制水位和预留生态库容的方式，小中甸水库的生态流量满足率由93%提高至100%，解决了遭遇特枯来水时，小中甸水库无法保障鱼类产卵所需生态流量的问题；通过以梯级水电站发电量最大为目标，优化综合调度图，提高了小中甸水库对下游吉沙水电站、冲江河水电站和螺丝湾水电站三个日调节水电站的径流补偿效益，梯级水电站的多年平均发电量提高了1.64%，水量利用率平均提高1.11%。目前研究成果也纳入《迪庆州小中甸水利枢纽水库调度规程（试行）》，为小中甸水库的运行调度提供了技术支撑。