水利枢纽群安全调控技术体系

水利枢纽群安全调控技术体系

李林

黄河万家寨水利枢纽有限公司电站管理局 山西省忻州市036412

摘要：目前，中国长江中上游已建成世界最大的水利枢纽群，在枢纽建设、管理和建设方面引领全球水电行业发展。同时面临着世界其他国家从未遇到过的梯级水利枢纽群安全监管挑战。如高坝蓄水引起的河谷收缩与大坝安全、大功率集中泄洪引起的坝址及周边建筑物振动、泄洪尾水引起的巨型发电机组受迫扰动、现有水力模型受比尺效应限制，不能反映高水头大规模泄洪的实际情况、单目标小水头变化工况的机组安全调节技术不能满足巨型发电机组水头和负荷大变化的要求等。此外，水电工程非恒定泄洪对下游通航的影响、高水头与大流量涌浪的关系、天然河流泄洪产生的过饱和气体以及水生生物等，都需要在枢纽调度运行中考虑。因此，应根据我国已建水利枢纽的具体特点，开展新的理论和技术研究，以满足超大型水利枢纽安全生产和梯级水利枢纽联合调度管理的工程要求。

关键词：特大水利枢纽群；联合调控；安全运行；技术框架；

一、水利枢纽群联合调控与安全运行研究

1.水利枢纽群联合调度风险辨识。水利枢纽群的联合调度涉及防洪、发电、供水、生态、航运等多个目标，为复杂多维非线性系统，在进行多目标决策联合调度管理过程中，由于受水文、水力、工程结构、人为决策等诸多不确定性因素的影响(如入库洪水随机性、来水预报不确定性、综合利用需求不确定性等)，不可避免地存在蓄水率不足、发电不足、水位高于防洪限制水位、下泄流量大于下游安全泄量等潜在风险，从而影响特大水利枢纽群多维安全运行与防洪、发电、供水、航运、生态等综合功能或效益的发挥。目前，水利枢纽库群风险研究主要集中在洪水与溃坝、大坝拦河的生态影响等，但综合考虑多效益目标和多安全约束，基于实际运行状况与监测资料对水利枢纽群进行实时风险管理仍缺乏理论基础。已有相关风险辨识研究主要辨识水利枢纽库群联合调度过程中水文、水力联系等的不确定性，如通过建立入库径流模拟模型，对综合利用水库防洪和兴利调度风险进行分析。

2．水利枢纽运行风险分析与评估预警技术。在水利枢纽挡水、泄洪、机组、通航、生态等多维安全约束下，如何综合考虑这一系列相关的多重风险，研发梯级水电站实时风险分析、评估、预警和调度技术，在风险孕育和发生时，快速评估和判断风险级别，作出应急调度预案，保障梯级水库安全运行，是目前亟待解决的现实问题和亟待攻克的技术问题。

3.水利枢纽群集控平台智能化技术。现有枢纽群集控技术研究进展主要集中在梯级水电站一体化调度方面，近年来，物联网、遥感、数字流域等新技术大大提高了枢纽运行数据获取、分析能力和运行调度技术水平。探讨三峡梯级与金沙江下游梯级互为备调、“水库调度统一、电力调度分区”的新体系，即“调控一体化”管理模式。

二、水利枢纽群多维安全调控技术框架与关键研发内容

1.水利枢纽群安全调控技术体系框架与要点。大型水利枢纽的兴建改变了流域水文过程，进而影响了流域水资源高效开发利用和区域社会经济系统。首先，开展水利枢纽群运行风险的发生机理及风险辨识技术，突破以往工程风险研究的传统范围，将水利枢纽群运行风险分析扩展到流域可持续发展层面，综合提出风险在枢纽建筑物之间以及社会经济和生态各环节之间发生、发展及传递的机理和辨识技术。其次，从工程设施调控的“硬”手段和流域资源环境管理的“软”措施两方面，提出“软硬结合”的特大水利枢纽群调控技术体系的核心技术。①在水利枢纽工程风险管理方面，围绕“库岸-大坝-坝基-水库”耦合性态准确模拟预警、泄洪减振减蚀、枢纽群多维安全调控等技术难题，以风险辨识-监测-分析-预警-调控为主线开展系统研究。考虑降雨、来水、地震等多源组合输入与梯级累积效应，提出泄洪-挡水-机组-航运-生态风险智能监测、风险管控技术体系;②在流域资源-环境互馈关系管理方面，研发流域“社会-经济-生态”系统协同演化理论和模拟分析技术，识别水利枢纽群规模扩大与流域和区域社会、经济和生态演化的互馈作用机制，考虑气候变化等环境因素，提出水利枢纽群安全运行对“社会-经济-生态”影响评估与调控方法。最后，基于现代互联网、物联网和人工智能技术，建立“硬”手段和“软”措施结合的远程化、自动化和智能化的集成调控平台。提出水库-大坝-泄洪-机组-航运智能监控方法，构建上下游、干支流枢纽群一体化调控平台;建立水利枢纽流域社会经济及生态系统的大数据监测分析和集成演化模拟预测平台;建立利益相关方的协商谈判机理、技术与决策支持平台。

2.水利枢纽安全调控关键技术。梯级水利枢纽，尤其是以串联和并联方式混合连接的特大梯级枢纽，如长江干流的溪洛渡、向家坝、三峡、葛洲坝梯级枢纽与清江支流的隔河岩、水布垭、高坝洲梯级枢纽，其单一水库的运行风险，如坝体位移、机组振动、洪水溃决和生态流量改变等，将通过水流传播，使风险沿着枢纽群逐级传递、累积或叠加。风险传递、累积或叠加的机理和复杂的拓扑关系亟待考虑暴雨、洪水、地震以及生态破坏等多源组合输入与梯级累积效应，因此需要研究枢纽工程长期安全运行以及枢纽影响区域社会经济可持续发展的主要风险源，研究风险的发生机理、传播途径及影响程度，揭示梯级枢纽群规模扩大导致运行风险增加的物理机制，提出特大水利枢纽工程长期运行安全和可持续发展的多源风险评估理论和技术方法，建立特大水利枢纽工程群的长期运行安全调控平台。影响水利枢纽安全的风险有库区风险、大坝风险、泄洪风险、航运风险、机组风险以及其他极端工况引起的诸多风险事件。就库区安全方面，亟须建立库区地质环境灾害智能预警模型;在大坝安全方面，以反演分析为手段确立坝-基真实参数，形成枢纽蓄水与库岸变形间的映射关系，建立基于大坝真实工作性态的水利枢纽智能监控模型;在泄洪、机组和航运安全方面，确立三者耦合的约束边界，并开展泄洪设施防蚀、防冲及抗振等运行安全评估，建立机组运行状态与相关安全边界条件之间的映射模型，提出兼顾泄洪减振、泄洪雾化控制及航运安全的协同调控和泄洪设施安全运行工程措施。具体来说，有库区地质灾害预警调控技术、高拱坝安全预警调控技术、高重力坝动态调控技术、泄洪与通航设施安全调控技术、多元耦合减振安全调控技术、机组设备健康诊断与调控技术和极端作用下枢纽应急调控技术等。在枢纽安全模拟与调控方面，主要是研究建立“大坝-坝基-水库”力学特征分析模型、混凝土裂缝发生发展模拟模型、机组运行和振动诊断模型、水库调蓄和径流演进模型，并研究这些模型的集成方法，模拟分析水利枢纽群运行中风险发生的主要工程部位和管理环节，反演风险在枢纽群中的传递链路，识别导致风险放大的关键环节，研究风险链路控制技术;研究枢纽群安全运行的指标和阈值，实时开展水利枢纽库群安全调控，确保流域库群安全;按照“全面感知、真实分析、实时控制”的闭环智能管理要求，综合考虑枢纽多维安全约束、多效益目标以及枢纽群叠加效应等边界条件，研发水利枢纽多维安全调度平台。

总之，水利枢纽安全调控技术源于我国水电开发的现实需求，该技术不仅对我国长江流域的水电产业发展和流域可持续管理具有重要支撑作用，也将为“一带一路”国际水电工程建设提供中国自主知识产权的核心技术，还可为美国、加拿大等发达国家提供水电枢纽运行管理技术的升级服务，具有广阔的应用前景。

参考文献：

[1］王衡．水利枢纽群安全调控技术体系探讨.2019.

[2］杨文艺．关于水利枢纽群安全调控技术体系研究，2021.