我国东南沿海中小流域汛期水库优化调度研究

摘 要：本文我国东南沿海的横山水库为例，利用动态规划法建立梅汛期水库优化调度模型，模型通过协调防洪、发电之间关系，寻求最大的发电效益。通过不同典型年、历史洪水及实际调洪演算的应用分析，证明了该模型的可行性，从而提高水库的运行管理水平和水力资源利用率，充分发挥水库的经济效益和社会效益。

关键词：中小流域；汛期；水库

中图分类号：TV697文献标识码：A

一、横山水库概况

横山水库位于我国浙东沿海的奉化江支流县江上游，集雨面积150.8平方公里，总库容1.118亿立米，正常兴利库容7650万立米，多年平均来水量1.55亿立米，是一座以防洪，灌溉为主，结合供水、发电的大（二）型水利工程。该水库与亭下，横溪等工程联合调度，灌溉鄞奉平原67万亩农田，并向宁波城市供水3200万立米，电厂装机2×2500千瓦。近年来，由于经济迅速发展，城市人口的增加，水库已成为奉化和宁波市两城市主要水源地。

二、水库优化调度模型的建立

流域内水库优化调度分析是要在尊重科学的前提下，最大限度地抬高水位，利用高水位发电，充分发挥水库的最大效益。动态规划法在水库的优化调度中具有重要的作用，该方法是在最优化计算技术中，探讨以时间或空间有关的优化计算方法，它应用于分析系统的多阶段决策过程，以求得整个系统的最优决策方案。

水库优化调度问题是一个与时间和空间有关的动态规划决策问题，系统当前的状态与系统过去和未来的状态有一定关联，即水库调度系统是一个动态系统，该系统优化问题是一个与时间过程有关的优化问题，在寻求该系统最优状态与决策时，不仅是寻求某一时段状态和决策的最优，而是要采用一系列决策方案寻求到整个系统过程的最优。

（一）时段划分

应用动态规划法进行水库优化调度分析时，是将水库优化调度问题进行逐时段分解，形成一个多阶段的决策过程，并按一定的时间顺序，逐时段求出每个时段的最优决策，并经历各个阶段，从而求得整个系统的最优决策。本文重点探讨梅汛期逐月的水库优化调度方案。

（二）目标函数

（1）

式中，为各时段（月）发电量，为各月发电出力，为时段月小时数，由于，且K=7.85 , 因此，目标函数又可表示为：

（三）系统状态转移方程

（2）

式中，为本时段末库容，为上一时段末库容，和则为本时段水库的入流量和总出流量。则为时段长度（秒）。

（四）约束条件

本次水库梅汛期优化调度分析，是在满足水库防洪和供水要求的前提下，为此水库寻优过程要满足下列各项约束条件：

1、水库汛期库容或汛限水位的限制

起≤≤限（或起≤≤限），i=4，5，6 （3）

2、水量平衡约束

， i =4、5、6 （4）

3、发电出力和发电流量约束

发电出力则表示为：

（5）

4、最优过程逆推方程

水库优化调度的动态规划法是依据贝尔曼动态规划最化性原理，把水库调度问题描述成逆推方程的数学形式，以逐次逆推求得整个过程的最优解。

水库优化调度的逆推方程为：

（6）

计算时，由汛未最后一时段向前逐时段分析计算，求得累计最优发电量，以及各时段最优发电水量，各时段最优状态水位。

四、计算成果分析

（一）不同典型年下优化调度成果分析

选用横山水库1970年以来的36年梅汛期4、5、6三个月径流资料作为水库入流水量，城市供水出流按每日22万方计算，在梅汛开始的四月初采用103.0米和106.0米两种典型起调水位，采用上述优化调度模型进行水库调度计算，分析不同来水年型水库应采用的优化调度方案，结果如下：

在梅汛期对于特枯水年,由于来水量还不足于城市供水量，水库基本不能发电；而对于频率小于75%的枯水年，水库仅能满足供水需求，仅有小量可供发电；而对于频率在50%～75%偏枯水年份，对水量稍多一些年份，在4～5月份主要以蓄水为主，将水蓄至正常蓄水位，而在汛未则利用高水头发电，梅汛发电量可在80～230万度之间，而对较枯年份则只能以供水为主，在汛未利用一点剩余水量来发电；对于频率在25%～50%的偏丰水年和频率小于25%的大水年，四月份基本以蓄水为主，在5月将水蓄至正常蓄水位111.5米，然后开始发电，而在汛末6月一般是全力发电，发电效益显著。

（二）对历史洪水进行调洪演算，探讨最佳发电水位

由于水库地处东南沿海，属于典型亚热带气候区，洪涝灾害频繁。一般在梅雨期间，出现暴雨或台风暴雨概率增加，易发生较大洪水，因此有必要对历史洪水进行调洪计算。探讨6月中旬的最佳发电水位，这样既能确保发生洪水时达到不弃水，又能最大限度地提高发电水位。

约束条件：（1）要求对梅汛期百年一遇洪水全蓄，且不废泄水；（2）起调水位，本次重点分析105.0 m、106.0 m、107.0m三种起调水位；（3）发电出力和发电流量应满足公式Ni=KQH，各符号意义同前所述。

选用梅汛期“88619”、“90624”、“93701”、“94610”、“2001624”等六次不同重现期历史较大洪水，以105.0m、106.0m、107.0m为三种典型起调水位，分别对上述各次洪水全蓄调节进行计算。结果表明（表1），起调水位107.0m，最高洪水位超出汛限水位有三次洪水，且废泄水量较多；起调水位105.0m时，最高洪水都比较低，最高也只有110.68m，趋于保守；起调水位106.0m时，各次洪水最高洪水位都在111.0m附近，且最高的为111.68m，接近梅汛汛限水位。从以上分析来看，确定106.0m作为6月中旬发电下限水位是比较适宜的，也是比较安全、经济，同时水位106.0既能满足防洪要求，又能实现向7月15日台汛期限制水位107.0米顺利过渡,又能保证灌溉、供水所需，且其发电效益十分可观，是水库防洪、供水、灌溉、发电等多功能最佳结合点。

以最不利情形洪水“2001624”和“1990624”为例，分析如下：

（1）“2001624”洪水，该洪水总量2663万立米，重现期100年，起调水位106.0m，对洪水全部拦蓄调节，水库拦蓄水量1599万立米，在洪水历时期间，电厂发电864万立米，城市供水200万立米，最高洪水位达111.68米，相应库容7699万立方米，接近梅汛汛限水位。

（2）“1990624”洪水，该洪水总量1510万立米，洪峰423m3/s，重现期20年，历时3天，起调水位106米，如电厂不发电，水库拦蓄洪水1360万立米，其中城市供水75万立米，最高洪水位111.1米，相应库容7535万立米，低于梅汛汛限水位。

表1不同起调水位历史洪水调节结果表

表2 横山水库梅汛期设计洪水成果表

（三）实际应用效果分析

水库自1994年扩容加高后，梅汛汛限水位大幅升高，电厂发电量大幅增加，统计1994年～2001年发电量和发电水量发现，单位度发电用水量仍然较大，梅汛期单位度发电用水量平均11.29m3。而按照设计，发电设计单位度发电用水量9.45m3。从历年发电资料看，造成单位度电所需水量偏大的主要原因是电厂在4～5月两月发电量较大，失去了水库抬高水位的最佳时机，以致于在绝大部分时间电厂处在低水位发电，据统计，梅汛期电厂在水位104.0m以上每年发电时间一般在14天以下，这与本研究4～5月两月以蓄水为主，水位达到111.5m即全力发电的调度原则相违背。

2002年电厂发电基本以上述调度方案实施运行，已初步达到预期效果，经济效益十分可观。具体分析如下：

1、全年效益分析

2002年水库年来水量15688万立米，城市供水8767万立米，电厂发电用水6120万立米,发电量660万度，年单位度发电用水量为9.27立米,比历年平均节约用水983.4万立米,直接增加经济收入118万元,增大效益13.85%;比设计9.45立米/度节约用水118.8万立米，增加经济收入14.26万元,增大效益1.9%。

2、梅汛期效益分析

2002年梅汛期,电厂共发电281万度，发电用水量2585万立米，单位度发电用水量为9.2立米，而历年平均为11.29立米，比历年平均节约用水535万立米，直接增加收入64.21万元，增大效益18.5%，比设计节约用水65.53万立米,增加收入7.86万元,增大效益2.81%。

3、2002年优化调度方案的实施，使得城市供水大幅度增加，而发电量相对减少，若以供水置换发电计，则效益更为显著。2002年水库利用水量14816万立米，按2002实际调度9.27立米/度计，同样水量可增发电221万度，直接增加经济收入278万元。