宝珠寺水电站洪水调度优化方案

卢锟明，赵文发，程 龙，袁 超

(中国电建集团西北勘测设计研究院有限公司，西安 710065)

0 前 言

汛期水库优化调度是缓解水资源供需矛盾、防洪减灾的直接有效的非工程措施[1-2]。而随着水雨情预报信息采集数据精度的提高，结合短中长期预报技术及水文气象新方法等途径，将洪水预报应用于多功能水库汛期调度领域，可以优化调度方案，发挥多功能水库最大效益[3-4]。本文以宝珠寺水库为例，在流域水文气象资料基础上，通过研究洪水组成及遭遇规律、水文气象预报水平、洪水预报新技术新方法、水库预泄能力等，对不同类型、不同量级典型洪水进行调洪演算。在不降水库防洪标准、不增加下游防洪压力和防洪风险完全可控的前提下，开展宝珠寺水电站洪水调度优化设计，对于合理利用洪水资源，提高洪水资源利用率是十分必要的，效益也是明显的[5-7]。

1 工程概述

白龙江是嘉陵江上游最大的支流，干流全长576 km，流域面积约31 808 km2。宝珠寺是长江支流嘉陵江水系白龙江干流唯一具有年调节能力的多功能水库，水库以发电为主，兼有防洪、工业供水、航运、灌溉等综合利用效益[8]。

宝珠寺水电站位于四川省广元市境内，距广元市约20 km，距成都市约250 km，距绵阳市约160 km，距上游已建的碧口水电站约87 km，下距紫兰坝水电站约14 km。电站坝址以上流域面积28 428 km2，装机容量为700 MW，设计多年平均年发电量22.0亿kWh。

宝珠寺水电站正常蓄水位588.00 m，汛期限制水位583.00 m，死水位558.00 m，调节库容为13.40亿m3，水库回水长度72 km。宝珠寺为大(1)型工程，主要建筑物为1级建筑物。大坝、泄洪消能建筑物等按1 000年一遇洪水标准设计，洪峰流量为19 600 m3/s，设计洪水位588.46 m；10 000年一遇洪水标准校核，洪峰流量为25 600 m3/s，校核洪水位591.85 m；上游碧口水库可能垮坝洪水作为非常洪水复核大坝安全，洪峰流量102 300 m3/s，非常洪水位(保坝)594.70 m；厂房和下游河道护岸工程按1 000年一遇洪水设计，尾水平台高程498.70 m[9]。

2 原设计拟定的汛期洪水调度方式

宝珠寺水库汛期防洪调度的基本原则是：确保安全、减轻淤积、多发电量，实行“安全第一，常备不懈，以防为主，全力抢救”的方针。设计确定的泄洪建筑物开启顺序：对称开启2右底孔、2左底孔、2中孔、外表孔、内表孔。原设计汛期洪水调度方式如下：

(1) 当入库流量大于全厂满发流量(956 m3/s)、水库水位低于汛期限制水位(583.00 m)时，不限制机组运行台数，可以根据发电需要发电运行，按原设计拟定的水库调度图运行，多余水量充蓄水库，直至水库水位达到汛期限制水位(583.00 m)。

(2) 水库水位达到汛期限制水位(583.00 m)后，当入库流量大于全厂满发流量(956 m3/s)但小于8 750 m3/s时，逐步开启右底孔、左底孔、中孔，水库水位维持在汛期限制水位运行。当入库洪水流量超过8 750 m3/s，水库水位开始从583.00 m逐渐升高。

(3) 当入库流量超过13 600 m3/s(1%洪峰)且水库水位达到585.30 m(1%洪水位)时，入库洪水达到百年一遇，增开外表孔敞泄。

(4) 当入库流量超过19 600 m3/s(0.1%洪峰)且水库水位达到588.46 m(0.1%洪水位)时，入库洪水达到千年一遇，增开内表孔敞泄。

(5) 当入库洪水超过25 600 m3/s(0.01%洪峰)，且水库水位达到591.85 m(0.01%洪水位)时，所有泄洪设施全部开启敞泄，以宣泄保坝洪水(碧口水电站溃坝洪水)。

按宝珠寺水电站原拟定的运行方式，汛期水库水位达到汛期限制水位583.00 m后、且入库洪峰流量不超过8 750 m3/s时，应控制水库水位在583.00 m运行，即对洪峰流量在8 750 m3/s以下的洪水基本不调蓄，存在较大的弃水现象，汛期洪水调度方案有优化的潜力。

3 汛期洪水调度优化方案

水库优化调度是根据水库洪水入流过程，在一定调度准则下，通过优化的方法求得使目标函数达到极限时的最优运行策略[10]。通过水库调度优化，可以利用防洪与兴利公用库容减少弃水，增加发电量[11]。根据近年宝珠寺水电站运行资料，汛期未发生洪水时，水库水位大多数时候低于汛限水位，具备临时适当抬高运行水位的条件。且宝珠寺水电站以上干支流梯级水电站的相继建成投产，拦蓄了部分泥沙，宝珠寺水库入库泥沙呈现减少的趋势。为发挥宝珠寺水库巨大的调洪库容，结合洪水预报，在满足大坝防洪安全、下游防洪要求及库区防洪要求下对宝珠寺水库汛期洪水调度方案进行了优化。

3.1 洪水预报

在实际洪水预报调度工程中，气象降雨预报早于实际降雨信息，实际降雨早于预报净雨信息，预报净雨早于入库洪峰信息，更早于调洪最高水位信息[12]。准确、及时的水情实时及预报信息是宝珠寺水库预报调度的关键，预报精度与预见期直接影响调度效果。

宝珠寺、碧口水电站水雨情信息采集已实现自动测报，洪水预报的精度达到了甲级水平，但预见期短，在此基础上，通过水文气象耦合应用、短中长期预报结合及水文气象新技术新方法等途径，延长预见期，争取到24～120 h的预报预泄时间。

3.2 预报调度

在水库防洪调度优化设计中，涉及到水库上、下游防洪安全的协调，必须对洪水流量进行合理的时空再分配[13]。本次优化调度结合气象、降雨及洪水预报，首先判别洪水类型(区间型洪水、全流域型洪水、上游型洪水)，根据洪水类型，分别按“区间型洪水预报调度方案”、“全流域型洪水预报调度方案”、“上游型洪水预报调度方案”的启用条件进行判别，当分别满足相应类型洪水预报调度的启用条件后，在不降低水库防洪标准、不增加下游防洪压力和防洪风险完全可控的前提下，合理利用洪水资源，提出水库常遇洪水预报调度的启用条件及蓄水控制指标，实施洪水预报调度。

3.2.1 区间型洪水调度优化方案

区间型洪水特点是洪水峰量小，过程陡涨陡落，历时短。以区间洪水特点作为出发点，以减少水库弃水、发挥水库的综合利用效益为准则，当汛期水库水位达到汛期限制水位583.00 m时，进行调度优化。区间型洪水调度优化方案如下：

(1) 满足区间型洪水预报调度启用条件时，水库才允许蓄水。

(2) 当预报入库洪峰流量小于全厂满发流量956 m3/s时，电站平均发电流量应等于入库流量，维持水库水位不超过汛期限制水位583.00 m。

(3) 当预报入库洪峰流量大于956 m3/s、小于等于5 000 m3/s时，电站按全厂满发流量956 m3/s发电，剩余水量蓄在水库里，控制水库最高蓄水位为587.00 m。

(4) 当预报入库洪峰流量大于5 000 m3/s、小于等于5 500 m3/s时，电站按全厂满发流量956 m3/s发电，剩余水量通过泄洪设施下泄(弃水)，维持水库水位在583.00 m运行；待洪峰流量过后、洪水处于退势时，关闭泄洪设施，电站按全厂满发流量956 m3/s发电，剩余水量蓄在水库里，控制水库最高蓄水位为586.00 m。

(5) 当预报入库洪峰流量大于5 500 m3/s、小于等于6 000 m3/s时，电站按全厂满发流量956 m3/s发电，剩余水量通过泄洪设施下泄(弃水)，维持水库水位在583.00 m运行；待洪峰流量过后、洪水处于退势、且入库洪水流量小于5 500 m3/s后，关闭泄洪设施，电站按全厂满发流量956 m3/s发电，剩余水量蓄在水库里，控制水库最高蓄水位为585.00 m。

(6) 当预报入库洪峰流量大于6 000 m3/s时，原则上应恢复正常防洪调度，提前将水库水位降到汛期限制水位。但可以等到洪峰过后，洪水处于退势、且入库洪水流量小于5 500 m3/s后，满足区间型洪水预报调度启用条件时拦蓄洪尾水量。

3.2.2 全流域型洪水调度优化方案

全流域型洪水特点是洪水量较大，而峰有大、有小，但总体上较区间型要小，洪峰流量多在2 000 m3/s以上，整体上呈“区间洪水造峰，上游洪水造量”的组合，洪水过程较长。针对全流域型洪水的特点，对全流域型洪水进行调度优化。全流域型洪水调度优化方案如下：

(1) 满足全流域型洪水预报调度启用条件时，水库才允许蓄水。

(2) 当预报入库洪峰流量小于全厂满发流量956 m3/s时，电站平均发电流量应等于入库流量，维持水库水位不超过汛期限制水位583.00 m。

(3) 当预报入库洪峰流量大于956 m3/s、小于等于2 500 m3/s时，电站按全厂满发流量956 m3/s发电，剩余水量蓄在水库里，控制水库最高蓄水位为587.00 m。

(4) 当预报入库洪峰流量大于2 500 m3/s、小于等于3 000 m3/s时，待洪峰流量过后、洪水处于退势时，电站按全厂满发流量956 m3/s发电，剩余水量蓄在水库里，控制水库最高蓄水位为587.00 m。

(5) 当预报入库洪峰流量大于3 000 m3/s、小于等于3 500 m3/s时，电站按全厂满发流量956 m3/s发电，剩余水量通过泄洪设施下泄(弃水)，维持水库水位在583.00 m运行；待洪峰流量过后、洪水处于退势、且入库洪水流量小于3 000 m3/s后，关闭泄洪设施，电站按全厂满发流量956 m3/s发电，剩余水量蓄在水库里，控制水库最高蓄水位为587.00 m。

(6) 当预报入库洪峰流量大于3 500 m3/s、小于等于5 000 m3/s时，电站按全厂满发流量956 m3/s发电，剩余水量通过泄洪设施下泄(弃水)，维持水库水位在583.00 m运行；待洪峰流量过后、洪水处于退势、且入库洪水流量小于3 000 m3/s后，关闭泄洪设施，电站按全厂满发流量956 m3/s发电，剩余水量蓄在水库里，控制水库最高蓄水位为587.00 m。

(7) 当预报入库洪峰流量大于5 000 m3/s时，原则上应恢复正常防洪调度，提前将水库水位降到汛期限制水位。但可以等到洪峰过后，洪水处于退势、且入库洪水流量小于3 000 m3/s后，满足全流域型洪水预报调度启用条件时拦蓄洪尾水量。

3.2.3 上游型洪水调度优化方案

上游型洪水的特点是峰小量大，洪峰流量多在1 000～2 500 m3/s之间变化，过程缓涨缓落，历时长。针对上游型洪水的特点，对上游型洪水进行调度优化。上游型洪水调度优化方案如下：

(1) 满足上游型洪水预报调度启用条件时，水库才允许蓄水。

(2) 当预报入库洪峰流量小于全厂满发流量956 m3/s时，电站平均发电流量应等于入库流量，维持水库水位不超过汛期限制水位583.00 m。

(3) 当预报入库洪峰流量大于956 m3/s、小于等于1 500 m3/s时，电站按全厂满发流量956 m3/s发电，剩余水量蓄在水库里，控制水库最高蓄水位为587.00 m。

(4) 当预报入库洪峰流量大于1 500 m3/s、小于等于2 500 m3/s时，电站按全厂满发流量956 m3/s发电，剩余水量通过泄洪设施下泄(弃水)，维持水库水位在583.00 m运行；待洪峰流量过后、洪水处于退势时，关闭泄洪设施，电站按全厂满发流量956 m3/s发电，剩余水量蓄在水库里，控制水库最高蓄水位为587.00 m。

(5) 当预报入库洪峰流量大于2 500 m3/s时，原则上应恢复正常防洪调度，提前将水库水位降到汛期限制水位。但可以等到洪峰过后，洪水处于退势、且入库洪水流量小于2 000 m3/s时，满足上游型洪水预报调度启用条件时拦蓄洪尾水量。

3.3 实测洪水验证

《水文情报预报规范》提出了对水文预报方案进行了检验和评定的要求，目的在于考察预报成果的精度及可能影响[14]。预报调度是以预报的洪水过程、而不是实测过程为依据，需要实测洪水对调度优化方案进行验证。

3.3.1 区间型洪水实测过程验证

区间型洪水实测验证选择不同洪峰流量对应的典型洪水过程，按拟定的区间型洪水防洪调度方式进行验证，得到不同量级洪水的调节计算成果(见表1)、区间型代表洪水过程调度图(见图1)。

表1 实测区间型典型洪水过程验证计算结果表

3.3.2 全流域型洪水实测过程验证

全流域型洪水实测验证选择不同洪峰流量对应的典型洪水过程，按拟定的全流域型洪水防洪调度方式进行验证，得到不同量级洪水的调节计算成果(见表2)、全流域代表洪水过程调度图(见图2)。

图1 区间型洪水调度过程图

图2 全流域型洪水调度过程图

3.3.3 上游型洪水实测过程验证

上游型洪水实测验证选择不同洪峰流量对应的典型洪水过程，按拟定的上游型洪水防洪调度方式进行验证，得到不同量级洪水的调节计算成果(见表3)、上游型代表洪水过程调度图 (见图3)。

图3 上游型洪水调度过程图

3.3.4 洪水实测过程验证结果

根据不同类型实测洪水过程验证计算结果，针对不同类型洪水拟定的优化调度方案，均满足控制水位要求，也满足上下游及本工程防洪安全要求，说明拟定的优化调度方案合理可行，符合本流域洪水特性。

表2 实测全流域型洪水过程验证计算结果表

表3 实测上游型洪水过程验证计算结果表

4 优化方案效益

采用洪水预报调度优化方案运行后，效益有直接效益和间接效益。

(1) 直接效益主要为发电效益。发电效益主要包括2个部份：一是增加发电水头、降低发电耗水率后增发的电量；二是增加蓄水量直接增发的发电量。宝珠寺水库采用预报调度后，可增加多年平均发电量约为3 835万kWh，占设计多年平均发电量的1.74%。按目前电价计算，可增加发电收入约1 428万元。

(2) 间接效益为增加水电发电量替代火电站发电量而节约的煤耗、减少废气排放的环境效益、社会效益和防洪效益等。环境效益主要表现为：按燃煤火电标煤耗320 g/kWh计算，每年可以节约煤炭约1.23万t，可以减少废气排放，其环境效益和社会效益也是明显的。同时由于汛期多拦蓄洪水，将减轻下游的洪水损失和防洪压力，具有一定的防洪效益。

目前，根据初步了解，调度方案已获得长江水利委员会批准，同意宝珠寺水电站按照该方案进行洪水调度。

5 结 语

宝珠寺水电站洪水调度优化方案是在不影响工程本身及上下游防洪安全的前提下，适当拦蓄常遇洪水(洪尾)临时抬高水库水位，以提高发电水头和洪水资源化利用率，并未改变汛期限制水位，也未改变防洪标准。

该防洪优化调度方案建立在完善水电站水文气象预报系统、加强新技术新方法的研究应用、提高水文气象预报精度的基础上，应积极开展试验性调度运用，加强滚动预报，逐步逐级抬高预报预泄运行水位，并不断总结完善，进一步研究洪水预报调度方案，更好、更充分地发挥水库的综合效益[15]。