《水利工程水利计算规范》中供水与灌溉调度图编制探讨

王 平

(上海勘测设计研究院有限公司，上海 200434)

城乡供水或灌溉水库的调度是设计水库运行规则、合理调度使用水资源的技术，水库调度图计算和应用是供水和灌溉水库水利计算的重要内容。常规方法[1- 3]的时历法调度图是在无径流预报的情况下，依靠历史径流资料计算和绘制的。常规方法的调度图计算方法已应用了多年，其原则和方法是基本正确的，但随着计算手段改善和工程需要的变化，常规方法存在的调度图需经反复修改、结果不够准确的问题愈显突出。新版工具书《水工设计手册》(第二版)[4]却没有供水或灌溉水库调度图计算的内容，新版的SL 104- 2015《水利工程水利计算规范》[5](以下简称《规范》)关于供水和灌溉水库调度图的计算方法也没有更新修订，其它有关时历法计算水库调度图的研究[6- 10]也很少。本文以《规范》中的城乡供水和灌溉水库调度图计算方法为研究对象，剖析现行常规方法存在的问题，提出相应的改进思路和措施，并形成实用、完整的城乡供水或灌溉水库调度图计算的改进方法。

1 《规范》中供水或灌溉调度图计算方法的问题

《规范》对供水水库调度图的计算方法叙述的十分简单，仅在6.2.4说明中指出“可以采用类似发电水库调度图编制方法”；《规范》对灌溉水库调度图计算方法在7.2.5说明为“一般采用逆时序调节计算方法连续计算求出历年逐月(或旬)的库水位过程，取灌溉设计保证率以内各年份中月(或旬)的上包线为防破坏线；再对全部破坏年份按满足特枯水年灌溉用水量的要求进行逆时序调节计算，求出各月(或旬)的上包线作为降低供水线。当降低供水线高于防破坏线时，要减少特枯水年的灌溉用水量，使降低供水线低于防破坏线”。

《规范》关于供水或灌溉水库调度图的计算方法有如下问题。

(1)库水位计算过程考虑因素不全

《规范》的方法没有说明逆时序径流调节计算的条件，因为调度图才开始计算，肯定不是按水库调度图所做的径流调节计算，只会是不按调度图运行的一般径流调节计算。这种简单的径流调节计算中只按来水和蓄水条件，尽可能满足当期的供水或灌溉要求，并不考虑要全部保证设计保证率之外降低供水的要求，计算的供水或灌溉保证率仅是没有全部保证最小供水或灌溉前提下的初步指标，这与按供水或灌溉水库调度图做的径流调节的方法和结果都是不一样的。用常规径流调节得出的简单因素控制的库水位过程，作为计算供水与灌溉水库调度图的依据，得出的调度图就难以满足降低供水、正常供水、加大供水的多因素综合控制要求，供水或灌溉保证率也无法准确符合要求。

(2)防破坏线计算中考虑因素不足

《规范》以灌溉设计保证率以内长系列年份中月(或旬)库水位的同期上包线作为防破坏线，但因为前述简单的径流调节过程并没有考虑全部正常供水或灌溉设计保证率之外的降低供水任务，仅考虑了正常的供水或灌溉单一任务，依此上包线作为防破坏线仅是不保证设计保证率外特枯水时段的降低供水为前提的，相应设计保证率外的降低供水达不到全部保证的要求，正常的供水或灌溉保证率也受此影响，难以准确符合设计要求。

(3)降低供水线与防破坏线关系不协调

《规范》采取先单独计算确定水库防破坏线，然后再单独计算确定水库降低供水线，没有考虑到降低供水与正常供水的相互影响，即采用分别单独计算的降低供水线和防破坏线构成的调度图，因调度区的部分重叠，实际可保证的调度区减小，并不能同时满足这两项任务，不能在首先满足设计保证率之外降低供水的前提下，再满足正常的供水或灌溉任务并使之符合设计的保证率。正是因为《规范》中方法没有能协调降低供水线与防破坏线的关系，造成降低供水区与正常供水区部分重叠，导致降低供水线可能高于防破坏线的不合理现象。

(4)调度图修改没有可行的方法

《规范》6.2.5“调节性能为年调节及以上的供水水库应按照调度图，采用长系列来水和需水过程进行调节计算，检验能否满足设计供水保证率和破坏深度要求。如不能满足要求，应修改水库调度图及计算成果，必要时调整水库特征水位。”《规范》7.2.6“调节性能为年调节及以上的灌溉水库应按照调度图，采用长系列来水及灌溉需水过程进行调节计算，检验能否满足灌溉设计保证率和破坏深度要求。如不能满足要求，应进一步修改水库调度图及调节计算成果。”《规范》分别对供水或灌溉调度图提出了检验、修改要求，这说明《规范》的调度图计算方法并不能保证直接得出合理、准确的调度图。虽然《规范》提出了修改要求，但并没有提出可操作的修改方法。实际水库工程的供水或灌溉调度图至少分为三个调度区、两条调度线，有数十个月(或旬)的未知水位变量，如果不能找出调度图与径流调节计算或调度结果之间准确的逻辑关系，调度图修改就没有规则可遵循，即使靠经验重复修改多次，可能结果仍难以达到要求。

2 供水或灌溉调度图计算方法的改进思路

2.1 提高库水位过程的准确性

使用《规范》的方法计算调度图时取长系列年逐月(或旬)的库水位过程的同期上包线为调度线，历年逐月(或旬)的库水位过程不应采用常规径流调节的简单结果，应考虑按水库调度图运行后分为降低供水、正常供水和加大供水的各种运行工况，分别以各自的不同供水量和保证率控制径流调节计算过程，并对保证率之外特枯时段降低供水、保证率之内正常供水、加大供水采取按顺序逐级保证，后一级保证以前一级保证为前提，分别控制各级供水任务的不同保证程度。在此基础上计算的逐月(或旬)库水位过程作为计算调度线的依据条件，所求的水库调度线和调度图才可能按设计保证率的要求满足正常供水或灌溉任务，并符合设计保证率之外降低供水的要求。

2.2 先计算确定降低供水线

《规范》的方法计算供水防破坏线时不以保证降低供水要求为前提，将简单径流调节的正常供水年份各月(或旬)的上包线作为防破坏线，导致了正常供水区与保证率之外降低供水区不合理地重叠，由于两种调度任务没有各自独立的保证区，按此调度图运行的结果就使正常供水和降低供水不能都得到满足。为避免这一问题，改进方法计算调度图时应首先计算设计保证率之外的降低供水线，先保证满足降低供水这一最低要求，在此前提下再计算正常供水或灌溉防破坏线。

2.3 改进防破坏线计算方法

调度图改进方法先计算降低供水线，后确定供水或灌溉的防破坏线，正常供水区与降低供水区不应重叠，即降低供水线与防破坏水位不交叉。依此协调正常供水区与降低供水区的位置，使正常供水区与降低供水区各自独立存在又紧密相连。经过对防破坏线计算方法的改进，可以在满足保证率外的降低供水前提下，再保证满足保证率内的正常供水或灌溉。

2.4 调度图计算方法应该统一

因《规范》中常规的供水或灌溉水库调度图计算方法存在不准确、不完善的问题，所计算的调度图要经过多次的经验性的检验和修改，也很难准确满足设计要求。改进方法应改变计算模式，计算过程应明确、方法应统一，不应依赖个人经验进行修改，全面提高调度图计算的合理性、准确性，使调度线不交叉、调度区不重叠，明确可达到的降低供水程度，调度图结果应明确正常供水对应的保证率。调度图应能快速、方便地通过长系列径流调节计算的检验，不需要再对调度图进行反复的检验和修改。

3 供水或灌溉调度图改进方法的主要内容

3.1 改进方法中降低供水过程确定

以供水或灌溉为主要任务的水库，为控制特枯水年度供水或灌溉破坏深度，一般特枯水时段供水不小于正常设计供水量的70%～80%，灌溉水量一般不小于正常设计水量的50%。可根据具体水库工程的供水或灌溉在设计保证率之外破坏期的具体要求，考虑与正常供水或灌溉的关系，合理确定降低供水过程。降低供水是工程在设计保证率之外破坏期的最低要求，应在工程运用的各时段都能得到满足。在一定的入库径流条件和水库规模时，正常供水或灌溉任务、供水或灌溉保证率、降低供水任务三者之间都是负相关关系，在水库调度图编制前要分析研究三者之间合理的匹配关系，可据工程需要适当调整三者大小，为进行水库调度图计算做好准备；待水库调度图和按调度图所做的径流调节有了初步结果后，应根据结果分析三者的关系是否满足工程要求，还可再调整三者的大小关系，必要时也可调整水库规模。调度图改进方法可以快速准确完成计算，为优化工程设计创造条件。

3.2 改进方法的降低供水线计算

《规范》在7.2.5中说明“对全部破坏年份按满足特枯水年灌溉用水量的要求进行逆时序调节计算，求出各月(或旬)的上包线作为降低供水线”。这种方法的原理是基本正确的，但具体做法却不够准确和不易操作，即在调度图开始计算阶段要选用的“全部破坏年份”只能是采用常规简单径流调节的结果，而这一结果与按调度图所做的径流调节的最终结果并不一致，所以不一定准确；另一方面，在连续长系列中再挑选出“全部破坏年份”，还要对需水和入库径流系列作出不连续的处理，增加了计算环节而结果精度并没有提高。为避免这一问题，改进方法按照全系列连续的降低供水过程进行逆时序供水或灌溉的径流调节计算，求出各月(或旬)水位的上包线作降低供水线。与《规范》的方法不同的还有，改进方法是先计算确定降低供水线和降低供水区，此处的降低供水区将是单独满足设计保证率以外的降低供水任务，此区域将与保证率之内的正常供水区不重叠。

3.3 确定防破坏线所依据的径流调节过程计算

确定了降低供水过程、降低供水线之后，为了给防破坏线计算提供准确的径流调节过程，以降低供水线和水库的基本特征水位(正常蓄水位、汛期限制水位、死水位)形成的初始调度图为依据，按初始调度图做顺时序的径流调节计算。计算中考虑正常的供水或灌溉、降低供水，不预测入库径流，以实际水位在调度图中的位置确定供水或灌溉的状态，水位处于降低供水线和正常蓄水位(或汛期限制水位)之间区域，属于设计保证率以内，为正常供水或灌溉；水位在降低供水线与死水位之间，为供水或灌溉保证率以外，按降低供水过程调度；当水位等于正常蓄水位(或汛限水位)并且当期入库径流量大于正常供水或灌溉需水量时，可按水库加大供水方式运行。依此方法径流调节后，能使保证率以外的降低供水得到充分满足，也尽可能满足了保证率以内的正常供水或灌溉。与《规范》中方法比较，改进方法严格区分了降低供水与正常供水的径流调节目标，优先全时段满足降低供水要求，再尽力保证正常的供水或灌溉任务。降低供水是全时段确保，实际供水或灌溉保证率的高低与正常供水或灌溉任务大小相应，径流调节计算的降低供水或灌溉水量与正常供水或灌溉水量及相应的保证率比《规范》的常规方法明确可靠。

3.4 改进方法的防破坏线计算

防破坏线应以满足设计保证率之外，特枯水时段降低供水为前提条件，正常供水应符合设计保证率，防破坏线计算依据的库水位过程必须是含有特枯水时段的降低供水、设计保证率内的正常供水，而不应含有加大供水任务。把前述按初始调度图径流调节过程中含有加大供水量时段取为正常供水，与径流调节过程中可正常供水时段和设计保证率外的降低供水时段及其相应水量一起，构成了计算水库防破坏线完整准确的供水系列。依此供水系列逆时序连续做径流调节计算，即可以得出长系列各时段供水或灌溉的相应水位即为防破坏水位。为使降低供水得到全时段保证、正常供水满足设计保证率，就必须保持正常供水区和降低供水区各自独立，避免二者重叠，所以在本阶段逆时序连续径流调节过程中，要控制每个正常供水时段库水位不低于降低供水线，最后再取历年各月(或旬)防破坏水位的上包线即为防破坏线。与《规范》的方法比较，改进方法计算防破坏线依据的供水或灌溉过程中包含了降低供水、正常供水，并削除了加大供水部分，能保证需水和供水过程完整、合理；另一方面，控制长系列各时段的供水或灌溉防破坏水位不低于同期的供水或灌溉降低供水线，彻底避免了《规范》中提到的降低供水线高于防破坏线的不合理现象，也就省去了对此不合理现象所要做的一系列经验性修改、检验工作，从根本上提高了改进方法计算调度图的准确性。

3.5 加大供水线计算

《规范》对供水或灌溉水库调度图均提出了加大供水区的要求，但并没有提出计算供水或灌溉加大供水线的方法。在正常情况下，供水或灌溉水库有条件加大供水时，主要按加大供水的具体要求供水，通常可采取立即集中加大或后期集中加大方式供水即可，一般无需计算水库的加大供水线；只有要求水库以均匀方式加大供水时，才需要计算水库加大供水线。可按加大供水的具体要求，对不同的加大供水线作出计算。计算方法因要求均匀加大供水的具体条件而不同，应经若干方案的比较，计算不同的加大供水线供选择使用，其中等于水库放水能力的水库加大供水线即为水库的防弃水线。

3.6 水库供水或灌溉调度方式

水库供水或灌溉调度图计算改进方法只对调度图的计算模式进行了改进，供水或灌溉调度图的基本调度分区和各调度区内水库调度方式仍与《规范》相同。即水库水位在降低供水线和防破坏线之间时，水库按保证正常供水或灌溉需要供水；水库水位高于防破坏线时，除按正常供水或灌溉需要供水外，还可以根据供水区或灌区工程蓄水情况适当加大向供水地区的输水量，用于供水区或灌区的多水源之间的联合调度或屯蓄；当水库水位在降低供水线和死水位之间时，按设计降低的特枯水年供水或灌溉水量供水。

4 实例

4.1 调度图计算条件和结果

某城市供水水库总库容1.84亿m3，兴利调节库容0.63亿m3，年均径流量1.1806亿m3(含每年汛期前、后从外流域集中调水)，正常蓄水位28m，汛期限制水位27.5m，死水位18m。水库承担城市供水和火电厂供水任务，城市供水保证率可在95%上下比较，向火电厂供水部分要求保证率为100%，城市供水可与其它水源联合调度，对保证率之外的破坏深度不做具体限制。因此水库正常供水为城市供水与火电厂用水之和，水库设计保证率之外的降低供水任务为向火电厂供水。用改进方法作出水库调度图并按调度图进行径流调节，对水库城市供水设计保证率进行多方案计算比较。计算结果见表1，方案3的水库调度图见图1，图1中上线为水库正常蓄水位或汛期限制水位，中线为防破坏线，下线为降低供水线。

表1 计算结果

图1 调度图

本例使用改进方法计算供水调度图，并按调度图做径流调节，设计保证率外降低供水量(电厂供水量)可以全时段满足，如果需要也可对降低供水量的大小做多方案的计算比较；不同的正常供水保证率，计算可得到不同的保证(正常)供水量；本水库对加大供水采用立即加大方式运行，调度图中不需要计算加大供水线。实际工程可考虑对降低供水、正常供水量及保证率等参数的不同要求，结合工程其它情况选用调度方案。

4.2 改进方法与常规方法比较

供水或灌溉调度图计算改进方法与《规范》中常规方法的计算原理是一样的，在相同的条件时，准确的调度图也应是相同的。改进方法的主要改进内容体现在调度图计算过程和结果中，避免了对调度图的多次检验计算，避免了没有明确规则可依的经验性修改调度图，提高了调度图和相应径流调节计算的合理性和准确性；用改进方法的调度图可以更准确、灵活地协调供水或灌溉任务与水库调度的各种要求，可以优化工程设计或提高水库调度合理性。

5 结论

针对《规范》中城乡供水或灌溉水库调度图计算方法存在的问题，提出了合理确定降低供水过程，优先准确计算降低供水线，按调度图模式合理调节径流，控制供水或灌溉防破坏水位不低于同期的供水或灌溉降低供水线等改进措施。改进方法协调了水库调度与径流调节的关系，准确计算了降低供水区，在满足降低供水的前提下确定了正常供水区，改进方法可以准确地计算出调度线、调度图，并能按调度图作出径流调节。改进方法提高了供水或灌溉时历法调度图的合理性与实用价值，改进方法应用方便，计算方法明确、避免了任意性较大的调度图经验修改，明显提高了计算效率和结果的准确性。