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塔吉克斯坦努列克水库的运用经验：解决水能问题的分析方法
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内容提示：水力枢纽始建于1960年，1979年投入运行。1983年9月21日水库首次蓄水到正常高水位。水力枢纽轴线处瓦赫什河多年平均泾流量为205亿立方米。水力枢纽的设计参数保证水库泾流季调节，部分多年调节，但在实际运用中并不是这样。这既与邻近共和国（乌兹别克斯坦和土库曼斯坦）的灌溉要求有关，也与塔吉克斯坦的沉重电力状况有关，塔吉克斯坦冬季电力供应不足，特别是最近十几年。所以在枢纽运用以后，水库的实际
延伸阅读：分析方法 塔吉克斯坦努列克水库 水能问题
摘要：水力枢纽始建于1960年，1979年投入运行。1983年9月21日水库首次蓄水到正常高水位。水力枢纽轴线处瓦赫什河多年平均泾流量为205亿立方米。水力枢纽的设计参数保证水库泾流季调节，部分多年调节，但在实际运用中并不是这样。这既与邻近共和国（乌兹别克斯坦和土库曼斯坦）的灌溉要求有关，也与塔吉克斯坦的沉重电力状况有关，塔吉克斯坦冬季电力供应不足，特别是最近十几年。所以在枢纽运用以后，水库的实际工作制度是每年9月最大可能蓄水，而5月前又不得不放水。
关键词：塔吉克斯坦努列克水库 水能问题 分析方法
努列克水力枢纽位于塔吉克斯坦瓦赫什河上，是世界上最高的土石坝之一（坝高300米），努列克水库有下列设计参数：
库容：
总库容：105亿立方米
有效库容：45亿立方米
水库正常高水位时水面面积：98平方公里
水库正常高水位时回水长度：70公里
水库最大水深：270米
水库最大水面宽：5公里
水库正常水位：910米
水库死水位：857米
水力枢纽始建于1960年，1979年投入运行。1983年9月21日水库首次蓄水到正常高水位。水力枢纽轴线处瓦赫什河多年平均泾流量为205亿立方米。水力枢纽的设计参数保证水库泾流季调节，部分多年调节，但在实际运用中并不是这样。这既与邻近共和国（乌兹别克斯坦和土库曼斯坦）的灌溉要求有关，也与塔吉克斯坦的沉重电力状况有关，塔吉克斯坦冬季电力供应不足，特别是最近十几年。所以在枢纽运用以后，水库的实际工作制度是每年9月最大可能蓄水，而5月前又不得不放水。（参考《建筑中文网》）
努列克水库的工作制度特点与达加里灌溉隧洞有关，达加里灌溉隧洞的进水口在隧洞左岸。达加里隧洞是用来给塔吉克斯坦共和国一些地区供水和灌溉是用来给塔吉克斯坦共和国一些地区供水和灌溉开垦的农田。隧洞设计过水能力为100立方米/秒。通过隧洞灌溉开垦农田的流量大体上是10立方米/秒，重要的是这项灌溉工作不能晚于4月底到5月初开始，就是说，这个时期已是一年中最缺电时间的最后时段了。在这种情况下，由于没有建好供水工程，只好用隧洞供水，但只有在水库水位不低于859米（高于水库死水位2米）才可以，这实际上是不允许用隧洞完全放水。
规定努列克水力枢纽水库每年都要全部利用有效库容，这样的运用制度是从可得到最大发电量考虑。遗憾的是，这完全是从直觉概念提出的计划，因为通过水轮机加大流量的水库任何放水，都可以增加发电量。符合这个总原则的任何计算，至今还没有进行过。尤其是没有研究过在放水期间内水库运用的优化问题。同时，局部性的一些问题研究表明，这个计划的论证是不够的。因为依据水电站发电量的基本方程，发电量与通过水轮机的流量和水头有关：
式中：Э—时段t内发电量，千瓦•小时；η—水电站有效利用系数；Q—流量，立方米/秒；H—水头，米；t—时间，小时。
增加通过水轮机的流量，水库放水，这同时会增加水头损失。与具体条件有关，既可以增加发电量，也可以减少发电量。
为简化，取水库为圆柱形，库水面有不变的水深。在这种情况下，可以将水库完全均匀放水所得到的增加发电量效益，与保证有最大水头下的正常高水位时，河流完全是通过流量所作功相比，只有在放水时段T，比按下式（2）计算所得小时，才会得到增加发电量效益。
式中：T—水库放水时段，小时；S—水库水面面积，平方米；
H正常水位—水电站最大可能水头（在正常水位下），米；H死水位—水电站最大可能水头（在死水位下），米；Q—在时段T内流入水库的平均流量，立方米/秒。
对于努列克水力枢纽，S=98平方公里；H正常水位=270米；H死水位=210米；Q=600立方米/秒，按公式（2），可以得到水库完全放水的效益：
这个时间几乎比努列克水力枢纽运用中实际采用的水库完全放水时间小六倍。这一点已表明，努列克水电站在水库运用中，现有的运用规定论证不够。
解决努列克水电站运用的优化问题，为了实际应用必须准确和细化，可以在数学模型框架内采用计算机。下面引入的是这种优化模型的计算结果。
在模型求解的程序中，利用了Generlized Reduced Gradient（GRG2）非线型优化计算方法，GRG2是列欧诺姆、拉斯达诺姆（位于Austion的德克萨斯州大学）和阿拉诺姆、屋欧列诺姆（美国Cleveland市州立大学）编制的。该方法的相对误差在0.000001。
瓦赫什河和努列克水电站水库水资源利用的优化模型，作为优化的标准，是在所研究的时间内发电量冬季最大化。模型中的原始数据是水力枢纽的来水量；由水库取水的灌溉水量；得到的实际数据近似值关系如下：
H上游=f（H）；S=f（W）；W蒸发i=f（S）（i=1,2,…12）；
Q最大=f（H）；q单位=f（H）；H下游=f（Q）
式中：H上游和H下游—水电站上、下游水位高程；S—水库水面面积；W—水库库容；W蒸发i=年内第i个月水库水面蒸发量；Q最大—通过水电站的最大允许流量；q单位—每1千瓦•小时发电量所需单位流量。
模型中起始条件是，取水库蓄水量W等于冬季开始时的最大可能蓄水量。流过水电站的流量Q水电站是模型的变化参数。
问题的物理条件为模型的限制条件：
在研究时段内水库的起始库容（第一年的十月开始），等于第二年九月末的库容；
流过水轮机的流量Q水电站限定在下面范围
Q＜Q水电站≤Q最大；
水库库容不应超过下面范围
W最小≤W≤W最大。
模型的计算结果列于表1、表2和图1、图2。表和图表明，与给定条件和水库运用规定有关，它们的结果彼此间有很大不同。比较两个模型方案：一年总的发电量（表1和图1）和缺电冬季（十月到四月）的发电量（表2和图2）对比，从比较中看出，在第一种方案的一年发电量，我们多得了差不多10亿千瓦•小时（占总发电量的10%）。在这种情况下，在第一方案中的水库放水并不很大（到高程894米），而在第二方案中要完全放水。
从塔吉克斯坦灌溉角度看，水库的这两种运用状态是一样的。从位于下游被灌溉农田利益考虑，采用第一方案是唯一的方案，第一方案会保证在农作物生长期之初，有足够的库容。如果塔吉克斯坦，在灌溉水量调节方面能给予邻近国家以帮助，而邻国给予相应补偿时，则这些国家可以达成利益折衷方法。补偿给塔吉克斯坦，因采用第一方案造成冬季少发电约10亿千瓦•小时的损失。
优化数模不仅指出了相邻各国在水资源利用方面的互利计划和得出了相互帮助与补偿的价值。
为了对比，可以指出，努列克水力枢纽今天实际的运用规定，在十月到四月期间采用水库均匀完全放水，使冬季2亿千瓦•小时的发电量，比采用第二方案时要少。
图1 努列克水电站优化电力状态（一年内水电站的Э最大）
图2 努列克水电站优化电力状态（十月到四月水电站的Э最大）
表1，表2略
本文中推荐的模型是认为努列克水电站是单独运用的。当考虑到瓦赫什梯级水电站都共同运用的情况，按照“水工设计院”（莫斯科）有限公司专家们的计算，他们的分析结果与我们所得到的结果有很大区别。这又一次表明，在实际上采用优化数学模型的必要性。
所研究的模型在选定标准下，可以在原则上解决努列克水力枢纽运用的优化问题。但这只有在足够可靠的原始数据下。在这种情况下，有实际的库容，有较准确的、实际的H上游=f(w)，或者是相反的W=f(H上游)关系特别重要，因为在我们的情况下，正是水量是水电资源，而水头决定水电站的最大容量。同时，正是这些参数，与其他所有参数不同，是最可变化的参数。变化与一系列因素有关，既有相当了解的和预知的（河流底部推移质淤积），也有新的、还不太掌握的因素（悬移质泥沙随水流输移和形成高浓度的水流），最后是，深山水库库岸发生变化时，不符合任何计算的纯偶然因素。
努列克水力枢纽设计时，基于泥沙泾流计算，曾完成了水库泥沙淤积预报。设计时曾指出，随水流流入水库泥沙的大部分（98%）是悬移质颗粒，形成不同密度的水流，一直推进到水轮机进口和泄水孔进口的坝前，部分泥沙通过水轮机和泄水孔进入下游。
1973—1978年曾进行过悬移质泥沙在努列克水电站水库中的分布研究，这项工作是由莫斯科大学物理系海洋物理和陆地水教研室的科研人员进行的。研究指出，在水库存在有贴近库底，外形复杂的稠密度水流，稠密度水流是由悬移质泥沙沉积过程决定的，与此同时，并形成库底淤积。但遗憾的是，这项研究工作没有结束，还不能给出这些过程足够可靠的预报方法。
原文网址：http://www.pipcn.com/research/200602/8425.htm
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