水電站初期蓄水過程計算方法

高 潔

(水電水利規劃設計總院，北京100120)

水電站初期蓄水過程計算方法

高 潔

(水電水利規劃設計總院，北京100120)

針對水電站初期蓄水過程計算，介紹并評價了針對短歷時和長歷時蓄水過程的典型年法和頻率法。詳細說明了以需蓄水量為目標，對蓄水歷時進行排頻計算，求得設計保證率相應典型入庫流量過程線的方法。以某水庫30年徑流系列和蓄水要求為算例，編制程序進行蓄水過程計算。該方法可以同時滿足蓄水總量和設計保證率的要求，且不必劃分蓄水時段，適合程序化操作，可以為水電站蓄水規劃和蓄水安全鑒定提供基礎。

初期蓄水；蓄水過程；蓄水規劃；水電站

1 計算背景

水電站首臺機組投產發電前需要對機組進行試運行調試等工作。導流泄水設施的下閘封堵及水庫初期蓄水為機組有水調試提供基礎。下閘蓄水及水庫初期蓄水相關的安全鑒定工作[1- 3]首先需要根據工程形象面貌要求，在施工期臨時導流建筑物封堵后、永久泄水建筑物未完建的條件下，確認壩體等主體工程在相應時段內的防洪度汛標準，再進行蓄水方案編制。

蓄水方案[4- 5]應根據流域水文特征，在兼顧下游生產生活用水、生態用水、航運水深等要求的前提下，按照入庫徑流量和基于工程安全提出的水位上升速率控制要求，選擇設計保證率進行蓄水過程計算。蓄水過程需要根據施工進度安排和機組發電計劃初步擬定下閘時間，進行水庫需蓄水量和可蓄水量分析。需要其他外部水源協助蓄水時，應分析外部水源的可供水量。

擬定蓄水過程直接采用和間接涉及的資料包括：

(1)基本資料。①入庫流量系列；②水庫庫容曲線。

(2)蓄水期間用于計算防洪控制水位的資料。①相應時段內洪水要素及過程線；②工程永久泄水和導流設施泄流曲線；③洪水調度原則。

(3)蓄水期間其他外部條件。①工程下游各用水單元的水量和水位要求；②庫區移民安置進程和施工進度計劃；③其他要求。

2 計算方法

2.1 傳統方法

2.1.1 蓄水歷時不超過1a的蓄水過程

對入庫徑流量扣除水庫蒸發滲漏損失、向下游各項供水量，通過試算法估算蓄水歷時。將每年徑流系列中相應于蓄水時段內的月徑流量求和，并按照從大到小的順序排列，通過經驗公式計算該年的蓄水時段內入庫水量的經驗頻率，即

(1)

式中，m為排序序號；n為參與排頻的總年數。根據SL 104—95《水利工程水利計算規范》[7]要求，p通常選75%～85%作為設計保證率。

入庫流量過程線的選擇包括頻率法和典型年法。具體為①典型年法。選出入庫水量頻率最接近設計保證率的月徑流過程作為蓄水期入庫流量過程進行蓄水過程計算。當同時有幾個徑流過程的水量頻率都接近設計保證率時，可以選用前期水量較豐、后期偏枯的過程。該過程體現了前期蓄水位較高、對防洪不利，后期可能無水可蓄的不利情況。②頻率法。選出入庫水量頻率接近設計保證率的3～5個徑流過程，通過計算逐月來水量百分比累計曲線，選擇其上包線作為入庫水量時程分配的依據，推算出入庫流量過程線。

方法①直接采用典型過程，方法②通過上包線可推求出前期蓄水量較大、后期無水可蓄的最不利徑流過程。由于方法②偏于安全，對施工進度和庫區搬遷要求緊迫，在實際中通常采用方法①。

2.1.2 蓄水歷時超過1a的蓄水過程

蓄水歷時超過1a的蓄水過程包括典型年法和頻率法。具體為①頻率法。如果蓄水歷時超出水文規律的年周期，可采用頻率組合法計算入庫水量，將蓄水期劃分為若干個小于1a的蓄水時段。通過統計每個蓄水時段“入庫水量-頻率”關系，再對相同頻率各時段相應水量進行累加，得到蓄水期入庫水量組合頻率曲線。在徑流總量接近設計保證率的3～5個徑流過程中選擇逐月入庫水量累計百分比的上包線，作為徑流過程分配的依據。②典型年法。反算出每個蓄水期蓄至規定水位的起蓄時間。對起蓄時間按照先后順序排頻，選出設計保證率對應的起蓄時間及其入庫流量過程。

方法①需要將整個蓄水期劃分為若干個歷時小于1a的蓄水時段，劃分方式受主觀因素的影響，導致組合頻率曲線具有一定的不確定性。方法②的思路明確合理，但是需要對全系列逐年操作，工作量較大。

2.2 推薦采用方法

傳統方法中首先需要根據庫容和可蓄水量對蓄水歷時進行判斷，短歷時和長歷時的計算標準和方法均不一樣。采用典型年法，短歷時蓄水過程是對相同蓄水時段內的蓄水總量進行排頻，但是長歷時蓄水過程是對相同蓄水量的起蓄時間進行排頻。頻率法選用逐月入庫水量累計百分比的上包線，實質為前期蓄水量較多，后期無水可蓄的不利工況。但是長歷時的組合頻率法，根據蓄水時段劃分不同，組合頻率的相應水量有所差異，具有一定的不確定性。

蓄水規劃首先應當保證計算結果的唯一性，并力求在長歷時和短歷時計算上遵循相同的原則。目前設計院通常采用典型年法，在短歷時蓄水中對一定蓄水時段的可蓄水量排頻。但是如果某些豐水年的可蓄水量遠大于需蓄水量，不到蓄水時段的最后一個月，就已經蓄至規定水位。那么進行排頻統計的蓄水時段是按照最初設定的n，還是調整為n-1，或者兩者都不合適。因此，無論蓄水歷時的長短，以達到相同需蓄水量所需的時間來衡量的蓄水過程，才能反映出來水、耗水、庫容等綜合因素。

對起蓄時間的排頻可以簡化為對蓄水時間的排頻。由于需要對全系列逐月計算，人工操作的工作量較大。本文為此編制了針對性的程序，程序編制思路為：從初步擬定的下閘蓄水時間起算，逐月累加直至徑流總量超過需蓄水量為止。下一個蓄水周期，從新的一年的下閘蓄水月份起算。對各蓄水周期內參與累加的月數按從大到小的順序排頻，即得出每個蓄水周期相應的頻率。該蓄水周期可以是幾個月也可以是幾年。

3 計算實例

以浙江省某水庫1957年～1986年徑流系列為例(見表1)，從5月初起蓄至11月初首臺機組帶水調試，首臺機組調試需水量為63萬m3，所有機組發電需水量為400萬m3。

3.1 短歷時蓄水(需蓄水量63萬m3)

(1)相同時段按照蓄水量排頻。擬定75%的設計保證率，根據首臺機組調試時間要求，對30a徑流系列5月～10月相應時段的總水量按從大到小的順序排頻，從中選出頻率為74.2%的1966年5月～10月徑流過程作為典型入庫流量過程線。根據蓄水期(5月～10月)蓄水總量排頻計算，1966年5月～10月屬于75%保證率相應的枯水代表時段。但是1966年5月～10月徑流總量為125.42萬m3。從5月起蓄，水庫在7月底已經蓄滿63萬m3。因此所選的75%保證率相應徑流過程并非對應于實際蓄水時段5月～7月的75%保證率。

表1 某水庫1957年～1986年逐年各月入庫水量 萬m3

(2)相同需蓄水量按照蓄水歷時排頻。根據目標需蓄水量63萬m3，對各年相應蓄水時間按照從小到大的順序排頻，從中選出75%保證率相應代表年。30年系列按蓄水歷時統計保證率見圖1。

圖1 蓄水歷時排頻法計算成果(蓄水歷時≤1a)

根據30年統計系列，由圖1可知在3個月內蓄水63萬m3的保證率為65%～84%。選出可蓄水量較接近63萬m3的3個代表年：1960年、1981年和1972年的5月～7月可蓄水量分別為63.40萬、66.07萬、67.23萬m3。根據前期蓄水量較大，后期無水可蓄的不利過程取樣原則，統計3個代表年各月蓄水量累計百分比。見圖2,對短歷時蓄水過程采用柱狀圖的表現形式簡單直觀。1960年5月～7月的來水條件比較符合過程線的取樣原則，可以作為典型入庫流量過程。

圖2 各月累計蓄水量百分比(蓄水歷時≤1a)

3.2 長歷時蓄水(需蓄水量400萬m3)

相同蓄水量按照蓄水歷時排頻。首先按照需蓄水量從1957年5月起逐月累加，直至17個月后，1958年9月底蓄水總量為400萬m3。第2個蓄水周期從1959年5月起算，以此類推。對全系列12個蓄水周期的蓄水歷時，按照從小到大的順序排頻，成果見表3。

圖3 蓄水歷時排頻法計算成果(蓄水歷時>1a)

由圖3可知，基于12個蓄水周期的統計資料，選取75%左右設計保證率對應的蓄水歷時，23個月內蓄水400萬m3的保證率為62%～77%，代表系列分別為1963年、1971年和1981年的5月至第3年3月。統計3個蓄水周期各月蓄水量累計百分比，并根據取樣原則，按圖4可以直觀的選出前期水量充足、后期無水可蓄的1963年5月～1965年3月徑流過程作為典型入流過程。

圖4 蓄水各月累計蓄水量百分比(蓄水歷時>1a)

4 結 論

本文針對水電站初期蓄水入庫流量過程的選取，參考相關資料介紹并評價了針對短歷時和長歷時蓄水過程的典型年法和頻率法。并在此基礎上說明了以相同需蓄水量為目標，對蓄水歷時進行排頻計算，求得設計保證率相應典型入庫流量過程線的方法及程序。以某水庫30年徑流系列和蓄水發電要求為算例，編制程序計算分析短歷時和長歷時蓄水過程。

根據算例分析，該方法可以同時滿足蓄水總量和保證率的要求，且不需要考慮蓄水周期的長短，計算思路較為簡單、適合程序化操作，可以為水電站蓄水規劃及蓄水安全鑒定工作提供基礎。

[1]電綜[1998]219號 水電建設工程安全鑒定規定[S].

[2]國能新能[2013]104號 國家能源局關于印發水電工程質量監督管理規定和水電工程安全鑒定管理辦法的通知[S].

[3]國能新能[2011]263號 國家能源局關于印發水電工程驗收管理辦法的通知[S].

[4]李紅剛. 糯扎渡水電站蓄水期梯級水庫聯合優化運行[J]. 云南水力發電， 2011, 27(4)： 126- 128.

[5]魏櫻， 陳俊， 匡啟兵， 等. 蒲石河抽水蓄能電站下水庫回蓄方案擬定與分析[J]. 東北水利水電，2013(4)： 6- 9.

[6]《水利水電工程施工手冊》編委會. 水利水電工程施工手冊(第5卷)施工導(截)流與度汛工程[M]. 北京： 中國電力出版社， 2005．

[7]SL 104—95水利工程水利計算規范[S]．

(責任編輯王 琪)

Calculation Methods of Initial Storage Process of Hydropower Station

GAO Jie

(China Renewable Energy Engineering Institute, Beijing 100120, China)

The typical year method and frequency method for both short and long duration processes of the initial water storage for hydropower station are introduced and evaluated, and then a combined method is proposed. Aimed at a certain water amount, the durations spent on accumulating such water amount for each cycle are ranked and the hydrograph corresponding to the selected rank is the key for initial water storage. Taking a hydropower station in Zhejiang as an example, the initial water storage process is calculated based on a 30-year runoff series. The method meets the requirements for both water amount and selected rank and is suit for programming. It provides a convenience for water storage planning and water storage safety appraisal of hydropower station．

initial water storage; water storage process; water storage planning; hydropower station

2015- 03- 26

國家973項目(2013CB036403)

高潔(1985—)，女，安徽滁州人，高級工程師，博士，從事水文水資源、水電規劃方面研究工作．

TV697

A

0559- 9342(2015)12- 0029- 04