改進型綜合利用水庫長系列徑流調節計算方法

劉建軍

( 新疆水利水電勘測設計研究院，新疆 烏魯木齊 830000)

隨著計算機技術的快速發展，計算速度的提高，利用計算機進行復雜長系列徑流調節計算成為現實，特別是對于綜合利用的水利樞紐工程承擔多項供水任務，且各用水戶用水量和供水保證程度不同，利用長系列的徑流資料進行分析計算更為科學合理。

在SL104—2015《水利工程水利計算規范》中提出城鄉供水工程、灌溉工程、水電站、綜合利用水庫、調水工程等均要求徑流調節計算采用長系列法。但對長系列徑流調節計算方法的計算原則、計算方法、邊界條件等方面未做具體要求，無法滿足在水庫工程規模論證的分析要求，特別是對于具有多項綜合利用要求的水利樞紐工程，各用水部門對用水量和供水保證程度要求不同，如何協調各用水部門的供水保證程度，也是長系列徑流調節計算中不宜解決的問題。

本文在多年從事徑流調節計算分析研究的基礎上，不斷探索，逐步形成較為完善的改進型長系列徑流調節計算方法，目前已在多個綜合利用水利樞紐工程規模論證和流域水庫調度運行上進行應用，均取得良好的成效。

1 改進的徑流調節計算方法

因現行規范缺少具體綜合利用水庫徑流調節方法，且有關參考資料中使用的常規調節方法又存在一些不合理問題，本文根據近幾年在設計工作中研究應用利用調度線控制的長系列時歷法計算方法。

1.1 計算方法原理

1.1.1水庫進出庫水量平衡

徑流調節計算的基本原理是利用水庫的調蓄能力，改變天然徑流過程，實現以豐補枯，增加枯水期可利用水量。計算依據的基本原理是水庫進出庫的水量平衡，即各時段的水庫來水量及初步確定的同步用水量(或出力)，按設定的調節庫容順序進行徑流調節計算，第i時段的計算公式為：

Vi+1=Vi+W來水-W用水-W損失

(1)

式中，Vi、Vi+1—水庫第i時段初及時段末的蓄水量；W來水—第i時段來水量；W用水—第i時段綜合利用各部門用水量之和；W損失—第i時段水庫各種水量損失。

1.1.2以調度線控制水量分配

在水庫進出庫水量平衡式中，綜合各部門用水量包括灌溉、工業、城鎮生活、生態和發電等用水戶，各用水部門的供水保證程度不用，工業和城鎮生活供水保證率要求較高，通常為95%～97%；發電保證率通常為90%左右；灌溉和生態供水保證率通常為75%～50%。

在長系列徑流調節計算程序中擬定不同供水對象的調度線，根據當前計算時段內水庫水位與各調度線之間的關系，若水庫水位低于調度線，則進行打折供水；若水庫水位高于調度線，則按需水要求進行供水。以調度線控制水量配置，進一步協調不同供水對象的供水保障程度，滿足各供水對象的供水保證率。

1.2 計算方法特點

與常規的長系列徑流調節計算方法相比，改進后的長系列徑流調節計算具有以下特點。

上世紀末以來開源軟件(OSS)發展迅速，極大地影響了軟件行業的市場格局，顛覆了一些經典軟件工程理論.開源軟件項目并沒有傳統軟件工程項目中顯式的組織結構和過程安排，也沒有傳統軟件開發團隊的過程成熟度等級，但所開發出的軟件卻可以與傳統商業軟件相抗衡，這引起了學術界和企業界的廣泛關注[1,2].

(1)不劃分水庫調節性能

一座水庫是年調節水庫還是多年調節水庫并沒有準確的劃分標準，水庫調節性能隨河流徑流特性、綜合用水過程的適配度等多種因素而變化。本次長系列徑流調節計算法對水庫的調節性能不作硬性劃分，按照天然徑流來水過程依次蓄供水。

(2) 耦合精度高

徑流資料時段可為月、旬和日資料，根據水庫的調節性能選擇不同的徑流資料，年及年以上調節性能的水庫通常采用月或旬資料，年調節性能以下的水庫采用日資料。改進的徑流調節計算方法采用長系列徑流資料，具有良好代表性的長系列徑流資料中包含豐、平、枯各年型，能夠反映河流的徑流特性，這與傳統計算方法相比，可以避免選擇典型年或代表時段的難度和偶然性，提高徑流調節計算與實際情況的耦合度。

(3)做到實時調節

采用的長系列徑流資料通常為水文站實測或根據參證站插補延展的徑流資料。本次計算方法不考慮徑流過程的長期預知或預報，把常規方法中預知未來一年甚至更長時間的徑流過程的事后調節，改為更接近實際的不可預知或預報長期徑流過程的實時調節，是一種未知來水的實時調節。

(4)不劃分蓄、供水期

常規徑流調節計算方法將年調節能力的水庫劃分為蓄水期、供水期和不蓄不供期，多年調節能力的水庫劃分為連續蓄水年組和供水年組；多年調節性能的水庫劃分年調節庫容和多年調節庫容。改進的徑流調節方法不再事先劃分蓄、供水期和年、多年調節庫容。僅根據入庫徑流和下游綜合用水要求，按照一定的調節計算原則進行依次連續的蓄、供水。

(5)不人為確定起始時間和起始水位

常規徑流調節計算方法，進行水庫徑流調節計算時應先確定計算的起始時刻和起始水位。SL104—2015推薦起始時刻可取連續豐水年最后一年豐水季節結束后水庫蓄滿(對于有汛期限制水位的水庫，也可采用蓄水至汛期限制水位)的時刻。該規范推薦的起始時刻和起始水位難以控制和選擇。本次改進的徑流調節方法不再對水庫的起止水位和時刻作相應的假定。按水庫蓄水情況和供水要求進行連續調節計算，以上時段末蓄水量作為本時段初的蓄水量逐時段連續進行，以準確反映入庫流量隨機變化的真實狀態。水庫水量的調配不受人為假定的固定供水期、蓄水期的制約，完全按照水庫水量、水位的連續變化，從系列年起點不間斷地計算至終點，避免了常規方法不同水文年份均強制從相同的起調水位和起算時刻的不合理也不符合實際的做法。

改進的徑流調節計算方法將上時刻末的水庫蓄水量(或蓄水位)作為下一時刻初的蓄水量(或蓄水位)，在初步調節計算時，水庫起始蓄水量(或蓄水位)可選擇死庫容(或死水位)與正常蓄水位對應庫容之間的任意值，進行連續計算至系列末；之后將計算得到的系列末的蓄水量作為系列計算初的蓄水量再計算，計算系列形成首尾相連的循環過程，經循環計算后，使每年的入庫、蓄庫、出庫(含損失)三者達到水量平衡。

(6)水庫調度線控制

傳統的綜合利用水庫徑流調節計算對分析多目標任務很難實現，特別是多供水目標且供水對象的供水保證率不同(通常生態供水保證率50%，灌溉供水保證率為75%，城鎮工業供水保證率95%～97%，發電保證率為90%)時，傳統的做法采用簡化的計算方法(化算保證率法、庫容挑大法、只考慮主要用水部門選定庫容)。

本次改進的徑流調節計算方法，根據綜合利用水庫承擔的供水任務，設置不同用水戶供水調度線以控制供水對象的供水量。通常調度線以水庫水位表示。綜合利用水庫供水對象一般為灌溉、城鎮供水、生態和發電等；根據供水任務的不同分別設置灌溉供水調度線、城鎮供水調度線、生態供水調度線和發電調度線等，利用調度線將興利庫容劃分成不同的供水庫容。在計算過程中，當前計算時刻初的水庫水位如果低于某供水調度線，就對該供水對象的供水量進行打折供水，打折供水量以滿足供水滿足程度為前提，通常灌溉供水滿足程度為70%，生態供水滿足程度為50%等。改進的徑流調節計算采用調度線控制方法，一方面較真實的反應水庫實際運行的操作情況，另一方面可協調不同供水部門之間的水量分配，以滿足各部門不同供水保證率要求。

(7)生成水庫調度圖

傳統水庫調度圖的繪制是采用典型年進行逆時序徑流調節計算，以相應設計保證率的多組典型年內徑流分配過程，在滿足用水需求的條件下進行逆時序分析計算，分析各種可能出現的水庫外包線為調度線，偏安全的確定各種調度方案的適應范圍，往往出現各調度線的交叉問題，仍需人工修正調度圖，根據修正后的調度圖重新進行徑流調節計算，分析修正后的調度線是否滿足各供水對象的保證率要求，否則需重新修正調度線，再次進行驗證分析，如此，多次反復修正和驗證，工作量較大，程序繁瑣。

改進的徑流調節計算方法采用調度線控制的長系列徑流時歷列表法，通過調整各供水調度線進行徑流調節計算，通過調度線對水庫興利庫容進行分配，滿足綜合利用各部門的供水要求和供水保證率，結合各業供水調度線，即可繪制出水庫調度圖，無需進行反復修正和驗算工作。

2 改進計算方法的應用實例

新疆北部某大型水庫，位于流域中游河段，調節庫容19.18億m3，庫容系數0.59，具有多年調節性能，承擔流域的農業灌溉、生態、外流域供水、發電和防洪等綜合利用任務，是一項多任務多目標不同供水保證率要求的綜合水利樞紐工程。

采用壩址斷面1957—2007年共52年長系列月徑流資料，利用本文提出的改進長系列徑流調節計算方法進行分析，計算成果見表1。

表1 改進的長系列徑流調節計算成果

流域內農業需水量6.62億m3，多年平均供水量6.53億m3，供水保證率達到75%，在供水破壞的年份中，供水量占需水量的70%，滿足供水保證率和供水破壞深度的要求。

流域內河谷林草濕地需水量1.63億m3，多年平均供水量1.53億m3，供水保證率達到50%，在供水破壞的年份中，供水量占需水量的50%，滿足供水保證率和供水破壞深度的要求。

水庫壩址斷面需下泄生態基流5.53億m3，多年平均供水量5.51億m3，供水滿足程度均在95.9%以上，滿足下泄生態基流的要求。

水庫承擔外流域供水任務，設計向外流域供水18.5億m3，多年平均供水量18.37億m3，供水保證率達到95%，滿足供水保證率的要求。

發電作為兼顧任務，根據向下游供水進行發電，裝機容量140MW時，年發電量5.20億kW·h。

根據水庫承擔的灌溉、生態、供水任務，設置相應的調度線，在徑流調節計算過程中，形成水庫的調度線，詳見表2。

表2 改進的長系列徑流調節計算方法形成的調度線 單位：m

通過對長系列徑流調節計算方法的改進，具有更好的操作性和實用性，在水庫工程規模論證和水庫調度中具有良好的應用前景。該改進計算方法在多個綜合利用水庫中進行了應用，取得很好的應用效果。

3 結語

改進的長系列徑流調節計算方法可應用于綜合利用水庫的工程規模論證，利用具有代表性的長系列徑流資料，通過設置供水任務的水庫調度線，將興利庫容進行分配，控制綜合利用的多供水任務不同設計保證率的協調，通過模擬計算分析，以科學論證水利樞紐工程規模。本文在水利工程水利計算規程提出的長系列徑流調節計算方法的基礎上進行了改進，使長系列徑流調節計算方法具有更好的操作性和實用性。