基于旬径流预报信息的跨流域引水兴利调度方式的研究

2014-02-28王本德梁国华

东北水利水电 2014年3期

董霞，王本德，梁国华

（1.山西省水利水电勘测设计研究院，山西太原030024；2.大连理工大学土木水利学院，辽宁大连116024）

东水西调工程是从临近流域引水到大伙房水库，经大伙房水库反调节后，再向辽河中下游地区缺水城市供水的一项大型跨流域引水工程。引水后大伙房水库径流条件发生了变化，原设计兴利调度方式已经不再适用于指导水库的调度运行，而目前现存的基于调水情况下的水库运行调度规则和兴利调度图没有考虑径流预报信息。这种调度方式用于指导水库运行往往会在引水后因为该流域来水量又较丰而导致不得不弃水的现象，这种运行方式既浪费了水资源，也不经济。因此，迫切需要研究新的调度方式以指导水库的调度运行。

本文将通过分析现有调度方式的基础上，利用文献[1]和《GFS降雨预报信息在PSRM模型中的应用》的研究成果，研究基于径流预报信息的大伙房跨流域引水兴利调度方式，用于指导水库在调水后的调度运行。

1 常规兴利调度方式

1.1 大伙房跨流域引水常规兴利调度方式

大伙房跨流域引水常规兴利调度方式及调度图如图1所示。

图1 大伙房跨流域引水常规调度图

按照农业供水限制线将调度图划分为两个区：Ⅰ区（死库容～农业限制线）—农业限制供水区，农业限制供水系数取0.7；Ⅱ区（农业限制线～正常或汛限水位）—工、农业正常供水。此外死水位以下，工业限制供水，限制供水系数为0.9。

限制引水线将调度图划分为两个区：限制引水线以上，不调水；限制引水线以下，按照最大调水能力进行调水。

1.2 农业用水预测及调水分析

1.2.1 预测分析

由于作物本身的要求以及气候、季节、环境等多方面因素的影响，农田用水预测是一个相当复杂的过程。根据1959—2004年灌溉期实测来水和年农业用水资料，绘制灌溉期来水量与灌溉用水量相关关系图，如图2所示。

图2 灌溉期来水量与灌溉用水相关关系图

从图2中不难发现灌溉期来水量与灌溉期用水量是成负相关关系的。当水库灌期来水量处于丰水段（不小于 1165×106m3），灌溉用水为 380×106m3；当年来水量处于平水段（615×106～1165×106m3），灌溉用水为 500×106m3；当水库年来水量处于枯水段（小于 615×106m3），灌溉用水为 630×106m3。

实际上，当上游预报来水较丰时，由于流域水文现象的同步性，下游降雨也较丰，下游农业实际需水量可能要比计划用水少。因此，如果按照原计划供水，可能会造成水资源的浪费。

另外，在常规调度图中的农业限制供水区，农业限制供水系数取0.7。在水库实际运行时当时段来水较丰时，完全可以提高农业限制供水系数，以减少农业破坏时段以及降低破坏程度。

1.2.2 引水分析

大伙房跨流域引水常规调度方式中当面临时刻水位位于限制引水线以下，按照最大调水能力进行调水，当后期来水较丰时，为了防洪安全必须弃水。

实际上，如果考虑预报，在限制引水线以下的一定范围内，当来水较丰时，可以不引或少引水。这种引水方式既可以减少引水，又可以减少弃水量，提高水资源的利用率。

以上述分析结果将是指导研究基于旬径流预报信息的大伙房跨流域引水兴利调度方式的核心思想。

2 大伙房兴利调度方式研究

2.1 兴利调节目标与基本思想

基于旬径流预报信息的兴利调节目标：根据预报来水的丰、平、枯情况和面临时刻库水位以及各部门相应的用水系列三者之间的特性制定符合水库实际运行情况的引水、供水规则等调度方式[3]，在满足工业供水和农业供水保证率前提下，达到引水量和弃水量最小的目标，即在优先利用该流域的水资源的基础上，再尽可能少地跨流域引水。

基于旬径流预报信息的兴利调节基本思想：当某时段缺水时，优先保证工业用水，然后是农业用水。在丰水期，能够满足所有用户正常供水的条件下，不调或尽量少调水；在枯水期，则以最大调水能力调水。

2.2 兴利调度方式判别指标确定

在考虑预报的调度方式研究中，判别调度指标主要考虑如下几个指标：旬径流预报信息、工业和城市生活用水、农业用水量和旬径流预报丰平枯划分。

1）旬径流预报信息

由于GFS降雨预报信息资料有限，无法利用其推求的径流预报信息进行长系列调节，因此只能选用文献[1]中1959—2006年5月中旬至10月下旬利用各旬实测降雨资料拟合的旬径流值代替旬径流预报值。另外，由于没有研究其他各旬相关模型对其进行预报，本文拟采用其实测径流值代替预报值。

2）工业和城市生活用水量

大伙房水库在没有引水工程之前，主要负责沈阳、抚顺的工业用水和大伙房下游的农业用水，引水工程启动之后，大伙房水库将通过反调节，向辽宁中部地区的抚顺、沈阳、本溪、辽阳、鞍山、营口等6市提供城市生活和工业用水，同时还要保证原有的工、农业用水。因此，引水工程启动之后，工业与生活用水分配将分为两个部分：一是调水工程实施前大伙房水库承担的工业与生活用水；二是调水工程实施后，大伙房水库还需承担新增加的工业和生活用水量。用年总用水量除以计算时段数，即为各时段的工业用水量。

大伙房水库在调水工程启动后总的工程与城市生活用水设计值1—12月每月都为197.42×106m3，合计 2369×106m3。

3）农业用水量

在农业用水资料中，只有1989—1995年有灌溉期各旬农业用水资料。因此，本文拟采用它们的平均值，来代替灌溉期各旬农业用水分配比率，如表1所示。

表1 大伙房农业用水分配比例

灌溉期如果上游预报来水较丰时，农业需水减为原计划的70%；预报来水丰时，农业需水减为原计划计划的90%；预报来水平或枯时，农业需水则按原计划进行。

4）旬径流预报丰、平、枯划分方法

当工、农业限制供水以及水库发生弃水时，需要根据预报旬径流信息的丰、平、枯确定限制供水系数和弃水量。对1959—2006年48年各旬径流量进行升序排列，取经验频率为15%，50%，85%的实测旬径流量作为丰、平、枯分界线。如表2所示。

表2 各旬预报径流丰平枯分界值 106m3

当预报径流量大于f值时来水较丰，当预报径流量小于f值大于p值时来水丰，当预报径流量小于p值大于k值时来水平，当预报径流量小于k值时来水枯。

但当确定灌溉期农业限制供水系数值，取经验频率为15%，50%，85%的实测旬径流值作为预报旬径流丰、平、枯分界线进行调节，结果显示，在满足农业供水设计保证率前提下，丰、平、枯分界值取值偏大，导致农业破坏时段的破坏深度较大，因此取经验频率为10%，30%，60%的实测旬来水量作为丰、平、枯分界线。如表3所示。

表3 各旬来水丰平枯分界值 106m3

2.3 预报调度图研究

按照调度基本思想确定基于预报信息的初始调度图，以获得的初始调度图按拟定的各区运行方式顺序以旬为时段进行长系列模拟计算，以检验各用户是否达到设计保证率，分析运行成果中存在的问题，并对初始调度图进行分析调整。

调度图调整的基本思想是：当农业保证率偏低时，适当降低农业限制线，特别是供水期的农业限制线，或适当提高限制引水线；当工业保证率偏低时，应适当提高农业限制线，或适当提高限制引水线。事实上，调度图调整过程中，各影响因素间存在交互作用，需从几个因素同时着手。

基于旬径流预报信息的大伙房水库跨流域引水兴利调度图，如图3所示。

图3 基于旬径流预报信息的调度图

与常规调度图相比，基于旬径流预报信息的调度图有几点改进：

1）由于已知下旬径流预报信息，在保证水库安全的前提下，主汛期上限可设为动态控制控制上限域。

2）汛后期逐级抬高水位，以提高水库汛后蓄满的机率。

3）引水限制线设上、下限，以达到丰水期不调或少调水的目的。

2.4 基于旬径流预报信息的调度方式

通过长系列调节，基于旬径流预报信息的大伙房水库跨流域调度方式及调度规则如下：

2.4.1 引水规则

基于旬径流预报信息的兴利调度规则：1）限制引水线上限之上不引水。2）限制引水线上限之下、限制引水线下限之上，时段缺水量为时段预报来水量与时段用水量之差，时段缺水量大于时段最大引水量时，按最大引水能力引水；时段缺水量不大于时段最大引水量时，引水量等于时段缺水量；时段缺水量为负值时，不引水。3）限制引水线下限之下，以最大能力引水。

常规兴利调度规则：1）限制引水线上限之上不引水。2）限制引水线下限之下，以最大能力引水。

2.4.2 供水规则

基于旬径流预报信息的兴利调度规则：

1）面临时刻水库水位位于农业限制线之上，工业和农业正常供水。

2）面临时刻水库水位在死水位之上，农业限制线之下，工业正常供水，农业限制供水。农业限制供水系数根据预报来水量丰平枯决定。如果预报旬径流较丰，限制供水系数为1.0；如果预报旬径流丰，限制供水系数为0.8；如果预报旬径流为平，限制供水系数为0.4；如果预报旬径流为枯，限制供水系数为0。取经验频率为10%，30%，60%的实测旬来水量作为丰、平、枯分界线。

3）面临时刻水库水位在死水位以下，历史最低水位107 m之上，农业停止供水，工业限制供水。预报旬径流较丰，工业限制供水系数为1.0；预报旬径流丰时，工业限制供水系数为0.8；预报旬径流平时，工业限制供水系数为0.4；预报旬径流枯时，工业停止供水。取经验频率为15%，50%，85%的实测旬来水量作为丰、平、枯分界线（如表2所示）。

4）面临时刻水库水位在历史最低水位107 m之下，工、农业停止供水。

常规兴利调度规则：

1）面临时刻水库水位位于Ⅱ区，工业和农业正常供水。

2）面临时刻水库水位在Ⅰ区，工业正常供水，农业限制供水。农业限制供水系数为0.7。

3）面临时刻水库水位在死库容之下，历史最低水位之上，农业停止供水，工业限制供水，工业限制供水系数为0.9。

4）面临时刻水库水位在历史最低水位107 m之下，工、农业停止供水。

2.4.3 弃水规则

基于旬径流预报信息的兴利调度规则：主汛期如果面临时刻水库水位位于汛限水位以上，如果预报来水较丰，则弃水使水位回落到汛限水位即126.4 m；如果来水丰或平则弃水使水位回落到127.0 m；如果来水枯则弃水使水位回落到汛限水位动态控制上限域即127.8 m。非汛期面临时刻库水位位于正常水位之上，则弃水使得水位回落到汛限水位或正常水位。取经验频率为15%，50%，85%的实测旬来水量作为丰、平、枯分界线（如表2所示）。弃水用于发电，如果弃水量大于电站最大出力时用水量则将多余水弃掉。

常规兴利调度规则：汛期如果面临时刻水位位于汛限水位之上，弃水使水位回归到汛限水位。非汛期如果面临时刻水位位于正常水位之上，弃水使水位回归到正常水位。弃水用于发电，如果弃水量大于电站最大出力时用水量则将多余水弃掉。

2.5 长系列调节成果

从兴利蓄水位131.50 m开始起调，以旬为时段按照上述调度规则进行长系列验算。调节起至时间为1959-10-1至2006-9-30。调节结果如表4所示。

2.6 长系列调节结果分析

从表4中可以看出，基于旬径流预报信息的调度方式和常规调度方式调节结果工业破坏年都为0，年保证率为100%，基于旬径流预报信息的调度方式与常规调度农业年保证率相同，但破坏时段比后者少5个时段；前者农业多年平均缺水量占多年平均计划供水量的2.6%，而后者农业多年平均缺水量占多年平均计划供水量的3.6%；基于旬径流预报信息的多年平均引水量比常规调度的少221.85×106m3；前者多年平均弃水量比后者少40.77×106m3。

从上述结果分析知，基于旬径流预报信息的兴利调节在满足了工业设计保证率95%和农业保证率75%的前提下，达到引水量和弃水量较小的目的。