水电站水库库容特性解析与建模研究

针对水库库容特性的函数化表征问题,通过对水库的形态特征进行抽象,构建了描述水库一般性形态特征的三棱锥模型和不规则锥体模型,在此基础上采用数学积分方法推导出表征水库库容特性的三参数幂函数模型,并根据水库库容特性的数学性质,给出了三参数幂函数的参数取值范围,最后以长江中上游流域37座水库为研究对象,通过合理性分析和拟合优度评价,证明了三参数幂函数是一种适用性广、可靠性高、物理意义明确的水库库容特性表征函数。研究成果可为水电站水库发电精细化调度提供基础函数曲线支撑。

三峡水库香溪河库湾水-气界面热交换过程及水体稳定性

水库或湖泊的热分层结构是其动力与环境过程的重要研究方面,虽然很多学者针对水体分层结构和演变机理开展了大量研究,但水体通过水-气界面与大气进行热交换的过程,各气象因子的贡献机理等研究成果还很缺乏。本文基于三峡水库香溪河库湾2019年3月-2020年2月期间的水温、水位及气象等监测数据,针对水-气界面热交换过程如何影响水温垂向结构及表层水体湍流混合作用开展研究。结果表明,(1)香溪河水体年内呈高温期分层、低温期混合的基本特征,高温期混合层深度小于8 m,低温期混合层深度超过30 m。(2)太阳短波辐射是香溪河水体的主要热源,潜热通量和长波辐射是香溪河水体的主要冷源,感热通量贡献极小。(3)香溪河平均风速较弱,约为1.6 m/s,主要通过增强潜热和感热通量的方式影响水体垂向稳定性结构特征,其机械扰动作用较弱。(4)表层水体湍能通量在高温期较低(10^(-7)m^(3)/s3量级),此时水体处于分层状态,风应力大概率主导表层水体湍流发育;低温期表层水体湍能通量较高(10^(-6)m^(3)/s3量级),此时潜热通量和长波辐射主导表层水体湍流发育。

三峡水库补水调度对东洞庭湖典型沉水植物生境适宜性的影响

沉水植物是东洞庭湖水生态修复的重要物种,水深是影响沉水植物生长的关键因子之一。为定量描述三峡水库不同补水调度方式对东洞庭湖典型沉水植物生长生境的影响,以刺苦草(Vallisneria spinulosa)为目标物种,利用物理栖息地模型建立三峡水库补水调度期间不同出库流量与东洞庭湖刺苦草生长生境加权可利用面积(WUA)的关系。结果表明:刺苦草生长生境的适宜水深为0.2~1.8 m,最适宜水深为0.5~1.0 m;三峡水库实施补水调度后,东洞庭湖刺苦草生长生境的WUA整体呈现均匀上升趋势;三峡水库补水调度期间,出库流量为5 500~10 500 m^(3)/s时,刺苦草生长生境最适宜水深范围对应的WUA呈现先增后减趋势,在出库流量为9 500 m^(3)/s时WUA最大(74.46 km^(2)),可认为刺苦草生长最适宜出库流量为8 500~10 500 m^(3)/s。研究成果可为通过三峡水库生态调度进行东洞庭湖水生态环境恢复及保护提供参考。

水风光打捆模式下新能源占比对水电机组效率的影响

水风光打捆可为新能源大规模高效、安全并网提供重要保障,有助于提高清洁能源利用效率,进而早日实现“双碳愿景目标”,但也将加剧对水电机组运行效率的影响。重点探讨了水风光打捆模式下不同新能源占比对水电机组效率的影响以及规律。首先,构建了水风光打捆送出模式下的日调度模型,然后以乌东德水电站及其附近的虚拟风、光电场为研究对象开展了算例研究。结果表明:随着新能源占比的增加,在枯期水电机组的运行效率会下降,而在汛期则呈现先升后降的规律;对比发现,在相同装机条件下,汛期水电机组效率的日内波动性较枯期小,汛期进行水风光打捆更有利于提高水电机组的运行效率。研究成果可为新能源大规模消纳背景下的装机容量优化配置和水电机组优化运行提供参考依据。

来流变化条件下溪洛渡水库生态调度期水温分层特性研究

为探明来流变化条件下溪洛渡水库生态调度时的水温垂向分布特性,运用水温现场监测和CE-QUAL-W2模型对水温进行数值模拟的研究方法,基于实测地形和水文等数据建立溪洛渡库区的立面二维水温模型,模拟了水库在2021年1月15日—4月30日的水温动态变化过程,重点分析了生态调度期(3—4月)库区的立面二维水温分布规律及不同泄水口高程对下泄水水温的影响。结果表明:溪洛渡水库坝前水温于3月中旬开始出现温差,3月下旬表底最大垂向温差为2.02℃,垂向温度梯度在0.10℃/m以内。4月上旬、下旬水库表底最大垂向温差分别为2.41和2.81℃,垂向温度梯度在0.15℃/m以内。通过比较无叠梁门、1层叠梁门两种泄水运行工况得出,当设置1层叠梁门稳定运行时水库的平均下泄水水温提高了0.13℃。本研究可为溪洛渡水库后续的水温生态调度试验提供科学依据。

基于循环神经网络算法的水库调度模拟

为探索深度学习算法在水库调度领域的应用,利用网络爬虫技术,收集了溪洛渡水电站的调度运行数据,基于RNN、LSTM、GRU3种循环神经网络,学习电站现有调度规则,构建了溪洛渡水库的出流量预测模型,并探究不同参数设定对模型精度和计算速度的影响,对比了3种模型的模拟性能,分析了影响水库调度的主要因素。研究结果表明,隐层数、训练批量、迭代次数、隐层节点数和批量值是影响模型精度和计算速度的主要参数;3种模型具备良好的学习能力,能够根据水库的历史调度数据,学习应对不同场景的调度规则,生成出流方案,可为调度决策方案的制定提供参考依据。

三峡梯级水电站计算机监控系统功能与实现

首先分析了三峡梯级水电站计算机监控系统的功能和结构,介绍了ABB的SPIDER系统平台的结构特点以及其他功能模块实现,包括AGC、报表、发电计划流转等,最后结合国内监控系统建设的现状和长期系统建设和维护的经验,提出监控系统建设的一些建议。

长江流域水工程生态环境保护研究进展

长江流域建设有诸多水工程,在实现了巨大社会经济效益的同时也对生态环境产生众多影响。随着经济社会快速发展,长江水生态环境安全面临巨大压力,关于水工程对生态环境影响的研究也越来越多,但目前缺乏系统总结归纳。本文利用文献计量学软件VOSviewer和CiteSpace对长江流域水工程生态环境保护研究现状进行分析,并按流域不同生态空间及敏感保护区评述研究热点与发展趋势。总结当前生态环保研究存在的问题与差距。相关分析成果可为今后长江流域生态环保理论技术研究与水工程可持续运行管理实践提供宏观视角的指引与参考借鉴。

金沙江下游向家坝水库不同出库流量对四大家鱼生境面积影响的定量分析

金沙江下游河道是珍稀特有鱼类国家级自然保护区,适宜的流量是鱼类产卵繁殖的必要条件之一.为量化金沙江下游四大家鱼产卵繁殖所需的适宜生态流量,以向家坝水电站坝址至宜宾水文站(宜宾江段)为研究区域,以四大家鱼产卵期栖息地对水动力的需求作为主要生态因子,通过2012—2019年四大家鱼生境水动力实测资料建立其水动力适宜性曲线,构建基于非结构化不规则三角形网格的宜宾江段平面二维水动力模型,实现了家鱼栖息地水动力分布特征的精细模拟,采用物理栖息地模型(PHABSIM)对影响四大家鱼产卵的主要水动力条件(流速及水深)的需求进行分析,量化水库不同出库流量条件下对应的四大家鱼的栖息地加权可利用面积(WUA),建立了流量与栖息地加权可利用面积关系曲线,定量分析水库不同出库流量对四大家鱼产卵栖息地加权可利用面积的影响,据此进行适宜生态流量的选择.结果表明:金沙江下游宜宾江段四大家鱼产卵繁殖期的适宜流速为0.6~1.3 m/s,最佳流速为0.9~1.0 m/s,适宜水深为3.0~18.0 m,最佳水深为9.0~12.0 m;栖息地加权可利用面积随着水库出库流量的增加呈先增大再缓慢减小的趋势,当水库出库流量为3000 m^(3)/s时栖息地加权可利用面积达到最大,占研究河段总面积的24.26%,由此推定四大家鱼适宜生态流量为2000~4500 m^(3)/s,最佳生态流量为3000 m^(3)/s.研究显示,通过控制向家坝水库适宜出库流量,可有效保证宜宾江段四大家鱼栖息地面积,为通过金沙江下游梯级水库的生态调度、改善四大家鱼产卵场水动力条件提供了依据.

三峡水库枯水期不同运行方式对洞庭湖生态补水效果研究

洞庭湖枯水期面临的持续低水位对湖区生态环境带来严重影响,三峡水库枯水期增加下泄流量为洞庭湖生态补水提供了有利条件。为定量描述三峡水库枯水期不同运行方式对洞庭湖生态补水效果的空间差异,拟定3种水库典型消落方案,即提前消落、均匀消落、高水位消落;依托构建的江湖一体化耦合水动力模型分析不同消落方式对洞庭湖补水效果的空间分布格局,并评估不同方案对发电量的影响。结果表明:提前消落和高水位消落方式对洞庭湖水位的影响具有明显的空间异质性,对东洞庭湖北部影响较为明显,而对于东洞庭湖南部、南洞庭湖和西洞庭湖影响较小;提前消落较均匀消落方式城陵矶水位平均提高0.12m,对应的三峡发电量减小0.30%,而高水位消落方式城陵矶水位平均降低0.09m,发电量增加0.28%。研究成果可为兼顾洞庭湖生态补水的三峡水库消落方案的制定提供参考。

多源卫星降水产品在长江流域的时空精度对比

准确评估现有多源卫星降水产品的时空精度特征,可为长江流域的水资源高效开发利用奠定坚实的气象数据基础。利用长江流域191个气象站点1999—2019年逐日站点实测降水数据和TRMM(tropical rainfall measuring mission)、CMORPH(CPC MORPHing technique)、CHIRPS(climate hazards group infrared precipitation with station data)和PERSIANN_CDR(precipitation estimation from remotely sensed information using artificial neural networks climate data record)4种卫星降水产品,运用皮尔逊相关系数R、均方根误差E RMS和纳什效率系数E_(NS)等连续性指标评价卫星降水产品在长江流域时间和空间尺度上相对于站点降水的探测精度,并运用探测率P_(OD)、误报率R _(FA)和T_(S)评分3个分类评价指标衡量卫星降水产品对不同量级降水的捕捉能力。结果表明:在年尺度上,TRMM和CMORPH相对于CHIRPS和PERSIANN_CDR表现出更高的探测精度,而对于年降水量空间分布特征,仅有TRMM、CMORPH和CHIRPS能不同程度地准确反映;在月尺度上,TRMM和CMORPH对降水估计仍然具有较高精度,TRMM、CMORPH和CHIRPS在描述月降水空间分布方面在长江流域不同区域各具优势;在日尺度上,4种卫星降水产品对弱降水的捕捉能力均较强,对强降水探测能力则较差;在空间尺度上,4种卫星降水产品在日和月尺度上表现为高海拔地区精度较高,而年尺度上则无明显变化规律。总体而言,4种卫星降水产品中,TRMM和CMORPH在长江流域年、月、日不同时间尺度上更具优势,但在空间分布上,4种产品在不同地区差异显著。这一结论为进一步开发适用于长江流域的高时空分辨率降水融合产品奠定了研究基础。

基于ANSYS分析的拱坝体型优化

根据拱坝体形的几何特征,基于ANSYS软件的参数化设计语言(APDL),将零阶近似方法和随机搜索法结合起来对单圆心变厚度双曲拱坝进行了优化设计.计算结果表明,该优化方法求解效率高,优化后的坝体应力分布更均匀,优化效果明显.

荻港大跨越群桩土非线性有限元接触分析

利用大型有限元分析程序ANSYS9.0,对±1 000 kV直流输电工程荻港跨越群桩、土相互作用机制进行分析.为避免群桩、土接触分析收敛困难,做了有益的简化,即将群桩和土首先在不考虑接触的情况下,进行静力计算,从中得到各种工况下受力最大的桩,然后单独对该桩与土进行非线性有限元接触分析.计算结果表明,该分析方法可行、有效,为处理大跨越一类工程问题提供了有益的借鉴,同时,此分析成果也为荻港大跨越工程的设计施工提供了重要的理论依据.

基于群论的三峡电厂机组负荷分配算法研究

水电站厂内经济运行是一项提高水能利用效率的节能措施。厂内机组负荷分配以耗流量最小为准则,一般用动态规划方法求解。三峡电厂机组数目较多,承担负荷较大,采用动态规划求解易出现维数灾问题。本文提出基于群论的机组组合降维方法,将三峡电厂机组按运行特性分组,基于Burnside计数定理计算本质不同机组运行状态组合数及相应运行状态组合,降维后再采用动态规划法进行时间-空间优化求解。将该模型算法应用于三峡电厂厂内经济运行,结果表明,该方法能够有效降低计算量,快速响应水电系统运行工况。

梯级水库群环境风险分析

为提高梯级水库群环境风险管理水平,加强流域生态环境保护,以溪洛渡-向家坝梯级水库为研究对象,基于灾害系统理论和系统动力学,对溪洛渡-向家坝梯级水库环境风险进行了系统梳理,辨识了梯级水库环境风险承载体、风险源、风险诱因,分析了环境风险传递机理,采用贝叶斯理论进行库区水体藻类爆发概率计算。结果表明:溪洛渡-向家坝梯级水库环境风险通过水流、电流、系统动力学流进行传播,并会影响到电站机组和水工建筑物的安全,由于水动力减弱和库区污染物排放,导致库区水体藻类爆发概率为2.42%,死鱼概率为1.21%,在此基础上,绘制环境风险传递拓扑图,并提出相应的环境风险管控措施。

兼顾下游生态流量的溪洛渡-向家坝梯级水库蓄水期联合优化调度研究

金沙江下游为珍稀特有鱼类国家级自然保护区,鱼类自然繁殖生长需要适宜的生态流量。为探究金沙江下游已建成的溪洛渡-向家坝梯级水库蓄水期的适宜生态流量改变度与梯级水库发电量间的关系,采用RVA法量化下游河道适宜生态流量,建立以调度期内发电量最大和下游河道适宜生态流量改变度最小为目标的梯级水库群多目标优化调度模型,并用NSGA-Ⅱ算法(非支配排序遗传算法)对模型进行求解。以典型丰水年、平水年、枯水年溪洛渡的入库流量进行优化调度计算,结果表明:在满足约束条件下,丰水年发电量最大增加0.7%,而对应的适宜生态流量改变度增大20.82%;而以生态为目标时,可通过发电量损耗0.48%来减少28.06%的适宜生态流量改变度。平水年发电量较常规调度相比最大可增加1.28%,此时适宜生态流量改变度增大13.87%;而以生态为目标时,适宜生态流量改变度减小22.53%,但发电量损耗0.62%。枯水年发电量较常规调度相比最大可增加1.89%,此时适宜生态流量改变度增大4.96%,而以生态为目标时,适宜生态流量改变度减少13.7%,但发电量损耗0.35%。研究成果可为金沙江下游溪洛渡-向家坝梯级水库生态调度方案的制订提供参考。

兼顾四大家鱼产卵需求的梯级水电站生态调度

为实现流域梯级水电站水资源高效利用,以金沙江下游溪洛渡-向家坝梯级水库生态调度为例,通过已有研究成果以及实测数据推求四大家鱼产卵所需的适宜生态流量,构建梯级水库长短期耦合双层优化模型,上层模型采用非支配排序遗传算法(NSGA-Ⅱ)求解,下层模型采用遗传算法求解,进而提出兼顾四大家鱼产卵流量需求的梯级水库日调度方案。结果表明:与常规调度相比,当以促进四大家鱼产卵为主要目标时,调度期内(5—6月)梯级水库发电量减小1.91亿kW·h,减幅为1.76%;同时生态流量契合度增大0.123,有效洪水上涨作用期累计可达12 d,可较好地促进四大家鱼产卵。研究成果可为制定面向下游河道四大家鱼产卵的梯级水库生态调度方案提供参考依据。

基于集群化架构的水资源管理系统设计与案例研究

随着现代水利信息资源的深入开发和利用,传统的集中式水资源管理系统集成方法已经难以满足水利专业模型的高性能和服务化需求。微服务系统架构将模型封装成服务资源,为上层高级智能应用提供模块化的底层功能,是一种细粒度、低耦合、可伸缩的水资源管理模型集成方法。在专业模型的服务化中,单个服务的运行效率是系统整体性能的关键因素。在微服务系统架构下,结合水资源管理专业模型的服务化需求,提出了一种有效的水资源管理系统服务集群化方法;在采用主流的容器技术实现专业模型服务的横向性能扩展的同时,采用网关技术实现了网络和服务的负载均衡。相关技术在金沙江下游-三峡梯级电站水资源管理决策支持系统中得到应用,可为水利信息化系统的设计和开发提供参考。

流域梯级水资源管理决策支持系统关键技术研究——以金沙江下游—三峡梯级水电站为例

水资源管理决策支持系统是水库群实现防洪、发电、生态等综合优化调度目标的重要支撑。以金沙江下游—三峡梯级水电站为研究对象,针对流域梯级水资源管理面临的突出问题,研发了水资源管理决策支持系统,总结了巨型水电能源系统多源异构数据收集与处理、长江上游水库群调度智能模拟、河道水文过程及水库下游泄水波演进模拟、流域梯级水电站群长中短期嵌套联合发电优化调度、预报调度效益定量评估指标及后评估体系、流域一体化水资源管理模式下多业务嵌套重构等6大关键技术,为金沙江下游—三峡梯级水电站的水资源优化管理提供科学依据。

雅砻江和金沙江中下游梯级水库联合优化调度建模及应用Ⅰ——联合优化调度潜力分析

梯级水库群优化调度涉及联合建模、高效求解、规则提取、效益评估等多方面内容。以雅砻江和金沙江中下游梯级水库联合优化调度为主要目标,在水库群联合调度建模的基础上,引入大系统分解协调与离散微分动态规划方法进行优化求解,并设计多种方案进行效益分析。研究表明,联合优化调度相较于各水库单独调度发电量均有所增加,发电总量平均增大2.8%,尤其在来水偏丰年份,水库群联合优化对发电量提升效果显著。其中,金沙江下游梯级增发电量平均占总体增发电量的70%以上,在发电总量较低的年份,金沙江下游梯级增发电量基本等于三流域总体增发电量,展现了金沙江下游梯级库容大、水头高、调蓄能力强的巨大优势。同时,金沙江中游和金沙江下游联合优化发电量大于雅砻江和金沙江下游联合优化发电量,若能通过投资并购、调度补偿等多种形式,探索形成金沙江下游梯级与金沙江中游梯级联合优化调度模式具有重要意义。