金 珊

（遼寧省水利水電勘測設(shè)計研究院有限公司）

0 前言

隨著水利水電技術(shù)的發(fā)展，水電在中國能源結(jié)構(gòu)調(diào)整中發(fā)揮著日益重要的作用。當然，水電站和水庫作為水資源利用功能，往往具有防洪、發(fā)電、供水等多種功能，如何合理、充分利用水資源，使水利樞紐發(fā)揮最大效益是水電站管理中必須要面對的問題。與此同時，全球工業(yè)化和經(jīng)濟發(fā)展引發(fā)了嚴重的溫室效應(yīng)，全球變暖對氣候的影響愈加明顯。研究顯示，由于全球氣溫的升高和水循環(huán)速度的加快，導(dǎo)致降雨量和流域水資源的改變。對中國而言，由于人類活動造成氣候變遷，大多數(shù)流域的徑流量呈下降趨勢，北方地區(qū)表現(xiàn)的尤為明顯。因此，分析不同氣候情景下的徑流分配對水電站運行方案控制具有重要意義。本次研究以遼寧省金哨水電站為例，通過對渾河上游未來不同氣候模式下的徑流量進行模擬，構(gòu)建金哨水電站的發(fā)電運行方案，對水電站應(yīng)對氣候變遷導(dǎo)致的水資源改變具有重要意義。

1 工程概況

渾江發(fā)源于渾江市龍崗山脈南麓，流經(jīng)渾江市、通化市、通化縣、集安縣、桓仁縣、寬甸縣，于寬甸、集安兩縣交界處注入鴨綠江，流程433 km。渾河流域?qū)儆跍貛Т箨懶约撅L氣候，多年平均降雨量為650～800 mm之間，降雨量年際變化大，因此徑流量的年際變化也較大。金哨水電站工程位于遼寧省桓仁滿族自治縣境內(nèi)，屬于渾江干流梯級開發(fā)上的第三級水電站，電站以防洪、灌溉為主，兼具發(fā)電、水產(chǎn)養(yǎng)殖及環(huán)境保護等諸多功能，屬于綜合利用水利樞紐。金哨水電站的設(shè)計庫容為9 800萬m3，電站裝機84 MW，設(shè)計年發(fā)電量2.16 億kW·h。樞紐主要由混凝土重力壩、引水發(fā)電系統(tǒng)及發(fā)電廠房組成，最大壩高34 m?？偼顿Y5.50 億元，于2001 年開工，2004 年完工投入使用。由于大伙房輸水工程建成后上游桓仁水庫供水任務(wù)增加，近年來金哨水電站的來水量明顯偏小，導(dǎo)致電站發(fā)電量一直在0.80億kW·h左右波動。

2 水量調(diào)度模型的構(gòu)建

金哨水電站是渾河梯級開發(fā)的第三級電站，同時也是大伙房供水工程水源地水庫——桓仁水庫的下游電站。在水量調(diào)度過程中需要整體考慮渾江水資源的綜合利用，特別是保證大伙房供水工程的取水需求，以發(fā)揮出最大效益。因此在來水現(xiàn)狀和保證防洪安全的前提下，選擇利用水量平衡等常規(guī)調(diào)度方式進行水量調(diào)度。

2.1 建立目標函數(shù)

根據(jù)金哨水電站的調(diào)度規(guī)劃，建立生態(tài)用水、地區(qū)用水和發(fā)電用水三個目標函數(shù)，并以此為基礎(chǔ)建立調(diào)度模型和調(diào)度原則。

2.1.1 生態(tài)用水目標

為了保證下游河道的生態(tài)環(huán)境，河道的徑流量需要大于最小生態(tài)用水需求量：

2.1.2 地區(qū)用水目標

通過水資源的合理分配，盡量降低地區(qū)缺水量，滿足區(qū)域用水需求，以減少干旱或水資源不足造成的損失。

2.1.3 發(fā)電目標

在滿足生態(tài)和區(qū)域用水的前提下，通過建立水電站的最佳運行方式，使水電站的發(fā)電效益最大化。

式中：E 為水電站發(fā)電總量，kWh；N(i,t)為水電站平均出力，kW·h。

2.2 約束條件

要實現(xiàn)水電站的完整調(diào)度模型，需要設(shè)置如下約束條件：

2.2.1 水量平衡約束條件

2.2.2 水庫水位約束條件

式中：ZXt為水庫的死水位，m；Zt為水庫實際水位，m；ZMt為水庫最高限制水位，m。

2.2.3 水庫出庫流量約束條件：

2.2.4 出力約束條件：

式中：Fmin(t)為水電機組最小出力，kW；F(t)為水電機組實際出力，kW；Fmax(t)為水電機組裝機容量，kW。

2.3 水量調(diào)度模型的基本資料

水量調(diào)度模型的徑流資料獲取方式如下：利用金哨水電站上游的金哨水文站1963-2002 年的歷史徑流資料，利用SWAT模型對2011-2050年在RCP2.6、RCP4.5、RCP8.5等三種不同氣候場景下的徑流特征進行模擬計算。其中，四個關(guān)鍵水文年的模擬計算結(jié)果如表1所示。

在流域需水資料方面，根據(jù)大伙房輸水工程建成后的2013-2018年的實測資料，分析金哨水電站灌溉用水和發(fā)電用水的可用水量，結(jié)果如表2所示。

表1 金哨水文站徑流量模擬計算結(jié)果表

表2 需水量實測資料分析結(jié)果表

3 電站發(fā)電效益分析

考慮到金哨水電站的實際情況和上節(jié)提出的約束條件，在預(yù)測未來來水量的基礎(chǔ)上，對可用水資源進行提前分配，以發(fā)揮有限的水資源在金哨水電站的最大發(fā)電效益，進而實現(xiàn)目標函數(shù)。

金哨水電站安裝有3 臺混流水輪發(fā)電機組。按照機組的設(shè)計要求，需要在40%以上負荷條件下運行。但是，受到引水設(shè)施和渾江金哨段水質(zhì)等因素的影響，水電機組運行時經(jīng)常出現(xiàn)擺渡和振動現(xiàn)象，從而造成機組損害。金哨水電站管理局曾經(jīng)對機組進行分析，獲得如圖1 所示的出力和最優(yōu)運行曲線，以便根據(jù)來水量的變化采取不同的機組出力值，保證機組的高效穩(wěn)定運行。

圖1 機組出力和最優(yōu)運行曲線圖

將基于SWAT 模型預(yù)測的2011-2050 年在三種不同氣候場景下的徑流量作為金哨水電站的來水量進行輸入計算看，以分析未來40 a不同氣候場景下金哨水電站的運行效益，結(jié)果如圖2～4所示。由圖2可知，在RCP2.6 氣候場景下，金哨水電站在未來40 a中的年均發(fā)電量為0.72億kW·h。其中，2012年的發(fā)電量最大，為1.61 億kW·h，2050 年發(fā)電量最小，為0.11 億kW·h。從變化趨勢上看，在2040 年之后，發(fā)電量水平明顯偏低。由圖3可知，在RCP4.5 氣候場景下，金哨水電站在未來40年中的年均發(fā)電量為0.69億kW·h。其中，2012年的發(fā)電量最大，為1.57 億kW·h，2045 年發(fā)電量最小，為0.12 億kW·h。從變化趨勢上看，在2040 年之后，發(fā)電量水平明顯偏低。由圖4可知，在RCP8.5 氣候場景下，金哨水電站在未來40 年中的年均發(fā)電量為0.66億kW·h。其中，2016年的發(fā)電量最大，為1.38億kW·h，2043年發(fā)電量最小，為0.13億kW·h。從變化趨勢上看，在2040年之后，發(fā)電量水平明顯偏低。

圖2 RCP2.6氣候場景下未來發(fā)電情況預(yù)測圖

圖3 RCP4.5氣候場景下未來發(fā)電情況預(yù)測圖

圖4 RCP8.5氣候場景下未來發(fā)電情況預(yù)測圖

為進一步了解氣候變化對電站發(fā)電效益的影響，不同氣候場景下金哨水電站的未來發(fā)電情況預(yù)測結(jié)果與歷史時期發(fā)電情況進行對比，結(jié)果如表3 所示。由表格中的數(shù)據(jù)可知，RCP2.6 氣候場景下的未來發(fā)電情況與歷史時期相差不大，而RCP4.5和RCP8.5氣候場景下的未來發(fā)電情況與歷史時期相比有較大的減幅。由此可見，如不能很好保護環(huán)境，減少溫室氣體排放量，金哨水電站的遠期發(fā)電效益將受到氣候變化的顯著影響。

表3 金哨水電站發(fā)電量對比標

4 結(jié)論

不同氣候環(huán)境對河流徑流量以及水電站的發(fā)電效益存在顯著影響，本文以渾江中上游地區(qū)為研究區(qū)，以金哨水電站為例，對不同氣候場景下的水電站未來發(fā)電效益進行模擬分析，并獲得如下主要結(jié)論：①根據(jù)渾江流域和金哨水電站的具體情況，構(gòu)建出水電站運行模型。②對未來50 a金哨水電站的發(fā)電情況進行模擬計算，結(jié)果顯示RCP4.5 和RCP8.5氣候場景下的未來發(fā)電量將大幅減少，說明金哨水電站的遠期發(fā)電效益將受到氣候變化的顯著影響。