基于两点线性限制供水规则的多用途水库系统性能评估

王 林

(山东省德州市水利局，山东 德州 253000)

1 概 述

水库运行研究的目的是确保各种用途水的可靠供应，如市政用水、灌溉用水、水力发电用水和防洪用水等。制定操作策略可以帮助提前做出决策，比如确定水库规模、用水发电的最大需求以及是否需要改变作物的种植模式等。根据不同的情况，一般会使用几种不同的操作策略。在规划模型中，标准操作策略(SOP)被认为是最简单的策略之一，它可以在一些情况下释放出与需水量相等的水量[1]。在过去的30年中，使用限制供水规则的水库调度运行已被确定为水库调度领域的重要进步之一。SOP增加了单一时期的严重缺水，但限制供水规则通过将缺水量分配到更长的时间来最大程度地减少缺水的影响。文献[2-3]对水库调度进行了广泛的论证，并提供了详细的文献综述。以水电站水库为例，其需水量不是恒定的，但电力需求是恒定的。本文将二型两点线性限制供水规则应用于德州市某水库进行水电站运行方面的研究，从而为水库安全运行提供理论支撑。

2 研究区概况

选择德州市某水库作为研究区域，以进行改进的二型两点线性限制供水规则的研究。该水库是一个多功能水库，可用于家庭用水、工业用水、农业灌溉和水力发电。目前，由两台容量为45 MW机组组成的水电系统已投入运行。

水库通过左岸管道供的生活用水的月需水量为4.5×106m3。水库年灌溉需水量为2 160.1×106m3，年企业发电需求为363 MkW·h。表1为水库平均入流量、平均蒸发率、灌溉需求量和水电需求量。水库的库容量和蓄水水位见表2。本文利用过去几十年中475个月的数据对限制供水规则进行论证。

表1 目标水库的每月蒸发率、每月流入量和每月目标需求量

表2 目标水库的库容和库水位

3 理论方法

本文基于数值模拟使用限制供水规则和标准操作策略来比较水库运行的性能。目标水库是一座综合性水库，其用水方式的优先顺序为:城市供水、农业灌溉、水力发电。其中，用于城市供水和农业灌溉的供水量是根据SOP确定的，见图1。

图1 城市供水和灌溉供应标准操作政策(SOP)

仿真模型采用的连续性方程如下：

Smon+1=Smon+Imon-Evpmon-Rmon-Spillmon,∀mon

(1)

式中：Rmon为城市供水、灌溉需求和水力发电的用水量；Imon为水库入流量；Evpmon为月蒸发量，由水扩散区面积(WSA)乘以蒸发速率计算得出。水扩散区面积(WSA)计算公式如下：

WSA=(-8×10-6×S2)+(0.113×S-39.854)

(2)

其中：S= (初始库容-最终库容)/2。

水力发电需求量按照《电力标准运行政策》(SOPP)进行选取。在图2中，S表示稳定功率下的释放量，Rc表示水库最大容量下的释放量。从P1到P2，由于水头的增加，曲线为下降曲线，因此为了计算这些点之间的变化流量，可借助大坝数据使用曲线拟合得出一个方程。

图2 水力发电标准操作政策(SOP)

由表1可知，目标水库全年所有月份所需的最低电量为20 MkW·h。因此，在本研究中，试图通过仿真方法使20 MkW·h的最小功率最大化。在二型两点限制供水规则的仿真中，模型Ⅰ中最小释放量对应的控制参数(Cp)为406.53×106m3，模型Ⅱ中对应最大于容量释放的控制参数为255×106m3，由功率方程P=ηγQH得到，其中P(MW)为功率，η为水轮机效率(60%)，γ为水的重度，Q(106m3)为流量，H为工作水头。通过改变两个模型中的系数(a和b)，可以确定水库的最佳性能。在两个模型中，系数a的取值范围0.1～1。在模型Ⅰ中，b的取值范围1～10.65，模型Ⅱ的系数b取值范围1～16.39。

4 结果讨论

通过使用不同的性能指标(即平均发电量、平均泄流量、用于各种目的的释放可靠性和产生零功率的次数)来确定水库的性能。该系统的可靠性可表示如下：

(3)

表3显示了Ⅰ、Ⅱ两种模型对SOP结果的模拟与从二型限制供水规则获得的最佳结果的比较，同时也给出了获得最佳结果的系数(a,b)。考虑平均发电量和泄漏的状况，模型Ⅰ比模型Ⅱ和SOP表现更好。与SOP模拟相比，模型Ⅰ、Ⅱ中的最大平均灌溉释放量都更好。为了保持所有其他性能良好，与模型I和SOP相比，模型Ⅱ显示出更好的结果。

表3 Ⅱ型两点套期保值规则与仿真模型的比较

在平均发电量和城市供水、灌溉和水力发电的可靠性之间存在一种平衡。平均发电量随着系数的增加而降低，但是在用于上述目的的可靠供水的情况下则正好相反。首先应该明确，限制供水规则最重要的目的是通过接受少量干旱来减少持续干旱的严重程度。通过限制供水规则，可以观察到在模型Ⅱ中没有产生零功率的情况，而在模型Ⅰ中只有8种情况产生了零功率，当水库以SOP运行时，却有大约45种情况产生了零功率。

通过改变模型Ⅰ的系数(a=0.1～1,b=1～10.65)和模型Ⅱ的系数(a=0.1～1,b=1～16.39)的值，采用二型两点线性限制供水规则的水库运行情况见图3。图3有助于选择备选水库运行规则，使水库收益最大化。

图3 利用模型Ⅰ和模型Ⅱ的两点线性套期保值的水库性能

第28卷第2期2022年2月水利科技与经济Water Conservancy Science and Technology and EconomyVol.28 No.2Feb.,2022

5 结 语

将限制供水规则应用在水电站运行中被认为是水资源管理领域的一个新的研究领域。因此，为了分析水库的性能，本文采用最简单的“Ⅱ型两点套期保值规则”对德州市某多用途水库的泄水进行了实例研究。结果表明，采用限制供水规则，水库对市政供水和灌溉供水均满足100%的可靠性；而采用SOP的可靠性分别为97.05%和90.53%。总体而言，与标准操作政策相比，Ⅱ型两点对冲规则在水电站运行的应用中表现得更好。