兼有供水的水電工程徑流調(diào)節(jié)方法的改進

王 平

(上海市水利工程集團設(shè)計有限公司，上海 200093)

兼有供水任務(wù)的水電工程常用的徑流調(diào)節(jié)和水能計算方法為時歷法，計算結(jié)果是確定工程規(guī)模的主要依據(jù)，也是編制供水發(fā)電調(diào)度圖實施合理調(diào)度的基礎(chǔ)，但目前行業(yè)規(guī)范[1- 3]關(guān)于時歷法徑流調(diào)節(jié)的計算方法中尚存在一些不合理之處，而深入研究時歷法徑流調(diào)節(jié)計算方法的成果很少[4- 5]。為此，本文以DL/T5105- 1999《水電工程水利計算規(guī)范》等資料[1- 3]中兼有供水的水電工程徑流調(diào)節(jié)方法為研究對象，分析其存在的問題，提出了基于時歷法的徑流調(diào)節(jié)計算改進方法，為適時修訂、合理完善兼有供水任務(wù)的水電工程的徑流調(diào)節(jié)和水能計算方法提供參考。

1 兼有供水的水電工程徑流調(diào)節(jié)方法的問題

1.1 DL/T 5105—1999缺少兼有供水的水電工程計算具體方法

DL/T 5105—1999中7.1及7.4節(jié)對兼有其它任務(wù)的水電工程水利計算的任務(wù)與原則提出了規(guī)定。

但DL/T 5105—1999中并未提出兼有供水任務(wù)的水電工程徑流調(diào)節(jié)和水能計算具體的、可操作的方法。

1.2 常規(guī)方法徑流調(diào)節(jié)的問題

兼有供水任務(wù)的水電工程，水力發(fā)電和水庫供水之間在用水時間和庫容上有矛盾，但通過增建庫容或反調(diào)節(jié)水庫可以協(xié)調(diào)統(tǒng)一。即：日內(nèi)不均勻的發(fā)電放水流量通過反調(diào)節(jié)庫容的再調(diào)節(jié)后，以較均勻的流量向城市、工業(yè)等供水。水庫可以在長時段運行中，按供水要求的均勻穩(wěn)定方式供水，在日內(nèi)運行時又可按發(fā)電需要有較大的變幅。對這種長時段以供水為主的水庫徑流調(diào)節(jié)方法，常規(guī)的時歷法有列表計算法、差積曲線圖解法或簡化水量平衡計算方程式法三種。基本做法就是把長系列徑流過程先劃分為水文年，以每個水文年作為基本計算周期，再把水文年分為蓄水期、供水期。調(diào)節(jié)計算時從蓄水期初和死水位開始，水庫邊供水邊蓄水，在蓄水期末蓄滿調(diào)節(jié)庫容；水庫供水期入庫水量不足由水庫蓄水量中供給，到供水期末剛好放空調(diào)節(jié)庫容至死水位。用相同的計算方法對所有水文年重復(fù)類似計算，可以得出各年的供水過程。常規(guī)方法對年調(diào)節(jié)和多年調(diào)節(jié)水庫的計算方法有些差別，計算起點或起始水位也可能不同。但常規(guī)方法有以下缺點和問題需要改進。

(1)水庫調(diào)節(jié)性能缺少劃分標(biāo)準(zhǔn)

常規(guī)方法對年和多年調(diào)節(jié)水庫使用不完全相同的徑流調(diào)節(jié)方式，但水電水利行業(yè)里并沒有任何規(guī)范提出過不同調(diào)節(jié)性能水庫的分類標(biāo)準(zhǔn)，常見的以庫容系數(shù)劃分僅是一種經(jīng)驗性的方法，理論依據(jù)不足。

(2)典型年的任意性較大

常規(guī)方法有時用典型年法計算，但兼有供水的水電工程徑流代表年選擇，要考慮入庫徑流的代表性，要考慮年徑流量和年供水量接近設(shè)計的豐、平、枯等保證率，還要兼顧年內(nèi)徑流分配的代表性，代表年選擇有較大的難度和任意性。

(3)水庫劃分固定的分期不合理

常規(guī)方法原創(chuàng)階段是人工手算時期，為了減少計算工作量、降低計算難度，把長系列劃分為單獨水文年，按多數(shù)年份蓄水期開始時間確定水文年起止點，再把各水文年劃分為固定的蓄水期、供水期。本來復(fù)雜多變的徑流調(diào)節(jié)過程被簡化為單一的模式，降低了徑流調(diào)節(jié)過程的真實性。由于入庫徑流是隨機變化的，人為劃分固定的蓄水期和供水期并不完全合理。

(4)用相同的起調(diào)或終止水位不符合實際

常規(guī)方法每個水文年均從蓄水期初的死水位起調(diào)，在蓄水期末蓄滿調(diào)節(jié)庫容，然后從供水期初開始逐步降低水位，直到供水期末水位恰好降低到死水位。常規(guī)方法規(guī)定各水文年都要按相同的水位起調(diào)或終止，人為阻止了相鄰水文年之間的水量補償，導(dǎo)致水庫平均蓄水位偏低，棄水量增加，這種調(diào)節(jié)計算方式不盡合理，也不符合實際情況。

(5)分期計算的保證流量偏小

常規(guī)方法用列表法或差積曲線法試算或圖解計算每個水文年的蓄水期內(nèi)一個均勻的供水流量；在供水期內(nèi)也試算或圖解計算出相等的調(diào)節(jié)流量，但從系列年總體考察，各個供水期的調(diào)節(jié)流量之間是不相等的，符合供水保證率要求的保證流量是系列里較低值。常規(guī)方法原來受計算能力的限制，基本調(diào)節(jié)計算周期太短，符合保證率要求的保證供水流量偏小。

(6)保證率曲線計算不準(zhǔn)確

為進行方案比較，在一定庫容時需要做出供水保證流量與保證率、發(fā)電保證出力與保證率等關(guān)系曲線。但常規(guī)方法的調(diào)節(jié)過程中并不考慮保證率的約束條件，只按單一的模式調(diào)節(jié)徑流，往往造成保證率之內(nèi)關(guān)鍵時期供水或出力偏小。常規(guī)方法在徑流調(diào)節(jié)后，再對時段供水流量和發(fā)電出力作頻率統(tǒng)計，并繪制供水流量、發(fā)電出力頻率曲線，然后近似地以供水流量頻率曲線代替保證流量與保證率的概率關(guān)系曲線、以發(fā)電出力頻率曲線代替保證出力與保證率的概率關(guān)系曲線。這都缺乏理論依據(jù)，與供水、發(fā)電保證率的定義不符，造成保證供水流量和發(fā)電保證出力偏小。

2 兼有供水的水電工程徑流調(diào)節(jié)改進措施

2.1 改進方法應(yīng)能適用于不同調(diào)節(jié)性能水庫

受區(qū)域位置、入庫徑流特性、庫容大小、運行方式等諸多因素影響，水庫的調(diào)節(jié)性能遇不同情況時差異性較大，年和多年調(diào)節(jié)之間并沒有固定的分類判別準(zhǔn)則。為減少方法分類可能產(chǎn)生的問題，改進方法應(yīng)不再區(qū)分年調(diào)節(jié)或多年調(diào)節(jié)水庫，而改用統(tǒng)一方法計算。

2.2 用長系列時歷法計算

DL/T 5105—1999中4.2.3條規(guī)定：徑流系列資料年限應(yīng)根據(jù)設(shè)計水電工程的特點確定，對于季調(diào)節(jié)及以上的水庫，徑流系列資料的年限應(yīng)不少于30年。改進方法應(yīng)優(yōu)先用長系列時歷法調(diào)節(jié)計算，在具備長系列徑流時不應(yīng)再用典型年計算，沒有長系列徑流資料時，應(yīng)設(shè)法插補延長徑流資料，然后再用長系列時歷法調(diào)節(jié)計算。

2.3 以連續(xù)計算代替分期計算

改進方法不應(yīng)再劃分每年的供水期、蓄水期、豐水年組、枯水年組、年調(diào)節(jié)庫容、多年調(diào)節(jié)庫容。應(yīng)根據(jù)水庫實際蓄水和供水要求，在長系列內(nèi)不間斷地連續(xù)調(diào)節(jié)計算，水庫運行只受水庫正常蓄水位或汛限水位及死水位的約束，不再受其它人為規(guī)定分期的影響。

2.4 不再人為確定起調(diào)或終止水位

改進方法應(yīng)只確定第一個水文年的起調(diào)水位，以后各年份逐時段水位由連續(xù)的調(diào)節(jié)計算確定，不再需要人為確定每年的起調(diào)和終止水位。

2.5 改為全系列等流量法

改進方法把調(diào)節(jié)周期由一個水文年擴大到系列年的全部計算時段，在全系列內(nèi)追求最大的、相等的調(diào)節(jié)供水保證流量，即使用全系列等流量法。

2.6 正確計算保證率曲線

改進方法中應(yīng)正確區(qū)分和計算系列內(nèi)的時段供水流量頻率曲線、發(fā)電出力頻率曲線與保證供水流量與保證率關(guān)系曲線、發(fā)電保證出力與保證率關(guān)系曲線，用供水設(shè)計保證率控制徑流調(diào)節(jié)計算過程，考慮發(fā)電保證率統(tǒng)計水能計算結(jié)果。

3 徑流調(diào)節(jié)改進方法計算內(nèi)容

3.1 起始和終止水位

改進方法用長系列徑流資料連續(xù)計算，可根據(jù)對徑流特性的初步分析，確定系列年第一個時段的起始水位，一般可從死水位等適當(dāng)水位起調(diào)，后續(xù)所有時段水位就可以連續(xù)計算。系列末水庫水位是連續(xù)調(diào)節(jié)計算的結(jié)果，因與起始點相隔很多計算時段，一般已不受起始水位的影響。如果要求庫水位在末時段結(jié)束于起調(diào)水位或某一特定水位，應(yīng)在已有的調(diào)節(jié)水位過程中反時序?qū)ふ曳弦蟮慕Y(jié)束時段，以此時段前的所有系列調(diào)節(jié)過程統(tǒng)計計算結(jié)果。

3.2 估算保證供水流量的初始值

改進方法用全系列各時段等流量連續(xù)試算法調(diào)節(jié)，計算供水保證流量。開始調(diào)節(jié)時可以參照已有初步成果或設(shè)計經(jīng)驗，先估計保證流量的試算初始值，以加快試算的速度，初始值并不會影響最后計算結(jié)果。

3.3 調(diào)節(jié)流量的計算規(guī)則

改進方法調(diào)節(jié)計算以面臨時段的庫水位為依據(jù)，對水庫的運行作出供水調(diào)節(jié)決策。因為徑流調(diào)節(jié)和水能計算階段，暫不考慮利用水庫供水調(diào)度圖調(diào)節(jié)。把供水水庫運行情況劃分為三個調(diào)節(jié)期：保證流量供水期、加大供水期、供水破壞期。分期水位和調(diào)節(jié)計算規(guī)則為：水庫水位高于死水位又低于正常蓄水位(或汛期限制水位)時，為正常的保證流量供水期；水庫水位等于死水位時，如入庫水量達不到保證供水流量，只能按天然徑流供水，水庫為供水破壞期；水庫水位等于正常蓄水位(或汛期限制水位)，如入庫水量大于保證供水流量，則水庫可以利用多余水量加大供水或發(fā)電。以上供水流量是以時段平均值計算的，當(dāng)有足夠的反調(diào)節(jié)措施時，水庫日內(nèi)可以按發(fā)電要求放水，經(jīng)反調(diào)節(jié)后再實現(xiàn)均勻供水。

3.4 供水保證率和保證流量計算

用供水保證流量的試算值，按照調(diào)節(jié)流量的計算規(guī)則，對全部系列所有時段進行連續(xù)水量平衡，能得出連續(xù)的供水過程，包括了保證流量、加大供水流量、供水破壞期流量。對這一供水流量系列作頻率計算，根據(jù)供水保證率的定義，以時段供水流量大于或等于試算保證供水流量的時段數(shù)量與系列總時段數(shù)相比的百分率，求出相應(yīng)的供水歷時保證率。若計算的保證率不等于設(shè)計供水保證率，還需要修改保證供水流量后再次試算，直至實際的供水保證率充分接近設(shè)計保證率。

3.5 統(tǒng)計計算徑流調(diào)節(jié)結(jié)果

改進方法使用長系列連續(xù)試算法，經(jīng)過若干輪次的試算求出符合設(shè)計保證率的全系列相等的供水保證流量后，單個方案的計算完成，可以按照需要對最后一輪次試算過程作統(tǒng)計，計算出年均保證供水量、加大供水量、發(fā)電保證出力、發(fā)電保證率、年均發(fā)電量、特征水頭等結(jié)果及供水流量、發(fā)電出力、水頭等歷時過程的頻率曲線。

3.6 改進徑流調(diào)節(jié)方法可再優(yōu)化的內(nèi)容

改進方法的徑流調(diào)節(jié)僅是對水庫的初步調(diào)節(jié)，還可編制水庫供水發(fā)電調(diào)度圖，按調(diào)度圖能更精確地進行徑流調(diào)節(jié)，并增強供水調(diào)節(jié)的功能和效益，滿足不同的設(shè)計或運行需要。

用改進方法的全部正常供水期等流量法調(diào)節(jié)后，可能還有供水破壞深度不合適、棄水期棄水量較集中兩個問題。原因是徑流調(diào)節(jié)中著重控制主要任務(wù)的可靠性，供水破壞期、加大供水期的控制條件僅是一水位線，沒有給出一定運行范圍。對于調(diào)節(jié)性能較強的水庫，應(yīng)編制水庫供水發(fā)電調(diào)度圖[6]，擴大供水破壞期、加大供水期的調(diào)度區(qū)域，就可以解決這兩個問題并能進一步優(yōu)化徑流調(diào)節(jié)。

4 改進方法的應(yīng)用和特點

4.1 改進方法適用性增強

常規(guī)方法認為水庫當(dāng)年蓄水期來水除滿足當(dāng)期供水任務(wù)外，還能為供水期預(yù)留水量并蓄滿調(diào)節(jié)庫容，認為蓄水期不會產(chǎn)生供水破壞，所有的供水破壞時段都發(fā)生在供水期。但這僅是一般規(guī)律，并不能涵蓋全部情況。在徑流變化較大的條件下，枯水年的蓄水期初也可能因徑流偏小造成供水破壞。常規(guī)方法每年都從蓄水期初死水位起調(diào)，在蓄水期末蓄滿調(diào)節(jié)庫容，到供水期末又把水位降低到死水位的固定調(diào)節(jié)模式不能適應(yīng)徑流變化較大的情況，易造成人為的供水破壞。所以，改進方法不再劃分調(diào)節(jié)年度和蓄水期、供水期，改為對水位連續(xù)計算，水量和庫容可以不受分期限制進行調(diào)節(jié)，更好地適應(yīng)了入庫徑流多變的情況。

4.2 計算模式統(tǒng)一

兼有供水的發(fā)電水庫徑流調(diào)節(jié)計算的任務(wù)是推求調(diào)節(jié)庫容、保證供水流量和供水保證率三者之間的關(guān)系。按照不同的已知條件，常規(guī)方法可選用差積曲線等流量法、列表法、簡化水量平衡方程式法進行計算，改進方法全部改用數(shù)值計算法，并能把多種調(diào)節(jié)模式，全部統(tǒng)一為設(shè)定調(diào)節(jié)庫容的長系列連續(xù)試算法。

4.3 改進方法的特點

改進方法從常規(guī)方法注重“水位、時間、狀態(tài)”調(diào)節(jié)改為注重“供水目標(biāo)”調(diào)節(jié)。常規(guī)方法對水文年、蓄水和供水期、起調(diào)與結(jié)束水位等“水位、時間、狀態(tài)”作了較嚴格的要求，但對保證供水流量、供水保證率等重要“供水目標(biāo)”卻沒有有效的控制，在徑流調(diào)節(jié)中甚至不考慮保證率的約束條件。常規(guī)方法硬性規(guī)定供水期末水位要降到死水位，并沒有為下一年的供水預(yù)蓄水量；在較枯的供水期內(nèi)不考慮供水保證率的要求，仍以均勻流量供水，可能造成供水保證率內(nèi)關(guān)鍵期的供水流量偏小。改進方法放棄了常規(guī)方法的不合理要求，提高了對保證供水流量和保證率的嚴格控制。

5 計算實例

5.1 計算條件和要求

某水電站兼有城市供水任務(wù)，水庫規(guī)模已定，電站為壩后式，裝機6萬kW。壩下游8km處有另一日調(diào)節(jié)水庫，可承擔(dān)上游電站的反調(diào)節(jié)任務(wù)，供水取水口在反調(diào)節(jié)水庫壩上。電站可以利用供水或水庫棄水發(fā)電，發(fā)電可進行日內(nèi)調(diào)節(jié)，發(fā)電尾水經(jīng)下游水庫反調(diào)節(jié)后均勻供給城市。供水和發(fā)電保證率都為90%，徑流資料為50年分月流量，要求計算水庫供水保證流量及水電站發(fā)電指標(biāo)。

使用常規(guī)方法和改進方法分別作徑流調(diào)節(jié)計算，符合保證率要求的計算結(jié)果見表1，全系列供水流量和發(fā)電出力過程的頻率曲線如圖1—2所示。更多保證率時的保證流量與保證率關(guān)系曲線、保證出力與保證率關(guān)系曲線如圖3—4所示。

表1 徑流調(diào)節(jié)對比表

圖1 供水流量頻率曲線

圖2 發(fā)電出力頻率曲線

圖3 流量保證率曲線

圖4 出力保證率曲線

5.2 徑流調(diào)節(jié)和水能計算結(jié)果

5.2.1 常規(guī)方法

以水庫總棄水量最小、蓄水期和供水期內(nèi)供水流量均勻為調(diào)節(jié)目標(biāo)，是已知全部徑流的事后調(diào)節(jié)。在蓄水期內(nèi)均勻供水并把調(diào)節(jié)庫容蓄滿；供水期內(nèi)按相等流量供水，供水期末又恰好降低到死水位，但如果后一年徑流偏枯，則供水量也較小。結(jié)果導(dǎo)致供水過程年內(nèi)變化不大但年際變化較大，圖1—2常規(guī)方法(虛線)供水流量頻率曲線、保證出力頻率曲線坡度較大，90%的保證流量和保證出力較小。

5.2.2 改進方法

以爭取最大的保證供水流量為調(diào)節(jié)目標(biāo)，僅知道面臨時段的庫水位，在全部系列內(nèi)都用先蓄方式調(diào)節(jié)，即按保證流量供水并盡量保持水庫高水位運行。滿庫后來水較多才加大供水，來水不足可利用蓄水按保證流量供水，死水位時來水不足允許發(fā)生供水破壞。因保持高水位時間長，遇后期徑流偏枯，水庫供水能力較強。在全系列內(nèi)按同一保證流量供水，圖1—2改進方法(實線)供水流量頻率曲線、保證出力頻率曲線中段較穩(wěn)定，90%的保證流量和保證出力較大。

5.3 流量或出力頻率曲線與保證率曲線對比

圖1—2為反映單一方案全系列調(diào)節(jié)流量過程的頻率曲線，其中常規(guī)方法調(diào)節(jié)過程不對應(yīng)任何保證率，改進方法對應(yīng)的保證率為90%。圖3—4為改進方法各種保證率與相應(yīng)保證流量或保證出力的關(guān)系線。因常規(guī)方法調(diào)節(jié)計算中不考慮保證率因素，常用單一方案過程的頻率曲線近似代替保證率概率曲線。從圖3—4可以看出，相同保證率時，改進方法的保證供水流量、保證出力都明顯大于常規(guī)方法的結(jié)果。

6 結(jié)論

常規(guī)方法徑流調(diào)節(jié)是在手工計算條件上創(chuàng)立的，基本調(diào)節(jié)期僅是一個水文年，重點局限在每個水文年的供水期，計算所得供水保證流量偏小。本文提出的改進方法，統(tǒng)一了不同調(diào)節(jié)性能水庫的計算方法，提出了長系列連續(xù)計算、全系列等流量供水等改進措施。用長系列連續(xù)計算代替常規(guī)方法的分年獨立計算，提高了方法的合理性并能提高保證供水流量和保證出力，改進方法已經(jīng)過多項目的實用檢驗。建議DL/T 5105—1999修訂時能吸納已經(jīng)實踐檢驗的更合理的計算方法。