设计代表年法在小摊水电站保证出力计算中的应用

周 栋，潘 靖，王万林，李昌柏，邹 虹

(湖北省咸宁市水文水资源勘测局，湖北 咸宁 437100)

水电站保证出力，是指水电站在长期工作中符合水电站设计保证率要求的供水期的平均出力[1]，表示水电站在多年运行期间提供的出力大于等于保证出力的概率恰好等于设计保证率。年调节水电站保证出力的推求方法有长系列法，设计枯水年法及简化估算法[2-4]。长系列法是在已知多年水文流量资料的情况下，已知正常蓄水位及死水位，通过兴利调节和水能计算，求出每年供水期的平均出力，然后将平均出力绘制成保证出力曲线，根据设计保证率在曲线中查的供水期平均出力值，即可作为年调节水电站的保证出力。对于年调节水电站，由于电站能否保证正常供电取决于枯水期，因此，通常直接采用枯水期作为保证出力的计算期，即为设计代表年法。本文针对小摊水电站，采用枯水期设计代表年法推求水电站的保证出力，针对其枯水期天然来水情况进行蓄供水期的划分，径流调节，水能计算等求出其保证出力，并对其结果进行分析[5]。

1 工程概况

白马河发源于邹城市城区东北老营山及傅村九龙山境内，为淮河流域山东南四湖(微山湖)湖东支流，全长为60 km，流域面积为1 099 km2，水资源丰富，但水资源开发利用效率较低，故拟在白马河干流修建小摊水电站。

拟建的小摊水电站为年调节电站，电站设计保证率取90%。水库正常蓄水位为170 m，死水位为140 m，死库容为6.9亿m3，水电站效率系数η=0.85(已考虑水头损失)，正常蓄水位至死水位之间的水库容积称为兴利库容，小摊水电站兴利库容为23.35亿m3。小摊水电站各代表年月平均流量见表1，小摊水电站水位库容关系见图1，小摊水电站下游水位流量关系见图2。

表1 小摊水电站各代表年平均流量 m3/s

2 方法及结果

年调节水电站保证出力的计算步骤如下：① 首先挑选典型设计代表年，保证出力的计算一般挑选典型枯水年；② 划分典型年内的供水期，蓄水期；③ 对枯水期电站来水情况进行径流调节[6]；④ 用径流调节得到的数据进行水能计算，最后求出供水期的保证出力[7]。

图1 小摊水电站水位库容关系曲线

图2 小摊水电站下游水位流量关系

2.1 供、蓄水期的划分

以小摊水电站枯水期月平均流量为研究对象，进行供、蓄水期的划分。依据各月平均流量的数值情况，首先假设3—9月为蓄水期，10月—次年2月为供水期。设计枯水年的年平均流量Q设年=704 m3/s，年水量=222.18亿m3，每月的秒数T月=2.63×106s，供蓄期间均不计水量损失，对应计算公式如下：

V完=Q设年×T供-W供

(1)

(2)

(3)

上述公式中V完为完全调节库容，V兴为兴利库容，W供、W蓄分别为供水期，蓄水期的相应水量，T供、T蓄分别为供水期，蓄水期的相应时间，Q供、Q蓄分别为供水期，蓄水期的发电引用流量。计算求得Q供=292 m3/s，Q蓄=1 252 m3/s。由于供水期10月—次年2月的平均流量均小于Q供，故之前的假设正确[8]。若假设的供水期月平均流量存在大于Q供，则要重新假设供水期月，利用公式(1)～(3)重新计算相关数值，并重复上述步骤至假设正确。

2.2 径流调节

根据划分的供、蓄水期，对小摊水电站进行径流调节，径流调节遵循的原则有：① 蓄水期时，天然来水小于1 252 m3/s时，发电流量等于天然来水；当天然来水大于1 252 m3/s时，发电流量为1 252 m3/s，其余流量为弃水部分[9]；② 供水期时，发电流量均为Q供；③ 蓄水期初，即3月的起调水位为死水位140 m，供水期即9月末水位为正常蓄水位170 m；供水期则相反，水位由正常蓄水位降至死水位[10]。

小摊水电站枯水期年调节时历计算见表2，6月底水库蓄至正常蓄水位170 m，相应库容为30.25亿m3，在枯水期末即次年2月末水位消落至死水位140 m，相应库容为6.9亿m3。

时段末蓄水量由时段初蓄水量加上蓄水量的变化值；时段末的水位由时段末蓄水量根据水位库容曲线推算求得[11]。

表2 水库枯水期年调节时历计算

2.3 水能计算

在径流调节的基础上进行水能计算，发电流量来自径流调节的成果，水库供蓄流量△Q=天然来水-发电流量-弃水流量。月平均上游水位等于时段初、末水位的平均值，月平均下游水位由下泄流量根据电站下游水位流量关系推求，水电站平均水头等于月平均上游水位减去月平均下游水位[12]。

保证出力计算公式如下：

N=9.81ηQH供

(4)

式中H供为设计枯水年供水期水电站平均水头，m；Q为径流调节得到的发电流量，m3/s。

设计枯水年电站出力及发电量计算见表3。

供水期10月—次年2月月平均出力的平均值即为保证出力，具体计算如下：

表3 设计枯水年电站出力及发电量计算

3 结语

年调节水电站保证出力的推求中，长序列法对水文资料长度要求较高，需足够时间范围径流资料支撑绘制电站保证率曲线，而由于年调节水电站能否保证正常供水主要取决于枯水期，所以对于径流序列长度不够的水电站，可以使用设计代表年法推算其保证出力。设计代表年法对水文资料需求不高，只需已知设计枯水年的月流量、水位库容关系、下游水位流量关系、正常蓄水位及死水位等，可按照上述方法，通过供、蓄水期的划分、径流调节、水能计算的计算顺序计算得到相应的保证出力值。