綜合利用水庫徑流調(diào)節(jié)簡便計算方法應(yīng)用分析

趙 蕾

(廣東珠榮工程設(shè)計有限公司，廣州 510610)

水庫徑流調(diào)節(jié)的任務(wù)是確定調(diào)節(jié)流量、庫容和保證率三者間的關(guān)系。綜合利用的水庫工程承擔(dān)著多項興利任務(wù)，且不同的任務(wù)其設(shè)計保證率和用水要求均不相同。根據(jù)各任務(wù)的保證率，合理確定庫容，是綜合利用水庫徑流調(diào)節(jié)的難點。本文以貴州省某水庫為例，對比分析簡便的化算保證率法、主要用水部門選定庫容法及保守庫容挑大法在徑流調(diào)節(jié)計算中的差異和適用性[1-2]。

1 工程概況

某水庫工程規(guī)模屬小(1)型，工程等別為Ⅳ等，工程任務(wù)是村鎮(zhèn)供水和農(nóng)田灌溉，到設(shè)計水平年，可解決51 666人、20 000頭大牲畜、15 999頭小牲畜及160萬只家禽的人畜飲水問題，并解決2 541 hm2耕地的灌溉用水問題。某水庫壩址以上集雨面積為71.8 km2，河長為21.3 km，比降為9.7‰，多年平均徑流量為3 714.4萬m3，枯水年(P=80%)徑流量為2 759.1萬m3，特枯年(P=95%)徑流量為2 090.1萬m3。項目區(qū)灌溉設(shè)計保證率為P=80%，年需水量為1 495.3萬m3，村鎮(zhèn)供水設(shè)計保證率為P=95%，年需水量為390.9萬m3。水庫校核洪水位為674.8 m，總庫容為902.4萬m3，設(shè)計洪水位為674 m，正常蓄水位為671.8 m，相應(yīng)庫容為747.3萬m3，死水位為649.1 m，死庫容為87.9萬m3，興利庫容為659.4萬m3。大壩采用堆石砼重力壩擋水，壩頂高程為676.30 m，最大壩高為57.3 m，壩頂長度為154.0 m。

2 綜合利用水庫徑流調(diào)節(jié)原理

徑流調(diào)節(jié)計算的基本原理是利用水庫的調(diào)蓄能力，改變天然徑流過程，實現(xiàn)以豐補枯，增加枯水期可利用水量。計算依據(jù)的基本原理是水庫進出庫的水量平衡，即各時段的水庫來水量及用水量，按設(shè)定的調(diào)節(jié)庫容順序進行徑流調(diào)節(jié)計算，第i時段的計算公式為：

Vi+1=Vi+W來水-W用水-W損失

(1)

式中：

Vi、Vi+1——水庫第i時段初和時段末的需水量；

W來水——第i時段來水量；

W用水——第i時段各部門用水量之和；

W損失——第i時段水庫各種水量損失。

綜合利用水庫徑流調(diào)節(jié)為多級用水、多級綜合利用調(diào)節(jié)計算，包含多個設(shè)計保證率和調(diào)節(jié)流量，其調(diào)節(jié)計算所確定相應(yīng)庫容可用式(2)表示：

V=f(Pi，qi)i=1,2,3……n

(2)

式中：

Pi、qi——各用水部門的設(shè)計保證率及正常用水量；

n——所有用水部門的個數(shù)。

原則上來說，嚴格的多級徑流調(diào)節(jié)計算應(yīng)與用水調(diào)度相聯(lián)系，不同的調(diào)度方案可以產(chǎn)生不同的解，形成逐步逼近的計算問題。通常為了確定初步的有效庫容，常常采用某些簡化方法，包括簡便的化算保證率法、主要用水部門選定庫容法和保守的庫容挑大法[1,3]。

3 基礎(chǔ)資料及調(diào)節(jié)原則

1) 徑流資料

徑流調(diào)節(jié)計算采用的徑流系列為1958—2015年共 58 a 的逐月平均徑流量，各典型年徑徑流成果見表1。

2) 庫容曲線

壩址的庫容面積曲線采用2018年6月實測1:1 000地形圖成果量算，水位—庫容—面積關(guān)系成果如圖1所示。

表1 各典型年徑流成果

圖1 水庫水位—庫容—庫容關(guān)系曲線示意

3) 供水對象需水量

水庫供水包括鄉(xiāng)村人畜供水和農(nóng)田灌溉供水，水庫設(shè)計水平年供水量為1 886.2萬m3，其中向鄉(xiāng)村人畜供水為390.9萬m3，灌溉供水為1 495.3萬m3。

4) 水庫水量損失

水庫水量損失主要包括蒸發(fā)增損和滲漏損失。水庫蒸發(fā)增損為水庫增加水面面積而增加的蒸發(fā)量，調(diào)節(jié)過程中每月蒸發(fā)增損量為每月平均庫面面積乘當月蒸發(fā)增損深度。水庫每月滲漏損失按各月平均庫容的1.0%考慮。經(jīng)計算，水庫多年平均蒸發(fā)、滲漏損失為35.9萬m3，其中多年平均蒸發(fā)增損為4.2萬m3，滲漏損失為31.7萬m3。

5) 河道內(nèi)生態(tài)用水

根據(jù)《水利水電建設(shè)項目水資源論證導(dǎo)則》，生態(tài)流量按多年平均流量的10%預(yù)留，水庫壩址多年平均流量為1.18 m3/s，則生態(tài)流量為0.119 m3/s，生態(tài)流量年用水量為371.4萬m3。

6) 調(diào)節(jié)原則

根據(jù)《水利工程水利計算規(guī)范》(SL 104—2015)，灌溉水庫徑流調(diào)節(jié)計算應(yīng)采用長系列法，長系列時歷法調(diào)算的原則是優(yōu)先供水，其次保障灌溉，盡量保證生態(tài)基流，余水存蓄于水庫，蓄滿則棄，未到死水位也不要求放空。

4 綜合利用水庫徑流調(diào)節(jié)計算方法

4.1 簡便的化算保證率法

1) 計算方法

為了初步明確二級調(diào)節(jié)情況下所需的有效庫容，按單級調(diào)節(jié)的思路，必須設(shè)法擬定出一個經(jīng)過化算的保證率，以便與一個相當?shù)恼{(diào)節(jié)流量一起作為已知條件，從而求出相應(yīng)的有效庫容。設(shè)水庫的二級調(diào)節(jié)條件分別為(P1，q1)和(P2，q2)，且P1

(3)

2) 計算成果

項目灌溉設(shè)計保證率為80%，用水量為1 495.3萬m3，村鎮(zhèn)供水設(shè)計保證率為95%，用水量為390.9萬m3，化算的保證率為84%，興利庫容為731萬m3。

3) 成果檢驗

當水庫興利庫容為731萬m3，1958—2015年共58 a中有9 a用水不能得到滿足，當保證率超過80%時，以灌溉破壞深度需小于50%為限制條件折減灌溉用水[5]，優(yōu)先滿足村鎮(zhèn)供水，經(jīng)計算，村鎮(zhèn)供水量為390.9萬m3，設(shè)計保證率滿足為95%，灌溉供水量為1 538.0萬m3，設(shè)計保證率為84%，超過灌溉設(shè)計保證率80%的要求。

4.2 主要用水部門選定庫容法

1) 計算方法

該方法實質(zhì)是不考慮次用水部門的設(shè)計保證率的問題，其用水要求在調(diào)節(jié)計算中按全部滿足處理。其處理辦法適用于當次用水部門的用水量所占比重不大時，這時次要用水部門用水直接在來水中扣除，然后進行調(diào)節(jié)計算，求出所需庫容[1]。

2) 計算成果

本項目年村鎮(zhèn)供水量為300.9萬m3，月供水量為32萬m3，在歷年各月來水中扣除村鎮(zhèn)供水量，然后進行徑流調(diào)節(jié)計算，經(jīng)計算可知，水庫興利庫容為645.08萬m3。

3) 成果檢驗

當水庫興利庫容為645.08萬m3，1958—2015年共58 a中有12 a用水不能得到滿足，當保證率超過80%時，以灌溉破壞深度需小于50%為限制條件折減灌溉用水，優(yōu)先滿足村鎮(zhèn)供水，經(jīng)計算，村鎮(zhèn)供水量為390.9萬m3，保證率滿足95%，灌溉供水量為1 493.1萬m3，灌溉保證率為78%，不滿足灌溉設(shè)計保證率80%的要求。

4.3 保守庫容挑大法

1) 計算方法

各種用水均有其特定的設(shè)計保證率，對兩種用水分別作調(diào)節(jié)計算，求出調(diào)節(jié)庫容，以其中大者作為設(shè)計庫容。

先計算低保證率時所有用水均滿足情況所需的庫容；再計算高保證率的情況，當保證率超過低保證率時，此時低保證率用水可破壞，用水量可按來水量減少情況進行折減，按折減后的用水量計算所需庫容；挑兩者中大者為設(shè)計興利庫容[6-10]。

2) 折減系數(shù)

當計算高保證率情況時，低保證率用水需按來水量減少情況進行折減，折減系數(shù)可按兩種方法確定，分別是按遞變折減系數(shù)和固定折減系數(shù)[11-12]。

遞變折減系數(shù)是按來水量減少量情況進行折減，即超過低頻率的年份，每年用水量按來水量減少量與低頻率來水量比值進行折減，如低頻率為80%時，來水量為2 759.22萬m3，頻率為85%時，來水量為2 573.1萬m3，折減系數(shù)=1-(2 759.22-2 573.1)/2 759.22=0.93。

固定折減系數(shù)是按高、低頻率差值進行折減，即超過低頻率的年份，每年用水量均按頻率差異以固定值折減，如低頻率為80%時，高頻率為95%時，折減系數(shù)為0.85，保證率超過80%的年份，用水量均按折減系數(shù)0.85進行折減。

經(jīng)計算，遞變折減系數(shù)為0.65～0.93，固定折減系數(shù)為0.85，有一定的差異，按固定折減系數(shù)，計算方法簡單，有一定的代表性，但折減系數(shù)無差異，對于特枯年，折減量不能代表特枯年用水量破壞的實際情況；按來水量減少量折減，概念清晰，有一定的理論依據(jù)，越枯的年份折減系數(shù)越小，更符合越枯年份，來水量越少，可供水量越少的變化情況，推薦采用。

3) 計算成果

本項目興利計算過程中，由于灌溉與村鎮(zhèn)供水保證率不一致，采用2種工況進行計算：

工況1：設(shè)計保證率為P=80%時，灌溉和村鎮(zhèn)供水用水全部保證；

經(jīng)計算，水庫興利庫容為655.5萬m3，興利庫容頻率曲線見圖2。

圖2 水庫興利庫容頻率曲線(P=80%)

工況2：設(shè)計保證率為P=95%時，由于灌溉設(shè)計保證率(P=80%)與供水設(shè)計保證率(P=95%)不同，故考慮采用95%年份先滿足生活供水，農(nóng)灌削減用水的處理方法，即超過P=80%保證率的枯水年份，灌溉用水量按來水量減少的程度進行削減，折減系數(shù)為0.65～0.93。

經(jīng)計算，水庫興利庫容為659.4萬m3，興利庫容頻率曲線見圖3。

從工程安全角度考慮，采取兩種工況計算成果的大值作為興利庫容，即興利庫容為659.4萬m3。

圖3 水庫興利庫容頻率曲線(P=95%)

3) 成果檢驗

當水庫興利庫容為659.4萬m3時，1958—2015年共58 a中有11 a用水不能得到滿足，當保證率超過80%時，以灌溉破壞深度需小于50%為限制條件折減灌溉用水，優(yōu)先滿足村鎮(zhèn)供水，經(jīng)計算，村鎮(zhèn)供水量為390.2萬m3，保證率滿足95%，灌溉供水量為1 495.3萬m3，設(shè)計保證率為80%，均滿足要求。

4.4 成果分析

1) 計算成果分析

3種方法興利庫容和實際保證率情況見表2，根據(jù)表2中設(shè)計保證率和實際保證率、設(shè)計供水量和實際供水量對比分析，方法1計算成果偏保守，方法2計算成果偏風(fēng)險，方法3計算成果適中。

表2 興利庫容計算成果對比

2) 適用性分析

方法1是按各用水戶用水量比例對設(shè)計保證率作線性內(nèi)插處理，沒有嚴格的理論依據(jù)，無法明確判明其結(jié)果屬于冒進或保守。當兩用水戶用水量差異越大時，化算保證率較小，成果偏冒進，當兩用水戶用水量差異較小時，化算保證率越大，成果偏保守。此方法計算簡單，適用于規(guī)劃階段進行方案對比。

方法2不考慮次要用水部門的設(shè)計保證率，其用水要求在調(diào)節(jié)計算中按全部滿足處理，適用于次要部門用水比重小，且各月來水能滿足次要部門用水需求的情況。此方法要求次要部門用水比重小，其幅度沒有明確界定，難以把握，難以保證成果的合理性。

方法3保證率概念較明晰，分別計算各保證率興利庫容，挑大者作為設(shè)計興利庫容，滿足其中一個用水戶用水需求，必能滿足另一用水戶需求，計算成果合理；適用范圍廣，無限制條件；同時折減系數(shù)有一定的理論依據(jù)；可作為綜合利用水庫徑流調(diào)節(jié)計算的推薦方法。

5 結(jié)語

1) 簡便的化算保證率法設(shè)計保證率沒有嚴格的理論依據(jù)，無法判斷計算成果屬于冒進或保守；主要用水部門選定庫容法僅適用于次要部門用水比重小，且各月來水能滿足次要部門用水需求；保守的庫容挑大法設(shè)計保證率概念明晰，計算成果合理，適用范圍廣，可作為綜合利用水庫徑流調(diào)節(jié)計算的推薦方法。

2) 保守的庫容挑大法中遞變折減系數(shù)按來水量減少量計算，概念清晰，有一定的理論依據(jù)，越枯的年份折減系數(shù)越小，更符合越枯年份，來水量越少，可供水量越少的變化情況。