王 平

(上海勘測設(shè)計研究院有限公司，上海 200434)

水利工程水電站的徑流調(diào)節(jié)和水能計算主要方法為時歷法，主要計算結(jié)果為保證出力和多年平均發(fā)電量等指標，徑流調(diào)節(jié)和水能計算是確定水庫和電站規(guī)模及效益的重要根據(jù)，也是水庫發(fā)電調(diào)度和優(yōu)化運行的基礎(chǔ)。在國內(nèi)廣泛使用的水電站時歷法徑流調(diào)節(jié)技術(shù)[1]創(chuàng)立于20世紀50年代，受當(dāng)時計算工具等條件的限制，計算的思路和方法都是以人工手算或圖解法為主的。隨著水文徑流資料的延長和計算技術(shù)的提高，傳統(tǒng)時歷法的缺點和問題越發(fā)突出，計算理論和方法亟待更新改進。20世紀80年代計算機普及使用以來，水庫和水電站優(yōu)化調(diào)度技術(shù)得到了快速發(fā)展，但水電站時歷法徑流調(diào)節(jié)技術(shù)卻沒有大的改進，SL104-95《水利工程水利計算規(guī)范》[2]及有關(guān)工具書[3-6]關(guān)于水電站時歷法徑流調(diào)節(jié)的計算方法與20世紀50年代相比并沒有實質(zhì)性的改進。2014年新修編的重要工具書《水工設(shè)計手冊》(第二版)[7]有關(guān)發(fā)電水庫徑流調(diào)節(jié)和水能計算的內(nèi)容仍然沒有更新改進，其他有關(guān)水庫時歷法徑流調(diào)節(jié)改進方法研究的公開資料[8-11]也很少。2015年新修訂的SL104-2015《水利工程水利計算規(guī)范》[12]終于對水電站的徑流調(diào)節(jié)和水能計算方法做了重大改進，但新規(guī)范提出的僅是改進的原則和主要方法，仍沒有完整、具體的計算方法。本文分析以原規(guī)范SL104-95為代表的原有常規(guī)方法存在的問題，介紹新規(guī)范SL104-2015相應(yīng)方法的改進原則和主要內(nèi)容，提出仍需進一步改進的具體措施，形成完整的、易于使用的水電站徑流調(diào)節(jié)和水能計算改進的新方法。

1 原有常規(guī)方法徑流調(diào)節(jié)的問題

1.1 計算方法沒有分類判斷標準

SL104-95中7.1.6將有調(diào)節(jié)能力的水電站分為年調(diào)節(jié)和多年調(diào)節(jié)2類，采用有差別的方法作徑流調(diào)節(jié)計算。但SL104-95并沒有提出劃分水電站調(diào)節(jié)性能的方法和分類判斷標準，國內(nèi)其他有關(guān)的水利水電規(guī)范中也沒有類似的分類判斷標準。有些書籍中用水庫庫容系數(shù)等作為分類判斷標準的經(jīng)驗性方法(舉例見表1)，但各種書籍的分類標準相差較大，也不是水庫調(diào)節(jié)計算中選擇方法的確切依據(jù)。由于沒有準確的分類判別標準和方法，在水電站分類和徑流調(diào)節(jié)計算時易出現(xiàn)同一個電站被分成不同類型，而得出不同的計算結(jié)果，這顯然是方法分類錯位引起的不合理現(xiàn)象。

表1 水庫調(diào)節(jié)性能判別標準

1.2 僅注重供蓄水期內(nèi)的徑流調(diào)節(jié)方法不完全合理

SL104-95中7.1.2“水電站水庫徑流調(diào)節(jié)計算應(yīng)主要采用時歷法，對于調(diào)節(jié)程度高的大型水庫，必要時宜同時采用概率法或隨機模擬法進行計算或校核，并選用偏安全的成果作為設(shè)計值”，而原規(guī)范只在附錄A中給出一個通用的計算公式(A1)，對公式中時段發(fā)電用水如何確定，如何進行徑流調(diào)節(jié)并沒有給出建議方法。從SL104-95中7.1.6有關(guān)內(nèi)容敘述中可知，規(guī)范主要采用的是原有常規(guī)方法，即先把徑流系列按水文年劃分為基本調(diào)節(jié)年度，再把各個水文年劃分為蓄水期和供水期，多年調(diào)節(jié)水庫劃分為連續(xù)豐水或枯水年組。不同水文年份均從相同的水位起調(diào)或終止，計算條件中必須至少預(yù)先知道一年的來水過程，于每年供水期初水庫蓄滿開始，確定一個固定流量(等流量法)或固定出力(等出力法)，逐時段計算，要求供水期末庫水位剛好消落至死水位，否則重新確定流量或出力值重復(fù)計算。具體計算常采用列表法、差積曲線法、簡化水量平衡方程式法、圖解法等。計算的基本周期為一年，用同樣的方法完成全部水文年的計算，得出各水文年內(nèi)蓄水期、供水期的發(fā)電流量和發(fā)電出力。原有常規(guī)方法徑流調(diào)節(jié)的目的，是在每個年份內(nèi)推求當(dāng)年調(diào)節(jié)周期中均勻相等的發(fā)電流量(等流量法)或發(fā)電出力(等出力法)。但從總體比較，因各個水文年的調(diào)節(jié)流量或出力是大小不等的，按照保證出力的概念，做頻率統(tǒng)計后，符合保證率要求的保證出力是排隊系列中較低值，計算的保證出力偏小。原有常規(guī)方法計算過程不考慮發(fā)電保證率對徑流調(diào)節(jié)計算過程的影響，只按單一不變的模式調(diào)節(jié)徑流，沒有充分利用庫容主動調(diào)節(jié)發(fā)電過程，影響了結(jié)果的合理性和適用性。

1.3 發(fā)電保證率與保證出力的對應(yīng)關(guān)系不太準確

SL104-95中1.0.6及其條文說明指出，發(fā)電保證率執(zhí)行《水利水電工程動能設(shè)計規(guī)范》。DL/T5015-1996《水利水電工程動能設(shè)計規(guī)范》“2.0.4設(shè)計保證率：水電站正常發(fā)電的保證程度，用水電站正常發(fā)電的時段數(shù)與計算總時段數(shù)相比的百分率表示。時段長短可根據(jù)水庫調(diào)節(jié)性能和設(shè)計需要，按年、月、旬、日分別選用”；修訂后的NB/T35061-2015《水電工程動能設(shè)計規(guī)范》“2.0.16設(shè)計保證率：水電工程在多年運行期間正常發(fā)電或其他用戶的正常用水得到保證的程度。設(shè)計保證率通常用按數(shù)學(xué)期望公式計算的百分數(shù)表示，可采用年保證率或歷時保證率”。而SL104-95中7.1.6“對于年調(diào)節(jié)水電站應(yīng)根據(jù)長系列徑流調(diào)節(jié)計算成果，統(tǒng)計分析各水文年供水期平均出力，以設(shè)計保證率的供水期平均出力為電站保證出力；對于多年調(diào)節(jié)水電站應(yīng)根據(jù)長系列徑流調(diào)節(jié)計算成果，先計算各供水段的平均出力，然后按年統(tǒng)計，以設(shè)計保證率的年平均出力為電站保證出力”。由此可知，SL104-95的計算保證率及相應(yīng)保證出力的方法與《(水利)水電工程動能設(shè)計規(guī)范》的定義有所不同，這造成了保證率和保證出力計算結(jié)果的偏差。原規(guī)范SL104-95計算的保證出力概念不準確的原因，是其沿用了早期選典型年、等流量調(diào)節(jié)的簡化做法，現(xiàn)在有條件優(yōu)先使用系列年、等出力方法調(diào)節(jié)計算了，所以應(yīng)把其模糊的發(fā)電保證率及保證出力概念改回到準確符合其定義上去，不應(yīng)繼續(xù)采用習(xí)慣做法而違背其準確定義。

1.4 年調(diào)節(jié)水庫分期和起止水位不完全合理

SL104-95等原有常規(guī)方法按多數(shù)年份蓄水期起始時間確定水文年，并再劃分為蓄水期、供水期等。把本來復(fù)雜多變的徑流調(diào)節(jié)過程簡化概括，這是人工手算時期為了減少計算量、降低計算難度而采取的簡化措施。但這種劃分并不能全面代表水庫合理的運行方式，不能充分反映水庫多變的發(fā)電運行狀態(tài)。受入庫徑流和發(fā)電用水的影響，歷年同期水庫蓄水或供水情況可能差別較大，人為劃分為蓄水期和供水期，并規(guī)定各年同期都要按相同的水位起調(diào)或終止，顯然與實際情況不符，依此調(diào)節(jié)計算并不完全合理。

SL104-95條文說明7.1.3“對于年調(diào)節(jié)水庫，可從系列年第一年的豐水期初和死水位開始計算，順時序計算至最后一年的枯水期末和庫水位消落至死水位為止”。原有常規(guī)方法每年均從蓄水期死水位開始起調(diào)，在蓄水期末蓄滿水庫調(diào)節(jié)庫容，在供水期末庫水位剛好消落至死水位。這種調(diào)節(jié)方法割斷了相鄰年之間的徑流補償，導(dǎo)致水庫平均運行水位偏低，很多實際工程計算都可證明其保證出力偏小。

1.5 對徑流的計算期要求太長

原有常規(guī)方法徑流調(diào)節(jié)中，列表法、差積曲線法、簡化水量平衡方程式法等都要至少預(yù)先知道一年的入庫徑流過程作為計算條件，否則就無法計算供水期的等流量或等出力，多年調(diào)節(jié)水庫還要預(yù)先知道連續(xù)豐水年組的全部入庫徑流過程，再按水庫發(fā)電流量或出力均勻相等和盡量不棄水為目標，調(diào)節(jié)水庫蓄水放水和發(fā)電出力。這種計算每一個時段都要預(yù)先知道當(dāng)年的全部來水情況，是一種事后的理想化計算，與水庫實際運行情況差別較大。

2 新規(guī)范已經(jīng)改進的主要內(nèi)容

發(fā)電水庫徑流調(diào)節(jié)和水能計算方法的改進原則，應(yīng)是改正或避免SL104-95等原有常規(guī)方法存在的不合理的問題，創(chuàng)立目標明確、方法統(tǒng)一、計算準確、結(jié)果合理的改進方法。通過新老規(guī)范對比，可以看到原規(guī)范存在的主要問題已在新規(guī)范中得到基本解決，SL104-2015已從以下幾方面對原有常規(guī)計算方法作了重要的改進。

2.1 統(tǒng)一不同調(diào)節(jié)性能水庫的計算方法

水庫年調(diào)節(jié)和多年調(diào)節(jié)沒有統(tǒng)一的判別標準，年調(diào)節(jié)和多年調(diào)節(jié)之間并無嚴格明確的分界線。水庫調(diào)節(jié)性能隨徑流特性、發(fā)電用水過程、庫容大小等多種因素而變化。同一水庫在不同條件或年份具有的調(diào)節(jié)性能也不同。因為不同調(diào)節(jié)性能的界限并不能準確確定，所以徑流調(diào)節(jié)的計算方法也不應(yīng)嚴格區(qū)分，應(yīng)改用統(tǒng)一方法。改進方法不應(yīng)再硬性劃分年調(diào)節(jié)、多年調(diào)節(jié)等分類，改進的計算方法應(yīng)能適用各種調(diào)節(jié)性能的水庫。

SL104-2015中8.2.4“對于調(diào)節(jié)性能為年及以上的水電站，應(yīng)根據(jù)長系列徑流調(diào)節(jié)計算成果，以各計算時段平均出力繪制保證率曲線，按選定的發(fā)電設(shè)計保證率確定水電站保證出力；對于無調(diào)節(jié)或日調(diào)節(jié)水電站，應(yīng)選擇日平均出力系列中相應(yīng)于設(shè)計保證率的日平均出力作為水電站保證出力”。此條規(guī)定的實質(zhì)是統(tǒng)一了各種調(diào)節(jié)性能的水電站的計算方法，在各種調(diào)節(jié)性能電站的保證出力計算中只有計算時段的不同，沒有方法的不同。

2.2 采用全系列等出力法

改進方法應(yīng)在全部系列內(nèi)連續(xù)調(diào)節(jié)計算，電站運行從原方法的主要調(diào)節(jié)出庫流量轉(zhuǎn)變?yōu)橹饕{(diào)節(jié)發(fā)電出力，為了得到最大的保證出力，改進方法用全系列等出力法代替原方法的單獨年份供水期或蓄水期內(nèi)的等流量法或等出力法。改進方法在正常發(fā)電期按相同的時段平均等出力發(fā)電，在豐水期蓄滿調(diào)節(jié)庫容后才能加大發(fā)電出力，在水庫水位降低到死水位后，若來水不足才會發(fā)生保證出力破壞。原有常規(guī)方法追求每個單獨水文年供水期最小出力極大化，改進方法在全系列內(nèi)爭取最大的保證出力。水電站能可靠地承擔(dān)電力系統(tǒng)發(fā)電任務(wù)的基礎(chǔ)是具有保證出力(或保證電量)，沒有保證出力的發(fā)電量是價值較低的季節(jié)性電量。

SL104-2015中8.2.2說明“時歷法徑流調(diào)節(jié)計算的計算起點，一般根據(jù)水庫的調(diào)節(jié)性能分別擬定:①對于年調(diào)節(jié)水庫，一般選擇徑流系列第一年豐水期初為計算起點，從死水位開始順時序進行計算，計算到徑流系列最后一年的枯水期末為止，并使庫水位消落到死水位。②對于多年調(diào)節(jié)水庫，一般可以選擇連續(xù)豐水年的豐水期末為計算起點，從正常蓄水位開始順時序進行計算;也可以選擇連續(xù)枯水年的枯水期末為計算起點，從死水位開始計算;到徑流系列最后時段的水位應(yīng)該等于計算起點的水位?！贝藯l說明中對兩種調(diào)節(jié)性能水庫都是要求從計算起點連續(xù)計算到終點，不再采用SL104-95單獨年份供水期或蓄水期內(nèi)的等出力法或等流量法，這種在全部系列內(nèi)以發(fā)電出力為目的的連續(xù)調(diào)節(jié)計算的方法即為全系列等出力法。

2.3 正確計算保證率和保證出力

改進方法應(yīng)按發(fā)電設(shè)計保證率的準確定義，正確計算保證率和保證出力。要從3個方面正確理解和計算：①保證率統(tǒng)計范圍，確定設(shè)計或?qū)嶋H保證率及相應(yīng)保證出力的準確統(tǒng)計范圍是全部系列的計算總時段數(shù)，其他只統(tǒng)計符合設(shè)計保證率的枯水年、枯水時段、供水期等都是近似或簡化的方法。②符合設(shè)計保證率的時段平均出力統(tǒng)計，是徑流調(diào)節(jié)計算中選用的計算時段(一般為月、旬、日)內(nèi)的平均出力，并不需要特指是供水(枯水)時段，因為有的豐枯變化較大的電站的保證出力控制時段也可能出現(xiàn)在蓄水期、有的低水頭電站的保證出力的控制時段也可能出現(xiàn)在洪水期。③保證出力計算，是以全部計算系列的單個時段內(nèi)的平均出力參與統(tǒng)計(而不是若干個供水或枯水時段之間的平均出力)，按各時段內(nèi)的平均出力統(tǒng)計繪制其保證率曲線，按選定的發(fā)電設(shè)計保證率確定相應(yīng)的保證出力。

SL104-2015中8.2.4已經(jīng)用保證率、保證出力的準確計算方法代替了原近似或簡化的方法，即明確無調(diào)節(jié)、日調(diào)節(jié)、年調(diào)節(jié)及以上的水電站，都以各計算時段平均出力繪制保證率曲線，按選定的發(fā)電設(shè)計保證率確定水電站的保證出力。

2.4 合理劃分計算期

原有常規(guī)方法受計算能力的限制，把長系列劃分為單獨的水文年作為基本的調(diào)節(jié)計算期。改進方法以計算機為工具，計算能力增強，調(diào)節(jié)計算周期可以擴大到全部系列年的所有時段。改進方法應(yīng)最大限度地取消對調(diào)節(jié)過程的假定，對每年調(diào)節(jié)期內(nèi)不再劃分供水期和蓄水期等人為分期；也不再劃分豐水年和枯水年組；調(diào)節(jié)計算過程僅知道面臨一個時段初的水庫蓄水情況，計算條件不應(yīng)再預(yù)先知道一年或更長的徑流過程，而最多僅可以知道面臨一個時段的徑流；計算水庫水位連續(xù)變化，不再規(guī)定供水期、蓄水期等固定的人為確定的起止水位。改進方法不再劃分供水期和蓄水期而連續(xù)計算，是為了避免不管水庫蓄水情況，每年都按固定的方式供水、蓄水等不合理運行方式。改用水庫蓄水作為判斷發(fā)電出力可比原有常規(guī)方法更符合實際，如此改進計算可以使保證出力明顯提高，可以更合理地運用水庫的調(diào)蓄功能。

SL104-2015的8.2.2說明中已要求年或多年調(diào)節(jié)水庫都是要求從計算起點連續(xù)計算到終點，不再采用SL104-95[2]原有常規(guī)方法對每年劃分供水期、蓄水期等做法，新規(guī)范實現(xiàn)了合理劃分計算期的改進目標。

3 需要進一步改進和完善的內(nèi)容

3.1 計算起點和終點水位仍需進一步合理確定

SL104-2015中8.2.2“采用長系列法進行徑流調(diào)節(jié)計算時，應(yīng)合理選擇起訖點，按時序逐時段進行計算，計算起始點和終止點水位應(yīng)一致”，在8.2.2說明中對年和多年調(diào)節(jié)水庫的計算起訖點作了具體要求，但這一要求有不易操作或不合理之處，具體分析如下。

(1)計算起點:SL104-2015中8.2.2對年調(diào)節(jié)水庫以徑流系列第一年豐水期初死水位為起點；對多年調(diào)節(jié)水庫以連續(xù)豐水年的豐水期末正常蓄水位為計算起點，這一要求準確確定起點水位的原則是合理的，但實際計算開始還難以準確界定“第一年豐水期初”“連續(xù)豐水年的豐水期末”，不方便徑流調(diào)節(jié)計算。

為遵照新規(guī)范應(yīng)合理確定起訖點及水位的原則，盡量準確確定水庫起調(diào)時段和水位，可以在計算前經(jīng)綜合考慮擬定起點和水位，例如可以根據(jù)水庫施工安排和初期蓄水計劃初定起點和水位，也可以據(jù)徑流調(diào)節(jié)初步計算結(jié)果再修正，但不宜硬性的把起點定為“第一年豐水期初”或“連續(xù)豐水年的豐水期末”。選擇計算起點的關(guān)鍵是按規(guī)范的原則，準確確定起點水位，使徑流調(diào)節(jié)盡量符合實際情況。

(2)計算終點:SL104-2015中8.2.2要求計算起始點和終止點水位應(yīng)一致，這是考慮避免起訖水位變化較大而影響徑流調(diào)節(jié)成果的準確度。但改進方法的水庫徑流調(diào)節(jié)計算過程不應(yīng)再受原有常規(guī)方法人為確定的供水期或蓄水期、豐水年或枯水年份、固定的起止水位等約束，水庫的水位是隨機變化的，計算終點的水位一般都不會恰巧等于計算起始點水位。一般庫容不大或?qū)λ蛔兓瘺]有特別要求的水庫，按正常徑流調(diào)節(jié)自然結(jié)束即可，起訖水位變化對長系列徑流調(diào)節(jié)結(jié)果影響一般很?。蝗绻麕烊莺艽?，為避免水庫蓄水變化影響水能指標的準確度，要求終止點水位與計算起始點相同或接近，也不應(yīng)人為強制改變終點水位，合理的做法是在計算過程中按需要的水位截取終點時段，但計算系列要受到跨年度的截短，參數(shù)統(tǒng)計時應(yīng)注意調(diào)整有效計算總時段數(shù)。

3.2 計算方式統(tǒng)一改為計算機試算法

在計算機已普及的年代，原有常規(guī)方法的列表法計算法、差積曲線法、查圖法、簡化水量平衡方程式等顯然已不能適應(yīng)使用要求，手工計算用長系列資料試算保證出力是件很困難的事情，使用了計算機后卻變得較容易。改進方法應(yīng)放棄人工計算和圖解法，改以計算機長系列連續(xù)試算法代替各種原有常規(guī)方法。

3.3 正確計算保證率曲線

為了對設(shè)計方案進行比較，需要分析不同保證出力與相應(yīng)保證率的關(guān)系。但原有常規(guī)方法的徑流調(diào)節(jié)計算過程中并不考慮保證率，只是在徑流調(diào)節(jié)計算后，再把長系列里的發(fā)電出力作頻率統(tǒng)計，并繪制出力頻率曲線，然后近似地以出力頻率曲線代替發(fā)電保證率的概率曲線，并確定各保證率對應(yīng)的不同保證出力。原有常規(guī)方法的這種做法缺乏理論依據(jù)，僅是很粗的簡化估計，與發(fā)電保證率的定義不符，結(jié)果誤差較大。改進方法計算中應(yīng)正確區(qū)分和計算保證出力與保證率關(guān)系曲線、(某一保證率對應(yīng)的)發(fā)電出力頻率曲線。用設(shè)計保證率控制保證出力的計算結(jié)果，使改進方法計算的保證出力與保證率關(guān)系曲線準確符合理論定義。

4 改進方法完整的計算步驟

4.1 計算條件確定

水庫徑流調(diào)節(jié)和水能計算所需要的主要資料有：水庫庫容與水位關(guān)系、發(fā)電尾水位與流量關(guān)系、系列年各時段入庫徑流、正常蓄水位及庫容、汛期限制水位及庫容、汛期開始和終止時間、死水位及庫容、水量損失、生態(tài)環(huán)保等用水、裝機容量、設(shè)計保證率、引水系統(tǒng)水頭損失、水輪發(fā)電機組出力限制條件、機組運行效率、綜合出力系數(shù)等。

4.2 確定起始時段和水位

一般可以從長系列第一個時段開始，根據(jù)綜合分析，選擇從死水位、汛限水位、正常蓄水位等適當(dāng)?shù)乃黄鹫{(diào)，以后各時段應(yīng)連續(xù)計算。如起調(diào)水位難以準確確定，也可根據(jù)徑流初步調(diào)節(jié)計算過程分析，重新確定起調(diào)時段和水位。計算系列末水位是連續(xù)計算的結(jié)果，由于離起始點已很遠，期間已經(jīng)歷豐、枯來水時段，結(jié)束時段末水位一般已不受起始水位的影響。如果要求最后一個時段水庫調(diào)節(jié)末水位結(jié)束于起調(diào)水位或其他某一特別水位，可在已完成的計算過程中尋找符合條件的終點時段。

4.3 初步估算保證出力

改進方法采用全系列各時段等出力連續(xù)試算法，計算電站的保證出力?？筛鶕?jù)設(shè)計經(jīng)驗、已有初步成果或任何其他方法，先初擬或假定保證出力的初始試算值，以縮小試算的范圍。初始擬定或假定值只影響試算的時間，并不影響最終計算結(jié)果。

4.4 各時段徑流調(diào)節(jié)計算

改進方法以面臨時段水庫水位和僅面臨時段徑流作為計算條件，不需要預(yù)先知道全年或更多的徑流。把水庫運行分為保證出力正常發(fā)電期、加大發(fā)電出力期、發(fā)電破壞期。水庫水位處于死水位和正常蓄水位(或汛期限制水位)之間區(qū)域，電站按保證出力正常發(fā)電；水庫水位在死水位時，天然來水量如不夠保證出力發(fā)電，電站就處于破壞期；如水庫水位在正常蓄水位(或汛期限制水位)，來水量除可滿足保證出力發(fā)電外，多余的水量可用于加大發(fā)電出力。

全系列中正常發(fā)電期的保證出力是相等的，而水庫水位是變動的，相應(yīng)的保證出力發(fā)電流量也是變化的，各時段發(fā)電流量要用試算法求得，保證出力也要通過全系列多輪次的試算，才能準確符合發(fā)電設(shè)計保證率。改進方法以時歷順序進行全系列各時段水量平衡連續(xù)計算，其中水庫來水、蓄水、發(fā)電用水、棄水有復(fù)雜的組合變化，包含徑流調(diào)節(jié)的三個調(diào)節(jié)期，調(diào)節(jié)期的變化組合是自然的、隨機的，并不需要人為干預(yù)。

4.5 發(fā)電保證率和保證出力計算

徑流調(diào)節(jié)中用初擬的或假定的保證出力計算，從起始時段開始對全系列所有時段進行水量平衡，得出各時段連續(xù)發(fā)電出力過程，包含了保證出力、加大出力、破壞期出力。對此出力過程做頻率計算，把發(fā)電出力大于等于初擬或假定保證出力的時段數(shù)與系列總計算時段數(shù)相比，可得出初步的發(fā)電保證率。初始的保證率不一定等于發(fā)電設(shè)計保證率，可以修改初擬的或假定的保證出力再重復(fù)計算，逐次修改保證出力，直到計算的保證率等于發(fā)電設(shè)計保證率為止。

發(fā)電保證率和保證出力的結(jié)果是同時得出的，保證出力的定義必須同時符合保證率的概率統(tǒng)計概念。設(shè)計保證率是用正常發(fā)電的時段數(shù)與計算總時段數(shù)相比的百分率表示的，而不應(yīng)用一個籠統(tǒng)的平均值表示。

4.6 徑流調(diào)節(jié)和水能指標

通過全系列等出力試算法求出符合設(shè)計保證率的發(fā)電保證出力，即可對徑流調(diào)節(jié)和水能計算的全過程進行統(tǒng)計，選擇輸出多年平均發(fā)電量、保證電量、季節(jié)電量等分類電量、保證出力、發(fā)電保證率、特征水頭、發(fā)電水量利用率等各種水能計算指標和發(fā)電流量、水頭、出力等過程的頻率計算成果。

5 改進方法的應(yīng)用情況和特點

5.1 應(yīng)用情況

20世紀80年代后，國內(nèi)一些單位開始了徑流調(diào)節(jié)計算的電算化，并對計算方法逐步作了改進探索。針對原有常規(guī)方法的不合理問題進行了改進，先后把典型代表年法改為長系列年、從差積曲線等流量(等出力)人工圖解計算改為計算機數(shù)字化計算、由各水文年分年簡化計算改為長系列連續(xù)調(diào)節(jié)模擬計算。改進方法充分利用了水庫調(diào)節(jié)庫容對不均勻徑流的調(diào)節(jié)作用，使發(fā)電過程在保證率范圍內(nèi)盡可能均勻，能顯著增大保證出力，提高發(fā)電效益，改進方法已用于多項水電站工程的設(shè)計、審查和運行。新規(guī)范SL104-2015修編過程中經(jīng)過各方共同努力，吸收了經(jīng)過實踐驗證的改進新方法，終于使基本完善的改進方法納入新規(guī)范。

5.2 方法檢驗

改進方法經(jīng)過了以下檢驗：不同人分別用改進方法各自獨立地編制計算軟件，然后對相同方案計算，檢驗一致性;分別用原有常規(guī)方法和改進方法編制不同的計算軟件，然后對相同方案計算，檢驗差異性;對改進方法與水庫發(fā)電調(diào)度圖(長系列時歷法編制[13])徑流調(diào)節(jié)的結(jié)果比較，檢驗協(xié)調(diào)性。

5.3 統(tǒng)一計算模式

發(fā)電水庫徑流調(diào)節(jié)的任務(wù)是計算調(diào)節(jié)庫容、保證出力和保證率三者之間的關(guān)系。原有常規(guī)方法根據(jù)庫容、保證出力等不同已知條件，分別采用差積曲線法(等流量或等出力)、列表法、簡化水量平衡方程式法完成計算。改進方法用計算機數(shù)值計算，把調(diào)節(jié)庫容、保證出力、保證率三者關(guān)系的多種徑流調(diào)節(jié)模式，統(tǒng)一為設(shè)定調(diào)節(jié)庫容、設(shè)定保證出力，推求保證率的試算法，可以完成各種徑流調(diào)節(jié)任務(wù)。

5.4 適應(yīng)新變化

原有常規(guī)方法調(diào)節(jié)計算，把每個水文年劃分為蓄水期、供水期等，實質(zhì)上是認為蓄水期的水量豐沛不會產(chǎn)生發(fā)電破壞，所有的發(fā)電破壞時段都只會發(fā)生在供水期。但在降雨、徑流年際間變化較大的地區(qū)，劃分的水文年和蓄水期不一定能代表所有年份的徑流變化情況，枯水年份的蓄水期初可能徑流偏小，造成發(fā)電用水不足，蓄水期也可能發(fā)生破壞。另外，隨著社會的發(fā)展變化，以發(fā)電為主的水庫可能增加了部分城市供水、生態(tài)環(huán)境放水等任務(wù)，水庫發(fā)電供水任務(wù)有所外延，發(fā)電供水時段增加。原有常規(guī)方法從蓄水期初庫空起調(diào)，到蓄水期末蓄滿，再到供水期末降低到庫空的固定模式已不能完全適應(yīng)徑流變化較大的情況，也不能適應(yīng)新的發(fā)電供水要求。原有常規(guī)方法當(dāng)年蓄水期來水留當(dāng)年供水期利用，水庫先蓄水再供水的基本假設(shè)已與實際發(fā)電供水情況脫節(jié)。所以，改進方法不再劃分蓄水期和供水期，以滿足發(fā)電用水為目的，不人為主動降低水庫蓄水位，改進方法可以比原有常規(guī)方法更好地適應(yīng)徑流、發(fā)電供水多變的新情況。

5.5 改進方法特點

改進方法的最大特點，是把原有常規(guī)方法注重“時間、水位狀態(tài)調(diào)節(jié)”改變?yōu)樽⒅亍鞍l(fā)電目標調(diào)節(jié)”。原有常規(guī)方法對水文年、蓄水期、供水期、起調(diào)和終止水位等“時間、水位狀態(tài)”參數(shù)做了較嚴格的規(guī)定，但對保證出力、保證率等主要“發(fā)電目標”參數(shù)卻無有效的控制，甚至在徑流調(diào)節(jié)過程中根本不考慮保證率的因素。原有常規(guī)方法不論來水豐枯都控制在供水期末降低到死水位，不為后續(xù)時段的發(fā)電預(yù)蓄水量；在較枯的供水期內(nèi)不顧保證率的要求，仍以均勻出力發(fā)電，造成發(fā)電保證率內(nèi)關(guān)鍵期的保證出力偏小。改進計算方法注重“發(fā)電目標調(diào)節(jié)”，取消對水庫“時間、水位狀態(tài)”的不合理規(guī)定，改為對發(fā)電調(diào)節(jié)主要目標保證出力和保證率的嚴格控制。因此，改進方法獲得了比原有常規(guī)方法較大的保證出力和保證電量，可以更好地滿足電網(wǎng)發(fā)電調(diào)度要求。

5.6 改進方法進一步優(yōu)化的方向

徑流調(diào)節(jié)和水能計算僅是發(fā)電水庫的初步計算結(jié)果，以發(fā)電為主水庫采用改進方法計算后，還可能有發(fā)電破壞深度不符合要求、發(fā)電棄水可能較多問題。原因是在計算中水庫的發(fā)電破壞期、發(fā)電加大期庫水位可調(diào)節(jié)的范圍太小。具有季調(diào)節(jié)能力以上的水庫，可以編制水庫調(diào)度圖[13]，把徑流調(diào)節(jié)計算中的水位線擴大為相應(yīng)的發(fā)電調(diào)度區(qū)域，既可解決前述兩個問題，又能進一步提高徑流調(diào)節(jié)成果的合理性和準確性。

6 實例

6.1 計算基本條件

某水庫以發(fā)電為主，水電站裝機容量10萬kW，設(shè)計發(fā)電保證率選取為90%。采用徑流系列為50a分月流量，各種水量損失已在分月流量中扣除，水庫特征庫容、水位都已初步確定。要求進行水庫的徑流調(diào)節(jié)和水能指標計算。分別采用原有常規(guī)徑流調(diào)節(jié)方法(單獨年內(nèi)供水期等出力發(fā)電)、改進方法(全系列等出力法)對比計算。主要計算結(jié)果見表2，如圖1、圖2所示。

表2 徑流調(diào)節(jié)對比

圖1 發(fā)電出力頻率曲線

圖2 發(fā)電出力保證率曲線

6.2 原有常規(guī)方法結(jié)果

原有常規(guī)方法徑流調(diào)節(jié)的目的是推求當(dāng)年供水期內(nèi)均勻相等的發(fā)電出力，每個時段的調(diào)節(jié)計算時都需要提前預(yù)知當(dāng)年的全部徑流過程。水庫在蓄水期內(nèi)均勻出力發(fā)電，在蓄水期末剛好蓄滿水庫調(diào)節(jié)庫容；在供水期內(nèi)以試算的保證出力發(fā)電，供水期末又剛好把水位降低到死水位。這種調(diào)節(jié)過程，發(fā)電出力在當(dāng)年供水期內(nèi)相等，但在年際之間變化較大，(圖1虛線)出力頻率曲線斜率較大，電站多年統(tǒng)計的保證出力偏小。

6.3 改進方法結(jié)果

改進方法以推求全系列最大的保證出力為目的，不預(yù)測來水，不確定蓄水期和供水期。為了獲得最大的保證出力，在滿足正常保證出力的前提下，盡量利用余水把調(diào)節(jié)庫容蓄滿。當(dāng)入庫徑流不夠按保證出力發(fā)電時，可以利用水庫蓄水發(fā)電，降低到死水位時可能發(fā)生保證出力的破壞。在全部計算期內(nèi)按相同的時段平均等出力發(fā)電，(圖1實線)出力頻率曲線中段呈水平狀態(tài)，能獲得較大的保證出力。對發(fā)電出力破壞深度的問題，可以再通過后續(xù)的水庫調(diào)度設(shè)計[13]得到控制和優(yōu)化調(diào)整。

6.4 保證率曲線和出力頻率曲線的對比

圖1實線為改進方法發(fā)電保證率90%對應(yīng)的全系列各時段出力頻率曲線，虛線為原有常規(guī)方法的出力頻率曲線，原有常規(guī)方法調(diào)節(jié)計算過程不考慮保證率的因素。圖2為保證出力與保證率關(guān)系曲線，原有常規(guī)方法以發(fā)電出力頻率曲線近似代替保證出力與保證率關(guān)系曲線；改進方法可以按不同保證出力對全系列重復(fù)計算多個方案，得出多個相應(yīng)的發(fā)電保證率，就可繪制出保證出力與保證率關(guān)系曲線。從結(jié)果可以看出，相同發(fā)電保證率時，改進方法計算得出的發(fā)電保證出力都明顯大于原有常規(guī)方法近似估算的保證出力。

水庫徑流調(diào)節(jié)應(yīng)發(fā)揮水庫的調(diào)蓄作用，在選擇不同保證率時提供不同的保證出力，以供工程設(shè)計或運行選擇。但原有常規(guī)方法在徑流調(diào)節(jié)過程中并不考慮發(fā)電保證率的影響，只能提供固定不變的一套調(diào)節(jié)成果，這也是原有常規(guī)方法必須要改進的原因之一。改進方法在調(diào)節(jié)計算中考慮發(fā)電保證率的約束，當(dāng)保證率要求高時，可獲得較小的保證出力；當(dāng)保證率要求低時，可以獲得較大的保證出力。

表3 不同電站徑流調(diào)節(jié)結(jié)果對比

6.5 兩種方法計算結(jié)果對比分析

以發(fā)電為主要任務(wù)的水庫，徑流調(diào)節(jié)和水能計算的首要目的是提高電站的發(fā)電保證出力。實例和更多的設(shè)計結(jié)果可以證明(見表3)，改進的徑流調(diào)節(jié)方法得出的發(fā)電過程合理，保證出力明顯大于原有常規(guī)方法的保證出力；多年平均發(fā)電量也有不同程度的增加，當(dāng)然增加的幅度與庫容、水頭、徑流特性等有關(guān)。

7 結(jié)語

本文介紹的發(fā)電水庫徑流調(diào)節(jié)計算改進方法，是以解決工程的計算問題為目的，改正或避免原有常規(guī)方法的不合理之處，統(tǒng)一了不同調(diào)節(jié)性能水庫的計算方法，取消了原有常規(guī)方法不合理的計算假定和簡化，提出了新的長系列連續(xù)計算、全系列各時段出力試算等全面的改進措施。改進方法提高了水庫水電站時歷法徑流調(diào)節(jié)計算方法在理論上的合理性和實用價值，可以普遍適用于發(fā)電為主的水電站，能計算水電站多種徑流調(diào)節(jié)任務(wù)。