談濟(jì)南市錦繡川水庫調(diào)度圖的編制與優(yōu)化

李 偉，王芙蓉

（濟(jì)南市水利工程服務(wù)中心，山東 濟(jì)南250112）

錦繡川水庫是濟(jì)南市集農(nóng)業(yè)灌溉和城市供水等為一體，同時(shí)兼顧了防洪、發(fā)電和生態(tài)補(bǔ)源的綜合性中型水庫。因錦繡川水庫屬多年調(diào)節(jié)多目標(biāo)供水的綜合性水庫，結(jié)合水庫日常多目標(biāo)水資源的實(shí)際調(diào)度，通過分析多年來水和供水等長系列資料，繪制水庫多級(jí)調(diào)度圖，為水庫調(diào)度提供依據(jù)。

1 水庫出入庫概況

1.1 入庫徑流分析

錦繡川水庫自1983年開始農(nóng)業(yè)灌溉，1988年通過原農(nóng)灌渠道向市區(qū)供水，特別是城鎮(zhèn)化等原因，水庫上游下墊面在建庫初期也一直在發(fā)生變化，故選取錦繡川水庫1984年至今的逐月實(shí)測入庫資料進(jìn)行了入庫徑流頻率分析。

1.2 水庫需水情況

通過水庫需水分析可知，錦繡川水庫的4項(xiàng)基本需水要求包括滿足濟(jì)南市南部地區(qū)的城市供水、錦繡川和仲宮兩鄉(xiāng)鎮(zhèn)的農(nóng)業(yè)灌溉、水庫自身的發(fā)電用水以及濟(jì)南市保泉所需的生態(tài)用水。其中農(nóng)業(yè)灌溉用水為結(jié)合水，同時(shí)應(yīng)用于發(fā)電和生態(tài)補(bǔ)水。農(nóng)業(yè)灌溉用水和城市用水多年平均2 695.8萬m3，其中有約529萬m3為農(nóng)業(yè)灌溉年用水總量，城市年用水量約為1 825萬m3。各類用水每月情況統(tǒng)計(jì)如表1所示。

表1 錦繡川水庫每月各類用水情況統(tǒng)計(jì)表 萬m3

2 常規(guī)調(diào)度圖的編制方法

2.1 基本調(diào)度方式選擇

1）年調(diào)節(jié)。當(dāng)年用水量小于設(shè)計(jì)保證率對(duì)應(yīng)的年來水量時(shí)，水庫僅需根據(jù)當(dāng)年汛期蓄水情況儲(chǔ)備余水以備來年枯水期水量不足。當(dāng)設(shè)計(jì)保證率對(duì)應(yīng)的年來水量大于年用水量時(shí)，水庫可根據(jù)蓄水情況，冬春季等當(dāng)年枯水期的水量不足可以用本年度度汛過后結(jié)余的水量來填補(bǔ)。

2）多年調(diào)節(jié)。當(dāng)年用水量大于設(shè)計(jì)保證率對(duì)應(yīng)的年來水量時(shí)，此種情況下僅靠本年度來水量已無法滿足正常調(diào)度要求，必須用最近幾年的來水量進(jìn)行調(diào)整，枯水年的不足用豐水年的多余水來補(bǔ)充。錦繡川水庫目前采用了多年調(diào)節(jié)方式，通過將豐水年和枯水年的年徑流量和年內(nèi)變化進(jìn)行計(jì)算調(diào)整，符合水庫調(diào)度要求。

2.2 水庫多目標(biāo)調(diào)度圖編制方法

調(diào)度圖是水庫各項(xiàng)功能運(yùn)行的保障，通過編制水庫多級(jí)調(diào)度圖，指導(dǎo)有發(fā)電、灌溉、城市供水等多目標(biāo)任務(wù)的水庫運(yùn)行。編制調(diào)度圖的基本方法是：首先選擇代表年，其次計(jì)算與繪制灌溉調(diào)度線和發(fā)電調(diào)度線。

2.3 水庫常規(guī)調(diào)度方式的缺陷

1）對(duì)來水頻率的預(yù)知存在困難。依據(jù)《水庫調(diào)度設(shè)計(jì)規(guī)范》中所列舉的調(diào)度方法，各項(xiàng)所需任務(wù)中的主次關(guān)系和水量、用水時(shí)間、水庫的水位等要求都需要明確；另外灌溉和發(fā)電保證率以及兩者的比例等也需要明確。在實(shí)踐中卻發(fā)現(xiàn)當(dāng)年來水的頻率是很難確定的，因此《水庫調(diào)度設(shè)計(jì)規(guī)范》所給出的調(diào)度方法在實(shí)踐中的可行性是很低的。

2）限制灌溉線和限制供水線的編制概念、方法模糊?！端畮煺{(diào)度設(shè)計(jì)規(guī)范》給出的綜合應(yīng)用型水庫的調(diào)度方法分別使用了單獨(dú)灌溉水庫和單獨(dú)發(fā)電水庫的調(diào)度方法，下包線由典型年的豐水期得出，將其應(yīng)用于限制枯水期供水或發(fā)電沒有正確的理論依據(jù)，并且在概念上解釋不通。規(guī)范中沒有給出區(qū)分一級(jí)調(diào)度方法和二級(jí)調(diào)度方法的具體界限，敘述籠統(tǒng)，也沒有給出用于繪制水庫調(diào)度線的具體方法。

3）編制精度欠佳?！端畮煺{(diào)度設(shè)計(jì)規(guī)范》給出的調(diào)度方法中需要確定代表年或者典型年，典型年是由人工選擇接近設(shè)計(jì)保證率的年份，代表年是由將典型年的數(shù)據(jù)放縮得到，由于每個(gè)人在操作時(shí)的不同，致使編制過程不精確，影響最終結(jié)果的準(zhǔn)確性。此外，調(diào)度線的算法和調(diào)度線的驗(yàn)算修改也是人工操作的，同樣存在上述問題，不能保證得出準(zhǔn)確的結(jié)果。雖然《水庫調(diào)度設(shè)計(jì)規(guī)范》中提及驗(yàn)算和修正調(diào)度圖的重要性，但沒有給出具體可行的驗(yàn)算和修正方法。

3 優(yōu)化后分級(jí)調(diào)度圖的編制方法

3.1 方法優(yōu)化

一是原調(diào)度圖直接選取長系列，經(jīng)改進(jìn)后選取代表性時(shí)段，從而避免因起始調(diào)算年份太枯造成調(diào)度線居高不下等不合理現(xiàn)象的發(fā)生；二是合理確定起調(diào)和消落水位，通過與計(jì)算時(shí)段匹配，增加調(diào)度圖的合理性，并減少工作量。

3.2 代表性時(shí)段選取

經(jīng)過多次選取不同年份的原始資料進(jìn)行調(diào)算時(shí)，會(huì)得出調(diào)度圖的上條包絡(luò)線是少雨和無雨的枯水期來決定，特別是當(dāng)多年地表水流枯竭、少雨或無雨、枯水期連續(xù)時(shí)，水位持續(xù)升高，水流豐沛是立刻出現(xiàn)回落。通過對(duì)水庫的多年來水資料進(jìn)行研判，研究中首先選取了5個(gè)連續(xù)年份時(shí)段，其中包含2個(gè)枯水年和2個(gè)豐水年、1個(gè)平水年作為典型時(shí)段來進(jìn)行研究，其中2個(gè)連續(xù)枯水年用于驗(yàn)證水庫調(diào)度中最困難的過程，既保證了調(diào)度的準(zhǔn)確度，又節(jié)省了大量的計(jì)算量，提高了效率。

由錦繡川水庫1984—2016年長系列入庫流量排頻計(jì)算得到，1985—1989年即為符合要求的5個(gè)典型年，1985年與1986年為豐水年，1987年與1989年為枯水年，1988年為平水年，故選取1985—1989年作為繪制調(diào)度圖的典型系列。

3.3 消落水位的確定

通過回歸分析軟件，進(jìn)行回歸分析計(jì)算，得到錦繡川水庫消落水位為238.59 m。

4 優(yōu)化后水庫分級(jí)調(diào)度圖的編制

4.1 調(diào)度圖的編制過程

1）減少供水線的繪制。將水庫225 m死水位和251 m正常蓄水位作為計(jì)算依據(jù)，針對(duì)來水過程與50%供水量過程實(shí)施反向計(jì)算，從而得出一組水庫水位過程線，以計(jì)算中的上層包絡(luò)線作為減少供水線。減少供水區(qū)為減少供水線以下、死水位以上的區(qū)域，當(dāng)水庫的運(yùn)行水位處于該區(qū)域時(shí)，需減少城市供水量，供水量僅為50%。

2）正常供水線的繪制。以死水位、減少供水線、正常蓄水位為框架基礎(chǔ)，利用正常城市供水和減少30%的灌溉用水的總水量進(jìn)行逆向計(jì)算，得出一組水庫水位過程線，取其上包線為正常供水線。正常供水、灌溉限制區(qū)即是減少供水線與正常供水線之間區(qū)域，當(dāng)水庫的運(yùn)行水位在灌溉限制區(qū)時(shí)，灌溉用水應(yīng)適度減少，按保證出力實(shí)施發(fā)電。

3）加大出力線的繪制。加大出力線的繪制同樣依據(jù)上述方法，正常出力區(qū)即是加大出力線與正常供水線之間的區(qū)域，水庫農(nóng)業(yè)灌溉和城市供水正常進(jìn)行；水庫發(fā)電可通過正常供水和加大供水來完全保證。

4）棄水線的繪制。棄水線的繪制依據(jù)為錦繡川水庫的最大發(fā)電量，綜合防破壞線和棄水線之間的區(qū)域?yàn)榧哟蟪隽^(qū)，水庫按最大發(fā)電量發(fā)電。加大出力區(qū)以外的上部區(qū)域即為棄水區(qū)。

通過上述方法計(jì)算后即可得出4條基本調(diào)度線，完成錦繡川水庫多目標(biāo)調(diào)度圖。

圖1 錦繡川水庫多目標(biāo)調(diào)度圖

4.2 利用調(diào)度圖進(jìn)行長系列調(diào)節(jié)計(jì)算

利用優(yōu)化后的錦繡川水庫分級(jí)調(diào)度圖實(shí)施長系列調(diào)算，灌溉保證率83.3%，城市供水率95%，發(fā)電保證率91.1%，年均發(fā)電量155.8 KWh。用上述優(yōu)化后的錦繡川水庫分級(jí)調(diào)度圖進(jìn)行調(diào)度，可充分滿足最低供水、灌溉保證、發(fā)電保障率等各項(xiàng)指標(biāo)，在滿足發(fā)電指標(biāo)的同時(shí)進(jìn)行生態(tài)補(bǔ)水，既滿足了城市供水，又發(fā)揮了水庫的最大效益。