具有發(fā)電灌溉雙重任務水庫的兩級調節(jié)研究

李小紅 劉 煒 周 霞

（江蘇省水利勘測設計研究院，江蘇南京 225009）

1 概述

擔任發(fā)電、灌溉或工業(yè)及城鄉(xiāng)供水雙重興利任務的水庫，由于發(fā)電和灌溉的設計保證率以及灌溉引水方式不同，對于保證供水方式有其不同的要求和特點，一般將此類水庫的供水方式稱為兩級調節(jié)。

1.1 影響發(fā)電灌溉兩級調節(jié)的因素分析［1］

1.1.1 開發(fā)任務的主次

根據水庫任務的主次，可分為以發(fā)電為主兼顧灌溉、以灌溉為主兼顧發(fā)電和發(fā)電灌溉并重三類。以發(fā)電為主的水庫，灌溉用水比重較少，可以扣除灌溉用水后采用單一發(fā)電水庫進行調節(jié)計算；對于以灌溉為主的水庫，發(fā)電任務一般為獲得季節(jié)性電能，在非灌溉季節(jié)以及自庫內引灌的灌溉季節(jié)，為保證灌溉正常供水，可能停止灌溉電站工作，因此，這種情況也可按單一灌溉水庫進行調度；關于發(fā)電灌溉并重的水庫，則宜按照兩級調度來進行水量分配。

1.1.2 不同的設計保證率

灌溉設計保證率一般比發(fā)電設計保證率低，因此，一般的供水原則為：對于灌溉設計保證率以內的年份，應先在滿足發(fā)電、灌溉正常用水的前提下，增加發(fā)電效益；對以發(fā)電、灌溉兩設計保證率之間的年份，灌溉降低供水，發(fā)電仍按保證電能正常供水；對于發(fā)電設計保證以外的年份，發(fā)電、灌溉均降低正常供水量。

1.1.3 灌溉引水

根據灌溉引水方式的不同，有庫內引水和壩下引水兩種：

（1）庫內引水。灌溉和發(fā)電的用水不能結合，兩者在水量的分配上存在著矛盾，對水庫運行水位上也有各自的要求，水庫調度過程中，發(fā)電和灌溉的水量分配應結合來水和工程開發(fā)任務的主次進行合理調節(jié)，尤其要注意結合具體情況處理引水灌溉對庫水位的要求。

（2）壩下引水。發(fā)電和灌溉用水基本上是可以結合的，即發(fā)電后的尾水用于灌溉，且灌溉渠首引水位高程取決于發(fā)電的下游水位，此時發(fā)電量的增加和滿足下游灌溉供水是一致的。

綜上所述，對發(fā)電、灌溉雙重開發(fā)任務的水庫在制定具體的運行調度方式時，應根據開發(fā)任務的主次、不同的設計保證率以及引水方式的不同加以綜合考慮。

1.2 方法及原理

兩級調節(jié)計算是20 世紀開始至今仍廣泛采用的解決兩個部門設計保證率不同問題的調節(jié)計算方法，這種方法適用于兩部門并重或用水量比重相差不大的情況，具體的調節(jié)計算方法有時歷法、概率法、化算保證率法等［2］。

（1）時歷法。首先，根據擬定的兩部門不同設計保證率的正常供水要求，計算遭遇不同水文情況的年內需水過程。其計算原則是：當遭遇低設計保證率P2（如80%）以內的年份時，兩部門均按正常要求供水，總供水量為Q2；當遭遇高、低設計保證率之間的年份時，適當降低低設計保證率部門的用水量，總水量為Q1（Q1＜Q2）；當遭遇高設計保證率P1（如90%）以外的年份時，即屬于正常供水破壞年份，需同時降低兩者的供水量。然后，以確定的需水過程與實測入庫徑流量進行長系列逐時段（月或旬）水量平衡計算。

（2）概率法。適用于多年調節(jié)水庫，基本原理與一級調節(jié)計算相同，但需通過兩級調節(jié)的需水保證率曲線逐年試算。

（3）化算保證率法。屬概率法的一種簡化計算。首先，根據兩級調節(jié)需水保證率曲線和水量平衡原理，將兩種設計保證率按（1）式化算為一個相當的保證率P化，然后，按高供水量及化算保證率采用一級調節(jié)的概率法（如查多年徑流調節(jié)線解圖）求得多年調節(jié)庫容，按時歷法求得年庫容。

1.3 調度圖的繪制

兩級調節(jié)的水庫調度圖是指導水庫運行的重要工具，灌溉引水方式不同，兩級調度圖的繪制也有所區(qū)別。筆者以某特定的水利樞紐闡述一般灌溉自庫內引水的水庫繪制兩級調度圖的方法。而對于自壩下引水的水庫，因發(fā)電和灌溉能相結合，其調度圖的繪制可以簡化，可按自庫內引水灌溉水庫的兩級調節(jié)調度圖繪制的類似方法繪制，僅在水量平衡計算時，應比較各時段的發(fā)電和灌溉用水量，取其大者為該時段供水量，其他相同。

2 水庫兩級調度實例分析

2.1 工程概況

本文所涉及的某特定水庫為一具有較好調節(jié)性能（年調節(jié)）的綜合利用大型控制性水利樞紐工程，控制流域面積62550 km2，多年平均流量603 m3/s，多年平均徑流量190 億m3，水庫正常蓄水位458 m，死水位438 m，汛期（6月下旬至9月初）防洪限制水位447 m。

本水庫具有發(fā)電、灌溉雙重開發(fā)任務（其中發(fā)電保證率90%，灌溉保證率80%），且灌溉任務繁重，為更有效地促進水資源利用，采用兩級調節(jié)計算其水庫調度圖，以此作為水庫運行的依據。

2.2 典型年的選擇

2.2.1 灌溉典型年的選擇

根據水庫灌區(qū)長系列的灌溉需水過程資料，按年需水量進行排頻。由于灌溉設計保證率為P=80%，故首先選取灌溉年需水量頻率接近P=80%的年份，取2～3年，然后在這2～3年中選擇對工程較為不利的年份作為灌溉典型年，并直接用其年徑流量和年內分配作為設計年徑流量與年內分配。按照此方法，采用1958年的灌溉需水過程作為水庫的灌區(qū)灌溉典型年的需水過程，其各旬灌溉需水流量過程如圖1 所示。

2.2.2 發(fā)電典型年的選擇

按一級調度方式對本水庫進行長系列電量計算，得到長系列的年發(fā)電量，按年發(fā)電量排頻，選取1987年作為發(fā)電保證率P=90%的代表年。由于采用的是長系列的計算方法，其調節(jié)起始水位與兩級調節(jié)計算中要求的不同，故應重新確定初始水位進行兩級調節(jié)計算。在兩級調節(jié)的計算過程中，只采用1987年的枯水期平均出力Np作為限制條件，而發(fā)電需水量過程需通過選擇來水典型年經試算確定。

2.2.3 來水典型年的選擇

在選擇來水典型年的過程中，會出現有的年份年來水保證率低些，但是其水庫蓄水位可能會比年來水保證率高的年份還要高些等情況，這是因為徑流的年內分配規(guī)律不同所致。某些來水保證率高的年份汛期來水較多、蓄水期來水較少使得水庫水位較低，而某些來水保證率較低年份，其蓄水期的來水較多使得庫水位較高。因此，在選擇典型年時，可采用無灌溉時一級調節(jié)長系列的年發(fā)電量結合天然來水量進行排頻，這樣既考慮了年來水總量，也考慮了來水的年內分配。

2.3 兩級調節(jié)調度圖的繪制

2.3.1 上調配線（P=80%）

圖1 灌溉代表年各旬需水流量過程線

圖2 水利樞紐兩級調節(jié)調度圖

按無灌溉時一級調度年發(fā)電量排頻與按天然來水量排頻，選擇頻率接近P=80%的2～3 個年份作為來水典型年，用典型年的來水過程扣掉灌溉典型年（即1958年）的灌溉需水量過程，再進行發(fā)電調節(jié)計算。計算過程采用試算法：本水庫6月中旬為供水期末，即設定此時的水庫水位為死水位，按保證出力Np進行等出力反時序調節(jié)，可得到所需的水庫庫容V1及水位過程。然后按6月中旬死水位進行順時序調節(jié)計算，考慮到水庫防洪調度要求，在6月中旬至8月下旬的調節(jié)時間段內，水庫水位不得超過汛期限制水位，并遵循盡量不棄水的原則，采用最為不利的后蓄調節(jié)方法，即盡量利用汛期天然來水發(fā)電，保證蓄水期末的庫容能滿足供水期的供水要求即可，由此對每一來水典型年進行計算，最終得到典型年組的水庫水位過程線，取其外包線作為兩級調節(jié)的上調配線。

2.3.2 下調配線（P=90%）和限制供水線

按無灌溉時一級調度年發(fā)電量排頻與按天然來水量排頻，選擇頻率接近P=90%的2～3 個年份作為來水典型年，扣除掉灌溉典型代表年流量過程的7～8 折（本文取0.75），其調節(jié)過程與上調配線繪制相同，求得典型年組的水庫水位過程線后，取其外包線作為下調配線，取其內包線作為限制供水線。

依據以上規(guī)則，本水庫的兩級調節(jié)調度圖如圖2 所示。

2.4 兩級調度圖的運用

兩級調度的運用具體是指：對于灌溉保證率（P＝90%，下同）以內年份，應在首先滿足灌溉、發(fā)電正常供水的前提下，增加發(fā)電效益；對于發(fā)電（P＝80%，下同）、灌溉兩設計保證率之間的年份，灌溉降低供水（在灌溉用水的基礎上0.75 折），發(fā)電仍按保證出力正常供水；對于特枯年份，即發(fā)電設計保證率以外年份，發(fā)電和灌溉均降低正常供水量。

運用得到的兩級調度圖對水庫進行長系列調度計算，與采用一級調節(jié)的發(fā)電調度方式相比，可以增加多年平均發(fā)電量0.52 億度，增幅0.2%，水量利用率也有了提高，增幅為0.5%，而且也滿足了灌溉保證率的要求。

計算結果表明，對發(fā)電灌溉雙重任務的水庫采用兩級調節(jié)調度，可以在充分利用水資源的同時，得到可觀的經濟效益。

3 結論

本文解決了在已知庫容、死水位、正常蓄水位和保證出力等基本設計資料基礎上，對具有灌溉、發(fā)電雙重任務且兩者保證率不一致的水庫進行兩級調節(jié)計算的問題。設計保證率為80%的灌溉用水過程為已知，而發(fā)電設計保證率為90%的用水量過程未知，成為兩級調節(jié)計算的關鍵。針對此問題，以特定水庫為研究實例，提出了選擇來水典型年的方法，在繪制兩級調度圖的試算過程中，遵循兩級調節(jié)的供水原則，以多發(fā)電、少棄水為目標，蓄水期采用了推遲蓄水的最不利措施。結果表明對于具有發(fā)電灌溉雙重任務的水庫，采用文中的原理和計算步驟進行兩級調節(jié)調度，可以在充分利用水資源的同時，得到可觀的經濟效益。

［1］水利部長江流域規(guī)劃辦公室，河海大學，水利部丹江口水利樞紐管理局，合編.綜合利用水庫調度［M］.北京：水利電力出版社，1990：83-88.

［2］葉秉如.水利計算［M］.北京：水利電力出版社，1985：112.