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。

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Ⅱ——联合优化调度规则分析

为提升长江上游水资源利用效率,在“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”的基础上,进一步探究了雅砻江和金沙江中下游梯级上下游水库间和不同梯级间的运行规律,绘制了联合优化调度图,并分析了相关电站的蓄放水次序。研究表明:汛前金中、雅砻江梯级水库与金下梯级各水库消落开始次序宜为两河口—龙盘—锦屏一级—二滩—向家坝—白鹤滩—溪洛渡—乌东德,总体消落思路为上游水库优先消落,尽可能的保持下游溪洛渡、乌东德等电站高水位运行,提高流域整体发电效益;汛末各水库蓄水开始次序宜为锦屏一级—龙盘/二滩—两河口—乌东德—白鹤滩/溪洛渡—向家坝,总体蓄水思路为上游水库优先释放防洪库容开始蓄水,减轻下游防洪压力,且来水偏丰年份的蓄水时间相应有所推迟。

金沙江下游梯级水库夏冬季垂向水体理化特征研究

大坝建设与水库蓄水明显改变了河流的水文条件,使得坝前区域流速减缓、水位显著升高,进而影响库区物质循环模式。然而,目前关于金沙江下游梯级水库调度影响下的垂向水体理化特征变化情况仍不清晰。为此,2022年1月(冬季)和7月份(夏季)分别对乌东德、溪洛渡、向家坝3座水库坝前垂向水体进行分层采样,分析坝前垂向梯度下水温和溶解氧浓度的分布特征,并探究不同时期垂向光、热、氧特性差异的成因。结果表明:①垂向光、热、氧特性表现出明显的季节性特征,而入库和出库流量是决定梯级水库中垂向分层特性的关键因素。在夏季,垂向水温梯度变化不明显,3座水库均未形成稳定的温跃层,且库区水体垂向掺混均匀,混合层深度与水深相当;冬季水库中出现了稳定的热力分层,但受水位波动和库区水体交换的影响,主要集中在表层0~10 m水体中。此外,梯级水库中热分层稳定指数(RWCS/H)则是夏季要远大于冬季。溶解氧浓度受水温和浮游植物共同影响,在夏季表层水体中出现实测值要远高于理论饱和值的现象,并伴有氧跃层的出现。②相关性分析结果显示,夏季叶绿素a浓度与水温、溶解氧、pH、电导率、总氮和光照条件(水体透明度和真光层深度)显著正相关,冬季叶绿素a浓度则与水体透明度显著正相关,表明库区水温适宜,且光照和营养盐充足的条件下,会显著促进浮游植物的生长,进一步增加水体中饱和溶解氧浓度。因此,夏季溶解氧浓度和氧跃层厚度要明显大于冬季。冬季的真光层深度显著大于夏季,通过相关性分析发现,真光层深度主要受表层水体透明度影响,与上游来水中的泥沙含量和暴雨径流密切相关。研究成果可为水库生态的适应性调度提供参考。

梯级水库叠加影响下汉江中下游流域水文情势变化研究

水文情势是塑造河流生态系统结构和功能特征的关键性因子.汉江是长江最大的支流,为保证汉江中下游的水量,先后实施了汉江中下游梯级渠化工程,将自然河流形态变为河道型水库,对中下游水文情势产生重大影响.这里结合水文指标法(IHA)和变化范围法(RVA),识别了丹江口、王甫洲和崔家营多级水库联合运行蓄水前后对汉江中下游水文情势及其水文改变度的耦合影响.结果表明:随着中下游梯级水库数量的增多,各站流量的整体改变度增加,但与距水库距离远近关系不大;其中沙洋站从41.6%增加到72.1%;水库蓄水后,汉江中下游流量要素中,流量变化率与频率改变度绝对值最大(平均水文改变度为61.2%),其次是高、低脉冲频率与历时、极端流量大小及历时和月平均流量值(平均水文改变度分别为59.9%、54.7%和43.0%),随着上游梯级水库数量的增多,各站水位的整体改变度大大增加,且在皇庄站以上,距离水库越远,改变度越大;水库蓄水后,汉江中下游水位要素中,月平均水位值的改变度绝对值最大(平均水文改变度为68.1%).说明梯级水库对汉江中下游流域的耦合作用与水库数量密切相关,且对水文情势尤其是水位的改变很大.

面向鱼类产卵繁殖的人造洪峰生态调度实践——以金沙江下游-三峡梯级水库为例

2011-2023年,金沙江下游-三峡梯级水库共开展了20次面向鱼类产卵繁殖的人造洪峰生态调度试验,在取得良好试验成效的同时积累了大量的经验。为系统梳理多年来的生态调度试验成效及经验,详细介绍了金沙江下游-三峡梯级水库人造洪峰生态调度试验的原理、要点、监测评价方法,回顾了历年调度试验开展情况,总结了调度经验并对未来优化方向进行了展望。结果表明,金下-三峡梯级水库人造洪峰生态调度试验有效促进了长江干流产漂流性卵鱼类产卵繁殖,其中三峡水库促进坝下代表性产漂流性卵鱼类——四大家鱼自然产卵繁殖效果最为显著。截至2023年,长江中游四大家鱼累计总产卵规模达382.5亿粒。在多年生态调度和十年禁渔计划等工作的共同推动下,四大家鱼资源量基本接近20世纪80年代水平。然而,受气候变化、鱼类产卵及发育特性变化、产卵场变化等因素的影响,人造洪峰生态调度试验需要在调度过程优化、调度效果评价、调度效果提升等方面开展针对性地优化调整。相关结果可为变化环境下相似流域开展面向鱼类产卵繁殖的人造洪峰生态调度试验提供参考。

金沙江下游梯级水库人造洪峰生态调度综合效益影响分析

5~6月的人造洪峰生态调度是促进金沙江下游产漂流性卵鱼类繁殖的重要手段。为探究人造洪峰生态调度对梯级水库综合效益的影响,拟定了梯级水库不同开展时段的生态调度方案,以发电量、弃水量、供水保障率为评价指标,选取丰(25%)、平(50%)、枯(75%)典型来水对各方案进行效益分析。结果表明:典型来水条件下,向家坝在不同时段开展生态调度对梯级水库效益无明显影响,白鹤滩、乌东德分别在6月上旬、6月中旬开展生态调度时梯级水库效益最大。

金沙江下游梯级水库提前蓄水策略

随着长江上游水库群汛末集中蓄水问题日益突出,在确保防洪安全的前提下,提前抬升水库运行水位,有序衔接防洪与蓄水调度显得尤为重要。以金沙江下游乌东德、白鹤滩、溪洛渡、向家坝梯级水库为研究对象,选取发电量和水资源利用率为评价指标,探究汛期7—8月份梯级水库提前蓄水策略。研究结果表明:①平水(50%频率)、枯水(75%频率)和特枯(90%频率)来水条件下,乌东德、白鹤滩梯级水库应尽可能提前抬升运行水位,且优先抬升乌东德库水位。②7月份平水、8月份平水或枯水条件下,应优先将乌东德库水位抬升至960 m以上;7月份枯水、8月份平水或枯水条件下,应优先将乌东德库水位抬升至954 m以上。③不同来水条件下,溪洛渡水库应尽可能抬升库水位,但最高不超过585 m。

长江科学院开展丹江口水库及汉江中下游调查采样工作

2024年4月22—28日,长江科学院流域水环境研究所派员开展丹江口水库及汉江中下游流域现场调查和采样工作,支撑国家自然科学基金面上项目“泄洪雾化条件下水体邻苯二甲酸酯类的降解行为及机理研究”、湖北省自然科学基金杰出青年项目“梯级筑坝运行下典型新污染物的输移行为变化及其生态环境效应研究”、湖北省自然科学基金青年项目“筑坝河流中微塑料和泥沙的共迁移行为及机制研究”等研究的需求。此次调查分为两个工作组分别进行。其中一组围绕丹江口水库,重点监测库区不同水层活性氧的累积产率变化状况,并调查影响活性氧产生的关键水环境因素;另一组则集中在汉江中下游流域,沿程采集微塑料、邻苯二甲酸酯类等新污染物样品,开展梯级筑坝运行对新污染物输移行为的影响研究。采样期间,研究人员在丹江口水库及其支流、汉江中下游梯级水库群共设立了71个采样断面,采集了700余份水样及沉积物样品。这些样品将用于系统研究丹江口水库及汉江中下游区域的活性氧、典型新污染物输移行为。

金沙江下游梯级水库配合三峡水库联合防洪调度效果分析

为分析金沙江下游梯级水库配合三峡水库的联合防洪调度效果,运用2种补偿调度方式对长江中下游防洪的情况进行研究。分别选取1954年和1998年为典型洪水年,对不同频率下的设计洪水进行联合防洪调度演算。结果表明:金沙江梯级配合三峡水库联合防洪不仅能保障长江上游干流川江河段及荆江河段的防洪安全,而且能进一步提高三峡水库的防洪能力。与对荆江河段防洪的补偿调度方式相比,兼顾城陵矶地区的防洪补偿调度方式能进一步减少城陵矶地区的分洪量,在有金沙江梯级配合三峡水库运用时能较大程度地保证荆江河段行洪安全。

金沙江下游梯级水库汛期运行水位协同浮动调度研究

为验证梯级水库汛期运行水位协同浮动调度模型方法的合理性与普适性,在金沙江流域开展实例分析。首先考虑洪水预见期变化,应用动态多目标算法高效求解调度模型;然后评价汛期运行水位协同浮动调度的风险与效益;最后推求乌东德、白鹤滩、溪洛渡、向家坝水库的汛期运行水位协同浮动关系。研究结果表明:相比年汛限水位静态控制调度方案,梯级水库汛期运行水位协同浮动调度方案在不增加防洪风险前提下,各水库汛期运行水位均可适当抬升,汛期多年平均发电量和电站弃水减少量的最高值(改善率)可达1071亿kWh(11.1%)和649亿m^(3)(14.3%),有效提高了洪水资源利用水平,综合效益巨大。

金沙江下游-三峡梯级水库联合调度技术及实践

金沙江下游-三峡梯级水库是治理长江及实施“长江大保护”的关键性工程,也是国家能源战略重要支撑性电源组。梯级水库水力、电力联系紧密,联合调度潜力巨大,如何运用调度好梯级水库契合时代发展需求,也是水资源高效利用技术领域的重大挑战。围绕实现梯级水库综合效益最大化这一目标,详细介绍了由多源水雨情站点融合技术、气象预报技术、流域水文预报技术和梯级水库联合优化调度技术组成的技术支撑体系,在该体系保障下实施了综合考虑防洪保障、航运畅通、生态保护以及水资源利用等多方面因素的金沙江下游-三峡梯级水库联合调度。实践结果表明:2003~2021年,金沙江下游-三峡梯级水库累计拦蓄洪量2280.02亿m^(3),保障了长江流域防洪安全;累计补水3308.84亿m^(3),平均增加三峡水库下游航道水深0.81 m,为长江经济带发展畅通了黄金水道;累计开展各类生态调度试验35次,助力了长江大保护;输送清洁能源29320亿kW·h,减排二氧化碳逾24.39亿t,为双碳目标实现贡献了绿色动能。

梯级水库蓄水对长江中下游水位影响分析

长江上游梯级水库运行使得长江中下游水文情势发生了变化。基于长江中下游2012年河道实测资料,构建宜昌至大通的一维水动力模型,分析了蓄水期溪洛渡、向家坝和三峡水库联合调度对中下游控制站点水位的影响。结果表明:蓄水期上游梯级水库运行一定程度上降低了下游各个站点的水位,溪洛渡、向家坝两座水库运行对长江中下游干流的水文情势影响主要集中在9月份,以宜昌站为例,两座水库运行对宜昌站9月份旬水位影响的贡献率在27.5%~88.4%,两座水库运行对干流10月份和11月份的水文情势影响较小。三峡水库运行对长江中下游干流水文情势影响主要集中在9月下旬和10月份,三峡水库对干流11月份水库影响较小。

金沙江梯级水库下游水沙过程非恒定变化及其对通航条件的影响

随着金沙江下游梯级水库陆续建设和投入运用,坝下游的水沙过程明显改变并影响通航条件。本文提出了水沙过程非恒定变化分析方法,分析了向家坝枢纽坝下水位、流量和含沙量非恒定变化特性及其对通航条件的影响。结果表明,向家坝枢纽运用后坝下水沙变化的非恒定强度较大,水位变化的变异系数可以达到0.10～0.12,流量变化变异系数可以达到0.20～0.40,虽然出库含沙量显著减小,但含沙量变异系数最大可以达到约1.0。向家坝水文站标准化年平均水位和流量约为1.0左右,向家坝枢纽坝下山区河道的通航条件总体上是稳定的,水库运用削减洪峰和增大枯水流量有利于改善坝下河道的通航条件,但水电站日调节和水库蓄水,以及泄洪增大流量和水位的非恒定性,对坝下河道的通航条件有一定不利影响。

金沙江下游梯级联合调度对川渝河段防洪效果评价

金沙江下游四级梯级水库联合调度为长江川渝河段提供了防洪安全保障,对其防洪调度效果进行评价,可以科学衡量与评估川渝河段防洪调度效果,促进流域洪水资源化利用。基于金下四级联合防洪调度方案,建立防洪、发电、生态和航运4个准则下的评价指标体系,采用改进的层次分析法和熵权法,构建川渝河段梯级水库防洪调度效果评价模型,综合考虑防洪和兴利效益,评估不同来水频率和不同起调水位的梯级水库防洪调度效果;对比溪-向两库联合调度与金下四级联合调度效果,分析乌东德、白鹤滩水库建成投产对于川渝河段防洪调度及洪水资源化利用的综合效果。结果表明:①随着乌-白两库起调水位升高,金下四级防洪调度效果系数呈现先升高后降低的趋势。②对于20,30,50 a一遇和100 a一遇洪水,乌东德和白鹤滩水库分别从(965 m和795 m)、(975 m和790 m)、(955 m和790 m)、(952 m和795 m)起调时,金下四级防洪调度效果系数最大,梯级水库联合防洪调度方案最优。③乌东德、白鹤滩水库建成投产后,川渝河段洪水资源化利用效果提升。研究成果可用于多功能、多保护对象的梯级水库防洪调度效果评价,为地区防洪调度决策提供依据。

金沙江下游-三峡梯级水库不同时期调度策略研究

随着乌东德、白鹤滩水库的相继蓄水,金沙江下游-三峡梯级水库联合调度模式逐渐由四库向六库转变,相应梯级水库联合调度策略将发生变化。将水库全年调度时期划分为消落期、汛期、蓄水期,对近5 a不同调度时期溪向-三葛梯级四库调度策略进行总结分析,就金沙江-三峡梯级六库联合调度策略进行研究。结果表明:梯级水库在不同调度时期的调度任务和调度策略不尽相同。随着四库到六库的转变,各个调度时期,在完成调度任务的前提下,调度策略均需要发生一定的转变。研究成果可为后续梯级六库全面联合调度做铺垫。

金沙江梯级水库运用对下游河段输沙影响分析

金沙江梯级水库相继运用以来,上游的大量泥沙被拦截在水库内。为研究梯级水库运用后对水库下游河段泥沙输移的影响,对向家坝站、朱沱站及寸滩站多年的径流及输沙资料进行了计算分析。结果表明:金沙江梯级水库运用后,水库拦沙影响,水库下游河段至长江上游干流河道输沙量发生不同程度的减少;同时对长江上游的水沙特性有一定程度的改变,加剧了河段的冲刷。研究成果可为定量评价金沙江梯级水利工程建设对长江泥沙输移的影响提供参考。

基于多源数据融合的金沙江下游-三峡梯级水库调度系统设计与应用

为研究金沙江下游—三峡梯级水库在多源数据融合下的运行情况,依托三峡集团公司多源气象、水文、电力等主题数据开展分析,按照梯级调度综合效益实现流程,创新提出“气流-水流-电流”的增值描述模式,实现了气象、水文、电力等主题数据融合。在此基础上,采用数据融合信息组(DFIG)相关理论对水库调度系统进行设计并应用于日常业务中。应用实践表明,该技术方法消除了不同主题数据、不同来源数据之间的壁垒,通过专业模型提供满足日常调度的优化方案,确保梯级枢纽安全、稳定、高效运行。此外,基于多源数据融合的设计降低了数据使用成本,满足金沙江下游—三峡梯级水库调度日益增长的数据要求,全面提升了三峡集团公司梯级水库运行管理水平。

金沙江下游梯级水库防洪库容优化配置公式推导与应用

金沙江下游乌东德-白鹤滩-溪洛渡-向家坝梯级水库共同承担下游防洪任务,规划设计阶段没有考虑水库防洪库容之间的互补等效关系。基于水量平衡原理及总防洪库容不变假设,对梯级水库的防洪库容进行聚合分解,以发电为主要目标推导了两库和多库情况下梯级水库防洪库容优化配置公式,并采用数值求解。结果表明:把库容较小的乌东德和向家坝水库的防洪库容分别优化配置11.80亿、2.16亿m3给库容较大的白鹤滩和溪洛渡水库,乌东德-白鹤滩和溪洛渡-向家坝聚合系统7月和8月可分别增发电量4.45亿、0.32亿kW·h;金沙江下游四库防洪库容联合优化配置,年均发电量可增加10.37亿kW·h,经济效益十分显著。

金沙江下游—三峡梯级水库群调度运行补偿电量分配

为探究金沙江下游—三峡梯级水库群联合发电调度补偿电量及补偿规律,以溪洛渡、向家坝、三峡、葛洲坝水库为例,分别建立了单库优化调度和梯级水库联合调度模型,并以长系列历史径流为输入进行调度模拟,在此基础上,考虑各水库参与联合调度的贡献值,提出基于补偿电量贡献值的贡献系数计算方法,进行了水库间和梯级间联合调度补偿电量分配,获得了不同水库间的补偿电量,为金沙江下游—三峡梯级水库群管理决策提供理论支撑与技术支持。

金沙江下游梯级水库对氮、磷营养盐的滞留效应

氮、磷是水域重要的营养或污染物质,大型水库修建将对江河氮、磷物质的输运产生重要影响.以金沙江华弹、向家坝水文站2006-2016年实测水质资料为依据,通过建立污染物浓度与流量比值(TN/Q、TP/Q)与含沙量(S)的关系式,对金沙江下游溪洛渡、向家坝梯级水库蓄水前后进出库总氮(TN)、总磷(TP)浓度及通量的变化特征进行研究.结果表明:(1)华弹站不受蓄水影响,TN和TP浓度在0.38～1.41和0.01～0.73 mg/L之间变化,向家坝站蓄水前TN和TP浓度在0.32～1.33和0.03～0.42 mg/L之间变化,蓄水后在0.35～1.29和0.01～0.05 mg/L之间变化,蓄水后TN浓度较蓄水前略有升高,但TP浓度较蓄水前约降低75%;(2)蓄水前华弹站TN浓度与向家坝站基本接近,TP浓度总体低于向家坝站,蓄水后华弹站TN浓度低于向家坝站,TP浓度明显高于向家坝站;(3)金沙江TN以硝态氮(NO3--N)为主,占TN浓度的67.3%～91.8%;(4)两站的TN浓度随流量和含沙量变化较小,TP浓度与流量和含沙量均呈正相关关系;(5)华弹站TN、TP年通量在48357～135827和4720～14163 t之间变化,年均值分别为90337和8932 t,向家坝站蓄水前后TN年通量在64232～130966和71675～149647 t之间变化,蓄水后通量总体高于蓄水前,TP年通量在8851～18624和3131～7300 t之间变化,蓄水后通量远低于蓄水前;(6)水库蓄水对出库TN浓度与通量无明显影响,但TP浓度与通量较蓄水前明显降低,其中通量年均滞留率约为67.0%.