水庫(kù)多級(jí)興利調(diào)度圖編制方法研究與應(yīng)用

李曉英，崔?威，郭宜薇，禹?熙，張夢(mèng)仙

水庫(kù)多級(jí)興利調(diào)度圖編制方法研究與應(yīng)用

李曉英1，崔?威1，郭宜薇2，禹?熙1，張夢(mèng)仙1

(1. 河海大學(xué)水利水電學(xué)院，南京 210098；2. 長(zhǎng)江水利委員會(huì)長(zhǎng)江科學(xué)院，武漢 430014)

承擔(dān)多項(xiàng)興利任務(wù)的水庫(kù)需根據(jù)不同任務(wù)繪制對(duì)應(yīng)調(diào)度線，多級(jí)調(diào)度圖的編制尚未有統(tǒng)一明確的方法．依據(jù)徑流資料和綜合任務(wù)進(jìn)行長(zhǎng)系列興利調(diào)節(jié)計(jì)算，根據(jù)排頻結(jié)果確定允許破壞年份，折減次要任務(wù)興利流量以滿足高保證率任務(wù)要求，采用上包線的方式選取上、下調(diào)配線，采用下包線作為限制供水線，提出基于改進(jìn)長(zhǎng)系列法的水庫(kù)多級(jí)調(diào)度圖編制方法．選取某南方流域水庫(kù)為例，該水庫(kù)承擔(dān)供水和灌溉綜合利用任務(wù)，結(jié)合任務(wù)主次和設(shè)計(jì)保證率等，完成多級(jí)調(diào)度圖的編制．改進(jìn)方法解決了破壞年份選取不合理和分界調(diào)度協(xié)調(diào)復(fù)雜的問(wèn)題，可在達(dá)到設(shè)計(jì)保證率要求的同時(shí)降低破壞深度，避免人為修改調(diào)度圖的隨意性，有效提高多級(jí)調(diào)度圖編制的準(zhǔn)確性，并可為不同調(diào)節(jié)性能水庫(kù)的調(diào)度圖編制提供參考．

水庫(kù)；多級(jí)調(diào)度圖；改進(jìn)長(zhǎng)系列法；調(diào)度線；興利調(diào)度

水庫(kù)調(diào)度是水庫(kù)運(yùn)行管理的核心環(huán)節(jié)，其調(diào)度方式的好壞不僅直接影響水庫(kù)和上、下游人民群眾的安全，也關(guān)系到水庫(kù)的經(jīng)濟(jì)效益[1]．水庫(kù)調(diào)度可分為常規(guī)調(diào)度和優(yōu)化調(diào)度兩種方式，常規(guī)調(diào)度[2-4]是根據(jù)已有的水文資料，通過(guò)計(jì)算和編制水庫(kù)調(diào)度圖來(lái)指導(dǎo)水庫(kù)運(yùn)行；優(yōu)化調(diào)度[5-7]則是依據(jù)優(yōu)化調(diào)度準(zhǔn)則，采用最優(yōu)化技術(shù)尋求較理想的調(diào)度方式．由于優(yōu)化調(diào)度研究是基于對(duì)工程問(wèn)題的簡(jiǎn)化和模擬，目前優(yōu)化調(diào)度技術(shù)并未寫(xiě)入規(guī)范中，因此實(shí)際運(yùn)行中一般采用常規(guī)水庫(kù)調(diào)度圖進(jìn)行水庫(kù)綜合調(diào)度．

常規(guī)調(diào)度圖最早由莫羅佐夫提出，用來(lái)指導(dǎo)水庫(kù)運(yùn)行，但其編制方法在國(guó)外研究中使用極少，直至20世紀(jì)末，國(guó)外對(duì)于常規(guī)調(diào)度圖的編制方法沒(méi)有任何改進(jìn)[8]，2014年Hsu等[9]提出一種針對(duì)不同豐枯情況的調(diào)度圖編制思路．我國(guó)的水庫(kù)調(diào)度圖研究起源于20世紀(jì)50年代，其編制方法主要為代表年法和長(zhǎng)系列法兩種．袁作新等[10]在編制調(diào)度圖時(shí)采用代表年法和長(zhǎng)系列法進(jìn)行對(duì)比分析，探討各自的適用情況；李再齡[11]、解陽(yáng)陽(yáng)等[12]對(duì)編制調(diào)度圖的水文年度劃分和起始日期等進(jìn)行了研究，提出應(yīng)根據(jù)豐、枯情況編制分期調(diào)度圖；劉殿武[13]、王平[14]分別對(duì)長(zhǎng)系列法編制水庫(kù)調(diào)度圖提出改進(jìn)措施，以適應(yīng)實(shí)際工程需要．以往研究大多針對(duì)單一任務(wù)的水庫(kù)調(diào)度圖編制方法進(jìn)行研究，其主要依賴人工經(jīng)驗(yàn)修改，而綜合利用水庫(kù)不同的調(diào)度任務(wù)對(duì)應(yīng)有各自的調(diào)度線，編制過(guò)程更為復(fù)雜．

關(guān)于水庫(kù)多級(jí)調(diào)度圖的編制，國(guó)內(nèi)各規(guī)范[15-16]中尚未有統(tǒng)一、可操作性強(qiáng)的方法，國(guó)外研究也鮮有涉及．盡管部分研究[17-18]曾結(jié)合實(shí)際工程提出過(guò)改進(jìn)措施，但所提的編制方法依舊存在不足，如多級(jí)調(diào)度圖中破壞年份選取、各調(diào)度線的繪制和不同任務(wù)保證率的協(xié)調(diào)等問(wèn)題尚未得到解決．

本文圍繞多級(jí)調(diào)度圖的編制問(wèn)題，考慮各水利任務(wù)的用水要求，提出改進(jìn)長(zhǎng)系列法的水庫(kù)多級(jí)調(diào)度圖編制方法．結(jié)合我國(guó)南方流域徑流特點(diǎn)和水庫(kù)調(diào)度的特殊性，提出改進(jìn)方法，可有效選取用水破壞年份，在達(dá)到設(shè)計(jì)保證率的同時(shí)減少破壞深度，為相關(guān)調(diào)度圖的編制提供參考．

1?水庫(kù)調(diào)度圖常規(guī)編制方法

水庫(kù)調(diào)度的主要興利任務(wù)包括發(fā)電、灌溉和供水等，興利調(diào)度過(guò)程應(yīng)根據(jù)規(guī)劃設(shè)計(jì)目標(biāo)、興利任務(wù)的主次關(guān)系和實(shí)測(cè)徑流資料，合理調(diào)配水資源，充分發(fā)揮水庫(kù)的綜合效益．單一興利任務(wù)對(duì)應(yīng)的調(diào)度圖包括上、下基本調(diào)配線、限制供水(出力)線和水位線等，各調(diào)度線根據(jù)不同供水情況繪制，相互之間組成水庫(kù)的工作區(qū)間．當(dāng)水庫(kù)水位(水量)位于不同區(qū)間時(shí)，水庫(kù)按照對(duì)應(yīng)的區(qū)間工作要求進(jìn)行調(diào)度．

1.1?興利調(diào)節(jié)計(jì)算

在興利調(diào)節(jié)計(jì)算中，需要確定調(diào)節(jié)流量、設(shè)計(jì)保證率和水庫(kù)庫(kù)容的關(guān)系，并且由于不同興利任務(wù)的保證率不同，使得水庫(kù)運(yùn)行過(guò)程復(fù)雜．綜合利用水庫(kù)調(diào)度通常根據(jù)任務(wù)設(shè)計(jì)保證率大小，從低到高逐級(jí)降低供水，從而計(jì)算滿足不同保證率的水庫(kù)庫(kù)容．

當(dāng)水庫(kù)擁有多項(xiàng)調(diào)度任務(wù)時(shí)，水資源的分配成為一個(gè)復(fù)雜的問(wèn)題．首先，由于各任務(wù)的設(shè)計(jì)保證率不同以及保證率采取的方式存在差異，需要將不同任務(wù)的年保證率和歷時(shí)保證率進(jìn)行轉(zhuǎn)化；其次是各任務(wù)用水的分配不同，例如發(fā)電和供水在年內(nèi)的分配比較均勻，而灌溉用水的季節(jié)性分配差異明顯，導(dǎo)致水庫(kù)不能簡(jiǎn)單地劃分蓄、供水期[19]．另外，有的用水任務(wù)即使設(shè)計(jì)保證率高，但在供水順序上也會(huì)有差異；有的用水任務(wù)之間可以相互結(jié)合，對(duì)調(diào)節(jié)流量的計(jì)算產(chǎn)生影響．因此在水庫(kù)多級(jí)調(diào)度中，應(yīng)統(tǒng)籌各用水任務(wù)的關(guān)系，實(shí)現(xiàn)水資源的高效利用．

在興利多級(jí)調(diào)節(jié)計(jì)算中，需要將不同表達(dá)形式的設(shè)計(jì)保證率轉(zhuǎn)化為統(tǒng)一表達(dá)形式，同時(shí)擬定各用水任務(wù)的保證供水量和時(shí)程分配，最后根據(jù)各任務(wù)的用水特性和實(shí)際情況，確定其在降低供水時(shí)的折扣系數(shù)．以承擔(dān)3項(xiàng)用水任務(wù)的水庫(kù)為例，其綜合需水表達(dá)式為

根據(jù)水庫(kù)不同用水任務(wù)分別計(jì)算對(duì)應(yīng)庫(kù)容V(＝1～3)：若V值相差不大，取其中較大值作為興利庫(kù)容；若V值相差很大，則代表各任務(wù)的折扣系數(shù)需要調(diào)整，使V值接近后再取大值作為興利庫(kù)容．

1.2?代表年法編制水庫(kù)調(diào)度圖

對(duì)于單一調(diào)度任務(wù)的年調(diào)節(jié)水庫(kù)，通常采用代表年法進(jìn)行水庫(kù)調(diào)度圖的編制．盡管代表年法使用廣泛，但不同規(guī)范中關(guān)于代表年的選取方法依舊存在不同，導(dǎo)致編制的調(diào)度圖存在差異．

目前關(guān)于編制水庫(kù)調(diào)度圖的規(guī)范有《水庫(kù)調(diào)度設(shè)計(jì)規(guī)范》(GB/T 50587—2010)[15]和《水利工程水利計(jì)算規(guī)范》(SL104—2015)[16]，前者以年來(lái)水量或年用水量接近設(shè)計(jì)保證率的年份作為代表年，后者則是根據(jù)豐、枯水期水量接近保證率的原則選擇代表年．這兩種方法在徑流系列豐枯季差異明顯、各年用水量變化不大的情況下選取的代表年基本一致，但如遇到徑流系列變化較大、豐枯季劃分困難和年用水量變化較大的長(zhǎng)系列徑流資料時(shí)，就會(huì)導(dǎo)致選擇的代表年存在差異，進(jìn)而影響調(diào)度圖的結(jié)果．因此，在代表年的選擇中，需要進(jìn)行一系列的修正，以盡可能減少代表年選取的任意性．

在選取代表年并完成修正后，根據(jù)興利調(diào)度中計(jì)算得到的各任務(wù)調(diào)節(jié)流量繪制基本調(diào)度線．基本調(diào)度線的繪制采用逆時(shí)序計(jì)算方法，對(duì)各代表年從供水期末死水位開(kāi)始，逆時(shí)序調(diào)節(jié)計(jì)算求得各月的水位過(guò)程至蓄水期初，并且要使蓄水初的水位回落到死水位．逆時(shí)序調(diào)節(jié)計(jì)算與順時(shí)序計(jì)算不同[20]，順時(shí)序是按照蓄、供水要求計(jì)算水庫(kù)水位變化．逆時(shí)序則是反推計(jì)算，在供水期內(nèi)水庫(kù)當(dāng)月需要供水時(shí)，代表水庫(kù)在月初至少要蓄滿相應(yīng)的供水量，則水位從月末低水位逆時(shí)序上升到月初高水位；當(dāng)水庫(kù)到蓄水期且該月不需要庫(kù)容供水時(shí)，把來(lái)水去除供水的額外水量視為水庫(kù)從月初到月末的蓄水量，因此水庫(kù)水位就要從月末高水位逆時(shí)序降低到月初低水位．

水庫(kù)在逆時(shí)序計(jì)算過(guò)程中采用的調(diào)節(jié)流量為正常供水流量或保證出力對(duì)應(yīng)流量，防破壞線(1線)是取各代表年計(jì)算結(jié)果的上包線，降低供水/出力線(2線)則是取計(jì)算結(jié)果的下包線，兩者分別表示水庫(kù)在正常運(yùn)行過(guò)程中的最高和最低水位．防破壞線與降低供水/出力線之間的區(qū)域是水庫(kù)的保證供水區(qū)或保證出力區(qū)(Ⅱ區(qū))，降低供水/出力線與死水位之間的區(qū)域?yàn)榻档凸┧畢^(qū)或降低出力區(qū)(Ⅲ區(qū))，防破壞線與正常蓄水位之間的區(qū)域?yàn)榧哟蠊┧畢^(qū)或加大出力區(qū)(Ⅰ區(qū))．其繪制情況如圖1所示．

1—防破壞線；2—降低供水/出力線；Ⅰ—加大供水區(qū)或加大出力區(qū)；Ⅱ—保證供水區(qū)或保證出力區(qū)；Ⅲ—降低供水區(qū)或降低出力區(qū)

采用代表年法編制的水庫(kù)調(diào)度圖還需要進(jìn)行長(zhǎng)系列檢驗(yàn)，將長(zhǎng)系列徑流資料按照調(diào)度圖的規(guī)則進(jìn)行順時(shí)序檢驗(yàn)，得到相應(yīng)的保證率并與設(shè)計(jì)保證率比較，如有誤差就需要人為對(duì)調(diào)度圖進(jìn)行修改．

1.3?長(zhǎng)系列法編制水庫(kù)調(diào)度圖

盡管代表年法一直是我國(guó)編制年調(diào)節(jié)水庫(kù)常規(guī)調(diào)度圖的主要方法，但其在編制過(guò)程中依舊存在一些問(wèn)題．隨著國(guó)內(nèi)水庫(kù)徑流資料的不斷豐富以及計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，采用長(zhǎng)系列法計(jì)算水庫(kù)調(diào)節(jié)性能越來(lái)越普遍．王平[14]在綜合水庫(kù)調(diào)度設(shè)計(jì)規(guī)范的長(zhǎng)系列檢驗(yàn)基礎(chǔ)上，提出采用長(zhǎng)系列法代替典型代表年法，不再人為規(guī)定每年的蓄、供水期；孫宇[21]在對(duì)代表年法和長(zhǎng)系列法編制水庫(kù)調(diào)度圖的結(jié)果進(jìn)行對(duì)比后，發(fā)現(xiàn)長(zhǎng)系列法在滿足設(shè)計(jì)保證率的同時(shí)能提高水庫(kù)最小出力，編制的結(jié)果更為理想．因此，在《水利工程水利計(jì)算規(guī)范》(SL104—2015)中對(duì)灌溉水庫(kù)調(diào)度圖提出應(yīng)根據(jù)長(zhǎng)系列資料進(jìn)行計(jì)算編制．

長(zhǎng)系列法與代表年法的不同在于，其采用歷史徑流資料編制的結(jié)果比代表年法更具有代表性，且徑流系列大于30年．長(zhǎng)系列法在基本調(diào)度線的編制方法上也有所區(qū)別，對(duì)長(zhǎng)系列資料的每一年，均采用逆時(shí)序法計(jì)算水庫(kù)逐月(或旬)的水位過(guò)程．防破壞線由來(lái)水頻率在設(shè)計(jì)保證率以內(nèi)的各年份中逐月(或旬)的水位上包線組成，水庫(kù)調(diào)節(jié)流量為符合設(shè)計(jì)保證率的正常供水流量；降低供水線則是對(duì)超出保證率的破壞年份，對(duì)供水量進(jìn)行折扣后進(jìn)行逆時(shí)序調(diào)節(jié)計(jì)算，取各月(或旬)的水位線的上包線[16]．如有降低供水線高于防破壞線的情況，代表破壞年份的供水量過(guò)高，需要進(jìn)一步減少枯水年的用水量，使降低供水線低于防破壞線．通過(guò)區(qū)分破壞年份與正常年份的供水要求，長(zhǎng)系列法能夠滿足設(shè)計(jì)保證率要求，且比代表年法更具有代表性．

長(zhǎng)系列法在編制概念上清晰明確，其編制的調(diào)度線能夠滿足所有徑流時(shí)段的供水要求，有效彌補(bǔ)了代表年法的不足．但是長(zhǎng)系列法并沒(méi)有充分考慮不同流域徑流特性，特別是降低供水線的選取過(guò)于保守，當(dāng)供水量變化大或有多項(xiàng)興利任務(wù)的情況時(shí)，長(zhǎng)系列法就會(huì)出現(xiàn)編制不準(zhǔn)確的問(wèn)題．

1.4?水庫(kù)多級(jí)調(diào)度圖

當(dāng)水庫(kù)同時(shí)擔(dān)負(fù)2種及以上主要任務(wù)時(shí)，需要編制水庫(kù)多級(jí)調(diào)度圖．多級(jí)調(diào)度圖是根據(jù)水庫(kù)不同開(kāi)發(fā)任務(wù)，在水庫(kù)庫(kù)容和來(lái)水條件的約束下，協(xié)調(diào)各項(xiàng)開(kāi)發(fā)任務(wù)之間的關(guān)系，進(jìn)行水庫(kù)綜合利用調(diào)度的方式．多級(jí)調(diào)度圖的編制應(yīng)根據(jù)不同開(kāi)發(fā)任務(wù)的主次關(guān)系，優(yōu)先滿足主要興利任務(wù)的供水，再滿足次要任務(wù)的用水需求，通過(guò)調(diào)整各任務(wù)的降低供水程度滿足不同設(shè)計(jì)保證率要求．

多級(jí)水庫(kù)調(diào)度圖需要合理計(jì)算調(diào)度期內(nèi)蓄、供水量，各開(kāi)發(fā)任務(wù)的基本調(diào)度線反映各調(diào)度區(qū)域的調(diào)度方式，在編制完成后還應(yīng)檢驗(yàn)其是否與水庫(kù)供水方式相符．以年調(diào)節(jié)水庫(kù)編制多級(jí)調(diào)度圖為例，其調(diào)度線從供水期末死水位逆時(shí)序計(jì)算，再回落至蓄水期初死水位，計(jì)算時(shí)采用的調(diào)節(jié)流量需要根據(jù)各任務(wù)設(shè)計(jì)保證率與來(lái)水頻率的關(guān)系進(jìn)行選擇．

關(guān)于水庫(kù)多級(jí)調(diào)度圖的編制，規(guī)范[15-16]中僅提出采用代表年法計(jì)算，長(zhǎng)系列徑流資料檢驗(yàn)，而對(duì)不同任務(wù)不同保證率的代表年選取，以及相鄰調(diào)度區(qū)域的劃分未做明確指示．在實(shí)際工作中，采用代表年法編制需要參照人工經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行反復(fù)修改，一般會(huì)出現(xiàn)水庫(kù)無(wú)法滿足不同任務(wù)的不同保證率要求、不同任務(wù)調(diào)度線出現(xiàn)交叉等問(wèn)題，編制效果不理想．因此，本文提出采用長(zhǎng)系列法編制水庫(kù)多級(jí)調(diào)度圖，并對(duì)破壞年份選取和基本調(diào)度線編制方法予以改進(jìn)．

2?水庫(kù)多級(jí)調(diào)度圖編制方法的改進(jìn)

本文結(jié)合已有的代表年法和長(zhǎng)系列法編制水庫(kù)多級(jí)調(diào)度圖的經(jīng)驗(yàn)[22-24]，提出基于改進(jìn)長(zhǎng)系列法的水庫(kù)多級(jí)調(diào)度圖編制方法，針對(duì)傳統(tǒng)方法中破壞年份無(wú)法滿足的保證率問(wèn)題和調(diào)度線選擇的問(wèn)題，研究水庫(kù)多級(jí)調(diào)度圖的改進(jìn)內(nèi)容．

2.1?長(zhǎng)系列法破壞年份選擇

《水庫(kù)調(diào)度設(shè)計(jì)規(guī)范》(GB/T 50587—2010)在綜合利用調(diào)度設(shè)計(jì)中提出：“當(dāng)來(lái)水頻率小于或等于各開(kāi)發(fā)任務(wù)設(shè)計(jì)保證率時(shí)，水庫(kù)按照各任務(wù)正常供水量進(jìn)行供水；來(lái)水頻率在各開(kāi)發(fā)任務(wù)保證率中間的時(shí)段，設(shè)計(jì)保證率大于等于來(lái)水頻率的開(kāi)發(fā)任務(wù)正常供水，其他開(kāi)發(fā)任務(wù)減少供水．”當(dāng)水庫(kù)各項(xiàng)任務(wù)的供水量變化不大時(shí)，以來(lái)水年份的豐枯情況來(lái)區(qū)分興利調(diào)度的運(yùn)行方式是有效的，但是當(dāng)水庫(kù)某項(xiàng)任務(wù)的供水量發(fā)生變動(dòng)時(shí)就會(huì)出現(xiàn)問(wèn)題．

以來(lái)水頻率劃分水庫(kù)運(yùn)行方式的方法是通過(guò)對(duì)比水庫(kù)來(lái)水量與供水量之間的關(guān)系，當(dāng)水庫(kù)供水量一定時(shí)，水庫(kù)在越枯的年份就要降低供水滿足設(shè)計(jì)保證率的要求[25]．這種方法有兩個(gè)問(wèn)題沒(méi)有考慮：一是來(lái)水頻率是根據(jù)時(shí)段內(nèi)來(lái)水總量進(jìn)行排序的，并沒(méi)有考慮到徑流分配不均的問(wèn)題，有的水文年來(lái)水總量很多，但如豐枯期徑流變化較大時(shí)，即使按照來(lái)水頻率劃分結(jié)果為當(dāng)年屬于正常供水情況，但水庫(kù)在枯水期有可能無(wú)法滿足正常供水，該水文年就屬于破壞年份；二是未考慮水庫(kù)供水量的變化，即確定正常供水量的情況下，通過(guò)來(lái)水總量與供水總量的對(duì)比篩選破壞年份，當(dāng)水庫(kù)各年的供水量發(fā)生變化時(shí)，該方法就不能準(zhǔn)確劃分水庫(kù)的運(yùn)行方式．以灌溉任務(wù)為例，水庫(kù)灌溉水量是根據(jù)灌區(qū)需求計(jì)算得到，每年的灌溉需水量都是變化的，因此并不能根據(jù)來(lái)水量的多少來(lái)確定水庫(kù)運(yùn)行方式．

針對(duì)上述兩個(gè)問(wèn)題，改進(jìn)方法采用試算的長(zhǎng)系列徑流結(jié)果進(jìn)行破壞年份的確定．首先，采用長(zhǎng)系列資料進(jìn)行徑流調(diào)節(jié)計(jì)算，各開(kāi)發(fā)任務(wù)采用正常供水流量，已知來(lái)水過(guò)程和需水過(guò)程，分別計(jì)算水庫(kù)每年所需的興利庫(kù)容．徑流調(diào)節(jié)計(jì)算以水量平衡為基礎(chǔ)，其公式為

首先將徑流調(diào)節(jié)計(jì)算得到的各年所需庫(kù)容排頻，根據(jù)設(shè)計(jì)保證率要求初步擬定興利庫(kù)容和對(duì)應(yīng)的正常蓄水位．然后，在水庫(kù)調(diào)度圖中繪制水庫(kù)死水位和正常蓄水位，對(duì)長(zhǎng)系列所有年份按照每年各任務(wù)正常供水的調(diào)節(jié)流量，從供水期末死水位開(kāi)始，逆時(shí)序計(jì)算各時(shí)段水庫(kù)水位線，直到蓄水期初回落至死水位．此時(shí)在調(diào)度圖上會(huì)出現(xiàn)圖2所示的3種調(diào)度線情況：1線為蓄水期初和供水期末水位在死水位，蓄水期至供水期之間調(diào)度線在死水位與正常蓄水位之間；2線為蓄水期初和供水期末水位在死水位，但蓄水期至供水期之間的調(diào)度線部分高于正常蓄水位；3線為蓄水期至供水期之間調(diào)度線在死水位與正常蓄水位之間，而蓄水期初的水位高于死水位．

1—正常供水調(diào)度線；2—破壞年份調(diào)度線；3—徑流年內(nèi)分配顯著不均導(dǎo)致破壞調(diào)度線

圖2中，1線代表的年份表示水庫(kù)可以正常供水的年份；2線表示該年份所需的興利庫(kù)容超過(guò)初擬的興利庫(kù)容，屬于破壞年份；3線表示水庫(kù)在蓄水期蓄的水無(wú)法滿足枯水期供水要求，水庫(kù)需提前預(yù)蓄庫(kù)容供水，這種情況常發(fā)生在徑流年內(nèi)分配顯著不均的時(shí)候，對(duì)于年調(diào)節(jié)水庫(kù)來(lái)說(shuō)屬于破壞年份．根據(jù)調(diào)度圖統(tǒng)計(jì)的長(zhǎng)系列破壞年份，可以求出對(duì)應(yīng)的保證率，將保證率與設(shè)計(jì)保證率進(jìn)行比對(duì)．如果低于設(shè)計(jì)保證率則表明初擬的興利庫(kù)容不滿足任務(wù)要求，則應(yīng)增大興利庫(kù)容再次進(jìn)行調(diào)度圖的編制．如果保證率大于或等于設(shè)計(jì)保證率，則表明興利庫(kù)容可以滿足任務(wù)要求，此時(shí)去除破壞年份，余下的為正常供水年份．

2.2?多級(jí)調(diào)度圖中調(diào)度線的繪制

水庫(kù)在有多項(xiàng)開(kāi)發(fā)任務(wù)時(shí)，需要協(xié)調(diào)各任務(wù)之間的關(guān)系，通過(guò)分界調(diào)度線進(jìn)行調(diào)度區(qū)域的劃分．上調(diào)配線的繪制應(yīng)選擇正常供水年份，以各任務(wù)綜合供水流量逆時(shí)序計(jì)算時(shí)段水位線，再取長(zhǎng)系列結(jié)果的上包線，即水庫(kù)防破壞線．下調(diào)配線是區(qū)分主要任務(wù)間的分界調(diào)度線，其計(jì)算采用的調(diào)節(jié)流量為經(jīng)過(guò)折減后的流量，進(jìn)行逆時(shí)序計(jì)算時(shí)段水位線，選取長(zhǎng)系列結(jié)果的上包線，通過(guò)與設(shè)計(jì)保證率比較確定折減流量，若選擇的降低供水程度未滿足設(shè)計(jì)保證率要求，則需要加大破壞深度．

在繪制好上、下調(diào)配線后，還需要繪制限制供水線，限制供水線代表完成所有供水任務(wù)的最低水位線．采用長(zhǎng)系列法繪制限制供水線的方法為：選取正常供水年份，自蓄水期初死水位開(kāi)始進(jìn)行順時(shí)序調(diào)節(jié)計(jì)算直至供水期末，從而得到保證率以內(nèi)的逐年蓄水過(guò)程，取下包線作為限制供水線．限制供水線是順時(shí)序計(jì)算并取下包線，當(dāng)水庫(kù)水位在此線以下時(shí)，水庫(kù)正常供水任務(wù)肯定會(huì)發(fā)生破壞，因此需要縮減供水．

3?實(shí)例應(yīng)用

3.1?工程背景

某南方流域水庫(kù)，控制流域面積約292km2，是一座承擔(dān)灌溉和供水任務(wù)的綜合利用年調(diào)節(jié)水庫(kù)．壩址徑流系列為36年月流量，多年平均流量為10.65m3/s．水庫(kù)在保證壩址斷面生態(tài)基流的前提下，優(yōu)先滿足供水要求，其次滿足灌區(qū)灌溉用水要求，當(dāng)水庫(kù)可供水量滿足供水和灌溉用水量且?guī)烊菪顫M時(shí)，允許棄水．水庫(kù)的供水保證率為95%，灌溉保證率為85%，灌溉周期為3月—10月．根據(jù)徑流資料和綜合任務(wù)進(jìn)行長(zhǎng)系列徑流調(diào)節(jié)，水庫(kù)正常蓄水位為220m，死水位為177m，興利庫(kù)容為10140萬(wàn)m3．水庫(kù)天然來(lái)水頻率和長(zhǎng)系列徑流調(diào)節(jié)興利庫(kù)容結(jié)果分別見(jiàn)表1和表2．

由于水庫(kù)每年的灌溉供水量不同，表2的排頻結(jié)果與表1不同．如按規(guī)范中以來(lái)水頻率與保證率關(guān)系確定破壞年份，就會(huì)導(dǎo)致部分非枯水年供水不足的問(wèn)題，因此采用改進(jìn)長(zhǎng)系列法編制該水庫(kù)的多級(jí)興利調(diào)度圖．

表1?水庫(kù)天然來(lái)水頻率

Tab.1?Water frequency of reservoir

表2?水庫(kù)長(zhǎng)系列徑流調(diào)節(jié)興利庫(kù)容計(jì)算結(jié)果

Tab.2 Results of the reservoir storage calculated by long series runoff regulation

3.2?多級(jí)調(diào)度圖編制

1) 上調(diào)配線繪制

水庫(kù)任務(wù)是供水和灌溉，因此上調(diào)配線即水庫(kù)的防破壞線，采用長(zhǎng)系列法分別繪制各年的水位過(guò)程線，水庫(kù)調(diào)節(jié)流量取供水和灌溉正常供水流量，從供水期末死水位逆時(shí)序計(jì)算至蓄水期初死水位．從長(zhǎng)系列結(jié)果中去除超出正常蓄水位和蓄水期初高于死水位的水位線，取上包線作為多級(jí)調(diào)度上調(diào)配線，見(jiàn)圖3．

圖3?水庫(kù)多級(jí)調(diào)度上調(diào)配線繪制過(guò)程

從圖中可以看出，長(zhǎng)系列中破壞年份共有5年，相應(yīng)保證率為88.9%，滿足灌溉保證率85%的要求．

2) 下調(diào)配線繪制

下調(diào)配線是區(qū)分水庫(kù)供水與灌溉任務(wù)的分界調(diào)度線，選取保證率95%以內(nèi)的年份，用水過(guò)程采用正常供水和灌溉縮減供水過(guò)程，灌溉用水破壞深度取20%，逆時(shí)序調(diào)節(jié)計(jì)算求得各年水庫(kù)水位變化過(guò)程線，取上包線作為下調(diào)配線，見(jiàn)圖4．

圖4?水庫(kù)多級(jí)調(diào)度下調(diào)配線繪制過(guò)程

在經(jīng)過(guò)灌溉折減后，長(zhǎng)系列中破壞年份有1年，相應(yīng)的供水保證率為97.2%，滿足供水設(shè)計(jì)保證率95%的要求．

3) 限制供水線繪制

根據(jù)長(zhǎng)系列庫(kù)容計(jì)算結(jié)果，以擬定的興利庫(kù)容選擇滿足開(kāi)發(fā)任務(wù)要求的正常供水年份，自蓄水期初死水位開(kāi)始順時(shí)序調(diào)節(jié)計(jì)算，調(diào)節(jié)流量采用供水和灌溉的正常用水流量，對(duì)保證率內(nèi)的逐年蓄水過(guò)程取下包線作為限制供水線，見(jiàn)圖5．

圖5?水庫(kù)多級(jí)調(diào)度限制供水線繪制過(guò)程

當(dāng)水庫(kù)水位在限制供水線以下時(shí)，水庫(kù)供水和灌溉兩任務(wù)的用水量均要折減破壞，供水任務(wù)相對(duì)灌溉任務(wù)破壞程度低，水庫(kù)處于限制供水區(qū)．

4) 多級(jí)調(diào)度圖編制

將上述3條調(diào)度線初步編制成水庫(kù)調(diào)度圖，將水庫(kù)長(zhǎng)系列資料按調(diào)度圖的運(yùn)行方式進(jìn)行連續(xù)的順時(shí)序計(jì)算，可得到水庫(kù)各月的水位和余水狀況，以檢驗(yàn)該調(diào)度圖效果，水庫(kù)多級(jí)調(diào)度圖結(jié)果見(jiàn)圖6．

圖6?灌溉和供水綜合任務(wù)的水庫(kù)多級(jí)調(diào)度圖

圖6所示的水庫(kù)多級(jí)調(diào)度圖分為4個(gè)調(diào)度區(qū)：Ⅰ區(qū)為加大供水區(qū)，當(dāng)庫(kù)水位處于該區(qū)時(shí)，在滿足生態(tài)基流、供水和灌溉任務(wù)的前提下，水庫(kù)蓄滿后多余的水可用于加大供水量；Ⅱ區(qū)為灌溉供水保證區(qū)，此時(shí)水庫(kù)能滿足生態(tài)基流、供水和灌溉的正常用水要求．且由于灌溉周期為3月—10月，在10月之后水庫(kù)不再承擔(dān)灌溉任務(wù)，水庫(kù)任務(wù)變?yōu)樯鷳B(tài)基流和供水，因此上、下調(diào)配線會(huì)在10月之后重合；Ⅲ區(qū)為供水保證區(qū)，當(dāng)庫(kù)水位處于該區(qū)時(shí)，水庫(kù)滿足生態(tài)基流和供水要求，對(duì)于灌溉需按20%破壞深度進(jìn)行灌溉供水；Ⅳ區(qū)為限制供水區(qū)，水庫(kù)除保證生態(tài)基流外，對(duì)供水和灌溉需要分別進(jìn)行折減供水．

3.3?計(jì)算結(jié)果對(duì)比

分別采用代表年法、長(zhǎng)系列法編制水庫(kù)多級(jí)調(diào)度圖并與改進(jìn)長(zhǎng)系列調(diào)度圖結(jié)果對(duì)比，對(duì)3種方法編制的調(diào)度圖進(jìn)行長(zhǎng)系列檢驗(yàn)，對(duì)比結(jié)果見(jiàn)表3．

表3?3種方法編制調(diào)度圖的長(zhǎng)系列檢驗(yàn)結(jié)果對(duì)比

Tab.3 Comparison among long series examination results of the three methods for drawing operation chart

從表3可以看出，采用30%灌溉破壞深度時(shí)，代表年法的灌溉保證率不能滿足，其上調(diào)配線過(guò)低，導(dǎo)致部分年份有棄水情況；長(zhǎng)系列法能夠滿足灌溉保證率，但在灌溉用水為同一破壞深度時(shí)，供水任務(wù)有2年發(fā)生破壞，未能滿足供水95%的保證率，需要調(diào)整下調(diào)配線．經(jīng)長(zhǎng)系列檢驗(yàn)，代表年法和長(zhǎng)系列法編制的調(diào)度圖還需要進(jìn)一步人工修改，而改進(jìn)的長(zhǎng)系列法編制的多級(jí)調(diào)度圖不僅能一次性編制成功，無(wú)需修改，而且在達(dá)到設(shè)計(jì)保證率的同時(shí)降低灌溉破壞深度，滿足水庫(kù)各項(xiàng)任務(wù)要求．

4?結(jié)?論

本文總結(jié)傳統(tǒng)水庫(kù)調(diào)度圖編制方法，闡述調(diào)度圖原理和方法，針對(duì)其中存在的問(wèn)題，提出一種基于改進(jìn)長(zhǎng)系列法的水庫(kù)多級(jí)調(diào)度圖編制方法．本文以某南方流域水庫(kù)為例，完成供水和灌溉綜合利用水庫(kù)的多級(jí)興利調(diào)度圖編制，主要結(jié)論如下．

(1) 在初步編制水庫(kù)調(diào)度圖時(shí)，代表年法和傳統(tǒng)長(zhǎng)系列法對(duì)破壞年份的選取考慮不足，單純以來(lái)水頻率進(jìn)行劃分的標(biāo)準(zhǔn)未充分考慮徑流年內(nèi)分配差異和用水要求不同的問(wèn)題，需要人工檢驗(yàn)和修改．提出的改進(jìn)長(zhǎng)系列法以調(diào)度線為基礎(chǔ)，有效篩選出破壞年份，在達(dá)到設(shè)計(jì)保證率要求的同時(shí)降低了破壞深度．

(2) 長(zhǎng)系列檢驗(yàn)結(jié)果表明，改進(jìn)方法編制的多級(jí)興利調(diào)度圖能一次性編制成功，滿足水庫(kù)各開(kāi)發(fā)任務(wù)要求．此外，改進(jìn)方法協(xié)調(diào)了各任務(wù)間的關(guān)系，防止相鄰任務(wù)的調(diào)度線發(fā)生交叉，避免由此造成的調(diào)度圖不準(zhǔn)確問(wèn)題，可有效發(fā)揮水庫(kù)的效益空間．

(3) 本文雖然是以年調(diào)節(jié)水庫(kù)為案例進(jìn)行的水庫(kù)多級(jí)興利調(diào)度圖編制方法研究，但可通過(guò)調(diào)整興利調(diào)節(jié)計(jì)算等內(nèi)容，將該方法推廣應(yīng)用到不同調(diào)節(jié)性能的水庫(kù)．

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Research and Application for Drawing Method of Multilevel Reservoir Operation Chart

Li Xiaoying1，Cui Wei1，Guo Yiwei2，Yu Xi1，Zhang Mengxian1

(1. College of Water Conservancy and Hydropower Engineering，Hohai University，Nanjing 210098，China；2. Yangtze River Scientific Research Institute，Changjiang Water Resources Commission，Wuhan 430014，China)

To compile a multipurpose reservoir operation chart，the operation rules curves should be drawn according to different tasks. To unify the compilation method of multilevel reservoir operation chart，a new method based on the improved long series is proposed. The optimization regulation is calculated based on the runoff data and comprehensive utilization regulations，and the broken year is determined using the frequency calculation. To meet the requirements of a high assurance mission，the utilizable discharge of the secondary task needs to be reduced. In the reservoir operation chart based on the improved long series method，the upper envelope line is used to illustrate the upper and lower limits of operation rule curves，and the lower envelope curve is used as the limited water supply line. A reservoir in the southern basin of China used for water supply and irrigation is selected for a case study. Combined with the task priority and design guarantee rate，the multilevel scheduling chart is completed. The complex problem of the unreasonable choice of failure years and boundary dispatching coordination are solved by the improved method，which can reduce the failure depth while reaching the design guarantee rate. The freeness of artificially changing the operation chart was avoided，and the chart can be drawn successfully in one time，enhancing the accuracy of effectively compiling the multilevel scheduling chart. This method can be used as a reference for the compilation method of operation charts of reservoirs with different regulating performances.

reservoir；multilevel operation chart；improved long series method；operation curves；beneficial operation

TV697.1

A

0493-2137(2022)03-0322-09

10.11784/tdxbz202104048

2021-04-23；

2021-07-01.

李曉英（1978—??），女，博士，副教授，lixy3@hhu.edu.cn.

崔?威，646782594@qq.com.

國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃資助項(xiàng)目(2016YFC0400909，2018YFC0407902).

Supported by theNational Key R&D Program of China(No.2016YFC0400909，No.2018YFC0407902).

(責(zé)任編輯：樊素英)