數(shù)理統(tǒng)計(jì)法水庫(kù)多目標(biāo)供水調(diào)節(jié)計(jì)算

李同青

(遵義水利水電勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院，貴州遵義563002)

1 水庫(kù)供水調(diào)節(jié)計(jì)算

在進(jìn)行水庫(kù)供水調(diào)節(jié)計(jì)算時(shí)，主要任務(wù)是對(duì)水庫(kù)的徑流調(diào)節(jié)進(jìn)行計(jì)算。對(duì)水庫(kù)的供水方式進(jìn)行分類(lèi)，可以將水庫(kù)供水任務(wù)的不同作為依據(jù)，因此可以將水庫(kù)的供水方式分成兩種:①固定供水方式;②變動(dòng)供水方式。

水庫(kù)有年調(diào)節(jié)水庫(kù)和多年調(diào)節(jié)水庫(kù)。以供水為主的水庫(kù)，分為日、旬、季、年和多年調(diào)節(jié)，水庫(kù)水位消落的規(guī)律相應(yīng)為頻繁時(shí)漲時(shí)落、短期漲落、季節(jié)漲落、年內(nèi)漲落或多年漲落。從庫(kù)容系數(shù)來(lái)看，供水調(diào)節(jié)庫(kù)容系數(shù)在1%以下為日調(diào)節(jié)水庫(kù);供水調(diào)節(jié)庫(kù)容系數(shù)在3%左右為旬、月調(diào)節(jié)水庫(kù);供水調(diào)節(jié)庫(kù)容系數(shù)在10%左右為季、年調(diào)節(jié)水庫(kù);供水調(diào)節(jié)庫(kù)容系數(shù)在30%左右為多年調(diào)節(jié)水庫(kù)。圖1為多年調(diào)節(jié)示意圖。

圖1 多年調(diào)節(jié)示意圖

2 多年調(diào)節(jié)水庫(kù)供水調(diào)節(jié)計(jì)算的基本方法

2.1 固定供水調(diào)節(jié)計(jì)算

2.1.1 時(shí)歷法

所謂時(shí)歷法指的是以實(shí)際的長(zhǎng)系列徑流資料以及所需要的供水量為依據(jù)，將每年所需要的調(diào)節(jié)庫(kù)容計(jì)算出來(lái)，接著再進(jìn)行頻率計(jì)算，將所需要的供水量求取出來(lái)。

2.1.2 數(shù)理統(tǒng)計(jì)法

數(shù)理統(tǒng)計(jì)法主要適用在水庫(kù)多年調(diào)節(jié)計(jì)算中。數(shù)理統(tǒng)計(jì)法進(jìn)行計(jì)算的主要方法是對(duì)調(diào)節(jié)庫(kù)容進(jìn)行劃分成為兩個(gè)部分，分別進(jìn)行計(jì)算，兩個(gè)部分主要為年庫(kù)容以及多年庫(kù)容，接著將兩個(gè)計(jì)算結(jié)果進(jìn)行相加，以此作為需要的調(diào)節(jié)庫(kù)容[1]。

徑流調(diào)節(jié)計(jì)算主要是推求水庫(kù)的蓄水量變化過(guò)程，基本原理為水量平衡方程。主要利用對(duì)水量平衡方程，對(duì)徑流系列進(jìn)行不同時(shí)間以及各個(gè)時(shí)段的水庫(kù)水量蓄泄計(jì)算，求出水庫(kù)蓄水量和供水量的全過(guò)程，或者概率分布與保證率曲線(xiàn)。每一計(jì)算時(shí)段的水量平衡方程為:

式中:V1、V2分別為計(jì)算時(shí)段初及時(shí)段末的水庫(kù)蓄水量;Wi、W0分別為計(jì)算時(shí)段的水庫(kù)來(lái)水量及供水量。

計(jì)算時(shí)段主要據(jù)水庫(kù)的調(diào)節(jié)周期決定。日調(diào)節(jié)水庫(kù)以小時(shí)為單位;年或多年調(diào)節(jié)以月(旬)為單位。具體計(jì)算時(shí)，假定已知時(shí)段初水庫(kù)蓄水量V1及時(shí)段來(lái)水量Wi，按照規(guī)定的水庫(kù)調(diào)度要求，由水量平衡方程求出時(shí)段水庫(kù)供水量W0及時(shí)段末蓄水量V2。以上一時(shí)段末的水庫(kù)蓄水量作為本時(shí)段初的水庫(kù)蓄水量，即可順序進(jìn)行全系列的調(diào)節(jié)計(jì)算[2]。

2.2 灌溉變動(dòng)供水調(diào)節(jié)計(jì)算

2.2.1 時(shí)歷法

利用時(shí)歷法就是以灌溉需水量以及水庫(kù)長(zhǎng)系列來(lái)水量為依據(jù)，對(duì)變動(dòng)供水調(diào)節(jié)進(jìn)行計(jì)算，得到每年所需要的庫(kù)容，再接著以庫(kù)容為基礎(chǔ)求擊頻率曲線(xiàn)，就可以在曲線(xiàn)上將調(diào)節(jié)庫(kù)容查出來(lái)。

2.2.2 數(shù)理統(tǒng)計(jì)法

數(shù)據(jù)流計(jì)法是應(yīng)用徑流頻率特性，按概率論原理進(jìn)行調(diào)節(jié)計(jì)算，所得成果是以調(diào)節(jié)水量、多余或不足水量以及水庫(kù)蓄水等頻率形式給出。將數(shù)理統(tǒng)計(jì)法運(yùn)用在多年庫(kù)容計(jì)算中，可以分成兩種方法:①盈虧水量頻率曲線(xiàn)法;②簡(jiǎn)化法。所謂盈虧水量頻率曲線(xiàn)法指的是根據(jù)灌溉供水的相關(guān)資料以及水庫(kù)來(lái)水量，對(duì)盈虧的水量進(jìn)行計(jì)算，然后再按照數(shù)理統(tǒng)計(jì)法將所年庫(kù)容計(jì)算出來(lái)。所謂簡(jiǎn)化法指的是以水庫(kù)蓄水概率分布函數(shù)的積分方程為依據(jù)，經(jīng)過(guò)一系列的數(shù)學(xué)處理后將變動(dòng)供水轉(zhuǎn)變?yōu)楣潭ü┧?jì)算，以此得到多年調(diào)節(jié)計(jì)算線(xiàn)截圖求解。

3 案例分析

3.1 工程概況

大沙壩水庫(kù)位于貴州省仁懷市三合鎮(zhèn)盧榮壩村的五岔河中下游，五岔河是長(zhǎng)江流域赤水河右岸的一級(jí)支流，五岔河流域面積116.82 km2，多年平均徑流量4 110萬(wàn)m3，河長(zhǎng)32.18 km，流域平均寬度4.55 km，流域形狀系數(shù) 0.177，河道平均比降32.37‰，大沙壩水庫(kù)壩址以上流域面積78.43 km2，占全流域面積的67.14%，多年平均徑流量2760萬(wàn)m3，主河道長(zhǎng)19.59 km，主河道平均比降35.14‰，流域形狀系數(shù)0.161。大沙壩水庫(kù)工程的任務(wù)是工業(yè)供水、農(nóng)田灌溉兼集鎮(zhèn)及農(nóng)村人畜飲水。

本階段通過(guò)長(zhǎng)系列時(shí)歷法水利調(diào)節(jié)計(jì)算確定的大沙壩水庫(kù)正常蓄水位505.00 m，相應(yīng)正常蓄水位庫(kù)容1490萬(wàn)m3，水死庫(kù)容104萬(wàn)m3，興利庫(kù)容1 386萬(wàn)m3，庫(kù)容系數(shù) 50.22%，供水保證率為94.6%。

3.2 多年調(diào)節(jié)計(jì)算成果數(shù)理統(tǒng)計(jì)法驗(yàn)證

3.2.1 水庫(kù)蓄水狀態(tài)劃分

大沙壩水庫(kù)相應(yīng)正常蓄水位庫(kù)容1 490萬(wàn)m3，死庫(kù)容104萬(wàn)m3，興利庫(kù)容1 386萬(wàn) m3，將水庫(kù)庫(kù)容劃分為5種狀態(tài)，每種狀態(tài)水庫(kù)的蓄水量用水庫(kù)蓄水量區(qū)間值即代表蓄量表示。

3.2.2 供水破壞率與水庫(kù)初始狀態(tài)的關(guān)系

假定長(zhǎng)系列年徑流之間相互獨(dú)立，根據(jù)月末庫(kù)容(來(lái)水量－用水量)劃分蓄水期和供水期，蓄水期和供水期對(duì)應(yīng)水量分別為余水量和虧水量，后對(duì)37個(gè)長(zhǎng)系列年的每一種狀態(tài)進(jìn)行徑流調(diào)節(jié)計(jì)算，得出各年年末蓄水量。

3.2.3 轉(zhuǎn)移概率矩陣

根據(jù)上述確定的計(jì)算結(jié)果，對(duì)每一種年初狀態(tài)對(duì)應(yīng)的所有年末狀態(tài)的破壞年數(shù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，得狀態(tài)轉(zhuǎn)移概率。

3.2.4 水庫(kù)穩(wěn)定狀態(tài)概率計(jì)算及水庫(kù)供水保證率

大沙壩水庫(kù)穩(wěn)定狀態(tài)概率與水庫(kù)初始狀態(tài)無(wú)關(guān)，任意假定第一年初水庫(kù)所處的狀態(tài)(本次設(shè)計(jì)假定從0狀態(tài)即庫(kù)空開(kāi)始)，由狀態(tài)轉(zhuǎn)移概率矩陣乘以年初狀態(tài)概率矩陣得到第一年年末狀態(tài)概率，即第二年年初狀態(tài)概率矩陣，再用狀態(tài)轉(zhuǎn)移概率矩陣乘以第二年年初狀態(tài)概率矩陣得到第二年年末狀態(tài)概率，依次逐年計(jì)算，直至狀態(tài)概率穩(wěn)定為止。通過(guò)以上計(jì)算得大沙壩水庫(kù)供水破壞率為0.045(P=4.5%)，則水庫(kù)供水保證率為95.5%。說(shuō)明用長(zhǎng)系列時(shí)歷法求得的水庫(kù)興利庫(kù)容及設(shè)計(jì)保證率(P=94.6%)成果是合理的。

3.3 工程規(guī)模復(fù)核結(jié)論

通過(guò)數(shù)理統(tǒng)計(jì)方法復(fù)核驗(yàn)證，大沙壩水庫(kù)可研階段確定的水庫(kù)規(guī)模均是合理的。即:正常蓄水位505.00 m，相應(yīng)正常蓄水位庫(kù)容1 490萬(wàn)m3，死水位460.00 m，死庫(kù)容104萬(wàn) m3，興利庫(kù)容1 386萬(wàn) m3，庫(kù)容系數(shù)50.22%，工程設(shè)計(jì)供水能力1 685萬(wàn)m3;多年平均總供水量1 652萬(wàn)m3/a，其中工業(yè)供水量1 127萬(wàn)m3/a(3.087萬(wàn)m3/d)、集鎮(zhèn)及農(nóng)村人畜飲水供水量220萬(wàn)m3/a(0.602萬(wàn)m3/d)，多年平均農(nóng)田灌溉供水量267萬(wàn)m3/a，水資源開(kāi)發(fā)利用率58.48%。

[1]楊建軍，崔著義，丁吉龍.數(shù)理統(tǒng)計(jì)法水庫(kù)多目標(biāo)供水調(diào)節(jié)計(jì)算[J].水文，2000(05):37－39.

[2]才莉莉，管功勛，劉明崗.鏡泊湖水電站下游徑流式水電站電能調(diào)節(jié)方法分析[J].黑龍江水利科技，2008，36(03):45－46.