武漢大學清江梯級水庫群水資源高效利用研究數字孿生與水科技創新論壇，

2021.6.112021年6

月11

日郭生練1.研究背景及主要內容2.清江徑流和生態流量分析計算3.清江流域汛期分期和與洪水遭遇規律研究4.清江梯級水庫設計洪水復核與運行期汛控水位5.水布埡-隔河巖梯級水庫防洪庫容互補關系6.清江梯級水庫汛期運行水位動態控制7.清江梯級水庫提前蓄水聯合優化調度8.清江梯級水電站汛前消落優化調度與經濟運行9.清江梯級水電站中長期優化調度10.清江梯級水電站短期經濟運行調度

11.

主要結論

武漢大學

匯報提綱WUHANUNIVERSITY清江流域面積17000平方公里，水布埡、隔河巖、高壩洲梯級水庫年平均發電量70億KW.h。1研究背景及主要內容WUHANUNIVERSITY

研究背景l

長江上游水庫群和三峽水庫建成運行，荊江河段的防洪標準已經提高到百年一遇以上洪水。（三峽梯調規程2019年版，水利部）l清江梯級水庫運行邊界條件發生重大變化，清江公司管理體制改變（三峽集團控股），資料系列延長至2020年

研究內容l分析計算生態流量與設計洪水，庫容互補關系及動態分配l開展汛期運行水位動態控制和提前蓄水聯合優化調度l開展清江水庫汛前消落和水電站機組經濟運行武漢大學1研究背景及主要內容1研究背景及主要內容

預期成果（1）

研究清江洪水空間分布及季節性特征，

提出水庫提前

蓄水時機和汛前消落水位區間的判定條件（2）

研究論證清江梯級10億m3

防洪庫容靈活運用方式，

制定兩庫防洪庫容時空動態分配優化調度方案（3）

綜合考慮防洪、

發電和生態等方面的需求，

提出符合現狀的聯合經濟運行調度模型（4）

針對《清江水布埡、

隔河巖、

高壩洲梯級水庫調度規

程》相關章節

，提出修編意見武漢大學1研究背景及主要內容

效益分析（1）

經濟效益：

聯合優化調度和經濟運行方案預計可年增

發電量1～5%

，新增發電效益0.5～2億元（2）

社會效益：

提高清江長陽縣防洪能力，

長江流域發生大洪水時為荊江錯峰和調峰（3）

生態環境效益：

按照最小生態流量調度，

抬高隔河巖

水庫運行水位使回水至水布埡壩下

，有利于庫岸穩定和消落帶生態環境

，實現綠色高質量發展武漢大學1951

1954

1957

1960

1963

1966

1969

1972

1975

1978

1981

1984

1987

1990

1993

1996

19992002200520082011201420172020年份

隔河巖（1951-2020）年平均流量為382m3/s，徑流量為120.7億m3

，變化趨勢不顯著武漢大學2

清江徑流和生態流量分析計算

隔河巖壩址徑流系列延長至2020年復核計算 年平均流量

多年平均流量

8007006005004003002001000平均流量(m3/s) 。

水布埡逐旬最小生態流量法，變異性范圍法（Rangeof

VariabilityApproach,RVA）

，歷時曲線法（DurationCurve,DC）計算

最小生態流量，與Tennant法進行對比評價1234567891011121314

15

16

17

18

192021222324252627282930313233343536時間(旬)推薦DC法計算水布埡和隔河巖最小旬生態流量武漢大學2

清江徑流和生態流量分析計算300250200150100500

隔河巖流量(m3/s)計算了3種不同分期和不同頻率情景下的清江旬尺度適宜生態流量過程。采用Tennant法進行對比評價，推薦采用情景：

春秋季頻率取75%、夏季取50%和冬季取80%123456789101112131415

16

17

18

192021222324252627282930313233343536時間(旬)推薦水布埡和隔河巖旬適宜生態流量武漢大學2

清江徑流和生態流量分析計算8007006005004003002001000流量(m3/s)

隔河巖水布埡l

現水布埡-隔河巖生態流量分別為35m3/s和46m3/s，考慮旬最小和適宜生態流量的條件下

，

梯級水庫多

年平均發電量相對原設計分別降低了0.47%和2.21%。l

為貫徹落實《湖北省清江生態環境保護條例》

，

建

議以旬最小生態流量作為水庫調度出庫流量的剛性

約束

，

豐水年份或季節可采用適宜生態流量為約束。

實施生態調度減少的發電量

，

可以通過洪水資源化

得到補償武漢大學2

清江徑流和生態流量分析計算隔河巖水布埡3

清江流域汛期分期和與洪水遭遇規律研究采用數理統計法和變點分析法對洪水進行汛期分期武漢大學水庫

洪峰流量序列

3日洪量序列

7日洪量序列水布埡6月18日-7月31日6月18日-7月22日6月20日-7月20日隔河巖6月18日-7月31日6月18日-7月22日6月20日-7月20日l水布埡和隔河巖水庫的分期計算結果一致l分別采用洪峰流量和洪量的分期結果略有差別，是由于

清江流域多為洪峰較大而洪量相對較小的尖瘦型洪水3

清江流域汛期分期和與洪水遭遇規律研究水布埡-隔河巖水庫主汛期分期成果表前汛期（5.1~6.20）

、主汛期（6.21~7.31）

、后汛期（8.1~9.30）武漢大學長江和清江洪水遭遇分析

年最大洪水發生時間的日遭遇風險定義兩江年最大洪峰發生間隔時間在5天之內為遭遇：l沙市站發生大于等于5年一遇洪水的遭遇概率為20.34%l發生大于等于10年一遇洪水的遭遇概率為8.47%武漢大學3

清江流域汛期分期和與長江洪水遭遇規律研究5-15-165-31

6-15

6-307-157-308-148-299-139-28日期/

（月-日）2.52.01.51.00.50.0風險率(

×10-4)梅雨季雨量（mm）20001500100050004030201007

日洪量（億m）35/15/155/296/126/267/107/248/78/219/49/1810/2日期（月/日）

7日最大洪量

均值變點入梅

出梅3

清江流域汛期分期和與長江洪水遭遇規律研究

清江洪水與長江中下游梅雨關系清江隔河巖7日洪量汛期分期與長江中下游梅雨關系圖武漢大學l設計洪水參數基本穩定，只是在設計洪水統計參數中，均值稍有減小，變差系數稍有增大l水布埡、隔河巖設計洪水復核結果與初設成果差別不大，故維持采用現有的設計洪水成果武漢大學漁峽口洪峰長陽站洪峰4

清江梯級水庫設計洪水復核與運行期汛控水位

設計洪水復核4清江梯級水庫運行期設計洪水及運行期汛控水位

洪水地區組成

采用t-Copula函數建立水布埡水庫和水布埡~隔河巖區間年最大洪量的聯合分布n

)max

f

(x,

y1,

y2

,

,

yn?1

,

yn

)=c(u,

v1,

v2,...,

vn?1,

vn

)fX

(x)Π

fYi

(yi

)

s.t.

yi

=

zp

J}i=1l

最可能組成和同頻率組成的差異很小，原因在于清江洪水的相關性程度較高，“同頻率”假定在此流域較適用l

最可能地區組成法成果，可為設計洪水地區組成提供參考各分區3d、7d年最大洪量聯合分布擬合的P-P圖武漢大學4清江梯級水庫運行期設計洪水及運行期汛控水位l得到隔河巖水庫設計洪水的地區組成結果后，典型洪水過程線同頻率放大得到各分區的設計洪水過程線l受水布埡調蓄影響的隔河巖水庫的千年一遇洪峰流量、

1d和

3d洪量均有較大削減，削減率分別為22.6%、

13.4%和6.9%隔河巖水庫建設期和運行期千年一遇設計洪水過程線武漢大學l

清江流域發生兩百年一遇的洪水，經過水布埡—隔河巖梯級水庫運行調蓄后，長陽站設計洪峰流量均可以削減到二十年一遇

的安全泄量l

清江10億m3

防洪庫容可提高長陽防洪標準到兩百年一遇武漢大學4清江梯級水庫運行期設計洪水及運行期汛控水位

清江梯級水庫調蓄影響的長陽站設計洪水削峰率41%削峰率34.2%百年一遇千年一遇5

水布埡-隔河巖梯級水庫防洪庫容互補關系

隔河巖水庫對長陽縣防洪補償

1997典型年相比于其他典型年，20年一遇和50年一遇設計洪水洪峰洪量組合較為惡劣

若要把長陽縣防洪標準提高到50年一遇，隔河巖水庫需

預留防洪庫容2.4億m3

長陽站50年一遇設計洪水經水布埡水庫調蓄，可削峰

27.8%，方案偏于安全武漢大學主汛期運行水位圖

水布埡水庫運行水位除了2008年和2016年外，大部分年份低于汛限水位運行，即水布埡水庫實際防洪庫容經常大于預留的5億m3

防洪庫容武漢大學5

水布埡-隔河巖梯級水庫防洪庫容互補關系

水布埡和隔河巖梯級水庫防洪庫容互補關系3d洪水地區組成圖

在隔河巖歷年3d最大洪水中，水布埡水庫洪水的占比較為穩定

占比均值0.7

，歷年占比均高于0.5武漢大學5

水布埡-隔河巖梯級水庫防洪庫容互補關系

水布埡和隔河巖梯級水庫防洪庫容互補關系5

水布埡-隔河巖梯級水庫防洪庫容互補關系

防洪庫容互補關系與折算系數

對長陽補償調度，水布埡和隔河巖水庫的防洪庫容互補近似為線性關系，設計頻率對折算系數的影響小

當50≤重現期≤200年時，折算系數均值為0.63；

其他為1.0

多年平均可以增發電量6300萬kWh武漢大學

庫容分配優化設計模型

目標函數

69.8

最大發電量69.81億kWh

發電量最大：

max

.

水量平衡：

69.2

187

188

189

190

191

192

193

194

195

196

197隔河巖水庫主汛期汛限水位(m)Vi

(t+1)=Vi

(t)+

(Qi

,in

(t)

?

Qi

,dis

(t))Δt邊界約束：

l優化方案中隔河巖水庫為長江預[Q

≤

Qdis

(t)

≤

Q

(t)

留的防洪庫容為2.75億m3

，水布s.t.{Zmin

(t)≤

Z(t)≤

Zmax

(t)

lNmin

(t)

≤

N

≤

Nmax

(t)

埡水庫為長江預留的防洪庫容為其他約束：

7.25億m3武漢大學xsadimsindim.566969

約束條件

.

.3469695

水布埡-隔河巖梯級水庫防洪庫容互補關系69.9

優化方案：隔河巖196m，水布埡387.5m，梯級多年平均發電量

(億kW

h)69.7

6清江梯級水庫汛期運行水位動態控制

預報預泄法

基本思想：在降雨洪水預見期內有多大泄流能力就將汛限水位向上浮動多少

計算方法：（1）基本公式，其數學表達如下：

ΔZ1

≤

f[(q出

?

Q入

)

×ty

]

q出

≤

q安（2）有效預泄時間：ty

=

t1

?

t2（3）有效預泄時間內入庫水量：

w

=

（4）預泄期內允，一般可按下游最低一級防洪目標的允確定。（5）預泄水量計算：w

=

ty

q

?

w

武漢大學6清江梯級水庫汛期運行水位動態控制

清江流域降雨洪水預報精度評價l采用分類評價的方法，將相關評定指標按綜合評定、分級評定、大雨及以上量級評定進行區別劃分l清江流域的降雨預報精度較往年都有一定的提高。若主

汛期預報未來1-3d內有中雨至暴雨

，則可開展水庫預報

預泄調度；若預報未來1-3d內無雨或小雨

，則可減少棄

水

，上浮水庫運行水位l清江流域洪水預報精度達到甲級標準武漢大學6清江梯級水庫汛期運行水位動態控制

基于預報預泄法推求汛期運行水位動態控制域

設計汛限水位的動態控制域下限

按照1日降水和水文預報結果，確定運行水位的上限

預報預泄法確定的梯級水庫汛期運行水位上限值表（m）水庫前汛期5月1日～6月20日主汛期6月21日～7月31日后汛期8月1日～9月30日上限下限上限下限上限下限水布埡400.00397.00397.00391.80400.00397.00隔河巖200.00198.00198.00192.20200.00198.00武漢大學6清江梯級水庫汛期運行水位動態控制

梯級水庫聚合分解

結合洪水預報及梯級水庫防洪調度信息，建立梯級水庫汛限水位聯合運用模型，該模型主要包括聚合模塊、庫容分解模塊和QB

梯級水庫汛期運行水位聯合運用模型流程圖武漢大學

防洪調度規則

非線性優化方法

模擬調度模塊結果滿意QA

庫容分解模塊模擬調度模塊是輸出結果聚合模塊梯級水庫結構示意圖否初始化，輸入初始信息Qmax,AQmax,BQqjF1F2AB6清江梯級水庫汛期運行水位聯合運用和動態控制

汛期運行水位聯合優化模型

優化模型：根據預報信息滾動優化推求水庫汛限水位最優組合,使梯級水庫的興利效益最大?

水量平衡約束

?

庫水位約束?

電站出力約束

?

水庫泄流約束?

庫容曲線約束

?

下游水位流量關系約束?

電站水頭約束

?

其他約束T梯級水庫汛期運行實時控制優化過程圖

約束條件：模型求解：MN武漢大學Ty6清江梯級水庫汛期運行水位聯合運用和動態控制

計算結果分析l選擇豐、平、枯典型年調度期內設計方案與運用方案對比

豐水年汛期的發電量增加了1.99億kWh，增幅4.50%

平水年汛期的發電量增加了1.51億kWh，增幅3.96%

枯水年汛期的發電量增加了0.62億kWh，增幅2.59%

豐、平、枯水平均增發電量1.37億kWh，增幅3.68%l梯級水庫平均洪水資源利用率提高了8%武漢大學7

清江梯級水庫提前蓄水聯合優化調度

水庫提前蓄水調度控制線示意圖武漢大學7

清江梯級水庫提前蓄水聯合優化調度

梯級水庫聯合蓄水調度模型

目標函數：

梯級水庫多年平均發電量最大和蓄滿率最高

約束條件：水量平衡，蓄水過程，出力和下泄，生態流量多目標優化算法：NSGA-Ⅱ和PA-DDS武漢大學7

清江梯級水庫提前蓄水聯合優化調度

梯級水庫聯合蓄水調度方案Pareto解集武漢大學7

清江梯級水庫提前蓄水聯合優化調度

梯級水庫聯合蓄水調度方案結果分析l

蓄滿率最大方案梯級水庫蓄水期年均發電量為19.28億

kWh

，蓄滿率89%l

發電量最大方案梯級水庫蓄水期年均發電量為19.63億

kWh

，蓄滿率83%l

與原設計方案相比，

蓄水期年均可增發電量4100萬kWh，

增幅2.

1%l在實際應用中

，可以根據洪水預報和長江中下游梅雨出梅

日期

，確定清江梯級水庫的提前蓄水時間武漢大學初步方案發電量及棄水量對比初步方案棄水概率對比

初步方案：采取水布埡庫水位在360m~400m以1m的間隔、隔河巖庫水位在180m~200m以0.5m的間隔，同步升高控制水位

初步建議：將5月31日的水庫群控制水位按如下設置：水布埡

庫水位364m至376m、

隔河巖庫水位182m至188m武漢大學8

清江梯級水庫群汛前消落水位研究

初步消落方案下調度結果（多年平均）各種方案發電量對比各種方案棄水量對比各種方案棄水概率對比結論：l

綜合考慮梯級發電量、棄水量及棄水概率

，建議5月31日的水布

埡、

隔河巖水庫水位分別控制在368~371m、

186~

188m運行。l

多年平均發電量32.

171億kWh~32.945億kWh

，多年平均棄水量

0.345億m3~0.371億m3

，棄水概率5.714%~

10%。武漢大學水布埡水位(m)棄水量(億m3)0.48650.45810.42970.40130.37290.3445188

187.5

187

186.5

186

185.5

185

184.5

184

183.5

183

182.5

182

發電量(億kWh)188187.5

187186.5

186185.5

185184.5

184183.5

183182.5

18234.1433.5332.9232.3231.7131.10水布埡水位(m)8

清江梯級水庫群汛前消落水位研究

各種方案多年平均調度結果

從清江梯級水電站調度期的發電量、棄水量和棄水概率分析水布埡水位(m)棄水概率(%)15.7513.7411.739.7207.7105.700188187.5 187186.5 186185.5 185184.5 184183.5 183182.5 182364365366367368369370371372373374375376364365366367368369370371372373374375376364365366367368369370371372373374375376隔河巖水位(m)隔河巖水位(m)隔河巖水位(m)

結果分析：相比常規調度結果（發電量為74.88億kWh）

，確定性優化發電量可增加

4.49%，

調度函數和優化調度圖發電

量可分別增加0.

16%和0.

15%確定性最優>調度函數≈優化調度圖>常規調度武漢大學發電保證率發電量9.清江梯級水庫群中長期優化調度

確定性優化、優化調度圖、調度函數和常規調度結果對比分析8060402001950

1960

1970

19801990

2000

2010

2020120

優化調度圖

10019501960

197019801990

2000

2010

2020年份調度函數常規調度120100806040年發電量

(億kWh)發電保證率常規調度調度函數確定性優化優化調度圖年份確定性優化(%)9.清江梯級水庫群中長期優化調度

推薦方案武漢大學?考慮發電效益最大的優化調度圖2在

各年份獲得的發電收益各年均較大?在電力市場下，考慮發電量最大的

優化調度圖1的收益小于常規調度圖主要結論：?上網電價與清江發電有關，

主控因素是三峽?汛期電價低適當少發電，

非汛期多發電方案效益對比情況2008年年內出力過程及電價對比情況9.清江梯級水庫群中長期優化調度

優化效益對比（考慮電力市場）武漢大學

2009-2020年的實際調度方案發揮的效益呈現增長趨勢

2018年調度方案達到的效益最大，相比最優結果，其效益達到99.13%，相比常規也超出9.47%的發電量武漢大學9.清江梯級水庫群中長期優化調度

調度方案效益后評估10.清江梯級水電站短期經濟運行調度

水布埡經濟運行結果分析

水布埡水電站20個典型日內優化調度的耗水量相比于實際運行，

平均減少了2.88%水布埡典型日優化耗水量與實際耗水量對比表2017

年實際情況情景一情景二2018

年實際情況情景一情景二1

月20

日304.40301.50302.111月7日459.20454.05454.202月3日273.52261.81261.982月2日404.99382.67381.883月1日74.9074.9074.903月

12日437.50431.14429.064

月

12

日460.52450.85451.434月1日490.96485.35485.695月3日551.07547.95548.055月

13日663.18656.06656.096月3日417.66392.64391.047月

11日351.62346.41346.177月4日636.61611.51612.188月9日394.32377.46377.588月8日77.7374.0674.069月

14日143.90141.32141.329

月

15

日275.32264.45265.9411

月

24

日342.06302.24302.5810

月

1

日655.32650.13650.0612

月

22

日70.5569.9970.63武漢大學日期實際消耗水能（KW）優化消耗水能（KW）日平均負荷（MW）2019/1/12178346.51172371.73575.52019/2/1679484.1079341.14775.72019/3/2784450.8084041.66488.32019/4/413072.766921.89863.92019/4/7130899.52126346.194892019/4/1056634.8439677.60873.12019/4/11235662.90221417.39873.42019/4/12279735.20265549.49885.12019/4/13261823.53249080.72967.22019/4/14178266.59152706.11849.82019/4/1573492.4555053.22930.12019/4/16-32576.39-50750.74722.32019/4/18-180469.63-182904.09554.32019/4/21370118.47369013.32725.610

清江梯級水電站短期經濟運行調度

隔河巖高壩洲聯合經濟運行結果分析隔河巖高壩洲典型日優化消耗水能結果表

隔河巖與高壩洲水電站在2019年1月至4月的14個典型日內聯合經濟運行優化調度消耗的水能相較實際平均減少了14.

10%武漢大學2019年3月1日水布埡最優日負荷曲線

2019年3月1日水布埡不同發電量下最優日負荷曲線

可根據峰谷需求選取最優的雙峰型或單峰型日負荷曲線

，均可

降低耗水量

可根據不同總發電量要求選取不同的最優日負荷曲線

武漢大學10清江梯級水電站短期經濟運行調度

清江梯級水電站日前發電計劃編制結果分析

考慮最小生態流量需求、負荷曲線峰谷需求及機組實際運行工況

復核設計洪水與初設階段審定成果的設計洪水結果不變；

清江整個汛期仍劃分為前汛期（

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