水资源

虎跳峡河段梯级对下游梯级电站水资源利用效益的补偿作用

  • 傅巧萍 , 1 ,
  • 张佳梅 1 ,
  • 曹辉 2
展开
  • 1 长江勘测规划设计研究有限责任公司,武汉 430010
  • 2 中国长江电力股份有限公司,湖北 宜昌 443133

傅巧萍(1971-),女,湖北孝感人,高级工程师,硕士,主要从事水工程调度研究和水利水电规划设计工作。E-mail:

Copy editor: 王慰

收稿日期: 2023-09-13

  修回日期: 2023-11-01

  网络出版日期: 2024-11-26

基金资助

国家重点研发计划项目(2021YFC3200302)

中国长江电力股份有限公司项目(项目编号2422020007)

中国长江电力股份有限公司项目(合同编号Z242302001)

Compensation of the Cascades in the Tiger-Leaping-Gorge Reach on the Water Resource Utilization Benefits of Downstream Cascade Hydropower Stations

  • FU Qiao-ping , 1 ,
  • ZHANG Jia-mei 1 ,
  • CAO Hui 2
Expand
  • 1 Changjiang Institute of Survey, Planning, Design and Research, Wuhan 430010, China
  • 2 China Yangtze Power Co.,Ltd., Yichang 443133, China

Received date: 2023-09-13

  Revised date: 2023-11-01

  Online published: 2024-11-26

摘要

为了给虎跳峡河段梯级开发方案和工程规模的决策提供参考,促进工程早开工、早见效,基于考虑控制性水库调蓄、已建在建跨流域引调水工程和河道外新增耗水量的边界条件,建立了长江上游控制性水库联合调度模型,计算分析了虎跳峡河段梯级不同调节库容方案时水库自身库容的利用情况,以多年平均年发电量和平枯水期发电量指标为代表分析了对下游梯级电站水资源利用效益的补偿作用。通过分析论证认为:结合汛期需要预留58.6 亿m3防洪库容的要求,虎跳峡河段设置60 亿~120 亿 m3调节库容,即可在充分利用本河段水力资源的同时,增加下游梯级电站多年平均年发电量56.2 亿~119.4 亿 kW·h,多年平均平枯水期发电量161.5 亿~294.0 亿 kW·h,继续增加调节库容,虽然对下游梯级电站的补偿效益更为显著,但库容利用率较低,边际效应递减较快。

本文引用格式

傅巧萍 , 张佳梅 , 曹辉 . 虎跳峡河段梯级对下游梯级电站水资源利用效益的补偿作用[J]. 长江科学院院报, 2024 , 41(11) : 15 -22 . DOI: 10.11988/ckyyb.20230997

Abstract

In order to provide reference for the decision-making of the cascade development plan and engineering scale of the Tiger-Leaping-Gorge reach cascade, and promote the early start and effectiveness of the project, we established the joint operation model of controlled water projects in the upper reaches of the Yangtze River based on boundary conditions considering the regulation and storage of the controlled reservoirs, the existing and constructing transbasin water transfer projects and the additional water consumption outside the river channel. By using the model, we calculated and analyzed the utilization of the reservoir’s own storage capacity of different regulating storage schemes in the Tiger-Leaping-Gorge reach. The water resource utilization benefits of downstream cascade hydropower stations was analyzed using power generation indicators as a representative. Through analysis and demonstrates, it is believed that, to meet the requirement of reserving 5.86 billion m3 of flood control storage capacity during the flood season, the Tiger-Leaping-Gorge reach set with 6 to 12 billion m3 regulating storage can fully utilize the hydraulic resources of this reach and increase the average annual power generation of downstream cascade hydropower stations from 5.62 to 11.94 billion kW·h for many years, and from 16.15 to 29.40 billion kW·h for many years during normal water periods and dry season. Further increasing the regulating storage can have more significant compensation benefits for downstream cascade hydropower stations, but the utilization rate of storage capacity is relatively low, and the marginal effect decreases rapidly.

开放科学(资源服务)标识码(OSID):

0 引言

虎跳峡河段上起旭龙水电站坝址,下至虎跳峡上峡口,处于青藏高原东南隅,横断山系与云南高原交接地带,跨越金沙江上游和中游,长约323 km,涉及云南省迪庆藏族自治州、丽江市和四川省甘孜藏族自治州,其中支流交界河以上约100 km河段为云南、四川两省共有河段[1]
虎跳峡河段水能资源丰富,在该河段进行水能资源开发,建设有一定调节能力的龙头水库,可提高下游梯级的水量利用率、发电效益及发电质量,更好地适应电力系统的负荷特性[2],对构建以新能源为主体的新型电力系统是非常重要的,可为我国“双碳”目标实现发挥重要作用。
结合工程开发情况和防洪、兴利要求,虎跳峡河段预留的58.6 亿 m3防洪库容将是长江上游水库群的组成部分,除了承担本河段防洪任务,也将配合三峡水库承担对长江中下游防洪调度任务,增强长江流域防洪调度的灵活性,进一步减少蓄滞洪区运用几率,增强长江流域防洪减灾能力,更好地保障安澜长江的构建[3]
长江流域水资源总量丰富,但时空分布不均。在虎跳峡河段建设有一定调节能力的水库,可为滇中引水工程提供可靠、稳定的水源,增加枯季引水量,降低工程运行费。水库调节后,也有利于洪水资源化,进一步提高流域水资源调控能力,缓解水资源时空分布不均问题,提升国家水安全保障能力。
但是,虎跳峡河段属于强地震区或强地震影响区,地质条件复杂,工程技术难度大;淹没涉及区域是多民族聚居区,主要分布有纳西族、藏族、傈僳族等少数民族,民族宗教关系复杂,涉及藏区维稳、民族团结与宗教和顺敏感问题,维稳工作压力大;淹没范围可能涉及较多的交通工程、红色文化景点、国家级风景名胜区。
因此,合理论证并确定虎跳峡河段开发方案和工程规模,在充分发挥梯级综合效益的同时,尽量减少不利影响,是十分必要的。本文主要分析虎跳峡河段不同调节库容方案对下游梯级电站的补偿作用,为虎跳峡河段梯级开发方案和工程规模的决策提供参考。

1 研究方法

本文基于虎跳峡河段梯级所处地理位置,结合长江上游干支流梯级水库和引调水工程规划及实施情况,拟定梯级水库研究范围及边界条件,建立长江上游干支流控制性水库群联合调度模型,采用长系列径流资料,以龙盘坝址为虎跳峡河段梯级开发代表方案,拟定不同调节库容方案,分别进行模拟调度计算,分析不同方案调节库容利用情况和对下游梯级电站的补偿作用。

1.1 梯级水库研究范围

虎跳峡河段梯级为金沙江中游的龙头水库,其入库径流受金沙江上游梯级调蓄影响,其补偿作用范围涉及金沙江中游、金沙江下游直至长江干流的三峡、葛洲坝。而三峡、葛洲坝梯级位于长江上游干流末端,入库径流受长江上游干支流控制性水库调蓄影响,因此本文梯级水库研究范围涵盖整个长江上游干支流控制性水库,总调节库容841.6 亿~996.8 亿m3,总防洪库容548.1 亿 m3,总装机容量122 881 MW。可分为上游调蓄水库、虎跳峡河段梯级、补偿梯级和长江上游其他控制性水库共4类,见表1
表1 梯级水库研究范围

Table 1 Research range of cascade reservoirs

项目 调节库容/
(亿m3)
防洪库容/
(亿 m3)
装机容量/
MW
上游调蓄水库 50.9 5 440
虎跳峡河段梯级 60~215.2 58.6 4 200
补偿梯级 391.2 394.2 84 916
长江上游
其他控制性水库
339.5 95.3 28 325
合计 841.6~996.8 548.1 122 881
(1)上游调蓄水库:指位于虎跳峡河段梯级上游,对虎跳峡河段梯级入库径流调蓄作用较强的水库,主要有金沙江上游的岗托、叶巴滩、拉哇等控制性水库,调节库容共50.9 亿 m3,装机容量共5 440 MW。
(2)虎跳峡河段梯级:以龙盘坝址方案为代表,结合防洪要求和前期相关研究成果,拟定调节库容比较范围为60 亿~215.2 亿 m3,防洪库容58.6 亿 m3,装机容量4 200 MW。
(3)补偿梯级:指位于虎跳峡河段梯级下游,受虎跳峡河段梯级调蓄影响的梯级,包括金沙江中游的梨园、阿海、金安桥、龙开口、鲁地拉、观音岩、金沙、银江,金沙江下游的乌东德、白鹤滩、溪洛渡、向家坝和长江干流的三峡、葛洲坝等已在建梯级,调节库容共391.2 亿 m3,防洪库容共394.2 亿 m3,装机容量共84 916 MW。
(4)长江上游其他控制性水库:指位于长江上游支流,对补偿梯级入库径流调蓄作用较强的水库,主要有雅砻江的两河口、锦屏一级、二滩,岷江干流的紫坪铺、支流大渡河的双江口、瀑布沟,嘉陵江支流白龙江的碧口、宝珠寺、干流的亭子口、草街,乌江的洪家渡、东风、乌江渡、构皮滩、思林、沙沱、彭水等控制性水库,调节库容共339.5 亿 m3,防洪库容共95.3 亿m3,装机容量共28 325 MW。

1.2 跨流域引调水工程

根据有关规划和设计成果及工程实施情况,长江上游已建、在建调出本流域的引调水工程主要有:滇中引水[4]、窑上海子调水、车马碧调水、曲溪水库调水、黔中水利枢纽、引江补汉等,总调水规模80.78 亿 m3,年均调出水量45.12 亿 m3;调入长江上游的跨流域调水工程有引洱入宾、黄草坪调水、玉舍水库等,年调入水量共0.98 亿 m3

1.3 新增耗水量

根据《长江区第三次水资源调查评价》[5]、《全国水资源综合规划》[6]、《长江流域及西南诸河水资源综合规划》[7]等成果,结合《国务院办公厅关于印发实行最严格水资源管理制度考核办法的通知》(国办发〔2013〕2号),预测长江上游2030年水平年及以后新增年耗水量(含流域内引调水量)约135 亿 m3[8]

1.4 联合调度模型

1.4.1 水库群联合调度原则

针对研究范围内梯级水库的特性及综合利用任务,拟定水库群联合调度原则为[9-11]:①统筹防洪与兴利、局部与整体、汛期与非汛期、单个工程与多个工程等重大关系[12]。②坚持局部服从全局、兴利服从防洪、电调(航调)服从水调的原则[13]。③防洪调度兼顾综合利用要求,在确保防洪安全的前提下,合理利用水资源[14]。④蓄水期综合考虑防洪、供水、生态、发电、航运、泥沙、淹没等因素,统筹安排干支流、上下游水库蓄水进程[15-16]。⑤枯水期统筹协调供水、生态、发电、航运等方面对水资源的需求,汛前消落与防洪相协调。

1.4.2 水库调度图绘制方法

水库调度图一般由特征水位和调度线将水库区划为防洪区、预想出力区、加大出力区、保证出力区、降低出力区等运行区域。
当水库水位位于防洪区时,电站按防洪要求调度或维持出入库平衡;当水库水位位于预想出力区时,电站按机组预想出力发电,并控制时段末库水位不低于防弃水线、不高于最高允许蓄水水位线;当水库水位位于加大出力区时,电站按加大出力发电,并控制时段末库水位不低于防破坏线、不高于防弃水线;当水库水位位于保证出力区时,电站按保证出力发电,并控制时段末库水位不低于限制出力线、不高于防破坏线;当水库水位位于降低出力区时,电站按降低出力发电,并控制时段末库水位不低于死水位、不高于限制出力线。
当水库水位位于防弃水线上时,发电出力可介于加大出力和机组预想出力之间;当水库水位位于防破坏线上时,发电出力可介于保证出力和加大出力之间;当水库水位位于限制出力线上时,发电出力可介于降低出力和保证出力之间。
(1)限制出力线的推求。水库调度中的降低出力是相对保证出力而言的,比保证出力要小,故名为降低出力。设定一个降低出力运行区域,目的是当电站遇到特枯水年或枯水期保证出力遭破坏时,为使电站发电出力破坏不致太深,避免影响到系统的运行、调峰以及电站下游综合利用要求而设置的一个运行区域。
限制出力线的推算采用长系列径流资料,从最后一个水文年的年末、库水位为死水位开始,按电站降低出力,逆时序反推各时段初蓄水位,取其上包线即为限制出力线。逆时序计算中,时段初的库水位以不高于水库最高允许兴利蓄水位且不低于死水位作为控制条件。
(2)防破坏线的推求。防破坏线的推求采用保证率以内的水文年(保证出力破坏年不计入在内),按电站保证出力,逆时序反推各时段初蓄水位,取其上包线即为防破坏线。逆时序计算中,时段初的库水位以不高于水库最高允许兴利蓄水位且不低于限制出力线作为控制条件。
(3)防弃水线的推求。防弃水线推求时,选取年水量或丰水期水量较大的几个水文年,按机组最大过流能力,逆时序反推各计算时段蓄水位,取其上包线即为防弃水线。逆时序计算中,时段初的库水位以不高于水库最高允许兴利蓄水位且不低于防破坏线作为控制条件。
(4)水库调度区的划分。死水位与限制出力线之间的水库运行区域即为降低出力区;出力限制线与防破坏线之间的水库运行区域即为保证出力区;防弃水线与最高允许兴利蓄水位之间的水库运行区域即为预想出力区;最高允许兴利蓄水位以上的水库运行区域即为防洪区。如此编制的水库调度示意图见图1
图1 水库调度示意图

Fig.1 Diagram of reservoir operation

1.4.3 调度模型

针对上述梯级水库研究范围,考虑长江上游已建、在建跨流域调水工程和河道外新增耗水影响,采用1959年6月—2014年5月共55 a连续径流系列,统筹各梯级水库综合利用任务和需求,绘制水库调度图,建立长江上游控制性水库群联合调度计算模型[17-19],计算框图见图2
图2 长江上游控制性水库群联合调度模型计算

Fig.2 Calculation block diagram of the joint operation model for the control reservoir group in the upper reaches of the Yangtze River

1.4.4 计算方法

计算时,每一级水库的入库流量为上级调蓄后的下泄量加上区间流量和调入流量,减去调出流量和耗水流量;梯级水库有水位重叠时考虑下游水库的顶托影响[20]。梯级水库及跨流域引调水工程分布示意图见图3
图3 长江上游水库及跨流域引调水工程分布

Fig.3 Distribution diagram of reservoirs and transbasin water transfer projects in the upper reaches of the Yangtze River

1.4.5 模型主要公式及约束条件

(1)出力计算公式
N i , t = K i , t Q i , t H i , t  
(2)电量计算公式
E i = t = 1 T N i , t Δ t t  
(3)梯级水库水力联系计算公式
I i , t = j = 1 n ( Q i , t + S j , t ) + R i , t - U i , t  
(4)水量平衡计算公式
V i , t = V i , t - 1 + ( I i , t - Q i , t - S i , t ) Δ t t  
(5)水位约束
Z i , t m i n Z i , t Z i , t m a x  
(6)下泄流量约束
Q i , t m i n Q i , t Q i , t m a x  
(7)出力约束
N i , t m i n N i , t N i , t m a x  
(8)初、末水位协调
Z i , s t a r t = Z i , e n d  
式中:i为电站序号;T为时段数;t为时段序号(∀tT);Δtt为时段t的时长(h);ni为下泄流量汇入电站i库区的电站座数;Ei为电站iT时段内的发电量(kW·h);Ki,tNi,tQi,tHi,tIi,tSi,tRi,tUi,tVi,t Z i , t m i n Z i , t m a x Q i , t m i n Q i , t m a x N i , t m i n N i , t m a x分别为电站i在时段t的出力系数、出力(kW)、发电流量(m3/s)、净水头(m)、入库流量(m3/s)、弃水流量(m3/s)、与上级水库间的区间流量(m3/s)、引调水及河道外耗水流量之和(m3/s)、时段末库容(m3)、最低允许库水位(m)、最高允许库水位(m)、最小下泄流量(m3/s)、最大下泄流量(m3/s)、最小出力(kW)、最大出力(kW);Zi,startZi,end分别为调度期初和期末水位(m)。

2 结果分析

2.1 方案拟定

根据《长江流域综合规划(2012—2030年)》,虎跳峡河段需预留58.6 亿 m3防洪库容,结合相关研究成果,本文以龙盘坝址正常蓄水位2 010 m方案为代表,主要分析虎跳峡河段梯级调节库容60 亿、80 亿、100 亿、120 亿、150 亿、180 亿、215.2 亿 m3等7个不同方案。

2.2 分析方法

采用长江上游控制性水库群联合调度模型,分别进行有、无虎跳峡河段梯级时长系列模拟调节计算并进行对比,分析虎跳峡河段不同调节库容方案库容的利用情况,以多年平均年发电量和平枯水期发电量指标为代表分析对下游梯级电站水资源利用效益的补偿作用。

2.3 虎跳峡河段梯级调节库容利用情况

经计算,虎跳峡河段梯级不同调节库容方案自身的库容系数、汛后蓄满率、调节库容利用率、水量利用率等指标见图4
图4 虎跳峡河段梯级调节库容利用情况

Fig.4 Utilization of regulating storage in the Tiger-Leaping-Gorge reach cascade

计算结果表明:当虎跳峡河段梯级调节库容达到150 亿 m3时,水库库容系数超过30%,具备多年调节能力;虎跳峡河段梯级调节库容60 亿~215.2 亿 m3,水库水量利用率均在95%以上,尤其是调节库容达到150 亿 m3后,水量利用率几乎接近100%;随着调节库容的增大,水库蓄满率和调节库容利用率均逐步降低。

2.4 对径流过程的调蓄作用

虎跳峡河段梯级不同调节库容方案调蓄后,多年平均下泄流量及坝址处天然径流过程对比见图5
图5 虎跳峡河段梯级不同调节库容对径流过程的调蓄作用

Fig.5 Runoff regulating and storing effects of different regulating storage schemes in the Tiger-Leaping-Gorge reach cascade

图5中天然流量过程和入库流量过程的差异可以看出,金沙江上游的岗托、叶巴滩、拉哇等控制性水库具有一定的蓄丰补枯作用,3个水库调蓄后,龙盘坝址丰水期(6—10月份)多年平均流量从天然情况的2 454.2 m3/s减少至1 962.8 m3/s,枯水期(11—5月份)多年平均流量从天然情况的608.9 m3/s增加至772.7 m3/s。
从虎跳峡河段梯级不同调节库容方案多年平均月均下泄流量过程可以看出,虎跳峡河段梯级调节库容越大,蓄丰补枯作用越好,但是单位调节库容减少的丰水期(6—10月份)多年平均流量和增加的枯水期(11—5月份)多年平均流量均呈逐步减小的趋势,详见表2
表2 虎跳峡河段梯级不同调节库容蓄丰补枯作用

Table 2 Function of storing abundant water and repleni-shing dry flow in the Tiger-Leaping-Gorge reach cascade

项目 多年平均流量/
(m3·s-1)
单位调节库容增加
平均流量/(m3·s-1)
6—
10月份
11—
5月份
6—
10月份
11—
5月份
天然 2 454.2 608.9
入库 1 962.8 772.7
调节库容60 亿 m3 1 541.2 1 076.9 -7.0 5.1
调节库容80 亿 m3 1 426.0 1 160.1 -5.8 4.2
调节库容100 亿 m3 1 315.4 1 239.9 -5.5 4.0
调节库容120 亿 m3 1 229.1 1 302.2 -4.3 3.1
调节库容150 亿 m3 1 122.5 1 379.1 -3.6 2.6
调节库容180 亿 m3 1 039.7 1 438.9 -2.8 2.0
调节库容215.2 亿 m3 984.8 1 478.5 -1.6 1.1

2.5 对下游梯级年发电量的补偿作用

虎跳峡河段梯级不同调节库容方案对金沙江中游8个梯级、金沙江下游4个梯级+三峡葛洲坝梯级多年平均年发电量的补偿作用见表3图6
表3 虎跳峡河段梯级不同调节库容下游梯级增发年电量

Table 3 Increased annual electricity generation of down-stream cascades with different regulating storage schemes in the Tiger-Leaping-Gorge reach cascade

虎跳峡河
段梯级调
节库容/
(亿 m3)
增加下游梯级
电站多年平均
年发电量/
(亿 kW·h)
单位调节库容增
加下游梯级多年
平均年发电量/
(kW·h·m-3)
补充单位调节库
容增加下游梯级
多年平均年发电量/
(kW·h·m-3)
60 56.2 1.0
1.1
80 77.5 1.0
1.1
100 100.3 1.0
1.0
120 119.4 1.0
0.7
150 140.5 0.9
0.5
180 154.2 0.9
0.1
215.2 158.5 0.7
图6 虎跳峡河段梯级不同调节库容下游梯级增发年电量

Fig.6 Increased annual electricity generation of down-stream cascades with different regulating storage schemes in the Tiger-Leaping-Gorge reach cascade

从补充单位调节库容增加下游梯级多年平均年发电量看:虎跳峡河段梯级调节库容60 亿~120 亿 m3时,约为1 kW·h/m3;调节库容120 亿~180 亿 m3时,约为0.7~0.5 kW·h/m3;调节库容180 亿 m3以上时,约为0.1 kW·h/m3

2.6 对下游梯级平枯水期发电量的补偿作用

虎跳峡河段梯级不同调节库容方案对下游金沙江中游八个梯级、金沙江下游四个梯级+三峡葛洲坝梯级多年平均平枯水期发电量的补偿作用见表4图7
表4 虎跳峡河段梯级不同调节库容下游梯级增发平枯水期电量

Table 4 Increased electricity generation during normal water periods and dry season of downstream cascades with different regulating storage schemes in the Tiger-Leaping-Gorge reach cascade

虎跳峡河
段梯级调
节库容/
(亿 m3)
增加下游梯级
电站多年平均
平枯水期发电量/
(亿 kW·h)
单位调节库容增
加下游梯级多年
平均平枯水期发
电量/
(kW·h·m-3)
补充单位调节库
容增加下游梯级
多年平均平枯水
期发电量/
(kW·h·m-3)
60 161.5 2.7
2.5
80 209.9 2.6
2.2
100 256.1 2.5
1.9
120 294.0 2.4
1.6
150 340.7 2.3
1.2
180 377.0 2.1
0.6
215.2 397.6 1.8
图7 虎跳峡河段梯级不同调节库容下游梯级增发平枯水期电量

Fig.7 Increased electricity generation during normal water periods and dry season of downstream cascades with different regulating storage schemes in the Tiger-Leaping-Gorge reach cascade

从补充单位调节库容增加下游梯级多年平均平枯水期发电量可知:虎跳峡河段梯级调节库容60 亿~120 亿 m3时,约为2.5~1.9 kW·h/m3;调节库容120 亿~180 亿 m3时,约为1.6~1.2 kW·h/m3;调节库容180 亿 m3以上时,约为0.6 kW·h/m3

3 结论

当虎跳峡河段梯级调节库容达到150 亿 m3时,库容系数>30%,水库具备多年调节能力。随着虎跳峡河段梯级调节库容的增大,水库蓄满率和调节库容利用率均逐步降低。
虎跳峡河段梯级调节库容120 亿 m3以下时,单位调节库容增加下游梯级多年平均年发电量和平枯水期发电量均较大;调节库容120 亿~180 亿 m3时,单位调节库容增加下游梯级多年平均年发电量和平枯水期发电量开始降低;调节库容180 亿 m3以上时,单位调节库容增加下游梯级多年平均年发电量和平枯水期发电量均较小,表明虎跳峡河段梯级调节库容越大,对下游梯级的补偿作用越好,但是随着调节库容增加,边际效应呈现递减的趋势。
本文研究是基于龙盘坝址正常蓄水位2 010 m方案开展的,若虎跳峡河段梯级采用其他坝址或水位开发方式,对下游梯级的补偿作用可能会略有差异,但是总体趋势不会有太大变化。
因此,结合汛期预留防洪库容要求,虎跳峡河段设置60 亿~120 亿 m3调节库容,即可在充分利用本河段水力资源的同时,发挥对下游梯级的补偿调节作用。继续增加调节库容,虽然对下游梯级的补偿效益更为显著,但库容利用率较低,边际效应递减较快。
虎跳峡河段综合利用方案是新时代下实现国家双碳战略目标、构建新型电力系统的重要举措,同时也是长江流域治理与保护的重要组成部分,对推动全面贯彻新发展理念、构建新发展格局、推动高质量发展、稳定经济社会发展具有重要意义,是国务院《扎实稳住经济的一揽子政策措施》关注的重大工程项目。建议在协调保护与开发关系的基础上,统筹协调项目的前期工作,结合河段建库条件和成本收益,尽早决策河段开发方案和工程规模,早开工、早见效。
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