貴州烏江梯級水庫入庫流量計算分析及改進方法

2015-04-06 00:08:18王俊莉貴州烏江水電開發有限責任公司貴州貴陽550002

水利水電快報 2015年4期

王俊莉(貴州烏江水電開發有限責任公司，貴州貴陽 550002)

王俊莉(貴州烏江水電開發有限責任公司，貴州貴陽 550002)

針對烏江梯級水庫小時入庫流量“鋸齒”波動及負值、梯級區間流量負值等現象，對壩址入庫和區間流量計算的影響因素進行分析。以洪家渡、東風、烏江渡及構皮灘4座水庫為例,提出了相應的改進計算方法，并將七點滑動平均法應用于烏江梯級，明顯提升了入庫流量過程的平穩性，成效顯著。從改進后的實際應用情況看，只要使用方法得當，就可以提高入庫流量計算精度，以便為作好烏江梯級水庫防洪決策及調度服務。

梯級水庫;入庫流量;流量計算;烏江

水調自動化系統(以下簡稱“水調系統”)是一個復雜且專業的信息自動化系統工程。自水調系統建設運行以來，已成為貴州烏江水電開發有限責任公司水電站遠程集控中心(以下簡稱“貴州烏江公司集控中心”)生產運行、調度管理的核心系統，為烏江公司的相關業務開展提供了數據和技術支持。隨著該公司生產管理的不斷提升，水調系統也越來越受到重視。受發電、泄流、庫水位測量和計算方法等因素的影響，入庫流量的計算結果偏差較大，過程線也大多呈“鋸齒”狀劇烈波動，甚至出現負值，計算結果失真，從而對區間實時流量過程計算造成一定影響，無法確定匯流時間，對防洪決策、指揮調度以及發電計劃編制產生了較大影響[1]。因此，應對入庫流量加以分析。

1 入庫流量特性及作用

1.1 入庫流量特性

入庫流量是河川徑流的一種特殊狀態，其發生、發展有特定規律，并表現出以下幾點特性。

(1)時變性。受自然或人為因素的影響，入庫流量隨時間而不斷改變。

(2)連續性。入庫流量的變化連續不斷，并遵循質量守恒定律。

(3)非線性和非恒定性。與自然河道水流一樣，入庫流量的變化不是均勻、線性的。

(4)不重復性。雖然河川徑流有其本身的周期性，但不會重復同樣的變化軌跡。

(5)非模型化。不能通過建立計算模型來推求入庫流量。

(6)不可測量性。與河道斷面流量的可測量性不同，入庫流量只能在發生后，利用公式進行反推，才能得出“實際”值。

1.2 入庫流量在水庫調度中的作用[2]

入庫流量是指導水庫運行最直接有效的指標之一。水庫優化調度、洪水調度以及洪水預報等都需要準確的入庫流量作為支持，特別是在水庫調度自動化程度日益提高的今天，若入庫流量計算精度偏低，不但會限制水調自動化功能的實用性，也會影響到電網端對電廠水調數據的使用。可以說，對入庫流量的準確推求，不僅能促進水庫的安全經濟運行，還可促進電網的優化調度，有利于實現水資源的優化配置，促進國民經濟可持續發展。

2 入庫流量計算誤差

2.1 計算基本原理

目前，依據水量平衡原理和水庫調度管理規范來計算入庫流量，水庫的入庫流量、出庫流量及梯級區間流量的通用計算方法如下。

出庫流量=各機組發電流量+
各泄流設備棄水流量 +航運流量+損失流量

(1)

入庫流量=出庫流量+
(時段末庫容-時段初庫容)/時段長

(2)

梯級區間流量=下級電站入庫流量-
上級電站出庫流量

(3)

其中，式(1)中的航運流量僅存在于有獨立航道的水庫，難以量化損失流量，在大多數系統中直接置零。

2.2 計算誤差來源

入庫流量計算誤差主要來源于以下幾個方面。

(1) 庫水位。目前很多水庫僅在壩前才有庫水位觀測站，且以壩前水位作為整個水庫的代表水位，這對水庫總庫容的計算影響較大。壩前的機組啟閉、閘門開關等操作均會嚴重影響到當時的瞬時水位。由于操作時間短，水庫庫容并未產生對應變化，從而造成庫容變化的假象。因此，庫水位的代表性不強是導致入庫流量計算不準確的最主要因素。

(2) 動庫容影響。水庫庫容曲線是假定水庫水面為平面的情況下得到的，這只有當水流速度很小時才可成立。這種靜庫容曲線在一般的湖泊型水庫或較短的河道型水庫計算中基本可滿足精度要求，但對于較長的河道型水庫而言，其水庫末端總會存在較大回水，從而使水面形成向上翹的曲線，而非水平線。若不考慮動庫容影響，必將影響入庫流量的計算精度，水庫動靜庫容如圖1所示。

(3) 壩前閘門控泄。當相鄰時段出庫流量變化較小時，壩前水面線基本呈漸變狀態，變化比較穩定；當出庫流量變化較大時，近壩區的水面線則有明顯的升跌變化，這會直接導致壩前水位的大幅波動，進而影響入庫流量的計算精度。

(4) 出庫流量計算。出庫流量主要包括發電流量、各泄流設施泄流、船閘流量等，各部分計算均可能出現誤差。

(5) 靜庫容曲線。水庫建成后，受水流沖刷、泥沙淤積等影響，其河道地形必然發生變化，這將導致庫容曲線與建庫前不一致，且建庫后不同運行時期的庫容曲線也可能不一致。

3 入庫流量計算改進方法及分析

目前，河道型水庫水務計算的小時入庫流量普遍存在“鋸齒”波動、入庫流量負值、梯級區間流量負值等現象屬專業難題，故在水調自動化系統中，不能采用簡易方法直接處理。針對這一現狀，三峽集團等流域梯級公司均開展了專題研究，包括動庫容分析、泄流曲線校正、機組NHQ關系曲線修正、梯級水量平衡關系率定、卡爾曼濾波校正、七點滑動平均校正等，效果均十分顯著。

本文僅針對貴州烏江公司所轄的烏江梯級水電站(洪家渡、東風、烏江渡、構皮灘、索風營、思林、沙沱、大花水、格里橋9級)，其中前4座電站水庫庫容大、調節性能良好，其余5座則為日調節電站。針對任一水庫，假設某t時段內庫水位變幅為ΔZ，對應的水庫蓄水量變幅為ΔVz，則t時段流量變幅為ΔQ=ΔVZ/Δt。由此可見，水庫庫容越大，相同水位變幅ΔZ產生的ΔQ流量變幅就越大。

因此，對于烏江梯級水庫入庫流量計算改進方法和分析僅以洪家渡、東風、烏江渡及構皮灘4座水庫(2013年1月1～5日)為例加以說明，與之相關的改進算法可推廣至全梯級應用。研究表明，平滑后入庫流量過程平穩性顯著提升。

3.1 壩址入庫流量

壩址入庫流量計算改進方式通常有分段庫容疊加法、庫容差修正法、卡爾曼濾波法和七點滑動平均法等。

(1) 分段庫容疊加法。對于河道地形資料齊全且庫區遙測水位站點多的水庫，可對河道進行分段。首先按大斷面資料積分,計算各分段庫容曲線，然后以各分段遙測水位查分段庫容曲線得各分段庫容，疊加后即為總庫容，最后再根據水量平衡方程計算入庫流量。在該法中，充分考慮了庫區回水末端及沿程附加比降的影響，是精度最高的入庫流量算法，目前僅應用于三峽水庫，其余多數水庫不具備基礎資料條件，難以推廣。

(2)庫容差修正法。假定計算入庫偏差與庫容差之間存在一定相關性，建立計算入庫偏差與庫容差的相關關系，進而計算修正入庫流量。運用該法需要入庫流量偏差與庫容差具有較好相關性，經分析計算，烏江梯級各水庫按該法計算的小時入庫流量過程改進效果欠佳，仍存在較大的“鋸齒”波動和負值現象。

(3)卡爾曼濾波校正法。將入庫流量的“鋸齒”跳變視為隨機干擾，運用離散狀態空間方程，以“預測-實測-修正”的順序遞推，從而實現入庫流量濾波和預測。在該法中，需要實測流量作為濾波依據。若烏江梯級各調節型水庫附近有代表性較好的流量站或水文站，且具有小時流量實測數據，可嘗試采用該法進行入庫流量修正。

(4)七點滑動平均法。設某入庫流量序列為Q1,Q2,…,QT-1，QT,其中T>7。則其七點滑動平均流量序列計算公式為：

(4)

式中，T為當前時段,h；t為計算時段，h；qt為計算時段入庫流量，m3/s；Q1為第一個時段入庫流量，m3/s；Q2為第二個時段入庫流量，m3/s；下同。Qt-1為計算時段t向前推一個時段對應的入庫流量，m3/s；Qt-2為計算時段t向前推二個時段對應的入庫流量,m3/s；QT-1為當前時段T向前1h對應的入庫流量，m3/s;QT-2為當前時段T向前推2h對應的入庫流量，m3/s,下同。

對于t=T-2、T-1、T這3個時段，當前計算的是暫時值。在未來時段滾動過程中，這3個時段的數值會根據未來的變化趨勢滾動修正。例如當時段t=T+1時，需重算t=T-2、T-1、T這3個時段，其中T-2時段轉為穩定值，以后無需繼續修正，但T-1、T時段還需滾動修正，后續時段以此類推。平滑后若存在負值，則置為零。該法的物理意義明確，具有良好的適應性，能較好地模擬小時入庫流量過程變化趨勢，且無需任何參照依據和輔助資料，原理簡單、實現便捷，但在該法中，每次只能確定3h前的入庫流量過程，3h前至當前的3個入庫流量值會被滾動修正，實時性較差。

3.2 區間入庫流量

由于出庫流量計算相對穩定，因此，區間入庫流量計算精度主要依賴于壩址入庫流量和區間傳播時間。在壩址入庫流量方面，可采用平滑入庫流量作為計算依據，確定區間傳播時間則是計算區間入庫流量的難點。從直觀上看，上級電站出庫流量越大，區間傳播越快，反之則傳播越慢。這一定性認識存在一定局限性，且無法量化。事實上，根據水力學理論，河道水流速度的計算公式應表達如下。

流速=(水力半徑的2/3次方)×
(坡度的平方根)/河床糙率

(5)

水力半徑=斷面面積/除水面以外的斷面周長

(6)

式(5)、(6)中，坡度為比值，水力半徑單位為m，流速單位為m/s。

河床糙率與河床粗糙程度有關，對計算結果影響較大，可參考表1。

由此可見，影響區間傳播的本質因素是水力半徑、坡度和河床糙率，而非流量大小。流量對區間傳播時間的影響，是通過改變水力半徑來間接反映的。因此，對于大江大河而言，根據式(5)～(6)，結合實際流量變化規律，估算梯級區間傳播時間的固定值即可，無需采用變化的傳播曲線。此外，無法準確率定流量-傳播時間曲線，用經驗曲線計算會擴大誤差，如在上級電站調峰或泄洪時，易引起下級電站入庫流量的錯時疊加。

有時梯級區間入庫流量會存在負值，主要原因有以下兩點：①區間流量損失，包括蒸發、河底滲流、填洼、河岸植被攔蓄、工農業取水等； ②流量坦化，上級出庫流量在區間河道中傳播時會坦化。在實際計算中，并未考慮這兩點。為便于理解，可直接置零，表示該時段的流量損失和坦化程度較大。

從本質上講，區間入庫流量負值現象有其物理涵義。綜上，按下級電站本時段平滑壩址入庫流量減去其上級電站傳播時間對應時段的出庫流量，來計算貴州烏江公司水調系統的各區間入庫流量。其中，可基于梯級流量變化規律，結合式(5)、(6)和表1，計算獲得各區間傳播時間。若計算區間流量為負，則置零。