基于HEC-ResSim模型的豐滿水電站生態調度模擬

郭 晴，陳冬紅,，彭期冬，林俊強，張 迪，劉雪飛

(1.河北工程大學 水利水電學院，河北 邯鄲 056021； 2.中國水利水電科學研究院，北京 100038)

1 概 述

水利工程的大量建設為我們帶來了巨大的經濟和社會效益，但是由于大壩的修建也破壞了天然河流的連通性，危及到河流原本的生態系統。我國豐滿水電站由于修建時間較早，未考慮到設置魚類生境保護措施，使下游產漂流性卵魚類資源持續衰減。1926年松花江捕獲的自然魚量有10 500 t，到1942年豐滿水電站建設運行后，自然捕獲量下降至4 830 t。有研究表明，可以通過在產漂流性卵魚類產卵期內制造“人造洪峰”的方式來緩解對大壩下游魚類的影響，即改變傳統的只考慮防洪、發電等因素的水庫調度方式，將刺激產漂流性卵魚類產卵的生態因素納入到水庫調度方案中，實施生態調度[1]。

方國華等[2]提出了以生態保護程度和發電量最大為目標的水庫生態優化調度模型；陳冬紅等[3]分析了IHA的五大類32個生態水文指標的時空變化特性，以及產卵期影響產漂流性卵魚類繁殖的漲水指標；范驄驤等[4]以魚類產卵棲息地生境需求為生態約束因子，建立了滿足魚類產卵棲息地需求的生態調度方法。A.D. AMPITIYAWATTA等[5]采用HEC-ResSim模型對清江梯級水庫進行了模擬調度演算和效益評估。本文在天然水文情勢無法得知的情況下，以恢復和提高關鍵水文指標為生態調度目標，對重建后的豐滿水電站生態調度進行了研究，對其他重建水電站具有借鑒意義。

2 豐滿水電站生態調度目標

2.1 豐滿水電站概況

豐滿水電站是我國第一個建成運行的大型水電站，位于吉林省吉林市境內的第二松花江上，上游距紅石水電站約153 km，下游距吉林市16 km。其正常蓄水位為263.5 m，相應庫容88.49×108m3，死水位242 m，調節庫容61.64×108m3，具有多年調節性能[6]。為徹底解決豐滿水電站存在的安全隱患，2013年5月1日豐滿水電站全面治理(重建)工程開工。經過擴機增容改造后的豐滿水電站已成為東北電網中的骨干電站，對系統的調峰、調頻和事故備用具有重要作用。

在豐滿大壩下游10.3 km處修建了永慶反調節水庫，永慶水庫上游水位與豐滿發電廠尾水相銜接，為日調節性能，正常蓄水位192.2 m，相應庫容1 036×104m3，死水位189.3 m，調節庫容828×104m3[7]。通過永慶水庫的反調節作用，解放豐滿水電站長期以來承擔的60 MW基荷容量，以增加調峰容量，滿足下游吉林市和引松入長等工程對水位和最小下泄水量的要求。

2.2 目標物種

豐滿水電站下游河段產漂流性卵魚類的優勢種為蛇鮈，其繁殖溫度在14℃左右；而其他產漂流性卵魚類，如青魚、草魚、鰱、鳙、鱖和翹嘴紅鲌種群數量持續衰減，其繁殖溫度在18℃～23℃之間。根據研究區域現狀，以及目標物種對水溫和水文條件的不同需求，將生態調度分為兩個時期：第一時期為5月20日-6月20日，多年平均水溫低于18℃，蛇鮈可在漲水條件下產卵；第二時期為6月21日-7月31日，多年平均水溫高于18℃，其他產漂流性卵魚類可在漲水條件下產卵。

2.3 生態水文指標

根據陳冬紅[3]等定義的5個有效漲水指標及其計算方法，統計出松花江水文站和吉林水文站在永慶水庫建設前后產漂流性卵魚類產卵期內的有效漲水指標見表1。

表1 永慶水庫建設運行前后關鍵生態水文指標變化Tab.1 Change of key hydrological indices before and after the construction of Yongqing Reservoir

在第一段產卵期內，由于漲水持續天數增加，初始流量以及日流量增長量的增大，漲水條件合適，蛇鮈能夠維持一定的種群數量。因此，采用永慶水庫建設后的漲水過程水文指標平均值作為第一段產卵期的生態水文目標。第二段產卵期內，由于吉林水文站漲水次數減少，松花江水文站雖然因支流匯入形成新的漲水過程使有效漲水次數不變，但由此形成的漲水過程初始流量小，對產漂流性卵魚類刺激有限，并且漲水時可能因為水溫、溶解氧等環境因素限制了魚類產卵，從而導致四大家魚和“三花一島”種群數量持續衰退。由于產漂流性卵魚類產卵可能和節律性的漲水有關，因此認為漲水初始流量指標和漲水過程數指標是影響第二段產卵期的主要水文指標。在建立刺激產漂流性卵魚類產卵的漲水過程水文目標時，應保持有節律性的有效漲水，提高初始流量和洪峰流量這兩個指標，而其它漲水過程指標采用永慶水庫建設運行前的指標的平均值。

參考楊澤凡[8]的相關研究可知，松花江水文站斷面的一級漫灘水位為151.1 m，對照水位-流量關系曲線，高脈沖流量相應的下限流量為522 m3/s，可以將其作為產卵場最低漲水持續流量。設定刺激豐滿水電站下游產漂流性卵魚類產卵的漲水過程所需的生態水文最低控制標準見表2。在生態水文最低標準的基礎上，保持生態目標的有效漲水次數、每次漲水持續時間和前后兩次有效漲水時間間隔不變，對斷面初始流量和流量日上漲量分別提高50%和100%，以此作為部分生態調度目標。

表2 刺激產漂流性卵魚類產卵的生態調度最低控制標準Tab.2 The target of ecological dispatch for stimulate drifting eggs fishes spawning

3 HEC-ResSim調度模型的建立

3.1 HEC-ResSim調度模型

HEC-ResSim模型是由美國陸軍工程兵團水文工程中心(HEC)開發的一種用來模擬水庫系統的新型軟件，它是在HEC-5軟件基礎上改進而來的版本，現已被廣泛用于流域管理和規劃提供的實時決策支持[9]。該模型包括3個具有不同功能的獨立模塊，分別是流域設置、水庫網絡系統和水庫調度模擬。流域設置是為流域的創建和定義提供一個共同的框架，流域可以包括用于特定區域的所有水流和工程，例如水庫、堤壩、計量位置、沖擊區域、時間序列位置等，這些內容一旦配置，就形成了一個流域框架[10]。水庫網絡模塊的設置是為了分離出流域內水庫系統的物理屬性，便于使用者對其進行設置。在該模塊中可構建河流示意圖，描述水庫模型的物理特性，并且開發有可分析的替代方案。一旦該模塊設置完成，就可以定義水庫網絡元件的物理和操作數據。當流域設置和水庫網絡構建完成后，便可在水庫調度模擬模塊中模擬不同調度方案，進行計算分析并查看調度結果。

3.2 模型的建立

利用GIS在流域設置模塊創建一個位于第二松花江流域上的模型示意圖，確定水庫、計算點、控制點、引匯流位置，對于流域內的河流、湖泊、水庫等位置采用不同的形狀文件標記。在水庫網絡模塊中，將流域設置模塊中創建的配置作為模板建立水庫網路基礎，定義豐滿水庫和永慶水庫的物理特征數據及運行數據，添加河道路由，保證水庫網絡連通性。

重建后的豐滿水電站共有2臺原三期廠房發電機組(引用流量390.23 m3/s，單機容量200 MW，發電效率98.05%)和6臺新壩壩后廠房發電機組(引用流量296.70 m3/s，單機容量140 MW，發電效率95.00%)，總裝機容量1 480 MW，多年保證出力147 MW，不計空載流量和水頭損失。利用HEC-ResSim模型模擬1975-1984年重建后的豐滿水電站3種發電機組組合方式(表3)，可以看出，新機組加1臺原機組的組合形式，由于減少部分棄水用來發電，使得多年平均出力最大，因此確定生態調度運行方式采用此組合形式。

3.3 模擬方案與模型率定

模擬方案采取豐滿水庫和永慶反調節水庫聯合調度，以永慶水庫建設后的多年平均漲水過程水文指標為生態調度目標1；在有效漲水持續時間、時間間隔和漲水次數不變的情況下，將提高50%的流量平均日上漲率和漲水初始流量指標定義為生態調度目標2；將提高100%的流量平均日上漲率和漲水初始流量指標定義為生態調度目標3。同時，考慮到下游工農業、工程用水和環境需水條件，設計不同水文年的生態調度方案，見表4。

表3 豐滿水電站不同機組組合運行模擬結果Tab.3 Simulation results of different combination units in Fengman Hydropower Station

表4 生態調度設計方案Tab.4 The design of ecological dispatch

根據式(1)和式(2)對豐滿、吉林和松花江水文站的模擬日流量和真實日流量進行差異計算，修正后算得R=0.902，N=51.83 m3/s，可知滿足精度要求。

(1)

(2)

4 模擬結果分析

根據兩種水庫運行規則和3個生態調度目標的調度設計方案，模擬出豐滿-永慶水庫在豐平枯水年6種情境下的聯合生態調度結果，見圖1、圖2和圖3，統計模擬結果見表5。

由生態調度模擬結果分析可知，在情境1、2、3的運行方式下，豐滿-永慶水庫調度營造的漲水過程初始流量和日流量上漲量均沒有達到目標值，且與多年平均值有一定差距。考慮漲水過程受到豐滿水電站調峰的影響，營造的漲水過程呈“鋸齒”狀，流量日內變化頻繁，會打斷持續的漲水過程，因此無法在下游形成滿足設定生態目標的有效漲水過程。

圖1 豐水年模擬結果Fig.1 Simulation results of wet year

圖2 平水年模擬結果Fig.2 Simulation results of average year

圖3 枯水年模擬結果Fig.3 Simulation results of dry year

情境編號運行方式平均出力/MW中部城市引水量保證率 /%水量利用率/%豐平枯豐平枯豐平枯1調峰+目標1151.3112.789.594.194.188.279.296.098.82調峰+目標2154.0115.696.492.297.197.180.895.298.83調峰+目標3155.8117.9101.592.294.194.181.893.097.84不調峰+目標1207.4172.5136.6100.0100.052.999.999.998.65不調峰+目標2208.9185.3137.5100.076.552.999.999.898.46不調峰+目標3214.2184.8138.497.170.652.999.999.998.4

分析情境4、5、6的模擬結果發現，豐水年生態調度營造的漲水過程各項有效漲水指標均達到目標值，隨著漲水過程指標的提升，平均出力逐漸增加。在平水年中，情境4和情境5營造的漲水過程各指標均達到目標，但情境6的運行方式只產生了4次有效漲水過程。隨著漲水指標的提升，平均出力先增加后減少，中部城市引水保證率逐漸減小，情境5、6的調度造成中部引水保證率下降至76.5%和70.6%，不滿足中部城市引水工程最低供水保證率。在枯水年中，第一段生態調度期內調度結果達到目標，而在第二段生態調度期內，均未形成持續明顯的漲水過程。

5 結 論

為了解決豐滿水電站下游產漂流性卵魚類產卵問題，本文定量描述漲水過程指標在豐滿大壩下游河段的時空變化特征，確定生態調度的目標，從而實現將刺激產漂流性卵魚類產卵的生態因素納入到水庫調度方案中，最終根據HEC-ResSim模型對6種情境下的聯合生態調度進行模擬與分析。

通過HEC-ResSim模型模擬結果可知，豐滿水庫調峰發電，永慶水庫反調節的運行模式可以保證下游河道枯水期最低161 m3/s、灌溉期最低361 m3/s的流量要求。對于考慮產漂流性卵魚類產卵的生態調度，豐滿水電站調峰會打斷持續漲水過程，使漲水過程呈“鋸齒”狀變化，無法滿足下游產漂流性卵魚類的產卵要求。當豐滿水電站不調峰運行時，在豐水年可以達到刺激產漂流性卵魚類產卵的要求，但在平水年與枯水年中部城市引水保證率與刺激產漂流性卵魚類產卵的要求都難以滿足?？紤]到永慶水庫受其庫容較小的限制，無法形成利于產漂流性卵魚類產卵的持續多日有效漲水，因此應在生態調度期間改變豐滿水庫調峰發電的運行方式，或增加棄水來營造持續的漲水過程。