王 平
(上??睖y(cè)設(shè)計(jì)研究院有限公司,上海 200434)
城鄉(xiāng)供水或灌溉水庫的調(diào)度是設(shè)計(jì)水庫運(yùn)行規(guī)則、合理調(diào)度使用水資源的技術(shù),水庫調(diào)度圖計(jì)算和應(yīng)用是供水和灌溉水庫水利計(jì)算的重要內(nèi)容。常規(guī)方法[1- 3]的時(shí)歷法調(diào)度圖是在無徑流預(yù)報(bào)的情況下,依靠歷史徑流資料計(jì)算和繪制的。常規(guī)方法的調(diào)度圖計(jì)算方法已應(yīng)用了多年,其原則和方法是基本正確的,但隨著計(jì)算手段改善和工程需要的變化,常規(guī)方法存在的調(diào)度圖需經(jīng)反復(fù)修改、結(jié)果不夠準(zhǔn)確的問題愈顯突出。新版工具書《水工設(shè)計(jì)手冊(cè)》(第二版)[4]卻沒有供水或灌溉水庫調(diào)度圖計(jì)算的內(nèi)容,新版的SL 104- 2015《水利工程水利計(jì)算規(guī)范》[5](以下簡(jiǎn)稱《規(guī)范》)關(guān)于供水和灌溉水庫調(diào)度圖的計(jì)算方法也沒有更新修訂,其它有關(guān)時(shí)歷法計(jì)算水庫調(diào)度圖的研究[6- 10]也很少。本文以《規(guī)范》中的城鄉(xiāng)供水和灌溉水庫調(diào)度圖計(jì)算方法為研究對(duì)象,剖析現(xiàn)行常規(guī)方法存在的問題,提出相應(yīng)的改進(jìn)思路和措施,并形成實(shí)用、完整的城鄉(xiāng)供水或灌溉水庫調(diào)度圖計(jì)算的改進(jìn)方法。
《規(guī)范》對(duì)供水水庫調(diào)度圖的計(jì)算方法敘述的十分簡(jiǎn)單,僅在6.2.4說明中指出“可以采用類似發(fā)電水庫調(diào)度圖編制方法”;《規(guī)范》對(duì)灌溉水庫調(diào)度圖計(jì)算方法在7.2.5說明為“一般采用逆時(shí)序調(diào)節(jié)計(jì)算方法連續(xù)計(jì)算求出歷年逐月(或旬)的庫水位過程,取灌溉設(shè)計(jì)保證率以內(nèi)各年份中月(或旬)的上包線為防破壞線;再對(duì)全部破壞年份按滿足特枯水年灌溉用水量的要求進(jìn)行逆時(shí)序調(diào)節(jié)計(jì)算,求出各月(或旬)的上包線作為降低供水線。當(dāng)降低供水線高于防破壞線時(shí),要減少特枯水年的灌溉用水量,使降低供水線低于防破壞線”。
《規(guī)范》關(guān)于供水或灌溉水庫調(diào)度圖的計(jì)算方法有如下問題。
(1)庫水位計(jì)算過程考慮因素不全
《規(guī)范》的方法沒有說明逆時(shí)序徑流調(diào)節(jié)計(jì)算的條件,因?yàn)檎{(diào)度圖才開始計(jì)算,肯定不是按水庫調(diào)度圖所做的徑流調(diào)節(jié)計(jì)算,只會(huì)是不按調(diào)度圖運(yùn)行的一般徑流調(diào)節(jié)計(jì)算。這種簡(jiǎn)單的徑流調(diào)節(jié)計(jì)算中只按來水和蓄水條件,盡可能滿足當(dāng)期的供水或灌溉要求,并不考慮要全部保證設(shè)計(jì)保證率之外降低供水的要求,計(jì)算的供水或灌溉保證率僅是沒有全部保證最小供水或灌溉前提下的初步指標(biāo),這與按供水或灌溉水庫調(diào)度圖做的徑流調(diào)節(jié)的方法和結(jié)果都是不一樣的。用常規(guī)徑流調(diào)節(jié)得出的簡(jiǎn)單因素控制的庫水位過程,作為計(jì)算供水與灌溉水庫調(diào)度圖的依據(jù),得出的調(diào)度圖就難以滿足降低供水、正常供水、加大供水的多因素綜合控制要求,供水或灌溉保證率也無法準(zhǔn)確符合要求。
(2)防破壞線計(jì)算中考慮因素不足
《規(guī)范》以灌溉設(shè)計(jì)保證率以內(nèi)長(zhǎng)系列年份中月(或旬)庫水位的同期上包線作為防破壞線,但因?yàn)榍笆龊?jiǎn)單的徑流調(diào)節(jié)過程并沒有考慮全部正常供水或灌溉設(shè)計(jì)保證率之外的降低供水任務(wù),僅考慮了正常的供水或灌溉單一任務(wù),依此上包線作為防破壞線僅是不保證設(shè)計(jì)保證率外特枯水時(shí)段的降低供水為前提的,相應(yīng)設(shè)計(jì)保證率外的降低供水達(dá)不到全部保證的要求,正常的供水或灌溉保證率也受此影響,難以準(zhǔn)確符合設(shè)計(jì)要求。
(3)降低供水線與防破壞線關(guān)系不協(xié)調(diào)
《規(guī)范》采取先單獨(dú)計(jì)算確定水庫防破壞線,然后再單獨(dú)計(jì)算確定水庫降低供水線,沒有考慮到降低供水與正常供水的相互影響,即采用分別單獨(dú)計(jì)算的降低供水線和防破壞線構(gòu)成的調(diào)度圖,因調(diào)度區(qū)的部分重疊,實(shí)際可保證的調(diào)度區(qū)減小,并不能同時(shí)滿足這兩項(xiàng)任務(wù),不能在首先滿足設(shè)計(jì)保證率之外降低供水的前提下,再滿足正常的供水或灌溉任務(wù)并使之符合設(shè)計(jì)的保證率。正是因?yàn)椤兑?guī)范》中方法沒有能協(xié)調(diào)降低供水線與防破壞線的關(guān)系,造成降低供水區(qū)與正常供水區(qū)部分重疊,導(dǎo)致降低供水線可能高于防破壞線的不合理現(xiàn)象。
(4)調(diào)度圖修改沒有可行的方法
《規(guī)范》6.2.5“調(diào)節(jié)性能為年調(diào)節(jié)及以上的供水水庫應(yīng)按照調(diào)度圖,采用長(zhǎng)系列來水和需水過程進(jìn)行調(diào)節(jié)計(jì)算,檢驗(yàn)?zāi)芊駶M足設(shè)計(jì)供水保證率和破壞深度要求。如不能滿足要求,應(yīng)修改水庫調(diào)度圖及計(jì)算成果,必要時(shí)調(diào)整水庫特征水位?!薄兑?guī)范》7.2.6“調(diào)節(jié)性能為年調(diào)節(jié)及以上的灌溉水庫應(yīng)按照調(diào)度圖,采用長(zhǎng)系列來水及灌溉需水過程進(jìn)行調(diào)節(jié)計(jì)算,檢驗(yàn)?zāi)芊駶M足灌溉設(shè)計(jì)保證率和破壞深度要求。如不能滿足要求,應(yīng)進(jìn)一步修改水庫調(diào)度圖及調(diào)節(jié)計(jì)算成果?!薄兑?guī)范》分別對(duì)供水或灌溉調(diào)度圖提出了檢驗(yàn)、修改要求,這說明《規(guī)范》的調(diào)度圖計(jì)算方法并不能保證直接得出合理、準(zhǔn)確的調(diào)度圖。雖然《規(guī)范》提出了修改要求,但并沒有提出可操作的修改方法。實(shí)際水庫工程的供水或灌溉調(diào)度圖至少分為三個(gè)調(diào)度區(qū)、兩條調(diào)度線,有數(shù)十個(gè)月(或旬)的未知水位變量,如果不能找出調(diào)度圖與徑流調(diào)節(jié)計(jì)算或調(diào)度結(jié)果之間準(zhǔn)確的邏輯關(guān)系,調(diào)度圖修改就沒有規(guī)則可遵循,即使靠經(jīng)驗(yàn)重復(fù)修改多次,可能結(jié)果仍難以達(dá)到要求。
使用《規(guī)范》的方法計(jì)算調(diào)度圖時(shí)取長(zhǎng)系列年逐月(或旬)的庫水位過程的同期上包線為調(diào)度線,歷年逐月(或旬)的庫水位過程不應(yīng)采用常規(guī)徑流調(diào)節(jié)的簡(jiǎn)單結(jié)果,應(yīng)考慮按水庫調(diào)度圖運(yùn)行后分為降低供水、正常供水和加大供水的各種運(yùn)行工況,分別以各自的不同供水量和保證率控制徑流調(diào)節(jié)計(jì)算過程,并對(duì)保證率之外特枯時(shí)段降低供水、保證率之內(nèi)正常供水、加大供水采取按順序逐級(jí)保證,后一級(jí)保證以前一級(jí)保證為前提,分別控制各級(jí)供水任務(wù)的不同保證程度。在此基礎(chǔ)上計(jì)算的逐月(或旬)庫水位過程作為計(jì)算調(diào)度線的依據(jù)條件,所求的水庫調(diào)度線和調(diào)度圖才可能按設(shè)計(jì)保證率的要求滿足正常供水或灌溉任務(wù),并符合設(shè)計(jì)保證率之外降低供水的要求。
《規(guī)范》的方法計(jì)算供水防破壞線時(shí)不以保證降低供水要求為前提,將簡(jiǎn)單徑流調(diào)節(jié)的正常供水年份各月(或旬)的上包線作為防破壞線,導(dǎo)致了正常供水區(qū)與保證率之外降低供水區(qū)不合理地重疊,由于兩種調(diào)度任務(wù)沒有各自獨(dú)立的保證區(qū),按此調(diào)度圖運(yùn)行的結(jié)果就使正常供水和降低供水不能都得到滿足。為避免這一問題,改進(jìn)方法計(jì)算調(diào)度圖時(shí)應(yīng)首先計(jì)算設(shè)計(jì)保證率之外的降低供水線,先保證滿足降低供水這一最低要求,在此前提下再計(jì)算正常供水或灌溉防破壞線。
調(diào)度圖改進(jìn)方法先計(jì)算降低供水線,后確定供水或灌溉的防破壞線,正常供水區(qū)與降低供水區(qū)不應(yīng)重疊,即降低供水線與防破壞水位不交叉。依此協(xié)調(diào)正常供水區(qū)與降低供水區(qū)的位置,使正常供水區(qū)與降低供水區(qū)各自獨(dú)立存在又緊密相連。經(jīng)過對(duì)防破壞線計(jì)算方法的改進(jìn),可以在滿足保證率外的降低供水前提下,再保證滿足保證率內(nèi)的正常供水或灌溉。
因《規(guī)范》中常規(guī)的供水或灌溉水庫調(diào)度圖計(jì)算方法存在不準(zhǔn)確、不完善的問題,所計(jì)算的調(diào)度圖要經(jīng)過多次的經(jīng)驗(yàn)性的檢驗(yàn)和修改,也很難準(zhǔn)確滿足設(shè)計(jì)要求。改進(jìn)方法應(yīng)改變計(jì)算模式,計(jì)算過程應(yīng)明確、方法應(yīng)統(tǒng)一,不應(yīng)依賴個(gè)人經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行修改,全面提高調(diào)度圖計(jì)算的合理性、準(zhǔn)確性,使調(diào)度線不交叉、調(diào)度區(qū)不重疊,明確可達(dá)到的降低供水程度,調(diào)度圖結(jié)果應(yīng)明確正常供水對(duì)應(yīng)的保證率。調(diào)度圖應(yīng)能快速、方便地通過長(zhǎng)系列徑流調(diào)節(jié)計(jì)算的檢驗(yàn),不需要再對(duì)調(diào)度圖進(jìn)行反復(fù)的檢驗(yàn)和修改。
以供水或灌溉為主要任務(wù)的水庫,為控制特枯水年度供水或灌溉破壞深度,一般特枯水時(shí)段供水不小于正常設(shè)計(jì)供水量的70%~80%,灌溉水量一般不小于正常設(shè)計(jì)水量的50%??筛鶕?jù)具體水庫工程的供水或灌溉在設(shè)計(jì)保證率之外破壞期的具體要求,考慮與正常供水或灌溉的關(guān)系,合理確定降低供水過程。降低供水是工程在設(shè)計(jì)保證率之外破壞期的最低要求,應(yīng)在工程運(yùn)用的各時(shí)段都能得到滿足。在一定的入庫徑流條件和水庫規(guī)模時(shí),正常供水或灌溉任務(wù)、供水或灌溉保證率、降低供水任務(wù)三者之間都是負(fù)相關(guān)關(guān)系,在水庫調(diào)度圖編制前要分析研究三者之間合理的匹配關(guān)系,可據(jù)工程需要適當(dāng)調(diào)整三者大小,為進(jìn)行水庫調(diào)度圖計(jì)算做好準(zhǔn)備;待水庫調(diào)度圖和按調(diào)度圖所做的徑流調(diào)節(jié)有了初步結(jié)果后,應(yīng)根據(jù)結(jié)果分析三者的關(guān)系是否滿足工程要求,還可再調(diào)整三者的大小關(guān)系,必要時(shí)也可調(diào)整水庫規(guī)模。調(diào)度圖改進(jìn)方法可以快速準(zhǔn)確完成計(jì)算,為優(yōu)化工程設(shè)計(jì)創(chuàng)造條件。
《規(guī)范》在7.2.5中說明“對(duì)全部破壞年份按滿足特枯水年灌溉用水量的要求進(jìn)行逆時(shí)序調(diào)節(jié)計(jì)算,求出各月(或旬)的上包線作為降低供水線”。這種方法的原理是基本正確的,但具體做法卻不夠準(zhǔn)確和不易操作,即在調(diào)度圖開始計(jì)算階段要選用的“全部破壞年份”只能是采用常規(guī)簡(jiǎn)單徑流調(diào)節(jié)的結(jié)果,而這一結(jié)果與按調(diào)度圖所做的徑流調(diào)節(jié)的最終結(jié)果并不一致,所以不一定準(zhǔn)確;另一方面,在連續(xù)長(zhǎng)系列中再挑選出“全部破壞年份”,還要對(duì)需水和入庫徑流系列作出不連續(xù)的處理,增加了計(jì)算環(huán)節(jié)而結(jié)果精度并沒有提高。為避免這一問題,改進(jìn)方法按照全系列連續(xù)的降低供水過程進(jìn)行逆時(shí)序供水或灌溉的徑流調(diào)節(jié)計(jì)算,求出各月(或旬)水位的上包線作降低供水線。與《規(guī)范》的方法不同的還有,改進(jìn)方法是先計(jì)算確定降低供水線和降低供水區(qū),此處的降低供水區(qū)將是單獨(dú)滿足設(shè)計(jì)保證率以外的降低供水任務(wù),此區(qū)域?qū)⑴c保證率之內(nèi)的正常供水區(qū)不重疊。
確定了降低供水過程、降低供水線之后,為了給防破壞線計(jì)算提供準(zhǔn)確的徑流調(diào)節(jié)過程,以降低供水線和水庫的基本特征水位(正常蓄水位、汛期限制水位、死水位)形成的初始調(diào)度圖為依據(jù),按初始調(diào)度圖做順時(shí)序的徑流調(diào)節(jié)計(jì)算。計(jì)算中考慮正常的供水或灌溉、降低供水,不預(yù)測(cè)入庫徑流,以實(shí)際水位在調(diào)度圖中的位置確定供水或灌溉的狀態(tài),水位處于降低供水線和正常蓄水位(或汛期限制水位)之間區(qū)域,屬于設(shè)計(jì)保證率以內(nèi),為正常供水或灌溉;水位在降低供水線與死水位之間,為供水或灌溉保證率以外,按降低供水過程調(diào)度;當(dāng)水位等于正常蓄水位(或汛限水位)并且當(dāng)期入庫徑流量大于正常供水或灌溉需水量時(shí),可按水庫加大供水方式運(yùn)行。依此方法徑流調(diào)節(jié)后,能使保證率以外的降低供水得到充分滿足,也盡可能滿足了保證率以內(nèi)的正常供水或灌溉。與《規(guī)范》中方法比較,改進(jìn)方法嚴(yán)格區(qū)分了降低供水與正常供水的徑流調(diào)節(jié)目標(biāo),優(yōu)先全時(shí)段滿足降低供水要求,再盡力保證正常的供水或灌溉任務(wù)。降低供水是全時(shí)段確保,實(shí)際供水或灌溉保證率的高低與正常供水或灌溉任務(wù)大小相應(yīng),徑流調(diào)節(jié)計(jì)算的降低供水或灌溉水量與正常供水或灌溉水量及相應(yīng)的保證率比《規(guī)范》的常規(guī)方法明確可靠。
防破壞線應(yīng)以滿足設(shè)計(jì)保證率之外,特枯水時(shí)段降低供水為前提條件,正常供水應(yīng)符合設(shè)計(jì)保證率,防破壞線計(jì)算依據(jù)的庫水位過程必須是含有特枯水時(shí)段的降低供水、設(shè)計(jì)保證率內(nèi)的正常供水,而不應(yīng)含有加大供水任務(wù)。把前述按初始調(diào)度圖徑流調(diào)節(jié)過程中含有加大供水量時(shí)段取為正常供水,與徑流調(diào)節(jié)過程中可正常供水時(shí)段和設(shè)計(jì)保證率外的降低供水時(shí)段及其相應(yīng)水量一起,構(gòu)成了計(jì)算水庫防破壞線完整準(zhǔn)確的供水系列。依此供水系列逆時(shí)序連續(xù)做徑流調(diào)節(jié)計(jì)算,即可以得出長(zhǎng)系列各時(shí)段供水或灌溉的相應(yīng)水位即為防破壞水位。為使降低供水得到全時(shí)段保證、正常供水滿足設(shè)計(jì)保證率,就必須保持正常供水區(qū)和降低供水區(qū)各自獨(dú)立,避免二者重疊,所以在本階段逆時(shí)序連續(xù)徑流調(diào)節(jié)過程中,要控制每個(gè)正常供水時(shí)段庫水位不低于降低供水線,最后再取歷年各月(或旬)防破壞水位的上包線即為防破壞線。與《規(guī)范》的方法比較,改進(jìn)方法計(jì)算防破壞線依據(jù)的供水或灌溉過程中包含了降低供水、正常供水,并削除了加大供水部分,能保證需水和供水過程完整、合理;另一方面,控制長(zhǎng)系列各時(shí)段的供水或灌溉防破壞水位不低于同期的供水或灌溉降低供水線,徹底避免了《規(guī)范》中提到的降低供水線高于防破壞線的不合理現(xiàn)象,也就省去了對(duì)此不合理現(xiàn)象所要做的一系列經(jīng)驗(yàn)性修改、檢驗(yàn)工作,從根本上提高了改進(jìn)方法計(jì)算調(diào)度圖的準(zhǔn)確性。
《規(guī)范》對(duì)供水或灌溉水庫調(diào)度圖均提出了加大供水區(qū)的要求,但并沒有提出計(jì)算供水或灌溉加大供水線的方法。在正常情況下,供水或灌溉水庫有條件加大供水時(shí),主要按加大供水的具體要求供水,通??刹扇×⒓醇屑哟蠡蚝笃诩屑哟蠓绞焦┧纯?,一般無需計(jì)算水庫的加大供水線;只有要求水庫以均勻方式加大供水時(shí),才需要計(jì)算水庫加大供水線??砂醇哟蠊┧木唧w要求,對(duì)不同的加大供水線作出計(jì)算。計(jì)算方法因要求均勻加大供水的具體條件而不同,應(yīng)經(jīng)若干方案的比較,計(jì)算不同的加大供水線供選擇使用,其中等于水庫放水能力的水庫加大供水線即為水庫的防棄水線。
水庫供水或灌溉調(diào)度圖計(jì)算改進(jìn)方法只對(duì)調(diào)度圖的計(jì)算模式進(jìn)行了改進(jìn),供水或灌溉調(diào)度圖的基本調(diào)度分區(qū)和各調(diào)度區(qū)內(nèi)水庫調(diào)度方式仍與《規(guī)范》相同。即水庫水位在降低供水線和防破壞線之間時(shí),水庫按保證正常供水或灌溉需要供水;水庫水位高于防破壞線時(shí),除按正常供水或灌溉需要供水外,還可以根據(jù)供水區(qū)或灌區(qū)工程蓄水情況適當(dāng)加大向供水地區(qū)的輸水量,用于供水區(qū)或灌區(qū)的多水源之間的聯(lián)合調(diào)度或屯蓄;當(dāng)水庫水位在降低供水線和死水位之間時(shí),按設(shè)計(jì)降低的特枯水年供水或灌溉水量供水。
某城市供水水庫總庫容1.84億m3,興利調(diào)節(jié)庫容0.63億m3,年均徑流量1.1806億m3(含每年汛期前、后從外流域集中調(diào)水),正常蓄水位28m,汛期限制水位27.5m,死水位18m。水庫承擔(dān)城市供水和火電廠供水任務(wù),城市供水保證率可在95%上下比較,向火電廠供水部分要求保證率為100%,城市供水可與其它水源聯(lián)合調(diào)度,對(duì)保證率之外的破壞深度不做具體限制。因此水庫正常供水為城市供水與火電廠用水之和,水庫設(shè)計(jì)保證率之外的降低供水任務(wù)為向火電廠供水。用改進(jìn)方法作出水庫調(diào)度圖并按調(diào)度圖進(jìn)行徑流調(diào)節(jié),對(duì)水庫城市供水設(shè)計(jì)保證率進(jìn)行多方案計(jì)算比較。計(jì)算結(jié)果見表1,方案3的水庫調(diào)度圖見圖1,圖1中上線為水庫正常蓄水位或汛期限制水位,中線為防破壞線,下線為降低供水線。
表1 計(jì)算結(jié)果
圖1 調(diào)度圖
本例使用改進(jìn)方法計(jì)算供水調(diào)度圖,并按調(diào)度圖做徑流調(diào)節(jié),設(shè)計(jì)保證率外降低供水量(電廠供水量)可以全時(shí)段滿足,如果需要也可對(duì)降低供水量的大小做多方案的計(jì)算比較;不同的正常供水保證率,計(jì)算可得到不同的保證(正常)供水量;本水庫對(duì)加大供水采用立即加大方式運(yùn)行,調(diào)度圖中不需要計(jì)算加大供水線。實(shí)際工程可考慮對(duì)降低供水、正常供水量及保證率等參數(shù)的不同要求,結(jié)合工程其它情況選用調(diào)度方案。
供水或灌溉調(diào)度圖計(jì)算改進(jìn)方法與《規(guī)范》中常規(guī)方法的計(jì)算原理是一樣的,在相同的條件時(shí),準(zhǔn)確的調(diào)度圖也應(yīng)是相同的。改進(jìn)方法的主要改進(jìn)內(nèi)容體現(xiàn)在調(diào)度圖計(jì)算過程和結(jié)果中,避免了對(duì)調(diào)度圖的多次檢驗(yàn)計(jì)算,避免了沒有明確規(guī)則可依的經(jīng)驗(yàn)性修改調(diào)度圖,提高了調(diào)度圖和相應(yīng)徑流調(diào)節(jié)計(jì)算的合理性和準(zhǔn)確性;用改進(jìn)方法的調(diào)度圖可以更準(zhǔn)確、靈活地協(xié)調(diào)供水或灌溉任務(wù)與水庫調(diào)度的各種要求,可以優(yōu)化工程設(shè)計(jì)或提高水庫調(diào)度合理性。
針對(duì)《規(guī)范》中城鄉(xiāng)供水或灌溉水庫調(diào)度圖計(jì)算方法存在的問題,提出了合理確定降低供水過程,優(yōu)先準(zhǔn)確計(jì)算降低供水線,按調(diào)度圖模式合理調(diào)節(jié)徑流,控制供水或灌溉防破壞水位不低于同期的供水或灌溉降低供水線等改進(jìn)措施。改進(jìn)方法協(xié)調(diào)了水庫調(diào)度與徑流調(diào)節(jié)的關(guān)系,準(zhǔn)確計(jì)算了降低供水區(qū),在滿足降低供水的前提下確定了正常供水區(qū),改進(jìn)方法可以準(zhǔn)確地計(jì)算出調(diào)度線、調(diào)度圖,并能按調(diào)度圖作出徑流調(diào)節(jié)。改進(jìn)方法提高了供水或灌溉時(shí)歷法調(diào)度圖的合理性與實(shí)用價(jià)值,改進(jìn)方法應(yīng)用方便,計(jì)算方法明確、避免了任意性較大的調(diào)度圖經(jīng)驗(yàn)修改,明顯提高了計(jì)算效率和結(jié)果的準(zhǔn)確性。