生態流量泄放對無調節引水式電站發電量影響分析

溫 毓 繁，鄧 升

(江西省水利科學院，江西 南昌 330029)

0 引 言

中國河流眾多，水能資源豐富，在各河流上興建有大量水電站，其中絕大部分是小水電[1]。水電站的興建阻斷了河流的連通性，尤其是大壩下游形成減脫水段，可能會影響河流健康[2]。解決河道減脫水問題的核心措施是電站泄放生態流量。生態流量泄放可能會導致發電量減少，這與水電站追求發電效益最大化存在尖銳矛盾[3]。2019年8月水利部、生態環境部印發《關于加強長江經濟帶小水電站生態流量監管的通知》，指出各省級主管部門要推動建立反映生態保護和修復治理成本的小水電上網電價機制，其中生態保護和修復治理的主要措施是電站泄放生態流量。在制定該上網電價機制前，相關行政部門亟需掌握生態流量泄放對全省各電站發電量及其效益的影響，因此開展生態流量泄放對無調節引水式電站發電量影響研究非常迫切。

國內外部分學者已對生態流量泄放對電站發電量的影響開展了相關研究。王霞等[4]以壩后式電站為例，分析不同生態用水方案對電站發電量產生的影響；王栓平[5]以享堂水電站為例，分析生態流量泄放對水量及多年平均發電量和年利用小時數的影響；牛麗霞等[6]以芹山水電站為例，利用發電調度軟件分析了不同生態流量泄放對水電站發電效益的影響。但目前暫未開展不同電站裝機、長序列來水年份及來水均勻程度對電站電量損失的定量與定性的研究。基于此，本文引入基尼系數表征日平均流量年內均勻程度，以江西省九江市九宮一級電站為例，選取1963～2019年57 a有水文記錄以來的逐日流量數據，計算了無調節引水式水電站生態流量泄放前后，各年水電站電量損失情況，定性與定量分析了不同電站裝機、不同基尼系數對電站電量損失的影響。本文所指電量損失為電站因泄放生態流量產生額外的棄水而導致的發電量損失。

1 研究區概況

江西省九江市九宮一級電站于1998年7月開工建設，2000年2月投產運行，2016年進行增效擴容改造。電站裝機容量950 kW，為無調節引水式電站。電站坐落于修河支流上湯水上，壩址以上控制流域面積25 km2，多年平均發電量450萬kW·h。

上湯水流域內無水文觀測站，與其相鄰的羅溪水流域內地形及下墊面條件與上湯水流域相似，因此選用羅溪水文站為水文參證站。壩址徑流計算由羅溪水文站徑流通過水文比擬法進行分析確定，選取1963～2019年共57 a逐日流量數據進行分析計算。

2 研究方法

2.1 不泄放生態流量時電站年發電量計算方法

因無調節引水式電站1 d內河道徑流變化較小，取1 d為1個計算時段。電站逐日及年發電量計算公式為

Ni=9.81ηQiHi

(1)

Hi=Z上-Z下-Δh

(2)

(3)

式中：Ni為第i天平均出力，kW；η為水電站效率，查閱九宮一級水輪機機組資料，取值0.8；Qi為第i天機組發電流量，m3/s，當日徑流小于機組發電額定流量時，取日徑流計算，當日徑流大于或等于機組發電額定引水流量時，取額定流量計算，多余水量下泄，額定流量由計算時假定的裝機容量確定；Hi為發電凈水頭，m；Z上為壓力前池進水口水位，本文取進水口平均水位248.75 m；Z下為水輪機轉輪中心高程，本文取值115.00 m；Δh為水頭損失，取值1.80 m，因此，凈水頭Hi為131.95 m；E為年發電量，kW·h；n為年發電天數，取值365 d。

2.2 泄放生態流量時電站年發電量計算方法

引水式電站要求壩腳下24 h保障最小生態流量泄放，當上游來水小于最小生態流量時，所有來水均作為生態流量泄放。當壩址處棄水不小于最小生態流量時，不再泄放生態流量[7]；棄水小于最小生態流量時，開啟生態流量泄放設施泄放生態流量，補足至最小生態流量。大部分電站按壩址處多年平均流量的10%確定為生態流量，本文亦按此確定，即0.08 m3/s。采取逐日計算生態流量泄放后電站發電量，計算公式與公式(1)～(3)一致。

2.3 基尼系數計算方法

在研究分析中，發現部分豐水年的發電量小于部分中水年的發電量，其原因在于年內徑流分布存在很大的不均勻性，因此有必要引入一個參數來表征年內徑流分布的不均勻性。通過試算水文學中常用的變異系數與經濟學中常用的基尼系數[8]，發現通過變異系數分檔分類的年平均流量與發電量關系曲線之間交叉嚴重，變異系數對年內徑流分布不均勻性對發電量的影響表征性不明顯。而通過基尼系數分檔分類的年平均流量與發電量關系曲線之間基本不存在交叉，基尼系數對年內徑流分布不均勻性對發電量的影響表征性明顯。因此，本文選用基尼系數表征年內徑流的不均勻性。

基尼系數是意大利經濟學家Corrado Gini為反映社會收入分配的不平等的程度，于1922年在洛倫茲曲線的基礎上提出的，其含義指洛倫茲曲線與絕對公平線所包圍的面積占絕對公平線與絕對不公平線之間的面積的比重，用G表示，0≤G≤1，G越大表示越不均勻，反之則越均勻[9]。近年，基尼系數在徑流降雨年內分配、水資源分配等領域成功應用，如楊會龍[10]采用基尼系數評價用水公平性，王青等[11]利用基尼系數相關理論分析張家山站徑流及降雨分布不均勻問題。相關成果表明，基尼系數在表征徑流分布均勻程度上具有一定優勢。本文采用張建華提出的一種簡便易用的計算方法計算基尼系數，公式如下：

(4)

式中：G為基尼系數；n為1 a所有天數，即n取值365；Wi為第1天至第i天累計徑流占全年徑流的百分比，其中累計徑流按從小至大排序的日徑流順序累加。

3 計算方案

影響無調節引水式電站的年發電量及生態流量泄放后電量損失主要有3個因素，分別為電站的裝機、全年日徑流情況、生態流量泄放量要求。本文選擇的生態流量泄放量按多年平均流量的10%確定，大部分電站亦按此要求泄放生態流量，因此本文不再討論生態流量泄放量的變化對電量損失的影響，重點討論電站的裝機及全年日徑流情況對電量損失的影響。具體方案如下：

(1) 電站裝機。本文計算時電站裝機根據裝機設計保證率進行確定，裝機設計保證率為多年正常工作日占總日數的百分比，選取11個裝機設計保證率對應的裝機進行分析計算，裝機設計保證率與裝機對應關系如表1所列。

表1 電站裝機容量與裝機設計保證率對應關系

(2)基尼系數分檔。根據公式(4)計算1963～2019年57 a各年徑流分布基尼系數，基尼系數最大值為1967年的0.67，最小值為2006年的0.39。基尼系數從小至大，每間隔0.046劃分1檔，共劃分為6檔，檔數越小，基尼系數越小。各年根據其基尼系數進行分檔。每檔范圍及劃入的年數如表2所列。

表2 基尼系數分檔范圍及劃入的年數

4 結果分析

4.1 基尼系數對電站發電量影響分析

按基尼系數分檔，電站不泄放生態流量，繪制不同裝機設計保證率下的各年年平均流量與發電量曲線圖。通過系列曲線圖可得：裝機設計保證率不同時，基尼系數對電站的發電量影響不同且裝機設計保證率存在較明顯的分界點，裝機設計保證率分界點為5%與60%，本文簡稱為裝機設計保證率小分界點與裝機設計保證率大分界點。限于篇幅，現給出裝機設計保證率為1%，5%，20%，50%，60%，80%的各年年平均流量與發電量曲線圖。

裝機設計保證率為0～5%期間(見圖1～2)，隨著裝機設計保證率的降低，裝機容量的增加，各基尼分檔曲線之間重合交叉嚴重，且年平均流量越小，交叉重疊現象出現得越早，即裝機設計保證率越低，基尼系數對年發電量的影響減弱直至無影響，且影響減弱的現象首先出現在年平均流量較小的年份。當裝機設計保證率為0時，各曲線已經完全重合為一條與年平均流量呈正相關的直線，基尼系數對各年發電量已經完全無影響。

圖1 裝機設計保證率為1%時年發電量Fig.1 Annual hydropower generation capacity when the installed capacity design guarantee rate is 1%

圖2 裝機設計保證率為5%時年發電量Fig.2 Annual hydropower generation capacity when the installed capacity design guarantee rate is 5%

裝機設計保證率為5%～60%期間(見圖3～5)，各基尼系數分檔曲線之間基本無交叉，層次分明。屬于同一基尼系數分檔中的發電量隨著年平均流量的增大而增大；基尼系數分檔數較小的曲線基本上均位于分檔數較大的上方，即年平均流量相近時，基尼系數越小，年發電量越大。

圖3 裝機設計保證率為20%時年發電量Fig.3 Annual hydropower generation capacity when the installed capacity design guarantee rate is 20%

裝機設計保證率為60%～100%期間(見圖6)，隨著裝機設計保證率的增大，裝機容量的降低，各基尼分檔曲線之間重合交叉嚴重，且年平均流量越大，交叉重疊現象出現得越早，即裝機設計保證率越大，基尼系數對年發電量的影響減弱直至無影響，且首先出現在年平均流量較大的年份。當裝機設計保證率為100%時，各曲線已經完全重合為一條水平直線，基尼系數對發電量已經完全無影響。

圖4 裝機設計保證率為50%時年發電量Fig.4 Annual hydropower generation capacity when the installed capacity design guarantee rate is 50%

圖5 裝機設計保證率為60%時年發電量Fig.5 Annual hydropower generation capacity when the installed capacity design guarantee rate is 60%

圖6 裝機設計保證率為80%時年發電量Fig.6 Annual hydropower generation capacity when the installed capacity design guarantee rate is 80%

電站泄放生態流量后，基尼系數對發電量的影響與不泄放生態流量時走勢相近，但裝機設計保證率大小分界點均增大，分別為8%，80%。

4.2 年平均流量、基尼系數對電量損失百分比影響分析

裝機設計保證率為20%時，年平均流量與電量損失百分比如圖7所示。本文所指電量損失百分比等于當年因生態流量泄放導致的電量損失量與當年不泄放生態流量時電站發電量的百分比。由圖7可知：屬于同一基尼系數分檔中的電量損失百分比，年平均流量越大，電量損失百分比越小；基尼系數分檔較小的曲線普遍在基尼系數分檔數較大的下方。因此，在基尼系數相近時，豐水年的電量損失百分比普遍小于枯水年；年平均流量相近時，基尼系數越小，電量損失百分比普遍越小。

圖7 年平均流量與電量損失百分比關系Fig.7 The relationship between the average annual flow and the percentage of hydropower loss

4.3 不同裝機設計保證率對電量損失百分比影響分析

電站裝機設計保證率與多年平均損失電量及電量損失百分比曲線如圖8所示。由圖8可知：多年平均損失電量隨著電站裝機設計保證率的增大呈近線性關系降低，最大損失電量位于裝機設計保證率為0時，損失電量72.5萬kW·h，最小損失電量位于裝機設計保證率為100%時，損失電量0.7萬kW·h。

圖8 電站裝機設計保證率與多年平均損失電量及損失百分比曲線Fig.8 The relationship between the installed capacity design guarantee rate and the average annual hydropower loss and its percentage

裝機設計保證率在0～30%期間，多年平均電量損失百分比隨著裝機設計保證率的增大而增大；裝機設計保證率在30%～100%期間，多年平均電量損失百分比隨著裝機設計保證率的增大而減小；當電站裝機設計保證率為30%時，電站多年平均電量損失百分比最大。裝機設計保證率為0%，30%，100%時，對應的電站多年平均電量損失百分比分別為10.0%，13.3%，1.1%。

5 結 論

本文通過引入基尼系數，逐日計算不同裝機設計保證率時電站發電量及電量損失，分析了生態流量泄放對無調節引水式電站電量損失的影響，可以得出以下結論：

(1) 裝機設計保證率不同時，基尼系數對電站的發電量影響規律不同且裝機設計保證率存在較明顯的分界點，裝機設計保證率分界點為5%與60%。生態流量按多年平均流量10%泄放后，基尼系數對發電量的影響規律與不泄放生態流量時走勢相近，但裝機設計保證率大小分界點均增大，分別為8%，80%。

(2) 基尼系數相近時，豐水年的電量損失百分比普遍小于枯水年；年平均流量相近時，基尼系數越小，電量損失百分比普遍越小。

(3) 多年平均損失電量隨著電站裝機設計保證率的增大呈近線性關系降低。裝機設計保證率在0～30%期間，多年平均電量損失百分比隨著裝機設計保證率的增大而增大；在30%～100%期間，多年平均電量損失百分比隨著裝機設計保證率的增大而減小；為30%時，電站多年平均電量損失百分比最大，其值為13.3%，該類電站因生態流量泄放導致的電量損失最大。