龍羊峽、劉家峽梯級水庫補償調度節(jié)能能力分析

張澤中， 張 亮， 齊青青，， 黃 強， 薛小杰

（1.華北水利水電學院,河南 鄭州 450045；

2.西安理工大學水利水電學院，陜西 西安 710048）

長期以來，煤炭在我國能源消費結構中占有主導地位，且近期內這一局面難以改變。然而，我國現(xiàn)有已探明的煤炭儲量約為1萬億t，具有經(jīng)濟開采價值的儲量僅為1 145億t[1]，僅可供開采100 a左右。試設想，如果43 000億kW·h的電能全賴燃煤供應，則年燃煤約21.5億t[2]，不僅在資源、采掘運輸上將遇到難以克服的困難，引起的環(huán)境污染也將無法想象。解決能源瓶頸是關系我國能否健康、快速、可持續(xù)發(fā)展的重大問題；同時，實施CO2減排是減緩全球變暖最為關鍵的舉措[3]，我國CO2減排任務十分艱巨。水電是可持續(xù)利用的清潔能源，科學開發(fā)、合理利用水能資源是保障我國能源供應的重要措施。水力發(fā)電不需要大宗的燃料，它既不排放廢氣，也不需傾倒廢渣，有助于應對氣候變化，節(jié)約寶貴的化石能源。 據(jù)統(tǒng)計[4]，三峽和葛洲壩水電站每年發(fā)電1 000億kW·h，至少可替代6 000萬t煤。自1990年黃河實施統(tǒng)一調度以來，黃河上游梯級水庫補償調度取得的效益主要體現(xiàn)在：一，保證城市生活用水；二，合理安排農(nóng)業(yè)用水；三，兼顧工業(yè)用水；四，按計劃保證生態(tài)和環(huán)境用水；五，具有巨大的節(jié)能和減排貢獻。隨著該梯級的不斷滾動開發(fā)，節(jié)能能力在不同的年代應是動態(tài)變化的。為了全面、系統(tǒng)、深入地分析龍羊峽、劉家峽梯級水庫節(jié)能能力，并考慮其動態(tài)特性，本文對黃河干流上游龍羊峽、劉家峽梯級水庫 （以下簡稱 “龍、劉兩庫”）節(jié)能能力按2005、2015和2020這3個不同水平年進行分析計算，以考察其變化規(guī)律。

1 黃河干流補償調度

1.1 補償調節(jié)系統(tǒng)分析

研究補償調度涉及到補償者和被補償者兩個方面，需要根據(jù)黃河干流的實際情況和本次研究的要求，將黃河干流的補償方與被補償方進行劃分。本研究將龍、劉兩庫作為兩個獨立的子系統(tǒng)分別計算它們單獨以及聯(lián)合調節(jié)時對中下游的節(jié)能能力，在黃河干流梯級水庫補償調節(jié)中作為補償系統(tǒng)考慮，是整個黃河干流的施益系統(tǒng)。上游徑流式梯級被補償系統(tǒng)，包括該水平年黃河上游龍～青河段的所有徑流式電站。根據(jù)黃河流域梯級滾動開發(fā)規(guī)劃，到2020水平年，龍～青河段的25座水電站將全部建成投運，其中大多數(shù)水電站為日調節(jié)性，只有2020水平年建成的大柳樹水電站具有年調節(jié)性。而大柳樹水電站位于龍～青河段梯級靠下游的位置，其下游僅有沙坡頭和青銅峽兩座徑流式水電站。因此，大柳樹水庫對上游徑流式梯級節(jié)能能力的影響不大，所以在補償系統(tǒng)中未考慮大柳樹水庫。三門峽和小浪底兩座水庫位于黃河中下游，三門峽具有季調節(jié)能力，小浪底是年調節(jié)水庫，簡稱 “三、小被補償系統(tǒng)”。龍、劉兩水庫蓄豐補枯的調節(jié)將減少三、小兩庫的汛期來水，減輕其防洪壓力，有緩解下游供水矛盾的作用。沿黃各省被補償系統(tǒng)，包括青海、四川、甘肅、寧夏、內蒙、陜西、山西、河南和山東九個省 （自治區(qū)）。

1.2 梯級水庫節(jié)能能力計算方案設置

本研究中梯級水庫節(jié)能能力的計算分2005、2015和2020水平年。3個水平年在進行水庫節(jié)能能力分析時，將龍羊峽和劉家峽水庫分開考慮，分別計算其存在時對下游產(chǎn)生的水庫節(jié)能能力。即，每個水平年的模型分 “無龍無劉”、 “無龍有劉”和“有龍有劉”求解下游各項水資源調控目標的滿足情況，研究在不同參數(shù)輸入情況下的系統(tǒng)響應，以便更有效地反映黃河干流的復雜情況。

1.3 模型建立

模型采用黃河干流梯級水庫補償調度的仿真模型，考慮三類目標函數(shù)，分別是防洪減災目標、生態(tài)目標以及水資源利用目標。其中，防洪減災目標包括防洪、防凌目標，防洪目標即控制水庫防洪水位和下泄流量，為下游河道行洪和大壩安全提供必要的保障；生態(tài)目標要保證提供必要的河道生態(tài)和環(huán)境用水，維持黃河流域生態(tài)系統(tǒng)平衡；水資源利用目標將盡量追求缺水量最小，且分布合理，并在此基礎上提高發(fā)電量以擴大水庫節(jié)能減排貢獻。具體在求解時將防洪減災目標和生態(tài)目標轉化為約束條件，水資源利用目標的目標函數(shù)：

（1） 節(jié)能目標

式中，Bae為節(jié)省標煤總量；N（i，t）為第i個子系統(tǒng)第t時段平均出力；c為單位電量節(jié)煤量，t/（kW·h），按照發(fā) 1 kW·h 電節(jié)煤 0.6×10－8t來算[4]。

（2）缺水量目標追求缺水量最小并且分布合理，重點解決地區(qū)間的水量合理分配及不同需水部門水量分配問題。干旱年份供水量不能滿足需水要求時，通過合理調度，優(yōu)化徑流時空分布過程，使得

式中，w為缺水量；i為供水子系統(tǒng)的編號，i=1，2，…，40； t為計算總時段， t=1，2，…，T； θ（t）為 t時段缺水判別系數(shù)， 當（QP（i，t）-QG（i，t））＜0 時， 不缺水， θ（t）為 0， 當（QP（i，t）-QG（i，t））＞0 時 θ（t）為 1。

（3）約束條件包括水庫水量平衡約束、節(jié)點水量平衡約束、水庫庫容約束、出庫流量約束、防凌約束、出力約束以及變量非負約束等。仿真模型一個計算時段的求解流程如圖1所示。

1.4 計算基本資料

徑流資料采用黃河干流各河段共18個水文站1952.07～2004.06的長系列天然徑流資料，資料來源于黃河水利委員會。其中，花園口站多年平均水量575.08億m3[5]。 在分析黃河流域水資源開發(fā)利用現(xiàn)狀及西北地區(qū)社會經(jīng)濟發(fā)展長期態(tài)勢的基礎上，預測了2015水平年、2020水平年工業(yè)需水、農(nóng)業(yè)需水、生活需水以及流域外需水情況。目前，流域外需水主要有河南、山東工農(nóng)業(yè)用水和向河北補水，現(xiàn)狀水平年黃河流域外供水量為97.20億m3；2015水平年為 103.72億m3；2020水平年為105.30億m3。因此，現(xiàn)狀水平年黃河流域總需水量為551.21億m3；2015水平年總需水量為636.22億m3；2020水平年為681.71億m3。生態(tài)環(huán)境低限需水量： 一是指水土保持對河川徑流的影響，2005水平年為10億 m3，預計 2015和2020水平年分別為 20億 m3、25億 m3；二是指汛期輸沙水量，2005、2015和2020水平年多年平均分別需要140億m3、130億m3、125億m3；三是指非汛期生態(tài)基流，總需水量50億m3，入海最小流量控制在50 m3/s以上。因此，生態(tài)環(huán)境低限需水量多年平均為200億m3左右。黃河流域地下水可開采量采用110億m3。防凌控制斷面分別選取蘭州和花園口斷面。據(jù)中國水電顧問集團西北勘測設計研究院的研究報告，黃河干流的庫區(qū)年水量損失為6.31億m3左右[5]。

圖1 仿真模型求解流程示意

2 結果分析

求解黃河干流梯級水庫補償調度的仿真模型，可以得到3個水平年龍、劉兩庫對上游龍～青河段徑流式梯級電站補償電量的節(jié)能能力 （見表1）。

表1 2005水平年龍、劉兩庫節(jié)能能力 萬t

從表1可看出，青銅峽及三、小電站在劉家峽單庫調節(jié)時，多年平均節(jié)能能力增加0.84萬、9.36萬t和12.72萬t標準煤；而龍、劉兩庫聯(lián)合調節(jié)后，青銅峽電站多年平均節(jié)能能力比 “無龍無劉”、“無龍有劉”分別減少了0.96萬t和1.80萬t；三、小節(jié)能能力也大幅度減小。這主要是因為青銅峽水庫以上河段需水比較集中，占全部干流需水的40%左右，包括甘肅、寧夏、內蒙和陜西的大部分用水，是農(nóng)業(yè)灌溉需水的主要地區(qū)。劉家峽單獨參與調節(jié)，其調節(jié)能力有限，對農(nóng)業(yè)需水的滿足程度不高；而龍羊峽水庫參與補償后，發(fā)揮其巨大的多年調節(jié)能力，將多個豐水年存蓄的水量在枯水年的非汛期下泄，對緩解寧蒙灌區(qū)春灌用水的矛盾有舉足輕重的作用。正是由于龍羊峽水庫良好的調節(jié)能力，增加了上游到青銅峽的區(qū)間引水，所以流經(jīng)青銅峽電站的流量就相對減?。粡亩斐汕嚆~峽電站的發(fā)電量在 “有龍有劉”比 “無龍無劉”、 “有龍有劉”比“無龍有劉”時減少，即節(jié)能能力減少的現(xiàn)象。

2015水平年龍、劉兩庫補償節(jié)能能力見表2。

表2 2015水平年龍、劉兩庫節(jié)能能力 萬t

由表2中看出，當劉家峽水電站單庫參與調節(jié)時，劉家峽以上徑流式電站的節(jié)能能力不受影響，包括從尼那到寺溝峽水電站，因此 “無龍有劉”與“無龍無劉”節(jié)能能力對比不發(fā)生變化，而劉家峽以下徑流式電站及三、小、水電站的節(jié)能能力有不同程度的增加。當龍、劉兩庫都參與補償調節(jié)后，青銅峽與三、小水電站的節(jié)能能力出現(xiàn)減小外，其余徑流式電站的節(jié)能能力與 “無龍有劉”、 “無龍無劉”時對比都有所增加。在龍、劉兩庫補償調節(jié)后青銅峽節(jié)能能力減少，原因與2005水平年的相同。

2020水平年龍、劉兩庫補償節(jié)能能力見表3。

表3 2020水平年龍、劉兩庫節(jié)能能力 萬t

表3顯示，龍、劉兩庫補償調節(jié)后，節(jié)能能力減少的水庫除了青銅峽與三、小水電站外，還有沙坡頭電站。因為2020水平年總需水相比2005水平年增加了130.50億m3，相比2015水平年增加了45.49億m3，若僅依靠劉家峽水庫的年調節(jié)性，對上游缺水的補償作用有限；如果龍、劉兩庫均參與調節(jié)，則補償作用明顯，大大增加了上游的可供水量，缺水狀況可得到極大緩解。因此，2020水平年需水量的增加更能發(fā)揮龍羊峽水庫的多年調節(jié)作用，體現(xiàn)其龍頭水庫的補償價值，同時影響下游發(fā)電用水；所以才會出現(xiàn)龍～青河段沙坡頭、青銅峽水庫和中游三、小節(jié)能能力逐步減小的現(xiàn)象。

龍、劉兩庫的節(jié)能能力包括補償自身發(fā)電的節(jié)能能力和對干流上水庫的補償發(fā)電節(jié)能能力，3個水平年下龍、劉兩庫的節(jié)能能力匯總到表4。

表4 不同水平年龍、劉兩庫節(jié)能能力的動態(tài)結果 萬t

從表4可以看出，龍、劉兩庫補償系統(tǒng)2005水平年增加黃河干流梯級節(jié)能能力為66.72萬t，龍、劉兩庫的節(jié)能能力合計為723.72萬t；2015水平年增加黃河干流梯級節(jié)能能力為87.24萬t，龍、劉兩庫的節(jié)能能力合計為721.80萬t；2020水平年增加黃河干流梯級節(jié)能能力為30.30萬t，龍、劉兩庫的節(jié)能能力合計為645.16萬t標準煤。

3 結論

針對不同水平年下黃河梯級的滾動開發(fā)規(guī)劃，采用黃河干流梯級水庫補償調度的仿真模型，動態(tài)地研究了2005現(xiàn)狀年和2015、2020預測水平年龍、劉兩庫的節(jié)能能力及其變化規(guī)律。3個水平年下，龍、劉兩庫聯(lián)調時，補償系統(tǒng)補償干流梯級水庫節(jié)能能力與龍羊峽水庫自身節(jié)能能力變化規(guī)律相同，都是先增大后減??；而劉家峽自身節(jié)能能力變化規(guī)律隨時間推移呈下降趨勢。可以推論：當南水北調西線實施后有充足水量的情況下，龍羊峽水庫節(jié)能能力變化趨勢將改降為升，其多年調節(jié)作用可得到充分的發(fā)揮，體現(xiàn)其龍頭水庫的補償價值。本研究再次論證了大型水電工程巨大的節(jié)能、減排作用，從而為我國水電定價與補償政策的制定提供參考。

［1］ 莫笑萍，陳定江，胡山鷹，等.我國煤炭資源產(chǎn)業(yè)循環(huán)經(jīng)濟發(fā)展策略研究［J］.現(xiàn)代化工， 2005， 25（11）:12-17.

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［5］ 張澤中.水庫補償機理和補償效益計算方法研究［D］.西安：西安理工大學，2009.