兼有供水的水電工程徑流調(diào)節(jié)方法的改進

王 平

(上海市水利工程集團設計有限公司，上海 200093)

兼有供水任務的水電工程常用的徑流調(diào)節(jié)和水能計算方法為時歷法，計算結(jié)果是確定工程規(guī)模的主要依據(jù)，也是編制供水發(fā)電調(diào)度圖實施合理調(diào)度的基礎(chǔ)，但目前行業(yè)規(guī)范[1- 3]關(guān)于時歷法徑流調(diào)節(jié)的計算方法中尚存在一些不合理之處，而深入研究時歷法徑流調(diào)節(jié)計算方法的成果很少[4- 5]。為此，本文以DL/T5105- 1999《水電工程水利計算規(guī)范》等資料[1- 3]中兼有供水的水電工程徑流調(diào)節(jié)方法為研究對象，分析其存在的問題，提出了基于時歷法的徑流調(diào)節(jié)計算改進方法，為適時修訂、合理完善兼有供水任務的水電工程的徑流調(diào)節(jié)和水能計算方法提供參考。

1 兼有供水的水電工程徑流調(diào)節(jié)方法的問題

1.1 DL/T 5105—1999缺少兼有供水的水電工程計算具體方法

DL/T 5105—1999中7.1及7.4節(jié)對兼有其它任務的水電工程水利計算的任務與原則提出了規(guī)定。

但DL/T 5105—1999中并未提出兼有供水任務的水電工程徑流調(diào)節(jié)和水能計算具體的、可操作的方法。

1.2 常規(guī)方法徑流調(diào)節(jié)的問題

兼有供水任務的水電工程，水力發(fā)電和水庫供水之間在用水時間和庫容上有矛盾，但通過增建庫容或反調(diào)節(jié)水庫可以協(xié)調(diào)統(tǒng)一。即：日內(nèi)不均勻的發(fā)電放水流量通過反調(diào)節(jié)庫容的再調(diào)節(jié)后，以較均勻的流量向城市、工業(yè)等供水。水庫可以在長時段運行中，按供水要求的均勻穩(wěn)定方式供水，在日內(nèi)運行時又可按發(fā)電需要有較大的變幅。對這種長時段以供水為主的水庫徑流調(diào)節(jié)方法，常規(guī)的時歷法有列表計算法、差積曲線圖解法或簡化水量平衡計算方程式法三種。基本做法就是把長系列徑流過程先劃分為水文年，以每個水文年作為基本計算周期，再把水文年分為蓄水期、供水期。調(diào)節(jié)計算時從蓄水期初和死水位開始，水庫邊供水邊蓄水，在蓄水期末蓄滿調(diào)節(jié)庫容；水庫供水期入庫水量不足由水庫蓄水量中供給，到供水期末剛好放空調(diào)節(jié)庫容至死水位。用相同的計算方法對所有水文年重復類似計算，可以得出各年的供水過程。常規(guī)方法對年調(diào)節(jié)和多年調(diào)節(jié)水庫的計算方法有些差別，計算起點或起始水位也可能不同。但常規(guī)方法有以下缺點和問題需要改進。

(1)水庫調(diào)節(jié)性能缺少劃分標準

常規(guī)方法對年和多年調(diào)節(jié)水庫使用不完全相同的徑流調(diào)節(jié)方式，但水電水利行業(yè)里并沒有任何規(guī)范提出過不同調(diào)節(jié)性能水庫的分類標準，常見的以庫容系數(shù)劃分僅是一種經(jīng)驗性的方法，理論依據(jù)不足。

(2)典型年的任意性較大

常規(guī)方法有時用典型年法計算，但兼有供水的水電工程徑流代表年選擇，要考慮入庫徑流的代表性，要考慮年徑流量和年供水量接近設計的豐、平、枯等保證率，還要兼顧年內(nèi)徑流分配的代表性，代表年選擇有較大的難度和任意性。

(3)水庫劃分固定的分期不合理

常規(guī)方法原創(chuàng)階段是人工手算時期，為了減少計算工作量、降低計算難度，把長系列劃分為單獨水文年，按多數(shù)年份蓄水期開始時間確定水文年起止點，再把各水文年劃分為固定的蓄水期、供水期。本來復雜多變的徑流調(diào)節(jié)過程被簡化為單一的模式，降低了徑流調(diào)節(jié)過程的真實性。由于入庫徑流是隨機變化的，人為劃分固定的蓄水期和供水期并不完全合理。

(4)用相同的起調(diào)或終止水位不符合實際

常規(guī)方法每個水文年均從蓄水期初的死水位起調(diào)，在蓄水期末蓄滿調(diào)節(jié)庫容，然后從供水期初開始逐步降低水位，直到供水期末水位恰好降低到死水位。常規(guī)方法規(guī)定各水文年都要按相同的水位起調(diào)或終止，人為阻止了相鄰水文年之間的水量補償，導致水庫平均蓄水位偏低，棄水量增加，這種調(diào)節(jié)計算方式不盡合理，也不符合實際情況。

(5)分期計算的保證流量偏小

常規(guī)方法用列表法或差積曲線法試算或圖解計算每個水文年的蓄水期內(nèi)一個均勻的供水流量；在供水期內(nèi)也試算或圖解計算出相等的調(diào)節(jié)流量，但從系列年總體考察，各個供水期的調(diào)節(jié)流量之間是不相等的，符合供水保證率要求的保證流量是系列里較低值。常規(guī)方法原來受計算能力的限制，基本調(diào)節(jié)計算周期太短，符合保證率要求的保證供水流量偏小。

(6)保證率曲線計算不準確

為進行方案比較，在一定庫容時需要做出供水保證流量與保證率、發(fā)電保證出力與保證率等關(guān)系曲線。但常規(guī)方法的調(diào)節(jié)過程中并不考慮保證率的約束條件，只按單一的模式調(diào)節(jié)徑流，往往造成保證率之內(nèi)關(guān)鍵時期供水或出力偏小。常規(guī)方法在徑流調(diào)節(jié)后，再對時段供水流量和發(fā)電出力作頻率統(tǒng)計，并繪制供水流量、發(fā)電出力頻率曲線，然后近似地以供水流量頻率曲線代替保證流量與保證率的概率關(guān)系曲線、以發(fā)電出力頻率曲線代替保證出力與保證率的概率關(guān)系曲線。這都缺乏理論依據(jù)，與供水、發(fā)電保證率的定義不符，造成保證供水流量和發(fā)電保證出力偏小。

2 兼有供水的水電工程徑流調(diào)節(jié)改進措施

2.1 改進方法應能適用于不同調(diào)節(jié)性能水庫

受區(qū)域位置、入庫徑流特性、庫容大小、運行方式等諸多因素影響，水庫的調(diào)節(jié)性能遇不同情況時差異性較大，年和多年調(diào)節(jié)之間并沒有固定的分類判別準則。為減少方法分類可能產(chǎn)生的問題，改進方法應不再區(qū)分年調(diào)節(jié)或多年調(diào)節(jié)水庫，而改用統(tǒng)一方法計算。

2.2 用長系列時歷法計算

DL/T 5105—1999中4.2.3條規(guī)定：徑流系列資料年限應根據(jù)設計水電工程的特點確定，對于季調(diào)節(jié)及以上的水庫，徑流系列資料的年限應不少于30年。改進方法應優(yōu)先用長系列時歷法調(diào)節(jié)計算，在具備長系列徑流時不應再用典型年計算，沒有長系列徑流資料時，應設法插補延長徑流資料，然后再用長系列時歷法調(diào)節(jié)計算。

2.3 以連續(xù)計算代替分期計算

改進方法不應再劃分每年的供水期、蓄水期、豐水年組、枯水年組、年調(diào)節(jié)庫容、多年調(diào)節(jié)庫容。應根據(jù)水庫實際蓄水和供水要求，在長系列內(nèi)不間斷地連續(xù)調(diào)節(jié)計算，水庫運行只受水庫正常蓄水位或汛限水位及死水位的約束，不再受其它人為規(guī)定分期的影響。

2.4 不再人為確定起調(diào)或終止水位

改進方法應只確定第一個水文年的起調(diào)水位，以后各年份逐時段水位由連續(xù)的調(diào)節(jié)計算確定，不再需要人為確定每年的起調(diào)和終止水位。

2.5 改為全系列等流量法

改進方法把調(diào)節(jié)周期由一個水文年擴大到系列年的全部計算時段，在全系列內(nèi)追求最大的、相等的調(diào)節(jié)供水保證流量，即使用全系列等流量法。

2.6 正確計算保證率曲線

改進方法中應正確區(qū)分和計算系列內(nèi)的時段供水流量頻率曲線、發(fā)電出力頻率曲線與保證供水流量與保證率關(guān)系曲線、發(fā)電保證出力與保證率關(guān)系曲線，用供水設計保證率控制徑流調(diào)節(jié)計算過程，考慮發(fā)電保證率統(tǒng)計水能計算結(jié)果。

3 徑流調(diào)節(jié)改進方法計算內(nèi)容

3.1 起始和終止水位

改進方法用長系列徑流資料連續(xù)計算，可根據(jù)對徑流特性的初步分析，確定系列年第一個時段的起始水位，一般可從死水位等適當水位起調(diào)，后續(xù)所有時段水位就可以連續(xù)計算。系列末水庫水位是連續(xù)調(diào)節(jié)計算的結(jié)果，因與起始點相隔很多計算時段，一般已不受起始水位的影響。如果要求庫水位在末時段結(jié)束于起調(diào)水位或某一特定水位，應在已有的調(diào)節(jié)水位過程中反時序?qū)ふ曳弦蟮慕Y(jié)束時段，以此時段前的所有系列調(diào)節(jié)過程統(tǒng)計計算結(jié)果。

3.2 估算保證供水流量的初始值

改進方法用全系列各時段等流量連續(xù)試算法調(diào)節(jié)，計算供水保證流量。開始調(diào)節(jié)時可以參照已有初步成果或設計經(jīng)驗，先估計保證流量的試算初始值，以加快試算的速度，初始值并不會影響最后計算結(jié)果。

3.3 調(diào)節(jié)流量的計算規(guī)則

改進方法調(diào)節(jié)計算以面臨時段的庫水位為依據(jù)，對水庫的運行作出供水調(diào)節(jié)決策。因為徑流調(diào)節(jié)和水能計算階段，暫不考慮利用水庫供水調(diào)度圖調(diào)節(jié)。把供水水庫運行情況劃分為三個調(diào)節(jié)期：保證流量供水期、加大供水期、供水破壞期。分期水位和調(diào)節(jié)計算規(guī)則為：水庫水位高于死水位又低于正常蓄水位(或汛期限制水位)時，為正常的保證流量供水期；水庫水位等于死水位時，如入庫水量達不到保證供水流量，只能按天然徑流供水，水庫為供水破壞期；水庫水位等于正常蓄水位(或汛期限制水位)，如入庫水量大于保證供水流量，則水庫可以利用多余水量加大供水或發(fā)電。以上供水流量是以時段平均值計算的，當有足夠的反調(diào)節(jié)措施時，水庫日內(nèi)可以按發(fā)電要求放水，經(jīng)反調(diào)節(jié)后再實現(xiàn)均勻供水。

3.4 供水保證率和保證流量計算

用供水保證流量的試算值，按照調(diào)節(jié)流量的計算規(guī)則，對全部系列所有時段進行連續(xù)水量平衡，能得出連續(xù)的供水過程，包括了保證流量、加大供水流量、供水破壞期流量。對這一供水流量系列作頻率計算，根據(jù)供水保證率的定義，以時段供水流量大于或等于試算保證供水流量的時段數(shù)量與系列總時段數(shù)相比的百分率，求出相應的供水歷時保證率。若計算的保證率不等于設計供水保證率，還需要修改保證供水流量后再次試算，直至實際的供水保證率充分接近設計保證率。

3.5 統(tǒng)計計算徑流調(diào)節(jié)結(jié)果

改進方法使用長系列連續(xù)試算法，經(jīng)過若干輪次的試算求出符合設計保證率的全系列相等的供水保證流量后，單個方案的計算完成，可以按照需要對最后一輪次試算過程作統(tǒng)計，計算出年均保證供水量、加大供水量、發(fā)電保證出力、發(fā)電保證率、年均發(fā)電量、特征水頭等結(jié)果及供水流量、發(fā)電出力、水頭等歷時過程的頻率曲線。

3.6 改進徑流調(diào)節(jié)方法可再優(yōu)化的內(nèi)容

改進方法的徑流調(diào)節(jié)僅是對水庫的初步調(diào)節(jié)，還可編制水庫供水發(fā)電調(diào)度圖，按調(diào)度圖能更精確地進行徑流調(diào)節(jié)，并增強供水調(diào)節(jié)的功能和效益，滿足不同的設計或運行需要。

用改進方法的全部正常供水期等流量法調(diào)節(jié)后，可能還有供水破壞深度不合適、棄水期棄水量較集中兩個問題。原因是徑流調(diào)節(jié)中著重控制主要任務的可靠性，供水破壞期、加大供水期的控制條件僅是一水位線，沒有給出一定運行范圍。對于調(diào)節(jié)性能較強的水庫，應編制水庫供水發(fā)電調(diào)度圖[6]，擴大供水破壞期、加大供水期的調(diào)度區(qū)域，就可以解決這兩個問題并能進一步優(yōu)化徑流調(diào)節(jié)。

4 改進方法的應用和特點

4.1 改進方法適用性增強

常規(guī)方法認為水庫當年蓄水期來水除滿足當期供水任務外，還能為供水期預留水量并蓄滿調(diào)節(jié)庫容，認為蓄水期不會產(chǎn)生供水破壞，所有的供水破壞時段都發(fā)生在供水期。但這僅是一般規(guī)律，并不能涵蓋全部情況。在徑流變化較大的條件下，枯水年的蓄水期初也可能因徑流偏小造成供水破壞。常規(guī)方法每年都從蓄水期初死水位起調(diào)，在蓄水期末蓄滿調(diào)節(jié)庫容，到供水期末又把水位降低到死水位的固定調(diào)節(jié)模式不能適應徑流變化較大的情況，易造成人為的供水破壞。所以，改進方法不再劃分調(diào)節(jié)年度和蓄水期、供水期，改為對水位連續(xù)計算，水量和庫容可以不受分期限制進行調(diào)節(jié)，更好地適應了入庫徑流多變的情況。

4.2 計算模式統(tǒng)一

兼有供水的發(fā)電水庫徑流調(diào)節(jié)計算的任務是推求調(diào)節(jié)庫容、保證供水流量和供水保證率三者之間的關(guān)系。按照不同的已知條件，常規(guī)方法可選用差積曲線等流量法、列表法、簡化水量平衡方程式法進行計算，改進方法全部改用數(shù)值計算法，并能把多種調(diào)節(jié)模式，全部統(tǒng)一為設定調(diào)節(jié)庫容的長系列連續(xù)試算法。

4.3 改進方法的特點

改進方法從常規(guī)方法注重“水位、時間、狀態(tài)”調(diào)節(jié)改為注重“供水目標”調(diào)節(jié)。常規(guī)方法對水文年、蓄水和供水期、起調(diào)與結(jié)束水位等“水位、時間、狀態(tài)”作了較嚴格的要求，但對保證供水流量、供水保證率等重要“供水目標”卻沒有有效的控制，在徑流調(diào)節(jié)中甚至不考慮保證率的約束條件。常規(guī)方法硬性規(guī)定供水期末水位要降到死水位，并沒有為下一年的供水預蓄水量；在較枯的供水期內(nèi)不考慮供水保證率的要求，仍以均勻流量供水，可能造成供水保證率內(nèi)關(guān)鍵期的供水流量偏小。改進方法放棄了常規(guī)方法的不合理要求，提高了對保證供水流量和保證率的嚴格控制。

5 計算實例

5.1 計算條件和要求

某水電站兼有城市供水任務，水庫規(guī)模已定，電站為壩后式，裝機6萬kW。壩下游8km處有另一日調(diào)節(jié)水庫，可承擔上游電站的反調(diào)節(jié)任務，供水取水口在反調(diào)節(jié)水庫壩上。電站可以利用供水或水庫棄水發(fā)電，發(fā)電可進行日內(nèi)調(diào)節(jié)，發(fā)電尾水經(jīng)下游水庫反調(diào)節(jié)后均勻供給城市。供水和發(fā)電保證率都為90%，徑流資料為50年分月流量，要求計算水庫供水保證流量及水電站發(fā)電指標。

使用常規(guī)方法和改進方法分別作徑流調(diào)節(jié)計算，符合保證率要求的計算結(jié)果見表1，全系列供水流量和發(fā)電出力過程的頻率曲線如圖1—2所示。更多保證率時的保證流量與保證率關(guān)系曲線、保證出力與保證率關(guān)系曲線如圖3—4所示。

表1 徑流調(diào)節(jié)對比表

圖1 供水流量頻率曲線

圖2 發(fā)電出力頻率曲線

圖3 流量保證率曲線

圖4 出力保證率曲線

5.2 徑流調(diào)節(jié)和水能計算結(jié)果

5.2.1 常規(guī)方法

以水庫總棄水量最小、蓄水期和供水期內(nèi)供水流量均勻為調(diào)節(jié)目標，是已知全部徑流的事后調(diào)節(jié)。在蓄水期內(nèi)均勻供水并把調(diào)節(jié)庫容蓄滿；供水期內(nèi)按相等流量供水，供水期末又恰好降低到死水位，但如果后一年徑流偏枯，則供水量也較小。結(jié)果導致供水過程年內(nèi)變化不大但年際變化較大，圖1—2常規(guī)方法(虛線)供水流量頻率曲線、保證出力頻率曲線坡度較大，90%的保證流量和保證出力較小。

5.2.2 改進方法

以爭取最大的保證供水流量為調(diào)節(jié)目標，僅知道面臨時段的庫水位，在全部系列內(nèi)都用先蓄方式調(diào)節(jié)，即按保證流量供水并盡量保持水庫高水位運行。滿庫后來水較多才加大供水，來水不足可利用蓄水按保證流量供水，死水位時來水不足允許發(fā)生供水破壞。因保持高水位時間長，遇后期徑流偏枯，水庫供水能力較強。在全系列內(nèi)按同一保證流量供水，圖1—2改進方法(實線)供水流量頻率曲線、保證出力頻率曲線中段較穩(wěn)定，90%的保證流量和保證出力較大。

5.3 流量或出力頻率曲線與保證率曲線對比

圖1—2為反映單一方案全系列調(diào)節(jié)流量過程的頻率曲線，其中常規(guī)方法調(diào)節(jié)過程不對應任何保證率，改進方法對應的保證率為90%。圖3—4為改進方法各種保證率與相應保證流量或保證出力的關(guān)系線。因常規(guī)方法調(diào)節(jié)計算中不考慮保證率因素，常用單一方案過程的頻率曲線近似代替保證率概率曲線。從圖3—4可以看出，相同保證率時，改進方法的保證供水流量、保證出力都明顯大于常規(guī)方法的結(jié)果。

6 結(jié)論

常規(guī)方法徑流調(diào)節(jié)是在手工計算條件上創(chuàng)立的，基本調(diào)節(jié)期僅是一個水文年，重點局限在每個水文年的供水期，計算所得供水保證流量偏小。本文提出的改進方法，統(tǒng)一了不同調(diào)節(jié)性能水庫的計算方法，提出了長系列連續(xù)計算、全系列等流量供水等改進措施。用長系列連續(xù)計算代替常規(guī)方法的分年獨立計算，提高了方法的合理性并能提高保證供水流量和保證出力，改進方法已經(jīng)過多項目的實用檢驗。建議DL/T 5105—1999修訂時能吸納已經(jīng)實踐檢驗的更合理的計算方法。