兼有供水的水电工程径流调节方法的改进

王 平

(上海市水利工程集团设计有限公司，上海 200093)

兼有供水任务的水电工程常用的径流调节和水能计算方法为时历法，计算结果是确定工程规模的主要依据，也是编制供水发电调度图实施合理调度的基础，但目前行业规范[1- 3]关于时历法径流调节的计算方法中尚存在一些不合理之处，而深入研究时历法径流调节计算方法的成果很少[4- 5]。为此，本文以DL/T5105- 1999《水电工程水利计算规范》等资料[1- 3]中兼有供水的水电工程径流调节方法为研究对象，分析其存在的问题，提出了基于时历法的径流调节计算改进方法，为适时修订、合理完善兼有供水任务的水电工程的径流调节和水能计算方法提供参考。

1 兼有供水的水电工程径流调节方法的问题

1.1 DL/T 5105—1999缺少兼有供水的水电工程计算具体方法

DL/T 5105—1999中7.1及7.4节对兼有其它任务的水电工程水利计算的任务与原则提出了规定。

但DL/T 5105—1999中并未提出兼有供水任务的水电工程径流调节和水能计算具体的、可操作的方法。

1.2 常规方法径流调节的问题

兼有供水任务的水电工程，水力发电和水库供水之间在用水时间和库容上有矛盾，但通过增建库容或反调节水库可以协调统一。即：日内不均匀的发电放水流量通过反调节库容的再调节后，以较均匀的流量向城市、工业等供水。水库可以在长时段运行中，按供水要求的均匀稳定方式供水，在日内运行时又可按发电需要有较大的变幅。对这种长时段以供水为主的水库径流调节方法，常规的时历法有列表计算法、差积曲线图解法或简化水量平衡计算方程式法三种。基本做法就是把长系列径流过程先划分为水文年，以每个水文年作为基本计算周期，再把水文年分为蓄水期、供水期。调节计算时从蓄水期初和死水位开始，水库边供水边蓄水，在蓄水期末蓄满调节库容；水库供水期入库水量不足由水库蓄水量中供给，到供水期末刚好放空调节库容至死水位。用相同的计算方法对所有水文年重复类似计算，可以得出各年的供水过程。常规方法对年调节和多年调节水库的计算方法有些差别，计算起点或起始水位也可能不同。但常规方法有以下缺点和问题需要改进。

(1)水库调节性能缺少划分标准

常规方法对年和多年调节水库使用不完全相同的径流调节方式，但水电水利行业里并没有任何规范提出过不同调节性能水库的分类标准，常见的以库容系数划分仅是一种经验性的方法，理论依据不足。

(2)典型年的任意性较大

常规方法有时用典型年法计算，但兼有供水的水电工程径流代表年选择，要考虑入库径流的代表性，要考虑年径流量和年供水量接近设计的丰、平、枯等保证率，还要兼顾年内径流分配的代表性，代表年选择有较大的难度和任意性。

(3)水库划分固定的分期不合理

常规方法原创阶段是人工手算时期，为了减少计算工作量、降低计算难度，把长系列划分为单独水文年，按多数年份蓄水期开始时间确定水文年起止点，再把各水文年划分为固定的蓄水期、供水期。本来复杂多变的径流调节过程被简化为单一的模式，降低了径流调节过程的真实性。由于入库径流是随机变化的，人为划分固定的蓄水期和供水期并不完全合理。

(4)用相同的起调或终止水位不符合实际

常规方法每个水文年均从蓄水期初的死水位起调，在蓄水期末蓄满调节库容，然后从供水期初开始逐步降低水位，直到供水期末水位恰好降低到死水位。常规方法规定各水文年都要按相同的水位起调或终止，人为阻止了相邻水文年之间的水量补偿，导致水库平均蓄水位偏低，弃水量增加，这种调节计算方式不尽合理，也不符合实际情况。

(5)分期计算的保证流量偏小

常规方法用列表法或差积曲线法试算或图解计算每个水文年的蓄水期内一个均匀的供水流量；在供水期内也试算或图解计算出相等的调节流量，但从系列年总体考察，各个供水期的调节流量之间是不相等的，符合供水保证率要求的保证流量是系列里较低值。常规方法原来受计算能力的限制，基本调节计算周期太短，符合保证率要求的保证供水流量偏小。

(6)保证率曲线计算不准确

为进行方案比较，在一定库容时需要做出供水保证流量与保证率、发电保证出力与保证率等关系曲线。但常规方法的调节过程中并不考虑保证率的约束条件，只按单一的模式调节径流，往往造成保证率之内关键时期供水或出力偏小。常规方法在径流调节后，再对时段供水流量和发电出力作频率统计，并绘制供水流量、发电出力频率曲线，然后近似地以供水流量频率曲线代替保证流量与保证率的概率关系曲线、以发电出力频率曲线代替保证出力与保证率的概率关系曲线。这都缺乏理论依据，与供水、发电保证率的定义不符，造成保证供水流量和发电保证出力偏小。

2 兼有供水的水电工程径流调节改进措施

2.1 改进方法应能适用于不同调节性能水库

受区域位置、入库径流特性、库容大小、运行方式等诸多因素影响，水库的调节性能遇不同情况时差异性较大，年和多年调节之间并没有固定的分类判别准则。为减少方法分类可能产生的问题，改进方法应不再区分年调节或多年调节水库，而改用统一方法计算。

2.2 用长系列时历法计算

DL/T 5105—1999中4.2.3条规定：径流系列资料年限应根据设计水电工程的特点确定，对于季调节及以上的水库，径流系列资料的年限应不少于30年。改进方法应优先用长系列时历法调节计算，在具备长系列径流时不应再用典型年计算，没有长系列径流资料时，应设法插补延长径流资料，然后再用长系列时历法调节计算。

2.3 以连续计算代替分期计算

改进方法不应再划分每年的供水期、蓄水期、丰水年组、枯水年组、年调节库容、多年调节库容。应根据水库实际蓄水和供水要求，在长系列内不间断地连续调节计算，水库运行只受水库正常蓄水位或汛限水位及死水位的约束，不再受其它人为规定分期的影响。

2.4 不再人为确定起调或终止水位

改进方法应只确定第一个水文年的起调水位，以后各年份逐时段水位由连续的调节计算确定，不再需要人为确定每年的起调和终止水位。

2.5 改为全系列等流量法

改进方法把调节周期由一个水文年扩大到系列年的全部计算时段，在全系列内追求最大的、相等的调节供水保证流量，即使用全系列等流量法。

2.6 正确计算保证率曲线

改进方法中应正确区分和计算系列内的时段供水流量频率曲线、发电出力频率曲线与保证供水流量与保证率关系曲线、发电保证出力与保证率关系曲线，用供水设计保证率控制径流调节计算过程，考虑发电保证率统计水能计算结果。

3 径流调节改进方法计算内容

3.1 起始和终止水位

改进方法用长系列径流资料连续计算，可根据对径流特性的初步分析，确定系列年第一个时段的起始水位，一般可从死水位等适当水位起调，后续所有时段水位就可以连续计算。系列末水库水位是连续调节计算的结果，因与起始点相隔很多计算时段，一般已不受起始水位的影响。如果要求库水位在末时段结束于起调水位或某一特定水位，应在已有的调节水位过程中反时序寻找符合要求的结束时段，以此时段前的所有系列调节过程统计计算结果。

3.2 估算保证供水流量的初始值

改进方法用全系列各时段等流量连续试算法调节，计算供水保证流量。开始调节时可以参照已有初步成果或设计经验，先估计保证流量的试算初始值，以加快试算的速度，初始值并不会影响最后计算结果。

3.3 调节流量的计算规则

改进方法调节计算以面临时段的库水位为依据，对水库的运行作出供水调节决策。因为径流调节和水能计算阶段，暂不考虑利用水库供水调度图调节。把供水水库运行情况划分为三个调节期：保证流量供水期、加大供水期、供水破坏期。分期水位和调节计算规则为：水库水位高于死水位又低于正常蓄水位(或汛期限制水位)时，为正常的保证流量供水期；水库水位等于死水位时，如入库水量达不到保证供水流量，只能按天然径流供水，水库为供水破坏期；水库水位等于正常蓄水位(或汛期限制水位)，如入库水量大于保证供水流量，则水库可以利用多余水量加大供水或发电。以上供水流量是以时段平均值计算的，当有足够的反调节措施时，水库日内可以按发电要求放水，经反调节后再实现均匀供水。

3.4 供水保证率和保证流量计算

用供水保证流量的试算值，按照调节流量的计算规则，对全部系列所有时段进行连续水量平衡，能得出连续的供水过程，包括了保证流量、加大供水流量、供水破坏期流量。对这一供水流量系列作频率计算，根据供水保证率的定义，以时段供水流量大于或等于试算保证供水流量的时段数量与系列总时段数相比的百分率，求出相应的供水历时保证率。若计算的保证率不等于设计供水保证率，还需要修改保证供水流量后再次试算，直至实际的供水保证率充分接近设计保证率。

3.5 统计计算径流调节结果

改进方法使用长系列连续试算法，经过若干轮次的试算求出符合设计保证率的全系列相等的供水保证流量后，单个方案的计算完成，可以按照需要对最后一轮次试算过程作统计，计算出年均保证供水量、加大供水量、发电保证出力、发电保证率、年均发电量、特征水头等结果及供水流量、发电出力、水头等历时过程的频率曲线。

3.6 改进径流调节方法可再优化的内容

改进方法的径流调节仅是对水库的初步调节，还可编制水库供水发电调度图，按调度图能更精确地进行径流调节，并增强供水调节的功能和效益，满足不同的设计或运行需要。

用改进方法的全部正常供水期等流量法调节后，可能还有供水破坏深度不合适、弃水期弃水量较集中两个问题。原因是径流调节中着重控制主要任务的可靠性，供水破坏期、加大供水期的控制条件仅是一水位线，没有给出一定运行范围。对于调节性能较强的水库，应编制水库供水发电调度图[6]，扩大供水破坏期、加大供水期的调度区域，就可以解决这两个问题并能进一步优化径流调节。

4 改进方法的应用和特点

4.1 改进方法适用性增强

常规方法认为水库当年蓄水期来水除满足当期供水任务外，还能为供水期预留水量并蓄满调节库容，认为蓄水期不会产生供水破坏，所有的供水破坏时段都发生在供水期。但这仅是一般规律，并不能涵盖全部情况。在径流变化较大的条件下，枯水年的蓄水期初也可能因径流偏小造成供水破坏。常规方法每年都从蓄水期初死水位起调，在蓄水期末蓄满调节库容，到供水期末又把水位降低到死水位的固定调节模式不能适应径流变化较大的情况，易造成人为的供水破坏。所以，改进方法不再划分调节年度和蓄水期、供水期，改为对水位连续计算，水量和库容可以不受分期限制进行调节，更好地适应了入库径流多变的情况。

4.2 计算模式统一

兼有供水的发电水库径流调节计算的任务是推求调节库容、保证供水流量和供水保证率三者之间的关系。按照不同的已知条件，常规方法可选用差积曲线等流量法、列表法、简化水量平衡方程式法进行计算，改进方法全部改用数值计算法，并能把多种调节模式，全部统一为设定调节库容的长系列连续试算法。

4.3 改进方法的特点

改进方法从常规方法注重“水位、时间、状态”调节改为注重“供水目标”调节。常规方法对水文年、蓄水和供水期、起调与结束水位等“水位、时间、状态”作了较严格的要求，但对保证供水流量、供水保证率等重要“供水目标”却没有有效的控制，在径流调节中甚至不考虑保证率的约束条件。常规方法硬性规定供水期末水位要降到死水位，并没有为下一年的供水预蓄水量；在较枯的供水期内不考虑供水保证率的要求，仍以均匀流量供水，可能造成供水保证率内关键期的供水流量偏小。改进方法放弃了常规方法的不合理要求，提高了对保证供水流量和保证率的严格控制。

5 计算实例

5.1 计算条件和要求

某水电站兼有城市供水任务，水库规模已定，电站为坝后式，装机6万kW。坝下游8km处有另一日调节水库，可承担上游电站的反调节任务，供水取水口在反调节水库坝上。电站可以利用供水或水库弃水发电，发电可进行日内调节，发电尾水经下游水库反调节后均匀供给城市。供水和发电保证率都为90%，径流资料为50年分月流量，要求计算水库供水保证流量及水电站发电指标。

使用常规方法和改进方法分别作径流调节计算，符合保证率要求的计算结果见表1，全系列供水流量和发电出力过程的频率曲线如图1—2所示。更多保证率时的保证流量与保证率关系曲线、保证出力与保证率关系曲线如图3—4所示。

表1 径流调节对比表

图1 供水流量频率曲线

图2 发电出力频率曲线

图3 流量保证率曲线

图4 出力保证率曲线

5.2 径流调节和水能计算结果

5.2.1 常规方法

以水库总弃水量最小、蓄水期和供水期内供水流量均匀为调节目标，是已知全部径流的事后调节。在蓄水期内均匀供水并把调节库容蓄满；供水期内按相等流量供水，供水期末又恰好降低到死水位，但如果后一年径流偏枯，则供水量也较小。结果导致供水过程年内变化不大但年际变化较大，图1—2常规方法(虚线)供水流量频率曲线、保证出力频率曲线坡度较大，90%的保证流量和保证出力较小。

5.2.2 改进方法

以争取最大的保证供水流量为调节目标，仅知道面临时段的库水位，在全部系列内都用先蓄方式调节，即按保证流量供水并尽量保持水库高水位运行。满库后来水较多才加大供水，来水不足可利用蓄水按保证流量供水，死水位时来水不足允许发生供水破坏。因保持高水位时间长，遇后期径流偏枯，水库供水能力较强。在全系列内按同一保证流量供水，图1—2改进方法(实线)供水流量频率曲线、保证出力频率曲线中段较稳定，90%的保证流量和保证出力较大。

5.3 流量或出力频率曲线与保证率曲线对比

图1—2为反映单一方案全系列调节流量过程的频率曲线，其中常规方法调节过程不对应任何保证率，改进方法对应的保证率为90%。图3—4为改进方法各种保证率与相应保证流量或保证出力的关系线。因常规方法调节计算中不考虑保证率因素，常用单一方案过程的频率曲线近似代替保证率概率曲线。从图3—4可以看出，相同保证率时，改进方法的保证供水流量、保证出力都明显大于常规方法的结果。

6 结论

常规方法径流调节是在手工计算条件上创立的，基本调节期仅是一个水文年，重点局限在每个水文年的供水期，计算所得供水保证流量偏小。本文提出的改进方法，统一了不同调节性能水库的计算方法，提出了长系列连续计算、全系列等流量供水等改进措施。用长系列连续计算代替常规方法的分年独立计算，提高了方法的合理性并能提高保证供水流量和保证出力，改进方法已经过多项目的实用检验。建议DL/T 5105—1999修订时能吸纳已经实践检验的更合理的计算方法。