水库多级兴利调度图编制方法研究与应用

李晓英，崔 威，郭宜薇，禹 熙，张梦仙

水库多级兴利调度图编制方法研究与应用

李晓英1，崔 威1，郭宜薇2，禹 熙1，张梦仙1

(1. 河海大学水利水电学院，南京 210098；2. 长江水利委员会长江科学院，武汉 430014)

承担多项兴利任务的水库需根据不同任务绘制对应调度线，多级调度图的编制尚未有统一明确的方法．依据径流资料和综合任务进行长系列兴利调节计算，根据排频结果确定允许破坏年份，折减次要任务兴利流量以满足高保证率任务要求，采用上包线的方式选取上、下调配线，采用下包线作为限制供水线，提出基于改进长系列法的水库多级调度图编制方法．选取某南方流域水库为例，该水库承担供水和灌溉综合利用任务，结合任务主次和设计保证率等，完成多级调度图的编制．改进方法解决了破坏年份选取不合理和分界调度协调复杂的问题，可在达到设计保证率要求的同时降低破坏深度，避免人为修改调度图的随意性，有效提高多级调度图编制的准确性，并可为不同调节性能水库的调度图编制提供参考．

水库；多级调度图；改进长系列法；调度线；兴利调度

水库调度是水库运行管理的核心环节，其调度方式的好坏不仅直接影响水库和上、下游人民群众的安全，也关系到水库的经济效益[1]．水库调度可分为常规调度和优化调度两种方式，常规调度[2-4]是根据已有的水文资料，通过计算和编制水库调度图来指导水库运行；优化调度[5-7]则是依据优化调度准则，采用最优化技术寻求较理想的调度方式．由于优化调度研究是基于对工程问题的简化和模拟，目前优化调度技术并未写入规范中，因此实际运行中一般采用常规水库调度图进行水库综合调度．

常规调度图最早由莫罗佐夫提出，用来指导水库运行，但其编制方法在国外研究中使用极少，直至20世纪末，国外对于常规调度图的编制方法没有任何改进[8]，2014年Hsu等[9]提出一种针对不同丰枯情况的调度图编制思路．我国的水库调度图研究起源于20世纪50年代，其编制方法主要为代表年法和长系列法两种．袁作新等[10]在编制调度图时采用代表年法和长系列法进行对比分析，探讨各自的适用情况；李再龄[11]、解阳阳等[12]对编制调度图的水文年度划分和起始日期等进行了研究，提出应根据丰、枯情况编制分期调度图；刘殿武[13]、王平[14]分别对长系列法编制水库调度图提出改进措施，以适应实际工程需要．以往研究大多针对单一任务的水库调度图编制方法进行研究，其主要依赖人工经验修改，而综合利用水库不同的调度任务对应有各自的调度线，编制过程更为复杂．

关于水库多级调度图的编制，国内各规范[15-16]中尚未有统一、可操作性强的方法，国外研究也鲜有涉及．尽管部分研究[17-18]曾结合实际工程提出过改进措施，但所提的编制方法依旧存在不足，如多级调度图中破坏年份选取、各调度线的绘制和不同任务保证率的协调等问题尚未得到解决．

本文围绕多级调度图的编制问题，考虑各水利任务的用水要求，提出改进长系列法的水库多级调度图编制方法．结合我国南方流域径流特点和水库调度的特殊性，提出改进方法，可有效选取用水破坏年份，在达到设计保证率的同时减少破坏深度，为相关调度图的编制提供参考．

1 水库调度图常规编制方法

水库调度的主要兴利任务包括发电、灌溉和供水等，兴利调度过程应根据规划设计目标、兴利任务的主次关系和实测径流资料，合理调配水资源，充分发挥水库的综合效益．单一兴利任务对应的调度图包括上、下基本调配线、限制供水(出力)线和水位线等，各调度线根据不同供水情况绘制，相互之间组成水库的工作区间．当水库水位(水量)位于不同区间时，水库按照对应的区间工作要求进行调度．

1.1 兴利调节计算

在兴利调节计算中，需要确定调节流量、设计保证率和水库库容的关系，并且由于不同兴利任务的保证率不同，使得水库运行过程复杂．综合利用水库调度通常根据任务设计保证率大小，从低到高逐级降低供水，从而计算满足不同保证率的水库库容．

当水库拥有多项调度任务时，水资源的分配成为一个复杂的问题．首先，由于各任务的设计保证率不同以及保证率采取的方式存在差异，需要将不同任务的年保证率和历时保证率进行转化；其次是各任务用水的分配不同，例如发电和供水在年内的分配比较均匀，而灌溉用水的季节性分配差异明显，导致水库不能简单地划分蓄、供水期[19]．另外，有的用水任务即使设计保证率高，但在供水顺序上也会有差异；有的用水任务之间可以相互结合，对调节流量的计算产生影响．因此在水库多级调度中，应统筹各用水任务的关系，实现水资源的高效利用．

在兴利多级调节计算中，需要将不同表达形式的设计保证率转化为统一表达形式，同时拟定各用水任务的保证供水量和时程分配，最后根据各任务的用水特性和实际情况，确定其在降低供水时的折扣系数．以承担3项用水任务的水库为例，其综合需水表达式为

根据水库不同用水任务分别计算对应库容V(＝1～3)：若V值相差不大，取其中较大值作为兴利库容；若V值相差很大，则代表各任务的折扣系数需要调整，使V值接近后再取大值作为兴利库容．

1.2 代表年法编制水库调度图

对于单一调度任务的年调节水库，通常采用代表年法进行水库调度图的编制．尽管代表年法使用广泛，但不同规范中关于代表年的选取方法依旧存在不同，导致编制的调度图存在差异．

目前关于编制水库调度图的规范有《水库调度设计规范》(GB/T 50587—2010)[15]和《水利工程水利计算规范》(SL104—2015)[16]，前者以年来水量或年用水量接近设计保证率的年份作为代表年，后者则是根据丰、枯水期水量接近保证率的原则选择代表年．这两种方法在径流系列丰枯季差异明显、各年用水量变化不大的情况下选取的代表年基本一致，但如遇到径流系列变化较大、丰枯季划分困难和年用水量变化较大的长系列径流资料时，就会导致选择的代表年存在差异，进而影响调度图的结果．因此，在代表年的选择中，需要进行一系列的修正，以尽可能减少代表年选取的任意性．

在选取代表年并完成修正后，根据兴利调度中计算得到的各任务调节流量绘制基本调度线．基本调度线的绘制采用逆时序计算方法，对各代表年从供水期末死水位开始，逆时序调节计算求得各月的水位过程至蓄水期初，并且要使蓄水初的水位回落到死水位．逆时序调节计算与顺时序计算不同[20]，顺时序是按照蓄、供水要求计算水库水位变化．逆时序则是反推计算，在供水期内水库当月需要供水时，代表水库在月初至少要蓄满相应的供水量，则水位从月末低水位逆时序上升到月初高水位；当水库到蓄水期且该月不需要库容供水时，把来水去除供水的额外水量视为水库从月初到月末的蓄水量，因此水库水位就要从月末高水位逆时序降低到月初低水位．

水库在逆时序计算过程中采用的调节流量为正常供水流量或保证出力对应流量，防破坏线(1线)是取各代表年计算结果的上包线，降低供水/出力线(2线)则是取计算结果的下包线，两者分别表示水库在正常运行过程中的最高和最低水位．防破坏线与降低供水/出力线之间的区域是水库的保证供水区或保证出力区(Ⅱ区)，降低供水/出力线与死水位之间的区域为降低供水区或降低出力区(Ⅲ区)，防破坏线与正常蓄水位之间的区域为加大供水区或加大出力区(Ⅰ区)．其绘制情况如图1所示．

1—防破坏线；2—降低供水/出力线；Ⅰ—加大供水区或加大出力区；Ⅱ—保证供水区或保证出力区；Ⅲ—降低供水区或降低出力区

采用代表年法编制的水库调度图还需要进行长系列检验，将长系列径流资料按照调度图的规则进行顺时序检验，得到相应的保证率并与设计保证率比较，如有误差就需要人为对调度图进行修改．

1.3 长系列法编制水库调度图

尽管代表年法一直是我国编制年调节水库常规调度图的主要方法，但其在编制过程中依旧存在一些问题．随着国内水库径流资料的不断丰富以及计算机技术的发展，采用长系列法计算水库调节性能越来越普遍．王平[14]在综合水库调度设计规范的长系列检验基础上，提出采用长系列法代替典型代表年法，不再人为规定每年的蓄、供水期；孙宇[21]在对代表年法和长系列法编制水库调度图的结果进行对比后，发现长系列法在满足设计保证率的同时能提高水库最小出力，编制的结果更为理想．因此，在《水利工程水利计算规范》(SL104—2015)中对灌溉水库调度图提出应根据长系列资料进行计算编制．

长系列法与代表年法的不同在于，其采用历史径流资料编制的结果比代表年法更具有代表性，且径流系列大于30年．长系列法在基本调度线的编制方法上也有所区别，对长系列资料的每一年，均采用逆时序法计算水库逐月(或旬)的水位过程．防破坏线由来水频率在设计保证率以内的各年份中逐月(或旬)的水位上包线组成，水库调节流量为符合设计保证率的正常供水流量；降低供水线则是对超出保证率的破坏年份，对供水量进行折扣后进行逆时序调节计算，取各月(或旬)的水位线的上包线[16]．如有降低供水线高于防破坏线的情况，代表破坏年份的供水量过高，需要进一步减少枯水年的用水量，使降低供水线低于防破坏线．通过区分破坏年份与正常年份的供水要求，长系列法能够满足设计保证率要求，且比代表年法更具有代表性．

长系列法在编制概念上清晰明确，其编制的调度线能够满足所有径流时段的供水要求，有效弥补了代表年法的不足．但是长系列法并没有充分考虑不同流域径流特性，特别是降低供水线的选取过于保守，当供水量变化大或有多项兴利任务的情况时，长系列法就会出现编制不准确的问题．

1.4 水库多级调度图

当水库同时担负2种及以上主要任务时，需要编制水库多级调度图．多级调度图是根据水库不同开发任务，在水库库容和来水条件的约束下，协调各项开发任务之间的关系，进行水库综合利用调度的方式．多级调度图的编制应根据不同开发任务的主次关系，优先满足主要兴利任务的供水，再满足次要任务的用水需求，通过调整各任务的降低供水程度满足不同设计保证率要求．

多级水库调度图需要合理计算调度期内蓄、供水量，各开发任务的基本调度线反映各调度区域的调度方式，在编制完成后还应检验其是否与水库供水方式相符．以年调节水库编制多级调度图为例，其调度线从供水期末死水位逆时序计算，再回落至蓄水期初死水位，计算时采用的调节流量需要根据各任务设计保证率与来水频率的关系进行选择．

关于水库多级调度图的编制，规范[15-16]中仅提出采用代表年法计算，长系列径流资料检验，而对不同任务不同保证率的代表年选取，以及相邻调度区域的划分未做明确指示．在实际工作中，采用代表年法编制需要参照人工经验进行反复修改，一般会出现水库无法满足不同任务的不同保证率要求、不同任务调度线出现交叉等问题，编制效果不理想．因此，本文提出采用长系列法编制水库多级调度图，并对破坏年份选取和基本调度线编制方法予以改进．

2 水库多级调度图编制方法的改进

本文结合已有的代表年法和长系列法编制水库多级调度图的经验[22-24]，提出基于改进长系列法的水库多级调度图编制方法，针对传统方法中破坏年份无法满足的保证率问题和调度线选择的问题，研究水库多级调度图的改进内容．

2.1 长系列法破坏年份选择

《水库调度设计规范》(GB/T 50587—2010)在综合利用调度设计中提出：“当来水频率小于或等于各开发任务设计保证率时，水库按照各任务正常供水量进行供水；来水频率在各开发任务保证率中间的时段，设计保证率大于等于来水频率的开发任务正常供水，其他开发任务减少供水．”当水库各项任务的供水量变化不大时，以来水年份的丰枯情况来区分兴利调度的运行方式是有效的，但是当水库某项任务的供水量发生变动时就会出现问题．

以来水频率划分水库运行方式的方法是通过对比水库来水量与供水量之间的关系，当水库供水量一定时，水库在越枯的年份就要降低供水满足设计保证率的要求[25]．这种方法有两个问题没有考虑：一是来水频率是根据时段内来水总量进行排序的，并没有考虑到径流分配不均的问题，有的水文年来水总量很多，但如丰枯期径流变化较大时，即使按照来水频率划分结果为当年属于正常供水情况，但水库在枯水期有可能无法满足正常供水，该水文年就属于破坏年份；二是未考虑水库供水量的变化，即确定正常供水量的情况下，通过来水总量与供水总量的对比筛选破坏年份，当水库各年的供水量发生变化时，该方法就不能准确划分水库的运行方式．以灌溉任务为例，水库灌溉水量是根据灌区需求计算得到，每年的灌溉需水量都是变化的，因此并不能根据来水量的多少来确定水库运行方式．

针对上述两个问题，改进方法采用试算的长系列径流结果进行破坏年份的确定．首先，采用长系列资料进行径流调节计算，各开发任务采用正常供水流量，已知来水过程和需水过程，分别计算水库每年所需的兴利库容．径流调节计算以水量平衡为基础，其公式为

首先将径流调节计算得到的各年所需库容排频，根据设计保证率要求初步拟定兴利库容和对应的正常蓄水位．然后，在水库调度图中绘制水库死水位和正常蓄水位，对长系列所有年份按照每年各任务正常供水的调节流量，从供水期末死水位开始，逆时序计算各时段水库水位线，直到蓄水期初回落至死水位．此时在调度图上会出现图2所示的3种调度线情况：1线为蓄水期初和供水期末水位在死水位，蓄水期至供水期之间调度线在死水位与正常蓄水位之间；2线为蓄水期初和供水期末水位在死水位，但蓄水期至供水期之间的调度线部分高于正常蓄水位；3线为蓄水期至供水期之间调度线在死水位与正常蓄水位之间，而蓄水期初的水位高于死水位．

1—正常供水调度线；2—破坏年份调度线；3—径流年内分配显著不均导致破坏调度线

图2中，1线代表的年份表示水库可以正常供水的年份；2线表示该年份所需的兴利库容超过初拟的兴利库容，属于破坏年份；3线表示水库在蓄水期蓄的水无法满足枯水期供水要求，水库需提前预蓄库容供水，这种情况常发生在径流年内分配显著不均的时候，对于年调节水库来说属于破坏年份．根据调度图统计的长系列破坏年份，可以求出对应的保证率，将保证率与设计保证率进行比对．如果低于设计保证率则表明初拟的兴利库容不满足任务要求，则应增大兴利库容再次进行调度图的编制．如果保证率大于或等于设计保证率，则表明兴利库容可以满足任务要求，此时去除破坏年份，余下的为正常供水年份．

2.2 多级调度图中调度线的绘制

水库在有多项开发任务时，需要协调各任务之间的关系，通过分界调度线进行调度区域的划分．上调配线的绘制应选择正常供水年份，以各任务综合供水流量逆时序计算时段水位线，再取长系列结果的上包线，即水库防破坏线．下调配线是区分主要任务间的分界调度线，其计算采用的调节流量为经过折减后的流量，进行逆时序计算时段水位线，选取长系列结果的上包线，通过与设计保证率比较确定折减流量，若选择的降低供水程度未满足设计保证率要求，则需要加大破坏深度．

在绘制好上、下调配线后，还需要绘制限制供水线，限制供水线代表完成所有供水任务的最低水位线．采用长系列法绘制限制供水线的方法为：选取正常供水年份，自蓄水期初死水位开始进行顺时序调节计算直至供水期末，从而得到保证率以内的逐年蓄水过程，取下包线作为限制供水线．限制供水线是顺时序计算并取下包线，当水库水位在此线以下时，水库正常供水任务肯定会发生破坏，因此需要缩减供水．

3 实例应用

3.1 工程背景

某南方流域水库，控制流域面积约292km2，是一座承担灌溉和供水任务的综合利用年调节水库．坝址径流系列为36年月流量，多年平均流量为10.65m3/s．水库在保证坝址断面生态基流的前提下，优先满足供水要求，其次满足灌区灌溉用水要求，当水库可供水量满足供水和灌溉用水量且库容蓄满时，允许弃水．水库的供水保证率为95%，灌溉保证率为85%，灌溉周期为3月—10月．根据径流资料和综合任务进行长系列径流调节，水库正常蓄水位为220m，死水位为177m，兴利库容为10140万m3．水库天然来水频率和长系列径流调节兴利库容结果分别见表1和表2．

由于水库每年的灌溉供水量不同，表2的排频结果与表1不同．如按规范中以来水频率与保证率关系确定破坏年份，就会导致部分非枯水年供水不足的问题，因此采用改进长系列法编制该水库的多级兴利调度图．

表1 水库天然来水频率

Tab.1 Water frequency of reservoir

表2 水库长系列径流调节兴利库容计算结果

Tab.2 Results of the reservoir storage calculated by long series runoff regulation

3.2 多级调度图编制

1) 上调配线绘制

水库任务是供水和灌溉，因此上调配线即水库的防破坏线，采用长系列法分别绘制各年的水位过程线，水库调节流量取供水和灌溉正常供水流量，从供水期末死水位逆时序计算至蓄水期初死水位．从长系列结果中去除超出正常蓄水位和蓄水期初高于死水位的水位线，取上包线作为多级调度上调配线，见图3．

图3 水库多级调度上调配线绘制过程

从图中可以看出，长系列中破坏年份共有5年，相应保证率为88.9%，满足灌溉保证率85%的要求．

2) 下调配线绘制

下调配线是区分水库供水与灌溉任务的分界调度线，选取保证率95%以内的年份，用水过程采用正常供水和灌溉缩减供水过程，灌溉用水破坏深度取20%，逆时序调节计算求得各年水库水位变化过程线，取上包线作为下调配线，见图4．

图4 水库多级调度下调配线绘制过程

在经过灌溉折减后，长系列中破坏年份有1年，相应的供水保证率为97.2%，满足供水设计保证率95%的要求．

3) 限制供水线绘制

根据长系列库容计算结果，以拟定的兴利库容选择满足开发任务要求的正常供水年份，自蓄水期初死水位开始顺时序调节计算，调节流量采用供水和灌溉的正常用水流量，对保证率内的逐年蓄水过程取下包线作为限制供水线，见图5．

图5 水库多级调度限制供水线绘制过程

当水库水位在限制供水线以下时，水库供水和灌溉两任务的用水量均要折减破坏，供水任务相对灌溉任务破坏程度低，水库处于限制供水区．

4) 多级调度图编制

将上述3条调度线初步编制成水库调度图，将水库长系列资料按调度图的运行方式进行连续的顺时序计算，可得到水库各月的水位和余水状况，以检验该调度图效果，水库多级调度图结果见图6．

图6 灌溉和供水综合任务的水库多级调度图

图6所示的水库多级调度图分为4个调度区：Ⅰ区为加大供水区，当库水位处于该区时，在满足生态基流、供水和灌溉任务的前提下，水库蓄满后多余的水可用于加大供水量；Ⅱ区为灌溉供水保证区，此时水库能满足生态基流、供水和灌溉的正常用水要求．且由于灌溉周期为3月—10月，在10月之后水库不再承担灌溉任务，水库任务变为生态基流和供水，因此上、下调配线会在10月之后重合；Ⅲ区为供水保证区，当库水位处于该区时，水库满足生态基流和供水要求，对于灌溉需按20%破坏深度进行灌溉供水；Ⅳ区为限制供水区，水库除保证生态基流外，对供水和灌溉需要分别进行折减供水．

3.3 计算结果对比

分别采用代表年法、长系列法编制水库多级调度图并与改进长系列调度图结果对比，对3种方法编制的调度图进行长系列检验，对比结果见表3．

表3 3种方法编制调度图的长系列检验结果对比

Tab.3 Comparison among long series examination results of the three methods for drawing operation chart

从表3可以看出，采用30%灌溉破坏深度时，代表年法的灌溉保证率不能满足，其上调配线过低，导致部分年份有弃水情况；长系列法能够满足灌溉保证率，但在灌溉用水为同一破坏深度时，供水任务有2年发生破坏，未能满足供水95%的保证率，需要调整下调配线．经长系列检验，代表年法和长系列法编制的调度图还需要进一步人工修改，而改进的长系列法编制的多级调度图不仅能一次性编制成功，无需修改，而且在达到设计保证率的同时降低灌溉破坏深度，满足水库各项任务要求．

4 结 论

本文总结传统水库调度图编制方法，阐述调度图原理和方法，针对其中存在的问题，提出一种基于改进长系列法的水库多级调度图编制方法．本文以某南方流域水库为例，完成供水和灌溉综合利用水库的多级兴利调度图编制，主要结论如下．

(1) 在初步编制水库调度图时，代表年法和传统长系列法对破坏年份的选取考虑不足，单纯以来水频率进行划分的标准未充分考虑径流年内分配差异和用水要求不同的问题，需要人工检验和修改．提出的改进长系列法以调度线为基础，有效筛选出破坏年份，在达到设计保证率要求的同时降低了破坏深度．

(2) 长系列检验结果表明，改进方法编制的多级兴利调度图能一次性编制成功，满足水库各开发任务要求．此外，改进方法协调了各任务间的关系，防止相邻任务的调度线发生交叉，避免由此造成的调度图不准确问题，可有效发挥水库的效益空间．

(3) 本文虽然是以年调节水库为案例进行的水库多级兴利调度图编制方法研究，但可通过调整兴利调节计算等内容，将该方法推广应用到不同调节性能的水库．

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Research and Application for Drawing Method of Multilevel Reservoir Operation Chart

Li Xiaoying1，Cui Wei1，Guo Yiwei2，Yu Xi1，Zhang Mengxian1

(1. College of Water Conservancy and Hydropower Engineering，Hohai University，Nanjing 210098，China；2. Yangtze River Scientific Research Institute，Changjiang Water Resources Commission，Wuhan 430014，China)

To compile a multipurpose reservoir operation chart，the operation rules curves should be drawn according to different tasks. To unify the compilation method of multilevel reservoir operation chart，a new method based on the improved long series is proposed. The optimization regulation is calculated based on the runoff data and comprehensive utilization regulations，and the broken year is determined using the frequency calculation. To meet the requirements of a high assurance mission，the utilizable discharge of the secondary task needs to be reduced. In the reservoir operation chart based on the improved long series method，the upper envelope line is used to illustrate the upper and lower limits of operation rule curves，and the lower envelope curve is used as the limited water supply line. A reservoir in the southern basin of China used for water supply and irrigation is selected for a case study. Combined with the task priority and design guarantee rate，the multilevel scheduling chart is completed. The complex problem of the unreasonable choice of failure years and boundary dispatching coordination are solved by the improved method，which can reduce the failure depth while reaching the design guarantee rate. The freeness of artificially changing the operation chart was avoided，and the chart can be drawn successfully in one time，enhancing the accuracy of effectively compiling the multilevel scheduling chart. This method can be used as a reference for the compilation method of operation charts of reservoirs with different regulating performances.

reservoir；multilevel operation chart；improved long series method；operation curves；beneficial operation

TV697.1

A

0493-2137(2022)03-0322-09

10.11784/tdxbz202104048

2021-04-23；

2021-07-01.

李晓英（1978—  ），女，博士，副教授，lixy3@hhu.edu.cn.

崔 威，646782594@qq.com.

国家重点研发计划资助项目(2016YFC0400909，2018YFC0407902).

Supported by theNational Key R&D Program of China(No.2016YFC0400909，No.2018YFC0407902).

(责任编辑：樊素英)