王 平

(上海市水利工程集團(tuán)設(shè)計(jì)有限公司，上海 200093)

兼有灌溉任務(wù)的水電工程，徑流調(diào)節(jié)是其水利計(jì)算的核心內(nèi)容，設(shè)計(jì)規(guī)范中主要采用的計(jì)算方法為時(shí)歷法，但目前設(shè)計(jì)規(guī)范、工具書和教課書[1- 6]中常規(guī)的徑流調(diào)節(jié)方法創(chuàng)立于1950年代，是以列表法、圖解法、代表年法等手工計(jì)算的思路為主，計(jì)算方法包含了較多不合理的假定或簡(jiǎn)化。隨著水文資料的延長(zhǎng)和計(jì)算技術(shù)的發(fā)展，常規(guī)時(shí)歷法的問題愈顯突出，而有關(guān)的改進(jìn)研究成果極少[7- 8]。本文以DL/T 5105—1999《水電工程水利計(jì)算規(guī)范》等資料[1- 3]中的常規(guī)計(jì)算方法為主要對(duì)象，研究兼有灌溉任務(wù)的水電工程徑流調(diào)節(jié)方法存在的不合理問題，提出對(duì)常規(guī)方法的改進(jìn)思路和具體改進(jìn)計(jì)算新方法。

1 兼有灌溉的水電工程徑流調(diào)節(jié)方法的問題

1.1 DL/T 5105—1999中缺少具體方法

DL/T 5105—1999對(duì)兼有灌溉任務(wù)的水電工程水利計(jì)算提出了任務(wù)與原則：“7.1.1應(yīng)分析各部門的用水要求，河流洪、枯水量的大小，水庫(kù)特點(diǎn)等，按工程開發(fā)任務(wù)的主次，協(xié)調(diào)發(fā)電與灌溉、供水、航運(yùn)等各項(xiàng)任務(wù)之間的關(guān)系，進(jìn)行水量平衡。當(dāng)各部門用水要求不能完全滿足時(shí)，應(yīng)統(tǒng)籌兼顧、綜合分析，合理調(diào)整各部門的用水要求，并擬定水庫(kù)合理的運(yùn)行方式。7.1.2兼有其它用水任務(wù)的水電工程，應(yīng)采用發(fā)電設(shè)計(jì)水平年中各部門的用水要求進(jìn)行水利計(jì)算。必要時(shí)，可采用某些次要任務(wù)水平年中各部門的用水要求作為校核。7.1.3徑流調(diào)節(jié)計(jì)算應(yīng)在擬定各部門綜合用水量和用水過程的基礎(chǔ)上進(jìn)行。當(dāng)各用水部門保證率不同時(shí)，可分別選擇相應(yīng)的代表年進(jìn)行計(jì)算。7.2.1應(yīng)分析研究灌區(qū)范圍、灌溉面積、灌溉需水量和灌溉保證率要求的合理性。7.2.2應(yīng)計(jì)算水庫(kù)多年平均灌溉供水量、灌溉保證率和供水量過程或庫(kù)水位過程”。但是DL/T 5105—1999并沒有提出可操作的具體計(jì)算方法。

1.2 兼有灌溉任務(wù)的水電工程徑流調(diào)節(jié)常規(guī)方法的問題

兼有灌溉任務(wù)的水電工程，發(fā)電和灌溉之間可能有矛盾，可以通過在電站下游建設(shè)反調(diào)節(jié)水庫(kù)協(xié)調(diào)兩者關(guān)系，使日內(nèi)按電網(wǎng)調(diào)峰運(yùn)行不均勻的發(fā)電放水過程經(jīng)過反調(diào)節(jié)后，可以較均勻的流量向灌區(qū)輸送。對(duì)這種兼有灌溉的水電工程，常規(guī)的徑流調(diào)節(jié)時(shí)歷法是把系列年劃分為若干水利年，然后再把每個(gè)水利年劃分為蓄水期和供水期，年調(diào)節(jié)水庫(kù)從蓄水期初以死水位開始調(diào)節(jié)計(jì)算，蓄水期末水庫(kù)水位達(dá)到正常蓄水位；供水期內(nèi)水庫(kù)利用來(lái)水和蓄水灌溉，供水期末水位降低到死水位。多年調(diào)節(jié)水庫(kù)與年調(diào)節(jié)水庫(kù)計(jì)算方法相似，只是調(diào)節(jié)周期可能為多年。但常規(guī)方法有以下不合理問題有待改進(jìn)。

1.2.1 典型年代表性不足

常規(guī)方法有時(shí)用典型年或設(shè)計(jì)代表年法計(jì)算，但兼有灌溉任務(wù)水庫(kù)的徑流代表年不易選擇，要考慮入庫(kù)徑流的代表性，還要兼顧灌溉用水和徑流組合的代表性；要考慮年徑流總量和年灌溉需水總量接近設(shè)計(jì)的豐、平、枯等保證率，還要考慮年內(nèi)徑流和需水分配的代表性，所以，代表年的選擇有較大的任意性，代表性往往不足。

1.2.2 對(duì)年和多年調(diào)節(jié)水庫(kù)使用不同的計(jì)算方法

常規(guī)方法一般做出水庫(kù)年來(lái)水頻率曲線和年灌溉需水頻率曲線，并以灌溉設(shè)計(jì)保證率與兩條線的交叉點(diǎn)的關(guān)系作為水庫(kù)調(diào)節(jié)性能的判別條件，灌溉設(shè)計(jì)保證率大于交叉點(diǎn)頻率的作為多年調(diào)節(jié)，反之作為年調(diào)節(jié)，對(duì)年和多年調(diào)節(jié)水庫(kù)使用不同的方法計(jì)算。這些做法都是沒有嚴(yán)格的理論依據(jù)的經(jīng)驗(yàn)方法，是不準(zhǔn)確的，因徑流年內(nèi)分配不同、水庫(kù)年內(nèi)運(yùn)用次數(shù)不同，僅用年來(lái)水和年灌溉需水總量是不能準(zhǔn)確判斷水庫(kù)徑流調(diào)節(jié)特性的。

1.2.3 蓄水期和供水期劃分不盡合理

常規(guī)方法為了減少計(jì)算工作量和降低計(jì)算難度，都把長(zhǎng)系列年劃分為單獨(dú)的計(jì)算年份，再把各水利年分為基本固定的蓄水期和供水期，實(shí)際徑流調(diào)節(jié)計(jì)算時(shí)還可能要再對(duì)每一年的分期作具體分析，各年實(shí)際的蓄水期和供水期可能還有一定的變化。每年的徑流情況是隨機(jī)變化的，若硬性劃分為固定的分期顯然是不合理的，如果每年還要具體分析、判斷后確定蓄水期和供水期，這只能是事后的分析，對(duì)工程實(shí)際運(yùn)行沒有意義。

1.2.4 每年用相同的起調(diào)或終止水位有偏差

常規(guī)方法年調(diào)節(jié)水庫(kù)每年從蓄水期初死水位起調(diào)，在蓄水期末水位蓄至正常蓄水位，再到供水期末水庫(kù)水位降低到死水位。每年都按相同的水位起調(diào)或終止，實(shí)際上把長(zhǎng)系列年變成了孤立的、沒有水量聯(lián)系的單獨(dú)年份，造成水庫(kù)蓄水偏少，灌溉枯水年前期水庫(kù)蓄水量不足，計(jì)算的灌溉保證率偏低或需要的庫(kù)容偏大。

1.2.5 計(jì)算逐年興利庫(kù)容的差積曲線法常見錯(cuò)誤

兼有灌溉的水庫(kù)工程設(shè)計(jì)中，經(jīng)常要求根據(jù)徑流調(diào)節(jié)計(jì)算結(jié)果做出調(diào)節(jié)庫(kù)容與灌溉保證率關(guān)系曲線。常規(guī)方法通常用列表法或差積曲線法進(jìn)行長(zhǎng)系列的余水和虧水計(jì)算分析，分別確定各年所需的調(diào)節(jié)庫(kù)容，然后再做頻率計(jì)算。應(yīng)用這種方法的前提條件應(yīng)該是從系列年起點(diǎn)開始，每個(gè)調(diào)節(jié)時(shí)段和調(diào)節(jié)年度的累計(jì)余水量不小于累計(jì)虧水量，否則即使調(diào)節(jié)庫(kù)容再大也不能避免灌溉破壞。但有些教課書[4- 6]卻忽視了對(duì)灌溉需水的合理控制，在其計(jì)算實(shí)例中，當(dāng)累計(jì)余水量已經(jīng)小于累計(jì)虧水量(來(lái)水減用水的差積曲線為負(fù)值)的情況下，還計(jì)算出當(dāng)年滿足灌溉的調(diào)節(jié)庫(kù)容，這顯然是錯(cuò)誤的。

1.2.6 計(jì)算條件不符合實(shí)際

常規(guī)方法灌溉調(diào)節(jié)計(jì)算中，列表法、簡(jiǎn)化水量平衡方程、差積曲線法都至少要預(yù)知一年的徑流過程，這種徑流調(diào)節(jié)方式與水庫(kù)實(shí)際運(yùn)行情況差距較大，可操作性很低，計(jì)算結(jié)果準(zhǔn)確度較差。

2 兼有灌溉的水電工程徑流調(diào)節(jié)方法改進(jìn)思路

2.1 以長(zhǎng)系列法代替典型年法

DL/T 5105—1999“4.2.3徑流系列資料年限應(yīng)根據(jù)設(shè)計(jì)水電工程的特點(diǎn)確定，對(duì)于季調(diào)節(jié)及以上的水庫(kù)，徑流系列資料的年限應(yīng)不少于30年”。根據(jù)這一要求，改進(jìn)方法全部使用長(zhǎng)系列時(shí)歷法調(diào)節(jié)計(jì)算，沒有足夠的長(zhǎng)系列徑流資料時(shí)，應(yīng)按規(guī)范要求先插補(bǔ)延長(zhǎng)徑流資料后再用長(zhǎng)系列時(shí)歷法。

2.2 年與多年調(diào)節(jié)水庫(kù)統(tǒng)一計(jì)算方法

為避免常規(guī)徑流調(diào)節(jié)方法分類不準(zhǔn)確可能產(chǎn)生的問題，提高計(jì)算的合理性與準(zhǔn)確性，改進(jìn)方法不再按水庫(kù)調(diào)節(jié)性能作計(jì)算方法的分類，也不需要再逐年分析水庫(kù)是一次運(yùn)用或多次運(yùn)用，不再使用分年列表法和簡(jiǎn)化水量平衡方程式法，而統(tǒng)一改用長(zhǎng)系列試算法完成各種調(diào)節(jié)性能水庫(kù)的灌溉徑流調(diào)節(jié)計(jì)算。

2.3 以連續(xù)調(diào)節(jié)計(jì)算代替分年計(jì)算

改進(jìn)方法不劃分供水期、蓄水期，對(duì)多年調(diào)節(jié)水庫(kù)也不劃分豐水年組和枯水年組，改用長(zhǎng)系列徑流連續(xù)調(diào)節(jié)計(jì)算，按照水利年統(tǒng)計(jì)各年調(diào)節(jié)成果。改進(jìn)方法把基本調(diào)節(jié)計(jì)算期從一年延長(zhǎng)到全系列，計(jì)算中也就不再需要費(fèi)時(shí)費(fèi)事地分析確定每年實(shí)際的蓄水期和供水期。

2.4 合理確定每年的起調(diào)或終止水位

改進(jìn)方法不再采用每年相同的起調(diào)和終止水位，對(duì)各種調(diào)節(jié)性能的水庫(kù)都統(tǒng)一使用長(zhǎng)系列徑流資料計(jì)算，各年逐時(shí)段水庫(kù)水位通過連續(xù)的調(diào)節(jié)計(jì)算確定，避免人為規(guī)定起止水位的不合理性。

2.5 正確計(jì)算灌溉調(diào)節(jié)庫(kù)容

改進(jìn)方法為避免差積曲線法常見錯(cuò)誤，保證灌溉調(diào)節(jié)和發(fā)電計(jì)算的正確性，在調(diào)節(jié)計(jì)算開始就要對(duì)灌溉需水作合理性檢查計(jì)算，如發(fā)現(xiàn)某個(gè)調(diào)節(jié)時(shí)段或調(diào)節(jié)年度的累計(jì)余水量小于累計(jì)虧水量，應(yīng)分析后減小灌溉需水，防止影響調(diào)節(jié)庫(kù)容的正確計(jì)算。

2.6 不預(yù)知或預(yù)測(cè)長(zhǎng)期徑流

為提高徑流調(diào)節(jié)方法和結(jié)果的實(shí)用性，改進(jìn)方法計(jì)算時(shí)模擬水庫(kù)實(shí)時(shí)運(yùn)行狀況，不再預(yù)知或預(yù)測(cè)長(zhǎng)期徑流過程，改以水庫(kù)實(shí)時(shí)蓄水位作為灌溉和發(fā)電運(yùn)行的主要依據(jù)。

3 改進(jìn)的計(jì)算方法和內(nèi)容

3.1 灌溉需水合理性檢查

無(wú)論是年調(diào)節(jié)水庫(kù)還是多年調(diào)節(jié)水庫(kù)，無(wú)論采用什么方法進(jìn)行徑流調(diào)節(jié)計(jì)算，首先都應(yīng)對(duì)灌溉需水和入庫(kù)徑流系列作合理性、適應(yīng)性檢驗(yàn)。不僅要檢驗(yàn)多年平均入庫(kù)徑流要大于多年平均灌溉需水量，還應(yīng)注意檢驗(yàn)從起調(diào)時(shí)段開始每個(gè)時(shí)段的累積來(lái)水量都不應(yīng)小于累積灌溉需水量，否則無(wú)法正確的進(jìn)行調(diào)節(jié)計(jì)算。

3.2 確定起調(diào)和結(jié)束條件

先對(duì)徑流進(jìn)行初步分析，確定灌溉的水利年，然后從第一個(gè)蓄水期的死水位起調(diào)。改進(jìn)方法以長(zhǎng)系列徑流連續(xù)調(diào)節(jié)計(jì)算，起調(diào)時(shí)段之后各時(shí)段水位由連續(xù)徑流調(diào)節(jié)過程計(jì)算確定，不再需要人為規(guī)定。長(zhǎng)系列末終止水位應(yīng)按連續(xù)計(jì)算的結(jié)果確定，不應(yīng)再要求庫(kù)水位結(jié)束于某一特定水位，也不應(yīng)人為變動(dòng)計(jì)算過程。

3.3 各時(shí)段灌溉調(diào)節(jié)計(jì)算

各時(shí)段灌溉水量平衡計(jì)算以水庫(kù)蓄水位為控制條件，做出灌溉調(diào)節(jié)決策。改進(jìn)方法不再按時(shí)間劃分蓄水期和供水期，而改為按水庫(kù)蓄水位劃分為三個(gè)調(diào)節(jié)時(shí)期：正常灌溉期、灌溉破壞期、加大灌溉(或加大發(fā)電)期。分期水位條件和水量平衡方法為：面臨時(shí)段水庫(kù)蓄水位在死水位與正常蓄水位(或汛期限制水位)之間區(qū)域時(shí)，是正常灌溉期，按灌溉要求放水，利用灌溉放水發(fā)電；水位降低到水庫(kù)死水位時(shí)，如天然徑流小于灌溉需水，為灌溉破壞期，水庫(kù)按入庫(kù)流量灌溉放水和發(fā)電；當(dāng)水位達(dá)到正常蓄水位(或汛期限制水位)，如天然徑流大于灌溉需水，就屬于可加大灌溉或可加大發(fā)電期，水庫(kù)蓄滿后的水量可用于加大灌溉或發(fā)電。灌溉調(diào)節(jié)和發(fā)電計(jì)算是按時(shí)段平均流量計(jì)算的，當(dāng)具備反調(diào)節(jié)措施時(shí)，電站可以按日內(nèi)發(fā)電調(diào)峰要求方式運(yùn)行，經(jīng)過下游反調(diào)節(jié)水庫(kù)的反調(diào)節(jié)后可以向灌區(qū)均勻供水灌溉。

3.4 灌溉保證率計(jì)算

按照灌溉調(diào)節(jié)和發(fā)電計(jì)算規(guī)則進(jìn)行連續(xù)水量平衡，得出灌溉放水和發(fā)電過程，其中有正常灌溉、加大灌溉、破壞期降低灌溉。按照水利年度的劃分，分年統(tǒng)計(jì)灌溉破壞的時(shí)段或年份，根據(jù)灌溉保證率的定義，以沒有發(fā)生灌溉破壞的年數(shù)與系列總年數(shù)，計(jì)算出年灌溉保證率。若實(shí)際灌溉保證率不符合設(shè)計(jì)保證率，可以通過改變調(diào)節(jié)庫(kù)容、灌溉面積或需水量等措施，再重新調(diào)節(jié)計(jì)算，直至計(jì)算的保證率符合設(shè)計(jì)保證率為止。

3.5 灌溉調(diào)節(jié)主要結(jié)果

改進(jìn)方法以長(zhǎng)系列徑流連續(xù)調(diào)節(jié)計(jì)算，經(jīng)過試算得出符合要求的徑流調(diào)節(jié)計(jì)算過程，并可計(jì)算出年均灌溉水量、加大灌溉水量、灌溉缺水量、發(fā)電保證出力、年均發(fā)電量等各種灌溉、發(fā)電指標(biāo)。

3.6 改進(jìn)方法進(jìn)一步完善的措施

用前述改進(jìn)方法對(duì)兼有灌溉的水電工程進(jìn)行徑流調(diào)節(jié)計(jì)算后，計(jì)算結(jié)果可能還存在設(shè)計(jì)保證率之外灌溉破壞深度不合適、水庫(kù)棄水可能較集中的問題。對(duì)于調(diào)節(jié)性能較大的季調(diào)節(jié)以上水庫(kù)，有必要通過編制水庫(kù)灌溉調(diào)度圖[9]解決這兩個(gè)問題。水庫(kù)按灌溉調(diào)度圖運(yùn)行，可以更精確地調(diào)節(jié)徑流，調(diào)整灌溉破壞深度，更合理地加大灌溉或發(fā)電出力，減小棄水量，進(jìn)一步提高灌溉徑流調(diào)節(jié)的合理性與效益。

4 改進(jìn)方法的合理性與實(shí)用價(jià)值

4.1 改進(jìn)方法的適用性增強(qiáng)

常規(guī)方法假設(shè)當(dāng)年蓄水期天然徑流除滿足當(dāng)期灌溉任務(wù)外，還可以蓄滿調(diào)節(jié)庫(kù)容留待供水期使用，假設(shè)蓄水期不會(huì)發(fā)生灌溉破壞。但是實(shí)際情況徑流變化較大，有的蓄水期初天然徑流很小，常規(guī)方法由蓄水期初死水位起調(diào)，有可能在蓄水期初就發(fā)生灌溉破壞。改進(jìn)方法徑流調(diào)節(jié)不按時(shí)間分期，采用連續(xù)的長(zhǎng)系列調(diào)節(jié)計(jì)算，在不增加工程規(guī)模的前提下充分利用蓄水庫(kù)容，水庫(kù)每年運(yùn)行水位并不一定都回落到死水位，更好地適應(yīng)了入庫(kù)徑流多變的情況，盡可能避免了蓄水期初發(fā)生灌溉破壞的機(jī)會(huì)，提高了徑流調(diào)節(jié)方法的合理性。

4.2 統(tǒng)一了灌溉徑流調(diào)節(jié)模式

兼有灌溉的發(fā)電水庫(kù)，徑流調(diào)節(jié)的任務(wù)是確定調(diào)節(jié)庫(kù)容、灌溉水量和灌溉保證率的關(guān)系。依照不同的條件和要求，常規(guī)方法分別使用列表法、簡(jiǎn)化水量平衡方程式法、差積曲線法圖解法等，改進(jìn)方法把這多種方法和調(diào)節(jié)模式統(tǒng)一改為長(zhǎng)系列連續(xù)試算法，避免了列表法的逐年分析、簡(jiǎn)化和圖解法的不準(zhǔn)確等問題，顯著提高了計(jì)算效率，增強(qiáng)了計(jì)算成果的合理性。

4.3 改進(jìn)方法經(jīng)過實(shí)例檢驗(yàn)

為解決常規(guī)方法的不合理問題，筆者先后把年調(diào)節(jié)水庫(kù)分蓄水期、供水期的計(jì)算法改為不分期的長(zhǎng)系列法，把多年調(diào)節(jié)的差積曲線圖解法和列表分析計(jì)算法改為計(jì)算機(jī)全數(shù)字化試算法。改進(jìn)方法需要的計(jì)算條件降低，計(jì)算的復(fù)雜性減小，調(diào)節(jié)方法的合理性顯著提高，計(jì)算結(jié)果灌溉供水量和發(fā)電量有一定增加，改進(jìn)方法已經(jīng)過了多項(xiàng)工程的設(shè)計(jì)、審查和實(shí)際運(yùn)行的檢驗(yàn)。

5 實(shí)例

某水電工程兼有灌溉任務(wù)，壩后式電站裝機(jī)2.5萬(wàn)kW，水庫(kù)長(zhǎng)期運(yùn)行以灌溉為主，發(fā)電可進(jìn)行日內(nèi)調(diào)節(jié)，下游有足夠大的反調(diào)節(jié)水庫(kù)，徑流為50年分月流量，各種水量損失已在入庫(kù)徑流中扣除。要求分別用常規(guī)方法和改進(jìn)方法作水庫(kù)的灌溉徑流調(diào)節(jié)和水能計(jì)算，主要計(jì)算結(jié)果見表1、圖1、圖2。

表1 灌溉水庫(kù)徑流調(diào)節(jié)

圖1 出庫(kù)流量頻率曲線

圖2 發(fā)電出力頻率曲線

(1)常規(guī)方法。按常規(guī)方法的列表法調(diào)節(jié)計(jì)算，為預(yù)知徑流的事后調(diào)節(jié)，從蓄水期死水位起調(diào)并在蓄水期末把調(diào)節(jié)庫(kù)容蓄滿；灌溉后供水期末回落到死水位。圖1、圖2常規(guī)方法(虛線)出庫(kù)流量、發(fā)電出力頻率曲線坡度較大，同等頻率時(shí)的灌溉流量、發(fā)電出力偏小。由于起調(diào)水位偏低，蓄水期初發(fā)生小量的灌溉破壞，導(dǎo)致年灌溉保證率偏低。

(2)改進(jìn)方法。僅知道面臨時(shí)段的水庫(kù)水位，按照改進(jìn)方法用連續(xù)計(jì)算法，依照灌溉要求放水并盡量保持在高水位，死水位時(shí)允許灌溉破壞，滿庫(kù)后棄水。圖1、圖2改進(jìn)方法(實(shí)線)出庫(kù)流量、發(fā)電出力頻率曲線略緩，在要求的灌溉和發(fā)電保證率范圍內(nèi)，灌溉保證流量和發(fā)電保證出力明顯增大，也提高了灌溉保證率和發(fā)電量。

6 結(jié)語(yǔ)

本文提出的兼有灌溉的水電工程徑流調(diào)節(jié)的改進(jìn)方法，改正了常規(guī)方法的一些不合理做法，采用長(zhǎng)系列時(shí)歷法調(diào)節(jié)計(jì)算，統(tǒng)一了年和多年調(diào)節(jié)水庫(kù)的計(jì)算方法，不分期連續(xù)灌溉調(diào)節(jié)計(jì)算提高了起止水位的合理性，正確計(jì)算了灌溉調(diào)節(jié)庫(kù)容，增加了灌溉保證程度，提高了時(shí)歷法灌溉徑流調(diào)節(jié)計(jì)算方法的理論合理性和實(shí)用價(jià)值。改進(jìn)方法是具有可操作性的具體計(jì)算方法，可以普遍適用于兼有灌溉的水電工程，能解決此類工程的多種徑流調(diào)節(jié)問題。由于現(xiàn)有的常規(guī)方法還不完善，甚至有謬誤流傳，建議DL/T 5105—1999能適時(shí)修訂，適當(dāng)納入經(jīng)過實(shí)踐檢驗(yàn)的合理完善的計(jì)算方法。