水電站初期蓄水過程計(jì)算方法

高 潔

(水電水利規(guī)劃設(shè)計(jì)總院，北京100120)

水電站初期蓄水過程計(jì)算方法

高 潔

(水電水利規(guī)劃設(shè)計(jì)總院，北京100120)

針對水電站初期蓄水過程計(jì)算，介紹并評價(jià)了針對短歷時(shí)和長歷時(shí)蓄水過程的典型年法和頻率法。詳細(xì)說明了以需蓄水量為目標(biāo)，對蓄水歷時(shí)進(jìn)行排頻計(jì)算，求得設(shè)計(jì)保證率相應(yīng)典型入庫流量過程線的方法。以某水庫30年徑流系列和蓄水要求為算例，編制程序進(jìn)行蓄水過程計(jì)算。該方法可以同時(shí)滿足蓄水總量和設(shè)計(jì)保證率的要求，且不必劃分蓄水時(shí)段，適合程序化操作，可以為水電站蓄水規(guī)劃和蓄水安全鑒定提供基礎(chǔ)。

初期蓄水；蓄水過程；蓄水規(guī)劃；水電站

1 計(jì)算背景

水電站首臺機(jī)組投產(chǎn)發(fā)電前需要對機(jī)組進(jìn)行試運(yùn)行調(diào)試等工作。導(dǎo)流泄水設(shè)施的下閘封堵及水庫初期蓄水為機(jī)組有水調(diào)試提供基礎(chǔ)。下閘蓄水及水庫初期蓄水相關(guān)的安全鑒定工作[1- 3]首先需要根據(jù)工程形象面貌要求，在施工期臨時(shí)導(dǎo)流建筑物封堵后、永久泄水建筑物未完建的條件下，確認(rèn)壩體等主體工程在相應(yīng)時(shí)段內(nèi)的防洪度汛標(biāo)準(zhǔn)，再進(jìn)行蓄水方案編制。

蓄水方案[4- 5]應(yīng)根據(jù)流域水文特征，在兼顧下游生產(chǎn)生活用水、生態(tài)用水、航運(yùn)水深等要求的前提下，按照入庫徑流量和基于工程安全提出的水位上升速率控制要求，選擇設(shè)計(jì)保證率進(jìn)行蓄水過程計(jì)算。蓄水過程需要根據(jù)施工進(jìn)度安排和機(jī)組發(fā)電計(jì)劃初步擬定下閘時(shí)間，進(jìn)行水庫需蓄水量和可蓄水量分析。需要其他外部水源協(xié)助蓄水時(shí)，應(yīng)分析外部水源的可供水量。

擬定蓄水過程直接采用和間接涉及的資料包括：

(1)基本資料。①入庫流量系列；②水庫庫容曲線。

(2)蓄水期間用于計(jì)算防洪控制水位的資料。①相應(yīng)時(shí)段內(nèi)洪水要素及過程線；②工程永久泄水和導(dǎo)流設(shè)施泄流曲線；③洪水調(diào)度原則。

(3)蓄水期間其他外部條件。①工程下游各用水單元的水量和水位要求；②庫區(qū)移民安置進(jìn)程和施工進(jìn)度計(jì)劃；③其他要求。

2 計(jì)算方法

2.1 傳統(tǒng)方法

2.1.1 蓄水歷時(shí)不超過1a的蓄水過程

對入庫徑流量扣除水庫蒸發(fā)滲漏損失、向下游各項(xiàng)供水量，通過試算法估算蓄水歷時(shí)。將每年徑流系列中相應(yīng)于蓄水時(shí)段內(nèi)的月徑流量求和，并按照從大到小的順序排列，通過經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算該年的蓄水時(shí)段內(nèi)入庫水量的經(jīng)驗(yàn)頻率，即

(1)

式中，m為排序序號；n為參與排頻的總年數(shù)。根據(jù)SL 104—95《水利工程水利計(jì)算規(guī)范》[7]要求，p通常選75%～85%作為設(shè)計(jì)保證率。

入庫流量過程線的選擇包括頻率法和典型年法。具體為①典型年法。選出入庫水量頻率最接近設(shè)計(jì)保證率的月徑流過程作為蓄水期入庫流量過程進(jìn)行蓄水過程計(jì)算。當(dāng)同時(shí)有幾個(gè)徑流過程的水量頻率都接近設(shè)計(jì)保證率時(shí)，可以選用前期水量較豐、后期偏枯的過程。該過程體現(xiàn)了前期蓄水位較高、對防洪不利，后期可能無水可蓄的不利情況。②頻率法。選出入庫水量頻率接近設(shè)計(jì)保證率的3～5個(gè)徑流過程，通過計(jì)算逐月來水量百分比累計(jì)曲線，選擇其上包線作為入庫水量時(shí)程分配的依據(jù)，推算出入庫流量過程線。

方法①直接采用典型過程，方法②通過上包線可推求出前期蓄水量較大、后期無水可蓄的最不利徑流過程。由于方法②偏于安全，對施工進(jìn)度和庫區(qū)搬遷要求緊迫，在實(shí)際中通常采用方法①。

2.1.2 蓄水歷時(shí)超過1a的蓄水過程

蓄水歷時(shí)超過1a的蓄水過程包括典型年法和頻率法。具體為①頻率法。如果蓄水歷時(shí)超出水文規(guī)律的年周期，可采用頻率組合法計(jì)算入庫水量，將蓄水期劃分為若干個(gè)小于1a的蓄水時(shí)段。通過統(tǒng)計(jì)每個(gè)蓄水時(shí)段“入庫水量-頻率”關(guān)系，再對相同頻率各時(shí)段相應(yīng)水量進(jìn)行累加，得到蓄水期入庫水量組合頻率曲線。在徑流總量接近設(shè)計(jì)保證率的3～5個(gè)徑流過程中選擇逐月入庫水量累計(jì)百分比的上包線，作為徑流過程分配的依據(jù)。②典型年法。反算出每個(gè)蓄水期蓄至規(guī)定水位的起蓄時(shí)間。對起蓄時(shí)間按照先后順序排頻，選出設(shè)計(jì)保證率對應(yīng)的起蓄時(shí)間及其入庫流量過程。

方法①需要將整個(gè)蓄水期劃分為若干個(gè)歷時(shí)小于1a的蓄水時(shí)段，劃分方式受主觀因素的影響，導(dǎo)致組合頻率曲線具有一定的不確定性。方法②的思路明確合理，但是需要對全系列逐年操作，工作量較大。

2.2 推薦采用方法

傳統(tǒng)方法中首先需要根據(jù)庫容和可蓄水量對蓄水歷時(shí)進(jìn)行判斷，短歷時(shí)和長歷時(shí)的計(jì)算標(biāo)準(zhǔn)和方法均不一樣。采用典型年法，短歷時(shí)蓄水過程是對相同蓄水時(shí)段內(nèi)的蓄水總量進(jìn)行排頻，但是長歷時(shí)蓄水過程是對相同蓄水量的起蓄時(shí)間進(jìn)行排頻。頻率法選用逐月入庫水量累計(jì)百分比的上包線，實(shí)質(zhì)為前期蓄水量較多，后期無水可蓄的不利工況。但是長歷時(shí)的組合頻率法，根據(jù)蓄水時(shí)段劃分不同，組合頻率的相應(yīng)水量有所差異，具有一定的不確定性。

蓄水規(guī)劃首先應(yīng)當(dāng)保證計(jì)算結(jié)果的唯一性，并力求在長歷時(shí)和短歷時(shí)計(jì)算上遵循相同的原則。目前設(shè)計(jì)院通常采用典型年法，在短歷時(shí)蓄水中對一定蓄水時(shí)段的可蓄水量排頻。但是如果某些豐水年的可蓄水量遠(yuǎn)大于需蓄水量，不到蓄水時(shí)段的最后一個(gè)月，就已經(jīng)蓄至規(guī)定水位。那么進(jìn)行排頻統(tǒng)計(jì)的蓄水時(shí)段是按照最初設(shè)定的n，還是調(diào)整為n-1，或者兩者都不合適。因此，無論蓄水歷時(shí)的長短，以達(dá)到相同需蓄水量所需的時(shí)間來衡量的蓄水過程，才能反映出來水、耗水、庫容等綜合因素。

對起蓄時(shí)間的排頻可以簡化為對蓄水時(shí)間的排頻。由于需要對全系列逐月計(jì)算，人工操作的工作量較大。本文為此編制了針對性的程序，程序編制思路為：從初步擬定的下閘蓄水時(shí)間起算，逐月累加直至徑流總量超過需蓄水量為止。下一個(gè)蓄水周期，從新的一年的下閘蓄水月份起算。對各蓄水周期內(nèi)參與累加的月數(shù)按從大到小的順序排頻，即得出每個(gè)蓄水周期相應(yīng)的頻率。該蓄水周期可以是幾個(gè)月也可以是幾年。

3 計(jì)算實(shí)例

以浙江省某水庫1957年～1986年徑流系列為例(見表1)，從5月初起蓄至11月初首臺機(jī)組帶水調(diào)試，首臺機(jī)組調(diào)試需水量為63萬m3，所有機(jī)組發(fā)電需水量為400萬m3。

3.1 短歷時(shí)蓄水(需蓄水量63萬m3)

(1)相同時(shí)段按照蓄水量排頻。擬定75%的設(shè)計(jì)保證率，根據(jù)首臺機(jī)組調(diào)試時(shí)間要求，對30a徑流系列5月～10月相應(yīng)時(shí)段的總水量按從大到小的順序排頻，從中選出頻率為74.2%的1966年5月～10月徑流過程作為典型入庫流量過程線。根據(jù)蓄水期(5月～10月)蓄水總量排頻計(jì)算，1966年5月～10月屬于75%保證率相應(yīng)的枯水代表時(shí)段。但是1966年5月～10月徑流總量為125.42萬m3。從5月起蓄，水庫在7月底已經(jīng)蓄滿63萬m3。因此所選的75%保證率相應(yīng)徑流過程并非對應(yīng)于實(shí)際蓄水時(shí)段5月～7月的75%保證率。

表1 某水庫1957年～1986年逐年各月入庫水量 萬m3

(2)相同需蓄水量按照蓄水歷時(shí)排頻。根據(jù)目標(biāo)需蓄水量63萬m3，對各年相應(yīng)蓄水時(shí)間按照從小到大的順序排頻，從中選出75%保證率相應(yīng)代表年。30年系列按蓄水歷時(shí)統(tǒng)計(jì)保證率見圖1。

圖1 蓄水歷時(shí)排頻法計(jì)算成果(蓄水歷時(shí)≤1a)

根據(jù)30年統(tǒng)計(jì)系列，由圖1可知在3個(gè)月內(nèi)蓄水63萬m3的保證率為65%～84%。選出可蓄水量較接近63萬m3的3個(gè)代表年：1960年、1981年和1972年的5月～7月可蓄水量分別為63.40萬、66.07萬、67.23萬m3。根據(jù)前期蓄水量較大，后期無水可蓄的不利過程取樣原則，統(tǒng)計(jì)3個(gè)代表年各月蓄水量累計(jì)百分比。見圖2,對短歷時(shí)蓄水過程采用柱狀圖的表現(xiàn)形式簡單直觀。1960年5月～7月的來水條件比較符合過程線的取樣原則，可以作為典型入庫流量過程。

圖2 各月累計(jì)蓄水量百分比(蓄水歷時(shí)≤1a)

3.2 長歷時(shí)蓄水(需蓄水量400萬m3)

相同蓄水量按照蓄水歷時(shí)排頻。首先按照需蓄水量從1957年5月起逐月累加，直至17個(gè)月后，1958年9月底蓄水總量為400萬m3。第2個(gè)蓄水周期從1959年5月起算，以此類推。對全系列12個(gè)蓄水周期的蓄水歷時(shí)，按照從小到大的順序排頻，成果見表3。

圖3 蓄水歷時(shí)排頻法計(jì)算成果(蓄水歷時(shí)>1a)

由圖3可知，基于12個(gè)蓄水周期的統(tǒng)計(jì)資料，選取75%左右設(shè)計(jì)保證率對應(yīng)的蓄水歷時(shí)，23個(gè)月內(nèi)蓄水400萬m3的保證率為62%～77%，代表系列分別為1963年、1971年和1981年的5月至第3年3月。統(tǒng)計(jì)3個(gè)蓄水周期各月蓄水量累計(jì)百分比，并根據(jù)取樣原則，按圖4可以直觀的選出前期水量充足、后期無水可蓄的1963年5月～1965年3月徑流過程作為典型入流過程。

圖4 蓄水各月累計(jì)蓄水量百分比(蓄水歷時(shí)>1a)

4 結(jié) 論

本文針對水電站初期蓄水入庫流量過程的選取，參考相關(guān)資料介紹并評價(jià)了針對短歷時(shí)和長歷時(shí)蓄水過程的典型年法和頻率法。并在此基礎(chǔ)上說明了以相同需蓄水量為目標(biāo)，對蓄水歷時(shí)進(jìn)行排頻計(jì)算，求得設(shè)計(jì)保證率相應(yīng)典型入庫流量過程線的方法及程序。以某水庫30年徑流系列和蓄水發(fā)電要求為算例，編制程序計(jì)算分析短歷時(shí)和長歷時(shí)蓄水過程。

根據(jù)算例分析，該方法可以同時(shí)滿足蓄水總量和保證率的要求，且不需要考慮蓄水周期的長短，計(jì)算思路較為簡單、適合程序化操作，可以為水電站蓄水規(guī)劃及蓄水安全鑒定工作提供基礎(chǔ)。

[1]電綜[1998]219號 水電建設(shè)工程安全鑒定規(guī)定[S].

[2]國能新能[2013]104號 國家能源局關(guān)于印發(fā)水電工程質(zhì)量監(jiān)督管理規(guī)定和水電工程安全鑒定管理辦法的通知[S].

[3]國能新能[2011]263號 國家能源局關(guān)于印發(fā)水電工程驗(yàn)收管理辦法的通知[S].

[4]李紅剛. 糯扎渡水電站蓄水期梯級水庫聯(lián)合優(yōu)化運(yùn)行[J]. 云南水力發(fā)電， 2011, 27(4)： 126- 128.

[5]魏櫻， 陳俊， 匡啟兵， 等. 蒲石河抽水蓄能電站下水庫回蓄方案擬定與分析[J]. 東北水利水電，2013(4)： 6- 9.

[6]《水利水電工程施工手冊》編委會(huì). 水利水電工程施工手冊(第5卷)施工導(dǎo)(截)流與度汛工程[M]. 北京： 中國電力出版社， 2005．

[7]SL 104—95水利工程水利計(jì)算規(guī)范[S]．

(責(zé)任編輯王 琪)

Calculation Methods of Initial Storage Process of Hydropower Station

GAO Jie

(China Renewable Energy Engineering Institute, Beijing 100120, China)

The typical year method and frequency method for both short and long duration processes of the initial water storage for hydropower station are introduced and evaluated, and then a combined method is proposed. Aimed at a certain water amount, the durations spent on accumulating such water amount for each cycle are ranked and the hydrograph corresponding to the selected rank is the key for initial water storage. Taking a hydropower station in Zhejiang as an example, the initial water storage process is calculated based on a 30-year runoff series. The method meets the requirements for both water amount and selected rank and is suit for programming. It provides a convenience for water storage planning and water storage safety appraisal of hydropower station．

initial water storage; water storage process; water storage planning; hydropower station

2015- 03- 26

國家973項(xiàng)目(2013CB036403)

高潔(1985—)，女，安徽滁州人，高級工程師，博士，從事水文水資源、水電規(guī)劃方面研究工作．

TV697

A

0559- 9342(2015)12- 0029- 04