许继军，陈 进，尹正杰，陈广才，杨春花，董玲燕

（长江科学院水资源综合利用研究所，武汉 430010）

长江流域梯级水库群联合调度关键问题研究

许继军，陈 进，尹正杰，陈广才，杨春花，董玲燕

（长江科学院水资源综合利用研究所，武汉 430010）

长江流域干支流已建和在建的大型梯级水库群规模庞大，实施联合调度将对长江防洪安全、水资源优化配置和水电能源高效利用意义重大。对长江流域大型梯级水库群联合调度需要解决的主要理论、方法、技术和管理问题进行了归纳剖析，并结合近年来开展的相关科研工作，简要介绍在大型梯级水库群联合调度的发展战略、优化模型、生态调度、管理体制和仿真平台等方面的主要成果和研究进展。

长江流域；梯级水库群；联合调度

1 背景简介

长江流域水资源丰富、水能开发潜力巨大，在我国水利水电发展中处于十分重要的战略地位。我国规划的13大水电基地中有5个处在长江流域，而且都位于上游地区，它们是金沙江、雅砻江、大渡河、乌江和三峡水电基地。按照《长江流域综合规划》，长江上游地区装机300 MW以上的水电站80多座，总装机容量将超过17万MW；1 000 MW以上的水电站48座，总装机容量将超过15万MW。近期以三峡工程为骨干的长江干支流梯级水电站群已初具规模。据不完全统计，截止2009年底，仅长江上游地区已建成的大型水电站装机总量3.8万MW，年发电量超过1 700亿kW·h。目前在建的预计2020年前能完成的大型水电站装机总量更是高达8.8万MW，主要集中在金沙江中下游、雅砻江和大渡河，相应的年均发电总量将增加3 900亿kW·h。

大型梯级水库群的联合调度，是今后长江流域水利发展和流域综合管理的必然趋势，其重要意义体现在：①联合调度能利用流域各梯级水库调节性能的不同，充分发挥大型水库的调节优势，通过水库之间的削峰、错峰，提高流域梯级整体的防洪能力；②联合调度能统筹兼顾流域干支流及上下游的水量和水头，科学利用水能资源，有利于缓解电网丰枯、峰谷矛盾，提高电网的调峰、调频和事故备用等安全稳定运行能力，改善电网电能质量；③联合调度能充分利用梯级水库之间的库容补偿，可将更多的洪水留存下来，以提高枯水季节的水资源供给能力，保障居民生活和工农业生产用水的基本安全［1］；④联合调度能够更好地体现流域统筹协调和综合管理的意图，保障河流公共服务功能（包括防洪、供水、航运、生态等目标）得以顺利实施。

2 联合调度待解决的关键问题

在强有力的科技支撑和管理条件下，长江流域大型梯级水库群实现联合调度是可能的［2］。考虑到长江流域大型梯级水库群规模庞大，尤其是联合调度系统复杂、目标任务多、技术含量高、协调难度大，目前还存在着许多待解决的关键问题。

其中待研究的基础理论问题包括［3－5］：①梯级水库群多目标联合调度复杂巨系统优化理论；②梯级水库群联合调度系统安全理论与风险控制方法；③梯级水库群联合生态调度理论与方法；④梯级水库群泥沙冲淤规律及其对策方法；⑤梯级联合调度作用下河流生态系统演变规律与累积效应；⑥梯级水库动态汛限水位控制理论和洪水资源利用方法；⑦气候变化及人类活动对梯级联合调度影响及对策；⑧大型梯级水库温室气体排放规律及区域气候效应。

待解决的关键技术问题包括［6，7］：①变化条件下的梯级水库群联合调度水文精细预报技术；②梯级水库群联合调度优化数学模型和算法；③梯级水库群水能资源配置及群落优化运行方案；④兼顾生态保护和恢复的河流生态控制性因子联合调控技术；⑤梯级水库群联合调度系统集控及网络通讯保障技术；⑥梯级水库群联合调度系统电网安全运行方案和调控技术；⑦梯级水库群联合调度决策支持系统及仿真技术；⑧梯级水库群联合调度的生态效应定量评估和预测技术；⑨特殊条件下的梯级水库群联合调度应急预案；⑩梯级水库群联合调度下的长江防洪方案优化；○11梯级水库群联合调度运行下的跨地区和跨流域调水方案；○12梯级水库群联合调度下的水沙调控技术。

尚待明确的管理问题包括：①梯级水库群联合调度的管理体制、管理办法和协调机制；②梯级水库群联合调度的利益分配和补偿机制；③梯级水库群联合调度的法律保障和政策措施；④梯级水库群联合调度的生态管理目标和补偿机制；⑤梯级联合调度下的水权制度和水市场运作机制；⑥面向电力市场的梯级水电站竞价规则和交易机制。

3 联合调度系统发展战略研究

长江流域大型水库／水电站众多，建设规模巨大，为世界之最，不仅涉及地域范围广，而且调度目标多、任务复杂，涉及众多行业和部门。要组建成为一个综合的水力和电力联合调度系统，首先需要做好战略规划。在中国工程院和国家自然科学基金委的联合资助下，长江科学院承担了国家自然科学基金项目“长江上游大型梯级水电站联合调度系统发展战略研究（U0970151）”，从联合调度系统建设、运行和管理等层面，提出长江上游大型梯级水电站群联合调度的发展思路、建设内容和工作目标。

研究认为，长江上游梯级水库群联合调度系统发展，应结合长江上游水电开发规划和运行管理现状，本着统筹规划、因地制宜、突出重点、分步实施和协调推进的原则，采取市场引导和行政协调相结合等方式，分阶段、分区域逐步完善系统建设，并通过运用先进的系统调度理论方法、调控技术、管理体制和协调机制，统筹发电、防洪、供水、航运和生态环境保护等多目标需求之间关系，确保联合调度系统的科学合理和安全高效。

在系统建设中应本着“以点带面，逐步完善”的原则，以三峡梯级与金沙江中下游梯级的联合调度为重点，逐步涵盖其它梯级，保证联合调度系统建设稳步推进；在系统运行中应本着“生态友好，全局最优”的原则，强调流域水能和水资源的优化配置和整体效益，同时兼顾河流生态保护；在系统管理中应本着“公正协调，和谐发展”的原则，在社会公共利益得以保障的前提下，通过统筹协调和合理补偿，保证联合调度作业的依法有序进行［8］。

研究还确定了长江上游联合调度系统发展阶段目标，计划在2020年前，逐步开展由6～7个骨干梯级调度分中心组成的联合调度运行，包括：三峡及清江梯级、金沙江中下游梯级、乌江梯级、雅砻江梯级和大渡河梯级；在2030年前，建成涵盖整个长江上游的大型梯级水电站群联合调度运行系统及其集控枢纽中心（见图1），在现代化流域统一管理体制下，全面实现流域内的水文补偿、库容补偿和电力补偿等联合统一调度。其中三峡梯级与金沙江中下游梯级的联合调度，将是联合调度系统发展的工作重点［8］。

图1 长江上游大型梯级水库群联合调度群落布局示意图Fig.1 Layout of large-scale cascade reservoirs for the joint operation in upper Yangtze River basin

4 联合调度多目标优化模型研究

除了常规的防洪、发电、供水和调水、航运调度目标以外，有关生态和水沙调控等目标也开始被越来越多的人所接受。如何协调这些目标之间的关系，一直都是焦点问题，值得深入研究和探讨，以确定满足社会不同发展阶段的主要关注和利益取向。长江流域已建和在建的大型水库，大多数都具有多重目的和综合效益。近期随着一批控制性的大型水库建设，不仅将增强洪水调控能力，也为进一步提高水能资源利用创造了更好的条件。在此有利变化条件及实施梯级联合调度运行下，管理者再次审视这些水库的防洪与兴利之间关系。

以金沙江下游梯级水电站为例，按照以往防洪规划，每年到汛期它们都需要降低到汛限水位运行，预留最大为145亿m3的防洪库容。现在有专家认为只需要考虑水库自身及下游川江防洪安全，没有必要为距该梯级下游1 000 km外的荆江地区防洪预留那么大的防洪库容。这样可以抬高汛限水位，增加发电水头争取多发电，再用多发电产生的效益来补偿荆江分蓄洪区启用所造成的损失，进而通过多次蓄洪以逐步恢复蓄洪区湿地生态环境。

针对该设想，2008年长江科学院承担了“金沙江下游梯级水库群防洪库容调整与兴利效益复核研究”。研究中构建由金沙江下游梯级（4个水库）与三峡梯级（2个水库）组成的梯级水库群联合调度多目标优化模型，以梯级总发电量最大为寻优目标，并考虑将生态流量作为约束条件之一。对于这6个串联水库群的联合优化调度，其模型求解是一个多维非线性的复杂大系统问题，研究中采用POA（逐次优化算法）进行求解［9］。结果表明，若减少原规划确定的防洪库容，或缩短汛限水位时间，都可以提高该梯级水电站的发电效益。假设取消全部防洪库容，梯级总发电量将增加5.1%，即增加97.1亿kW·h／a发电量；若再能进一步增加水电站装机容量，则发电量还能提高。当然防洪库容减少，会增加川江和荆江河段的防洪压力。相对而言，将原规划防洪库容减少一半的方案，既能获得较好发电效益（增加66.8亿kW·h／a发电量，约16.3亿元／a收入），对川江防洪影响也不大，对荆江防洪影响也在可控范围内。另外考虑川江河段珍稀鱼类的生态保护要求，研究还建议位于最下游的向家坝水电站应考虑实施生态调度，虽然发电效益会降低0.6%，但能有效提高坝下游生态流量满足率［10］。

5 联合生态调度研究

水库建成及其蓄水和放水行为，将改变河流水文和水力学特性，影响其物理化学性质，进而对坝下河道生态环境造成一定影响。目前国内水库调度规程及运行方式，原则上重点考虑防洪、发电、供水等经济效益和社会安全，而忽略了河流自身的生态安全与水环境要求，从而导致建坝河流的生态系统完整性破坏、生物多样性退化等问题。已有实践表明，通过水库群联合调度，虽然不能完全消除大坝对河流的物理阻断效应，但可以通过模拟自然水文情势，为河流重要生物产卵、繁殖和生长创造适宜的水文水力条件。

2008－2010年期间，围绕着水库群的生态调度问题，长江科学院通过开展“水库生态调度理论方法与应用研究”、“Developing Ecosystem Flow Recommendations for the Lower Jinsha River”等科研项目，对水库群生态调度的基本思想、调度目标、原则和主要内容进行了探讨和研究。研究认为，水库群联合生态调度的核心思想，是通过调整水库群下泄流量过程和合理利用不同调度方式，达到改善库区及整个河流系统的生境条件，尽量避免水文情势剧烈变化成为河流生态问题的限制性因素。鉴于河流生态问题的复杂性，目前宜先抓住影响生态问题的关键水文过程，建立生态需求和梯级水库调度之间关系［11］。客观而言，河流生态问题的解决仅仅依靠水库生态调度是不能完全解决的，还需要辅以水环境保护、生态修复、流域综合管理等必要的工程与非工程措施。

6 联合调度管理体制研究

大型梯级水库群联合调度运行，是一项极为复杂的系统工作，必须有一整套的管理体制和协调机制来保障联合调度的合法有序运行。目前，我国还没有出台有关梯级水库群联合调度的政策条例和管理办法。针对该问题，长江科学院开展了“以三峡工程为骨干的长江上游水库群联合调度研究”、“长江上游水电开发与生态环境保护的协调对策研究”、“水库群联合调度管理体制与协调机制研究”、“长江流域控制性水库联合生态调度的管理体制和运行机制研究”等科研工作。

研究过程中结合长江干支流水库群运行现状及存在的问题，在保障防洪和用水安全的前提条件下，本着效率优先、利益共享、公平协调、合理补偿等原则，提出了以三峡水库为核心的长江干支流控制性水库群联合调度的管理体制和协调机制。并针对不同调度模式（防洪调度、发电调度、抗旱应急调度和生态调度）下的管理主体和利益相关方，初步提出了相应的协调原则、方式和程序［12，13］。从长江流域水库运行现状来看，可采取“自上而下”和“自下而上”2种方式，逐步组建联合调度管理体制和组织机构。其中“自上而下”方式是在国务院相关部委指导下和各省级政府配合下，成立以水行政主管部门为主的梯级水库群联合调度管理委员会，由该委员会来负责各管理部门组建和制定配套管理规章，然后统一部署成立水库群联合调度集控和协调中心。“自下而上”方式是以现有三峡梯调中心和乌江梯调中心为参考模式，其它干支流水系根据需要，成立各自的梯调中心，先实现各干支流水系各自的梯级联调，然后在各梯调中心基础上，本着自愿协商原则，成立涵盖整个长江流域上游水系的联合调度集控和协调中心。“自上而下”是由政府主导的，“自下而上”是各水库群自发形成的。最好的方式是将二者结合起来，将国家意志和公共发展与水库管理实体利益融合，通过政府引导和市场竞争等手段，建立管理组织和协调机构。

7 联合调度仿真平台研究

大型梯级水库群联合调度作业，对信息管理系统的要求更高。以欧美国家为例，随着水情自动测报、计算机、通信和自控等技术的不断发展，各国梯级水库控制的集中化、自动化程度越来越高，几乎所有工作都可以在一个集中控制中心远距离完成，全面实现了计算机控制［6］。在调度软件系统方面，不仅仅满足水库调度信息的数字化采集、处理、分析和公布，更重要是基于模型计算基础上的智能化响应和决策。

针对长江流域梯级水库群联合调度的未来管理需求，长江科学院利用当前最新发展的数字流域模拟技术及3D可视化仿真技术，开展了“流域整体模型系统集成研究及示范”。通过该研究，提出数字流域及整体模型系统的体系结构、集成模式及解决途径；并从应用角度，初步研发3D水利信息管理平台（见图2）、2D专业模型控制平台和3D可视化决策平台，以满足水利管理工作人员、专业技术人员和管理决策人员等不同层次的信息化需求；继而以三峡梯级水库调度为例，初步研制了梯级水库联合调度可视化决策仿真平台（见图3）。在该平台中，集成了分布式水文模型、水动力模型、水库优化调度模型和调洪调度模型，通过这些模型可以模拟梯级水库联合调度的水文及水动力过程，计算结果可通过可视化平台进行模拟仿真显示，便于管理决策者的直观判断和科学决策。

图2 3D水利信息管理平台用户界面Fig.2 The interface of 3D watershed GIS m anagement system

图3 三峡-葛洲坝梯级水库联合调度虚拟仿真Fig.3 Simulation of the joint operation of Three Gorges-Gezhouha cascade reservoirs

8 结 语

本文结合近年来开展的相关科研工作，对梯级水库群联合调度的发展战略、优化模型、生态调度、管理体制和仿真平台等方面，进行了探讨、研究和总结，认为长江流域大型梯级水电站群的联合调度，将能有效提高长江防洪安全保障，促进流域水资源的整体优化配置和水能资源的高效利用。考虑到长江流域大型梯级水库群联合调度系统复杂、规模庞大，管理目标多、技术含量高、协调难度大，强有力的科技支撑和管理手段必不可少，在当前有必要抓紧时间研究解决其中存在的几个关键问题：

（1）在调度方法方面，需要完善的多目标联合调度系统优化理论和新思路来指导；

（2）在减少负面效应方面，需要科学评估梯级水库建成运行后的不利影响，准确掌握梯级水力关系改变、水沙变异与河流生态环境之间的长期相互作用机理；

（3）在系统安全保障方面，不仅要有一套理论先进、具有实用性和可操作性的技术支持体系，对信息采集、电子监控、自动控制、网络通讯等提出更高的技术要求；

（4）从提高系统管理效率角度，需要完善管理制度、协调机制和政策法规措施；

（5）为保障生态安全，需要研究解决兼顾生态保护和恢复需求的梯级水电站联合调度模式和技术方案；

（6）在应对全球气候变化和人类活动影响等方面，需要充分认识变化条件下的水资源演变规律及其影响，寻求科学对策和合理措施。

［1］ 陈 进.长江流域大型水库群统一蓄水调度问题探讨［J］.中国水利，2010，（8）：10－13.（CHEN Jin.Dis-cussion on the Unified Water Storage of the Reservoirs in Yangtze River Basin［J］.China Water Resources，2010，（8）：10－13.（in Chinese））

［2］ 陈 进，黄 薇.长江水库群联合调度可能性分析［J］.长江科学院院报，2008，25（2）：1－5.（CHEN Jin，HUANGWei.Possibility Analyses of United Regulation of Reservoir Groups in Changjiang River Basin［J］.Journal of Yangtze River Scientific Research Institute，2008，25（2）：1－5.（in Chinese））

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［8］ 许继军，陈进，陈广才.长江上游大型水电站群联合调度发展战略研究［J］.中国水利，2011，（4）：24－28.（XU Ji-jun，CHEN Jin，CHEN Guang-cai.Research on the Developing Strategies of Large-Scale Cascade Reservoirs Joint Operation in Upper Yangtze River Basin［J］.ChinaWater Resources，2011，（4）：24－28.（in Chinese））

［9］ 杨春花，许继军.金沙江下游梯级水库与三峡梯级水库联合发电调度研究［J］.水电能源科学，2011，29（5）：142－144.（YANG Chun-hua，XU Ji-jun，HUANG Wei.Joint Hydropower Operation for Three Gorges Cascade and Lower Jinsha River Cascade Reservoirs［J］.Water Resources and Power，2011，29（5）：142－144.（in Chinese））

［10］XIJi-jun，CHEN Jin，YIN Zheng-jie，et al.The Flexible Flood Control Capacity Exploration and Its Relevant Extra Benefit Estimation of Lower Jinsha River Cascade Reservoirs［G］∥SCHLEISSA J，BOESR M.Dams and Reservoirs Under Changing Challenges，U.S：CRC Press，2011.

［11］尹正杰，黄 薇，陈 进.长江流域大型水库实施生态调度方法框架［J］.人民长江，2011，42（4）：60－64.（YIN Zheng-jie，HUANG Wei，CHEN Jin.Management System and Mechanism of Cascade Reservoirs Operation for Ecological Considerations in the Yangtze River Basin［J］.Yangtze River，2008，39（20）：15－17.（in Chinese））

［12］尹正杰，黄 薇，陈 进.长江流域梯级水库生态调度管理体制研究［J］.人民长江，2008，39（20）：15－17.（YIN Zheng-jie，HUANG Wei，CHEN Jin.Research on Ecological Operation Framework for Large Reservoirs in the Yangtze River Basin［J］.Yangtze River，2011，42（4）：60－64.（in Chinese））

［13］黄 薇，陈 进.长江控制性水库联合调度体制及机制探讨——以湘江抗旱调度为例［J］.长江科学院院报，2010，27（12）：12－16.（HUANGWei，CHEN Jin.Exploration on System and Mechanism of Joint Dispatch of Dominant Reservoirs in Yangtze River Basin：Dispatch of Drought Control in Xiangjiang River as An Example［J］.Journal of Yangtze River Scientific Research Institute，2010，27（12）：12－16.（in Chinese） ）

（编辑：王 慰）

Key Issues in the Joint Operation of Large Cascade Reservoirs in Yangtze River Basin

XU Ji-jun，CHEN Jin，YIN Zheng-jie，CHEN Guang-cai，YANG Chun-hua，DONG Ling-yan
（Water Resources Department，Yangtze River Scientific Research Institute，Wuhan 430010，China）

The joint operation of large-scale cascade reservoirs in the Yangtze River basin will not only strengthen the flood control capability，but also bring great integrated benefit towater resources utilization and hydropower output due to their tremendous storage capacity and hydropower installed capacity.The key issues in the development，running andmanagementof jointoperation system are proposed.According to researches performed in recent years，research achievements and progresseswith respect to the developing strategy，themulti-objective optimization model，the ecological operation，themanagement system and coordinationmechanism，and the system simulation technology for the joint operation of large-scale cascade reservoirs are presented.

Yangtze River basin；large-scale cascade reservoirs；joint operation

TV211.1

A

1001－5485（2011）12－0048－05

2011-10-20

国家自然科学基金项目（U0970151，51109007）；水利部公益性行业科研项目（201101004）

许继军（1971-），男，湖北武汉人，高级工程师，博士，主要从事水资源综合利用研究，（电话）027-82926390（电子信箱）xujj＠mail.crsri.cn。