基于兩點(diǎn)線性限制供水規(guī)則的多用途水庫系統(tǒng)性能評(píng)估

王 林

(山東省德州市水利局，山東 德州 253000)

1 概 述

水庫運(yùn)行研究的目的是確保各種用途水的可靠供應(yīng)，如市政用水、灌溉用水、水力發(fā)電用水和防洪用水等。制定操作策略可以幫助提前做出決策，比如確定水庫規(guī)模、用水發(fā)電的最大需求以及是否需要改變作物的種植模式等。根據(jù)不同的情況，一般會(huì)使用幾種不同的操作策略。在規(guī)劃模型中，標(biāo)準(zhǔn)操作策略(SOP)被認(rèn)為是最簡(jiǎn)單的策略之一，它可以在一些情況下釋放出與需水量相等的水量[1]。在過去的30年中，使用限制供水規(guī)則的水庫調(diào)度運(yùn)行已被確定為水庫調(diào)度領(lǐng)域的重要進(jìn)步之一。SOP增加了單一時(shí)期的嚴(yán)重缺水，但限制供水規(guī)則通過將缺水量分配到更長的時(shí)間來最大程度地減少缺水的影響。文獻(xiàn)[2-3]對(duì)水庫調(diào)度進(jìn)行了廣泛的論證，并提供了詳細(xì)的文獻(xiàn)綜述。以水電站水庫為例，其需水量不是恒定的，但電力需求是恒定的。本文將二型兩點(diǎn)線性限制供水規(guī)則應(yīng)用于德州市某水庫進(jìn)行水電站運(yùn)行方面的研究，從而為水庫安全運(yùn)行提供理論支撐。

2 研究區(qū)概況

選擇德州市某水庫作為研究區(qū)域，以進(jìn)行改進(jìn)的二型兩點(diǎn)線性限制供水規(guī)則的研究。該水庫是一個(gè)多功能水庫，可用于家庭用水、工業(yè)用水、農(nóng)業(yè)灌溉和水力發(fā)電。目前，由兩臺(tái)容量為45 MW機(jī)組組成的水電系統(tǒng)已投入運(yùn)行。

水庫通過左岸管道供的生活用水的月需水量為4.5×106m3。水庫年灌溉需水量為2 160.1×106m3，年企業(yè)發(fā)電需求為363 MkW·h。表1為水庫平均入流量、平均蒸發(fā)率、灌溉需求量和水電需求量。水庫的庫容量和蓄水水位見表2。本文利用過去幾十年中475個(gè)月的數(shù)據(jù)對(duì)限制供水規(guī)則進(jìn)行論證。

表1 目標(biāo)水庫的每月蒸發(fā)率、每月流入量和每月目標(biāo)需求量

表2 目標(biāo)水庫的庫容和庫水位

3 理論方法

本文基于數(shù)值模擬使用限制供水規(guī)則和標(biāo)準(zhǔn)操作策略來比較水庫運(yùn)行的性能。目標(biāo)水庫是一座綜合性水庫，其用水方式的優(yōu)先順序?yàn)?城市供水、農(nóng)業(yè)灌溉、水力發(fā)電。其中，用于城市供水和農(nóng)業(yè)灌溉的供水量是根據(jù)SOP確定的，見圖1。

圖1 城市供水和灌溉供應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)操作政策(SOP)

仿真模型采用的連續(xù)性方程如下：

Smon+1=Smon+Imon-Evpmon-Rmon-Spillmon,?mon

(1)

式中：Rmon為城市供水、灌溉需求和水力發(fā)電的用水量；Imon為水庫入流量；Evpmon為月蒸發(fā)量，由水?dāng)U散區(qū)面積(WSA)乘以蒸發(fā)速率計(jì)算得出。水?dāng)U散區(qū)面積(WSA)計(jì)算公式如下：

WSA=(-8×10-6×S2)+(0.113×S-39.854)

(2)

其中：S= (初始庫容-最終庫容)/2。

水力發(fā)電需求量按照《電力標(biāo)準(zhǔn)運(yùn)行政策》(SOPP)進(jìn)行選取。在圖2中，S表示穩(wěn)定功率下的釋放量，Rc表示水庫最大容量下的釋放量。從P1到P2，由于水頭的增加，曲線為下降曲線，因此為了計(jì)算這些點(diǎn)之間的變化流量，可借助大壩數(shù)據(jù)使用曲線擬合得出一個(gè)方程。

圖2 水力發(fā)電標(biāo)準(zhǔn)操作政策(SOP)

由表1可知，目標(biāo)水庫全年所有月份所需的最低電量為20 MkW·h。因此，在本研究中，試圖通過仿真方法使20 MkW·h的最小功率最大化。在二型兩點(diǎn)限制供水規(guī)則的仿真中，模型Ⅰ中最小釋放量對(duì)應(yīng)的控制參數(shù)(Cp)為406.53×106m3，模型Ⅱ中對(duì)應(yīng)最大于容量釋放的控制參數(shù)為255×106m3，由功率方程P=ηγQH得到，其中P(MW)為功率，η為水輪機(jī)效率(60%)，γ為水的重度，Q(106m3)為流量，H為工作水頭。通過改變兩個(gè)模型中的系數(shù)(a和b)，可以確定水庫的最佳性能。在兩個(gè)模型中，系數(shù)a的取值范圍0.1～1。在模型Ⅰ中，b的取值范圍1～10.65，模型Ⅱ的系數(shù)b取值范圍1～16.39。

4 結(jié)果討論

通過使用不同的性能指標(biāo)(即平均發(fā)電量、平均泄流量、用于各種目的的釋放可靠性和產(chǎn)生零功率的次數(shù))來確定水庫的性能。該系統(tǒng)的可靠性可表示如下：

(3)

表3顯示了Ⅰ、Ⅱ兩種模型對(duì)SOP結(jié)果的模擬與從二型限制供水規(guī)則獲得的最佳結(jié)果的比較，同時(shí)也給出了獲得最佳結(jié)果的系數(shù)(a,b)。考慮平均發(fā)電量和泄漏的狀況，模型Ⅰ比模型Ⅱ和SOP表現(xiàn)更好。與SOP模擬相比，模型Ⅰ、Ⅱ中的最大平均灌溉釋放量都更好。為了保持所有其他性能良好，與模型I和SOP相比，模型Ⅱ顯示出更好的結(jié)果。

表3 Ⅱ型兩點(diǎn)套期保值規(guī)則與仿真模型的比較

在平均發(fā)電量和城市供水、灌溉和水力發(fā)電的可靠性之間存在一種平衡。平均發(fā)電量隨著系數(shù)的增加而降低，但是在用于上述目的的可靠供水的情況下則正好相反。首先應(yīng)該明確，限制供水規(guī)則最重要的目的是通過接受少量干旱來減少持續(xù)干旱的嚴(yán)重程度。通過限制供水規(guī)則，可以觀察到在模型Ⅱ中沒有產(chǎn)生零功率的情況，而在模型Ⅰ中只有8種情況產(chǎn)生了零功率，當(dāng)水庫以SOP運(yùn)行時(shí)，卻有大約45種情況產(chǎn)生了零功率。

通過改變模型Ⅰ的系數(shù)(a=0.1～1,b=1～10.65)和模型Ⅱ的系數(shù)(a=0.1～1,b=1～16.39)的值，采用二型兩點(diǎn)線性限制供水規(guī)則的水庫運(yùn)行情況見圖3。圖3有助于選擇備選水庫運(yùn)行規(guī)則，使水庫收益最大化。

圖3 利用模型Ⅰ和模型Ⅱ的兩點(diǎn)線性套期保值的水庫性能

第28卷第2期2022年2月水利科技與經(jīng)濟(jì)Water Conservancy Science and Technology and EconomyVol.28 No.2Feb.,2022

5 結(jié) 語

將限制供水規(guī)則應(yīng)用在水電站運(yùn)行中被認(rèn)為是水資源管理領(lǐng)域的一個(gè)新的研究領(lǐng)域。因此，為了分析水庫的性能，本文采用最簡(jiǎn)單的“Ⅱ型兩點(diǎn)套期保值規(guī)則”對(duì)德州市某多用途水庫的泄水進(jìn)行了實(shí)例研究。結(jié)果表明，采用限制供水規(guī)則，水庫對(duì)市政供水和灌溉供水均滿足100%的可靠性；而采用SOP的可靠性分別為97.05%和90.53%。總體而言，與標(biāo)準(zhǔn)操作政策相比，Ⅱ型兩點(diǎn)對(duì)沖規(guī)則在水電站運(yùn)行的應(yīng)用中表現(xiàn)得更好。