劉建軍

( 新疆水利水電勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院，新疆 烏魯木齊 830000)

隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的快速發(fā)展，計(jì)算速度的提高，利用計(jì)算機(jī)進(jìn)行復(fù)雜長(zhǎng)系列徑流調(diào)節(jié)計(jì)算成為現(xiàn)實(shí)，特別是對(duì)于綜合利用的水利樞紐工程承擔(dān)多項(xiàng)供水任務(wù)，且各用水戶用水量和供水保證程度不同，利用長(zhǎng)系列的徑流資料進(jìn)行分析計(jì)算更為科學(xué)合理。

在SL104—2015《水利工程水利計(jì)算規(guī)范》中提出城鄉(xiāng)供水工程、灌溉工程、水電站、綜合利用水庫(kù)、調(diào)水工程等均要求徑流調(diào)節(jié)計(jì)算采用長(zhǎng)系列法。但對(duì)長(zhǎng)系列徑流調(diào)節(jié)計(jì)算方法的計(jì)算原則、計(jì)算方法、邊界條件等方面未做具體要求，無法滿足在水庫(kù)工程規(guī)模論證的分析要求，特別是對(duì)于具有多項(xiàng)綜合利用要求的水利樞紐工程，各用水部門對(duì)用水量和供水保證程度要求不同，如何協(xié)調(diào)各用水部門的供水保證程度，也是長(zhǎng)系列徑流調(diào)節(jié)計(jì)算中不宜解決的問題。

本文在多年從事徑流調(diào)節(jié)計(jì)算分析研究的基礎(chǔ)上，不斷探索，逐步形成較為完善的改進(jìn)型長(zhǎng)系列徑流調(diào)節(jié)計(jì)算方法，目前已在多個(gè)綜合利用水利樞紐工程規(guī)模論證和流域水庫(kù)調(diào)度運(yùn)行上進(jìn)行應(yīng)用，均取得良好的成效。

1 改進(jìn)的徑流調(diào)節(jié)計(jì)算方法

因現(xiàn)行規(guī)范缺少具體綜合利用水庫(kù)徑流調(diào)節(jié)方法，且有關(guān)參考資料中使用的常規(guī)調(diào)節(jié)方法又存在一些不合理問題，本文根據(jù)近幾年在設(shè)計(jì)工作中研究應(yīng)用利用調(diào)度線控制的長(zhǎng)系列時(shí)歷法計(jì)算方法。

1.1 計(jì)算方法原理

1.1.1水庫(kù)進(jìn)出庫(kù)水量平衡

徑流調(diào)節(jié)計(jì)算的基本原理是利用水庫(kù)的調(diào)蓄能力，改變天然徑流過程，實(shí)現(xiàn)以豐補(bǔ)枯，增加枯水期可利用水量。計(jì)算依據(jù)的基本原理是水庫(kù)進(jìn)出庫(kù)的水量平衡，即各時(shí)段的水庫(kù)來水量及初步確定的同步用水量(或出力)，按設(shè)定的調(diào)節(jié)庫(kù)容順序進(jìn)行徑流調(diào)節(jié)計(jì)算，第i時(shí)段的計(jì)算公式為：

Vi+1=Vi+W來水-W用水-W損失

(1)

式中，Vi、Vi+1—水庫(kù)第i時(shí)段初及時(shí)段末的蓄水量；W來水—第i時(shí)段來水量；W用水—第i時(shí)段綜合利用各部門用水量之和；W損失—第i時(shí)段水庫(kù)各種水量損失。

1.1.2以調(diào)度線控制水量分配

在水庫(kù)進(jìn)出庫(kù)水量平衡式中，綜合各部門用水量包括灌溉、工業(yè)、城鎮(zhèn)生活、生態(tài)和發(fā)電等用水戶，各用水部門的供水保證程度不用，工業(yè)和城鎮(zhèn)生活供水保證率要求較高，通常為95%～97%；發(fā)電保證率通常為90%左右；灌溉和生態(tài)供水保證率通常為75%～50%。

在長(zhǎng)系列徑流調(diào)節(jié)計(jì)算程序中擬定不同供水對(duì)象的調(diào)度線，根據(jù)當(dāng)前計(jì)算時(shí)段內(nèi)水庫(kù)水位與各調(diào)度線之間的關(guān)系，若水庫(kù)水位低于調(diào)度線，則進(jìn)行打折供水；若水庫(kù)水位高于調(diào)度線，則按需水要求進(jìn)行供水。以調(diào)度線控制水量配置，進(jìn)一步協(xié)調(diào)不同供水對(duì)象的供水保障程度，滿足各供水對(duì)象的供水保證率。

1.2 計(jì)算方法特點(diǎn)

與常規(guī)的長(zhǎng)系列徑流調(diào)節(jié)計(jì)算方法相比，改進(jìn)后的長(zhǎng)系列徑流調(diào)節(jié)計(jì)算具有以下特點(diǎn)。

上世紀(jì)末以來開源軟件(OSS)發(fā)展迅速，極大地影響了軟件行業(yè)的市場(chǎng)格局，顛覆了一些經(jīng)典軟件工程理論.開源軟件項(xiàng)目并沒有傳統(tǒng)軟件工程項(xiàng)目中顯式的組織結(jié)構(gòu)和過程安排，也沒有傳統(tǒng)軟件開發(fā)團(tuán)隊(duì)的過程成熟度等級(jí)，但所開發(fā)出的軟件卻可以與傳統(tǒng)商業(yè)軟件相抗衡，這引起了學(xué)術(shù)界和企業(yè)界的廣泛關(guān)注[1,2].

(1)不劃分水庫(kù)調(diào)節(jié)性能

一座水庫(kù)是年調(diào)節(jié)水庫(kù)還是多年調(diào)節(jié)水庫(kù)并沒有準(zhǔn)確的劃分標(biāo)準(zhǔn)，水庫(kù)調(diào)節(jié)性能隨河流徑流特性、綜合用水過程的適配度等多種因素而變化。本次長(zhǎng)系列徑流調(diào)節(jié)計(jì)算法對(duì)水庫(kù)的調(diào)節(jié)性能不作硬性劃分，按照天然徑流來水過程依次蓄供水。

(2) 耦合精度高

徑流資料時(shí)段可為月、旬和日資料，根據(jù)水庫(kù)的調(diào)節(jié)性能選擇不同的徑流資料，年及年以上調(diào)節(jié)性能的水庫(kù)通常采用月或旬資料，年調(diào)節(jié)性能以下的水庫(kù)采用日資料。改進(jìn)的徑流調(diào)節(jié)計(jì)算方法采用長(zhǎng)系列徑流資料，具有良好代表性的長(zhǎng)系列徑流資料中包含豐、平、枯各年型，能夠反映河流的徑流特性，這與傳統(tǒng)計(jì)算方法相比，可以避免選擇典型年或代表時(shí)段的難度和偶然性，提高徑流調(diào)節(jié)計(jì)算與實(shí)際情況的耦合度。

(3)做到實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)

采用的長(zhǎng)系列徑流資料通常為水文站實(shí)測(cè)或根據(jù)參證站插補(bǔ)延展的徑流資料。本次計(jì)算方法不考慮徑流過程的長(zhǎng)期預(yù)知或預(yù)報(bào)，把常規(guī)方法中預(yù)知未來一年甚至更長(zhǎng)時(shí)間的徑流過程的事后調(diào)節(jié)，改為更接近實(shí)際的不可預(yù)知或預(yù)報(bào)長(zhǎng)期徑流過程的實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)，是一種未知來水的實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)。

(4)不劃分蓄、供水期

常規(guī)徑流調(diào)節(jié)計(jì)算方法將年調(diào)節(jié)能力的水庫(kù)劃分為蓄水期、供水期和不蓄不供期，多年調(diào)節(jié)能力的水庫(kù)劃分為連續(xù)蓄水年組和供水年組；多年調(diào)節(jié)性能的水庫(kù)劃分年調(diào)節(jié)庫(kù)容和多年調(diào)節(jié)庫(kù)容。改進(jìn)的徑流調(diào)節(jié)方法不再事先劃分蓄、供水期和年、多年調(diào)節(jié)庫(kù)容。僅根據(jù)入庫(kù)徑流和下游綜合用水要求，按照一定的調(diào)節(jié)計(jì)算原則進(jìn)行依次連續(xù)的蓄、供水。

(5)不人為確定起始時(shí)間和起始水位

常規(guī)徑流調(diào)節(jié)計(jì)算方法，進(jìn)行水庫(kù)徑流調(diào)節(jié)計(jì)算時(shí)應(yīng)先確定計(jì)算的起始時(shí)刻和起始水位。SL104—2015推薦起始時(shí)刻可取連續(xù)豐水年最后一年豐水季節(jié)結(jié)束后水庫(kù)蓄滿(對(duì)于有汛期限制水位的水庫(kù)，也可采用蓄水至汛期限制水位)的時(shí)刻。該規(guī)范推薦的起始時(shí)刻和起始水位難以控制和選擇。本次改進(jìn)的徑流調(diào)節(jié)方法不再對(duì)水庫(kù)的起止水位和時(shí)刻作相應(yīng)的假定。按水庫(kù)蓄水情況和供水要求進(jìn)行連續(xù)調(diào)節(jié)計(jì)算，以上時(shí)段末蓄水量作為本時(shí)段初的蓄水量逐時(shí)段連續(xù)進(jìn)行，以準(zhǔn)確反映入庫(kù)流量隨機(jī)變化的真實(shí)狀態(tài)。水庫(kù)水量的調(diào)配不受人為假定的固定供水期、蓄水期的制約，完全按照水庫(kù)水量、水位的連續(xù)變化，從系列年起點(diǎn)不間斷地計(jì)算至終點(diǎn)，避免了常規(guī)方法不同水文年份均強(qiáng)制從相同的起調(diào)水位和起算時(shí)刻的不合理也不符合實(shí)際的做法。

改進(jìn)的徑流調(diào)節(jié)計(jì)算方法將上時(shí)刻末的水庫(kù)蓄水量(或蓄水位)作為下一時(shí)刻初的蓄水量(或蓄水位)，在初步調(diào)節(jié)計(jì)算時(shí)，水庫(kù)起始蓄水量(或蓄水位)可選擇死庫(kù)容(或死水位)與正常蓄水位對(duì)應(yīng)庫(kù)容之間的任意值，進(jìn)行連續(xù)計(jì)算至系列末；之后將計(jì)算得到的系列末的蓄水量作為系列計(jì)算初的蓄水量再計(jì)算，計(jì)算系列形成首尾相連的循環(huán)過程，經(jīng)循環(huán)計(jì)算后，使每年的入庫(kù)、蓄庫(kù)、出庫(kù)(含損失)三者達(dá)到水量平衡。

(6)水庫(kù)調(diào)度線控制

傳統(tǒng)的綜合利用水庫(kù)徑流調(diào)節(jié)計(jì)算對(duì)分析多目標(biāo)任務(wù)很難實(shí)現(xiàn)，特別是多供水目標(biāo)且供水對(duì)象的供水保證率不同(通常生態(tài)供水保證率50%，灌溉供水保證率為75%，城鎮(zhèn)工業(yè)供水保證率95%～97%，發(fā)電保證率為90%)時(shí)，傳統(tǒng)的做法采用簡(jiǎn)化的計(jì)算方法(化算保證率法、庫(kù)容挑大法、只考慮主要用水部門選定庫(kù)容)。

本次改進(jìn)的徑流調(diào)節(jié)計(jì)算方法，根據(jù)綜合利用水庫(kù)承擔(dān)的供水任務(wù)，設(shè)置不同用水戶供水調(diào)度線以控制供水對(duì)象的供水量。通常調(diào)度線以水庫(kù)水位表示。綜合利用水庫(kù)供水對(duì)象一般為灌溉、城鎮(zhèn)供水、生態(tài)和發(fā)電等；根據(jù)供水任務(wù)的不同分別設(shè)置灌溉供水調(diào)度線、城鎮(zhèn)供水調(diào)度線、生態(tài)供水調(diào)度線和發(fā)電調(diào)度線等，利用調(diào)度線將興利庫(kù)容劃分成不同的供水庫(kù)容。在計(jì)算過程中，當(dāng)前計(jì)算時(shí)刻初的水庫(kù)水位如果低于某供水調(diào)度線，就對(duì)該供水對(duì)象的供水量進(jìn)行打折供水，打折供水量以滿足供水滿足程度為前提，通常灌溉供水滿足程度為70%，生態(tài)供水滿足程度為50%等。改進(jìn)的徑流調(diào)節(jié)計(jì)算采用調(diào)度線控制方法，一方面較真實(shí)的反應(yīng)水庫(kù)實(shí)際運(yùn)行的操作情況，另一方面可協(xié)調(diào)不同供水部門之間的水量分配，以滿足各部門不同供水保證率要求。

(7)生成水庫(kù)調(diào)度圖

傳統(tǒng)水庫(kù)調(diào)度圖的繪制是采用典型年進(jìn)行逆時(shí)序徑流調(diào)節(jié)計(jì)算，以相應(yīng)設(shè)計(jì)保證率的多組典型年內(nèi)徑流分配過程，在滿足用水需求的條件下進(jìn)行逆時(shí)序分析計(jì)算，分析各種可能出現(xiàn)的水庫(kù)外包線為調(diào)度線，偏安全的確定各種調(diào)度方案的適應(yīng)范圍，往往出現(xiàn)各調(diào)度線的交叉問題，仍需人工修正調(diào)度圖，根據(jù)修正后的調(diào)度圖重新進(jìn)行徑流調(diào)節(jié)計(jì)算，分析修正后的調(diào)度線是否滿足各供水對(duì)象的保證率要求，否則需重新修正調(diào)度線，再次進(jìn)行驗(yàn)證分析，如此，多次反復(fù)修正和驗(yàn)證，工作量較大，程序繁瑣。

改進(jìn)的徑流調(diào)節(jié)計(jì)算方法采用調(diào)度線控制的長(zhǎng)系列徑流時(shí)歷列表法，通過調(diào)整各供水調(diào)度線進(jìn)行徑流調(diào)節(jié)計(jì)算，通過調(diào)度線對(duì)水庫(kù)興利庫(kù)容進(jìn)行分配，滿足綜合利用各部門的供水要求和供水保證率，結(jié)合各業(yè)供水調(diào)度線，即可繪制出水庫(kù)調(diào)度圖，無需進(jìn)行反復(fù)修正和驗(yàn)算工作。

2 改進(jìn)計(jì)算方法的應(yīng)用實(shí)例

新疆北部某大型水庫(kù)，位于流域中游河段，調(diào)節(jié)庫(kù)容19.18億m3，庫(kù)容系數(shù)0.59，具有多年調(diào)節(jié)性能，承擔(dān)流域的農(nóng)業(yè)灌溉、生態(tài)、外流域供水、發(fā)電和防洪等綜合利用任務(wù)，是一項(xiàng)多任務(wù)多目標(biāo)不同供水保證率要求的綜合水利樞紐工程。

采用壩址斷面1957—2007年共52年長(zhǎng)系列月徑流資料，利用本文提出的改進(jìn)長(zhǎng)系列徑流調(diào)節(jié)計(jì)算方法進(jìn)行分析，計(jì)算成果見表1。

表1 改進(jìn)的長(zhǎng)系列徑流調(diào)節(jié)計(jì)算成果

流域內(nèi)農(nóng)業(yè)需水量6.62億m3，多年平均供水量6.53億m3，供水保證率達(dá)到75%，在供水破壞的年份中，供水量占需水量的70%，滿足供水保證率和供水破壞深度的要求。

流域內(nèi)河谷林草濕地需水量1.63億m3，多年平均供水量1.53億m3，供水保證率達(dá)到50%，在供水破壞的年份中，供水量占需水量的50%，滿足供水保證率和供水破壞深度的要求。

水庫(kù)壩址斷面需下泄生態(tài)基流5.53億m3，多年平均供水量5.51億m3，供水滿足程度均在95.9%以上，滿足下泄生態(tài)基流的要求。

水庫(kù)承擔(dān)外流域供水任務(wù)，設(shè)計(jì)向外流域供水18.5億m3，多年平均供水量18.37億m3，供水保證率達(dá)到95%，滿足供水保證率的要求。

發(fā)電作為兼顧任務(wù)，根據(jù)向下游供水進(jìn)行發(fā)電，裝機(jī)容量140MW時(shí)，年發(fā)電量5.20億kW·h。

根據(jù)水庫(kù)承擔(dān)的灌溉、生態(tài)、供水任務(wù)，設(shè)置相應(yīng)的調(diào)度線，在徑流調(diào)節(jié)計(jì)算過程中，形成水庫(kù)的調(diào)度線，詳見表2。

表2 改進(jìn)的長(zhǎng)系列徑流調(diào)節(jié)計(jì)算方法形成的調(diào)度線 單位：m

通過對(duì)長(zhǎng)系列徑流調(diào)節(jié)計(jì)算方法的改進(jìn)，具有更好的操作性和實(shí)用性，在水庫(kù)工程規(guī)模論證和水庫(kù)調(diào)度中具有良好的應(yīng)用前景。該改進(jìn)計(jì)算方法在多個(gè)綜合利用水庫(kù)中進(jìn)行了應(yīng)用，取得很好的應(yīng)用效果。

3 結(jié)語(yǔ)

改進(jìn)的長(zhǎng)系列徑流調(diào)節(jié)計(jì)算方法可應(yīng)用于綜合利用水庫(kù)的工程規(guī)模論證，利用具有代表性的長(zhǎng)系列徑流資料，通過設(shè)置供水任務(wù)的水庫(kù)調(diào)度線，將興利庫(kù)容進(jìn)行分配，控制綜合利用的多供水任務(wù)不同設(shè)計(jì)保證率的協(xié)調(diào)，通過模擬計(jì)算分析，以科學(xué)論證水利樞紐工程規(guī)模。本文在水利工程水利計(jì)算規(guī)程提出的長(zhǎng)系列徑流調(diào)節(jié)計(jì)算方法的基礎(chǔ)上進(jìn)行了改進(jìn)，使長(zhǎng)系列徑流調(diào)節(jié)計(jì)算方法具有更好的操作性和實(shí)用性。