灌溉和供水水庫多級興利調度圖編制方法

2022-09-22 08:36:28崔瀚哲

水利科技與經濟 2022年9期

崔瀚哲，姚磊

(河海大學水利水電學院，南京 210098)

1 概述

水庫調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的重要參考依據。單一目標的水庫調度圖繪制方法已有較多研究與應用。但在實際工程中，一座年調節或者多年調節水庫很大概率上會同時承擔發電、航運、灌溉、城市及工業供水等興利任務，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度圖。

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

多級興利調度圖一般由上下調配線、防棄水線以及限制供水線組成，將調度圖劃分出保證供水區、低供水期、限制供水期、加大供水期以及預想出力區，共5個調度區。對于上下調配線，現行常用的繪制方法有優化調度[2]和強化學習算法[3]，但均只給出調度結果。因此，本文以《規范》中灌溉與工業供水相結合的綜合利用水庫調度圖編制方法為對象，研究綜合調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，具有一定的學術意義和實踐價值。

2 基于長系列及典型年的多級調度圖編制方法

2.1 基于長系列的多級調度圖編制方法

以具有灌溉和工業供水的多重興利任務的年調節水庫為例，工業供水保證率為P1，灌溉保證率為P2，多級調度圖編制方法如下：

1) 求上調度線時，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，并根據水庫的水位庫容關系曲線，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度圖的上調度線。

2) 求下調度線時，需要從供水期末死水位處開始逆時序進行水量平衡計算，根據水庫的水位庫容關系曲線，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度圖的下調度線。

3) 將工業供水與灌溉供水均按一定的折扣系數縮減供水，根據工程實際情況，工業供水保證率P1要大于灌溉保證率P2，所以采用頻率為工業供水保證率P1的來水過程，自供水期末死水位開始逆時序調節計算，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，可以取下調度線為限制供水線[4]。

2.2 基于典型年的多級調度圖編制方法

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據的高要求也為繪制多級調度圖帶來不便。所以，在基于長系列的多級調度圖編制方法的基礎上，提出基于典型年的多級調度圖編制方法，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) 以年調節水庫為例，對于灌溉與工業供水相結合的綜合利用水庫，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節，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，即可畫出多級調度圖的上下調度線。

6) 繪制限制供水位時，可以取下調度線為限制供水位。

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]。防棄水線與上調度線之間為加大出力區，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用水為主，同時兼顧防洪、發電。根據來水與用水量保證率曲線判斷，該水庫屬于年調節，灌溉設計保證率為75%，城鎮生活和工業用水保證率為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用水進行縮減，可以選擇來水保證率。同時，為了保證調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用水均是在下游取水，為先用后耗，不會影響發電，具體的用水計算結果見表2。

表2 設計用水過程表

續表2

然后計算并繪制多級興利調度圖。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)，逆時序調節計算，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，水庫調度圖的上下調度線見表4。

表4 典型年法確定上下調度線過程表

最終可得其結合灌溉和工業用水的興利調度圖，見圖1。

圖1 工程實例一中結合灌溉和工業用水的興利調度圖

3.2 湘江流域某水庫的多級興利調度圖計算繪制

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用水為主，兼顧防洪、發電。根據其多年來水以及用水的徑流資料判斷，該水庫為年調節水庫。

根據上文所敘述的方法，使用典型年法來繪制其結合灌溉和供水的多級興利調度圖。通過分析水庫多年來水和用水資料后發現，其來水較充足，不需要對于灌溉和工業用水進行縮減。為了保證調度圖的適用性，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)，逆時序調節計算，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，最終徑流調節計算所得上下包線的結果見表7。