王俊莉(貴州烏江水電開發(fā)有限責(zé)任公司，貴州 貴陽 550002)

貴州烏江梯級水庫入庫流量計(jì)算分析及改進(jìn)方法

王俊莉(貴州烏江水電開發(fā)有限責(zé)任公司，貴州 貴陽 550002)

針對烏江梯級水庫小時(shí)入庫流量“鋸齒”波動及負(fù)值、梯級區(qū)間流量負(fù)值等現(xiàn)象，對壩址入庫和區(qū)間流量計(jì)算的影響因素進(jìn)行分析。以洪家渡、東風(fēng)、烏江渡及構(gòu)皮灘4座水庫為例,提出了相應(yīng)的改進(jìn)計(jì)算方法，并將七點(diǎn)滑動平均法應(yīng)用于烏江梯級，明顯提升了入庫流量過程的平穩(wěn)性，成效顯著。從改進(jìn)后的實(shí)際應(yīng)用情況看，只要使用方法得當(dāng)，就可以提高入庫流量計(jì)算精度，以便為作好烏江梯級水庫防洪決策及調(diào)度服務(wù)。

梯級水庫;入庫流量;流量計(jì)算;烏江

水調(diào)自動化系統(tǒng)(以下簡稱“水調(diào)系統(tǒng)”)是一個(gè)復(fù)雜且專業(yè)的信息自動化系統(tǒng)工程。自水調(diào)系統(tǒng)建設(shè)運(yùn)行以來，已成為貴州烏江水電開發(fā)有限責(zé)任公司水電站遠(yuǎn)程集控中心(以下簡稱“貴州烏江公司集控中心”)生產(chǎn)運(yùn)行、調(diào)度管理的核心系統(tǒng)，為烏江公司的相關(guān)業(yè)務(wù)開展提供了數(shù)據(jù)和技術(shù)支持。隨著該公司生產(chǎn)管理的不斷提升，水調(diào)系統(tǒng)也越來越受到重視。受發(fā)電、泄流、庫水位測量和計(jì)算方法等因素的影響，入庫流量的計(jì)算結(jié)果偏差較大，過程線也大多呈“鋸齒”狀劇烈波動，甚至出現(xiàn)負(fù)值，計(jì)算結(jié)果失真，從而對區(qū)間實(shí)時(shí)流量過程計(jì)算造成一定影響，無法確定匯流時(shí)間，對防洪決策、指揮調(diào)度以及發(fā)電計(jì)劃編制產(chǎn)生了較大影響[1]。因此，應(yīng)對入庫流量加以分析。

1 入庫流量特性及作用

1.1 入庫流量特性

入庫流量是河川徑流的一種特殊狀態(tài)，其發(fā)生、發(fā)展有特定規(guī)律，并表現(xiàn)出以下幾點(diǎn)特性。

(1)時(shí)變性。受自然或人為因素的影響，入庫流量隨時(shí)間而不斷改變。

(2)連續(xù)性。入庫流量的變化連續(xù)不斷，并遵循質(zhì)量守恒定律。

(3)非線性和非恒定性。與自然河道水流一樣，入庫流量的變化不是均勻、線性的。

(4)不重復(fù)性。雖然河川徑流有其本身的周期性，但不會重復(fù)同樣的變化軌跡。

(5)非模型化。不能通過建立計(jì)算模型來推求入庫流量。

(6)不可測量性。與河道斷面流量的可測量性不同，入庫流量只能在發(fā)生后，利用公式進(jìn)行反推，才能得出“實(shí)際”值。

1.2 入庫流量在水庫調(diào)度中的作用[2]

入庫流量是指導(dǎo)水庫運(yùn)行最直接有效的指標(biāo)之一。水庫優(yōu)化調(diào)度、洪水調(diào)度以及洪水預(yù)報(bào)等都需要準(zhǔn)確的入庫流量作為支持，特別是在水庫調(diào)度自動化程度日益提高的今天，若入庫流量計(jì)算精度偏低，不但會限制水調(diào)自動化功能的實(shí)用性，也會影響到電網(wǎng)端對電廠水調(diào)數(shù)據(jù)的使用?？梢哉f，對入庫流量的準(zhǔn)確推求，不僅能促進(jìn)水庫的安全經(jīng)濟(jì)運(yùn)行，還可促進(jìn)電網(wǎng)的優(yōu)化調(diào)度，有利于實(shí)現(xiàn)水資源的優(yōu)化配置，促進(jìn)國民經(jīng)濟(jì)可持續(xù)發(fā)展。

2 入庫流量計(jì)算誤差

2.1 計(jì)算基本原理

目前，依據(jù)水量平衡原理和水庫調(diào)度管理規(guī)范來計(jì)算入庫流量，水庫的入庫流量、出庫流量及梯級區(qū)間流量的通用計(jì)算方法如下。

出庫流量=各機(jī)組發(fā)電流量+
各泄流設(shè)備棄水流量 +航運(yùn)流量+損失流量

(1)

入庫流量=出庫流量+
(時(shí)段末庫容-時(shí)段初庫容)/時(shí)段長

(2)

梯級區(qū)間流量=下級電站入庫流量-
上級電站出庫流量

(3)

其中，式(1)中的航運(yùn)流量僅存在于有獨(dú)立航道的水庫，難以量化損失流量，在大多數(shù)系統(tǒng)中直接置零。

2.2 計(jì)算誤差來源

入庫流量計(jì)算誤差主要來源于以下幾個(gè)方面。

(1) 庫水位。目前很多水庫僅在壩前才有庫水位觀測站，且以壩前水位作為整個(gè)水庫的代表水位，這對水庫總庫容的計(jì)算影響較大。壩前的機(jī)組啟閉、閘門開關(guān)等操作均會嚴(yán)重影響到當(dāng)時(shí)的瞬時(shí)水位。由于操作時(shí)間短，水庫庫容并未產(chǎn)生對應(yīng)變化，從而造成庫容變化的假象。因此，庫水位的代表性不強(qiáng)是導(dǎo)致入庫流量計(jì)算不準(zhǔn)確的最主要因素。

(2) 動庫容影響。水庫庫容曲線是假定水庫水面為平面的情況下得到的，這只有當(dāng)水流速度很小時(shí)才可成立。這種靜庫容曲線在一般的湖泊型水庫或較短的河道型水庫計(jì)算中基本可滿足精度要求，但對于較長的河道型水庫而言，其水庫末端總會存在較大回水，從而使水面形成向上翹的曲線，而非水平線。若不考慮動庫容影響，必將影響入庫流量的計(jì)算精度，水庫動靜庫容如圖1所示。

(3) 壩前閘門控泄。當(dāng)相鄰時(shí)段出庫流量變化較小時(shí)，壩前水面線基本呈漸變狀態(tài)，變化比較穩(wěn)定；當(dāng)出庫流量變化較大時(shí)，近壩區(qū)的水面線則有明顯的升跌變化，這會直接導(dǎo)致壩前水位的大幅波動，進(jìn)而影響入庫流量的計(jì)算精度。

(4) 出庫流量計(jì)算。出庫流量主要包括發(fā)電流量、各泄流設(shè)施泄流、船閘流量等，各部分計(jì)算均可能出現(xiàn)誤差。

(5) 靜庫容曲線。水庫建成后，受水流沖刷、泥沙淤積等影響，其河道地形必然發(fā)生變化，這將導(dǎo)致庫容曲線與建庫前不一致，且建庫后不同運(yùn)行時(shí)期的庫容曲線也可能不一致。

3 入庫流量計(jì)算改進(jìn)方法及分析

目前，河道型水庫水務(wù)計(jì)算的小時(shí)入庫流量普遍存在“鋸齒”波動、入庫流量負(fù)值、梯級區(qū)間流量負(fù)值等現(xiàn)象屬專業(yè)難題，故在水調(diào)自動化系統(tǒng)中，不能采用簡易方法直接處理。針對這一現(xiàn)狀，三峽集團(tuán)等流域梯級公司均開展了專題研究，包括動庫容分析、泄流曲線校正、機(jī)組NHQ關(guān)系曲線修正、梯級水量平衡關(guān)系率定、卡爾曼濾波校正、七點(diǎn)滑動平均校正等，效果均十分顯著。

本文僅針對貴州烏江公司所轄的烏江梯級水電站(洪家渡、東風(fēng)、烏江渡、構(gòu)皮灘、索風(fēng)營、思林、沙沱、大花水、格里橋9級)，其中前4座電站水庫庫容大、調(diào)節(jié)性能良好，其余5座則為日調(diào)節(jié)電站。針對任一水庫，假設(shè)某t時(shí)段內(nèi)庫水位變幅為ΔZ，對應(yīng)的水庫蓄水量變幅為ΔVz，則t時(shí)段流量變幅為ΔQ=ΔVZ/Δt。由此可見，水庫庫容越大，相同水位變幅ΔZ產(chǎn)生的ΔQ流量變幅就越大。

因此，對于烏江梯級水庫入庫流量計(jì)算改進(jìn)方法和分析僅以洪家渡、東風(fēng)、烏江渡及構(gòu)皮灘4座水庫(2013年1月1～5日)為例加以說明，與之相關(guān)的改進(jìn)算法可推廣至全梯級應(yīng)用。研究表明，平滑后入庫流量過程平穩(wěn)性顯著提升。

3.1 壩址入庫流量

壩址入庫流量計(jì)算改進(jìn)方式通常有分段庫容疊加法、庫容差修正法、卡爾曼濾波法和七點(diǎn)滑動平均法等。

(1) 分段庫容疊加法。對于河道地形資料齊全且?guī)靺^(qū)遙測水位站點(diǎn)多的水庫，可對河道進(jìn)行分段。首先按大斷面資料積分,計(jì)算各分段庫容曲線，然后以各分段遙測水位查分段庫容曲線得各分段庫容，疊加后即為總庫容，最后再根據(jù)水量平衡方程計(jì)算入庫流量。在該法中，充分考慮了庫區(qū)回水末端及沿程附加比降的影響，是精度最高的入庫流量算法，目前僅應(yīng)用于三峽水庫，其余多數(shù)水庫不具備基礎(chǔ)資料條件，難以推廣。

(2)庫容差修正法。假定計(jì)算入庫偏差與庫容差之間存在一定相關(guān)性，建立計(jì)算入庫偏差與庫容差的相關(guān)關(guān)系，進(jìn)而計(jì)算修正入庫流量。運(yùn)用該法需要入庫流量偏差與庫容差具有較好相關(guān)性，經(jīng)分析計(jì)算，烏江梯級各水庫按該法計(jì)算的小時(shí)入庫流量過程改進(jìn)效果欠佳，仍存在較大的“鋸齒”波動和負(fù)值現(xiàn)象。

(3)卡爾曼濾波校正法。將入庫流量的“鋸齒”跳變視為隨機(jī)干擾，運(yùn)用離散狀態(tài)空間方程，以“預(yù)測-實(shí)測-修正”的順序遞推，從而實(shí)現(xiàn)入庫流量濾波和預(yù)測。在該法中，需要實(shí)測流量作為濾波依據(jù)。若烏江梯級各調(diào)節(jié)型水庫附近有代表性較好的流量站或水文站，且具有小時(shí)流量實(shí)測數(shù)據(jù)，可嘗試采用該法進(jìn)行入庫流量修正。

(4)七點(diǎn)滑動平均法。設(shè)某入庫流量序列為Q1,Q2,…,QT-1，QT,其中T>7。則其七點(diǎn)滑動平均流量序列計(jì)算公式為：

(4)

式中，T為當(dāng)前時(shí)段,h；t為計(jì)算時(shí)段，h；qt為計(jì)算時(shí)段入庫流量，m3/s；Q1為第一個(gè)時(shí)段入庫流量，m3/s；Q2為第二個(gè)時(shí)段入庫流量，m3/s；下同。Qt-1為計(jì)算時(shí)段t向前推一個(gè)時(shí)段對應(yīng)的入庫流量，m3/s；Qt-2為計(jì)算時(shí)段t向前推二個(gè)時(shí)段對應(yīng)的入庫流量,m3/s；QT-1為當(dāng)前時(shí)段T向前1h對應(yīng)的入庫流量，m3/s;QT-2為當(dāng)前時(shí)段T向前推2h對應(yīng)的入庫流量，m3/s,下同。

對于t=T-2、T-1、T這3個(gè)時(shí)段，當(dāng)前計(jì)算的是暫時(shí)值。在未來時(shí)段滾動過程中，這3個(gè)時(shí)段的數(shù)值會根據(jù)未來的變化趨勢滾動修正。例如當(dāng)時(shí)段t=T+1時(shí)，需重算t=T-2、T-1、T這3個(gè)時(shí)段，其中T-2時(shí)段轉(zhuǎn)為穩(wěn)定值，以后無需繼續(xù)修正，但T-1、T時(shí)段還需滾動修正，后續(xù)時(shí)段以此類推。平滑后若存在負(fù)值，則置為零。該法的物理意義明確，具有良好的適應(yīng)性，能較好地模擬小時(shí)入庫流量過程變化趨勢，且無需任何參照依據(jù)和輔助資料，原理簡單、實(shí)現(xiàn)便捷，但在該法中，每次只能確定3h前的入庫流量過程，3h前至當(dāng)前的3個(gè)入庫流量值會被滾動修正，實(shí)時(shí)性較差。

3.2 區(qū)間入庫流量

由于出庫流量計(jì)算相對穩(wěn)定，因此，區(qū)間入庫流量計(jì)算精度主要依賴于壩址入庫流量和區(qū)間傳播時(shí)間。在壩址入庫流量方面，可采用平滑入庫流量作為計(jì)算依據(jù)，確定區(qū)間傳播時(shí)間則是計(jì)算區(qū)間入庫流量的難點(diǎn)。從直觀上看，上級電站出庫流量越大，區(qū)間傳播越快，反之則傳播越慢。這一定性認(rèn)識存在一定局限性，且無法量化。事實(shí)上，根據(jù)水力學(xué)理論，河道水流速度的計(jì)算公式應(yīng)表達(dá)如下。

流速=(水力半徑的2/3次方)×
(坡度的平方根)/河床糙率

(5)

水力半徑=斷面面積/除水面以外的斷面周長

(6)

式(5)、(6)中，坡度為比值，水力半徑單位為m，流速單位為m/s。

河床糙率與河床粗糙程度有關(guān)，對計(jì)算結(jié)果影響較大，可參考表1。

由此可見，影響區(qū)間傳播的本質(zhì)因素是水力半徑、坡度和河床糙率，而非流量大小。流量對區(qū)間傳播時(shí)間的影響，是通過改變水力半徑來間接反映的。因此，對于大江大河而言，根據(jù)式(5)～(6)，結(jié)合實(shí)際流量變化規(guī)律，估算梯級區(qū)間傳播時(shí)間的固定值即可，無需采用變化的傳播曲線。此外，無法準(zhǔn)確率定流量-傳播時(shí)間曲線，用經(jīng)驗(yàn)曲線計(jì)算會擴(kuò)大誤差，如在上級電站調(diào)峰或泄洪時(shí)，易引起下級電站入庫流量的錯(cuò)時(shí)疊加。

有時(shí)梯級區(qū)間入庫流量會存在負(fù)值，主要原因有以下兩點(diǎn)：①區(qū)間流量損失，包括蒸發(fā)、河底滲流、填洼、河岸植被攔蓄、工農(nóng)業(yè)取水等； ②流量坦化，上級出庫流量在區(qū)間河道中傳播時(shí)會坦化。在實(shí)際計(jì)算中，并未考慮這兩點(diǎn)。為便于理解，可直接置零，表示該時(shí)段的流量損失和坦化程度較大。

從本質(zhì)上講，區(qū)間入庫流量負(fù)值現(xiàn)象有其物理涵義。綜上，按下級電站本時(shí)段平滑壩址入庫流量減去其上級電站傳播時(shí)間對應(yīng)時(shí)段的出庫流量，來計(jì)算貴州烏江公司水調(diào)系統(tǒng)的各區(qū)間入庫流量。其中，可基于梯級流量變化規(guī)律，結(jié)合式(5)、(6)和表1，計(jì)算獲得各區(qū)間傳播時(shí)間。若計(jì)算區(qū)間流量為負(fù)，則置零。

4 結(jié) 語

從改進(jìn)后的實(shí)際應(yīng)用情況看，水量平衡方法仍是一種計(jì)算入庫流量的有效方法。只要改進(jìn)使用方法，就可提高計(jì)算精度，并對計(jì)算結(jié)果加以適當(dāng)校正，即可大大削弱入庫流量過程的“鋸齒”狀，以便更好地為烏江流域梯級電站的防洪度汛和梯級優(yōu)化水庫調(diào)度工作服務(wù)，對提高水能利用效率、加強(qiáng)防汛防洪起到更重要的作用。

[1] 詹道江，葉守澤．工程水文學(xué)[M]．北京：中國水利水電出版社，2000.

[2] 陳寧珍．水庫運(yùn)行調(diào)度[M]．北京：中國水利水電出版社，1993.

(編輯：唐湘茜)

2015-04-09

王俊莉，女，貴州烏江水電開發(fā)有限責(zé)任公司，高級工程師.

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