灌溉和供水水库多级兴利调度图编制方法

崔瀚哲，姚 磊

(河海大学 水利水电学院，南京 210098)

1 概 述

水库调度图是水库在运行管理时，为确保水库能够按照保证出力工作，维持水库水位在正常范围内的重要参考依据。单一目标的水库调度图绘制方法已有较多研究与应用。但在实际工程中，一座年调节或者多年调节水库很大概率上会同时承担发电、航运、灌溉、城市及工业供水等兴利任务，对于主要兴利任务有两个及以上的水利枢纽，则需要在水库设计之初由初始水文资料推求出多级兴利调度图。

在《水库调度设计规范》(GB/T 50587-2010)[1](以下简称《规范》)中，对于防洪与发电结合、发电与灌溉结合、发电与航运结合等情况，仅作出类似于“以灌溉、供水为主要任务，有发电要求的水库，应首先满足灌溉、供水的要求，按灌溉、供水要求拟定兼顾发电的调度方式。”的指导性规定，对于各方案应如何计算、绘制有关调度线并没有给出具体方法。

多级兴利调度图一般由上下调配线、防弃水线以及限制供水线组成，将调度图划分出保证供水区、低供水期、限制供水期、加大供水期以及预想出力区，共5个调度区。对于上下调配线，现行常用的绘制方法有优化调度[2]和强化学习算法[3]，但均只给出调度结果。因此，本文以《规范》中灌溉与工业供水相结合的综合利用水库调度图编制方法为对象，研究综合调度图计算与编制方法中存在的问题，提出基于长系列时历法的综合调度图编制的细化方法，并研究相较于长系列时历法更为简便的典型年时历法，将其运用到具体的工程实例中，具有一定的学术意义和实践价值。

2 基于长系列及典型年的多级调度图编制方法

2.1 基于长系列的多级调度图编制方法

以具有灌溉和工业供水的多重兴利任务的年调节水库为例，工业供水保证率为P1，灌溉保证率为P2，多级调度图编制方法如下：

1) 求上调度线时，需要从供水期末死水位所对应的库容开始逆时序进行水量平衡计算，并根据水库的水位库容关系曲线，可由各个月份的月末库容V末求得各个月份的月初水位Z末，依次可求出长系列年分中，各年全年内的月初水位(Z初1Z初2Z初3…Z初12)，由此可绘制历年的水位变化曲线，取上包线，即可得到多级兴利调度图的上调度线。

2) 求下调度线时，需要从供水期末死水位处开始逆时序进行水量平衡计算，根据水库的水位库容关系曲线，可由各个月份的月末库容V末求得各个月份的月初水位Z末，依次可求出长系列年分中，各年全年内的月初水位(Z初1Z初2…Z初12)，由此可绘制历年的水位变化曲线，取下包线，即可得到多级兴利调度图的下调度线。

3) 将工业供水与灌溉供水均按一定的折扣系数缩减供水，根据工程实际情况，工业供水保证率P1要大于灌溉保证率P2，所以采用频率为工业供水保证率P1的来水过程，自供水期末死水位开始逆时序调节计算，直至蓄水期初回到死水位，所得水库水位过程线作为限制供水线。在某些情况下，可以取下调度线为限制供水线[4]。

2.2 基于典型年的多级调度图编制方法

长系列时历法拥有较高的精度和准确性，在条件允许的情况下应尽量使用长系列方法[5]，但是其庞大的计算量以及对数据的高要求也为绘制多级调度图带来不便。所以，在基于长系列的多级调度图编制方法的基础上，提出基于典型年的多级调度图编制方法，其原理在于选取符合设计保证率的典型年来代替长系列，节省了大量的计算量。为了弥补牺牲的部分准确性，提出在单一典型年的基础上，增加两个来水量相近的典型年，并通过缩放至来水量一致。

因此，将长系列的计算工作缩减到3个典型年的计算上，绘制方法如下：

1) 以年调节水库为例，对于灌溉与工业供水相结合的综合利用水库，利用长系列的多年水文资料进行频率分析。将长系列的多年来水量进行排序，计算各年的来水频率Pi。

2) 在求得的长系列年份中多年的来水频率Pi中，选取来水频率Pi等于(接近于)设计典型年的来水频率P设的年份，得到一个典型年，并求得该年的来水量。

3) 然后在长系列中选出来水量与典型年来水量最为接近的两个年份，并对全年的来水过程进行缩放，使得这两年的来水量等于典型年来水量。并对3个典型年的来水过程和用水过程进行径流调节，分析试算出供水期与蓄水期。

4) 对每一个典型年，均从供水期末死水位开始逆时序推求各月初的水位，运用水量平衡公式，得到3年中每个月的月初水位(Zjk，j=1、2、3……12，k=1、2、3)，对每个月的水位值取最大值(Zmax1、Zmax2、Zmax3……Zmax12)和最小值(Zmim1、Zmim2、Zmim3……Zmin12)，作上下包络线。

5) 按照所求的系列水位，即可画出多级调度图的上下调度线。

6) 绘制限制供水位时，可以取下调度线为限制供水位。

7) 绘制防弃水线时，在汛期为了满足防洪要求，需要设置为汛限水位，其他月份设置为正常蓄水位即可[6]。防弃水线与上调度线之间为加大出力区，应加大出力来利用多余水能，且使水位下降，保证大坝安全。

3 基于典型年的多级调度图编制实例

通过以下两个工程实例计算可以看出，上述方法具有较好的适用性。

3.1 工程实例一的多级兴利调度图计算绘制

该工程水库正常蓄水位为96.60 m，相应库容为5.43×108m3；死水位70.00 m，相应库容0.10×108m3，其兴利库容为5.33×108m3。在工程实例一中，水库主要以灌溉及工业用水为主，同时兼顾防洪、发电。根据来水与用水量保证率曲线判断，该水库属于年调节，灌溉设计保证率为75%，城镇生活和工业用水保证率为95%。

首先对径流资料进行分析，工程实例一中水库有入库径流资料24年。由于水库的来水较为充足，不需要对灌溉用水或者工业用水进行缩减，可以选择来水保证率。同时，为了保证调度图有较高的适应性，故选取的来水保证率为75%，即选择年径流量由大到小排列第19位的年份，1969-1970年为设计典型年，其年径流量为Wp=17.10×108m3。为了使调度图有更好的普遍性，在年径流量接近典型年年径流量的若干年中，选择年内分配较不利的1962-1963年和1956-1957年作为来水典型年，并对这两年的径流过程进行缩放修正，使其年径流量等于Wp。修正后的来水过程见表1。

表1 典型年来水过程表

在进行了来水量的分析之后，对于水库的多年平均用水过程进行分析。在工程实例一中，因为灌溉用水以及工业用水均是在下游取水，为先用后耗，不会影响发电，具体的用水计算结果见表2。

表2 设计用水过程表

续表2

然后计算并绘制多级兴利调度图。首先，利用每一年的来水和用水，从供水期末死水位开始(即从6月末开始)，逆时序调节计算，直至蓄水期初水位消落至死水位。这样可以得到3个年份的蓄水过程线，然后分别取每月蓄水过程线的最小值和最大值，得到上包线和下包线，上包线即为防破坏线，下包线即为限制供水线，具体的计算过程见表3，以1969-1970年为例。

表3 1969-1670年水位变化计算表

在以上的计算方法中需要注意的是，7和8月份需要考虑防洪要求，要对其蓄放水量进行调整。对于1962-1963年及1956-1957年也利用类似的方法，最后得到3个典型年的蓄水过程线，水库调度图的上下调度线见表4。

表4 典型年法确定上下调度线过程表

最终可得其结合灌溉和工业用水的兴利调度图，见图1。

图1 工程实例一中结合灌溉和工业用水的兴利调度图

3.2 湘江流域某水库的多级兴利调度图计算绘制

工程实例二为湘江流域的某水库，其死水位为147 m，正常蓄水位为230 m，兴利库容为15 385×104m3。与工程实例一类似，该水库主要以灌溉和工业用水为主，兼顾防洪、发电。根据其多年来水以及用水的径流资料判断，该水库为年调节水库。

根据上文所叙述的方法，使用典型年法来绘制其结合灌溉和供水的多级兴利调度图。通过分析水库多年来水和用水资料后发现，其来水较充足，不需要对于灌溉和工业用水进行缩减。为了保证调度图的适用性，选取保证率为80%的来水年份进行计算。

首先，对已有的36年来水和用水资料进行排序，并选取排位第30位的1980-1981年为设计典型年。同时在年径流量接近典型年年径流量的若干年中，选择年内分配较不利的1986-1987年和1984-1985年作为来水典型年，并对这两年的径流过程进行缩放修正，使其年径流量等于Wp。修正后的来水过程见表5。

表5 典型年来水过程表(修正后)

对上述3个典型年的用水过程进行分析，得出典型年的用水过程，见表6。

表6 典型年用水过程表

然后，计算并绘制多级兴利调度图。利用每一年的来水和用水，从供水期末死水位开始(即从1月末开始)，逆时序调节计算，直至蓄水期初水位消落至死水位。这样可以得到3个年份的蓄水过程线，再分别取每月蓄水过程线的最小值和最大值，得到上包线和下包线，上包线即为放破坏线，下包线即为限制供水线，具体的计算过程这里不再展示。注意在2-3月份，在洪水期之前时，考虑到水库防洪的要求，应当保持在汛限水位，最终径流调节计算所得上下包线的结果见表7。

表7 典型年上下包线过程表

结合防洪要求，最终可以绘制出结合灌溉和供水的多级兴利调度图，见图2。

图2 工程实例二中结合灌溉和供水的多级兴利调度图

4 结 语

基于《规范》中多目标兴利任务的规定建议，提出基于长系列时历法的多级兴利调度图的绘制方法，保证了调度规程的可视性和准确性；又以典型年代替长系列资料，并为典型年选取辅助年份，提高了计算精度。在工程实例中，考虑到防洪的要求，对比可以发现，绘制出的调度图基本符合实际需求，具有较高的工程实际意义。