库群规划和调度问题的全面概述

一、水库群的类型、作用和特点

在河流的开发治理中，建造一群水库的目的：一方面是为了有效地控制河流某些河段的洪水径流，根治洪涝灾害；另一方面也是为了充分利用全河的水利资源（包括径流和落差）进行综合开发。具体来说，为了从全流域的角度研究防灾和兴利的双重目的，需要在河流的干支流上布置一系列的水库，形成一定程度上能互相协作、共同调节径流，满足流域整体中各部门的多种需要。这样一群共同工作的水库整体即称为水库群。它具有与单一水库不同的两个基本特征：一是其共同性，即共同调节径流，并共同为一些开发目标（如发电、防洪、灌溉等）服务。二是其联系性，组成库群的各水库间，常常存在着一定的水文、水力和水利上的相互联系。例如，干支流水文情势的一定的相似性（常称同步性），上下游水量水力因素的连续性（常称水力联系），以及为共同的水利目标服务所造成的相互协作补偿关系（称为水利联系）。正是由于这三方面联系的存在，才产生了“群”的概念。

水库群的类型，按照各库的相互位置和水力联系的有无，可以分成下列三种类型，即串联水库、并联水库及混联水库三种水库群。

（1）串联式水库群（亦称梯级水库），是布置在同一条河流，形如阶梯的水库群。各库的径流之间有着直接的上下联系（见图15-1中2、4、5、6四库）。有时落差和水头也互相影响。按照枯水入流和正常蓄水位时各库间回水的衔接与否，又分衔接梯级、重叠梯级（如图15-1之4、5库）和间断梯级三种情况。

图15-1　梯级水库群示意图

（2）并联式水库群，是位于相邻的几条干支流或不同河流上的一排水库。它们有各自的集水面积，故并无水力上的联系。仅当为同一目标共同工作时，才有水利上的联系（见图15-1中1、2、3三库）。

（3）混联式水库群，是串联与并联混合的更一般的库群形式。如前图中1～6诸库的Y型布置，或其他更复杂形式。

水库群的类型按其主要的开发目的和服务对象，又可分①水电站梯级；②航运梯级（亦称渠化梯级），通常是连续和衔接的；③其他如防洪、灌溉和拦砂为目的的梯级水库群。不过在河流的综合开发中，单一目标的梯级是少见的，多数情况下是综合利用的梯级水库群。

梯级水库群的工作特点主要表现在下列四个方面：

（1）库容大小和调节程度上的不同。因此，库容大、调节程度高的就常可帮助调节性能差的一些水库，发挥所谓“库容补偿”调节的作用，提高总的开发效果或保证水量。

（2）水文情况的差别。由于各库所处的河流在径流年内和年际变化的特性上可能存在的差别，在相互联合时，就可能提高总的保证供水量或保证出力，起到所谓“水文补偿”的作用。

（3）径流和水力上的联系。在梯级水库，这种联系影响到下库的入库水量和上库的落差等，使各库无论在参数（如正常蓄水位，死水位，装机容量，溢洪道尺寸等）选择或控制运用时，均有极为密切的相互联系，往往需要统一研究来确定。

（4）水利和经济上的联系。一个地区的水利任务，往往不是单一水库所能完全解决的。例如，河道下游防洪的要求、大面积的灌溉需水、以至大电力网的动力供应，往往需要由同一地区的各水库来共同解决，或共同解决效果更好，这就使组成梯级水库群的各库间具有了水利和经济上的一定联系。例如规划中曾考虑由三峡以上干支流几个较大的水库来共同负担长江中游一定的防洪任务。

库群的规划和调度，问题较复杂，为便于说明和求解，往往把它区分为几种主要的典型。如区别发电和非发电，串联和并联，以及兴利和防洪等情况，并或按传统的计算方法，或按优化方法来进行。

二、非发电梯级水库水利计算和调度的特点

梯级水库最主要的特点是上下库间的水力联系。这种联系表现在下列几个方面：

（1）位于上游的、较高调节程度的水库对天然来水起了调节作用，因而改变了下游水库的入库流量（包括洪水与枯水）在时间上的变化过程，即改变了年内分配，甚至年际分配。

（2）梯级水库各库的天然入流（包括区间径流）往往同步性较好，因而上述上游水库枯水期调节而提高的下泄流量，及洪水期减少的下泄流量，多半对减轻下游水库的调节任务是有利的。但是遇特大洪水时上游万一溃坝可能引起的“连锁反应”，问题也较突出。

（3）上游水库的蒸发损失和耗用水量（如灌溉、给水等）使下游水库的入库径流减少。

（4）如果梯级水库为同一用水部门服务，例如共同为下游的灌溉、航运或防洪服务时，则它们的工作情况便有密切的、常常是互为补充的关系。上游水库放水增加，就可相应减少下游水库的供水。反之，如果梯级水库各有独立的供水部门、互无关联，则情况便恰恰相反。因此，这一点是进行梯级调节计算的重要不同条件。

综上所述，可知在进行梯级水库的径流调节或参变数选择的水利计算时，必须考虑到梯级水库间所特有的上述水文、水力、水利三方面的相互联系和各库调节性能的各种区别，这也就是所谓梯级水库联合运行的水利计算问题。

由于梯级水库计算中，各库为独立供水还是联合供水具有决定性影响，因此下面拟就这两种情况分别说明。

三、独立供水时的梯级水库调节计算(www.xing528.com)

当梯级水库各有其服务部门，须分别保证各自综合用水的要求时，则各库的工作具有一定的独立性，它们之间仅水力上的上下联系。例如对灌溉给水为主的梯级就常这样。在此情况下，梯级水库的调节计算一般采用自上而下用列表法或图解法来逐级进行计算。具体方法又可分径流同步时的详算法和径流不同步时的计算方法。来水可用设计典型年的，亦可用长系列径流资料。

1.径流同步时的详算法

在上下游径流完全同步且各库用水部门的保证率亦相同的情况下，列表法的调节计算步骤如下（以已知库容求调节流量为例）：

（1）根据设计保证率的年流量过程线及已知库容，先对最上游一级进行调节计算，方法与单独水库者同。

（2）然后将第一级调节后的出库流量过程线，在减去自库下引走的耗用水量后，再加上第一至第二级之间的区间同频率流量过程线，即得第二级的入库来水过程线。

（3）用第二级水库对此来水过程线进行调节计算，就可得出第二级的调节流量过程。

依次逐级进行调节，即可得到各级的调节流量。

图15-2　独立供水的梯级水库调节计算

上述计算也可以图解法来进行。此时先绘出上一库坝址断面设计保证率的天然来水的差积曲线（见图15-2中OAB线）。如果梯级水库系为航运服务，则根据供水期和蓄水期调节流量尽量均匀的原则，可由已知库容V1从图上求得最大匀调的调节流量值枯期为，汛期为Q′T。在调节流量线OCB与来水差积线间的纵距，即为水库蓄水量变化的工作图。

在计算下第二库时，同样先绘出第二库坝址断面同期的天然来水量差积曲线OMN，即未受上库调节影响时的入流情况。为考虑上库调节影响，只要将图中OMN差积线各点向下移动上库同时刻的蓄水量W得OEN线，即为考虑上库调节后的第二库入流过程。然后，根据此线和下库的库容V2作调节计算，可求得均匀调节流量Q″T和Q″P。对第三个水库可类推求出相应的调节流量和水库蓄泄过程。

对于有灌溉用水的情况，上述作图中应作相应的考虑，包括引用水量和可能的灌溉回归水量。

2.径流不同步时的调节计算

在径流不完全同步，甚至无相关的情况下，可以简单地按下述方法处理。即上下游各库均按所需的设计保证率例如P=80%，由库址径流资料求出设计年水量，然后取全梯级同一实例枯水年作为典型，分别进行缩放，得出各坝址设计来水过程线。上下库的两设计过程线相减即得相应的区间径流过程线。此区间径流过程线即为应与上游调节下泄流量相加而作为下库之入流者。

当上下游主要用水部门的设计保证率要求不同时，则须分别两种情况来设计下游水库。第一种情况，上游保证率高于下游时，例如上游为给水水库或单独运行水电站其发电之P=95%，而下游为灌溉之P=80%，则上游水库按本身P=95%来水设计，而对下游水库则上下游均按P=80%的来水来计算，此时上库工作可按照其调度图要求下泄。第二种情况，上游为灌溉其保证率低于下游给水发电所需时，则可按在较高保证率的特枯水年，上游灌溉用水按允许缩减的成数进行工作，以推求下游水库在P=95%的设计枯水年的入库流量过程。

四、联合供水时梯级水库的调节计算

梯级水库共同负担下游用水需要，此时各库库容的决定便需统一考虑，合理分配。

例如，设某下游水库直接负担满足综合用水任务，但由于库容不足，须上游再修一水库以对下游水库进行补偿调节，而上游库无本身之独立用水部门、或只满足该处某些少量用水要求为附加任务。

所需要解决的问题是：如何选定上下游两库库容，使共同提供最大效益。为此需要拟定若干库容分配方案，针对每一方案进行计算，最后选定两水库总库容最小而总（净）效益最大的方案。至于联合调度的原则是：尽量先取用下游水库的蓄水。

具体的计算与前小节相反，是采取自下而上的如下方法：根据下游的逐月综合用水要求，假定一下游库容，反求满足此用水量时之入库来水流量过程。以此入流过程减去未经调节的上下库门区间来水过程，求出亏缺水量，即为上游水库应加保证的供水量。以这一水量（如上游库有自己的附带用水时，亦加上之）与上游水库的来水量进行径流调节计算，求出所需库容。同理可求另一组上下游库容值，而最后进行经济比较选定。

图15-3　已知用水及库容反求来水过程
①—Q区+q上1；②—Q区+q上2；③—Q区+q上3

在已知用水及库容反求（下库）入流时，一般有无数入流过程的方案或解，因有两组变量一库水位过程和入流过程。但若按上游水库放水尽量均匀的原则，则有唯一解，其求法如下：先画两平行之综合用水累积线，使相距为V下，如图15-3的O—t坐标上所示。另外在一透明纸上作Q区之累积线，并假定几个上游放水流量q上值，亦作累积线（为几条直线），分别与Q区累积线相叠加（如图15 3O′～t′坐标上所示——此处未单独画）。把此透明纸上之曲线群盖予前面作出之二平行之综合用水累积线上，并在保持两图纵坐标轴重合的条件下上下移动透明纸，找出正好与平行之用水累积线相切之一条Q区+q上。累积线，即为所求（图15-3中O′bc线）。

对于多年调节水库群的计算，同样可用时历法，不过是对设计枯水年组进行，而不是只对一年。