综合利用水库径流调节简便计算方法应用分析

2021-11-29赵蕾

广东水利水电 2021年11期

赵蕾

(广东珠荣工程设计有限公司，广州 510610)

水库径流调节的任务是确定调节流量、库容和保证率三者间的关系。综合利用的水库工程承担着多项兴利任务，且不同的任务其设计保证率和用水要求均不相同。根据各任务的保证率，合理确定库容，是综合利用水库径流调节的难点。本文以贵州省某水库为例，对比分析简便的化算保证率法、主要用水部门选定库容法及保守库容挑大法在径流调节计算中的差异和适用性[1-2]。

1 工程概况

某水库工程规模属小(1)型，工程等别为Ⅳ等，工程任务是村镇供水和农田灌溉，到设计水平年，可解决51 666人、20 000头大牲畜、15 999头小牲畜及160万只家禽的人畜饮水问题，并解决2 541 hm2耕地的灌溉用水问题。某水库坝址以上集雨面积为71.8 km2，河长为21.3 km，比降为9.7‰，多年平均径流量为3 714.4万m3，枯水年(P=80%)径流量为2 759.1万m3，特枯年(P=95%)径流量为2 090.1万m3。项目区灌溉设计保证率为P=80%，年需水量为1 495.3万m3，村镇供水设计保证率为P=95%，年需水量为390.9万m3。水库校核洪水位为674.8 m，总库容为902.4万m3，设计洪水位为674 m，正常蓄水位为671.8 m，相应库容为747.3万m3，死水位为649.1 m，死库容为87.9万m3，兴利库容为659.4万m3。大坝采用堆石砼重力坝挡水，坝顶高程为676.30 m，最大坝高为57.3 m，坝顶长度为154.0 m。

2 综合利用水库径流调节原理

径流调节计算的基本原理是利用水库的调蓄能力，改变天然径流过程，实现以丰补枯，增加枯水期可利用水量。计算依据的基本原理是水库进出库的水量平衡，即各时段的水库来水量及用水量，按设定的调节库容顺序进行径流调节计算，第i时段的计算公式为：

Vi+1=Vi+W来水-W用水-W损失

(1)

式中：

Vi、Vi+1——水库第i时段初和时段末的需水量；

W来水——第i时段来水量；

W用水——第i时段各部门用水量之和；

W损失——第i时段水库各种水量损失。

综合利用水库径流调节为多级用水、多级综合利用调节计算，包含多个设计保证率和调节流量，其调节计算所确定相应库容可用式(2)表示：

V=f(Pi，qi)i=1,2,3……n

(2)

式中：

Pi、qi——各用水部门的设计保证率及正常用水量；

n——所有用水部门的个数。

原则上来说，严格的多级径流调节计算应与用水调度相联系，不同的调度方案可以产生不同的解，形成逐步逼近的计算问题。通常为了确定初步的有效库容，常常采用某些简化方法，包括简便的化算保证率法、主要用水部门选定库容法和保守的库容挑大法[1,3]。

3 基础资料及调节原则

1) 径流资料

径流调节计算采用的径流系列为1958—2015年共 58 a 的逐月平均径流量，各典型年径径流成果见表1。

2) 库容曲线

坝址的库容面积曲线采用2018年6月实测1:1 000地形图成果量算，水位—库容—面积关系成果如图1所示。

表1 各典型年径流成果

图1 水库水位—库容—库容关系曲线示意

3) 供水对象需水量

水库供水包括乡村人畜供水和农田灌溉供水，水库设计水平年供水量为1 886.2万m3，其中向乡村人畜供水为390.9万m3，灌溉供水为1 495.3万m3。

4) 水库水量损失

水库水量损失主要包括蒸发增损和渗漏损失。水库蒸发增损为水库增加水面面积而增加的蒸发量，调节过程中每月蒸发增损量为每月平均库面面积乘当月蒸发增损深度。水库每月渗漏损失按各月平均库容的1.0%考虑。经计算，水库多年平均蒸发、渗漏损失为35.9万m3，其中多年平均蒸发增损为4.2万m3，渗漏损失为31.7万m3。

5) 河道内生态用水

根据《水利水电建设项目水资源论证导则》，生态流量按多年平均流量的10%预留，水库坝址多年平均流量为1.18 m3/s，则生态流量为0.119 m3/s，生态流量年用水量为371.4万m3。

6) 调节原则

根据《水利工程水利计算规范》(SL 104—2015)，灌溉水库径流调节计算应采用长系列法，长系列时历法调算的原则是优先供水，其次保障灌溉，尽量保证生态基流，余水存蓄于水库，蓄满则弃，未到死水位也不要求放空。

4 综合利用水库径流调节计算方法

4.1 简便的化算保证率法

1) 计算方法

为了初步明确二级调节情况下所需的有效库容，按单级调节的思路，必须设法拟定出一个经过化算的保证率，以便与一个相当的调节流量一起作为已知条件，从而求出相应的有效库容。设水库的二级调节条件分别为(P1，q1)和(P2，q2)，且P1

(3)

2) 计算成果

项目灌溉设计保证率为80%，用水量为1 495.3万m3，村镇供水设计保证率为95%，用水量为390.9万m3，化算的保证率为84%，兴利库容为731万m3。

3) 成果检验

当水库兴利库容为731万m3，1958—2015年共58 a中有9 a用水不能得到满足，当保证率超过80%时，以灌溉破坏深度需小于50%为限制条件折减灌溉用水[5]，优先满足村镇供水，经计算，村镇供水量为390.9万m3，设计保证率满足为95%，灌溉供水量为1 538.0万m3，设计保证率为84%，超过灌溉设计保证率80%的要求。

4.2 主要用水部门选定库容法

1) 计算方法

该方法实质是不考虑次用水部门的设计保证率的问题，其用水要求在调节计算中按全部满足处理。其处理办法适用于当次用水部门的用水量所占比重不大时，这时次要用水部门用水直接在来水中扣除，然后进行调节计算，求出所需库容[1]。

2) 计算成果

本项目年村镇供水量为300.9万m3，月供水量为32万m3，在历年各月来水中扣除村镇供水量，然后进行径流调节计算，经计算可知，水库兴利库容为645.08万m3。

3) 成果检验

当水库兴利库容为645.08万m3，1958—2015年共58 a中有12 a用水不能得到满足，当保证率超过80%时，以灌溉破坏深度需小于50%为限制条件折减灌溉用水，优先满足村镇供水，经计算，村镇供水量为390.9万m3，保证率满足95%，灌溉供水量为1 493.1万m3，灌溉保证率为78%，不满足灌溉设计保证率80%的要求。

4.3 保守库容挑大法

1) 计算方法

各种用水均有其特定的设计保证率，对两种用水分别作调节计算，求出调节库容，以其中大者作为设计库容。

先计算低保证率时所有用水均满足情况所需的库容；再计算高保证率的情况，当保证率超过低保证率时，此时低保证率用水可破坏，用水量可按来水量减少情况进行折减，按折减后的用水量计算所需库容；挑两者中大者为设计兴利库容[6-10]。

2) 折减系数

当计算高保证率情况时，低保证率用水需按来水量减少情况进行折减，折减系数可按两种方法确定，分别是按递变折减系数和固定折减系数[11-12]。

递变折减系数是按来水量减少量情况进行折减，即超过低频率的年份，每年用水量按来水量减少量与低频率来水量比值进行折减，如低频率为80%时，来水量为2 759.22万m3，频率为85%时，来水量为2 573.1万m3，折减系数=1-(2 759.22-2 573.1)/2 759.22=0.93。

固定折减系数是按高、低频率差值进行折减，即超过低频率的年份，每年用水量均按频率差异以固定值折减，如低频率为80%时，高频率为95%时，折减系数为0.85，保证率超过80%的年份，用水量均按折减系数0.85进行折减。

经计算，递变折减系数为0.65～0.93，固定折减系数为0.85，有一定的差异，按固定折减系数，计算方法简单，有一定的代表性，但折减系数无差异，对于特枯年，折减量不能代表特枯年用水量破坏的实际情况；按来水量减少量折减，概念清晰，有一定的理论依据，越枯的年份折减系数越小，更符合越枯年份，来水量越少，可供水量越少的变化情况，推荐采用。

3) 计算成果

本项目兴利计算过程中，由于灌溉与村镇供水保证率不一致，采用2种工况进行计算：

工况1：设计保证率为P=80%时，灌溉和村镇供水用水全部保证；

经计算，水库兴利库容为655.5万m3，兴利库容频率曲线见图2。

图2 水库兴利库容频率曲线(P=80%)

工况2：设计保证率为P=95%时，由于灌溉设计保证率(P=80%)与供水设计保证率(P=95%)不同，故考虑采用95%年份先满足生活供水，农灌削减用水的处理方法，即超过P=80%保证率的枯水年份，灌溉用水量按来水量减少的程度进行削减，折减系数为0.65～0.93。

经计算，水库兴利库容为659.4万m3，兴利库容频率曲线见图3。

从工程安全角度考虑，采取两种工况计算成果的大值作为兴利库容，即兴利库容为659.4万m3。

图3 水库兴利库容频率曲线(P=95%)

3) 成果检验

当水库兴利库容为659.4万m3时，1958—2015年共58 a中有11 a用水不能得到满足，当保证率超过80%时，以灌溉破坏深度需小于50%为限制条件折减灌溉用水，优先满足村镇供水，经计算，村镇供水量为390.2万m3，保证率满足95%，灌溉供水量为1 495.3万m3，设计保证率为80%，均满足要求。