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1、目录三峡水利枢纽综合调度管理研究与实践1澳大利亚水资源优化调度及监控管理技术12三峡水利枢纽综合调度管理研究与实践2008-11-12 来源：人民长江2008年第2期摘要: 三峡工程装机容量2250万kW，年发电量近1000亿kWh，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
2、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。20032006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
3、，年发电量近1000亿kWh，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
4、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
5、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: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;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;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
6、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
7、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135139m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
8、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
9、。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%。3.1.2 水文预报（1）长期水情预报。长期水情预报采用枯季分级退水模型、数理统计、小波人工神经网络组合模型等方法，参考气象长期预报结果而做出综合预报
10、，各月平均流量预报误差统计见表3，预报平均误差2004年为3.8%，2005年0.7%，2006年三峡上游天气异常，出现了持续异常干旱天气，坝址出现了百年不遇的枯水流量，直接导致预报平均误差达42.6%。长期水文预报一直以来就是预报界的一个难题，其根源在于长期降雨预报能力的欠缺。在当前三峡电站“以水定电”的调度管理模式下，长期水文预报能力的缺失对于年发电计划的编制等重要工作都将产生不利的影响。（2）短期水情预报。三峡入库流量分3部分，即上游干流寸滩站入流，乌江武隆站入流以及三峡区间产流。科研和生产部门曾经采用过萨克拉门托模型、TANK模型、综合约束线性系统（SCLS）模型等，这些模型大多采用降
11、雨径流应答关系及经验性的“黑箱”模型的分析方法。三峡区间现有的洪水预报方案为:干流预报采用上下游水位（流量）相关法，区间产流采用新安江三源流模型及经验单位线法2 。三峡水库蓄水后，河道水力学特性和洪水特性都发生了较大改变，因此对于以往采用的模型，须对参数进行重新率定。此外也研究了新的预报方法及手段，例如:GIS技术被应用到三峡区间洪水预报系统当中，采用分布式结构对区间进行了划分，在模拟子流域降雨产流时仍沿用了新安江三源流模型3 。目前的短期预报具有了一定的精度，为梯级枢纽调度提供了可靠的安全保证。各年短期（12，24，48h）流量预报的月平均误差见表4。短期预报中一个非常重要的内容就是对于洪峰
12、峰值及出现时间的预测，水库运行期内几场大洪水的峰值及峰现时间的预报情况如表5所示。从表5可以看出，洪峰预报无论是峰值流量第3/7页 还是峰现时间都较为准确，预见期也都达到了2d以上，为防洪调度提供了准确的数据支持。3.2 梯级联合优化调度葛洲坝是三峡的反调节水库，二者紧密相联，必须进行联合调度管理。采取优化调度思想，建立科学合理的模型方法，可以发挥梯级联合调度的优势，获取更大的效益。三峡葛洲坝梯级枢纽联合优化调度的基本原则是4 :兼顾防洪、发电、航运的要求，充分发挥最大的综合效益;汛期以防洪和排沙为主，发电服从防洪和排沙;枯水期，发电和航运统筹兼顾;调度中应充分考虑水库上下游环境水质及生态保护
13、因素。对三峡葛洲坝梯级水库优化调度方面的研究众多。从时段上分为长期优化、短期优化以及日优化模型等;从优化算法看，包括动态规划算法及其综多改进算法5，6 、遗传算法7 、模拟退火算法8 等。目前三峡葛洲坝梯级枢纽实时调度所采用的方法是严格按照调度规程中规定的各项约束条件（如汛限水位约束、保障航运安全的水位小时变幅约束、日变幅约束等）调度运行，在调度规程规定的可调节范围之内进行优化调度，尽量减少弃水，多发电。葛洲坝除发挥反调节水库作用（调节因三峡调峰造成的下泄流量不稳）外，也适当参与发电优化调度。优化调度主要通过控制三峡下泄流量以及葛洲坝坝上5号站水位，使梯级电站发电效益最大。三峡水利枢纽运行近4
14、a来，各项效益得到了显著的发挥:（1）防洪效益。利用围堰发电期内有效防洪库容发挥防洪应急调度作用。2004年9月长江上游发生较大洪水，经国家防总办公室同意，9月8日0:20三峡库水位从135.31m开始逐步上升，其后稳定在136.1136.3m，最高库水位136.42m，出现在10日22:50。本次洪水调度过程中三峡最大出库流量56800m3/s，最大削峰流量3700m3/s，拦蓄水量4.95亿m3 ，缓解了长江宜昌至石首河段的防洪压力。（2）航运效益。从表6船闸运行数据可以看出，20042005年输送的旅客人数以及货运量均比2003年有了明显增长。另一方面，在枯水期，通过水库调度补偿航运流量
15、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kWh，节水增发电量58亿kWh;葛洲坝大江电站、二江电站第4/7页 20032006年累计发电628亿kWh，节水增发45亿kWh，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kWh清洁
16、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
17、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
18、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: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，19912003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。水库排沙比好于设计值，2003年612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
19、%;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第5/7页 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
20、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
21、（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、
22、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。澳大利亚水资源优化调度及监控管理技术一、概 述澳大利亚是世界上最干旱的地区之一，虽然人均占有水资源量居世界前列，但受到厄尔尼诺、娜妮娜等气候条件的影响，水资源在时空分布上极不均匀，而且灾害频繁。为使有限的水资源充分发挥作用，改善人们的生活条件，
23、澳大利亚通过近年的努力，开发了具有世界先进水平的水资源优化调度和监控系统，对不同的流域资源实现最优配置。他们的分阶段实施、逐步实施的办法，适合中国的国情，值得我们借鉴。二、系统实施的步骤总体结构（）数据库的开发与管理系统将对所有的运行数据进行管理（阶段和阶段）。（）将现有的历史运行数据装载到系统数据库中（阶段）。（）交互式语音响应接口（）提供运行人员与远距离用户之间的在线通信，能够保证运行指令和数据的输入、提取和确认（阶段）。（）开发用户习惯的接口，易于更新和预测（阶段和阶段）。（）工作培训和实施（阶段至阶段）。供水管理（）在一定的降雨量、需水量和河流来水量的条件下，通过水文模拟和河流水力模拟
24、获得水量，能够预测来水量情况（阶段和阶段）。（）与资产、财务及通用的会计系统联系在一起，开发与资产、用水量及财务管理相关的管理系统（阶段）。（）通过的整体功能显示和管理资产登记、客户的数据库、客户的使用情况及其他的系统信息，使之与客户的形成整体（阶段）。（）引进需求预测技术（阶段）。（）网络优化（阶段）。防洪管理（）通过对洪泛河流、水深和地形的查勘，形成洪水预报系统开发的基础，准备泄洪计划并估计最终的洪水破坏（阶段）。（）通过遥感、雷达、卫星，开发率定的降雨径流模型，预测上游汇流区和支流的来水量。对主要河流和洪泛区的流量进行水动力学模拟（阶段）。（）根据的整体性能显示洪水范围并发出预警信号，估
25、计最终的洪水损失（阶段）。（）洪水预报系统的实时试验（阶段）。（）水库运行模拟和网络化以保证合适的蓄水量而不致发生洪灾损失（阶段）。（）模型的进一步完善，并与雷达、卫星及其他降雨预报工具相连（阶段）。（）引进总体洪水预报系统（或进行事故风险管理）（阶段）。上述的阶段，是指项目的开发水平而不是时间尺度，不同阶段可以平行开始。三、各阶段技术要点.阶段（）中央数据库管理系统将管理所有的运行数据并在或平台上执行。根据标准的关系数据技术，采用的图表，中央数据库将永久保存网络的数据（、手册等）。所选择的结构能够采用合适的磁盘和方法适应增加的扩充功能。（）从中央数据库到现场运行人员所发出的标准报警功能。在现
26、场发出的任何报警信号都会由数据库管理系统捕捉，并将相关的报警信息直接传递给现场运行人员。（）运行系统内河渠网络的详细说明，该网络通过计算是可以变化的。整个网络以图表的形式、包括网络连接的图形显示，通过点击图形表格可以获得每个网络目标的运行数据。（）图形用户接口（）能够使运行人员与运行数据之间完全相互交流。水流输送网络的图形说明；整个网络划分成数个区域和子区域。（）对整个网络的单个或多个现场和属性的历史数据与现行数据的时间系列进行相互检查。GUI将提供用户对网络任意部分的平移和缩放功能，并能获取和检查不同的时间比尺、现场和属性的全部网络数据。（）需求集成工具能够使所有用户需求的输入有助于制订满足
27、这些要求的计划；通过运行网络实时实地跟踪水的使用情况。待添加的隐藏文字内容2提供在网络任何点以时间和所需水量作为需求信息输入的功能，并在网络的任意点计算水流输送系统中总的需求水量。（）网络状况与历史报告的准备和提供。可直接通过有关的数据库获得。.阶段将现有的历史运行数据（供水和洪水数据）装载到系统数据库中。.阶段（）交互式语音响应接口（）提供运行人员与远距离用户之间的在线通信，能够保证运行指令和数据的输入、提取和确认。（）运行计划的制订。根据已知的需求量、运行约束条件、系统水力条件和其他因素，该工具支持中央位置运行计划的生产。（）多帮助功能。在线友好运行帮助功能将帮助运行人员开发日常运行计划。
28、（）两者之一：和的进入和性能或客户服务器数据库建立及许可。这将包括开发现有的网络或建立完全网络化的客户服务器环境促进中心站与站外的整体运行。（）寻呼机及报警装置遥控运行人员。直接向相关的人员自动报警。（）整体的严重事故报警功能及自动干预。在报警信号未得到重视的情况下，它能够自动串接到替代连接点，以保证适当的动作，像闸门关闭、水泵的启停等自动进行。（）资源配置管理。支持资源配置长期规划的工具及水权取水的准则。.阶段（）现有的河流查勘结果（地形、河深）、洪泛区、流量数据的追溯与评价，以及为开发河流模型而进行的查勘。（）数字地形图的开发。（）水力模拟有助于洪水和供水监控和预测。采用MIKE-11开发
29、水动力模型或其他类似的模型。它能够在一定范围的降雨量、需水量和河流流量的条件下与网络数据库完全耦合，并在率定后能够 对类似工况进行预测，可用于洪水和供水预报。流域和水库的水文模拟进一步有助于对洪水事件的管理。根据对数据的可用性及流域水文特性的评价，一个合适的或一定范围合适的水文模型（技术）将用于率定和配置系统。此水文模型将直接与系统的数据库接口并与水力模型耦合。.阶段（）与资产、财务及通用的会计系统相连接。能够开发连接资产、用水量和财务的管理系统。（）整体的。通过的整体功能显示和管理资产登记、客户的数据库、客户的使用情况及其他的系统信息，使之与客户的形成整体。可确定行洪的实际范围。.阶段（）根
30、据供水网络内的各种用户群体用水量的需求预测技术。（）洪水预报系统的实时试验。.阶段（）网络优化以满足下列一些目标，如：最小的抽水费用，水量的节省，洪水控制和入库的最佳线路。采用先进的鲁棒优化技术，开发最好的决策支持工具，帮助系统运行人员实现水资源管理和网络运行潜在效率的最大化。.阶段通过连接到其他气象数据进一步完善水文模型。.阶段开发总体洪水预报系统：这将包括对澳大利亚最佳实践经验的转化，如出版物洪水预警：澳大利亚指南中的成果以及大地公司（）在澳大利亚两项工程的成功实施经验，并采用这些原则以适应不同的具体情况。该系统综合了数据的采集、洪水的预报、可能的洪水影响评价、预警信息的传播、机构和社区的
31、响应、公众意识和系统评价及改进等。四、工程实例维多利亚州Goulburn-Murray水务局监测和灌溉管理系统该水务局是澳大利亚负责管理流域水资源最大的农村水利机构。它负责管理六大灌区和该州的水资源批发。业务发展的主要方向是在所有的河道系统建立完善的实时水情监测和管理系统，其中包括了系统、计算机系统、水情数据库和水资源管理及灌溉供水计划和调度。水务局可以在计算机网络系统上通过数据对复杂的河道系统进行管理。塔斯马尼亚SCADA系统塔斯马尼亚SCADA系统包括许多遥测站，负责搜集实时降雨、气候和流量信息。该网络系统可以为占塔斯马尼亚岛一半面积的流域提供洪水预警和水电站优化运行的监控信息、数据传输和交换。昆士兰州洪水预警系统在昆士兰州东南部安装的洪水预警系统为该地区提供实时气象和水文信息及洪水管理与控制。该项目主要部分是安装在布里斯班的SCADA系统，用于监测和管理布里斯班河及相应的流域。
