三峡水利枢纽综合调度管理研究与实践

三峡水利枢纽综合调度管理研究与实践摘要:三峡工程装机容量2250万kW，年发电量近1000亿kW•h，所提供的大量清洁可再生能源在中国经济建设中扮演重要角色。三峡水库是多目标运用水库，首要任务是防洪，其次是发电并兼顾调节航运的任务，此外还须考虑生态与环境保护因素。介绍了三峡水库在实现水能综合高效利用方面的研究成果，包括枢纽管理体制，防洪、发电、航运以及泥沙等关系处理，三峡水利枢纽管理调度系统建设，气象水文预报工作现状及成果，防洪、发电、航运调度成绩以及三峡水库泥沙研究与实践等，特别介绍了三峡水库在通过电站运行调度保护流域生态方面的研究所取得的一定的成果，例如有关通过人造洪峰改善下游四大家鱼产卵课题的研究等。2003～2006年枢纽实际调度运行的各项参数表明，三峡水利枢纽发挥了防洪、发电、航运等多方面的效益，成果显著。关键词:防洪;发电;航运;生态调度;调度管理;三峡水利枢纽中图分类号:TV697.1文献标识码:A中国长江三峡工程是迄今为止世界最大的水利枢纽工程。三峡水利枢纽建成后，控制流域面积100万km2，防洪库容221亿m3，可极大改善下游防洪形势;三峡水库全长600km，上游川江航道因此得到根本改善;三峡电站拥有总装机2250万kW，年发电量近1000亿kW•h，每年可为国家节约大量化石燃料，显著减少温室气体排放。三峡工程拥有巨大的防洪、发电、航运等综合效益，在国家社会经济发展中举足轻重;工程建成后，调度管理将面临前所未有的挑战———如何协调平衡防洪、发电、航运等各方的利益，如何进行科学合理的调度管理，使其综合效益最大，加上日益突出的水利工程的生态环保需求则无疑都给管理增加了新的课题。1管理体制水资源一体化管理是当今流域管理的趋势，而三峡工程突出的作用，特殊的地位也决定了它的管理体制必须采用一体化的综合管理模式。综合管理模式首先体现在三峡工程对防洪、发电、航运等进行统一的多目标管理。为此，政府组织相关部门研究制定了《三峡—葛洲坝水利枢纽梯级调度规程》（以下简称《调度规程》，针对不同时期，如围堰发电期、初期运行期以及正常运行期，制定不同的《调度规程》），并以法律法规的形式颁布实施。《调度规程》从多目标管理的角度出发，协调各方的利益，以综合效益最大为目标，是目前三峡工程管理的法律性文件，各种调度管理措施都必须服从规程的规定。此外，距三峡大坝下游约38km处的葛洲坝水利枢纽是三峡工程不可分割的梯级枢纽，三峡—葛洲坝梯级枢纽及其水库必须联合统一调度。中国长江三峡工程开发总公司是三峡工程的项目法人，代表国家负责梯级枢纽的建设和运行管理，在《调度规程》规定的职责范围内实行统一调度。而在汛期，当入库流量超过一定值后，则由长江防总或国家防总直接指挥三峡—葛洲坝梯级枢纽的调度与管理。2多目标管理多目标问题的求解原理可根据决策分析过程中的目标效用函数V是否存在，是否能够显式表达而分成3类:①目标效用函数V存在并可用数学公式表达，则可采用决策者偏好的事先估计进行求解;②存在一个稳定的效用函数V，但并不试图将它明确地表达出来，只假设该函数的一般形式，则决策者的偏好在求解过程中通过交互逐步明确;③不存在一个稳定的效用函数，无论是显式的还是隐式的，则采用决策偏好的事后估计法进行求解［1］。三峡工程调度管理是典型的多目标决策问题。三峡工程的巨大效益包括经济效益、社会效益、生态效益等，在目标函数中，发电效益较易量化，而防洪、航运、生态环境等方面的效益则很难估算。虽然很多学者试图构建多目标水库综合效益目标函数的显式表达形式，例如采用洪水损失的期望值作为防洪效益以及提出一些生态效益的计算方法等，但目前都尚不成熟。因此试图构建一个显式的三峡工程效益函数目前还无法实现，而根据上述求解原理之（2），遵循“决策者的偏好在求解过程中通过交互逐步明确”的思路则是可行的，以下对此稍加阐述。建三峡首要目的是防洪，因此防洪要求必须首先满足。而防洪效益的实现则是通过《调度规程》中规定的防洪调度方案给予保障，该方案是建立在对多个方案的计算比较基础之上，最终根据决策者偏好选取，由各种阶段的水位、流量阈值组成。在满足防洪要求的基础上，对发电效益和航运效益进行优化，其中发电效益可采用联合优化调度模型进行求解，而航运调度的内容则是根据航运部门的要求，保证相关江段水位、流量、水位变幅在规定阈值范围之内。当发电、航运产生冲突时，根据决策者的偏好进行交互，形成最终解决方案。《调度规程》中对上述内容都进行了详细描述。水库环境生态效益在决策者偏好中的地位越来越重要，为此《调度规程》中对水库环境、泥沙以及库区生态调度也专门进行了规定。需要指出的是，上述多目标决策过程的前提条件是保证枢纽的安全。3研究与实践三峡工程采用分期蓄水方式，2003年6月1日首次下闸蓄水，进入围堰发电期运行，库水位维持在135～139m之间;2006年6月，上游三期围堰爆破拆除，大坝全线挡水，同年10月，实现156m蓄水，枢纽进入初期运行阶段;预计在2008年水库可进入正常运行状态，即正常蓄水位（NPL）175m，汛期限制水位（FCL）145m。三峡水利枢纽的运行已近4a，工程的防洪、发电、航运等效益也逐步得以发挥，特别是实现156m蓄水后，各方面的效益更加明显。4a来，三峡—葛洲坝梯级枢纽综合调度管理系统已基本建成，图1为该系统中的相关业务流程。从图1（略）中不难发现，气象水文信息采集系统是整个调度管理的基础，预报是调度管理决策的依据。此外，调度管理涉及的部门众多，包括国家防总、长江防总、交通航运部门、国家电网公司等。三峡水利枢纽综合调度管理工作涉及方方面面，以下结合水库运行以来的调度管理实践介绍有关方面的研究成果。3.1气象水文预报3.1.1气象预报气象预报的准确程度，通过影响水文预报的精度，间接影响水库的防洪、发电等一系列重要决策。表1列出了2004年和2006年短期（24，48h）雨量预报准确率，表2为24h强降水预报准确率统计。由表知，2004年，上游流域面雨量预报24，48h预报准确率分别为81%和69%，面雨量大于20mm降水过程24h预报准确率为52%;2005年该3项指标分别为76%，76%和52%;2006年为85%，82%，60%。另一方面，在枯水期，通过水库调度补偿航运流量是增加葛洲坝枢纽下游枯期水深的有效措施。2004年的枯水期，应航道部门的要求，三峡水库先后3次实施了补偿航运流量调节方案，增大了下泄流量，提高了葛洲坝引航道和长江中游航道通航水深，在一定程度上缓解了长江中游浅滩河段枯期通航水深不足的紧张状况，保障了船舶航行安全，效果明显。（3）发电效益。自2003年7月10日三峡电站首台机组2号并网运行以来，至2006年底，三峡电厂累计发电1461亿kW•h，节水增发电量58亿kW•h;葛洲坝大江电站、二江电站2003～2006年累计发电628亿kW•h，节水增发45亿kW•h，详细信息见表7。3.3生态调度研究三峡工程建成后每年将生产1000亿kW•h清洁电能，减少大量的原煤消耗和温室气体排放，从根本上有利于生态环境保护。但同时，大坝挡水，库区淹没蓄水等也不可避免地给生态环境带来负面影响。为此，在工程设计论证以及初期运行期间，围绕生态环境保护做了大量的研究工作，并投入大量资金开展各项保护措施。近些年来，通过水库自身运行调度改善大坝上下游生态状况的研究越来越受到各方的关注，生态调度的呼声越来越高。三峡水利枢纽生态调度的主要热点问题包括:低温水下泄、气体过饱和、“人造洪峰”等。关于这些热点问题，三峡总公司组织会同相关科研单位开展了多项监测研究工作，取得了一系列成果，其中比较有代表意义的是“针对四大家鱼（青、草、鲢、鳙）自然繁殖需求的三峡工程生态调度方案的研究”，该研究成果进一步阐明了水利工程给鱼类造成影响的机理，包括:（1）水利工程一定程度上继续对鱼类早期资源产生影响。工程的调节使水文情势和水体理化特性发生变化，使部分产卵场消失或移动;洪峰过程弱化，使产卵规模减小。（2）低温水下泄，有可能使鱼类生长发育延缓，产卵期推迟;清水下泄，河道冲刷下切，原有产卵场河床底质发生变化;繁殖期洪峰主要依赖区间来水，过程弱化。（3）水质的变化对鱼类资源的影响越来越突出。为此，在进一步弄清四大家鱼自然繁殖的水文学机理的基础上，未来可采取各类生态调度措施，制造利于鱼类繁殖的“人造洪峰”，抑制低温水下泄，保护水质等。3.4水库泥沙泥沙问题是关系水库寿命，引起广泛争论的重大技术问题。在水库调度方案中，对泥沙问题的考虑占有相当重要的地位。三峡水库采取“蓄清排浑”的调度原则，减少水库的泥沙淤积。从近4a来水库运行过程中泥沙监测资料看，水库中泥沙淤积情况比初步设计时预计的要好得多:①水库来沙量大幅减少，寸滩+武隆站1990年前年均输沙量之和为4.67亿t，1991～2003年年均输沙量为3.48亿t（清溪场站从1983年开始测流，因此没有长系列资料，用寸滩和武隆代替），减少约1/3，而蓄水后减幅更大。②水库排沙比好于设计值，2003年6～12月，入库泥沙2.08亿t，出库0.84亿t，排沙比40%;2004年，入库泥沙1.66亿t，出库0.637亿t，排沙比38%;2005年，入库2.54亿t，出库1.03亿t，排沙比41%。而论证期间数学模型采用的三峡水库10a水沙系列的年均入库沙量为5.09亿t，由此第1个10a的年均出库泥沙1.54亿t，年均库内淤积3.55亿t，排沙比30%。随着上游水土保持工作的开展以及上游梯级电站的建设，三峡水库的入库泥沙问题将向着更有利的方向发展。但同时水库下游河岸冲刷的问题比过去预计的要严重些，由于三峡水库尚未蓄至正常蓄水位175m，上游水电工程的大规模开发正在进行中，来水来沙情况将来还会有较大的变化，因此，下游河势的调整可能还要持续相当长的时间。4结论与展望几年的实践证明，三峡枢纽的调度管理是成功的，不仅有效地利用了水资源，同时也保证了航运等其它目标的实现，泥沙问题也得到了良好解决，取得这些成绩主要归功于:（1）对三峡工程进行的长期研究，为调度管理提供了最科学最充分的指导。有关问题在规划设计阶段经过了系统的研究，且大多得到了较好的解决。（2）建设了一套科学完善的调度管理软硬件系统，包括上至屏山，下至汉口的水雨情遥测系统、水调自动化平台等，为调度决策提供了先进的辅助手段。（3）坚持一体化管理的思想，坚持两坝联合优化调度，重点研究了与调度息息相关的预报模型、联合优化调度模型等，强化了调度的核心技术。当然，三峡—葛洲坝梯级枢纽调度中也还有一些关键问题有待今后进一步解决，如库区（寸、武至宜昌区间）降雨（尤其是暴雨）产流预报问题，电站与电力市场的协调机制问题等。三峡水利枢纽的调度管理决策是具有世界难度的动态多目标的管理决策，主要表现在以下几个方面:（1）在汛期，枢纽调度的主旨是防洪，在满足防洪要求的前提下，通过调度保证走沙并尽可能多发电;在非汛期，则主要是协调航运、发电、生态保护之间的关系。（2）水库泥沙问题关乎水库寿命，是三峡调度管理的重要基础条件，无论汛期还是非汛期的调度，都必须认真考虑。（3）实施生态调度，为特有珍稀鱼类营造适宜的产卵、生长的水文情势。作为一个崭新的课题，生态调度与防洪、发电、航运等传统调度之间的协调关系仍有待进一步探索研究。（4）三峡水库的蓄水过程与航运、生态、发电、泥沙等问题关系密切，影响重大，因此每年汛后蓄水过程的调度也具有很大的难度。总之，三峡水利枢纽的管理有可能成为世界上最为复杂，潜力最大的水库管理命题。目前，长江上游流域的水资源开发利用形势正经历着深刻的变革，随着上游干支流数10个大型水电站的开发，以整个流域综合效益最大为目的的流域梯级一体化综合调度管理，对于流域水资源管理领域无疑将是一次难得的挑战与机遇。