綜合利用水庫徑流調節簡便計算方法應用分析

趙 蕾

(廣東珠榮工程設計有限公司，廣州 510610)

水庫徑流調節的任務是確定調節流量、庫容和保證率三者間的關系。綜合利用的水庫工程承擔著多項興利任務，且不同的任務其設計保證率和用水要求均不相同。根據各任務的保證率，合理確定庫容，是綜合利用水庫徑流調節的難點。本文以貴州省某水庫為例，對比分析簡便的化算保證率法、主要用水部門選定庫容法及保守庫容挑大法在徑流調節計算中的差異和適用性[1-2]。

1 工程概況

某水庫工程規模屬小(1)型，工程等別為Ⅳ等，工程任務是村鎮供水和農田灌溉，到設計水平年，可解決51 666人、20 000頭大牲畜、15 999頭小牲畜及160萬只家禽的人畜飲水問題，并解決2 541 hm2耕地的灌溉用水問題。某水庫壩址以上集雨面積為71.8 km2，河長為21.3 km，比降為9.7‰，多年平均徑流量為3 714.4萬m3，枯水年(P=80%)徑流量為2 759.1萬m3，特枯年(P=95%)徑流量為2 090.1萬m3。項目區灌溉設計保證率為P=80%，年需水量為1 495.3萬m3，村鎮供水設計保證率為P=95%，年需水量為390.9萬m3。水庫校核洪水位為674.8 m，總庫容為902.4萬m3，設計洪水位為674 m，正常蓄水位為671.8 m，相應庫容為747.3萬m3，死水位為649.1 m，死庫容為87.9萬m3，興利庫容為659.4萬m3。大壩采用堆石砼重力壩擋水，壩頂高程為676.30 m，最大壩高為57.3 m，壩頂長度為154.0 m。

2 綜合利用水庫徑流調節原理

徑流調節計算的基本原理是利用水庫的調蓄能力，改變天然徑流過程，實現以豐補枯，增加枯水期可利用水量。計算依據的基本原理是水庫進出庫的水量平衡，即各時段的水庫來水量及用水量，按設定的調節庫容順序進行徑流調節計算，第i時段的計算公式為：

Vi+1=Vi+W來水-W用水-W損失

(1)

式中：

Vi、Vi+1——水庫第i時段初和時段末的需水量；

W來水——第i時段來水量；

W用水——第i時段各部門用水量之和；

W損失——第i時段水庫各種水量損失。

綜合利用水庫徑流調節為多級用水、多級綜合利用調節計算，包含多個設計保證率和調節流量，其調節計算所確定相應庫容可用式(2)表示：

V=f(Pi，qi)i=1,2,3……n

(2)

式中：

Pi、qi——各用水部門的設計保證率及正常用水量；

n——所有用水部門的個數。

原則上來說，嚴格的多級徑流調節計算應與用水調度相聯系，不同的調度方案可以產生不同的解，形成逐步逼近的計算問題。通常為了確定初步的有效庫容，常常采用某些簡化方法，包括簡便的化算保證率法、主要用水部門選定庫容法和保守的庫容挑大法[1,3]。

3 基礎資料及調節原則

1) 徑流資料

徑流調節計算采用的徑流系列為1958—2015年共 58 a 的逐月平均徑流量，各典型年徑徑流成果見表1。

2) 庫容曲線

壩址的庫容面積曲線采用2018年6月實測1:1 000地形圖成果量算，水位—庫容—面積關系成果如圖1所示。

表1 各典型年徑流成果

圖1 水庫水位—庫容—庫容關系曲線示意

3) 供水對象需水量

水庫供水包括鄉村人畜供水和農田灌溉供水，水庫設計水平年供水量為1 886.2萬m3，其中向鄉村人畜供水為390.9萬m3，灌溉供水為1 495.3萬m3。

4) 水庫水量損失

水庫水量損失主要包括蒸發增損和滲漏損失。水庫蒸發增損為水庫增加水面面積而增加的蒸發量，調節過程中每月蒸發增損量為每月平均庫面面積乘當月蒸發增損深度。水庫每月滲漏損失按各月平均庫容的1.0%考慮。經計算，水庫多年平均蒸發、滲漏損失為35.9萬m3，其中多年平均蒸發增損為4.2萬m3，滲漏損失為31.7萬m3。

5) 河道內生態用水

根據《水利水電建設項目水資源論證導則》，生態流量按多年平均流量的10%預留，水庫壩址多年平均流量為1.18 m3/s，則生態流量為0.119 m3/s，生態流量年用水量為371.4萬m3。

6) 調節原則

根據《水利工程水利計算規范》(SL 104—2015)，灌溉水庫徑流調節計算應采用長系列法，長系列時歷法調算的原則是優先供水，其次保障灌溉，盡量保證生態基流，余水存蓄于水庫，蓄滿則棄，未到死水位也不要求放空。

4 綜合利用水庫徑流調節計算方法

4.1 簡便的化算保證率法

1) 計算方法

為了初步明確二級調節情況下所需的有效庫容，按單級調節的思路，必須設法擬定出一個經過化算的保證率，以便與一個相當的調節流量一起作為已知條件，從而求出相應的有效庫容。設水庫的二級調節條件分別為(P1，q1)和(P2，q2)，且P1

(3)

2) 計算成果

項目灌溉設計保證率為80%，用水量為1 495.3萬m3，村鎮供水設計保證率為95%，用水量為390.9萬m3，化算的保證率為84%，興利庫容為731萬m3。

3) 成果檢驗

當水庫興利庫容為731萬m3，1958—2015年共58 a中有9 a用水不能得到滿足，當保證率超過80%時，以灌溉破壞深度需小于50%為限制條件折減灌溉用水[5]，優先滿足村鎮供水，經計算，村鎮供水量為390.9萬m3，設計保證率滿足為95%，灌溉供水量為1 538.0萬m3，設計保證率為84%，超過灌溉設計保證率80%的要求。

4.2 主要用水部門選定庫容法

1) 計算方法

該方法實質是不考慮次用水部門的設計保證率的問題，其用水要求在調節計算中按全部滿足處理。其處理辦法適用于當次用水部門的用水量所占比重不大時，這時次要用水部門用水直接在來水中扣除，然后進行調節計算，求出所需庫容[1]。

2) 計算成果

本項目年村鎮供水量為300.9萬m3，月供水量為32萬m3，在歷年各月來水中扣除村鎮供水量，然后進行徑流調節計算，經計算可知，水庫興利庫容為645.08萬m3。

3) 成果檢驗

當水庫興利庫容為645.08萬m3，1958—2015年共58 a中有12 a用水不能得到滿足，當保證率超過80%時，以灌溉破壞深度需小于50%為限制條件折減灌溉用水，優先滿足村鎮供水，經計算，村鎮供水量為390.9萬m3，保證率滿足95%，灌溉供水量為1 493.1萬m3，灌溉保證率為78%，不滿足灌溉設計保證率80%的要求。

4.3 保守庫容挑大法

1) 計算方法

各種用水均有其特定的設計保證率，對兩種用水分別作調節計算，求出調節庫容，以其中大者作為設計庫容。

先計算低保證率時所有用水均滿足情況所需的庫容；再計算高保證率的情況，當保證率超過低保證率時，此時低保證率用水可破壞，用水量可按來水量減少情況進行折減，按折減后的用水量計算所需庫容；挑兩者中大者為設計興利庫容[6-10]。

2) 折減系數

當計算高保證率情況時，低保證率用水需按來水量減少情況進行折減，折減系數可按兩種方法確定，分別是按遞變折減系數和固定折減系數[11-12]。

遞變折減系數是按來水量減少量情況進行折減，即超過低頻率的年份，每年用水量按來水量減少量與低頻率來水量比值進行折減，如低頻率為80%時，來水量為2 759.22萬m3，頻率為85%時，來水量為2 573.1萬m3，折減系數=1-(2 759.22-2 573.1)/2 759.22=0.93。

固定折減系數是按高、低頻率差值進行折減，即超過低頻率的年份，每年用水量均按頻率差異以固定值折減，如低頻率為80%時，高頻率為95%時，折減系數為0.85，保證率超過80%的年份，用水量均按折減系數0.85進行折減。

經計算，遞變折減系數為0.65～0.93，固定折減系數為0.85，有一定的差異，按固定折減系數，計算方法簡單，有一定的代表性，但折減系數無差異，對于特枯年，折減量不能代表特枯年用水量破壞的實際情況；按來水量減少量折減，概念清晰，有一定的理論依據，越枯的年份折減系數越小，更符合越枯年份，來水量越少，可供水量越少的變化情況，推薦采用。

3) 計算成果

本項目興利計算過程中，由于灌溉與村鎮供水保證率不一致，采用2種工況進行計算：

工況1：設計保證率為P=80%時，灌溉和村鎮供水用水全部保證；

經計算，水庫興利庫容為655.5萬m3，興利庫容頻率曲線見圖2。

圖2 水庫興利庫容頻率曲線(P=80%)

工況2：設計保證率為P=95%時，由于灌溉設計保證率(P=80%)與供水設計保證率(P=95%)不同，故考慮采用95%年份先滿足生活供水，農灌削減用水的處理方法，即超過P=80%保證率的枯水年份，灌溉用水量按來水量減少的程度進行削減，折減系數為0.65～0.93。

經計算，水庫興利庫容為659.4萬m3，興利庫容頻率曲線見圖3。

從工程安全角度考慮，采取兩種工況計算成果的大值作為興利庫容，即興利庫容為659.4萬m3。

圖3 水庫興利庫容頻率曲線(P=95%)

3) 成果檢驗

當水庫興利庫容為659.4萬m3時，1958—2015年共58 a中有11 a用水不能得到滿足，當保證率超過80%時，以灌溉破壞深度需小于50%為限制條件折減灌溉用水，優先滿足村鎮供水，經計算，村鎮供水量為390.2萬m3，保證率滿足95%，灌溉供水量為1 495.3萬m3，設計保證率為80%，均滿足要求。

4.4 成果分析

1) 計算成果分析

3種方法興利庫容和實際保證率情況見表2，根據表2中設計保證率和實際保證率、設計供水量和實際供水量對比分析，方法1計算成果偏保守，方法2計算成果偏風險，方法3計算成果適中。

表2 興利庫容計算成果對比

2) 適用性分析

方法1是按各用水戶用水量比例對設計保證率作線性內插處理，沒有嚴格的理論依據，無法明確判明其結果屬于冒進或保守。當兩用水戶用水量差異越大時，化算保證率較小，成果偏冒進，當兩用水戶用水量差異較小時，化算保證率越大，成果偏保守。此方法計算簡單，適用于規劃階段進行方案對比。

方法2不考慮次要用水部門的設計保證率，其用水要求在調節計算中按全部滿足處理，適用于次要部門用水比重小，且各月來水能滿足次要部門用水需求的情況。此方法要求次要部門用水比重小，其幅度沒有明確界定，難以把握，難以保證成果的合理性。

方法3保證率概念較明晰，分別計算各保證率興利庫容，挑大者作為設計興利庫容，滿足其中一個用水戶用水需求，必能滿足另一用水戶需求，計算成果合理；適用范圍廣，無限制條件；同時折減系數有一定的理論依據；可作為綜合利用水庫徑流調節計算的推薦方法。

5 結語

1) 簡便的化算保證率法設計保證率沒有嚴格的理論依據，無法判斷計算成果屬于冒進或保守；主要用水部門選定庫容法僅適用于次要部門用水比重小，且各月來水能滿足次要部門用水需求；保守的庫容挑大法設計保證率概念明晰，計算成果合理，適用范圍廣，可作為綜合利用水庫徑流調節計算的推薦方法。

2) 保守的庫容挑大法中遞變折減系數按來水量減少量計算，概念清晰，有一定的理論依據，越枯的年份折減系數越小，更符合越枯年份，來水量越少，可供水量越少的變化情況。