龍羊峽、劉家峽梯級水庫補償調度節能能力分析

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，我國現有已探明的煤炭儲量約為1萬億t，具有經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、可持續發展的重大問題；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。水電是可持續利用的清潔能源，科學開發、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，節約寶貴的化石能源。 據統計[4]，三峽和葛洲壩水電站每年發電1 000億kW·h，至少可替代6 000萬t煤。自1990年黃河實施統一調度以來，黃河上游梯級水庫補償調度取得的效益主要體現在：一，保證城市生活用水；二，合理安排農業用水；三，兼顧工業用水；四，按計劃保證生態和環境用水；五，具有巨大的節能和減排貢獻。隨著該梯級的不斷滾動開發，節能能力在不同的年代應是動態變化的。為了全面、系統、深入地分析龍羊峽、劉家峽梯級水庫節能能力，并考慮其動態特性，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，以考察其變化規律。

1 黃河干流補償調度

1.1 補償調節系統分析

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分別計算它們單獨以及聯合調節時對中下游的節能能力，在黃河干流梯級水庫補償調節中作為補償系統考慮，是整個黃河干流的施益系統。上游徑流式梯級被補償系統，包括該水平年黃河上游龍～青河段的所有徑流式電站。根據黃河流域梯級滾動開發規劃，到2020水平年，龍～青河段的25座水電站將全部建成投運，其中大多數水電站為日調節性，只有2020水平年建成的大柳樹水電站具有年調節性。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能能力的影響不大，所以在補償系統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，三門峽具有季調節能力，小浪底是年調節水庫，簡稱 “三、小被補償系統”。龍、劉兩水庫蓄豐補枯的調節將減少三、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，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）。

1.2 梯級水庫節能能力計算方案設置

本研究中梯級水庫節能能力的計算分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生的水庫節能能力。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，研究在不同參數輸入情況下的系統響應，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，分別是防洪減災目標、生態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；生態目標要保證提供必要的河道生態和環境用水，維持黃河流域生態系統平衡；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電量以擴大水庫節能減排貢獻。具體在求解時將防洪減災目標和生態目標轉化為約束條件，水資源利用目標的目標函數：

（1） 節能目標

式中，Bae為節省標煤總量；N（i，t）為第i個子系統第t時段平均出力；c為單位電量節煤量，t/（kW·h），按照發 1 kW·h 電節煤 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， 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利用現狀及西北地區社會經濟發展長期態勢的基礎上，預測了2015水平年、2020水平年工業需水、農業需水、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、山東工農業用水和向河北補水，現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。生態環境低限需水量： 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，生態環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能能力 （見表1）。

表1 2005水平年龍、劉兩庫節能能力 萬t

從表1可看出，青銅峽及三、小電站在劉家峽單庫調節時，多年平均節能能力增加0.84萬、9.36萬t和12.72萬t標準煤；而龍、劉兩庫聯合調節后，青銅峽電站多年平均節能能力比 “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，是農業灌溉需水的主要地區。劉家峽單獨參與調節，其調節能力有限，對農業需水的滿足程度不高；而龍羊峽水庫參與補償后，發揮其巨大的多年調節能力，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能力，增加了上游到青銅峽的區間引水，所以流經青銅峽電站的流量就相對減小；從而造成青銅峽電站的發電量在 “有龍有劉”比 “無龍無劉”、 “有龍有劉”比“無龍有劉”時減少，即節能能力減少的現象。

2015水平年龍、劉兩庫補償節能能力見表2。

表2 2015水平年龍、劉兩庫節能能力 萬t

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

2020水平年龍、劉兩庫補償節能能力見表3。

表3 2020水平年龍、劉兩庫節能能力 萬t

表3顯示，龍、劉兩庫補償調節后，節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性，對上游缺水的補償作用有限；如果龍、劉兩庫均參與調節，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揮龍羊峽水庫的多年調節作用，體現其龍頭水庫的補償價值，同時影響下游發電用水；所以才會出現龍～青河段沙坡頭、青銅峽水庫和中游三、小節能能力逐步減小的現象。

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

表4 不同水平年龍、劉兩庫節能能力的動態結果 萬t

從表4可以看出，龍、劉兩庫補償系統2005水平年增加黃河干流梯級節能能力為66.72萬t，龍、劉兩庫的節能能力合計為723.72萬t；2015水平年增加黃河干流梯級節能能力為87.24萬t，龍、劉兩庫的節能能力合計為721.80萬t；2020水平年增加黃河干流梯級節能能力為30.30萬t，龍、劉兩庫的節能能力合計為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規劃，采用黃河干流梯級水庫補償調度的仿真模型，動態地研究了2005現狀年和2015、2020預測水平年龍、劉兩庫的節能能力及其變化規律。3個水平年下，龍、劉兩庫聯調時，補償系統補償干流梯級水庫節能能力與龍羊峽水庫自身節能能力變化規律相同，都是先增大后減小；而劉家峽自身節能能力變化規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，龍羊峽水庫節能能力變化趨勢將改降為升，其多年調節作用可得到充分的發揮，體現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.我國煤炭資源產業循環經濟發展策略研究［J］.現代化工， 2005， 25（11）:12-17.

［2］ 潘家錚.水電與中國［J］.水力發電， 2004， 30（12）:17-21.

［3］ 康重慶,陳啟鑫,夏清.低碳電力技術的研究展望［J］.電網技術， 2009， 33（2）:1-7.

［4］ 潘家錚.水電開發漫談［J］.水力發電學報， 2009， 28（4）:1-4.

［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.