龙羊峡、刘家峡梯级水库补偿调度节能能力分析

张泽中， 张 亮， 齐青青，， 黄 强， 薛小杰

（1.华北水利水电学院,河南 郑州 450045；

2.西安理工大学水利水电学院，陕西 西安 710048）

长期以来，煤炭在我国能源消费结构中占有主导地位，且近期内这一局面难以改变。然而，我国现有已探明的煤炭储量约为1万亿t，具有经济开采价值的储量仅为1 145亿t[1]，仅可供开采100 a左右。试设想，如果43 000亿kW·h的电能全赖燃煤供应，则年燃煤约21.5亿t[2]，不仅在资源、采掘运输上将遇到难以克服的困难，引起的环境污染也将无法想象。解决能源瓶颈是关系我国能否健康、快速、可持续发展的重大问题；同时，实施CO2减排是减缓全球变暖最为关键的举措[3]，我国CO2减排任务十分艰巨。水电是可持续利用的清洁能源，科学开发、合理利用水能资源是保障我国能源供应的重要措施。水力发电不需要大宗的燃料，它既不排放废气，也不需倾倒废渣，有助于应对气候变化，节约宝贵的化石能源。 据统计[4]，三峡和葛洲坝水电站每年发电1 000亿kW·h，至少可替代6 000万t煤。自1990年黄河实施统一调度以来，黄河上游梯级水库补偿调度取得的效益主要体现在：一，保证城市生活用水；二，合理安排农业用水；三，兼顾工业用水；四，按计划保证生态和环境用水；五，具有巨大的节能和减排贡献。随着该梯级的不断滚动开发，节能能力在不同的年代应是动态变化的。为了全面、系统、深入地分析龙羊峡、刘家峡梯级水库节能能力，并考虑其动态特性，本文对黄河干流上游龙羊峡、刘家峡梯级水库 （以下简称 “龙、刘两库”）节能能力按2005、2015和2020这3个不同水平年进行分析计算，以考察其变化规律。

1 黄河干流补偿调度

1.1 补偿调节系统分析

研究补偿调度涉及到补偿者和被补偿者两个方面，需要根据黄河干流的实际情况和本次研究的要求，将黄河干流的补偿方与被补偿方进行划分。本研究将龙、刘两库作为两个独立的子系统分别计算它们单独以及联合调节时对中下游的节能能力，在黄河干流梯级水库补偿调节中作为补偿系统考虑，是整个黄河干流的施益系统。上游径流式梯级被补偿系统，包括该水平年黄河上游龙～青河段的所有径流式电站。根据黄河流域梯级滚动开发规划，到2020水平年，龙～青河段的25座水电站将全部建成投运，其中大多数水电站为日调节性，只有2020水平年建成的大柳树水电站具有年调节性。而大柳树水电站位于龙～青河段梯级靠下游的位置，其下游仅有沙坡头和青铜峡两座径流式水电站。因此，大柳树水库对上游径流式梯级节能能力的影响不大，所以在补偿系统中未考虑大柳树水库。三门峡和小浪底两座水库位于黄河中下游，三门峡具有季调节能力，小浪底是年调节水库，简称 “三、小被补偿系统”。龙、刘两水库蓄丰补枯的调节将减少三、小两库的汛期来水，减轻其防洪压力，有缓解下游供水矛盾的作用。沿黄各省被补偿系统，包括青海、四川、甘肃、宁夏、内蒙、陕西、山西、河南和山东九个省 （自治区）。

1.2 梯级水库节能能力计算方案设置

本研究中梯级水库节能能力的计算分2005、2015和2020水平年。3个水平年在进行水库节能能力分析时，将龙羊峡和刘家峡水库分开考虑，分别计算其存在时对下游产生的水库节能能力。即，每个水平年的模型分 “无龙无刘”、 “无龙有刘”和“有龙有刘”求解下游各项水资源调控目标的满足情况，研究在不同参数输入情况下的系统响应，以便更有效地反映黄河干流的复杂情况。

1.3 模型建立

模型采用黄河干流梯级水库补偿调度的仿真模型，考虑三类目标函数，分别是防洪减灾目标、生态目标以及水资源利用目标。其中，防洪减灾目标包括防洪、防凌目标，防洪目标即控制水库防洪水位和下泄流量，为下游河道行洪和大坝安全提供必要的保障；生态目标要保证提供必要的河道生态和环境用水，维持黄河流域生态系统平衡；水资源利用目标将尽量追求缺水量最小，且分布合理，并在此基础上提高发电量以扩大水库节能减排贡献。具体在求解时将防洪减灾目标和生态目标转化为约束条件，水资源利用目标的目标函数：

（1） 节能目标

式中，Bae为节省标煤总量；N（i，t）为第i个子系统第t时段平均出力；c为单位电量节煤量，t/（kW·h），按照发 1 kW·h 电节煤 0.6×10－8t来算[4]。

（2）缺水量目标追求缺水量最小并且分布合理，重点解决地区间的水量合理分配及不同需水部门水量分配问题。干旱年份供水量不能满足需水要求时，通过合理调度，优化径流时空分布过程，使得

式中，w为缺水量；i为供水子系统的编号，i=1，2，…，40； t为计算总时段， t=1，2，…，T； θ（t）为 t时段缺水判别系数， 当（QP（i，t）-QG（i，t））＜0 时， 不缺水， θ（t）为 0， 当（QP（i，t）-QG（i，t））＞0 时 θ（t）为 1。

（3）约束条件包括水库水量平衡约束、节点水量平衡约束、水库库容约束、出库流量约束、防凌约束、出力约束以及变量非负约束等。仿真模型一个计算时段的求解流程如图1所示。

1.4 计算基本资料

径流资料采用黄河干流各河段共18个水文站1952.07～2004.06的长系列天然径流资料，资料来源于黄河水利委员会。其中，花园口站多年平均水量575.08亿m3[5]。 在分析黄河流域水资源开发利用现状及西北地区社会经济发展长期态势的基础上，预测了2015水平年、2020水平年工业需水、农业需水、生活需水以及流域外需水情况。目前，流域外需水主要有河南、山东工农业用水和向河北补水，现状水平年黄河流域外供水量为97.20亿m3；2015水平年为 103.72亿m3；2020水平年为105.30亿m3。因此，现状水平年黄河流域总需水量为551.21亿m3；2015水平年总需水量为636.22亿m3；2020水平年为681.71亿m3。生态环境低限需水量： 一是指水土保持对河川径流的影响，2005水平年为10亿 m3，预计 2015和2020水平年分别为 20亿 m3、25亿 m3；二是指汛期输沙水量，2005、2015和2020水平年多年平均分别需要140亿m3、130亿m3、125亿m3；三是指非汛期生态基流，总需水量50亿m3，入海最小流量控制在50 m3/s以上。因此，生态环境低限需水量多年平均为200亿m3左右。黄河流域地下水可开采量采用110亿m3。防凌控制断面分别选取兰州和花园口断面。据中国水电顾问集团西北勘测设计研究院的研究报告，黄河干流的库区年水量损失为6.31亿m3左右[5]。

图1 仿真模型求解流程示意

2 结果分析

求解黄河干流梯级水库补偿调度的仿真模型，可以得到3个水平年龙、刘两库对上游龙～青河段径流式梯级电站补偿电量的节能能力 （见表1）。

表1 2005水平年龙、刘两库节能能力 万t

从表1可看出，青铜峡及三、小电站在刘家峡单库调节时，多年平均节能能力增加0.84万、9.36万t和12.72万t标准煤；而龙、刘两库联合调节后，青铜峡电站多年平均节能能力比 “无龙无刘”、“无龙有刘”分别减少了0.96万t和1.80万t；三、小节能能力也大幅度减小。这主要是因为青铜峡水库以上河段需水比较集中，占全部干流需水的40%左右，包括甘肃、宁夏、内蒙和陕西的大部分用水，是农业灌溉需水的主要地区。刘家峡单独参与调节，其调节能力有限，对农业需水的满足程度不高；而龙羊峡水库参与补偿后，发挥其巨大的多年调节能力，将多个丰水年存蓄的水量在枯水年的非汛期下泄，对缓解宁蒙灌区春灌用水的矛盾有举足轻重的作用。正是由于龙羊峡水库良好的调节能力，增加了上游到青铜峡的区间引水，所以流经青铜峡电站的流量就相对减小；从而造成青铜峡电站的发电量在 “有龙有刘”比 “无龙无刘”、 “有龙有刘”比“无龙有刘”时减少，即节能能力减少的现象。

2015水平年龙、刘两库补偿节能能力见表2。

表2 2015水平年龙、刘两库节能能力 万t

由表2中看出，当刘家峡水电站单库参与调节时，刘家峡以上径流式电站的节能能力不受影响，包括从尼那到寺沟峡水电站，因此 “无龙有刘”与“无龙无刘”节能能力对比不发生变化，而刘家峡以下径流式电站及三、小、水电站的节能能力有不同程度的增加。当龙、刘两库都参与补偿调节后，青铜峡与三、小水电站的节能能力出现减小外，其余径流式电站的节能能力与 “无龙有刘”、 “无龙无刘”时对比都有所增加。在龙、刘两库补偿调节后青铜峡节能能力减少，原因与2005水平年的相同。

2020水平年龙、刘两库补偿节能能力见表3。

表3 2020水平年龙、刘两库节能能力 万t

表3显示，龙、刘两库补偿调节后，节能能力减少的水库除了青铜峡与三、小水电站外，还有沙坡头电站。因为2020水平年总需水相比2005水平年增加了130.50亿m3，相比2015水平年增加了45.49亿m3，若仅依靠刘家峡水库的年调节性，对上游缺水的补偿作用有限；如果龙、刘两库均参与调节，则补偿作用明显，大大增加了上游的可供水量，缺水状况可得到极大缓解。因此，2020水平年需水量的增加更能发挥龙羊峡水库的多年调节作用，体现其龙头水库的补偿价值，同时影响下游发电用水；所以才会出现龙～青河段沙坡头、青铜峡水库和中游三、小节能能力逐步减小的现象。

龙、刘两库的节能能力包括补偿自身发电的节能能力和对干流上水库的补偿发电节能能力，3个水平年下龙、刘两库的节能能力汇总到表4。

表4 不同水平年龙、刘两库节能能力的动态结果 万t

从表4可以看出，龙、刘两库补偿系统2005水平年增加黄河干流梯级节能能力为66.72万t，龙、刘两库的节能能力合计为723.72万t；2015水平年增加黄河干流梯级节能能力为87.24万t，龙、刘两库的节能能力合计为721.80万t；2020水平年增加黄河干流梯级节能能力为30.30万t，龙、刘两库的节能能力合计为645.16万t标准煤。

3 结论

针对不同水平年下黄河梯级的滚动开发规划，采用黄河干流梯级水库补偿调度的仿真模型，动态地研究了2005现状年和2015、2020预测水平年龙、刘两库的节能能力及其变化规律。3个水平年下，龙、刘两库联调时，补偿系统补偿干流梯级水库节能能力与龙羊峡水库自身节能能力变化规律相同，都是先增大后减小；而刘家峡自身节能能力变化规律随时间推移呈下降趋势。可以推论：当南水北调西线实施后有充足水量的情况下，龙羊峡水库节能能力变化趋势将改降为升，其多年调节作用可得到充分的发挥，体现其龙头水库的补偿价值。本研究再次论证了大型水电工程巨大的节能、减排作用，从而为我国水电定价与补偿政策的制定提供参考。

［1］ 莫笑萍，陈定江，胡山鹰，等.我国煤炭资源产业循环经济发展策略研究［J］.现代化工， 2005， 25（11）:12-17.

［2］ 潘家铮.水电与中国［J］.水力发电， 2004， 30（12）:17-21.

［3］ 康重庆,陈启鑫,夏清.低碳电力技术的研究展望［J］.电网技术， 2009， 33（2）:1-7.

［4］ 潘家铮.水电开发漫谈［J］.水力发电学报， 2009， 28（4）:1-4.

［5］ 张泽中.水库补偿机理和补偿效益计算方法研究［D］.西安：西安理工大学，2009.