兼有灌溉任務的水電工程徑流調節方法改進研究

王 平

(上海市水利工程集團設計有限公司，上海 200093)

兼有灌溉任務的水電工程，徑流調節是其水利計算的核心內容，設計規范中主要采用的計算方法為時歷法，但目前設計規范、工具書和教課書[1- 6]中常規的徑流調節方法創立于1950年代，是以列表法、圖解法、代表年法等手工計算的思路為主，計算方法包含了較多不合理的假定或簡化。隨著水文資料的延長和計算技術的發展，常規時歷法的問題愈顯突出，而有關的改進研究成果極少[7- 8]。本文以DL/T 5105—1999《水電工程水利計算規范》等資料[1- 3]中的常規計算方法為主要對象，研究兼有灌溉任務的水電工程徑流調節方法存在的不合理問題，提出對常規方法的改進思路和具體改進計算新方法。

1 兼有灌溉的水電工程徑流調節方法的問題

1.1 DL/T 5105—1999中缺少具體方法

DL/T 5105—1999對兼有灌溉任務的水電工程水利計算提出了任務與原則：“7.1.1應分析各部門的用水要求，河流洪、枯水量的大小，水庫特點等，按工程開發任務的主次，協調發電與灌溉、供水、航運等各項任務之間的關系，進行水量平衡。當各部門用水要求不能完全滿足時，應統籌兼顧、綜合分析，合理調整各部門的用水要求，并擬定水庫合理的運行方式。7.1.2兼有其它用水任務的水電工程，應采用發電設計水平年中各部門的用水要求進行水利計算。必要時，可采用某些次要任務水平年中各部門的用水要求作為校核。7.1.3徑流調節計算應在擬定各部門綜合用水量和用水過程的基礎上進行。當各用水部門保證率不同時，可分別選擇相應的代表年進行計算。7.2.1應分析研究灌區范圍、灌溉面積、灌溉需水量和灌溉保證率要求的合理性。7.2.2應計算水庫多年平均灌溉供水量、灌溉保證率和供水量過程或庫水位過程”。但是DL/T 5105—1999并沒有提出可操作的具體計算方法。

1.2 兼有灌溉任務的水電工程徑流調節常規方法的問題

兼有灌溉任務的水電工程，發電和灌溉之間可能有矛盾，可以通過在電站下游建設反調節水庫協調兩者關系，使日內按電網調峰運行不均勻的發電放水過程經過反調節后，可以較均勻的流量向灌區輸送。對這種兼有灌溉的水電工程，常規的徑流調節時歷法是把系列年劃分為若干水利年，然后再把每個水利年劃分為蓄水期和供水期，年調節水庫從蓄水期初以死水位開始調節計算，蓄水期末水庫水位達到正常蓄水位；供水期內水庫利用來水和蓄水灌溉，供水期末水位降低到死水位。多年調節水庫與年調節水庫計算方法相似，只是調節周期可能為多年。但常規方法有以下不合理問題有待改進。

1.2.1 典型年代表性不足

常規方法有時用典型年或設計代表年法計算，但兼有灌溉任務水庫的徑流代表年不易選擇，要考慮入庫徑流的代表性，還要兼顧灌溉用水和徑流組合的代表性；要考慮年徑流總量和年灌溉需水總量接近設計的豐、平、枯等保證率，還要考慮年內徑流和需水分配的代表性，所以，代表年的選擇有較大的任意性，代表性往往不足。

1.2.2 對年和多年調節水庫使用不同的計算方法

常規方法一般做出水庫年來水頻率曲線和年灌溉需水頻率曲線，并以灌溉設計保證率與兩條線的交叉點的關系作為水庫調節性能的判別條件，灌溉設計保證率大于交叉點頻率的作為多年調節，反之作為年調節，對年和多年調節水庫使用不同的方法計算。這些做法都是沒有嚴格的理論依據的經驗方法，是不準確的，因徑流年內分配不同、水庫年內運用次數不同，僅用年來水和年灌溉需水總量是不能準確判斷水庫徑流調節特性的。

1.2.3 蓄水期和供水期劃分不盡合理

常規方法為了減少計算工作量和降低計算難度，都把長系列年劃分為單獨的計算年份，再把各水利年分為基本固定的蓄水期和供水期，實際徑流調節計算時還可能要再對每一年的分期作具體分析，各年實際的蓄水期和供水期可能還有一定的變化。每年的徑流情況是隨機變化的，若硬性劃分為固定的分期顯然是不合理的，如果每年還要具體分析、判斷后確定蓄水期和供水期，這只能是事后的分析，對工程實際運行沒有意義。

1.2.4 每年用相同的起調或終止水位有偏差

常規方法年調節水庫每年從蓄水期初死水位起調，在蓄水期末水位蓄至正常蓄水位，再到供水期末水庫水位降低到死水位。每年都按相同的水位起調或終止，實際上把長系列年變成了孤立的、沒有水量聯系的單獨年份，造成水庫蓄水偏少，灌溉枯水年前期水庫蓄水量不足，計算的灌溉保證率偏低或需要的庫容偏大。

1.2.5 計算逐年興利庫容的差積曲線法常見錯誤

兼有灌溉的水庫工程設計中，經常要求根據徑流調節計算結果做出調節庫容與灌溉保證率關系曲線。常規方法通常用列表法或差積曲線法進行長系列的余水和虧水計算分析，分別確定各年所需的調節庫容，然后再做頻率計算。應用這種方法的前提條件應該是從系列年起點開始，每個調節時段和調節年度的累計余水量不小于累計虧水量，否則即使調節庫容再大也不能避免灌溉破壞。但有些教課書[4- 6]卻忽視了對灌溉需水的合理控制，在其計算實例中，當累計余水量已經小于累計虧水量(來水減用水的差積曲線為負值)的情況下，還計算出當年滿足灌溉的調節庫容，這顯然是錯誤的。

1.2.6 計算條件不符合實際

常規方法灌溉調節計算中，列表法、簡化水量平衡方程、差積曲線法都至少要預知一年的徑流過程，這種徑流調節方式與水庫實際運行情況差距較大，可操作性很低，計算結果準確度較差。

2 兼有灌溉的水電工程徑流調節方法改進思路

2.1 以長系列法代替典型年法

DL/T 5105—1999“4.2.3徑流系列資料年限應根據設計水電工程的特點確定，對于季調節及以上的水庫，徑流系列資料的年限應不少于30年”。根據這一要求，改進方法全部使用長系列時歷法調節計算，沒有足夠的長系列徑流資料時，應按規范要求先插補延長徑流資料后再用長系列時歷法。

2.2 年與多年調節水庫統一計算方法

為避免常規徑流調節方法分類不準確可能產生的問題，提高計算的合理性與準確性，改進方法不再按水庫調節性能作計算方法的分類，也不需要再逐年分析水庫是一次運用或多次運用，不再使用分年列表法和簡化水量平衡方程式法，而統一改用長系列試算法完成各種調節性能水庫的灌溉徑流調節計算。

2.3 以連續調節計算代替分年計算

改進方法不劃分供水期、蓄水期，對多年調節水庫也不劃分豐水年組和枯水年組，改用長系列徑流連續調節計算，按照水利年統計各年調節成果。改進方法把基本調節計算期從一年延長到全系列，計算中也就不再需要費時費事地分析確定每年實際的蓄水期和供水期。

2.4 合理確定每年的起調或終止水位

改進方法不再采用每年相同的起調和終止水位，對各種調節性能的水庫都統一使用長系列徑流資料計算，各年逐時段水庫水位通過連續的調節計算確定，避免人為規定起止水位的不合理性。

2.5 正確計算灌溉調節庫容

改進方法為避免差積曲線法常見錯誤，保證灌溉調節和發電計算的正確性，在調節計算開始就要對灌溉需水作合理性檢查計算，如發現某個調節時段或調節年度的累計余水量小于累計虧水量，應分析后減小灌溉需水，防止影響調節庫容的正確計算。

2.6 不預知或預測長期徑流

為提高徑流調節方法和結果的實用性，改進方法計算時模擬水庫實時運行狀況，不再預知或預測長期徑流過程，改以水庫實時蓄水位作為灌溉和發電運行的主要依據。

3 改進的計算方法和內容

3.1 灌溉需水合理性檢查

無論是年調節水庫還是多年調節水庫，無論采用什么方法進行徑流調節計算，首先都應對灌溉需水和入庫徑流系列作合理性、適應性檢驗。不僅要檢驗多年平均入庫徑流要大于多年平均灌溉需水量，還應注意檢驗從起調時段開始每個時段的累積來水量都不應小于累積灌溉需水量，否則無法正確的進行調節計算。

3.2 確定起調和結束條件

先對徑流進行初步分析，確定灌溉的水利年，然后從第一個蓄水期的死水位起調。改進方法以長系列徑流連續調節計算，起調時段之后各時段水位由連續徑流調節過程計算確定，不再需要人為規定。長系列末終止水位應按連續計算的結果確定，不應再要求庫水位結束于某一特定水位，也不應人為變動計算過程。

3.3 各時段灌溉調節計算

各時段灌溉水量平衡計算以水庫蓄水位為控制條件，做出灌溉調節決策。改進方法不再按時間劃分蓄水期和供水期，而改為按水庫蓄水位劃分為三個調節時期：正常灌溉期、灌溉破壞期、加大灌溉(或加大發電)期。分期水位條件和水量平衡方法為：面臨時段水庫蓄水位在死水位與正常蓄水位(或汛期限制水位)之間區域時，是正常灌溉期，按灌溉要求放水，利用灌溉放水發電；水位降低到水庫死水位時，如天然徑流小于灌溉需水，為灌溉破壞期，水庫按入庫流量灌溉放水和發電；當水位達到正常蓄水位(或汛期限制水位)，如天然徑流大于灌溉需水，就屬于可加大灌溉或可加大發電期，水庫蓄滿后的水量可用于加大灌溉或發電。灌溉調節和發電計算是按時段平均流量計算的，當具備反調節措施時，電站可以按日內發電調峰要求方式運行，經過下游反調節水庫的反調節后可以向灌區均勻供水灌溉。

3.4 灌溉保證率計算

按照灌溉調節和發電計算規則進行連續水量平衡，得出灌溉放水和發電過程，其中有正常灌溉、加大灌溉、破壞期降低灌溉。按照水利年度的劃分，分年統計灌溉破壞的時段或年份，根據灌溉保證率的定義，以沒有發生灌溉破壞的年數與系列總年數，計算出年灌溉保證率。若實際灌溉保證率不符合設計保證率，可以通過改變調節庫容、灌溉面積或需水量等措施，再重新調節計算，直至計算的保證率符合設計保證率為止。

3.5 灌溉調節主要結果

改進方法以長系列徑流連續調節計算，經過試算得出符合要求的徑流調節計算過程，并可計算出年均灌溉水量、加大灌溉水量、灌溉缺水量、發電保證出力、年均發電量等各種灌溉、發電指標。

3.6 改進方法進一步完善的措施

用前述改進方法對兼有灌溉的水電工程進行徑流調節計算后，計算結果可能還存在設計保證率之外灌溉破壞深度不合適、水庫棄水可能較集中的問題。對于調節性能較大的季調節以上水庫，有必要通過編制水庫灌溉調度圖[9]解決這兩個問題。水庫按灌溉調度圖運行，可以更精確地調節徑流，調整灌溉破壞深度，更合理地加大灌溉或發電出力，減小棄水量，進一步提高灌溉徑流調節的合理性與效益。

4 改進方法的合理性與實用價值

4.1 改進方法的適用性增強

常規方法假設當年蓄水期天然徑流除滿足當期灌溉任務外，還可以蓄滿調節庫容留待供水期使用，假設蓄水期不會發生灌溉破壞。但是實際情況徑流變化較大，有的蓄水期初天然徑流很小，常規方法由蓄水期初死水位起調，有可能在蓄水期初就發生灌溉破壞。改進方法徑流調節不按時間分期，采用連續的長系列調節計算，在不增加工程規模的前提下充分利用蓄水庫容，水庫每年運行水位并不一定都回落到死水位，更好地適應了入庫徑流多變的情況，盡可能避免了蓄水期初發生灌溉破壞的機會，提高了徑流調節方法的合理性。

4.2 統一了灌溉徑流調節模式

兼有灌溉的發電水庫，徑流調節的任務是確定調節庫容、灌溉水量和灌溉保證率的關系。依照不同的條件和要求，常規方法分別使用列表法、簡化水量平衡方程式法、差積曲線法圖解法等，改進方法把這多種方法和調節模式統一改為長系列連續試算法，避免了列表法的逐年分析、簡化和圖解法的不準確等問題，顯著提高了計算效率，增強了計算成果的合理性。

4.3 改進方法經過實例檢驗

為解決常規方法的不合理問題，筆者先后把年調節水庫分蓄水期、供水期的計算法改為不分期的長系列法，把多年調節的差積曲線圖解法和列表分析計算法改為計算機全數字化試算法。改進方法需要的計算條件降低，計算的復雜性減小，調節方法的合理性顯著提高，計算結果灌溉供水量和發電量有一定增加，改進方法已經過了多項工程的設計、審查和實際運行的檢驗。

5 實例

某水電工程兼有灌溉任務，壩后式電站裝機2.5萬kW，水庫長期運行以灌溉為主，發電可進行日內調節，下游有足夠大的反調節水庫，徑流為50年分月流量，各種水量損失已在入庫徑流中扣除。要求分別用常規方法和改進方法作水庫的灌溉徑流調節和水能計算，主要計算結果見表1、圖1、圖2。

表1 灌溉水庫徑流調節

圖1 出庫流量頻率曲線

圖2 發電出力頻率曲線

(1)常規方法。按常規方法的列表法調節計算，為預知徑流的事后調節，從蓄水期死水位起調并在蓄水期末把調節庫容蓄滿；灌溉后供水期末回落到死水位。圖1、圖2常規方法(虛線)出庫流量、發電出力頻率曲線坡度較大，同等頻率時的灌溉流量、發電出力偏小。由于起調水位偏低，蓄水期初發生小量的灌溉破壞，導致年灌溉保證率偏低。

(2)改進方法。僅知道面臨時段的水庫水位，按照改進方法用連續計算法，依照灌溉要求放水并盡量保持在高水位，死水位時允許灌溉破壞，滿庫后棄水。圖1、圖2改進方法(實線)出庫流量、發電出力頻率曲線略緩，在要求的灌溉和發電保證率范圍內，灌溉保證流量和發電保證出力明顯增大，也提高了灌溉保證率和發電量。

6 結語

本文提出的兼有灌溉的水電工程徑流調節的改進方法，改正了常規方法的一些不合理做法，采用長系列時歷法調節計算，統一了年和多年調節水庫的計算方法，不分期連續灌溉調節計算提高了起止水位的合理性，正確計算了灌溉調節庫容，增加了灌溉保證程度，提高了時歷法灌溉徑流調節計算方法的理論合理性和實用價值。改進方法是具有可操作性的具體計算方法，可以普遍適用于兼有灌溉的水電工程，能解決此類工程的多種徑流調節問題。由于現有的常規方法還不完善，甚至有謬誤流傳，建議DL/T 5105—1999能適時修訂，適當納入經過實踐檢驗的合理完善的計算方法。