综合利用水库兴利调节计算程序化探究

张 旭 昇

(甘肃省水利水电勘测设计研究院有限责任公司，兰州 730000)

在水利工程规划设计中，已知供水范围内各供水对象的需水量，确定水库规模是水库规划设计中最常见的工程问题。水库兴利调节计算主要有时历法、数理统计法等方法，目前水利工程规划设计中广泛应用的是时历法中的长系列法[1-6]。魏超[7]等针对绷线图解法的计算效率和精度较低的问题，采用程序化的方法，在避免传统绷线法中繁琐的绘图过程同时，提高了计算精度。张李萍[8]等应用MIKE BASIN对杭州市某中型水库进行兴利调度计算，确定水库灌溉死水位线和发电控制线，得到了满足兴利要求的水平衡结果。杨淼[9]等针对传统Excel公式编辑复杂、各Excel表格之间的计算公式不具备可移植性，采用VB语言对典型年水库兴利调节进行了程序化初步探讨。

采用Excel人工试算和商业软件MIKE BASIN存在的主要问题包括：①均需人工多次输入假设兴利库容，不断重复计算，浪费设计人员宝贵时间和精力；②水库蒸发渗漏损失采用上一时段蓄水量或不考虑损失条件下蓄水量作为时段平均蓄水量估算，不够精确；③MIKE BASIN基础数据输入和计算成果输出采用自身数据格式(.dfs0)，输入、输出效率不高。Excel公式计算条件判断复杂，可辨识性差，容易出错。笔者针对上述方法中存在的问题，结合综合利用水库长系列法调节计算中多步循环试算特点，基于“二分法”查找算法和水库规模划分标准，提出符合水利工程实际的“二分法”迭代试算方法，避免人工试算的盲目性，缩短计算步长，减少计算时间，促进目标函数快速收敛，并将该算法程序化，应用实际工程案例与传统算法进行比较，证明该计算方法的准确性和高效性。

1 长系列法兴利调节计算基本原理

为满足多个用水部门不同用水需求，水库蓄水量变化过程的计算称为综合利用水库兴利调节计算，长系列法兴利调节计算的基本原理是求解水量平衡方程[10]。计算方法见式(1)：

Vi+1=Vi+W来i-∑W用i-W损i

(1)

式中：Vi为水库第i时段初的蓄水量；Vi+1为水库第i时末的蓄水量；W来i为第i时段来水量；∑W用i为第i时段各部门用水量之和；W损i为第i时段水库蒸发、渗漏损失水量之和。

水库的蒸发损失ΔWi为建库后增加的水面面积与增加蒸发强度的乘积，见式(2)。建库后增加的水面面积Fvi由时段平均蓄水量通过库容曲线查询得到；增加蒸发强度由当地气象资料计算得到。水库渗漏损失按水库时段平均蓄水量的比例计算；即水库蒸发渗漏损失均是时段初、末蓄水量Vi+1和Vi的函数，而水库时段末蓄水量Vi+1是蒸发渗漏损失W损i的函数，只有通过循环迭代，才能准确试算出满足设计精度的蒸发渗漏损失量和时段末水库蓄水量。

水库的蒸发损失计算见式(2)：

ΔWi=1 000(E水-E陆)Fvi

(2)

式中：△Wi为建库后时段i水库蒸发损失量；E水为水面蒸发量；E陆为陆面蒸发量；Fvi为建库后时段i增加的水面面积。

综合利用水库为多个供水对象进行供水，具有不同供水保证率和破坏深度要求，在进行兴利调节计算时，为计算水库蓄泄过程和各供水对象供缺水量，需要进行多次循环判断和迭代试算。

2 长系列法兴利调节计算程序化

2.1 程序主要设计思路

结合VB程序设计特点，采用模块化设计思路。程序主要由函数声明、数据输入、水量平衡分析计算、供水保证率统计、计算结果输出等五部分组成。其中水量平衡分析计算是程序的核心部分，通过引用主要计算函数进行“二分法”查找循环迭代试算，最终确定水库兴利库容和各变量计算成果。主要程序流程见图1。

图1 VB程序流程图Fig.1 VB program flowchart

综合利用水库兴利调节计算需要在已知各用户需水条件下，根据初步拟定的兴利库容进行调节计算，程序按式(1)以总需水量进行供需平衡计算，确定时段i缺水量；时段i缺水量自供水最低级用水户向最高级用水户逐级对比，若缺水量小于最低级需水，则最低级用水户缺水量为时段i缺水值，否则最低级用水户缺水量等于需水，缺水余值继续与次低级供水对象需水对比，判断次低级供水对象缺水量，直至缺水不再有余值，便得到时段i的各个用水户的缺水量，由需水量与缺水量作差便得到各个用水户的供水量，且程序实现供水优先序自高级向低级逐级供水；统计非农业用水户供水满足的时段个数，农业用水户供水满足的年数，便得到相应兴利库容和各个用水户的供水保证率，重复上述计算，便得到各用水户兴利库容与供水保证率曲线。

2.2 程序读写Excel格式数据

VB程序通过在工程中引用Microsoft Excel类型库实现(.xls)格式文件访问，首先在工程选项中通过加载Microsoft Excel 14.0 Object Library(Excel 2010)，之后在程序中通过声明Excel对象，便可在程序中操作Excel，进行数据读写。

2.3 水库库损迭代计算

水库蒸发渗漏损失应以水库时段平均蓄水量为计算基础，因平均蓄水量随水库月末蓄水量变化，故需要经过迭代试算最终确定。程序中采用Do Loop While 循环试算实现，计算结束控制条件是计算误差满足控制精度。

2.4 “二分法”试算兴利库容

“二分法”查找又称折半查找，首先设定查找范围的上界、下界，每次迭代以上界、下界中间值作为初值，即每次查找即可缩小范围一半，是一种查找效率较高的算法。

图2 综合利用水库兴利调节计算应用程序界面Fig.2 Interface for the program of mass balance equation for multipurpose reservoir

3 工程实例

洪水河水库为《全国中型水库建设总体安排意见(2013-2017年)》中规划建设的水库，目前项目处于初步设计阶段。该水库位于甘肃省酒泉市肃州区的洪水河干流上，是一座综合利用的水利工程，主要任务是向酒泉市肃州区城市生活及工业供水，向下游洪临灌区农业灌溉供水。设计城市生活及工业供水保证率P=95%，洪临灌区滴灌灌溉设计保证率P=90%，渠、管灌灌溉设计保证率P=75%。经项目区供需平衡分析，扣除地下水、泉水等水量后，需要洪水河水库提供的水量12 926 万m3，其中城镇生活及工业2 734 万m3、农业灌溉10 192 万m3。洪水河水库考虑汛期河流来沙量大且集中特点，调度运行方式为水库六七月敞泄排沙运用，水库供水但不蓄水，水库死库容602 万m3。

通过水文分析计算得到1970.07-2015.06年历年逐月入库径流过程，实测1∶1 000水库水位～面积～库容曲线，分别采用Excel人工试算法和VB程序法进行长系列法兴利调节计算。

由计算结果对比(表1和图3)可知，Excel人工试算法和VB程序计算的兴利库容规模基本一致，兴利库容分别为3 516和3 510 万m3，相差0.2%；两种方法计算的水库多年平均实际供水量为12 496和12 452 万m3，相差0.3%。通过对比两种方法库损计算过程(图4)可以发现，存在偏差主要是因Excel人工试算法对库损未进行迭代，导致计算库损偏大，因而试算出的兴利库容略大于VB程序计算成果。由代表时段水库蓄水过程对比表(表2)可以看出，在P=95%枯水年份，入库水量一定条件下，因Excel人工试算法库损偏大，导致水库余水变小，水库蓄水量略小；在P=50%和P=10%丰平水年份，入库水量充足，因Excel人工试算法V兴略大于VB程序法，故其蓄水量略大；连续时段偏枯年份1986.07-1988.06时段、丰平水年份1989.07-1990.06时段仍符合上述规律。综上所述，水库兴利调节VB程序计算成果合理可靠，且兴利库容和库损计算成果更精确。

表1 Excel法和VB程序法调节计算成果对比表Tab.1 Comparison between Excel method and VB program method in calculation results

图3 两种方法计算水库供水量对比Fig.3 Comparison of two methods for calculating water supply of reservoir

图4 两种方法计算水库蒸发渗漏损失对比Fig.4 Comparison of two methods for calculating evaporation and leakage loss

4 结 语

本文对综合利用水库兴利调节计算长系列法程序化进行了初步探讨。针对传统人工试算法效率低、耗时长、可移植性差的特点，在数学“二分法”算法基础上，结合水利工程实际，实现兴利库容自动快速求解。并以洪水河水库兴利库容规模确定为例，进行了1970.07-2015.06年长系列综合利用水库调节计算，经Excel人工试算法和VB程序计算对比分析，VB程序计算成果可靠，精度高，数据输入输出方便，满足工程规划设计需要，研究成果可作为今后规划设计工作的重要计算工具。

表2 代表时段不同方法水库月末蓄水过程对比表Tab.2 Comparison of reservoir water storage processes at different times in representative periods