灌溉和供水水庫多級興利調(diào)度圖編制方法

崔瀚哲，姚 磊

(河海大學 水利水電學院，南京 210098)

1 概 述

水庫調(diào)度圖是水庫在運行管理時，為確保水庫能夠按照保證出力工作，維持水庫水位在正常范圍內(nèi)的重要參考依據(jù)。單一目標的水庫調(diào)度圖繪制方法已有較多研究與應用。但在實際工程中，一座年調(diào)節(jié)或者多年調(diào)節(jié)水庫很大概率上會同時承擔發(fā)電、航運、灌溉、城市及工業(yè)供水等興利任務，對于主要興利任務有兩個及以上的水利樞紐，則需要在水庫設計之初由初始水文資料推求出多級興利調(diào)度圖。

在《水庫調(diào)度設計規(guī)范》(GB/T 50587-2010)[1](以下簡稱《規(guī)范》)中，對于防洪與發(fā)電結(jié)合、發(fā)電與灌溉結(jié)合、發(fā)電與航運結(jié)合等情況，僅作出類似于“以灌溉、供水為主要任務，有發(fā)電要求的水庫，應首先滿足灌溉、供水的要求，按灌溉、供水要求擬定兼顧發(fā)電的調(diào)度方式。”的指導性規(guī)定，對于各方案應如何計算、繪制有關(guān)調(diào)度線并沒有給出具體方法。

多級興利調(diào)度圖一般由上下調(diào)配線、防棄水線以及限制供水線組成，將調(diào)度圖劃分出保證供水區(qū)、低供水期、限制供水期、加大供水期以及預想出力區(qū)，共5個調(diào)度區(qū)。對于上下調(diào)配線，現(xiàn)行常用的繪制方法有優(yōu)化調(diào)度[2]和強化學習算法[3]，但均只給出調(diào)度結(jié)果。因此，本文以《規(guī)范》中灌溉與工業(yè)供水相結(jié)合的綜合利用水庫調(diào)度圖編制方法為對象，研究綜合調(diào)度圖計算與編制方法中存在的問題，提出基于長系列時歷法的綜合調(diào)度圖編制的細化方法，并研究相較于長系列時歷法更為簡便的典型年時歷法，將其運用到具體的工程實例中，具有一定的學術(shù)意義和實踐價值。

2 基于長系列及典型年的多級調(diào)度圖編制方法

2.1 基于長系列的多級調(diào)度圖編制方法

以具有灌溉和工業(yè)供水的多重興利任務的年調(diào)節(jié)水庫為例，工業(yè)供水保證率為P1，灌溉保證率為P2，多級調(diào)度圖編制方法如下：

1) 求上調(diào)度線時，需要從供水期末死水位所對應的庫容開始逆時序進行水量平衡計算，并根據(jù)水庫的水位庫容關(guān)系曲線，可由各個月份的月末庫容V末求得各個月份的月初水位Z末，依次可求出長系列年分中，各年全年內(nèi)的月初水位(Z初1Z初2Z初3…Z初12)，由此可繪制歷年的水位變化曲線，取上包線，即可得到多級興利調(diào)度圖的上調(diào)度線。

2) 求下調(diào)度線時，需要從供水期末死水位處開始逆時序進行水量平衡計算，根據(jù)水庫的水位庫容關(guān)系曲線，可由各個月份的月末庫容V末求得各個月份的月初水位Z末，依次可求出長系列年分中，各年全年內(nèi)的月初水位(Z初1Z初2…Z初12)，由此可繪制歷年的水位變化曲線，取下包線，即可得到多級興利調(diào)度圖的下調(diào)度線。

3) 將工業(yè)供水與灌溉供水均按一定的折扣系數(shù)縮減供水，根據(jù)工程實際情況，工業(yè)供水保證率P1要大于灌溉保證率P2，所以采用頻率為工業(yè)供水保證率P1的來水過程，自供水期末死水位開始逆時序調(diào)節(jié)計算，直至蓄水期初回到死水位，所得水庫水位過程線作為限制供水線。在某些情況下，可以取下調(diào)度線為限制供水線[4]。

2.2 基于典型年的多級調(diào)度圖編制方法

長系列時歷法擁有較高的精度和準確性，在條件允許的情況下應盡量使用長系列方法[5]，但是其龐大的計算量以及對數(shù)據(jù)的高要求也為繪制多級調(diào)度圖帶來不便。所以，在基于長系列的多級調(diào)度圖編制方法的基礎(chǔ)上，提出基于典型年的多級調(diào)度圖編制方法，其原理在于選取符合設計保證率的典型年來代替長系列，節(jié)省了大量的計算量。為了彌補犧牲的部分準確性，提出在單一典型年的基礎(chǔ)上，增加兩個來水量相近的典型年，并通過縮放至來水量一致。

因此，將長系列的計算工作縮減到3個典型年的計算上，繪制方法如下：

1) 以年調(diào)節(jié)水庫為例，對于灌溉與工業(yè)供水相結(jié)合的綜合利用水庫，利用長系列的多年水文資料進行頻率分析。將長系列的多年來水量進行排序，計算各年的來水頻率Pi。

2) 在求得的長系列年份中多年的來水頻率Pi中，選取來水頻率Pi等于(接近于)設計典型年的來水頻率P設的年份，得到一個典型年，并求得該年的來水量。

3) 然后在長系列中選出來水量與典型年來水量最為接近的兩個年份，并對全年的來水過程進行縮放，使得這兩年的來水量等于典型年來水量。并對3個典型年的來水過程和用水過程進行徑流調(diào)節(jié)，分析試算出供水期與蓄水期。

4) 對每一個典型年，均從供水期末死水位開始逆時序推求各月初的水位，運用水量平衡公式，得到3年中每個月的月初水位(Zjk，j=1、2、3……12，k=1、2、3)，對每個月的水位值取最大值(Zmax1、Zmax2、Zmax3……Zmax12)和最小值(Zmim1、Zmim2、Zmim3……Zmin12)，作上下包絡線。

5) 按照所求的系列水位，即可畫出多級調(diào)度圖的上下調(diào)度線。

6) 繪制限制供水位時，可以取下調(diào)度線為限制供水位。

7) 繪制防棄水線時，在汛期為了滿足防洪要求，需要設置為汛限水位，其他月份設置為正常蓄水位即可[6]。防棄水線與上調(diào)度線之間為加大出力區(qū)，應加大出力來利用多余水能，且使水位下降，保證大壩安全。

3 基于典型年的多級調(diào)度圖編制實例

通過以下兩個工程實例計算可以看出，上述方法具有較好的適用性。

3.1 工程實例一的多級興利調(diào)度圖計算繪制

該工程水庫正常蓄水位為96.60 m，相應庫容為5.43×108m3；死水位70.00 m，相應庫容0.10×108m3，其興利庫容為5.33×108m3。在工程實例一中，水庫主要以灌溉及工業(yè)用水為主，同時兼顧防洪、發(fā)電。根據(jù)來水與用水量保證率曲線判斷，該水庫屬于年調(diào)節(jié)，灌溉設計保證率為75%，城鎮(zhèn)生活和工業(yè)用水保證率為95%。

首先對徑流資料進行分析，工程實例一中水庫有入庫徑流資料24年。由于水庫的來水較為充足，不需要對灌溉用水或者工業(yè)用水進行縮減，可以選擇來水保證率。同時，為了保證調(diào)度圖有較高的適應性，故選取的來水保證率為75%，即選擇年徑流量由大到小排列第19位的年份，1969-1970年為設計典型年，其年徑流量為Wp=17.10×108m3。為了使調(diào)度圖有更好的普遍性，在年徑流量接近典型年年徑流量的若干年中，選擇年內(nèi)分配較不利的1962-1963年和1956-1957年作為來水典型年，并對這兩年的徑流過程進行縮放修正，使其年徑流量等于Wp。修正后的來水過程見表1。

表1 典型年來水過程表

在進行了來水量的分析之后，對于水庫的多年平均用水過程進行分析。在工程實例一中，因為灌溉用水以及工業(yè)用水均是在下游取水，為先用后耗，不會影響發(fā)電，具體的用水計算結(jié)果見表2。

表2 設計用水過程表

續(xù)表2

然后計算并繪制多級興利調(diào)度圖。首先，利用每一年的來水和用水，從供水期末死水位開始(即從6月末開始)，逆時序調(diào)節(jié)計算，直至蓄水期初水位消落至死水位。這樣可以得到3個年份的蓄水過程線，然后分別取每月蓄水過程線的最小值和最大值，得到上包線和下包線，上包線即為防破壞線，下包線即為限制供水線，具體的計算過程見表3，以1969-1970年為例。

表3 1969-1670年水位變化計算表

在以上的計算方法中需要注意的是，7和8月份需要考慮防洪要求，要對其蓄放水量進行調(diào)整。對于1962-1963年及1956-1957年也利用類似的方法，最后得到3個典型年的蓄水過程線，水庫調(diào)度圖的上下調(diào)度線見表4。

表4 典型年法確定上下調(diào)度線過程表

最終可得其結(jié)合灌溉和工業(yè)用水的興利調(diào)度圖，見圖1。

圖1 工程實例一中結(jié)合灌溉和工業(yè)用水的興利調(diào)度圖

3.2 湘江流域某水庫的多級興利調(diào)度圖計算繪制

工程實例二為湘江流域的某水庫，其死水位為147 m，正常蓄水位為230 m，興利庫容為15 385×104m3。與工程實例一類似，該水庫主要以灌溉和工業(yè)用水為主，兼顧防洪、發(fā)電。根據(jù)其多年來水以及用水的徑流資料判斷，該水庫為年調(diào)節(jié)水庫。

根據(jù)上文所敘述的方法，使用典型年法來繪制其結(jié)合灌溉和供水的多級興利調(diào)度圖。通過分析水庫多年來水和用水資料后發(fā)現(xiàn)，其來水較充足，不需要對于灌溉和工業(yè)用水進行縮減。為了保證調(diào)度圖的適用性，選取保證率為80%的來水年份進行計算。

首先，對已有的36年來水和用水資料進行排序，并選取排位第30位的1980-1981年為設計典型年。同時在年徑流量接近典型年年徑流量的若干年中，選擇年內(nèi)分配較不利的1986-1987年和1984-1985年作為來水典型年，并對這兩年的徑流過程進行縮放修正，使其年徑流量等于Wp。修正后的來水過程見表5。

表5 典型年來水過程表(修正后)

對上述3個典型年的用水過程進行分析，得出典型年的用水過程，見表6。

表6 典型年用水過程表

然后，計算并繪制多級興利調(diào)度圖。利用每一年的來水和用水，從供水期末死水位開始(即從1月末開始)，逆時序調(diào)節(jié)計算，直至蓄水期初水位消落至死水位。這樣可以得到3個年份的蓄水過程線，再分別取每月蓄水過程線的最小值和最大值，得到上包線和下包線，上包線即為放破壞線，下包線即為限制供水線，具體的計算過程這里不再展示。注意在2-3月份，在洪水期之前時，考慮到水庫防洪的要求，應當保持在汛限水位，最終徑流調(diào)節(jié)計算所得上下包線的結(jié)果見表7。

表7 典型年上下包線過程表

結(jié)合防洪要求，最終可以繪制出結(jié)合灌溉和供水的多級興利調(diào)度圖，見圖2。

圖2 工程實例二中結(jié)合灌溉和供水的多級興利調(diào)度圖

4 結(jié) 語

基于《規(guī)范》中多目標興利任務的規(guī)定建議，提出基于長系列時歷法的多級興利調(diào)度圖的繪制方法，保證了調(diào)度規(guī)程的可視性和準確性；又以典型年代替長系列資料，并為典型年選取輔助年份，提高了計算精度。在工程實例中，考慮到防洪的要求，對比可以發(fā)現(xiàn)，繪制出的調(diào)度圖基本符合實際需求，具有較高的工程實際意義。