水电站初期蓄水过程计算方法

高 洁

(水电水利规划设计总院，北京100120)

水电站初期蓄水过程计算方法

高 洁

(水电水利规划设计总院，北京100120)

针对水电站初期蓄水过程计算，介绍并评价了针对短历时和长历时蓄水过程的典型年法和频率法。详细说明了以需蓄水量为目标，对蓄水历时进行排频计算，求得设计保证率相应典型入库流量过程线的方法。以某水库30年径流系列和蓄水要求为算例，编制程序进行蓄水过程计算。该方法可以同时满足蓄水总量和设计保证率的要求，且不必划分蓄水时段，适合程序化操作，可以为水电站蓄水规划和蓄水安全鉴定提供基础。

初期蓄水；蓄水过程；蓄水规划；水电站

1 计算背景

水电站首台机组投产发电前需要对机组进行试运行调试等工作。导流泄水设施的下闸封堵及水库初期蓄水为机组有水调试提供基础。下闸蓄水及水库初期蓄水相关的安全鉴定工作[1- 3]首先需要根据工程形象面貌要求，在施工期临时导流建筑物封堵后、永久泄水建筑物未完建的条件下，确认坝体等主体工程在相应时段内的防洪度汛标准，再进行蓄水方案编制。

蓄水方案[4- 5]应根据流域水文特征，在兼顾下游生产生活用水、生态用水、航运水深等要求的前提下，按照入库径流量和基于工程安全提出的水位上升速率控制要求，选择设计保证率进行蓄水过程计算。蓄水过程需要根据施工进度安排和机组发电计划初步拟定下闸时间，进行水库需蓄水量和可蓄水量分析。需要其他外部水源协助蓄水时，应分析外部水源的可供水量。

拟定蓄水过程直接采用和间接涉及的资料包括：

(1)基本资料。①入库流量系列；②水库库容曲线。

(2)蓄水期间用于计算防洪控制水位的资料。①相应时段内洪水要素及过程线；②工程永久泄水和导流设施泄流曲线；③洪水调度原则。

(3)蓄水期间其他外部条件。①工程下游各用水单元的水量和水位要求；②库区移民安置进程和施工进度计划；③其他要求。

2 计算方法

2.1 传统方法

2.1.1 蓄水历时不超过1a的蓄水过程

对入库径流量扣除水库蒸发渗漏损失、向下游各项供水量，通过试算法估算蓄水历时。将每年径流系列中相应于蓄水时段内的月径流量求和，并按照从大到小的顺序排列，通过经验公式计算该年的蓄水时段内入库水量的经验频率，即

(1)

式中，m为排序序号；n为参与排频的总年数。根据SL 104—95《水利工程水利计算规范》[7]要求，p通常选75%～85%作为设计保证率。

入库流量过程线的选择包括频率法和典型年法。具体为①典型年法。选出入库水量频率最接近设计保证率的月径流过程作为蓄水期入库流量过程进行蓄水过程计算。当同时有几个径流过程的水量频率都接近设计保证率时，可以选用前期水量较丰、后期偏枯的过程。该过程体现了前期蓄水位较高、对防洪不利，后期可能无水可蓄的不利情况。②频率法。选出入库水量频率接近设计保证率的3～5个径流过程，通过计算逐月来水量百分比累计曲线，选择其上包线作为入库水量时程分配的依据，推算出入库流量过程线。

方法①直接采用典型过程，方法②通过上包线可推求出前期蓄水量较大、后期无水可蓄的最不利径流过程。由于方法②偏于安全，对施工进度和库区搬迁要求紧迫，在实际中通常采用方法①。

2.1.2 蓄水历时超过1a的蓄水过程

蓄水历时超过1a的蓄水过程包括典型年法和频率法。具体为①频率法。如果蓄水历时超出水文规律的年周期，可采用频率组合法计算入库水量，将蓄水期划分为若干个小于1a的蓄水时段。通过统计每个蓄水时段“入库水量-频率”关系，再对相同频率各时段相应水量进行累加，得到蓄水期入库水量组合频率曲线。在径流总量接近设计保证率的3～5个径流过程中选择逐月入库水量累计百分比的上包线，作为径流过程分配的依据。②典型年法。反算出每个蓄水期蓄至规定水位的起蓄时间。对起蓄时间按照先后顺序排频，选出设计保证率对应的起蓄时间及其入库流量过程。

方法①需要将整个蓄水期划分为若干个历时小于1a的蓄水时段，划分方式受主观因素的影响，导致组合频率曲线具有一定的不确定性。方法②的思路明确合理，但是需要对全系列逐年操作，工作量较大。

2.2 推荐采用方法

传统方法中首先需要根据库容和可蓄水量对蓄水历时进行判断，短历时和长历时的计算标准和方法均不一样。采用典型年法，短历时蓄水过程是对相同蓄水时段内的蓄水总量进行排频，但是长历时蓄水过程是对相同蓄水量的起蓄时间进行排频。频率法选用逐月入库水量累计百分比的上包线，实质为前期蓄水量较多，后期无水可蓄的不利工况。但是长历时的组合频率法，根据蓄水时段划分不同，组合频率的相应水量有所差异，具有一定的不确定性。

蓄水规划首先应当保证计算结果的唯一性，并力求在长历时和短历时计算上遵循相同的原则。目前设计院通常采用典型年法，在短历时蓄水中对一定蓄水时段的可蓄水量排频。但是如果某些丰水年的可蓄水量远大于需蓄水量，不到蓄水时段的最后一个月，就已经蓄至规定水位。那么进行排频统计的蓄水时段是按照最初设定的n，还是调整为n-1，或者两者都不合适。因此，无论蓄水历时的长短，以达到相同需蓄水量所需的时间来衡量的蓄水过程，才能反映出来水、耗水、库容等综合因素。

对起蓄时间的排频可以简化为对蓄水时间的排频。由于需要对全系列逐月计算，人工操作的工作量较大。本文为此编制了针对性的程序，程序编制思路为：从初步拟定的下闸蓄水时间起算，逐月累加直至径流总量超过需蓄水量为止。下一个蓄水周期，从新的一年的下闸蓄水月份起算。对各蓄水周期内参与累加的月数按从大到小的顺序排频，即得出每个蓄水周期相应的频率。该蓄水周期可以是几个月也可以是几年。

3 计算实例

以浙江省某水库1957年～1986年径流系列为例(见表1)，从5月初起蓄至11月初首台机组带水调试，首台机组调试需水量为63万m3，所有机组发电需水量为400万m3。

3.1 短历时蓄水(需蓄水量63万m3)

(1)相同时段按照蓄水量排频。拟定75%的设计保证率，根据首台机组调试时间要求，对30a径流系列5月～10月相应时段的总水量按从大到小的顺序排频，从中选出频率为74.2%的1966年5月～10月径流过程作为典型入库流量过程线。根据蓄水期(5月～10月)蓄水总量排频计算，1966年5月～10月属于75%保证率相应的枯水代表时段。但是1966年5月～10月径流总量为125.42万m3。从5月起蓄，水库在7月底已经蓄满63万m3。因此所选的75%保证率相应径流过程并非对应于实际蓄水时段5月～7月的75%保证率。

表1 某水库1957年～1986年逐年各月入库水量 万m3

(2)相同需蓄水量按照蓄水历时排频。根据目标需蓄水量63万m3，对各年相应蓄水时间按照从小到大的顺序排频，从中选出75%保证率相应代表年。30年系列按蓄水历时统计保证率见图1。

图1 蓄水历时排频法计算成果(蓄水历时≤1a)

根据30年统计系列，由图1可知在3个月内蓄水63万m3的保证率为65%～84%。选出可蓄水量较接近63万m3的3个代表年：1960年、1981年和1972年的5月～7月可蓄水量分别为63.40万、66.07万、67.23万m3。根据前期蓄水量较大，后期无水可蓄的不利过程取样原则，统计3个代表年各月蓄水量累计百分比。见图2,对短历时蓄水过程采用柱状图的表现形式简单直观。1960年5月～7月的来水条件比较符合过程线的取样原则，可以作为典型入库流量过程。

图2 各月累计蓄水量百分比(蓄水历时≤1a)

3.2 长历时蓄水(需蓄水量400万m3)

相同蓄水量按照蓄水历时排频。首先按照需蓄水量从1957年5月起逐月累加，直至17个月后，1958年9月底蓄水总量为400万m3。第2个蓄水周期从1959年5月起算，以此类推。对全系列12个蓄水周期的蓄水历时，按照从小到大的顺序排频，成果见表3。

图3 蓄水历时排频法计算成果(蓄水历时>1a)

由图3可知，基于12个蓄水周期的统计资料，选取75%左右设计保证率对应的蓄水历时，23个月内蓄水400万m3的保证率为62%～77%，代表系列分别为1963年、1971年和1981年的5月至第3年3月。统计3个蓄水周期各月蓄水量累计百分比，并根据取样原则，按图4可以直观的选出前期水量充足、后期无水可蓄的1963年5月～1965年3月径流过程作为典型入流过程。

图4 蓄水各月累计蓄水量百分比(蓄水历时>1a)

4 结 论

本文针对水电站初期蓄水入库流量过程的选取，参考相关资料介绍并评价了针对短历时和长历时蓄水过程的典型年法和频率法。并在此基础上说明了以相同需蓄水量为目标，对蓄水历时进行排频计算，求得设计保证率相应典型入库流量过程线的方法及程序。以某水库30年径流系列和蓄水发电要求为算例，编制程序计算分析短历时和长历时蓄水过程。

根据算例分析，该方法可以同时满足蓄水总量和保证率的要求，且不需要考虑蓄水周期的长短，计算思路较为简单、适合程序化操作，可以为水电站蓄水规划及蓄水安全鉴定工作提供基础。

[1]电综[1998]219号 水电建设工程安全鉴定规定[S].

[2]国能新能[2013]104号 国家能源局关于印发水电工程质量监督管理规定和水电工程安全鉴定管理办法的通知[S].

[3]国能新能[2011]263号 国家能源局关于印发水电工程验收管理办法的通知[S].

[4]李红刚. 糯扎渡水电站蓄水期梯级水库联合优化运行[J]. 云南水力发电， 2011, 27(4)： 126- 128.

[5]魏樱， 陈俊， 匡啟兵， 等. 蒲石河抽水蓄能电站下水库回蓄方案拟定与分析[J]. 东北水利水电，2013(4)： 6- 9.

[6]《水利水电工程施工手册》编委会. 水利水电工程施工手册(第5卷)施工导(截)流与度汛工程[M]. 北京： 中国电力出版社， 2005．

[7]SL 104—95水利工程水利计算规范[S]．

(责任编辑王 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

国家973项目(2013CB036403)

高洁(1985—)，女，安徽滁州人，高级工程师，博士，从事水文水资源、水电规划方面研究工作．

TV697

A

0559- 9342(2015)12- 0029- 04