灌溉水庫興利調度圖繪制方法探析

2015-02-01 05:29:42覃紹一，陳光洪

四川水力發電 2015年4期

覃紹一，　陳光洪

(四川省水利水電勘測設計研究院規劃設計分院，四川德陽　618000)

灌溉水庫興利調度圖繪制方法探析

覃紹一，陳光洪

(四川省水利水電勘測設計研究院規劃設計分院，四川德陽618000)

摘要：水庫調度圖的編制越來越受到相關部門的重視，目前灌溉水庫興利調度圖的繪制方法較多，成果差異大。對各種方法進行了分析比較，并通過實例計算結果檢驗分析，說明宜優先采用水利工程水利計算規范推薦的繪制方法。

關鍵詞：灌溉水庫；興利調度圖；灌溉設計保證率；長系列法

1概述

對已經建成的水利工程，領導部門和管理單位最關心的是如何在保障工程安全的前提下將工程的設計效益充分發揮出來。而在難以準確預測氣象和水文條件的情況下，通常采取利用歷史資料繪制水庫調度圖用以指導水庫的調度運用，以避免或減輕因水庫蓄、泄水量不當而造成的損失和災害。同時，依據水庫調度圖及調度方式進行水庫調節計算，亦可以復核檢驗水庫規模的合理性，故水庫調度也是水庫設計的重要內容之一。

2012年10月水利部以水建管﹝2012﹞442號文印發了《水庫調度規程編制導則(試行)》，同時要求各級水行政主管部門督促水庫主管部門和運行管理單位組織編制水庫調度規程，盡快完成大、中型水庫及重要小型水庫調度規程的編制和審批，同年，四川省水利廳以川水函﹝2012﹞2387號文轉發了該文件并提出了相應要求，我省大中型水庫調度規程的編審工作相繼展開。在近年進行的水庫調度文件編審工作中，部分工程技術人員對水庫調度圖繪制方法認識不一，特別是在興利調度中較少采用《水利工程水利計算規范》(SL104-95)中推薦的方法，而多采用一些參考資料(如學校教材或計算手冊)中介紹的繪制方法。由于參考資料不同，成果各異。有時審查專家與設計人員因參考的書籍不同而發生不必要的爭執。因此，筆者認為：有必要就水庫調度圖繪制方法進行探討。

鑒于我省的中型水庫多以灌溉為主，因此，筆者以灌溉水庫興利調度為代表討論水庫調度圖的繪制方法。水庫興利調度圖的繪制方法主要有三類：一是代表年法，二是長系列法，三是概率分析法，其中前兩類為目前廣泛采用。筆者對前兩類繪制方法做簡要介紹。

2方法概述

2.1代表年法

2.1.1年調節水庫

(1)代表年的選擇。

代表年的選擇可分為實際代表年法和設計代表年法。

實際代表年又稱典型年，系根據灌溉設計保證率，從年來水量和年用水量系列中選擇年來水量和用水量接近設計保證率的3～5a，且各年來、用水分配應盡可能代表不同的年內分配，在所選年份中，全年或作物生長期的來水量應等于或大于相應的灌溉用水量，以保證當年水庫不因興利庫容的限制而使灌溉用水遭受破壞。

設計代表年法是將上述所選年份的來、用水過程按設計保證率的年來、用水量與實際所選年份的來、用水量之比進行縮放，所求得的來、用水量均符合設計保證率，年內分配各不相同的設計代表年來、用水過程。

(2)調度線的繪制。

現將常見的4種繪制方法簡述如下：

其一：對每一代表年，按正常供水工作，從供水期末死庫容開始，逆時序調節計算至蓄水期初為止，求得各月末水庫蓄水量及水位。將計算結果中的水庫水位與時間的關系線繪制在同一張圖上，連結各月水位的最高點(即取上包線)即得防破壞線(也稱保證供水線)，連結各月水位的最低點(即取下包線)即得限制供水線(也稱降低供水線)。

其二：防破壞線繪制同方法一。限制供水線的繪制方法為：對每一代表年，按正常供水工作，從蓄水期初死庫容開始，順時序調節計算至供水期末，求得各月末的水庫蓄水量及水位；將計算結果中的水庫水位和時間的關系線繪制在同一張圖上，連結各月水位的最低點，即為限制供水線。

其三：對每一代表年，按正常供水工作，從供水期末死庫容開始，逆時序調節計算至蓄水期初為止，求得各月末的水庫蓄水量及水位。將計算結果中的水庫水位與時間的關系線繪制在同一張圖上，連結各月水位的最低點即得限制供水線；從蓄水期末正常蓄水位開始，逆時序調節計算至供水期初為止，求得各月末的水庫蓄水量及水位。將計算結果中的水庫水位與時間的關系線繪制在同一張圖上，連結各月水位的最高點即得防破壞線。

其四：采用各代表年的興利調節計算成果，將同月份的庫水位繪制在同一張圖上，取上包線為防破壞線，下包線為限制供水線。

2.1.2多年調節水庫

(1)代表年的選擇和多年調節庫容的確定。

對于多年調節水庫，當多年庫容蓄滿尚有余水時可加大供水；當多年庫容已經放空、來水仍不足灌溉時，應降低供水。因此，一般要求把興利庫容分為多年調節庫容與年庫容兩部分進行水庫調度。如果在興利調節時采用數理統計法求多年調節庫容，代表年求年庫容，則可直接采用。如果調節計算是用長系列法計算出的水庫興利庫容，則需先確定年調節庫容，再用興利庫容減去年調節庫容求得多年調節庫容。年調節庫容的計算方法為：選擇3～5個年來水量等于或略大于用水量的年份，分別計算其調節庫容，選其中較大者作為年調節庫容。

一種分析認為：當多年庫容蓄滿、尚有余水能加大供水的情況發生在枯水系列的第一年，或多年庫容已經放空仍不能滿足灌溉覆水量需降低供水的情況發生在枯水系列的最后一年，可只研究設計枯水系列第一年的水庫蓄滿及最后一年放空的情況，而不必分割多年調節庫容和年調節庫容。

(2)調度線的繪制。

當劃分了多年調節庫容和年調節庫容時，與年調節類似有三種方法：

其一：對計算年庫容的每一代表年，按正常供水工作，從供水期末、多年庫容蓄滿開始，逆時序進行調節計算至蓄水期初為止，求得各月末的水庫蓄水量及水位，將計算結果中的水庫水位和時間的關系線繪制在同一張圖上，取上包線即得防破壞線；從供水期末、死庫容開始，逆時序進行調節計算至蓄水期初為止，求得各月末的水庫蓄水量及水位，將計算結果中的水庫水位和時間的關系線繪制在同一張圖上，取下包線即得限制供水線。

其二：防破壞線的繪制同方法一。限制供水線繪制方法為：對各代表年，按正常供水工作，從蓄水期初死庫容開始，順時序調節計算至供水期末，求得各月末的水庫蓄水量及水位；將計算結果中的水庫水位與時間的關系線繪制在同一張圖上，連結各月水位的最低點，即為限制供水線。

其三：取推求年庫容的各代表年同月水位，點繪于同一張圖上，取其下包線即為限制供水線；再在各月水位相應庫容上加上相應的多年調節庫容，連結各月水位的最低點即為防破壞線。

當不劃分多年調節庫容和年調節庫容時，對每一枯水系列的最后一年，按正常供水工作，從供水期末死庫容開始，逆時序調節計算至蓄水期初，求得各月末的水庫蓄水量及水位。將計算結果中的水庫水位與時間的關系線繪制在同一張圖上，連結各月水位的最低點即得限制供水線；對每一枯水系列的第一年從蓄水期末正常蓄水位開始，逆時序調節計算至供水期初為止，求得各月末的水庫蓄水量及水位。將計算結果中的水庫水位與時間的關系線繪制在同一張圖上，連結各月水位的最高點即得防破壞線。

2.2長系列法

2.2.1長系列順時序計算法

將長系列法調節計算成果中設計保證率以內年份的同月水位點繪于同一張圖上，取上包線為防破壞線，下包線為限制供水線。這一方法為《水工設計手冊》和《水庫調度設計規范》(GB/T50587-2010)所推薦。

2.2.2長系列逆時序計算法

該方法在《水利工程水利計算規范》SL104-95 的5.3.4條文說明中論述為：當具備長系列來水量及灌溉用水量資料時，一般采用逆時序調節計算方法連續計算求出歷年逐月(或旬)的庫水位過程，取灌溉設計保證率以內各年份中各月(或旬)的上包線為防破壞線；再對全部破壞年份按滿足特枯水年灌溉用水量的要求進行逆時序調節計算，求出各月(或旬)的上包線作為降低供水線。當降低供水線高于防破壞線時，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。對于這種情況，一定要分析研究合理的保證供水區及降低供水區。

3方法的選擇

3.1各種方法的使用情況及分析

3.1.1各種方法的使用情況

盡管《水利工程水利計算規范》(SL104-95 )已經實施20多年了，且大多數水庫設計均采用長系列法進行水庫調節，但在水庫調度圖繪制中，卻多采用代表年法。分析其原因，可能有以下兩個方面：一是歷史形成的操作習慣；二是水庫調度圖僅反映了一個年度的水位時間關系，讓人誤以為就是代表年成果。

3.1.2各方法的優缺點分析

(1)代表年法。

代表年法的主要優點是需要的資料相對較少，計算工作量小。因此，在缺乏足夠資料和先進計算手段的歷史條件下被廣泛采用；但其缺點亦較多，主要為：其一，代表年法將調節年度統一劃分為每年固定不變的蓄水期和供水期，不同的水文年份均從相同的水位起調或終止，以及將水庫簡單的分為年調節和多年調節兩種類型，這與水庫的實際運行情況不一定相符；其二，由于水庫來水與灌區用水關系不很密切，選擇符合要求的代表年存在隨意性；僅以幾個年份作代表，難以反映水庫來水和灌區用水在年際和年內分配上的不均勻性和組合的多樣性；其三，如上所述，代表年法在調度圖的計算繪制上存在多種不同的觀點和做法，難以統一；其四，只研究正常供水的年份，而缺乏對保證率以外的特殊干旱年份調度運行進行分析。

(2)長系列順時序計算法。

該方法的優點是克服了代表年法中代表年選擇和調節周期劃分的人為性，且直接采用水庫調節計算成果，計算工作量小；缺點是對保證率以外的年份的水庫調度缺乏指導依據。

(3)長系列逆時序計算法。

該方法的優點是按照水庫前期預留足夠的蓄水量且保證在正常年內不破壞的原則計算防破壞線，保證在保證率以外不發生深度破壞的原則計算限制供水線，思路清晰，對不同時期的水庫運用情況均有分析，成果較為可靠；其缺點是計算工作量較大。

3.2案例分析

3.2.1工程概況

為驗證上述分析結果，筆者以一個實例加以說明。某工程設計灌溉面積為10萬畝(1ha=15畝)，壩址集水面積為52km2，水庫多年平均來水量為4 029萬m3，灌區用水量為2 848萬m3，正常蓄水位高程466m，相應庫容3 875萬m3，死水位高程440m，死庫容368萬m3，灌溉設計保證率為70%。水庫采用38a長系列調節計算，水庫供水保證率可達72%。

3.2.2調度圖的繪制

現分別采用代表年法、長系列順時序計算法和長系列逆時序計算法繪制其興利調度圖。

采用代表年法先判斷水庫屬于多年調節水庫，通過選取3個來、用水接近年份做代表年，計算年調節庫容為1 951萬m3，則多年調節庫容為1 566萬m3，按上述代表年法中多年調節水庫方法一繪制的調度圖見圖1。

圖1　代表年法水庫調度圖

采用長系列順時序計算法繪制的水庫調度圖見圖2。

圖2　長系列順時序計算法水庫調度圖

采用長系列逆時序計算繪制水庫調度圖。首先對調節成果進行分析，修正破壞年的灌溉供水量。為防止深度破壞，對破壞特枯水系列供水量按需水量的60%進行計算，其成果見圖3。

圖3　長系列逆時序計算水庫調度圖

3.2.3成果檢查與比較

依據調度圖，按照下述原則進行水庫調節計算，以檢驗其成果的合理性。

當水庫水位高于防破壞線時，根據來、用水情況，在控制時段末水位不低于防破壞線的前提下可加大灌區供水量，加大水量應考慮放水工程的取水能力限制；當水庫水位在防破壞線與降低供水線之間時，則按灌區需要正常供水；當水庫水位低于降低供水線時，根據來、用水情況，在控制時段末水位不低于死水位的前提下，按減少用水量的20%～40%降低供水。調節成果見表1。

可見，采用代表年法繪制的水庫調度圖調節，加大供水量多，嚴重缺水年數和時段也多。采用長系列順時序計算法繪制的調度圖調節，加大供水量很少，但仍有嚴重缺水現象。采用長系列逆時序計算法，不僅有一定的加大供水量，而且可以消除嚴重的缺水現象。

使用前兩種方法要實現較好的調度效果，都需要對調度圖做較大修正。而長系列逆時序計算法只需修改枯水年設計供水過程即能夠得到滿足需要的結果，可操作性較強。