王 平
(上海市水利工程集團設(shè)計有限公司,上海 200093)
兼有供水任務(wù)的水電工程常用的徑流調(diào)節(jié)和水能計算方法為時歷法,計算結(jié)果是確定工程規(guī)模的主要依據(jù),也是編制供水發(fā)電調(diào)度圖實施合理調(diào)度的基礎(chǔ),但目前行業(yè)規(guī)范[1- 3]關(guān)于時歷法徑流調(diào)節(jié)的計算方法中尚存在一些不合理之處,而深入研究時歷法徑流調(diào)節(jié)計算方法的成果很少[4- 5]。為此,本文以DL/T5105- 1999《水電工程水利計算規(guī)范》等資料[1- 3]中兼有供水的水電工程徑流調(diào)節(jié)方法為研究對象,分析其存在的問題,提出了基于時歷法的徑流調(diào)節(jié)計算改進方法,為適時修訂、合理完善兼有供水任務(wù)的水電工程的徑流調(diào)節(jié)和水能計算方法提供參考。
DL/T 5105—1999中7.1及7.4節(jié)對兼有其它任務(wù)的水電工程水利計算的任務(wù)與原則提出了規(guī)定。
但DL/T 5105—1999中并未提出兼有供水任務(wù)的水電工程徑流調(diào)節(jié)和水能計算具體的、可操作的方法。
兼有供水任務(wù)的水電工程,水力發(fā)電和水庫供水之間在用水時間和庫容上有矛盾,但通過增建庫容或反調(diào)節(jié)水庫可以協(xié)調(diào)統(tǒng)一。即:日內(nèi)不均勻的發(fā)電放水流量通過反調(diào)節(jié)庫容的再調(diào)節(jié)后,以較均勻的流量向城市、工業(yè)等供水。水庫可以在長時段運行中,按供水要求的均勻穩(wěn)定方式供水,在日內(nèi)運行時又可按發(fā)電需要有較大的變幅。對這種長時段以供水為主的水庫徑流調(diào)節(jié)方法,常規(guī)的時歷法有列表計算法、差積曲線圖解法或簡化水量平衡計算方程式法三種?;咀龇ň褪前验L系列徑流過程先劃分為水文年,以每個水文年作為基本計算周期,再把水文年分為蓄水期、供水期。調(diào)節(jié)計算時從蓄水期初和死水位開始,水庫邊供水邊蓄水,在蓄水期末蓄滿調(diào)節(jié)庫容;水庫供水期入庫水量不足由水庫蓄水量中供給,到供水期末剛好放空調(diào)節(jié)庫容至死水位。用相同的計算方法對所有水文年重復(fù)類似計算,可以得出各年的供水過程。常規(guī)方法對年調(diào)節(jié)和多年調(diào)節(jié)水庫的計算方法有些差別,計算起點或起始水位也可能不同。但常規(guī)方法有以下缺點和問題需要改進。
(1)水庫調(diào)節(jié)性能缺少劃分標準
常規(guī)方法對年和多年調(diào)節(jié)水庫使用不完全相同的徑流調(diào)節(jié)方式,但水電水利行業(yè)里并沒有任何規(guī)范提出過不同調(diào)節(jié)性能水庫的分類標準,常見的以庫容系數(shù)劃分僅是一種經(jīng)驗性的方法,理論依據(jù)不足。
(2)典型年的任意性較大
常規(guī)方法有時用典型年法計算,但兼有供水的水電工程徑流代表年選擇,要考慮入庫徑流的代表性,要考慮年徑流量和年供水量接近設(shè)計的豐、平、枯等保證率,還要兼顧年內(nèi)徑流分配的代表性,代表年選擇有較大的難度和任意性。
(3)水庫劃分固定的分期不合理
常規(guī)方法原創(chuàng)階段是人工手算時期,為了減少計算工作量、降低計算難度,把長系列劃分為單獨水文年,按多數(shù)年份蓄水期開始時間確定水文年起止點,再把各水文年劃分為固定的蓄水期、供水期。本來復(fù)雜多變的徑流調(diào)節(jié)過程被簡化為單一的模式,降低了徑流調(diào)節(jié)過程的真實性。由于入庫徑流是隨機變化的,人為劃分固定的蓄水期和供水期并不完全合理。
(4)用相同的起調(diào)或終止水位不符合實際
常規(guī)方法每個水文年均從蓄水期初的死水位起調(diào),在蓄水期末蓄滿調(diào)節(jié)庫容,然后從供水期初開始逐步降低水位,直到供水期末水位恰好降低到死水位。常規(guī)方法規(guī)定各水文年都要按相同的水位起調(diào)或終止,人為阻止了相鄰水文年之間的水量補償,導(dǎo)致水庫平均蓄水位偏低,棄水量增加,這種調(diào)節(jié)計算方式不盡合理,也不符合實際情況。
(5)分期計算的保證流量偏小
常規(guī)方法用列表法或差積曲線法試算或圖解計算每個水文年的蓄水期內(nèi)一個均勻的供水流量;在供水期內(nèi)也試算或圖解計算出相等的調(diào)節(jié)流量,但從系列年總體考察,各個供水期的調(diào)節(jié)流量之間是不相等的,符合供水保證率要求的保證流量是系列里較低值。常規(guī)方法原來受計算能力的限制,基本調(diào)節(jié)計算周期太短,符合保證率要求的保證供水流量偏小。
(6)保證率曲線計算不準確
為進行方案比較,在一定庫容時需要做出供水保證流量與保證率、發(fā)電保證出力與保證率等關(guān)系曲線。但常規(guī)方法的調(diào)節(jié)過程中并不考慮保證率的約束條件,只按單一的模式調(diào)節(jié)徑流,往往造成保證率之內(nèi)關(guān)鍵時期供水或出力偏小。常規(guī)方法在徑流調(diào)節(jié)后,再對時段供水流量和發(fā)電出力作頻率統(tǒng)計,并繪制供水流量、發(fā)電出力頻率曲線,然后近似地以供水流量頻率曲線代替保證流量與保證率的概率關(guān)系曲線、以發(fā)電出力頻率曲線代替保證出力與保證率的概率關(guān)系曲線。這都缺乏理論依據(jù),與供水、發(fā)電保證率的定義不符,造成保證供水流量和發(fā)電保證出力偏小。
受區(qū)域位置、入庫徑流特性、庫容大小、運行方式等諸多因素影響,水庫的調(diào)節(jié)性能遇不同情況時差異性較大,年和多年調(diào)節(jié)之間并沒有固定的分類判別準則。為減少方法分類可能產(chǎn)生的問題,改進方法應(yīng)不再區(qū)分年調(diào)節(jié)或多年調(diào)節(jié)水庫,而改用統(tǒng)一方法計算。
DL/T 5105—1999中4.2.3條規(guī)定:徑流系列資料年限應(yīng)根據(jù)設(shè)計水電工程的特點確定,對于季調(diào)節(jié)及以上的水庫,徑流系列資料的年限應(yīng)不少于30年。改進方法應(yīng)優(yōu)先用長系列時歷法調(diào)節(jié)計算,在具備長系列徑流時不應(yīng)再用典型年計算,沒有長系列徑流資料時,應(yīng)設(shè)法插補延長徑流資料,然后再用長系列時歷法調(diào)節(jié)計算。
改進方法不應(yīng)再劃分每年的供水期、蓄水期、豐水年組、枯水年組、年調(diào)節(jié)庫容、多年調(diào)節(jié)庫容。應(yīng)根據(jù)水庫實際蓄水和供水要求,在長系列內(nèi)不間斷地連續(xù)調(diào)節(jié)計算,水庫運行只受水庫正常蓄水位或汛限水位及死水位的約束,不再受其它人為規(guī)定分期的影響。
改進方法應(yīng)只確定第一個水文年的起調(diào)水位,以后各年份逐時段水位由連續(xù)的調(diào)節(jié)計算確定,不再需要人為確定每年的起調(diào)和終止水位。
改進方法把調(diào)節(jié)周期由一個水文年擴大到系列年的全部計算時段,在全系列內(nèi)追求最大的、相等的調(diào)節(jié)供水保證流量,即使用全系列等流量法。
改進方法中應(yīng)正確區(qū)分和計算系列內(nèi)的時段供水流量頻率曲線、發(fā)電出力頻率曲線與保證供水流量與保證率關(guān)系曲線、發(fā)電保證出力與保證率關(guān)系曲線,用供水設(shè)計保證率控制徑流調(diào)節(jié)計算過程,考慮發(fā)電保證率統(tǒng)計水能計算結(jié)果。
改進方法用長系列徑流資料連續(xù)計算,可根據(jù)對徑流特性的初步分析,確定系列年第一個時段的起始水位,一般可從死水位等適當水位起調(diào),后續(xù)所有時段水位就可以連續(xù)計算。系列末水庫水位是連續(xù)調(diào)節(jié)計算的結(jié)果,因與起始點相隔很多計算時段,一般已不受起始水位的影響。如果要求庫水位在末時段結(jié)束于起調(diào)水位或某一特定水位,應(yīng)在已有的調(diào)節(jié)水位過程中反時序?qū)ふ曳弦蟮慕Y(jié)束時段,以此時段前的所有系列調(diào)節(jié)過程統(tǒng)計計算結(jié)果。
改進方法用全系列各時段等流量連續(xù)試算法調(diào)節(jié),計算供水保證流量。開始調(diào)節(jié)時可以參照已有初步成果或設(shè)計經(jīng)驗,先估計保證流量的試算初始值,以加快試算的速度,初始值并不會影響最后計算結(jié)果。
改進方法調(diào)節(jié)計算以面臨時段的庫水位為依據(jù),對水庫的運行作出供水調(diào)節(jié)決策。因為徑流調(diào)節(jié)和水能計算階段,暫不考慮利用水庫供水調(diào)度圖調(diào)節(jié)。把供水水庫運行情況劃分為三個調(diào)節(jié)期:保證流量供水期、加大供水期、供水破壞期。分期水位和調(diào)節(jié)計算規(guī)則為:水庫水位高于死水位又低于正常蓄水位(或汛期限制水位)時,為正常的保證流量供水期;水庫水位等于死水位時,如入庫水量達不到保證供水流量,只能按天然徑流供水,水庫為供水破壞期;水庫水位等于正常蓄水位(或汛期限制水位),如入庫水量大于保證供水流量,則水庫可以利用多余水量加大供水或發(fā)電。以上供水流量是以時段平均值計算的,當有足夠的反調(diào)節(jié)措施時,水庫日內(nèi)可以按發(fā)電要求放水,經(jīng)反調(diào)節(jié)后再實現(xiàn)均勻供水。
用供水保證流量的試算值,按照調(diào)節(jié)流量的計算規(guī)則,對全部系列所有時段進行連續(xù)水量平衡,能得出連續(xù)的供水過程,包括了保證流量、加大供水流量、供水破壞期流量。對這一供水流量系列作頻率計算,根據(jù)供水保證率的定義,以時段供水流量大于或等于試算保證供水流量的時段數(shù)量與系列總時段數(shù)相比的百分率,求出相應(yīng)的供水歷時保證率。若計算的保證率不等于設(shè)計供水保證率,還需要修改保證供水流量后再次試算,直至實際的供水保證率充分接近設(shè)計保證率。
改進方法使用長系列連續(xù)試算法,經(jīng)過若干輪次的試算求出符合設(shè)計保證率的全系列相等的供水保證流量后,單個方案的計算完成,可以按照需要對最后一輪次試算過程作統(tǒng)計,計算出年均保證供水量、加大供水量、發(fā)電保證出力、發(fā)電保證率、年均發(fā)電量、特征水頭等結(jié)果及供水流量、發(fā)電出力、水頭等歷時過程的頻率曲線。
改進方法的徑流調(diào)節(jié)僅是對水庫的初步調(diào)節(jié),還可編制水庫供水發(fā)電調(diào)度圖,按調(diào)度圖能更精確地進行徑流調(diào)節(jié),并增強供水調(diào)節(jié)的功能和效益,滿足不同的設(shè)計或運行需要。
用改進方法的全部正常供水期等流量法調(diào)節(jié)后,可能還有供水破壞深度不合適、棄水期棄水量較集中兩個問題。原因是徑流調(diào)節(jié)中著重控制主要任務(wù)的可靠性,供水破壞期、加大供水期的控制條件僅是一水位線,沒有給出一定運行范圍。對于調(diào)節(jié)性能較強的水庫,應(yīng)編制水庫供水發(fā)電調(diào)度圖[6],擴大供水破壞期、加大供水期的調(diào)度區(qū)域,就可以解決這兩個問題并能進一步優(yōu)化徑流調(diào)節(jié)。
常規(guī)方法認為水庫當年蓄水期來水除滿足當期供水任務(wù)外,還能為供水期預(yù)留水量并蓄滿調(diào)節(jié)庫容,認為蓄水期不會產(chǎn)生供水破壞,所有的供水破壞時段都發(fā)生在供水期。但這僅是一般規(guī)律,并不能涵蓋全部情況。在徑流變化較大的條件下,枯水年的蓄水期初也可能因徑流偏小造成供水破壞。常規(guī)方法每年都從蓄水期初死水位起調(diào),在蓄水期末蓄滿調(diào)節(jié)庫容,到供水期末又把水位降低到死水位的固定調(diào)節(jié)模式不能適應(yīng)徑流變化較大的情況,易造成人為的供水破壞。所以,改進方法不再劃分調(diào)節(jié)年度和蓄水期、供水期,改為對水位連續(xù)計算,水量和庫容可以不受分期限制進行調(diào)節(jié),更好地適應(yīng)了入庫徑流多變的情況。
兼有供水的發(fā)電水庫徑流調(diào)節(jié)計算的任務(wù)是推求調(diào)節(jié)庫容、保證供水流量和供水保證率三者之間的關(guān)系。按照不同的已知條件,常規(guī)方法可選用差積曲線等流量法、列表法、簡化水量平衡方程式法進行計算,改進方法全部改用數(shù)值計算法,并能把多種調(diào)節(jié)模式,全部統(tǒng)一為設(shè)定調(diào)節(jié)庫容的長系列連續(xù)試算法。
改進方法從常規(guī)方法注重“水位、時間、狀態(tài)”調(diào)節(jié)改為注重“供水目標”調(diào)節(jié)。常規(guī)方法對水文年、蓄水和供水期、起調(diào)與結(jié)束水位等“水位、時間、狀態(tài)”作了較嚴格的要求,但對保證供水流量、供水保證率等重要“供水目標”卻沒有有效的控制,在徑流調(diào)節(jié)中甚至不考慮保證率的約束條件。常規(guī)方法硬性規(guī)定供水期末水位要降到死水位,并沒有為下一年的供水預(yù)蓄水量;在較枯的供水期內(nèi)不考慮供水保證率的要求,仍以均勻流量供水,可能造成供水保證率內(nèi)關(guān)鍵期的供水流量偏小。改進方法放棄了常規(guī)方法的不合理要求,提高了對保證供水流量和保證率的嚴格控制。
某水電站兼有城市供水任務(wù),水庫規(guī)模已定,電站為壩后式,裝機6萬kW。壩下游8km處有另一日調(diào)節(jié)水庫,可承擔上游電站的反調(diào)節(jié)任務(wù),供水取水口在反調(diào)節(jié)水庫壩上。電站可以利用供水或水庫棄水發(fā)電,發(fā)電可進行日內(nèi)調(diào)節(jié),發(fā)電尾水經(jīng)下游水庫反調(diào)節(jié)后均勻供給城市。供水和發(fā)電保證率都為90%,徑流資料為50年分月流量,要求計算水庫供水保證流量及水電站發(fā)電指標。
使用常規(guī)方法和改進方法分別作徑流調(diào)節(jié)計算,符合保證率要求的計算結(jié)果見表1,全系列供水流量和發(fā)電出力過程的頻率曲線如圖1—2所示。更多保證率時的保證流量與保證率關(guān)系曲線、保證出力與保證率關(guān)系曲線如圖3—4所示。
表1 徑流調(diào)節(jié)對比表
圖1 供水流量頻率曲線
圖2 發(fā)電出力頻率曲線
圖3 流量保證率曲線
圖4 出力保證率曲線
5.2.1 常規(guī)方法
以水庫總棄水量最小、蓄水期和供水期內(nèi)供水流量均勻為調(diào)節(jié)目標,是已知全部徑流的事后調(diào)節(jié)。在蓄水期內(nèi)均勻供水并把調(diào)節(jié)庫容蓄滿;供水期內(nèi)按相等流量供水,供水期末又恰好降低到死水位,但如果后一年徑流偏枯,則供水量也較小。結(jié)果導(dǎo)致供水過程年內(nèi)變化不大但年際變化較大,圖1—2常規(guī)方法(虛線)供水流量頻率曲線、保證出力頻率曲線坡度較大,90%的保證流量和保證出力較小。
5.2.2 改進方法
以爭取最大的保證供水流量為調(diào)節(jié)目標,僅知道面臨時段的庫水位,在全部系列內(nèi)都用先蓄方式調(diào)節(jié),即按保證流量供水并盡量保持水庫高水位運行。滿庫后來水較多才加大供水,來水不足可利用蓄水按保證流量供水,死水位時來水不足允許發(fā)生供水破壞。因保持高水位時間長,遇后期徑流偏枯,水庫供水能力較強。在全系列內(nèi)按同一保證流量供水,圖1—2改進方法(實線)供水流量頻率曲線、保證出力頻率曲線中段較穩(wěn)定,90%的保證流量和保證出力較大。
圖1—2為反映單一方案全系列調(diào)節(jié)流量過程的頻率曲線,其中常規(guī)方法調(diào)節(jié)過程不對應(yīng)任何保證率,改進方法對應(yīng)的保證率為90%。圖3—4為改進方法各種保證率與相應(yīng)保證流量或保證出力的關(guān)系線。因常規(guī)方法調(diào)節(jié)計算中不考慮保證率因素,常用單一方案過程的頻率曲線近似代替保證率概率曲線。從圖3—4可以看出,相同保證率時,改進方法的保證供水流量、保證出力都明顯大于常規(guī)方法的結(jié)果。
常規(guī)方法徑流調(diào)節(jié)是在手工計算條件上創(chuàng)立的,基本調(diào)節(jié)期僅是一個水文年,重點局限在每個水文年的供水期,計算所得供水保證流量偏小。本文提出的改進方法,統(tǒng)一了不同調(diào)節(jié)性能水庫的計算方法,提出了長系列連續(xù)計算、全系列等流量供水等改進措施。用長系列連續(xù)計算代替常規(guī)方法的分年獨立計算,提高了方法的合理性并能提高保證供水流量和保證出力,改進方法已經(jīng)過多項目的實用檢驗。建議DL/T 5105—1999修訂時能吸納已經(jīng)實踐檢驗的更合理的計算方法。