径流引水式小水电生态-发电协同优化模型及应用_吴元梅.pdf

第 卷 第 期 年 月水 资 源 与 水 工 程 学 报 ，收稿日期：；修回日期：基金项目：青海省应用基础研究项目（）作者简介：吴元梅（），女，甘肃永登人，工程师，主要从事水利工程与水资源方面的研究工作。：径流引水式小水电生态发电协同优化模型及应用吴元梅（青海省水利水电科学研究院有限公司 青海省流域水循环与生态重点实验室青海省水资源高效利用工程技术研究中心，青海 西宁）摘 要：以湟水河流域的湟乐水电站为例，基于自然水流范式计算河道内适宜生态流量和生态基流，以生态流量为主要约束建立径流引水式小水电生态发电协同优化模型，利用 算法得到引水发电流量的 解，研究成果对指导径流引水式小水电的生态调度和运行管理具有重要指导价值。结果表明：滑动 检验法诊断西宁水文站年径流量时间序列的突变点是 年，经还原后得到 年多年平均天然径流量为 ；适宜生态流量在年内枯水期、平水期和丰水期展布的同期比分别是 、和，达到了“极好”标准；以传统 法“一般”标准确定的非汛期生态基流为 、汛期生态基流为 ；采用生态发电协同优化模型计算多年平均来水条件下湟乐水电站的年发电量为 ，枢纽下泄流量均满足减水河段生态流量需求；多年来水条件下湟乐水电站等效减排 ，电站的减排生态效益为 元，发电经济效益为 元。关键词：径流引水式小水电；生态流量；协同优化；湟乐水电站中图分类号：；文献标识码：文章编号：（）（，）：，“”“”，：；研究背景小水电即小规模的水力发电工程，我国通常将装机容量为 及以下的水电站定义为小水电。相对于欧洲发达国家水能资源的开发程度，我国农村小水电开发前景广阔。小型径流引水式水电站是一种常见的水力发电工程，引水式小水电站建成后，在厂坝之间会形成减（脱）水河段，对河道内水域系统的水文、水质、泥沙、水生生物等生态组分结构和自然本底势必造成极大影响。国内曾出现了盲目拆除小水电的高潮，存在小水电整治“一刀切”现象，盲目拆除小水电不仅会制约“双碳目标”的实现，而且不利于防洪减灾、构建灵活电网、脱贫致富以及巩固政府公信力。因此，应利用辩证思维看待小水电的开发问题，采用这种思维方式国内学者在生态流量计算、小水电生态调度、小水电评价 等领域进行了大量研究工作，对小水电的开发、运行和管理提供了理论指导和技术方法。本文以湟水河流域中游的湟乐水电站为例，基于还原论和水文学方法计算河道内生态流量阈值，并以此为约束建立小水电生态发电均衡调度模型，通过 （）算法优化小水电引水发电流量过程，确定小水电生态调度的生态流量阈值，以实现厂坝减水河段生态流量的刚性放流。此外，对小水电的生态效益和经济效益进行权衡分析，并提出小水电开发和运行管理的对策建议。研究成果对于径流引水式小水电的生态调度、可持续运行管理以及厂坝减（脱）水河段水生态系统的维护具有重要参考价值。工程概况与研究方法 工程概况湟水河干流湟源 西宁段共有小型水电站 座，其中湟乐水电站位于西宁市城东区，所处二级水功能区为湟水西宁市城东工业用水区。该水电站枢纽位于八一路黄南小区北侧，采用闸坝结合的开发方案，从枢纽右岸的 孔引水闸通过明渠引水至下游约 处的发电厂房，发电水头为 。发电厂房位于乐家湾镇湟乐公园西北侧，水电站设计引水流量为 ，装机容量为 ，属于径流引水式小型水电站。西宁水文站位于湟乐水电站上游 处的西宁市北门外，是湟水河干流的控制性水文站，集水面积为 。由于西宁水文站与湟乐水电站区间无较大支流汇入，湟乐水电站枢纽断面来水量计算主要采用西宁水文站实测资料，该水文站 年共 实测径流资料来源于青海省水文水资源测报中心。本文研究区域概况及湟乐水电站实景图见图。图 研究区域概况及湟乐水电站实景图 研究方法 径流变化与突变诊断水文过程决定并影响河流生态系统的物质流、能量流和信息流，自然或近自然水文过程是保护河流生态系统的最理想选择。董哲仁等认为生态流量的计算应遵循自然水流范式，自然生态水文情势应作为确定生态流量的基准。秦毅等提出水文分析与预测的结果只第 期 吴元梅：径流引水式小水电生态发电协同优化模型及应用有在一致性（平稳性）序列条件下才有意义。考虑到人类活动对天然径流系列一致性条件的破坏，水文站实测流量与天然径流的偏差势必影响生态流量计算的准确性。因此，本研究首先分析径流量变化趋势及规律，诊断径流量在时间统计意义上的突变点，对突变点以前的径流时间序列采用还原法实现径流量时间序列的一致性。本文采用实测时间序列分段线性拟合及径流差积曲线方法分析径流序列的变化趋势及丰枯交替规律，模比系数差积曲线上升则表明径流呈现增大趋势，曲线下降则表明径流呈减少趋势。研究采用滑动 检验方法诊断实测径流量时间序列的突变点。计算分析步骤如下：（）在径流量时间序列的突变点前后分别抽取样本容量分别为 和 的两个子序列；（）计算子序列的均值?、?及方差、；（）构造统计量，服从（）分布，计算公式为：?（）（）()（）（）判断突变点。设显著性水平 对应的临界值为，若 ，则径流序列可能发生突变，突变点主要位于统计量 的极值点；若 ，则径流序列不存在明显的突变。河道内生态流量研究认为生态流量是指特定时空尺度上维持河湖生态功能、结构和过程完整，保证河湖生命健康并为人类提供可持续水生态服务所需的流量及其脉冲过程。生态流量包括诸如基本生态流量、适宜生态流量、生态基流、环境流量等概念。小水电生态发电均衡调度模型中生态基流是模型约束的下限，用来维持河流基本形态和基本功能，保证河流水流连续。生态基流分别采用传统 法和改进 法计算，湟水河流域属于北方水资源短缺、用水紧张的地区河流，宜选取河道内生态环境状况目标为“一般”标准。传统 法非汛期（翌年 月）和汛期（月）的生态基流分别占多年天然年均流量的 和；改进 法非汛期（翌年 月）和汛期（月）各月的生态基流占同期多年月均天然流量的和。适宜生态流量是河道内土著鱼类产卵繁殖、河槽冲淤平衡、良好水质保持、湖泊湿地补水和地下水补给等生态过程的需水量，各需水组分及过程之间存在水量重复，河道内适宜生态流量采用改进年内展布法确定。湟水河生态水文过程具有明显的季节性特征，根据河流年内丰枯变化特征和敏感生态主体的需水规律，将年内水文时间划分为枯水期（翌年 月）、平水期（月）、丰水期（月）。首先计算枯水期、平水期、丰水期内最小月均径流量均值与多年月均径流量均值之比（同期比），然后以同频率时期内多年月平均流量为基准，利用同期比计算得到河道内生态流量展布过程。改进年内展布法计算公式如下：?（），（），?（），?（），?（）式中：为第年月的月均流量，、，；，为多年月均最小流量，；，、，和，分别为枯水期、平水期、丰水期最小月均流量的均值，；、和 分别为枯水期、平水期、丰水期多年月均流量的均值，；、和 分别为枯水期、平水期、丰水期的同期比；、分别为枯水期、平水期、丰水期包含的月份数。小水电生态发电均衡调度模型与求解 设研究河段共有 座小型水电站串联，小水电站编号依次为，。考虑发电、生态利益协同建立生态发电协同调度模型，以发电量最大和河道生态缺水率最小作为优化目标；约束条件包括水量连续约束、生态流量约束、引水发电流量约束和决策变量非负约束等。（）目标函数 水 资 源 与 水 工 程 学 报 年（）（），（）（）（）（）为发电量最大目标：（），（）（）为河道生态缺水率最小：（）（，），（）（）约束条件水量连续性约束：，（）生态基流约束：，（）最大发电引水流量约束：，（）变量非负约束条件：上述的所有变量均为非负变量式中：为水电站设计水头，；，为水电站 的发电引水流量，；，为水电站 的枢纽控制断面来水流量，；为发电小时数，；，为河道内的适宜生态流量，；为第 水电站与第 水电站间的区间径流变化量，；，为上游水电站枢纽的下泄流量，；，为上游水电站的发电引水流量，；为损失系数；为河道内生态基流，；为水电站 设计最大过流能力，。为梯级水电站序数，为计算时段，；为水电站的效率系数，一般取值为 。（）模型求解。生态发电协同的水能水量调度是一个典型的多阶段、双目标决策问题，采用 算法求解引水发电流量序列的非劣解集（解）。算法是一种基于帕累托（）最优解理论的多目标智能优化遗传算法（，），主要运用非支配排序和遗传操作等方法寻求帕累托最优解集，该算法收敛速度快且鲁棒性强。算法个体选择采用二元锦标赛法，筛选 等级高且拥挤度大的个体进入子代种群，遗传操作采用模拟二进制交叉与多项式变异，通过精英保留策略将原始种群和候选种群合并，重新进行 分层和拥挤度计算，然后按照 层级和拥挤度选择适当的种群规模进入下一轮循环。最后通过遗传操作生成新个体并计算其适应度，设置恰当的最优前端个体比例，从而保存帕累托最优解集。模型求解参数设置：最优前端个体系数设为；种群规模 ；最大进化代数 ；停止代数 ；初始交叉系数 ；初始变异系数 。基于 工具箱对上述模型进行求解，得到水电站的发电流量过程。结果与分析图 为 年西宁水文站径流量实测时间序列；图 为 年西宁水文站径流量的模比系数差积曲线。由图 可见，径流量年际震荡比较明显，丰枯变化交替出现。通过对 年和 年的径流实测样本分段线性拟合发现，年径流量呈现整体减少趋势，年均减少速率为 ；年径流量呈现整体增加趋势，年均增加速率为 。由图 可以看出，径流量时间序列有完整的丰枯周期，系列代表性较好。年径流量保持增大趋势，趋于丰水；年径流模比系数差积值减小，趋于枯水；年径流量表现为明显增加趋势；年径流量基本呈现出减少趋势，特别是 年以后模比系数差积值为负值，径流减少趋势显著；自 年模比系数差积值呈现出快速增大态势，径流量显著增加。图 年西宁水文站径流量实测时间序列 图 年西宁水文站径流量模比系数差积曲线 研究采用 滑动 检验法检验径流时间序列的突变点，检验结果见图。从图可以看出，年 统计量最大且大于 显著性水平检验临界值，故认为年径流量时间序列从 年开始明显变异。对变异前 年的实测径流量进行还原计算得到的天然径流过程见图。第 期 吴元梅：径流引水式小水电生态发电协同优化模型及应用 图 西宁水文站径流量突变 滑动 检验 图 年西宁水文站径流系列还原计算结果 由图 可知，天然条件下西宁水文站多年平均径流量为 。以还原后的天然径流过程作为生态流量计算的基准，计算出的湟乐水电站断面河道生态基流和河道适宜生态流量过程见表。根据表 中的计算结果，若按照传统 法中的“一般”标准，以天然情况下多年平均年流量为基准，计算出的湟乐水电站断面非汛期（翌年 月）生态基流为 、汛期（月）生态基流为 。湟乐水电站属于径流引水式水电站，无调节能力，枢纽下泄流量（减水河段水量）即为枢纽断面实际来水量减去发电引水流量。根据小水电生态发电均衡调度模型，求解得到引水发电流量的 解前端分布，如图 所示，选择均衡生态与发电的最优 解个体对应的引水发电流量过程见图。多年平均实际来水条件下水电站的年发电量为 （图），由图 可以看出，月枢纽下泄流量均大于河道内适宜生态流量，翌年 月枢纽下泄流量均大于传统 法生态基流和改进 法生态基流，生态流量可以得到满足。表 湟乐水电站断面生态流量过程计算成果 月份适宜生态流量改进年内展布法生态基流改进 法 传统 法 图 解个体前端分布图 图 湟乐水电站枢纽流量过程优化调度 讨 论研究基于“自然水流范式”的还原论，利用 法和改进年内展布法确定了生态流量阈值。以生态流量作为主要约束条件，建立了径流式引水式水电站生态发电协同优化模型，优化引水枢纽的发电流量和下泄流量过程，以保证减水河段满足生态流量需求。改进 法取同期多年月均天然流量的 和 计算生态基流过程，生态基流达到了 法对河流生态需水推荐的“一般”标准。改进年内展布法计算枯水期、平水期、丰水期的同期比分别为 、和 ，河道内适宜生态流量达到了 法对河流生态需水推荐的“极好”标准。湟水流域水资源开发利用率高，水文节律脉动较大，生态环境较脆弱，在满足水资源承载力基础 水 资 源 与 水 工 程 学 报 年上，必须按照保持河流水体纵向连续、维持河流廊道生态功能健康、满足重要敏感指示生物用水需水的原则合理确定生态流量阈值。通过设置不同生态流量条件，计算