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径流调节计算

运用水利工程(主要指水库)控制河川天然径流,使其在时间与空间上符合国民经济各部门的用水要求所进行的计算。径流调节计算是水利计算的核心,也是各种水利任务的水利计算(如水库灌溉调节计算、水库给水调节计算、水能计算及综合利用水库调节计算等)的基础。发展概况径流调节理论和计算方法是随着水利建设及水文学科的发展于19世纪末、20世纪初逐渐发展起来的。

运用水利工程(主要指水库)控制河川天然径流,使其在时间与空间上符合国民经济各部门的用水要求所进行的计算。径流调节计算是水利计算的核心,也是各种水利任务的水利计算(如水库灌溉调节计算、水库给水调节计算、水能计算综合利用水库调节计算等)的基础。

发展概况

径流调节理论和计算方法是随着水利建设及水文学科的发展于19世纪末、20世纪初逐渐发展起来的。较原始的经验方法,即采用实测的水文系列代表未来水文情况,通过绘制累积入流曲线进行调节计算,是现在仍广泛应用的时历法的基本思路和雏形。20世纪20年代,美国工程师哈仁(A.Hazen)提出了应用实测径流系列和数理统计理论相结合的计算方法,30年代苏联学者克里茨基与明克里(C.H.Кричкий,М.Φ.Менкель)提出了以数理统计理论进行水库多年调节计算的方法,在理论上都有一定突破。之后,很多学者又研究提出了不少计算方法与计算图表,从而使径流调节计算理论逐步形成体系,成为一项专门的学科。1952年出版的《水利计算》一书,对在此以前的径流调节理论与方法作了较好的概括。中国50年代时,通过编制黄河综合利用规划技术经济报告及长江流域综合利用规划要点报告以及一大批水利水电工程规划设计,也积累了丰富的经验。在这基础上,1959年出版了《河流综合利用水文水利计算》一书,并在防洪与兴利相结合的调节计算、各种水利任务及综合利用径流调节计算、水库群水利计算等方面提出了一些具有自己特色的方法。但是时历法和统汁法并未完整地概括径流的全部特性,它们仅分别反映了径流过程的连续性和随机性的一个侧面。从50年代末起,一些学者曾在应用随机过程描述径流和应用现代数学进行调节计算方面进行了探索。60年代以来,又进一步结合经济分析和计算技术的新成就,将系统分析优化理论引入径流调节计算中,并在河流开发程序、单库和库群参数选择及优化调度方面取得了一定成果。

径流调节的分类

一般根据水库的调节周期划分为:

日调节 将一天内较均匀的天然径流通过水库调节以适应用户在一天内需水的变化,即调节周期为一日(24小时)。水电站具有调度灵活、迅速、调节损失小等特点,适宜于承担电力系统中急剧变化的日负荷的尖峰部分,进行日调节后,所承担的电力系统工作容量可为其日平均出力的几倍甚至十几倍,即可获得较大的容量效益,而所需的调节库容一般不大,因此在电站规划中尽量设置日调节库容常是必要和经济的。但进行日调节,将因水库上下游水位的变化,导致日平均水头损失而产生电能损失,并引起电站下游河段的水位波动和流态变化,同时也可能使航运对最小航深、最大流速和水位变幅、变率的要求以及引水渠首对水位的要求等带来一定矛盾,因此必要时需给予适当限制(如使电站担任一定基荷、降低工作位置等),或另外采取其他工程措施(如在下游修建反调节水库等)解决。

周调节 将一周内较均匀的天然径流通过水库调节,以适应各用户在一周内需水的变化,即调节周期为一周,周调节也是水电站水库调节的方式之一。由于天然河道中一周内的流量大多变化不大,而电力负荷在一周内的休息日一般较小,这就要求水电站在休息日减少日平均出力,将多余水量储存于水库中,以增加其他时间的出力。中国大型工矿企业一般实行轮休制,休息日的负荷降低不多,因此周调节所获得的容量效益较有限。具有周调节能力的电站,在枯水季节往往也进行日调节。

年调节 亦称季调节,是最常见的调节方式,适用于具有灌溉、发电或工业及城市给水任务的水库。天然河道中一年内的径流过程常有很大变化,汛期和枯水期的日平均流量可相差几倍,甚至几十倍,和用水部门的需水过程也很不适应,如发电和工业及城市用水要求年内变化不大,灌溉用水由于作物生长期往往需要集中供给而具有较强的季节性,因此要求水库将余水或季节多余的水量储存起来,补充缺水季节来水量的不足,或满足用户加大供水的要求,这种调节方式称为水库的年调节。具有年调节能力的水库,能较好地协调天然径流和各部门用水在时间上的不一致性,从而大大地提高了水资源的利用程度和效益。若水库能容纳设计枯水年汛期的全部多余水量,称为完全年调节。否则称为不完全年调节。具有年调节能力的水库,在进行年调节的同时,除汛期外一般也进行周、日调节。

多年调节 目的在于调节年内和年际天然径流的不均匀。天然河道中的径流量年际变化也是较大的,丰水年份的径流量可能为枯水年份的径流量几倍,而一些用户(如发电、工业及城市给水等)的需水量年际变化不大,另一些用户(如灌溉)的需水量与天然径流量可能成负相关的关系,即丰水年份需要的灌溉供水量较小,枯水年份反而需要加大供水量,因而要求水库将丰水年份的多余水量储存起来,补充枯水年份来水量的不足。它的调节周期为若干年,故称为水库的多年调节。它较年调节水库更提高了水资源的利用程度和效益。具有多年调节能力的水库,在进行年际径流调节的同时,除丰水年的丰水期外,一般还进行年、周、日调节。

此外,根据水库承担的任务可分为单一目标的径流调节和多目标的综合利用径流调节;根据水库担任设计保证率不同的两种及多种兴利任务的调节方式,可分为两级调节及多级调节;还有一些特殊的径流调节方式,如补偿调节(多个水库根据水文情况和调节能力的差异而相互进行水量或出力的补偿,使之满足共同用户的用水、用电的要求)、反调节(下游水库将上游水库因日调节而造成的急剧变化的下泄流量过程,调节成尽量均匀的流量过程,以满足下游河道的航运要求)等。

计算方法

按照对径流描述方式的不同,径流调节计算方法有以下几类:

时历法 直接以实测历史入库径流流量资料为计算样本,按历时顺序进行逐时段的水库水量蓄泄平衡计算。可由已定的水库调节库容推求供水过程,或由已定的用水过程推求水库调节库容。计算时首先根据水库的调节能力决定计算时段长度(如日调节水库以小时计,年和多年调节水库用旬或月计),用时段平均入库流量进行水量平衡计算,如(1)式:

径流调节计算

式中 △V为时段 △T内水库的蓄泄水量;Q为在△T时段内的平均入库流量;q为△T时段内自水库取用的和消耗的平均流量(后者包括水库的库面蒸发、库底及绕坝的渗漏、库周河岸的结冰损失,以及废弃水量等)。水库在时段末的蓄水量即为时段初蓄水量与△V的代数和。供水期(段)内各时段水库蓄泄水量的代数和,即为需要的调节库容。

时历法是径流调节的古典方法。由于它具有直观、简便、能适应各种不同用水要求的优点,在有较长期(30年以上)的实测径流资料的条件下,能给出满足规划设计精度要求的成果,这一方法至今仍在水利规划设计中广泛应用。

数理统计法 此法首先由克里茨基及明克里提出,其要点是将调节库容分为年库容和多年库容,分别对年内和年际间径流量的不均匀性进行调节。前者可采用类似时历法的方法给定,后者由年径流的统计特征值计算给定。其方法为:假定年径流量符合典型的概率分布,实测年径流量系列的统计特征值(均值变差系数Cv、偏差系数Cs)具有平稳性,因此未来的年径流量过程可用一条频率曲线表示,由此进行径流调节计算,求得给定供水量和所需库容的关系。在实用上,苏联学者普列什柯夫(.Ф.Плещков)根据其方法和理论制作了线解图,如图所示为普列什柯夫线解图之一例。考虑年径流之间存在一定相关关系的线解图的形式亦和示图类似。中国水利计算工作者在上述线解图的基础上进行了扩充,以适应本国水文统计特征值变化范围较大的特点。这类线解图的应用十分简单,即根据径流系列的统计参数(均值、变差系数Cv、偏差系数Cs)查图求解。当已知要求的调节流量时,先求出其与多年的平均流量的比值调节系数α,以Cv、Cs、设计保证率P、α在相应图上查出库容系数β,乘以多年平均水量即得多年调节库容;当已知多年调节库容时,先求出其与多年平均水量比值β,以Cs、Cv、P、β在相应图上内插求出α值,乘以多年平均流量即得调节流量。上述多年调节计算线解图系按Cs=2Cv及年际间径流无相关的情况绘制的(即r=0),当Cs≠2Cv时通过适当换算仍可查用此图。如果年际间的径流有一定相关时,亦可查用考虑相关系数r的这类线解图。年调节库容部分应选择年平均流量等于或稍大于调节流量的年份计算,以进行完全调节所需库容作为相应的库容。多年调节库容与年调节库容之和即为所需要的调节库容。这一方法具有一定的理论根据,计算也比较简便,但较难适应复杂的用水情况,一般用于径流资料不够长(如少于30年)或规划阶段的初步计算。

多年调节计算线解图(γ=0)

统计模拟法 采用人工方法产生的径流系列进行径流调节。这样产生的系列与实测径流系列同具有各态遍历性,但人工系列可足够长,且具有各种可能的不同组合(实测系列只是其中的一个样本)。一般方法为:首先由数学方法(如同余法)产生随机数,再由径流实测系列决定的概率分布(常用水文典型分布P-Ⅲ型),根据一定函数关系进行随机抽样(降低方差),生成足够长的径流系列,在调节计算时可根据人工系列按时历法计算,求得各调节期所需的库容,并绘制库容频率曲线,由给定的设计保证率求得水库所需的调节库容。这种方法具有前述时历法直观、适应性强的优点,从本质言,它是随机过程理论对时历法的发展。