改進型綜合利用水庫長系列徑流調(diào)節(jié)計算方法

劉建軍

( 新疆水利水電勘測設(shè)計研究院，新疆 烏魯木齊 830000)

隨著計算機技術(shù)的快速發(fā)展，計算速度的提高，利用計算機進行復(fù)雜長系列徑流調(diào)節(jié)計算成為現(xiàn)實，特別是對于綜合利用的水利樞紐工程承擔(dān)多項供水任務(wù)，且各用水戶用水量和供水保證程度不同，利用長系列的徑流資料進行分析計算更為科學(xué)合理。

在SL104—2015《水利工程水利計算規(guī)范》中提出城鄉(xiāng)供水工程、灌溉工程、水電站、綜合利用水庫、調(diào)水工程等均要求徑流調(diào)節(jié)計算采用長系列法。但對長系列徑流調(diào)節(jié)計算方法的計算原則、計算方法、邊界條件等方面未做具體要求，無法滿足在水庫工程規(guī)模論證的分析要求，特別是對于具有多項綜合利用要求的水利樞紐工程，各用水部門對用水量和供水保證程度要求不同，如何協(xié)調(diào)各用水部門的供水保證程度，也是長系列徑流調(diào)節(jié)計算中不宜解決的問題。

本文在多年從事徑流調(diào)節(jié)計算分析研究的基礎(chǔ)上，不斷探索，逐步形成較為完善的改進型長系列徑流調(diào)節(jié)計算方法，目前已在多個綜合利用水利樞紐工程規(guī)模論證和流域水庫調(diào)度運行上進行應(yīng)用，均取得良好的成效。

1 改進的徑流調(diào)節(jié)計算方法

因現(xiàn)行規(guī)范缺少具體綜合利用水庫徑流調(diào)節(jié)方法，且有關(guān)參考資料中使用的常規(guī)調(diào)節(jié)方法又存在一些不合理問題，本文根據(jù)近幾年在設(shè)計工作中研究應(yīng)用利用調(diào)度線控制的長系列時歷法計算方法。

1.1 計算方法原理

1.1.1水庫進出庫水量平衡

徑流調(diào)節(jié)計算的基本原理是利用水庫的調(diào)蓄能力，改變天然徑流過程，實現(xiàn)以豐補枯，增加枯水期可利用水量。計算依據(jù)的基本原理是水庫進出庫的水量平衡，即各時段的水庫來水量及初步確定的同步用水量(或出力)，按設(shè)定的調(diào)節(jié)庫容順序進行徑流調(diào)節(jié)計算，第i時段的計算公式為：

Vi+1=Vi+W來水-W用水-W損失

(1)

式中，Vi、Vi+1—水庫第i時段初及時段末的蓄水量；W來水—第i時段來水量；W用水—第i時段綜合利用各部門用水量之和；W損失—第i時段水庫各種水量損失。

1.1.2以調(diào)度線控制水量分配

在水庫進出庫水量平衡式中，綜合各部門用水量包括灌溉、工業(yè)、城鎮(zhèn)生活、生態(tài)和發(fā)電等用水戶，各用水部門的供水保證程度不用，工業(yè)和城鎮(zhèn)生活供水保證率要求較高，通常為95%～97%；發(fā)電保證率通常為90%左右；灌溉和生態(tài)供水保證率通常為75%～50%。

在長系列徑流調(diào)節(jié)計算程序中擬定不同供水對象的調(diào)度線，根據(jù)當(dāng)前計算時段內(nèi)水庫水位與各調(diào)度線之間的關(guān)系，若水庫水位低于調(diào)度線，則進行打折供水；若水庫水位高于調(diào)度線，則按需水要求進行供水。以調(diào)度線控制水量配置，進一步協(xié)調(diào)不同供水對象的供水保障程度，滿足各供水對象的供水保證率。

1.2 計算方法特點

與常規(guī)的長系列徑流調(diào)節(jié)計算方法相比，改進后的長系列徑流調(diào)節(jié)計算具有以下特點。

上世紀(jì)末以來開源軟件(OSS)發(fā)展迅速，極大地影響了軟件行業(yè)的市場格局，顛覆了一些經(jīng)典軟件工程理論.開源軟件項目并沒有傳統(tǒng)軟件工程項目中顯式的組織結(jié)構(gòu)和過程安排，也沒有傳統(tǒng)軟件開發(fā)團隊的過程成熟度等級，但所開發(fā)出的軟件卻可以與傳統(tǒng)商業(yè)軟件相抗衡，這引起了學(xué)術(shù)界和企業(yè)界的廣泛關(guān)注[1,2].

(1)不劃分水庫調(diào)節(jié)性能

一座水庫是年調(diào)節(jié)水庫還是多年調(diào)節(jié)水庫并沒有準(zhǔn)確的劃分標(biāo)準(zhǔn)，水庫調(diào)節(jié)性能隨河流徑流特性、綜合用水過程的適配度等多種因素而變化。本次長系列徑流調(diào)節(jié)計算法對水庫的調(diào)節(jié)性能不作硬性劃分，按照天然徑流來水過程依次蓄供水。

(2) 耦合精度高

徑流資料時段可為月、旬和日資料，根據(jù)水庫的調(diào)節(jié)性能選擇不同的徑流資料，年及年以上調(diào)節(jié)性能的水庫通常采用月或旬資料，年調(diào)節(jié)性能以下的水庫采用日資料。改進的徑流調(diào)節(jié)計算方法采用長系列徑流資料，具有良好代表性的長系列徑流資料中包含豐、平、枯各年型，能夠反映河流的徑流特性，這與傳統(tǒng)計算方法相比，可以避免選擇典型年或代表時段的難度和偶然性，提高徑流調(diào)節(jié)計算與實際情況的耦合度。

(3)做到實時調(diào)節(jié)

采用的長系列徑流資料通常為水文站實測或根據(jù)參證站插補延展的徑流資料。本次計算方法不考慮徑流過程的長期預(yù)知或預(yù)報，把常規(guī)方法中預(yù)知未來一年甚至更長時間的徑流過程的事后調(diào)節(jié)，改為更接近實際的不可預(yù)知或預(yù)報長期徑流過程的實時調(diào)節(jié)，是一種未知來水的實時調(diào)節(jié)。

(4)不劃分蓄、供水期

常規(guī)徑流調(diào)節(jié)計算方法將年調(diào)節(jié)能力的水庫劃分為蓄水期、供水期和不蓄不供期，多年調(diào)節(jié)能力的水庫劃分為連續(xù)蓄水年組和供水年組；多年調(diào)節(jié)性能的水庫劃分年調(diào)節(jié)庫容和多年調(diào)節(jié)庫容。改進的徑流調(diào)節(jié)方法不再事先劃分蓄、供水期和年、多年調(diào)節(jié)庫容。僅根據(jù)入庫徑流和下游綜合用水要求，按照一定的調(diào)節(jié)計算原則進行依次連續(xù)的蓄、供水。

(5)不人為確定起始時間和起始水位

常規(guī)徑流調(diào)節(jié)計算方法，進行水庫徑流調(diào)節(jié)計算時應(yīng)先確定計算的起始時刻和起始水位。SL104—2015推薦起始時刻可取連續(xù)豐水年最后一年豐水季節(jié)結(jié)束后水庫蓄滿(對于有汛期限制水位的水庫，也可采用蓄水至汛期限制水位)的時刻。該規(guī)范推薦的起始時刻和起始水位難以控制和選擇。本次改進的徑流調(diào)節(jié)方法不再對水庫的起止水位和時刻作相應(yīng)的假定。按水庫蓄水情況和供水要求進行連續(xù)調(diào)節(jié)計算，以上時段末蓄水量作為本時段初的蓄水量逐時段連續(xù)進行，以準(zhǔn)確反映入庫流量隨機變化的真實狀態(tài)。水庫水量的調(diào)配不受人為假定的固定供水期、蓄水期的制約，完全按照水庫水量、水位的連續(xù)變化，從系列年起點不間斷地計算至終點，避免了常規(guī)方法不同水文年份均強制從相同的起調(diào)水位和起算時刻的不合理也不符合實際的做法。

改進的徑流調(diào)節(jié)計算方法將上時刻末的水庫蓄水量(或蓄水位)作為下一時刻初的蓄水量(或蓄水位)，在初步調(diào)節(jié)計算時，水庫起始蓄水量(或蓄水位)可選擇死庫容(或死水位)與正常蓄水位對應(yīng)庫容之間的任意值，進行連續(xù)計算至系列末；之后將計算得到的系列末的蓄水量作為系列計算初的蓄水量再計算，計算系列形成首尾相連的循環(huán)過程，經(jīng)循環(huán)計算后，使每年的入庫、蓄庫、出庫(含損失)三者達到水量平衡。

(6)水庫調(diào)度線控制

傳統(tǒng)的綜合利用水庫徑流調(diào)節(jié)計算對分析多目標(biāo)任務(wù)很難實現(xiàn)，特別是多供水目標(biāo)且供水對象的供水保證率不同(通常生態(tài)供水保證率50%，灌溉供水保證率為75%，城鎮(zhèn)工業(yè)供水保證率95%～97%，發(fā)電保證率為90%)時，傳統(tǒng)的做法采用簡化的計算方法(化算保證率法、庫容挑大法、只考慮主要用水部門選定庫容)。

本次改進的徑流調(diào)節(jié)計算方法，根據(jù)綜合利用水庫承擔(dān)的供水任務(wù)，設(shè)置不同用水戶供水調(diào)度線以控制供水對象的供水量。通常調(diào)度線以水庫水位表示。綜合利用水庫供水對象一般為灌溉、城鎮(zhèn)供水、生態(tài)和發(fā)電等；根據(jù)供水任務(wù)的不同分別設(shè)置灌溉供水調(diào)度線、城鎮(zhèn)供水調(diào)度線、生態(tài)供水調(diào)度線和發(fā)電調(diào)度線等，利用調(diào)度線將興利庫容劃分成不同的供水庫容。在計算過程中，當(dāng)前計算時刻初的水庫水位如果低于某供水調(diào)度線，就對該供水對象的供水量進行打折供水，打折供水量以滿足供水滿足程度為前提，通常灌溉供水滿足程度為70%，生態(tài)供水滿足程度為50%等。改進的徑流調(diào)節(jié)計算采用調(diào)度線控制方法，一方面較真實的反應(yīng)水庫實際運行的操作情況，另一方面可協(xié)調(diào)不同供水部門之間的水量分配，以滿足各部門不同供水保證率要求。

(7)生成水庫調(diào)度圖

傳統(tǒng)水庫調(diào)度圖的繪制是采用典型年進行逆時序徑流調(diào)節(jié)計算，以相應(yīng)設(shè)計保證率的多組典型年內(nèi)徑流分配過程，在滿足用水需求的條件下進行逆時序分析計算，分析各種可能出現(xiàn)的水庫外包線為調(diào)度線，偏安全的確定各種調(diào)度方案的適應(yīng)范圍，往往出現(xiàn)各調(diào)度線的交叉問題，仍需人工修正調(diào)度圖，根據(jù)修正后的調(diào)度圖重新進行徑流調(diào)節(jié)計算，分析修正后的調(diào)度線是否滿足各供水對象的保證率要求，否則需重新修正調(diào)度線，再次進行驗證分析，如此，多次反復(fù)修正和驗證，工作量較大，程序繁瑣。

改進的徑流調(diào)節(jié)計算方法采用調(diào)度線控制的長系列徑流時歷列表法，通過調(diào)整各供水調(diào)度線進行徑流調(diào)節(jié)計算，通過調(diào)度線對水庫興利庫容進行分配，滿足綜合利用各部門的供水要求和供水保證率，結(jié)合各業(yè)供水調(diào)度線，即可繪制出水庫調(diào)度圖，無需進行反復(fù)修正和驗算工作。

2 改進計算方法的應(yīng)用實例

新疆北部某大型水庫，位于流域中游河段，調(diào)節(jié)庫容19.18億m3，庫容系數(shù)0.59，具有多年調(diào)節(jié)性能，承擔(dān)流域的農(nóng)業(yè)灌溉、生態(tài)、外流域供水、發(fā)電和防洪等綜合利用任務(wù)，是一項多任務(wù)多目標(biāo)不同供水保證率要求的綜合水利樞紐工程。

采用壩址斷面1957—2007年共52年長系列月徑流資料，利用本文提出的改進長系列徑流調(diào)節(jié)計算方法進行分析，計算成果見表1。

表1 改進的長系列徑流調(diào)節(jié)計算成果

流域內(nèi)農(nóng)業(yè)需水量6.62億m3，多年平均供水量6.53億m3，供水保證率達到75%，在供水破壞的年份中，供水量占需水量的70%，滿足供水保證率和供水破壞深度的要求。

流域內(nèi)河谷林草濕地需水量1.63億m3，多年平均供水量1.53億m3，供水保證率達到50%，在供水破壞的年份中，供水量占需水量的50%，滿足供水保證率和供水破壞深度的要求。

水庫壩址斷面需下泄生態(tài)基流5.53億m3，多年平均供水量5.51億m3，供水滿足程度均在95.9%以上，滿足下泄生態(tài)基流的要求。

水庫承擔(dān)外流域供水任務(wù)，設(shè)計向外流域供水18.5億m3，多年平均供水量18.37億m3，供水保證率達到95%，滿足供水保證率的要求。

發(fā)電作為兼顧任務(wù)，根據(jù)向下游供水進行發(fā)電，裝機容量140MW時，年發(fā)電量5.20億kW·h。

根據(jù)水庫承擔(dān)的灌溉、生態(tài)、供水任務(wù)，設(shè)置相應(yīng)的調(diào)度線，在徑流調(diào)節(jié)計算過程中，形成水庫的調(diào)度線，詳見表2。

表2 改進的長系列徑流調(diào)節(jié)計算方法形成的調(diào)度線 單位：m

通過對長系列徑流調(diào)節(jié)計算方法的改進，具有更好的操作性和實用性，在水庫工程規(guī)模論證和水庫調(diào)度中具有良好的應(yīng)用前景。該改進計算方法在多個綜合利用水庫中進行了應(yīng)用，取得很好的應(yīng)用效果。

3 結(jié)語

改進的長系列徑流調(diào)節(jié)計算方法可應(yīng)用于綜合利用水庫的工程規(guī)模論證，利用具有代表性的長系列徑流資料，通過設(shè)置供水任務(wù)的水庫調(diào)度線，將興利庫容進行分配，控制綜合利用的多供水任務(wù)不同設(shè)計保證率的協(xié)調(diào)，通過模擬計算分析，以科學(xué)論證水利樞紐工程規(guī)模。本文在水利工程水利計算規(guī)程提出的長系列徑流調(diào)節(jié)計算方法的基礎(chǔ)上進行了改進，使長系列徑流調(diào)節(jié)計算方法具有更好的操作性和實用性。