水電站生態(tài)機(jī)組裝機(jī)容量確定方法研究

范 仕 虎，楊 曼，王 朋

(1.河南省水利第二工程局，河南 鄭州 450016； 2.鄭州大學(xué) 水利科學(xué)與工程學(xué)院，河南 鄭州 450001； 3.河南鄭大水利科技有限公司，河南 鄭州 450001)

0 引 言

由于歷史原因，中國(guó)大部分小水電在建設(shè)規(guī)劃時(shí)未充分考慮對(duì)河流生態(tài)的影響，導(dǎo)致其機(jī)組與河流生態(tài)流量匹配性差，尤其是河床式或壩后式水電站，在機(jī)組正常運(yùn)行發(fā)電時(shí)，發(fā)電用水基本可以滿足下游生態(tài)流量要求，而在來(lái)流較小時(shí)段，機(jī)組不開(kāi)機(jī)運(yùn)行，下游河流則處于脫流狀態(tài)，無(wú)法滿足生態(tài)要求[1-2]。隨著綠色小水電的持續(xù)推進(jìn)，國(guó)家和地方前后出臺(tái)多項(xiàng)政策，明確要求強(qiáng)化小水電生態(tài)流量的泄放、監(jiān)督和管理，以保障河流的生態(tài)功能要求[3-4]。對(duì)于小水電而言，裝設(shè)生態(tài)機(jī)組實(shí)現(xiàn)生態(tài)流量的持續(xù)下泄，是常見(jiàn)的綠色電站改造方案。

對(duì)于改造的河流生態(tài)電站，合理確定其裝機(jī)容量是關(guān)鍵。朱蒙恩[5]提出將生態(tài)流量作為生態(tài)機(jī)組的額定流量確定裝機(jī)容量；吳文濤等[6]提出將生態(tài)流量作為生態(tài)機(jī)組最大發(fā)電水頭對(duì)應(yīng)的流量，以此確定裝機(jī)容量；彭小東等[7]提出將生態(tài)流量作為生態(tài)機(jī)組任一運(yùn)行工況下均能達(dá)到的流量，并結(jié)合水頭變化確定裝機(jī)方案。上述生態(tài)電站裝機(jī)方案通過(guò)生態(tài)流量確定生態(tài)電站裝機(jī)容量，在進(jìn)行裝機(jī)容量確定時(shí)，未充分考慮不同裝機(jī)方案在發(fā)電效益、機(jī)組利用效率、棄水、投資等方面的優(yōu)劣，裝機(jī)容量的確定未充分反映生態(tài)電站的不同目標(biāo)的需求，存在一定的局限性，無(wú)法有效指導(dǎo)生態(tài)電站裝機(jī)的確定。

層次分析法是一種層次權(quán)重決策分析方法，能夠通過(guò)對(duì)多指標(biāo)決定的問(wèn)題進(jìn)行分析，以優(yōu)先等級(jí)的形式對(duì)備選決策進(jìn)行排序，適用于解決難以定量分析、多目標(biāo)、多準(zhǔn)則等復(fù)雜決策問(wèn)題?；诖耍疚囊雽哟畏治龅姆椒?，通過(guò)生態(tài)流量初選裝機(jī)方案，選擇發(fā)電效益、機(jī)組利用效率、棄水和投資4部分作為目標(biāo)層，構(gòu)建生態(tài)電站裝機(jī)方案的層次分析模型，通過(guò)模型求解，實(shí)現(xiàn)生態(tài)電站裝機(jī)方案的最優(yōu)確定。

1 河流生態(tài)流量計(jì)算方法

隨著河流生態(tài)保護(hù)理論的發(fā)展，河流生態(tài)流量的計(jì)算方法也日益豐富。目前，生態(tài)流量的計(jì)算方法大致可以分為：水力學(xué)法、歷史流量法、棲息地定額法、整體分析法[8-10]；為了從不同角度反映河流對(duì)生態(tài)流量的需求，本文選擇不同規(guī)則下的生態(tài)流量計(jì)算方法，通過(guò)對(duì)不同計(jì)算方法進(jìn)行篩選對(duì)比，最終確定合理的河流生態(tài)流量值。本文在計(jì)算河流生態(tài)流量時(shí)，采用年內(nèi)展布計(jì)算法、Tennant法以及7Q10法進(jìn)行分析計(jì)算：

(1) 年內(nèi)展布計(jì)算法。該算法基于歷史徑流資料，以年最小徑流總量與多年平均徑流總量二者之間的比值，得到各月生態(tài)流量與各月多年平均徑流量之間的關(guān)系，以此來(lái)確定生態(tài)流量。

(2) Tennant法。該方法不需要河流的地形地質(zhì)資料，也不需要河流生物環(huán)境資料，僅根據(jù)水文徑流資料，即可進(jìn)行生態(tài)流量的估算[9]。在計(jì)算時(shí)，以河道多年平均徑流量作為基礎(chǔ)，根據(jù)設(shè)定的需水情況以及來(lái)水情況，選取一定的頻率計(jì)算得到河道生態(tài)流量。

(3) 7Q10法。對(duì)于河流最小流量的設(shè)計(jì)值，國(guó)外通常采用90%的保證率連續(xù)最枯7d的平均流量，中國(guó)通常采用最近10 a最枯月平均流量或者90%的保證率最枯月平均流量[10]。采用該算法計(jì)算時(shí)可以通過(guò)采用不同的保證率達(dá)到相應(yīng)的生態(tài)標(biāo)準(zhǔn)。

2 河流生態(tài)流量與裝機(jī)容量確定的關(guān)系

生態(tài)電站多根據(jù)現(xiàn)有建筑物增設(shè)生態(tài)機(jī)組，當(dāng)站址確定后，可以認(rèn)為機(jī)組的水頭已經(jīng)確定，其裝機(jī)容量可以近似與其可用流量有關(guān)?？紤]生態(tài)流量一般較小，電站原機(jī)組裝機(jī)容量較大，為了匹配較小流量，一般僅設(shè)置一臺(tái)小機(jī)組作為生態(tài)機(jī)組進(jìn)行流量匹配[5-7，11]。生態(tài)流量Q可以作為該生態(tài)機(jī)組的最小開(kāi)機(jī)流量、保證流量、設(shè)計(jì)流量，分析河流生態(tài)流量與裝機(jī)容量確定關(guān)系如下：

(1) 作為機(jī)組最小開(kāi)機(jī)流量。當(dāng)河流生態(tài)流量作為機(jī)組最小開(kāi)機(jī)流量時(shí)，機(jī)組設(shè)計(jì)流量Qs會(huì)明顯大于Q，機(jī)組可以充分利用生態(tài)流量以上流量；對(duì)于生態(tài)泄流大于生態(tài)流量Q時(shí)，機(jī)組仍可以開(kāi)機(jī)運(yùn)行，且效率提高，適用于水量充沛、生態(tài)流量長(zhǎng)期處于較高水平的河流；但當(dāng)河流按照生態(tài)流量下泄時(shí)，電站雖然可以開(kāi)機(jī)運(yùn)行，但機(jī)組運(yùn)行效率較低。

假定機(jī)組設(shè)計(jì)流量為

Qs=aQ

(1)

則電站的裝機(jī)容量為

N=KQsH=aKQH

(2)

式中：K為綜合出力系數(shù)，可依據(jù)相關(guān)規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)或設(shè)計(jì)手冊(cè)進(jìn)行選擇；Qs為機(jī)組設(shè)計(jì)流量；H為發(fā)電凈水頭；Q為機(jī)組最小開(kāi)機(jī)流量，也即河流生態(tài)流量；a為大于1的計(jì)算參數(shù)，與機(jī)組運(yùn)行特性有關(guān)，一般可取1.5～2。

(2) 作為機(jī)組保證流量。當(dāng)河流生態(tài)流量Q作為生態(tài)機(jī)組保證流量時(shí)，該流量對(duì)應(yīng)的即為生態(tài)機(jī)組保證出力，由于河流下泄流量均應(yīng)大于等于河流生態(tài)流量Q，因此，河流生態(tài)流量Q的保證率為100%；考慮生態(tài)機(jī)組可利用的流量為區(qū)間流量，其設(shè)計(jì)保證率可小于100%，因此生態(tài)電站對(duì)應(yīng)的保證流量Qb應(yīng)大于等于Q，即：

Qb=bQ

(3)

增設(shè)生態(tài)電站的裝機(jī)基本為1臺(tái)[5-7，11]，其裝機(jī)容量可確定為：

N=KQbH=bKQH

(4)

式中：Qb為保證流量；b為大于1的計(jì)算參數(shù)，設(shè)計(jì)保證率越高，b越接近1，一般可取1.05～1.20。

(3) 作為機(jī)組設(shè)計(jì)流量。當(dāng)河流生態(tài)流量Q為機(jī)組設(shè)計(jì)流量時(shí)，此時(shí)電站裝機(jī)容量計(jì)算為

N=KQH

(5)

對(duì)上述3種方法進(jìn)行對(duì)比評(píng)價(jià)，結(jié)果如表1所列。

表1 不同裝機(jī)確定方法的對(duì)比Tab.1 Comparison of different determination methods

3 層次分析法

3.1 模型結(jié)構(gòu)

層次分析法主要涉及系統(tǒng)科學(xué)的決策問(wèn)題，需要將決策問(wèn)題置于系統(tǒng)中，并將相互影響的因素及問(wèn)題層次化，形成多層次的分析模型[12]；利用數(shù)學(xué)分析和定性分析結(jié)合的形式進(jìn)行排序和分層，通過(guò)獲得每種方案的權(quán)重值來(lái)指導(dǎo)決策[13-14]。其結(jié)構(gòu)模型如圖1所示。

圖1 層次分析法結(jié)構(gòu)Fig.1 Structure of AHP

3.2 求解流程

(1) 構(gòu)造判斷矩陣。依據(jù)指標(biāo)層Cij(i=1，2，…n；j=1，2，…，m)對(duì)準(zhǔn)則層bi(i=1，2，…，n)的重要度，以1～9作為比較的標(biāo)準(zhǔn)，兩兩進(jìn)行相比，利用Delphi法給出矩陣的元素值。有關(guān)1～9標(biāo)度及其內(nèi)容見(jiàn)表2。

表2 判斷矩陣(1～9)標(biāo)度及其內(nèi)容Tab.2 Scoring and content of judgment matrix

(2) 計(jì)算指標(biāo)權(quán)重。設(shè)判斷矩陣D=dij(i=1，2，…，n；j=1，2，…，m)，則：

(6)

(7)

(8)

w=(w1，w2，…，wn)

(9)

(3) 判斷矩陣一致性。

(10)

CI=(λmax-n)/(n-1)

(11)

CR=CI/RI

(12)

式中：λmax為判斷矩陣最大特征值；CI為判斷矩陣D的一致性指數(shù)；CR為隨機(jī)一致性比率；RI為判斷矩陣的隨機(jī)一致性指標(biāo)(見(jiàn)表3)[13-14]。

表3 判斷矩陣的隨機(jī)一致性指標(biāo)Tab.3 Random consistency index of judgment matrix

若CR<0.1，則認(rèn)為D具有滿意的一致性，否則須重新構(gòu)造D，直至有滿意的一致性。

(4) 綜合權(quán)重的計(jì)算。將上述得到的單項(xiàng)權(quán)重進(jìn)行相應(yīng)組合，得到評(píng)價(jià)指標(biāo)對(duì)于構(gòu)造目標(biāo)層的綜合權(quán)重。

(13)

4 實(shí)例分析

4.1 基本資料

以漢江支流唐白河流域魚(yú)網(wǎng)系水電站為例開(kāi)展實(shí)例驗(yàn)證。該水電站現(xiàn)有裝機(jī)為6 000 kW(2×3 000 kW)，設(shè)計(jì)水頭為21 m，機(jī)組設(shè)計(jì)流量為14.57 m3/s，最小開(kāi)機(jī)流量約8.2 m3/s，與河流生態(tài)流量不匹配，當(dāng)需要下泄小于8.2 m3/s時(shí)，電站往往不開(kāi)機(jī)運(yùn)行，造成下游缺水；或雖然開(kāi)機(jī)運(yùn)行，但電站通過(guò)長(zhǎng)距離引水渠引水發(fā)電，造成河流局部河流段脫水，河流生態(tài)遭到破壞，生態(tài)流量不能保障。針對(duì)現(xiàn)有問(wèn)題，擬在原電站引水渠渠首處增設(shè)生態(tài)電站，通過(guò)新建機(jī)組對(duì)生態(tài)流量進(jìn)行匹配，考慮該處河流生態(tài)流量較小，此次考慮新建1臺(tái)機(jī)組。

河流電站處1965～2018年共54 a的年平均徑流量及月平均徑流量如圖2～3所示。

圖2 多年平均徑流量Fig.2 Average annual runoff

圖3 多年月平均徑流量Fig.3 Average monthly runoff

4.2 生態(tài)流量計(jì)算及確定

按照年內(nèi)展布計(jì)算法、Tennant法以及7Q10法分別對(duì)河流生態(tài)流量進(jìn)行分析計(jì)算，計(jì)算結(jié)果如表4所列。

表4 河流生態(tài)流量計(jì)算成果Tab.4 Results of ecological flow by different methods m3/s

通過(guò)分析可知，上述3種方法計(jì)算的河流生態(tài)流量差別較大，其中Tennant法計(jì)算的生態(tài)流量最大。考慮下游生態(tài)環(huán)境、河流凈化等功能，最終確定河流生態(tài)流量按照Tennant法計(jì)算，即10月至次年3月份下泄流量為3.19 m3/s，4～9月份下泄流量為6.38 m3/s。

4.3 生態(tài)電站裝機(jī)容量確定

按照本文的3種方法，分別計(jì)算裝機(jī)容量。

(1) 生態(tài)流量作為機(jī)組最小開(kāi)機(jī)流量。以3.19 m3/s作為機(jī)組最小開(kāi)機(jī)流量；此時(shí)，裝機(jī)容量N=a×9.8×21×3.19=a×657 kW；按照21 m水頭機(jī)型效率曲線，最小開(kāi)機(jī)流量與設(shè)計(jì)流量比可取1.5～2；按照a=1.8，計(jì)算電站裝機(jī)容量為1 182 kW，按照機(jī)組標(biāo)準(zhǔn)圖譜，選擇1 200 kW裝機(jī)。

(2) 生態(tài)流量作為保證流量。按照設(shè)計(jì)保證率80%計(jì)算，對(duì)多年徑流資料進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，對(duì)于10月至次年3月份來(lái)流量小于3.19 m3/s，取3.19 m3/s，對(duì)于4～9月份下泄流量小于6.38 m3/s取6.38 m3/s；進(jìn)行統(tǒng)計(jì)排頻，找出出現(xiàn)頻率在80%的流量值為4.76 m3/s，從而得到保證流量，計(jì)算裝機(jī)N=9.8×21×4.76=980 kW，按照機(jī)組標(biāo)準(zhǔn)圖譜，選擇1 000 kW裝機(jī)。

(3) 生態(tài)流量作為機(jī)組設(shè)計(jì)流量。計(jì)算裝機(jī)N=9.8×21×3.19=656 kW，按照機(jī)組標(biāo)準(zhǔn)圖譜，選擇700 kW裝機(jī)。

4.4 方案對(duì)比分析

假定河道按照上述生態(tài)流量進(jìn)行下泄，且所有下泄流量均通過(guò)生態(tài)電站，按照上節(jié)計(jì)算得到的1 200，1 000 kW和700 kW 3種方案分別對(duì)河流生態(tài)電站的發(fā)電情況及棄水情況進(jìn)行分析，如圖4～5所示。

圖4 不同方案的出力比較Fig.4 Outputs of diffenent schemes

圖5 不同方案的棄水比較Fig.5 Abandoned water volumes of different schemes

通過(guò)對(duì)圖4～5進(jìn)行分析可知，3個(gè)方案均可以在4～9月滿發(fā)，其出力分別可以達(dá)到1 200，1 000 kW和700 kW；其棄水均發(fā)生在4～9月，棄水流量為0.55，1.52 m3/s和2.98 m3/s。上述3個(gè)方案均可以對(duì)10月至3月的小流量進(jìn)行有效利用，而此時(shí)1 200 kW機(jī)組雖然可以開(kāi)機(jī)，但是其機(jī)組效率相對(duì)較低；面對(duì)大于4～9月的大流量時(shí)，其利用程度存在較大的差異。

不同的3個(gè)方案均可以滿足生態(tài)流量的調(diào)度，對(duì)于發(fā)電效益、機(jī)組利用效率、投資、施工難度等方面均還存在一定的差異，按照定性分析，對(duì)其進(jìn)行對(duì)比，如表5所列。

表5 不同裝機(jī)方案的技術(shù)比較Tab.5 Comparison of the technics of different schemes

4.5 層次分析法

根據(jù)上節(jié)對(duì)不同的方案進(jìn)行技術(shù)比較，擬定生態(tài)電站的層次分析結(jié)構(gòu)如圖6所示。

圖6 層次分析結(jié)構(gòu)Fig.6 Hierachieal stucture

按照發(fā)電效益重要度最高，機(jī)組利用效率、投資次之，棄水最次的重要度，構(gòu)造裝機(jī)容量原始矩陣見(jiàn)表6。

表6 原始矩陣Tab.6 Original matrix

不同方案的權(quán)重表如表7所列。

表7 不同方案的權(quán)重Tab.7 Weights of differeut schemes

其中，不同方案對(duì)發(fā)電效益、機(jī)組利用效率、棄水和投資的原始權(quán)重矩陣分別如表8～11所列。

表8 不同方案下發(fā)電效益的權(quán)重矩陣Tab.8 Weight matrix of power generation benefit under different schemes

表9 不同方案下機(jī)組利用效率的權(quán)重矩陣Tab.9 Weight matrix of unit utilization efficiency under different schemes

表10 不同方案下棄水的權(quán)重矩陣Tab.10 Weight matrix of abandoned water under different schemes

表11 不同方案下投資的權(quán)重矩陣Tab.11 Weight matrix of investment under different schemes

上述權(quán)重矩陣表的CR分別為：0.012，0.003 6，0.028，0.037，0.001 5，均小于0.1，滿足一致性條件。

利用本文構(gòu)建的層次分析法，最小開(kāi)機(jī)流量、保證流量、設(shè)計(jì)流量3種方案的得分分別為0.42，0.27，0.31。

經(jīng)過(guò)計(jì)算，按照發(fā)電效益>機(jī)組利用效率>投資>棄水重要度進(jìn)行計(jì)算，可知，以生態(tài)流量作為最小開(kāi)機(jī)流量確定的裝機(jī)方案(1 200 kW)為最優(yōu)方案。這主要是由于該方案可以充分利用4～9月的大流量，雖然機(jī)組利用效率較低，但是發(fā)電效益較大，棄水較少，符合實(shí)際情況。

若按照機(jī)組利用效率>發(fā)電效益>投資>棄水的重要度重新進(jìn)行計(jì)算，最小開(kāi)機(jī)流量、保證流量、設(shè)計(jì)流量3種方案的得分分別為0.36，0.37，0.27。

按照該重要度進(jìn)行重新計(jì)算可知，其最優(yōu)方案為以生態(tài)流量作為保證流量(即1 000 kW)的方案。該方案發(fā)電效益雖然有所減少，但是其對(duì)10月至次年3月的小流量利用較為充分，可以在滿足機(jī)組利用效率的同時(shí)，提高發(fā)電效益，減少棄水。

5 結(jié) 論

隨著綠色小水電建設(shè)工作的不斷推進(jìn)，水電站需要通過(guò)生態(tài)機(jī)組進(jìn)行生態(tài)流量泄放，合理確定生態(tài)電站機(jī)組的裝機(jī)容量成為關(guān)鍵。本文結(jié)合河流生態(tài)流量計(jì)算方法，構(gòu)建了河流生態(tài)電站裝機(jī)的確定模型，為水電站綠色改造中裝機(jī)容量的論證決策提供必要的理論指導(dǎo)。 本文的主要研究成果如下：

(1) 分析了生態(tài)流量與裝機(jī)容量確定的關(guān)系，明確了不同確定方法的適用性。

(2) 根據(jù)決策者的決策目標(biāo)，選擇發(fā)電效益、機(jī)組利用效率、棄水和投資4個(gè)部分為目標(biāo)層，構(gòu)建了生態(tài)電站裝機(jī)方案的層次分析模型，該模型可以較好地解決生態(tài)流量裝機(jī)方案確定的問(wèn)題。