《水利工程水利計(jì)算規(guī)范》中水電站徑流調(diào)節(jié)方法的改進(jìn)

王 平

(上?？睖y(cè)設(shè)計(jì)研究院有限公司，上海 200434)

水利工程水電站的徑流調(diào)節(jié)和水能計(jì)算主要方法為時(shí)歷法，主要計(jì)算結(jié)果為保證出力和多年平均發(fā)電量等指標(biāo)，徑流調(diào)節(jié)和水能計(jì)算是確定水庫和電站規(guī)模及效益的重要根據(jù)，也是水庫發(fā)電調(diào)度和優(yōu)化運(yùn)行的基礎(chǔ)。在國內(nèi)廣泛使用的水電站時(shí)歷法徑流調(diào)節(jié)技術(shù)[1]創(chuàng)立于20世紀(jì)50年代，受當(dāng)時(shí)計(jì)算工具等條件的限制，計(jì)算的思路和方法都是以人工手算或圖解法為主的。隨著水文徑流資料的延長和計(jì)算技術(shù)的提高，傳統(tǒng)時(shí)歷法的缺點(diǎn)和問題越發(fā)突出，計(jì)算理論和方法亟待更新改進(jìn)。20世紀(jì)80年代計(jì)算機(jī)普及使用以來，水庫和水電站優(yōu)化調(diào)度技術(shù)得到了快速發(fā)展，但水電站時(shí)歷法徑流調(diào)節(jié)技術(shù)卻沒有大的改進(jìn)，SL104-95《水利工程水利計(jì)算規(guī)范》[2]及有關(guān)工具書[3-6]關(guān)于水電站時(shí)歷法徑流調(diào)節(jié)的計(jì)算方法與20世紀(jì)50年代相比并沒有實(shí)質(zhì)性的改進(jìn)。2014年新修編的重要工具書《水工設(shè)計(jì)手冊(cè)》(第二版)[7]有關(guān)發(fā)電水庫徑流調(diào)節(jié)和水能計(jì)算的內(nèi)容仍然沒有更新改進(jìn)，其他有關(guān)水庫時(shí)歷法徑流調(diào)節(jié)改進(jìn)方法研究的公開資料[8-11]也很少。2015年新修訂的SL104-2015《水利工程水利計(jì)算規(guī)范》[12]終于對(duì)水電站的徑流調(diào)節(jié)和水能計(jì)算方法做了重大改進(jìn)，但新規(guī)范提出的僅是改進(jìn)的原則和主要方法，仍沒有完整、具體的計(jì)算方法。本文分析以原規(guī)范SL104-95為代表的原有常規(guī)方法存在的問題，介紹新規(guī)范SL104-2015相應(yīng)方法的改進(jìn)原則和主要內(nèi)容，提出仍需進(jìn)一步改進(jìn)的具體措施，形成完整的、易于使用的水電站徑流調(diào)節(jié)和水能計(jì)算改進(jìn)的新方法。

1 原有常規(guī)方法徑流調(diào)節(jié)的問題

1.1 計(jì)算方法沒有分類判斷標(biāo)準(zhǔn)

SL104-95中7.1.6將有調(diào)節(jié)能力的水電站分為年調(diào)節(jié)和多年調(diào)節(jié)2類，采用有差別的方法作徑流調(diào)節(jié)計(jì)算。但SL104-95并沒有提出劃分水電站調(diào)節(jié)性能的方法和分類判斷標(biāo)準(zhǔn)，國內(nèi)其他有關(guān)的水利水電規(guī)范中也沒有類似的分類判斷標(biāo)準(zhǔn)。有些書籍中用水庫庫容系數(shù)等作為分類判斷標(biāo)準(zhǔn)的經(jīng)驗(yàn)性方法(舉例見表1)，但各種書籍的分類標(biāo)準(zhǔn)相差較大，也不是水庫調(diào)節(jié)計(jì)算中選擇方法的確切依據(jù)。由于沒有準(zhǔn)確的分類判別標(biāo)準(zhǔn)和方法，在水電站分類和徑流調(diào)節(jié)計(jì)算時(shí)易出現(xiàn)同一個(gè)電站被分成不同類型，而得出不同的計(jì)算結(jié)果，這顯然是方法分類錯(cuò)位引起的不合理現(xiàn)象。

表1 水庫調(diào)節(jié)性能判別標(biāo)準(zhǔn)

1.2 僅注重供蓄水期內(nèi)的徑流調(diào)節(jié)方法不完全合理

SL104-95中7.1.2“水電站水庫徑流調(diào)節(jié)計(jì)算應(yīng)主要采用時(shí)歷法，對(duì)于調(diào)節(jié)程度高的大型水庫，必要時(shí)宜同時(shí)采用概率法或隨機(jī)模擬法進(jìn)行計(jì)算或校核，并選用偏安全的成果作為設(shè)計(jì)值”，而原規(guī)范只在附錄A中給出一個(gè)通用的計(jì)算公式(A1)，對(duì)公式中時(shí)段發(fā)電用水如何確定，如何進(jìn)行徑流調(diào)節(jié)并沒有給出建議方法。從SL104-95中7.1.6有關(guān)內(nèi)容敘述中可知，規(guī)范主要采用的是原有常規(guī)方法，即先把徑流系列按水文年劃分為基本調(diào)節(jié)年度，再把各個(gè)水文年劃分為蓄水期和供水期，多年調(diào)節(jié)水庫劃分為連續(xù)豐水或枯水年組。不同水文年份均從相同的水位起調(diào)或終止，計(jì)算條件中必須至少預(yù)先知道一年的來水過程，于每年供水期初水庫蓄滿開始，確定一個(gè)固定流量(等流量法)或固定出力(等出力法)，逐時(shí)段計(jì)算，要求供水期末庫水位剛好消落至死水位，否則重新確定流量或出力值重復(fù)計(jì)算。具體計(jì)算常采用列表法、差積曲線法、簡化水量平衡方程式法、圖解法等。計(jì)算的基本周期為一年，用同樣的方法完成全部水文年的計(jì)算，得出各水文年內(nèi)蓄水期、供水期的發(fā)電流量和發(fā)電出力。原有常規(guī)方法徑流調(diào)節(jié)的目的，是在每個(gè)年份內(nèi)推求當(dāng)年調(diào)節(jié)周期中均勻相等的發(fā)電流量(等流量法)或發(fā)電出力(等出力法)。但從總體比較，因各個(gè)水文年的調(diào)節(jié)流量或出力是大小不等的，按照保證出力的概念，做頻率統(tǒng)計(jì)后，符合保證率要求的保證出力是排隊(duì)系列中較低值，計(jì)算的保證出力偏小。原有常規(guī)方法計(jì)算過程不考慮發(fā)電保證率對(duì)徑流調(diào)節(jié)計(jì)算過程的影響，只按單一不變的模式調(diào)節(jié)徑流，沒有充分利用庫容主動(dòng)調(diào)節(jié)發(fā)電過程，影響了結(jié)果的合理性和適用性。

1.3 發(fā)電保證率與保證出力的對(duì)應(yīng)關(guān)系不太準(zhǔn)確

SL104-95中1.0.6及其條文說明指出，發(fā)電保證率執(zhí)行《水利水電工程動(dòng)能設(shè)計(jì)規(guī)范》。DL/T5015-1996《水利水電工程動(dòng)能設(shè)計(jì)規(guī)范》“2.0.4設(shè)計(jì)保證率：水電站正常發(fā)電的保證程度，用水電站正常發(fā)電的時(shí)段數(shù)與計(jì)算總時(shí)段數(shù)相比的百分率表示。時(shí)段長短可根據(jù)水庫調(diào)節(jié)性能和設(shè)計(jì)需要，按年、月、旬、日分別選用”；修訂后的NB/T35061-2015《水電工程動(dòng)能設(shè)計(jì)規(guī)范》“2.0.16設(shè)計(jì)保證率：水電工程在多年運(yùn)行期間正常發(fā)電或其他用戶的正常用水得到保證的程度。設(shè)計(jì)保證率通常用按數(shù)學(xué)期望公式計(jì)算的百分?jǐn)?shù)表示，可采用年保證率或歷時(shí)保證率”。而SL104-95中7.1.6“對(duì)于年調(diào)節(jié)水電站應(yīng)根據(jù)長系列徑流調(diào)節(jié)計(jì)算成果，統(tǒng)計(jì)分析各水文年供水期平均出力，以設(shè)計(jì)保證率的供水期平均出力為電站保證出力；對(duì)于多年調(diào)節(jié)水電站應(yīng)根據(jù)長系列徑流調(diào)節(jié)計(jì)算成果，先計(jì)算各供水段的平均出力，然后按年統(tǒng)計(jì)，以設(shè)計(jì)保證率的年平均出力為電站保證出力”。由此可知，SL104-95的計(jì)算保證率及相應(yīng)保證出力的方法與《(水利)水電工程動(dòng)能設(shè)計(jì)規(guī)范》的定義有所不同，這造成了保證率和保證出力計(jì)算結(jié)果的偏差。原規(guī)范SL104-95計(jì)算的保證出力概念不準(zhǔn)確的原因，是其沿用了早期選典型年、等流量調(diào)節(jié)的簡化做法，現(xiàn)在有條件優(yōu)先使用系列年、等出力方法調(diào)節(jié)計(jì)算了，所以應(yīng)把其模糊的發(fā)電保證率及保證出力概念改回到準(zhǔn)確符合其定義上去，不應(yīng)繼續(xù)采用習(xí)慣做法而違背其準(zhǔn)確定義。

1.4 年調(diào)節(jié)水庫分期和起止水位不完全合理

SL104-95等原有常規(guī)方法按多數(shù)年份蓄水期起始時(shí)間確定水文年，并再劃分為蓄水期、供水期等。把本來復(fù)雜多變的徑流調(diào)節(jié)過程簡化概括，這是人工手算時(shí)期為了減少計(jì)算量、降低計(jì)算難度而采取的簡化措施。但這種劃分并不能全面代表水庫合理的運(yùn)行方式，不能充分反映水庫多變的發(fā)電運(yùn)行狀態(tài)。受入庫徑流和發(fā)電用水的影響，歷年同期水庫蓄水或供水情況可能差別較大，人為劃分為蓄水期和供水期，并規(guī)定各年同期都要按相同的水位起調(diào)或終止，顯然與實(shí)際情況不符，依此調(diào)節(jié)計(jì)算并不完全合理。

SL104-95條文說明7.1.3“對(duì)于年調(diào)節(jié)水庫，可從系列年第一年的豐水期初和死水位開始計(jì)算，順時(shí)序計(jì)算至最后一年的枯水期末和庫水位消落至死水位為止”。原有常規(guī)方法每年均從蓄水期死水位開始起調(diào)，在蓄水期末蓄滿水庫調(diào)節(jié)庫容，在供水期末庫水位剛好消落至死水位。這種調(diào)節(jié)方法割斷了相鄰年之間的徑流補(bǔ)償，導(dǎo)致水庫平均運(yùn)行水位偏低，很多實(shí)際工程計(jì)算都可證明其保證出力偏小。

1.5 對(duì)徑流的計(jì)算期要求太長

原有常規(guī)方法徑流調(diào)節(jié)中，列表法、差積曲線法、簡化水量平衡方程式法等都要至少預(yù)先知道一年的入庫徑流過程作為計(jì)算條件，否則就無法計(jì)算供水期的等流量或等出力，多年調(diào)節(jié)水庫還要預(yù)先知道連續(xù)豐水年組的全部入庫徑流過程，再按水庫發(fā)電流量或出力均勻相等和盡量不棄水為目標(biāo)，調(diào)節(jié)水庫蓄水放水和發(fā)電出力。這種計(jì)算每一個(gè)時(shí)段都要預(yù)先知道當(dāng)年的全部來水情況，是一種事后的理想化計(jì)算，與水庫實(shí)際運(yùn)行情況差別較大。

2 新規(guī)范已經(jīng)改進(jìn)的主要內(nèi)容

發(fā)電水庫徑流調(diào)節(jié)和水能計(jì)算方法的改進(jìn)原則，應(yīng)是改正或避免SL104-95等原有常規(guī)方法存在的不合理的問題，創(chuàng)立目標(biāo)明確、方法統(tǒng)一、計(jì)算準(zhǔn)確、結(jié)果合理的改進(jìn)方法。通過新老規(guī)范對(duì)比，可以看到原規(guī)范存在的主要問題已在新規(guī)范中得到基本解決，SL104-2015已從以下幾方面對(duì)原有常規(guī)計(jì)算方法作了重要的改進(jìn)。

2.1 統(tǒng)一不同調(diào)節(jié)性能水庫的計(jì)算方法

水庫年調(diào)節(jié)和多年調(diào)節(jié)沒有統(tǒng)一的判別標(biāo)準(zhǔn)，年調(diào)節(jié)和多年調(diào)節(jié)之間并無嚴(yán)格明確的分界線。水庫調(diào)節(jié)性能隨徑流特性、發(fā)電用水過程、庫容大小等多種因素而變化。同一水庫在不同條件或年份具有的調(diào)節(jié)性能也不同。因?yàn)椴煌{(diào)節(jié)性能的界限并不能準(zhǔn)確確定，所以徑流調(diào)節(jié)的計(jì)算方法也不應(yīng)嚴(yán)格區(qū)分，應(yīng)改用統(tǒng)一方法。改進(jìn)方法不應(yīng)再硬性劃分年調(diào)節(jié)、多年調(diào)節(jié)等分類，改進(jìn)的計(jì)算方法應(yīng)能適用各種調(diào)節(jié)性能的水庫。

SL104-2015中8.2.4“對(duì)于調(diào)節(jié)性能為年及以上的水電站，應(yīng)根據(jù)長系列徑流調(diào)節(jié)計(jì)算成果，以各計(jì)算時(shí)段平均出力繪制保證率曲線，按選定的發(fā)電設(shè)計(jì)保證率確定水電站保證出力；對(duì)于無調(diào)節(jié)或日調(diào)節(jié)水電站，應(yīng)選擇日平均出力系列中相應(yīng)于設(shè)計(jì)保證率的日平均出力作為水電站保證出力”。此條規(guī)定的實(shí)質(zhì)是統(tǒng)一了各種調(diào)節(jié)性能的水電站的計(jì)算方法，在各種調(diào)節(jié)性能電站的保證出力計(jì)算中只有計(jì)算時(shí)段的不同，沒有方法的不同。

2.2 采用全系列等出力法

改進(jìn)方法應(yīng)在全部系列內(nèi)連續(xù)調(diào)節(jié)計(jì)算，電站運(yùn)行從原方法的主要調(diào)節(jié)出庫流量轉(zhuǎn)變?yōu)橹饕{(diào)節(jié)發(fā)電出力，為了得到最大的保證出力，改進(jìn)方法用全系列等出力法代替原方法的單獨(dú)年份供水期或蓄水期內(nèi)的等流量法或等出力法。改進(jìn)方法在正常發(fā)電期按相同的時(shí)段平均等出力發(fā)電，在豐水期蓄滿調(diào)節(jié)庫容后才能加大發(fā)電出力，在水庫水位降低到死水位后，若來水不足才會(huì)發(fā)生保證出力破壞。原有常規(guī)方法追求每個(gè)單獨(dú)水文年供水期最小出力極大化，改進(jìn)方法在全系列內(nèi)爭(zhēng)取最大的保證出力。水電站能可靠地承擔(dān)電力系統(tǒng)發(fā)電任務(wù)的基礎(chǔ)是具有保證出力(或保證電量)，沒有保證出力的發(fā)電量是價(jià)值較低的季節(jié)性電量。

SL104-2015中8.2.2說明“時(shí)歷法徑流調(diào)節(jié)計(jì)算的計(jì)算起點(diǎn)，一般根據(jù)水庫的調(diào)節(jié)性能分別擬定:①對(duì)于年調(diào)節(jié)水庫，一般選擇徑流系列第一年豐水期初為計(jì)算起點(diǎn)，從死水位開始順時(shí)序進(jìn)行計(jì)算，計(jì)算到徑流系列最后一年的枯水期末為止，并使庫水位消落到死水位。②對(duì)于多年調(diào)節(jié)水庫，一般可以選擇連續(xù)豐水年的豐水期末為計(jì)算起點(diǎn)，從正常蓄水位開始順時(shí)序進(jìn)行計(jì)算;也可以選擇連續(xù)枯水年的枯水期末為計(jì)算起點(diǎn)，從死水位開始計(jì)算;到徑流系列最后時(shí)段的水位應(yīng)該等于計(jì)算起點(diǎn)的水位?！贝藯l說明中對(duì)兩種調(diào)節(jié)性能水庫都是要求從計(jì)算起點(diǎn)連續(xù)計(jì)算到終點(diǎn)，不再采用SL104-95單獨(dú)年份供水期或蓄水期內(nèi)的等出力法或等流量法，這種在全部系列內(nèi)以發(fā)電出力為目的的連續(xù)調(diào)節(jié)計(jì)算的方法即為全系列等出力法。

2.3 正確計(jì)算保證率和保證出力

改進(jìn)方法應(yīng)按發(fā)電設(shè)計(jì)保證率的準(zhǔn)確定義，正確計(jì)算保證率和保證出力。要從3個(gè)方面正確理解和計(jì)算：①保證率統(tǒng)計(jì)范圍，確定設(shè)計(jì)或?qū)嶋H保證率及相應(yīng)保證出力的準(zhǔn)確統(tǒng)計(jì)范圍是全部系列的計(jì)算總時(shí)段數(shù)，其他只統(tǒng)計(jì)符合設(shè)計(jì)保證率的枯水年、枯水時(shí)段、供水期等都是近似或簡化的方法。②符合設(shè)計(jì)保證率的時(shí)段平均出力統(tǒng)計(jì)，是徑流調(diào)節(jié)計(jì)算中選用的計(jì)算時(shí)段(一般為月、旬、日)內(nèi)的平均出力，并不需要特指是供水(枯水)時(shí)段，因?yàn)橛械呢S枯變化較大的電站的保證出力控制時(shí)段也可能出現(xiàn)在蓄水期、有的低水頭電站的保證出力的控制時(shí)段也可能出現(xiàn)在洪水期。③保證出力計(jì)算，是以全部計(jì)算系列的單個(gè)時(shí)段內(nèi)的平均出力參與統(tǒng)計(jì)(而不是若干個(gè)供水或枯水時(shí)段之間的平均出力)，按各時(shí)段內(nèi)的平均出力統(tǒng)計(jì)繪制其保證率曲線，按選定的發(fā)電設(shè)計(jì)保證率確定相應(yīng)的保證出力。

SL104-2015中8.2.4已經(jīng)用保證率、保證出力的準(zhǔn)確計(jì)算方法代替了原近似或簡化的方法，即明確無調(diào)節(jié)、日調(diào)節(jié)、年調(diào)節(jié)及以上的水電站，都以各計(jì)算時(shí)段平均出力繪制保證率曲線，按選定的發(fā)電設(shè)計(jì)保證率確定水電站的保證出力。

2.4 合理劃分計(jì)算期

原有常規(guī)方法受計(jì)算能力的限制，把長系列劃分為單獨(dú)的水文年作為基本的調(diào)節(jié)計(jì)算期。改進(jìn)方法以計(jì)算機(jī)為工具，計(jì)算能力增強(qiáng)，調(diào)節(jié)計(jì)算周期可以擴(kuò)大到全部系列年的所有時(shí)段。改進(jìn)方法應(yīng)最大限度地取消對(duì)調(diào)節(jié)過程的假定，對(duì)每年調(diào)節(jié)期內(nèi)不再劃分供水期和蓄水期等人為分期；也不再劃分豐水年和枯水年組；調(diào)節(jié)計(jì)算過程僅知道面臨一個(gè)時(shí)段初的水庫蓄水情況，計(jì)算條件不應(yīng)再預(yù)先知道一年或更長的徑流過程，而最多僅可以知道面臨一個(gè)時(shí)段的徑流；計(jì)算水庫水位連續(xù)變化，不再規(guī)定供水期、蓄水期等固定的人為確定的起止水位。改進(jìn)方法不再劃分供水期和蓄水期而連續(xù)計(jì)算，是為了避免不管水庫蓄水情況，每年都按固定的方式供水、蓄水等不合理運(yùn)行方式。改用水庫蓄水作為判斷發(fā)電出力可比原有常規(guī)方法更符合實(shí)際，如此改進(jìn)計(jì)算可以使保證出力明顯提高，可以更合理地運(yùn)用水庫的調(diào)蓄功能。

SL104-2015的8.2.2說明中已要求年或多年調(diào)節(jié)水庫都是要求從計(jì)算起點(diǎn)連續(xù)計(jì)算到終點(diǎn)，不再采用SL104-95[2]原有常規(guī)方法對(duì)每年劃分供水期、蓄水期等做法，新規(guī)范實(shí)現(xiàn)了合理劃分計(jì)算期的改進(jìn)目標(biāo)。

3 需要進(jìn)一步改進(jìn)和完善的內(nèi)容

3.1 計(jì)算起點(diǎn)和終點(diǎn)水位仍需進(jìn)一步合理確定

SL104-2015中8.2.2“采用長系列法進(jìn)行徑流調(diào)節(jié)計(jì)算時(shí)，應(yīng)合理選擇起訖點(diǎn)，按時(shí)序逐時(shí)段進(jìn)行計(jì)算，計(jì)算起始點(diǎn)和終止點(diǎn)水位應(yīng)一致”，在8.2.2說明中對(duì)年和多年調(diào)節(jié)水庫的計(jì)算起訖點(diǎn)作了具體要求，但這一要求有不易操作或不合理之處，具體分析如下。

(1)計(jì)算起點(diǎn):SL104-2015中8.2.2對(duì)年調(diào)節(jié)水庫以徑流系列第一年豐水期初死水位為起點(diǎn)；對(duì)多年調(diào)節(jié)水庫以連續(xù)豐水年的豐水期末正常蓄水位為計(jì)算起點(diǎn)，這一要求準(zhǔn)確確定起點(diǎn)水位的原則是合理的，但實(shí)際計(jì)算開始還難以準(zhǔn)確界定“第一年豐水期初”“連續(xù)豐水年的豐水期末”，不方便徑流調(diào)節(jié)計(jì)算。

為遵照新規(guī)范應(yīng)合理確定起訖點(diǎn)及水位的原則，盡量準(zhǔn)確確定水庫起調(diào)時(shí)段和水位，可以在計(jì)算前經(jīng)綜合考慮擬定起點(diǎn)和水位，例如可以根據(jù)水庫施工安排和初期蓄水計(jì)劃初定起點(diǎn)和水位，也可以據(jù)徑流調(diào)節(jié)初步計(jì)算結(jié)果再修正，但不宜硬性的把起點(diǎn)定為“第一年豐水期初”或“連續(xù)豐水年的豐水期末”。選擇計(jì)算起點(diǎn)的關(guān)鍵是按規(guī)范的原則，準(zhǔn)確確定起點(diǎn)水位，使徑流調(diào)節(jié)盡量符合實(shí)際情況。

(2)計(jì)算終點(diǎn):SL104-2015中8.2.2要求計(jì)算起始點(diǎn)和終止點(diǎn)水位應(yīng)一致，這是考慮避免起訖水位變化較大而影響徑流調(diào)節(jié)成果的準(zhǔn)確度。但改進(jìn)方法的水庫徑流調(diào)節(jié)計(jì)算過程不應(yīng)再受原有常規(guī)方法人為確定的供水期或蓄水期、豐水年或枯水年份、固定的起止水位等約束，水庫的水位是隨機(jī)變化的，計(jì)算終點(diǎn)的水位一般都不會(huì)恰巧等于計(jì)算起始點(diǎn)水位。一般庫容不大或?qū)λ蛔兓瘺]有特別要求的水庫，按正常徑流調(diào)節(jié)自然結(jié)束即可，起訖水位變化對(duì)長系列徑流調(diào)節(jié)結(jié)果影響一般很?。蝗绻麕烊莺艽?，為避免水庫蓄水變化影響水能指標(biāo)的準(zhǔn)確度，要求終止點(diǎn)水位與計(jì)算起始點(diǎn)相同或接近，也不應(yīng)人為強(qiáng)制改變終點(diǎn)水位，合理的做法是在計(jì)算過程中按需要的水位截取終點(diǎn)時(shí)段，但計(jì)算系列要受到跨年度的截短，參數(shù)統(tǒng)計(jì)時(shí)應(yīng)注意調(diào)整有效計(jì)算總時(shí)段數(shù)。

3.2 計(jì)算方式統(tǒng)一改為計(jì)算機(jī)試算法

在計(jì)算機(jī)已普及的年代，原有常規(guī)方法的列表法計(jì)算法、差積曲線法、查圖法、簡化水量平衡方程式等顯然已不能適應(yīng)使用要求，手工計(jì)算用長系列資料試算保證出力是件很困難的事情，使用了計(jì)算機(jī)后卻變得較容易。改進(jìn)方法應(yīng)放棄人工計(jì)算和圖解法，改以計(jì)算機(jī)長系列連續(xù)試算法代替各種原有常規(guī)方法。

3.3 正確計(jì)算保證率曲線

為了對(duì)設(shè)計(jì)方案進(jìn)行比較，需要分析不同保證出力與相應(yīng)保證率的關(guān)系。但原有常規(guī)方法的徑流調(diào)節(jié)計(jì)算過程中并不考慮保證率，只是在徑流調(diào)節(jié)計(jì)算后，再把長系列里的發(fā)電出力作頻率統(tǒng)計(jì)，并繪制出力頻率曲線，然后近似地以出力頻率曲線代替發(fā)電保證率的概率曲線，并確定各保證率對(duì)應(yīng)的不同保證出力。原有常規(guī)方法的這種做法缺乏理論依據(jù)，僅是很粗的簡化估計(jì)，與發(fā)電保證率的定義不符，結(jié)果誤差較大。改進(jìn)方法計(jì)算中應(yīng)正確區(qū)分和計(jì)算保證出力與保證率關(guān)系曲線、(某一保證率對(duì)應(yīng)的)發(fā)電出力頻率曲線。用設(shè)計(jì)保證率控制保證出力的計(jì)算結(jié)果，使改進(jìn)方法計(jì)算的保證出力與保證率關(guān)系曲線準(zhǔn)確符合理論定義。

4 改進(jìn)方法完整的計(jì)算步驟

4.1 計(jì)算條件確定

水庫徑流調(diào)節(jié)和水能計(jì)算所需要的主要資料有：水庫庫容與水位關(guān)系、發(fā)電尾水位與流量關(guān)系、系列年各時(shí)段入庫徑流、正常蓄水位及庫容、汛期限制水位及庫容、汛期開始和終止時(shí)間、死水位及庫容、水量損失、生態(tài)環(huán)保等用水、裝機(jī)容量、設(shè)計(jì)保證率、引水系統(tǒng)水頭損失、水輪發(fā)電機(jī)組出力限制條件、機(jī)組運(yùn)行效率、綜合出力系數(shù)等。

4.2 確定起始時(shí)段和水位

一般可以從長系列第一個(gè)時(shí)段開始，根據(jù)綜合分析，選擇從死水位、汛限水位、正常蓄水位等適當(dāng)?shù)乃黄鹫{(diào)，以后各時(shí)段應(yīng)連續(xù)計(jì)算。如起調(diào)水位難以準(zhǔn)確確定，也可根據(jù)徑流初步調(diào)節(jié)計(jì)算過程分析，重新確定起調(diào)時(shí)段和水位。計(jì)算系列末水位是連續(xù)計(jì)算的結(jié)果，由于離起始點(diǎn)已很遠(yuǎn)，期間已經(jīng)歷豐、枯來水時(shí)段，結(jié)束時(shí)段末水位一般已不受起始水位的影響。如果要求最后一個(gè)時(shí)段水庫調(diào)節(jié)末水位結(jié)束于起調(diào)水位或其他某一特別水位，可在已完成的計(jì)算過程中尋找符合條件的終點(diǎn)時(shí)段。

4.3 初步估算保證出力

改進(jìn)方法采用全系列各時(shí)段等出力連續(xù)試算法，計(jì)算電站的保證出力?？筛鶕?jù)設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)、已有初步成果或任何其他方法，先初擬或假定保證出力的初始試算值，以縮小試算的范圍。初始擬定或假定值只影響試算的時(shí)間，并不影響最終計(jì)算結(jié)果。

4.4 各時(shí)段徑流調(diào)節(jié)計(jì)算

改進(jìn)方法以面臨時(shí)段水庫水位和僅面臨時(shí)段徑流作為計(jì)算條件，不需要預(yù)先知道全年或更多的徑流。把水庫運(yùn)行分為保證出力正常發(fā)電期、加大發(fā)電出力期、發(fā)電破壞期。水庫水位處于死水位和正常蓄水位(或汛期限制水位)之間區(qū)域，電站按保證出力正常發(fā)電；水庫水位在死水位時(shí)，天然來水量如不夠保證出力發(fā)電，電站就處于破壞期；如水庫水位在正常蓄水位(或汛期限制水位)，來水量除可滿足保證出力發(fā)電外，多余的水量可用于加大發(fā)電出力。

全系列中正常發(fā)電期的保證出力是相等的，而水庫水位是變動(dòng)的，相應(yīng)的保證出力發(fā)電流量也是變化的，各時(shí)段發(fā)電流量要用試算法求得，保證出力也要通過全系列多輪次的試算，才能準(zhǔn)確符合發(fā)電設(shè)計(jì)保證率。改進(jìn)方法以時(shí)歷順序進(jìn)行全系列各時(shí)段水量平衡連續(xù)計(jì)算，其中水庫來水、蓄水、發(fā)電用水、棄水有復(fù)雜的組合變化，包含徑流調(diào)節(jié)的三個(gè)調(diào)節(jié)期，調(diào)節(jié)期的變化組合是自然的、隨機(jī)的，并不需要人為干預(yù)。

4.5 發(fā)電保證率和保證出力計(jì)算

徑流調(diào)節(jié)中用初擬的或假定的保證出力計(jì)算，從起始時(shí)段開始對(duì)全系列所有時(shí)段進(jìn)行水量平衡，得出各時(shí)段連續(xù)發(fā)電出力過程，包含了保證出力、加大出力、破壞期出力。對(duì)此出力過程做頻率計(jì)算，把發(fā)電出力大于等于初擬或假定保證出力的時(shí)段數(shù)與系列總計(jì)算時(shí)段數(shù)相比，可得出初步的發(fā)電保證率。初始的保證率不一定等于發(fā)電設(shè)計(jì)保證率，可以修改初擬的或假定的保證出力再重復(fù)計(jì)算，逐次修改保證出力，直到計(jì)算的保證率等于發(fā)電設(shè)計(jì)保證率為止。

發(fā)電保證率和保證出力的結(jié)果是同時(shí)得出的，保證出力的定義必須同時(shí)符合保證率的概率統(tǒng)計(jì)概念。設(shè)計(jì)保證率是用正常發(fā)電的時(shí)段數(shù)與計(jì)算總時(shí)段數(shù)相比的百分率表示的，而不應(yīng)用一個(gè)籠統(tǒng)的平均值表示。

4.6 徑流調(diào)節(jié)和水能指標(biāo)

通過全系列等出力試算法求出符合設(shè)計(jì)保證率的發(fā)電保證出力，即可對(duì)徑流調(diào)節(jié)和水能計(jì)算的全過程進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，選擇輸出多年平均發(fā)電量、保證電量、季節(jié)電量等分類電量、保證出力、發(fā)電保證率、特征水頭、發(fā)電水量利用率等各種水能計(jì)算指標(biāo)和發(fā)電流量、水頭、出力等過程的頻率計(jì)算成果。

5 改進(jìn)方法的應(yīng)用情況和特點(diǎn)

5.1 應(yīng)用情況

20世紀(jì)80年代后，國內(nèi)一些單位開始了徑流調(diào)節(jié)計(jì)算的電算化，并對(duì)計(jì)算方法逐步作了改進(jìn)探索。針對(duì)原有常規(guī)方法的不合理問題進(jìn)行了改進(jìn)，先后把典型代表年法改為長系列年、從差積曲線等流量(等出力)人工圖解計(jì)算改為計(jì)算機(jī)數(shù)字化計(jì)算、由各水文年分年簡化計(jì)算改為長系列連續(xù)調(diào)節(jié)模擬計(jì)算。改進(jìn)方法充分利用了水庫調(diào)節(jié)庫容對(duì)不均勻徑流的調(diào)節(jié)作用，使發(fā)電過程在保證率范圍內(nèi)盡可能均勻，能顯著增大保證出力，提高發(fā)電效益，改進(jìn)方法已用于多項(xiàng)水電站工程的設(shè)計(jì)、審查和運(yùn)行。新規(guī)范SL104-2015修編過程中經(jīng)過各方共同努力，吸收了經(jīng)過實(shí)踐驗(yàn)證的改進(jìn)新方法，終于使基本完善的改進(jìn)方法納入新規(guī)范。

5.2 方法檢驗(yàn)

改進(jìn)方法經(jīng)過了以下檢驗(yàn)：不同人分別用改進(jìn)方法各自獨(dú)立地編制計(jì)算軟件，然后對(duì)相同方案計(jì)算，檢驗(yàn)一致性;分別用原有常規(guī)方法和改進(jìn)方法編制不同的計(jì)算軟件，然后對(duì)相同方案計(jì)算，檢驗(yàn)差異性;對(duì)改進(jìn)方法與水庫發(fā)電調(diào)度圖(長系列時(shí)歷法編制[13])徑流調(diào)節(jié)的結(jié)果比較，檢驗(yàn)協(xié)調(diào)性。

5.3 統(tǒng)一計(jì)算模式

發(fā)電水庫徑流調(diào)節(jié)的任務(wù)是計(jì)算調(diào)節(jié)庫容、保證出力和保證率三者之間的關(guān)系。原有常規(guī)方法根據(jù)庫容、保證出力等不同已知條件，分別采用差積曲線法(等流量或等出力)、列表法、簡化水量平衡方程式法完成計(jì)算。改進(jìn)方法用計(jì)算機(jī)數(shù)值計(jì)算，把調(diào)節(jié)庫容、保證出力、保證率三者關(guān)系的多種徑流調(diào)節(jié)模式，統(tǒng)一為設(shè)定調(diào)節(jié)庫容、設(shè)定保證出力，推求保證率的試算法，可以完成各種徑流調(diào)節(jié)任務(wù)。

5.4 適應(yīng)新變化

原有常規(guī)方法調(diào)節(jié)計(jì)算，把每個(gè)水文年劃分為蓄水期、供水期等，實(shí)質(zhì)上是認(rèn)為蓄水期的水量豐沛不會(huì)產(chǎn)生發(fā)電破壞，所有的發(fā)電破壞時(shí)段都只會(huì)發(fā)生在供水期。但在降雨、徑流年際間變化較大的地區(qū)，劃分的水文年和蓄水期不一定能代表所有年份的徑流變化情況，枯水年份的蓄水期初可能徑流偏小，造成發(fā)電用水不足，蓄水期也可能發(fā)生破壞。另外，隨著社會(huì)的發(fā)展變化，以發(fā)電為主的水庫可能增加了部分城市供水、生態(tài)環(huán)境放水等任務(wù)，水庫發(fā)電供水任務(wù)有所外延，發(fā)電供水時(shí)段增加。原有常規(guī)方法從蓄水期初庫空起調(diào)，到蓄水期末蓄滿，再到供水期末降低到庫空的固定模式已不能完全適應(yīng)徑流變化較大的情況，也不能適應(yīng)新的發(fā)電供水要求。原有常規(guī)方法當(dāng)年蓄水期來水留當(dāng)年供水期利用，水庫先蓄水再供水的基本假設(shè)已與實(shí)際發(fā)電供水情況脫節(jié)。所以，改進(jìn)方法不再劃分蓄水期和供水期，以滿足發(fā)電用水為目的，不人為主動(dòng)降低水庫蓄水位，改進(jìn)方法可以比原有常規(guī)方法更好地適應(yīng)徑流、發(fā)電供水多變的新情況。

5.5 改進(jìn)方法特點(diǎn)

改進(jìn)方法的最大特點(diǎn)，是把原有常規(guī)方法注重“時(shí)間、水位狀態(tài)調(diào)節(jié)”改變?yōu)樽⒅亍鞍l(fā)電目標(biāo)調(diào)節(jié)”。原有常規(guī)方法對(duì)水文年、蓄水期、供水期、起調(diào)和終止水位等“時(shí)間、水位狀態(tài)”參數(shù)做了較嚴(yán)格的規(guī)定，但對(duì)保證出力、保證率等主要“發(fā)電目標(biāo)”參數(shù)卻無有效的控制，甚至在徑流調(diào)節(jié)過程中根本不考慮保證率的因素。原有常規(guī)方法不論來水豐枯都控制在供水期末降低到死水位，不為后續(xù)時(shí)段的發(fā)電預(yù)蓄水量；在較枯的供水期內(nèi)不顧保證率的要求，仍以均勻出力發(fā)電，造成發(fā)電保證率內(nèi)關(guān)鍵期的保證出力偏小。改進(jìn)計(jì)算方法注重“發(fā)電目標(biāo)調(diào)節(jié)”，取消對(duì)水庫“時(shí)間、水位狀態(tài)”的不合理規(guī)定，改為對(duì)發(fā)電調(diào)節(jié)主要目標(biāo)保證出力和保證率的嚴(yán)格控制。因此，改進(jìn)方法獲得了比原有常規(guī)方法較大的保證出力和保證電量，可以更好地滿足電網(wǎng)發(fā)電調(diào)度要求。

5.6 改進(jìn)方法進(jìn)一步優(yōu)化的方向

徑流調(diào)節(jié)和水能計(jì)算僅是發(fā)電水庫的初步計(jì)算結(jié)果，以發(fā)電為主水庫采用改進(jìn)方法計(jì)算后，還可能有發(fā)電破壞深度不符合要求、發(fā)電棄水可能較多問題。原因是在計(jì)算中水庫的發(fā)電破壞期、發(fā)電加大期庫水位可調(diào)節(jié)的范圍太小。具有季調(diào)節(jié)能力以上的水庫，可以編制水庫調(diào)度圖[13]，把徑流調(diào)節(jié)計(jì)算中的水位線擴(kuò)大為相應(yīng)的發(fā)電調(diào)度區(qū)域，既可解決前述兩個(gè)問題，又能進(jìn)一步提高徑流調(diào)節(jié)成果的合理性和準(zhǔn)確性。

6 實(shí)例

6.1 計(jì)算基本條件

某水庫以發(fā)電為主，水電站裝機(jī)容量10萬kW，設(shè)計(jì)發(fā)電保證率選取為90%。采用徑流系列為50a分月流量，各種水量損失已在分月流量中扣除，水庫特征庫容、水位都已初步確定。要求進(jìn)行水庫的徑流調(diào)節(jié)和水能指標(biāo)計(jì)算。分別采用原有常規(guī)徑流調(diào)節(jié)方法(單獨(dú)年內(nèi)供水期等出力發(fā)電)、改進(jìn)方法(全系列等出力法)對(duì)比計(jì)算。主要計(jì)算結(jié)果見表2，如圖1、圖2所示。

表2 徑流調(diào)節(jié)對(duì)比

圖1 發(fā)電出力頻率曲線

圖2 發(fā)電出力保證率曲線

6.2 原有常規(guī)方法結(jié)果

原有常規(guī)方法徑流調(diào)節(jié)的目的是推求當(dāng)年供水期內(nèi)均勻相等的發(fā)電出力，每個(gè)時(shí)段的調(diào)節(jié)計(jì)算時(shí)都需要提前預(yù)知當(dāng)年的全部徑流過程。水庫在蓄水期內(nèi)均勻出力發(fā)電，在蓄水期末剛好蓄滿水庫調(diào)節(jié)庫容；在供水期內(nèi)以試算的保證出力發(fā)電，供水期末又剛好把水位降低到死水位。這種調(diào)節(jié)過程，發(fā)電出力在當(dāng)年供水期內(nèi)相等，但在年際之間變化較大，(圖1虛線)出力頻率曲線斜率較大，電站多年統(tǒng)計(jì)的保證出力偏小。

6.3 改進(jìn)方法結(jié)果

改進(jìn)方法以推求全系列最大的保證出力為目的，不預(yù)測(cè)來水，不確定蓄水期和供水期。為了獲得最大的保證出力，在滿足正常保證出力的前提下，盡量利用余水把調(diào)節(jié)庫容蓄滿。當(dāng)入庫徑流不夠按保證出力發(fā)電時(shí)，可以利用水庫蓄水發(fā)電，降低到死水位時(shí)可能發(fā)生保證出力的破壞。在全部計(jì)算期內(nèi)按相同的時(shí)段平均等出力發(fā)電，(圖1實(shí)線)出力頻率曲線中段呈水平狀態(tài)，能獲得較大的保證出力。對(duì)發(fā)電出力破壞深度的問題，可以再通過后續(xù)的水庫調(diào)度設(shè)計(jì)[13]得到控制和優(yōu)化調(diào)整。

6.4 保證率曲線和出力頻率曲線的對(duì)比

圖1實(shí)線為改進(jìn)方法發(fā)電保證率90%對(duì)應(yīng)的全系列各時(shí)段出力頻率曲線，虛線為原有常規(guī)方法的出力頻率曲線，原有常規(guī)方法調(diào)節(jié)計(jì)算過程不考慮保證率的因素。圖2為保證出力與保證率關(guān)系曲線，原有常規(guī)方法以發(fā)電出力頻率曲線近似代替保證出力與保證率關(guān)系曲線；改進(jìn)方法可以按不同保證出力對(duì)全系列重復(fù)計(jì)算多個(gè)方案，得出多個(gè)相應(yīng)的發(fā)電保證率，就可繪制出保證出力與保證率關(guān)系曲線。從結(jié)果可以看出，相同發(fā)電保證率時(shí)，改進(jìn)方法計(jì)算得出的發(fā)電保證出力都明顯大于原有常規(guī)方法近似估算的保證出力。

水庫徑流調(diào)節(jié)應(yīng)發(fā)揮水庫的調(diào)蓄作用，在選擇不同保證率時(shí)提供不同的保證出力，以供工程設(shè)計(jì)或運(yùn)行選擇。但原有常規(guī)方法在徑流調(diào)節(jié)過程中并不考慮發(fā)電保證率的影響，只能提供固定不變的一套調(diào)節(jié)成果，這也是原有常規(guī)方法必須要改進(jìn)的原因之一。改進(jìn)方法在調(diào)節(jié)計(jì)算中考慮發(fā)電保證率的約束，當(dāng)保證率要求高時(shí)，可獲得較小的保證出力；當(dāng)保證率要求低時(shí)，可以獲得較大的保證出力。

表3 不同電站徑流調(diào)節(jié)結(jié)果對(duì)比

6.5 兩種方法計(jì)算結(jié)果對(duì)比分析

以發(fā)電為主要任務(wù)的水庫，徑流調(diào)節(jié)和水能計(jì)算的首要目的是提高電站的發(fā)電保證出力。實(shí)例和更多的設(shè)計(jì)結(jié)果可以證明(見表3)，改進(jìn)的徑流調(diào)節(jié)方法得出的發(fā)電過程合理，保證出力明顯大于原有常規(guī)方法的保證出力；多年平均發(fā)電量也有不同程度的增加，當(dāng)然增加的幅度與庫容、水頭、徑流特性等有關(guān)。

7 結(jié)語

本文介紹的發(fā)電水庫徑流調(diào)節(jié)計(jì)算改進(jìn)方法，是以解決工程的計(jì)算問題為目的，改正或避免原有常規(guī)方法的不合理之處，統(tǒng)一了不同調(diào)節(jié)性能水庫的計(jì)算方法，取消了原有常規(guī)方法不合理的計(jì)算假定和簡化，提出了新的長系列連續(xù)計(jì)算、全系列各時(shí)段出力試算等全面的改進(jìn)措施。改進(jìn)方法提高了水庫水電站時(shí)歷法徑流調(diào)節(jié)計(jì)算方法在理論上的合理性和實(shí)用價(jià)值，可以普遍適用于發(fā)電為主的水電站，能計(jì)算水電站多種徑流調(diào)節(jié)任務(wù)。