不同氣候場景下水電站發電效益預測

金 珊

（遼寧省水利水電勘測設計研究院有限公司）

0 前言

隨著水利水電技術的發展，水電在中國能源結構調整中發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，全球工業化和經濟發展引發了嚴重的溫室效應，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速度的加快，導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，大多數流域的徑流量呈下降趨勢，北方地區表現的尤為明顯。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，構建金哨水電站的發電運行方案，對水電站應對氣候變遷導致的水資源改變具有重要意義。

1 工程概況

渾江發源于渾江市龍崗山脈南麓，流經渾江市、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。渾河流域屬于溫帶大陸性季風氣候，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，屬于渾江干流梯級開發上的第三級水電站，電站以防洪、灌溉為主，兼具發電、水產養殖及環境保護等諸多功能，屬于綜合利用水利樞紐。金哨水電站的設計庫容為9 800萬m3，電站裝機84 MW，設計年發電量2.16 億kW·h。樞紐主要由混凝土重力壩、引水發電系統及發電廠房組成，最大壩高34 m。總投資5.50 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增加，近年來金哨水電站的來水量明顯偏小，導致電站發電量一直在0.80億kW·h左右波動。

2 水量調度模型的構建

金哨水電站是渾河梯級開發的第三級電站，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，以發揮出最大效益。因此在來水現狀和保證防洪安全的前提下，選擇利用水量平衡等常規調度方式進行水量調度。

2.1 建立目標函數

根據金哨水電站的調度規劃，建立生態用水、地區用水和發電用水三個目標函數，并以此為基礎建立調度模型和調度原則。

2.1.1 生態用水目標

為了保證下游河道的生態環境，河道的徑流量需要大于最小生態用水需求量：

2.1.2 地區用水目標

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

2.1.3 發電目標

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

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

2.2 約束條件

要實現水電站的完整調度模型，需要設置如下約束條件：

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 水量調度模型的基本資料

水量調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，四個關鍵水文年的模擬計算結果如表1所示。

在流域需水資料方面，根據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電用水的可用水量，結果如表2所示。

表1 金哨水文站徑流量模擬計算結果表

表2 需水量實測資料分析結果表

3 電站發電效益分析

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

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

圖1 機組出力和最優運行曲線圖

將基于SWAT 模型預測的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中的年均發電量為0.72億kW·h。其中，2012年的發電量最大，為1.61 億kW·h，2050 年發電量最小，為0.11 億kW·h。從變化趨勢上看，在2040 年之后，發電量水平明顯偏低。由圖3可知，在RCP4.5 氣候場景下，金哨水電站在未來40年中的年均發電量為0.69億kW·h。其中，2012年的發電量最大，為1.57 億kW·h，2045 年發電量最小，為0.12 億kW·h。從變化趨勢上看，在2040 年之后，發電量水平明顯偏低。由圖4可知，在RCP8.5 氣候場景下，金哨水電站在未來40 年中的年均發電量為0.66億kW·h。其中，2016年的發電量最大，為1.38億kW·h，2043年發電量最小，為0.13億kW·h。從變化趨勢上看，在2040年之后，發電量水平明顯偏低。

圖2 RCP2.6氣候場景下未來發電情況預測圖

圖3 RCP4.5氣候場景下未來發電情況預測圖

圖4 RCP8.5氣候場景下未來發電情況預測圖

為進一步了解氣候變化對電站發電效益的影響，不同氣候場景下金哨水電站的未來發電情況預測結果與歷史時期發電情況進行對比，結果如表3 所示。由表格中的數據可知，RCP2.6 氣候場景下的未來發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，如不能很好保護環境，減少溫室氣體排放量，金哨水電站的遠期發電效益將受到氣候變化的顯著影響。

表3 金哨水電站發電量對比標

4 結論

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