王 平

(上?？睖y設(shè)計研究院有限公司，上海 200434)

城鄉(xiāng)供水或灌溉水庫的調(diào)度是設(shè)計水庫運行規(guī)則、合理調(diào)度使用水資源的技術(shù)，水庫調(diào)度圖計算和應(yīng)用是供水和灌溉水庫水利計算的重要內(nèi)容。常規(guī)方法[1- 3]的時歷法調(diào)度圖是在無徑流預(yù)報的情況下，依靠歷史徑流資料計算和繪制的。常規(guī)方法的調(diào)度圖計算方法已應(yīng)用了多年，其原則和方法是基本正確的，但隨著計算手段改善和工程需要的變化，常規(guī)方法存在的調(diào)度圖需經(jīng)反復(fù)修改、結(jié)果不夠準確的問題愈顯突出。新版工具書《水工設(shè)計手冊》(第二版)[4]卻沒有供水或灌溉水庫調(diào)度圖計算的內(nèi)容，新版的SL 104- 2015《水利工程水利計算規(guī)范》[5](以下簡稱《規(guī)范》)關(guān)于供水和灌溉水庫調(diào)度圖的計算方法也沒有更新修訂，其它有關(guān)時歷法計算水庫調(diào)度圖的研究[6- 10]也很少。本文以《規(guī)范》中的城鄉(xiāng)供水和灌溉水庫調(diào)度圖計算方法為研究對象，剖析現(xiàn)行常規(guī)方法存在的問題，提出相應(yīng)的改進思路和措施，并形成實用、完整的城鄉(xiāng)供水或灌溉水庫調(diào)度圖計算的改進方法。

1 《規(guī)范》中供水或灌溉調(diào)度圖計算方法的問題

《規(guī)范》對供水水庫調(diào)度圖的計算方法敘述的十分簡單，僅在6.2.4說明中指出“可以采用類似發(fā)電水庫調(diào)度圖編制方法”；《規(guī)范》對灌溉水庫調(diào)度圖計算方法在7.2.5說明為“一般采用逆時序調(diào)節(jié)計算方法連續(xù)計算求出歷年逐月(或旬)的庫水位過程，取灌溉設(shè)計保證率以內(nèi)各年份中月(或旬)的上包線為防破壞線；再對全部破壞年份按滿足特枯水年灌溉用水量的要求進行逆時序調(diào)節(jié)計算，求出各月(或旬)的上包線作為降低供水線。當降低供水線高于防破壞線時，要減少特枯水年的灌溉用水量，使降低供水線低于防破壞線”。

《規(guī)范》關(guān)于供水或灌溉水庫調(diào)度圖的計算方法有如下問題。

(1)庫水位計算過程考慮因素不全

《規(guī)范》的方法沒有說明逆時序徑流調(diào)節(jié)計算的條件，因為調(diào)度圖才開始計算，肯定不是按水庫調(diào)度圖所做的徑流調(diào)節(jié)計算，只會是不按調(diào)度圖運行的一般徑流調(diào)節(jié)計算。這種簡單的徑流調(diào)節(jié)計算中只按來水和蓄水條件，盡可能滿足當期的供水或灌溉要求，并不考慮要全部保證設(shè)計保證率之外降低供水的要求，計算的供水或灌溉保證率僅是沒有全部保證最小供水或灌溉前提下的初步指標，這與按供水或灌溉水庫調(diào)度圖做的徑流調(diào)節(jié)的方法和結(jié)果都是不一樣的。用常規(guī)徑流調(diào)節(jié)得出的簡單因素控制的庫水位過程，作為計算供水與灌溉水庫調(diào)度圖的依據(jù)，得出的調(diào)度圖就難以滿足降低供水、正常供水、加大供水的多因素綜合控制要求，供水或灌溉保證率也無法準確符合要求。

(2)防破壞線計算中考慮因素不足

《規(guī)范》以灌溉設(shè)計保證率以內(nèi)長系列年份中月(或旬)庫水位的同期上包線作為防破壞線，但因為前述簡單的徑流調(diào)節(jié)過程并沒有考慮全部正常供水或灌溉設(shè)計保證率之外的降低供水任務(wù)，僅考慮了正常的供水或灌溉單一任務(wù)，依此上包線作為防破壞線僅是不保證設(shè)計保證率外特枯水時段的降低供水為前提的，相應(yīng)設(shè)計保證率外的降低供水達不到全部保證的要求，正常的供水或灌溉保證率也受此影響，難以準確符合設(shè)計要求。

(3)降低供水線與防破壞線關(guān)系不協(xié)調(diào)

《規(guī)范》采取先單獨計算確定水庫防破壞線，然后再單獨計算確定水庫降低供水線，沒有考慮到降低供水與正常供水的相互影響，即采用分別單獨計算的降低供水線和防破壞線構(gòu)成的調(diào)度圖，因調(diào)度區(qū)的部分重疊，實際可保證的調(diào)度區(qū)減小，并不能同時滿足這兩項任務(wù)，不能在首先滿足設(shè)計保證率之外降低供水的前提下，再滿足正常的供水或灌溉任務(wù)并使之符合設(shè)計的保證率。正是因為《規(guī)范》中方法沒有能協(xié)調(diào)降低供水線與防破壞線的關(guān)系，造成降低供水區(qū)與正常供水區(qū)部分重疊，導(dǎo)致降低供水線可能高于防破壞線的不合理現(xiàn)象。

(4)調(diào)度圖修改沒有可行的方法

《規(guī)范》6.2.5“調(diào)節(jié)性能為年調(diào)節(jié)及以上的供水水庫應(yīng)按照調(diào)度圖，采用長系列來水和需水過程進行調(diào)節(jié)計算，檢驗?zāi)芊駶M足設(shè)計供水保證率和破壞深度要求。如不能滿足要求，應(yīng)修改水庫調(diào)度圖及計算成果，必要時調(diào)整水庫特征水位?！薄兑?guī)范》7.2.6“調(diào)節(jié)性能為年調(diào)節(jié)及以上的灌溉水庫應(yīng)按照調(diào)度圖，采用長系列來水及灌溉需水過程進行調(diào)節(jié)計算，檢驗?zāi)芊駶M足灌溉設(shè)計保證率和破壞深度要求。如不能滿足要求，應(yīng)進一步修改水庫調(diào)度圖及調(diào)節(jié)計算成果?！薄兑?guī)范》分別對供水或灌溉調(diào)度圖提出了檢驗、修改要求，這說明《規(guī)范》的調(diào)度圖計算方法并不能保證直接得出合理、準確的調(diào)度圖。雖然《規(guī)范》提出了修改要求，但并沒有提出可操作的修改方法。實際水庫工程的供水或灌溉調(diào)度圖至少分為三個調(diào)度區(qū)、兩條調(diào)度線，有數(shù)十個月(或旬)的未知水位變量，如果不能找出調(diào)度圖與徑流調(diào)節(jié)計算或調(diào)度結(jié)果之間準確的邏輯關(guān)系，調(diào)度圖修改就沒有規(guī)則可遵循，即使靠經(jīng)驗重復(fù)修改多次，可能結(jié)果仍難以達到要求。

2 供水或灌溉調(diào)度圖計算方法的改進思路

2.1 提高庫水位過程的準確性

使用《規(guī)范》的方法計算調(diào)度圖時取長系列年逐月(或旬)的庫水位過程的同期上包線為調(diào)度線，歷年逐月(或旬)的庫水位過程不應(yīng)采用常規(guī)徑流調(diào)節(jié)的簡單結(jié)果，應(yīng)考慮按水庫調(diào)度圖運行后分為降低供水、正常供水和加大供水的各種運行工況，分別以各自的不同供水量和保證率控制徑流調(diào)節(jié)計算過程，并對保證率之外特枯時段降低供水、保證率之內(nèi)正常供水、加大供水采取按順序逐級保證，后一級保證以前一級保證為前提，分別控制各級供水任務(wù)的不同保證程度。在此基礎(chǔ)上計算的逐月(或旬)庫水位過程作為計算調(diào)度線的依據(jù)條件，所求的水庫調(diào)度線和調(diào)度圖才可能按設(shè)計保證率的要求滿足正常供水或灌溉任務(wù)，并符合設(shè)計保證率之外降低供水的要求。

2.2 先計算確定降低供水線

《規(guī)范》的方法計算供水防破壞線時不以保證降低供水要求為前提，將簡單徑流調(diào)節(jié)的正常供水年份各月(或旬)的上包線作為防破壞線，導(dǎo)致了正常供水區(qū)與保證率之外降低供水區(qū)不合理地重疊，由于兩種調(diào)度任務(wù)沒有各自獨立的保證區(qū)，按此調(diào)度圖運行的結(jié)果就使正常供水和降低供水不能都得到滿足。為避免這一問題，改進方法計算調(diào)度圖時應(yīng)首先計算設(shè)計保證率之外的降低供水線，先保證滿足降低供水這一最低要求，在此前提下再計算正常供水或灌溉防破壞線。

2.3 改進防破壞線計算方法

調(diào)度圖改進方法先計算降低供水線，后確定供水或灌溉的防破壞線，正常供水區(qū)與降低供水區(qū)不應(yīng)重疊，即降低供水線與防破壞水位不交叉。依此協(xié)調(diào)正常供水區(qū)與降低供水區(qū)的位置，使正常供水區(qū)與降低供水區(qū)各自獨立存在又緊密相連。經(jīng)過對防破壞線計算方法的改進，可以在滿足保證率外的降低供水前提下，再保證滿足保證率內(nèi)的正常供水或灌溉。

2.4 調(diào)度圖計算方法應(yīng)該統(tǒng)一

因《規(guī)范》中常規(guī)的供水或灌溉水庫調(diào)度圖計算方法存在不準確、不完善的問題，所計算的調(diào)度圖要經(jīng)過多次的經(jīng)驗性的檢驗和修改，也很難準確滿足設(shè)計要求。改進方法應(yīng)改變計算模式，計算過程應(yīng)明確、方法應(yīng)統(tǒng)一，不應(yīng)依賴個人經(jīng)驗進行修改，全面提高調(diào)度圖計算的合理性、準確性，使調(diào)度線不交叉、調(diào)度區(qū)不重疊，明確可達到的降低供水程度，調(diào)度圖結(jié)果應(yīng)明確正常供水對應(yīng)的保證率。調(diào)度圖應(yīng)能快速、方便地通過長系列徑流調(diào)節(jié)計算的檢驗，不需要再對調(diào)度圖進行反復(fù)的檢驗和修改。

3 供水或灌溉調(diào)度圖改進方法的主要內(nèi)容

3.1 改進方法中降低供水過程確定

以供水或灌溉為主要任務(wù)的水庫，為控制特枯水年度供水或灌溉破壞深度，一般特枯水時段供水不小于正常設(shè)計供水量的70%～80%，灌溉水量一般不小于正常設(shè)計水量的50%?？筛鶕?jù)具體水庫工程的供水或灌溉在設(shè)計保證率之外破壞期的具體要求，考慮與正常供水或灌溉的關(guān)系，合理確定降低供水過程。降低供水是工程在設(shè)計保證率之外破壞期的最低要求，應(yīng)在工程運用的各時段都能得到滿足。在一定的入庫徑流條件和水庫規(guī)模時，正常供水或灌溉任務(wù)、供水或灌溉保證率、降低供水任務(wù)三者之間都是負相關(guān)關(guān)系，在水庫調(diào)度圖編制前要分析研究三者之間合理的匹配關(guān)系，可據(jù)工程需要適當調(diào)整三者大小，為進行水庫調(diào)度圖計算做好準備；待水庫調(diào)度圖和按調(diào)度圖所做的徑流調(diào)節(jié)有了初步結(jié)果后，應(yīng)根據(jù)結(jié)果分析三者的關(guān)系是否滿足工程要求，還可再調(diào)整三者的大小關(guān)系，必要時也可調(diào)整水庫規(guī)模。調(diào)度圖改進方法可以快速準確完成計算，為優(yōu)化工程設(shè)計創(chuàng)造條件。

3.2 改進方法的降低供水線計算

《規(guī)范》在7.2.5中說明“對全部破壞年份按滿足特枯水年灌溉用水量的要求進行逆時序調(diào)節(jié)計算，求出各月(或旬)的上包線作為降低供水線”。這種方法的原理是基本正確的，但具體做法卻不夠準確和不易操作，即在調(diào)度圖開始計算階段要選用的“全部破壞年份”只能是采用常規(guī)簡單徑流調(diào)節(jié)的結(jié)果，而這一結(jié)果與按調(diào)度圖所做的徑流調(diào)節(jié)的最終結(jié)果并不一致，所以不一定準確；另一方面，在連續(xù)長系列中再挑選出“全部破壞年份”，還要對需水和入庫徑流系列作出不連續(xù)的處理，增加了計算環(huán)節(jié)而結(jié)果精度并沒有提高。為避免這一問題，改進方法按照全系列連續(xù)的降低供水過程進行逆時序供水或灌溉的徑流調(diào)節(jié)計算，求出各月(或旬)水位的上包線作降低供水線。與《規(guī)范》的方法不同的還有，改進方法是先計算確定降低供水線和降低供水區(qū)，此處的降低供水區(qū)將是單獨滿足設(shè)計保證率以外的降低供水任務(wù)，此區(qū)域?qū)⑴c保證率之內(nèi)的正常供水區(qū)不重疊。

3.3 確定防破壞線所依據(jù)的徑流調(diào)節(jié)過程計算

確定了降低供水過程、降低供水線之后，為了給防破壞線計算提供準確的徑流調(diào)節(jié)過程，以降低供水線和水庫的基本特征水位(正常蓄水位、汛期限制水位、死水位)形成的初始調(diào)度圖為依據(jù)，按初始調(diào)度圖做順時序的徑流調(diào)節(jié)計算。計算中考慮正常的供水或灌溉、降低供水，不預(yù)測入庫徑流，以實際水位在調(diào)度圖中的位置確定供水或灌溉的狀態(tài)，水位處于降低供水線和正常蓄水位(或汛期限制水位)之間區(qū)域，屬于設(shè)計保證率以內(nèi)，為正常供水或灌溉；水位在降低供水線與死水位之間，為供水或灌溉保證率以外，按降低供水過程調(diào)度；當水位等于正常蓄水位(或汛限水位)并且當期入庫徑流量大于正常供水或灌溉需水量時，可按水庫加大供水方式運行。依此方法徑流調(diào)節(jié)后，能使保證率以外的降低供水得到充分滿足，也盡可能滿足了保證率以內(nèi)的正常供水或灌溉。與《規(guī)范》中方法比較，改進方法嚴格區(qū)分了降低供水與正常供水的徑流調(diào)節(jié)目標，優(yōu)先全時段滿足降低供水要求，再盡力保證正常的供水或灌溉任務(wù)。降低供水是全時段確保，實際供水或灌溉保證率的高低與正常供水或灌溉任務(wù)大小相應(yīng)，徑流調(diào)節(jié)計算的降低供水或灌溉水量與正常供水或灌溉水量及相應(yīng)的保證率比《規(guī)范》的常規(guī)方法明確可靠。

3.4 改進方法的防破壞線計算

防破壞線應(yīng)以滿足設(shè)計保證率之外，特枯水時段降低供水為前提條件，正常供水應(yīng)符合設(shè)計保證率，防破壞線計算依據(jù)的庫水位過程必須是含有特枯水時段的降低供水、設(shè)計保證率內(nèi)的正常供水，而不應(yīng)含有加大供水任務(wù)。把前述按初始調(diào)度圖徑流調(diào)節(jié)過程中含有加大供水量時段取為正常供水，與徑流調(diào)節(jié)過程中可正常供水時段和設(shè)計保證率外的降低供水時段及其相應(yīng)水量一起，構(gòu)成了計算水庫防破壞線完整準確的供水系列。依此供水系列逆時序連續(xù)做徑流調(diào)節(jié)計算，即可以得出長系列各時段供水或灌溉的相應(yīng)水位即為防破壞水位。為使降低供水得到全時段保證、正常供水滿足設(shè)計保證率，就必須保持正常供水區(qū)和降低供水區(qū)各自獨立，避免二者重疊，所以在本階段逆時序連續(xù)徑流調(diào)節(jié)過程中，要控制每個正常供水時段庫水位不低于降低供水線，最后再取歷年各月(或旬)防破壞水位的上包線即為防破壞線。與《規(guī)范》的方法比較，改進方法計算防破壞線依據(jù)的供水或灌溉過程中包含了降低供水、正常供水，并削除了加大供水部分，能保證需水和供水過程完整、合理；另一方面，控制長系列各時段的供水或灌溉防破壞水位不低于同期的供水或灌溉降低供水線，徹底避免了《規(guī)范》中提到的降低供水線高于防破壞線的不合理現(xiàn)象，也就省去了對此不合理現(xiàn)象所要做的一系列經(jīng)驗性修改、檢驗工作，從根本上提高了改進方法計算調(diào)度圖的準確性。

3.5 加大供水線計算

《規(guī)范》對供水或灌溉水庫調(diào)度圖均提出了加大供水區(qū)的要求，但并沒有提出計算供水或灌溉加大供水線的方法。在正常情況下，供水或灌溉水庫有條件加大供水時，主要按加大供水的具體要求供水，通?？刹扇×⒓醇屑哟蠡蚝笃诩屑哟蠓绞焦┧纯?，一般無需計算水庫的加大供水線；只有要求水庫以均勻方式加大供水時，才需要計算水庫加大供水線。可按加大供水的具體要求，對不同的加大供水線作出計算。計算方法因要求均勻加大供水的具體條件而不同，應(yīng)經(jīng)若干方案的比較，計算不同的加大供水線供選擇使用，其中等于水庫放水能力的水庫加大供水線即為水庫的防棄水線。

3.6 水庫供水或灌溉調(diào)度方式

水庫供水或灌溉調(diào)度圖計算改進方法只對調(diào)度圖的計算模式進行了改進，供水或灌溉調(diào)度圖的基本調(diào)度分區(qū)和各調(diào)度區(qū)內(nèi)水庫調(diào)度方式仍與《規(guī)范》相同。即水庫水位在降低供水線和防破壞線之間時，水庫按保證正常供水或灌溉需要供水；水庫水位高于防破壞線時，除按正常供水或灌溉需要供水外，還可以根據(jù)供水區(qū)或灌區(qū)工程蓄水情況適當加大向供水地區(qū)的輸水量，用于供水區(qū)或灌區(qū)的多水源之間的聯(lián)合調(diào)度或屯蓄；當水庫水位在降低供水線和死水位之間時，按設(shè)計降低的特枯水年供水或灌溉水量供水。

4 實例

4.1 調(diào)度圖計算條件和結(jié)果

某城市供水水庫總庫容1.84億m3，興利調(diào)節(jié)庫容0.63億m3，年均徑流量1.1806億m3(含每年汛期前、后從外流域集中調(diào)水)，正常蓄水位28m，汛期限制水位27.5m，死水位18m。水庫承擔城市供水和火電廠供水任務(wù)，城市供水保證率可在95%上下比較，向火電廠供水部分要求保證率為100%，城市供水可與其它水源聯(lián)合調(diào)度，對保證率之外的破壞深度不做具體限制。因此水庫正常供水為城市供水與火電廠用水之和，水庫設(shè)計保證率之外的降低供水任務(wù)為向火電廠供水。用改進方法作出水庫調(diào)度圖并按調(diào)度圖進行徑流調(diào)節(jié)，對水庫城市供水設(shè)計保證率進行多方案計算比較。計算結(jié)果見表1，方案3的水庫調(diào)度圖見圖1，圖1中上線為水庫正常蓄水位或汛期限制水位，中線為防破壞線，下線為降低供水線。

表1 計算結(jié)果

圖1 調(diào)度圖

本例使用改進方法計算供水調(diào)度圖，并按調(diào)度圖做徑流調(diào)節(jié)，設(shè)計保證率外降低供水量(電廠供水量)可以全時段滿足，如果需要也可對降低供水量的大小做多方案的計算比較；不同的正常供水保證率，計算可得到不同的保證(正常)供水量；本水庫對加大供水采用立即加大方式運行，調(diào)度圖中不需要計算加大供水線。實際工程可考慮對降低供水、正常供水量及保證率等參數(shù)的不同要求，結(jié)合工程其它情況選用調(diào)度方案。

4.2 改進方法與常規(guī)方法比較

供水或灌溉調(diào)度圖計算改進方法與《規(guī)范》中常規(guī)方法的計算原理是一樣的，在相同的條件時，準確的調(diào)度圖也應(yīng)是相同的。改進方法的主要改進內(nèi)容體現(xiàn)在調(diào)度圖計算過程和結(jié)果中，避免了對調(diào)度圖的多次檢驗計算，避免了沒有明確規(guī)則可依的經(jīng)驗性修改調(diào)度圖，提高了調(diào)度圖和相應(yīng)徑流調(diào)節(jié)計算的合理性和準確性；用改進方法的調(diào)度圖可以更準確、靈活地協(xié)調(diào)供水或灌溉任務(wù)與水庫調(diào)度的各種要求，可以優(yōu)化工程設(shè)計或提高水庫調(diào)度合理性。

5 結(jié)論

針對《規(guī)范》中城鄉(xiāng)供水或灌溉水庫調(diào)度圖計算方法存在的問題，提出了合理確定降低供水過程，優(yōu)先準確計算降低供水線，按調(diào)度圖模式合理調(diào)節(jié)徑流，控制供水或灌溉防破壞水位不低于同期的供水或灌溉降低供水線等改進措施。改進方法協(xié)調(diào)了水庫調(diào)度與徑流調(diào)節(jié)的關(guān)系，準確計算了降低供水區(qū)，在滿足降低供水的前提下確定了正常供水區(qū)，改進方法可以準確地計算出調(diào)度線、調(diào)度圖，并能按調(diào)度圖作出徑流調(diào)節(jié)。改進方法提高了供水或灌溉時歷法調(diào)度圖的合理性與實用價值，改進方法應(yīng)用方便，計算方法明確、避免了任意性較大的調(diào)度圖經(jīng)驗修改，明顯提高了計算效率和結(jié)果的準確性。