兼有灌溉任务的水电工程径流调节方法改进研究

王 平

(上海市水利工程集团设计有限公司，上海 200093)

兼有灌溉任务的水电工程，径流调节是其水利计算的核心内容，设计规范中主要采用的计算方法为时历法，但目前设计规范、工具书和教课书[1- 6]中常规的径流调节方法创立于1950年代，是以列表法、图解法、代表年法等手工计算的思路为主，计算方法包含了较多不合理的假定或简化。随着水文资料的延长和计算技术的发展，常规时历法的问题愈显突出，而有关的改进研究成果极少[7- 8]。本文以DL/T 5105—1999《水电工程水利计算规范》等资料[1- 3]中的常规计算方法为主要对象，研究兼有灌溉任务的水电工程径流调节方法存在的不合理问题，提出对常规方法的改进思路和具体改进计算新方法。

1 兼有灌溉的水电工程径流调节方法的问题

1.1 DL/T 5105—1999中缺少具体方法

DL/T 5105—1999对兼有灌溉任务的水电工程水利计算提出了任务与原则：“7.1.1应分析各部门的用水要求，河流洪、枯水量的大小，水库特点等，按工程开发任务的主次，协调发电与灌溉、供水、航运等各项任务之间的关系，进行水量平衡。当各部门用水要求不能完全满足时，应统筹兼顾、综合分析，合理调整各部门的用水要求，并拟定水库合理的运行方式。7.1.2兼有其它用水任务的水电工程，应采用发电设计水平年中各部门的用水要求进行水利计算。必要时，可采用某些次要任务水平年中各部门的用水要求作为校核。7.1.3径流调节计算应在拟定各部门综合用水量和用水过程的基础上进行。当各用水部门保证率不同时，可分别选择相应的代表年进行计算。7.2.1应分析研究灌区范围、灌溉面积、灌溉需水量和灌溉保证率要求的合理性。7.2.2应计算水库多年平均灌溉供水量、灌溉保证率和供水量过程或库水位过程”。但是DL/T 5105—1999并没有提出可操作的具体计算方法。

1.2 兼有灌溉任务的水电工程径流调节常规方法的问题

兼有灌溉任务的水电工程，发电和灌溉之间可能有矛盾，可以通过在电站下游建设反调节水库协调两者关系，使日内按电网调峰运行不均匀的发电放水过程经过反调节后，可以较均匀的流量向灌区输送。对这种兼有灌溉的水电工程，常规的径流调节时历法是把系列年划分为若干水利年，然后再把每个水利年划分为蓄水期和供水期，年调节水库从蓄水期初以死水位开始调节计算，蓄水期末水库水位达到正常蓄水位；供水期内水库利用来水和蓄水灌溉，供水期末水位降低到死水位。多年调节水库与年调节水库计算方法相似，只是调节周期可能为多年。但常规方法有以下不合理问题有待改进。

1.2.1 典型年代表性不足

常规方法有时用典型年或设计代表年法计算，但兼有灌溉任务水库的径流代表年不易选择，要考虑入库径流的代表性，还要兼顾灌溉用水和径流组合的代表性；要考虑年径流总量和年灌溉需水总量接近设计的丰、平、枯等保证率，还要考虑年内径流和需水分配的代表性，所以，代表年的选择有较大的任意性，代表性往往不足。

1.2.2 对年和多年调节水库使用不同的计算方法

常规方法一般做出水库年来水频率曲线和年灌溉需水频率曲线，并以灌溉设计保证率与两条线的交叉点的关系作为水库调节性能的判别条件，灌溉设计保证率大于交叉点频率的作为多年调节，反之作为年调节，对年和多年调节水库使用不同的方法计算。这些做法都是没有严格的理论依据的经验方法，是不准确的，因径流年内分配不同、水库年内运用次数不同，仅用年来水和年灌溉需水总量是不能准确判断水库径流调节特性的。

1.2.3 蓄水期和供水期划分不尽合理

常规方法为了减少计算工作量和降低计算难度，都把长系列年划分为单独的计算年份，再把各水利年分为基本固定的蓄水期和供水期，实际径流调节计算时还可能要再对每一年的分期作具体分析，各年实际的蓄水期和供水期可能还有一定的变化。每年的径流情况是随机变化的，若硬性划分为固定的分期显然是不合理的，如果每年还要具体分析、判断后确定蓄水期和供水期，这只能是事后的分析，对工程实际运行没有意义。

1.2.4 每年用相同的起调或终止水位有偏差

常规方法年调节水库每年从蓄水期初死水位起调，在蓄水期末水位蓄至正常蓄水位，再到供水期末水库水位降低到死水位。每年都按相同的水位起调或终止，实际上把长系列年变成了孤立的、没有水量联系的单独年份，造成水库蓄水偏少，灌溉枯水年前期水库蓄水量不足，计算的灌溉保证率偏低或需要的库容偏大。

1.2.5 计算逐年兴利库容的差积曲线法常见错误

兼有灌溉的水库工程设计中，经常要求根据径流调节计算结果做出调节库容与灌溉保证率关系曲线。常规方法通常用列表法或差积曲线法进行长系列的余水和亏水计算分析，分别确定各年所需的调节库容，然后再做频率计算。应用这种方法的前提条件应该是从系列年起点开始，每个调节时段和调节年度的累计余水量不小于累计亏水量，否则即使调节库容再大也不能避免灌溉破坏。但有些教课书[4- 6]却忽视了对灌溉需水的合理控制，在其计算实例中，当累计余水量已经小于累计亏水量(来水减用水的差积曲线为负值)的情况下，还计算出当年满足灌溉的调节库容，这显然是错误的。

1.2.6 计算条件不符合实际

常规方法灌溉调节计算中，列表法、简化水量平衡方程、差积曲线法都至少要预知一年的径流过程，这种径流调节方式与水库实际运行情况差距较大，可操作性很低，计算结果准确度较差。

2 兼有灌溉的水电工程径流调节方法改进思路

2.1 以长系列法代替典型年法

DL/T 5105—1999“4.2.3径流系列资料年限应根据设计水电工程的特点确定，对于季调节及以上的水库，径流系列资料的年限应不少于30年”。根据这一要求，改进方法全部使用长系列时历法调节计算，没有足够的长系列径流资料时，应按规范要求先插补延长径流资料后再用长系列时历法。

2.2 年与多年调节水库统一计算方法

为避免常规径流调节方法分类不准确可能产生的问题，提高计算的合理性与准确性，改进方法不再按水库调节性能作计算方法的分类，也不需要再逐年分析水库是一次运用或多次运用，不再使用分年列表法和简化水量平衡方程式法，而统一改用长系列试算法完成各种调节性能水库的灌溉径流调节计算。

2.3 以连续调节计算代替分年计算

改进方法不划分供水期、蓄水期，对多年调节水库也不划分丰水年组和枯水年组，改用长系列径流连续调节计算，按照水利年统计各年调节成果。改进方法把基本调节计算期从一年延长到全系列，计算中也就不再需要费时费事地分析确定每年实际的蓄水期和供水期。

2.4 合理确定每年的起调或终止水位

改进方法不再采用每年相同的起调和终止水位，对各种调节性能的水库都统一使用长系列径流资料计算，各年逐时段水库水位通过连续的调节计算确定，避免人为规定起止水位的不合理性。

2.5 正确计算灌溉调节库容

改进方法为避免差积曲线法常见错误，保证灌溉调节和发电计算的正确性，在调节计算开始就要对灌溉需水作合理性检查计算，如发现某个调节时段或调节年度的累计余水量小于累计亏水量，应分析后减小灌溉需水，防止影响调节库容的正确计算。

2.6 不预知或预测长期径流

为提高径流调节方法和结果的实用性，改进方法计算时模拟水库实时运行状况，不再预知或预测长期径流过程，改以水库实时蓄水位作为灌溉和发电运行的主要依据。

3 改进的计算方法和内容

3.1 灌溉需水合理性检查

无论是年调节水库还是多年调节水库，无论采用什么方法进行径流调节计算，首先都应对灌溉需水和入库径流系列作合理性、适应性检验。不仅要检验多年平均入库径流要大于多年平均灌溉需水量，还应注意检验从起调时段开始每个时段的累积来水量都不应小于累积灌溉需水量，否则无法正确的进行调节计算。

3.2 确定起调和结束条件

先对径流进行初步分析，确定灌溉的水利年，然后从第一个蓄水期的死水位起调。改进方法以长系列径流连续调节计算，起调时段之后各时段水位由连续径流调节过程计算确定，不再需要人为规定。长系列末终止水位应按连续计算的结果确定，不应再要求库水位结束于某一特定水位，也不应人为变动计算过程。

3.3 各时段灌溉调节计算

各时段灌溉水量平衡计算以水库蓄水位为控制条件，做出灌溉调节决策。改进方法不再按时间划分蓄水期和供水期，而改为按水库蓄水位划分为三个调节时期：正常灌溉期、灌溉破坏期、加大灌溉(或加大发电)期。分期水位条件和水量平衡方法为：面临时段水库蓄水位在死水位与正常蓄水位(或汛期限制水位)之间区域时，是正常灌溉期，按灌溉要求放水，利用灌溉放水发电；水位降低到水库死水位时，如天然径流小于灌溉需水，为灌溉破坏期，水库按入库流量灌溉放水和发电；当水位达到正常蓄水位(或汛期限制水位)，如天然径流大于灌溉需水，就属于可加大灌溉或可加大发电期，水库蓄满后的水量可用于加大灌溉或发电。灌溉调节和发电计算是按时段平均流量计算的，当具备反调节措施时，电站可以按日内发电调峰要求方式运行，经过下游反调节水库的反调节后可以向灌区均匀供水灌溉。

3.4 灌溉保证率计算

按照灌溉调节和发电计算规则进行连续水量平衡，得出灌溉放水和发电过程，其中有正常灌溉、加大灌溉、破坏期降低灌溉。按照水利年度的划分，分年统计灌溉破坏的时段或年份，根据灌溉保证率的定义，以没有发生灌溉破坏的年数与系列总年数，计算出年灌溉保证率。若实际灌溉保证率不符合设计保证率，可以通过改变调节库容、灌溉面积或需水量等措施，再重新调节计算，直至计算的保证率符合设计保证率为止。

3.5 灌溉调节主要结果

改进方法以长系列径流连续调节计算，经过试算得出符合要求的径流调节计算过程，并可计算出年均灌溉水量、加大灌溉水量、灌溉缺水量、发电保证出力、年均发电量等各种灌溉、发电指标。

3.6 改进方法进一步完善的措施

用前述改进方法对兼有灌溉的水电工程进行径流调节计算后，计算结果可能还存在设计保证率之外灌溉破坏深度不合适、水库弃水可能较集中的问题。对于调节性能较大的季调节以上水库，有必要通过编制水库灌溉调度图[9]解决这两个问题。水库按灌溉调度图运行，可以更精确地调节径流，调整灌溉破坏深度，更合理地加大灌溉或发电出力，减小弃水量，进一步提高灌溉径流调节的合理性与效益。

4 改进方法的合理性与实用价值

4.1 改进方法的适用性增强

常规方法假设当年蓄水期天然径流除满足当期灌溉任务外，还可以蓄满调节库容留待供水期使用，假设蓄水期不会发生灌溉破坏。但是实际情况径流变化较大，有的蓄水期初天然径流很小，常规方法由蓄水期初死水位起调，有可能在蓄水期初就发生灌溉破坏。改进方法径流调节不按时间分期，采用连续的长系列调节计算，在不增加工程规模的前提下充分利用蓄水库容，水库每年运行水位并不一定都回落到死水位，更好地适应了入库径流多变的情况，尽可能避免了蓄水期初发生灌溉破坏的机会，提高了径流调节方法的合理性。

4.2 统一了灌溉径流调节模式

兼有灌溉的发电水库，径流调节的任务是确定调节库容、灌溉水量和灌溉保证率的关系。依照不同的条件和要求，常规方法分别使用列表法、简化水量平衡方程式法、差积曲线法图解法等，改进方法把这多种方法和调节模式统一改为长系列连续试算法，避免了列表法的逐年分析、简化和图解法的不准确等问题，显著提高了计算效率，增强了计算成果的合理性。

4.3 改进方法经过实例检验

为解决常规方法的不合理问题，笔者先后把年调节水库分蓄水期、供水期的计算法改为不分期的长系列法，把多年调节的差积曲线图解法和列表分析计算法改为计算机全数字化试算法。改进方法需要的计算条件降低，计算的复杂性减小，调节方法的合理性显著提高，计算结果灌溉供水量和发电量有一定增加，改进方法已经过了多项工程的设计、审查和实际运行的检验。

5 实例

某水电工程兼有灌溉任务，坝后式电站装机2.5万kW，水库长期运行以灌溉为主，发电可进行日内调节，下游有足够大的反调节水库，径流为50年分月流量，各种水量损失已在入库径流中扣除。要求分别用常规方法和改进方法作水库的灌溉径流调节和水能计算，主要计算结果见表1、图1、图2。

表1 灌溉水库径流调节

图1 出库流量频率曲线

图2 发电出力频率曲线

(1)常规方法。按常规方法的列表法调节计算，为预知径流的事后调节，从蓄水期死水位起调并在蓄水期末把调节库容蓄满；灌溉后供水期末回落到死水位。图1、图2常规方法(虚线)出库流量、发电出力频率曲线坡度较大，同等频率时的灌溉流量、发电出力偏小。由于起调水位偏低，蓄水期初发生小量的灌溉破坏，导致年灌溉保证率偏低。

(2)改进方法。仅知道面临时段的水库水位，按照改进方法用连续计算法，依照灌溉要求放水并尽量保持在高水位，死水位时允许灌溉破坏，满库后弃水。图1、图2改进方法(实线)出库流量、发电出力频率曲线略缓，在要求的灌溉和发电保证率范围内，灌溉保证流量和发电保证出力明显增大，也提高了灌溉保证率和发电量。

6 结语

本文提出的兼有灌溉的水电工程径流调节的改进方法，改正了常规方法的一些不合理做法，采用长系列时历法调节计算，统一了年和多年调节水库的计算方法，不分期连续灌溉调节计算提高了起止水位的合理性，正确计算了灌溉调节库容，增加了灌溉保证程度，提高了时历法灌溉径流调节计算方法的理论合理性和实用价值。改进方法是具有可操作性的具体计算方法，可以普遍适用于兼有灌溉的水电工程，能解决此类工程的多种径流调节问题。由于现有的常规方法还不完善，甚至有谬误流传，建议DL/T 5105—1999能适时修订，适当纳入经过实践检验的合理完善的计算方法。