張澤中， 張 亮， 齊青青，， 黃 強(qiáng)， 薛小杰

（1.華北水利水電學(xué)院,河南 鄭州 450045；

2.西安理工大學(xué)水利水電學(xué)院，陜西 西安 710048）

長(zhǎng)期以來(lái)，煤炭在我國(guó)能源消費(fèi)結(jié)構(gòu)中占有主導(dǎo)地位，且近期內(nèi)這一局面難以改變。然而，我國(guó)現(xiàn)有已探明的煤炭?jī)?chǔ)量約為1萬(wàn)億t，具有經(jīng)濟(jì)開(kāi)采價(jià)值的儲(chǔ)量?jī)H為1 145億t[1]，僅可供開(kāi)采100 a左右。試設(shè)想，如果43 000億kW·h的電能全賴(lài)燃煤供應(yīng)，則年燃煤約21.5億t[2]，不僅在資源、采掘運(yùn)輸上將遇到難以克服的困難，引起的環(huán)境污染也將無(wú)法想象。解決能源瓶頸是關(guān)系我國(guó)能否健康、快速、可持續(xù)發(fā)展的重大問(wèn)題；同時(shí)，實(shí)施CO2減排是減緩全球變暖最為關(guān)鍵的舉措[3]，我國(guó)CO2減排任務(wù)十分艱巨。水電是可持續(xù)利用的清潔能源，科學(xué)開(kāi)發(fā)、合理利用水能資源是保障我國(guó)能源供應(yīng)的重要措施。水力發(fā)電不需要大宗的燃料，它既不排放廢氣，也不需傾倒廢渣，有助于應(yīng)對(duì)氣候變化，節(jié)約寶貴的化石能源。 據(jù)統(tǒng)計(jì)[4]，三峽和葛洲壩水電站每年發(fā)電1 000億kW·h，至少可替代6 000萬(wàn)t煤。自1990年黃河實(shí)施統(tǒng)一調(diào)度以來(lái)，黃河上游梯級(jí)水庫(kù)補(bǔ)償調(diào)度取得的效益主要體現(xiàn)在：一，保證城市生活用水；二，合理安排農(nóng)業(yè)用水；三，兼顧工業(yè)用水；四，按計(jì)劃保證生態(tài)和環(huán)境用水；五，具有巨大的節(jié)能和減排貢獻(xiàn)。隨著該梯級(jí)的不斷滾動(dòng)開(kāi)發(fā)，節(jié)能能力在不同的年代應(yīng)是動(dòng)態(tài)變化的。為了全面、系統(tǒng)、深入地分析龍羊峽、劉家峽梯級(jí)水庫(kù)節(jié)能能力，并考慮其動(dòng)態(tài)特性，本文對(duì)黃河干流上游龍羊峽、劉家峽梯級(jí)水庫(kù) （以下簡(jiǎn)稱(chēng) “龍、劉兩庫(kù)”）節(jié)能能力按2005、2015和2020這3個(gè)不同水平年進(jìn)行分析計(jì)算，以考察其變化規(guī)律。

1 黃河干流補(bǔ)償調(diào)度

1.1 補(bǔ)償調(diào)節(jié)系統(tǒng)分析

研究補(bǔ)償調(diào)度涉及到補(bǔ)償者和被補(bǔ)償者兩個(gè)方面，需要根據(jù)黃河干流的實(shí)際情況和本次研究的要求，將黃河干流的補(bǔ)償方與被補(bǔ)償方進(jìn)行劃分。本研究將龍、劉兩庫(kù)作為兩個(gè)獨(dú)立的子系統(tǒng)分別計(jì)算它們單獨(dú)以及聯(lián)合調(diào)節(jié)時(shí)對(duì)中下游的節(jié)能能力，在黃河干流梯級(jí)水庫(kù)補(bǔ)償調(diào)節(jié)中作為補(bǔ)償系統(tǒng)考慮，是整個(gè)黃河干流的施益系統(tǒng)。上游徑流式梯級(jí)被補(bǔ)償系統(tǒng)，包括該水平年黃河上游龍～青河段的所有徑流式電站。根據(jù)黃河流域梯級(jí)滾動(dòng)開(kāi)發(fā)規(guī)劃，到2020水平年，龍～青河段的25座水電站將全部建成投運(yùn)，其中大多數(shù)水電站為日調(diào)節(jié)性，只有2020水平年建成的大柳樹(shù)水電站具有年調(diào)節(jié)性。而大柳樹(shù)水電站位于龍～青河段梯級(jí)靠下游的位置，其下游僅有沙坡頭和青銅峽兩座徑流式水電站。因此，大柳樹(shù)水庫(kù)對(duì)上游徑流式梯級(jí)節(jié)能能力的影響不大，所以在補(bǔ)償系統(tǒng)中未考慮大柳樹(shù)水庫(kù)。三門(mén)峽和小浪底兩座水庫(kù)位于黃河中下游，三門(mén)峽具有季調(diào)節(jié)能力，小浪底是年調(diào)節(jié)水庫(kù)，簡(jiǎn)稱(chēng) “三、小被補(bǔ)償系統(tǒng)”。龍、劉兩水庫(kù)蓄豐補(bǔ)枯的調(diào)節(jié)將減少三、小兩庫(kù)的汛期來(lái)水，減輕其防洪壓力，有緩解下游供水矛盾的作用。沿黃各省被補(bǔ)償系統(tǒng)，包括青海、四川、甘肅、寧夏、內(nèi)蒙、陜西、山西、河南和山東九個(gè)省 （自治區(qū)）。

1.2 梯級(jí)水庫(kù)節(jié)能能力計(jì)算方案設(shè)置

本研究中梯級(jí)水庫(kù)節(jié)能能力的計(jì)算分2005、2015和2020水平年。3個(gè)水平年在進(jìn)行水庫(kù)節(jié)能能力分析時(shí)，將龍羊峽和劉家峽水庫(kù)分開(kāi)考慮，分別計(jì)算其存在時(shí)對(duì)下游產(chǎn)生的水庫(kù)節(jié)能能力。即，每個(gè)水平年的模型分 “無(wú)龍無(wú)劉”、 “無(wú)龍有劉”和“有龍有劉”求解下游各項(xiàng)水資源調(diào)控目標(biāo)的滿(mǎn)足情況，研究在不同參數(shù)輸入情況下的系統(tǒng)響應(yīng)，以便更有效地反映黃河干流的復(fù)雜情況。

1.3 模型建立

模型采用黃河干流梯級(jí)水庫(kù)補(bǔ)償調(diào)度的仿真模型，考慮三類(lèi)目標(biāo)函數(shù)，分別是防洪減災(zāi)目標(biāo)、生態(tài)目標(biāo)以及水資源利用目標(biāo)。其中，防洪減災(zāi)目標(biāo)包括防洪、防凌目標(biāo)，防洪目標(biāo)即控制水庫(kù)防洪水位和下泄流量，為下游河道行洪和大壩安全提供必要的保障；生態(tài)目標(biāo)要保證提供必要的河道生態(tài)和環(huán)境用水，維持黃河流域生態(tài)系統(tǒng)平衡；水資源利用目標(biāo)將盡量追求缺水量最小，且分布合理，并在此基礎(chǔ)上提高發(fā)電量以擴(kuò)大水庫(kù)節(jié)能減排貢獻(xiàn)。具體在求解時(shí)將防洪減災(zāi)目標(biāo)和生態(tài)目標(biāo)轉(zhuǎn)化為約束條件，水資源利用目標(biāo)的目標(biāo)函數(shù)：

（1） 節(jié)能目標(biāo)

式中，Bae為節(jié)省標(biāo)煤總量；N（i，t）為第i個(gè)子系統(tǒng)第t時(shí)段平均出力；c為單位電量節(jié)煤量，t/（kW·h），按照發(fā) 1 kW·h 電節(jié)煤 0.6×10－8t來(lái)算[4]。

（2）缺水量目標(biāo)追求缺水量最小并且分布合理，重點(diǎn)解決地區(qū)間的水量合理分配及不同需水部門(mén)水量分配問(wèn)題。干旱年份供水量不能滿(mǎn)足需水要求時(shí)，通過(guò)合理調(diào)度，優(yōu)化徑流時(shí)空分布過(guò)程，使得

式中，w為缺水量；i為供水子系統(tǒng)的編號(hào)，i=1，2，…，40； t為計(jì)算總時(shí)段， t=1，2，…，T； θ（t）為 t時(shí)段缺水判別系數(shù)， 當(dāng)（QP（i，t）-QG（i，t））＜0 時(shí)， 不缺水， θ（t）為 0， 當(dāng)（QP（i，t）-QG（i，t））＞0 時(shí) θ（t）為 1。

（3）約束條件包括水庫(kù)水量平衡約束、節(jié)點(diǎn)水量平衡約束、水庫(kù)庫(kù)容約束、出庫(kù)流量約束、防凌約束、出力約束以及變量非負(fù)約束等。仿真模型一個(gè)計(jì)算時(shí)段的求解流程如圖1所示。

1.4 計(jì)算基本資料

徑流資料采用黃河干流各河段共18個(gè)水文站1952.07～2004.06的長(zhǎng)系列天然徑流資料，資料來(lái)源于黃河水利委員會(huì)。其中，花園口站多年平均水量575.08億m3[5]。 在分析黃河流域水資源開(kāi)發(fā)利用現(xiàn)狀及西北地區(qū)社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展長(zhǎng)期態(tài)勢(shì)的基礎(chǔ)上，預(yù)測(cè)了2015水平年、2020水平年工業(yè)需水、農(nóng)業(yè)需水、生活需水以及流域外需水情況。目前，流域外需水主要有河南、山東工農(nóng)業(yè)用水和向河北補(bǔ)水，現(xiàn)狀水平年黃河流域外供水量為97.20億m3；2015水平年為 103.72億m3；2020水平年為105.30億m3。因此，現(xiàn)狀水平年黃河流域總需水量為551.21億m3；2015水平年總需水量為636.22億m3；2020水平年為681.71億m3。生態(tài)環(huán)境低限需水量： 一是指水土保持對(duì)河川徑流的影響，2005水平年為10億 m3，預(yù)計(jì) 2015和2020水平年分別為 20億 m3、25億 m3；二是指汛期輸沙水量，2005、2015和2020水平年多年平均分別需要140億m3、130億m3、125億m3；三是指非汛期生態(tài)基流，總需水量50億m3，入海最小流量控制在50 m3/s以上。因此，生態(tài)環(huán)境低限需水量多年平均為200億m3左右。黃河流域地下水可開(kāi)采量采用110億m3。防凌控制斷面分別選取蘭州和花園口斷面。據(jù)中國(guó)水電顧問(wèn)集團(tuán)西北勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院的研究報(bào)告，黃河干流的庫(kù)區(qū)年水量損失為6.31億m3左右[5]。

圖1 仿真模型求解流程示意

2 結(jié)果分析

求解黃河干流梯級(jí)水庫(kù)補(bǔ)償調(diào)度的仿真模型，可以得到3個(gè)水平年龍、劉兩庫(kù)對(duì)上游龍～青河段徑流式梯級(jí)電站補(bǔ)償電量的節(jié)能能力 （見(jiàn)表1）。

表1 2005水平年龍、劉兩庫(kù)節(jié)能能力 萬(wàn)t

從表1可看出，青銅峽及三、小電站在劉家峽單庫(kù)調(diào)節(jié)時(shí)，多年平均節(jié)能能力增加0.84萬(wàn)、9.36萬(wàn)t和12.72萬(wàn)t標(biāo)準(zhǔn)煤；而龍、劉兩庫(kù)聯(lián)合調(diào)節(jié)后，青銅峽電站多年平均節(jié)能能力比 “無(wú)龍無(wú)劉”、“無(wú)龍有劉”分別減少了0.96萬(wàn)t和1.80萬(wàn)t；三、小節(jié)能能力也大幅度減小。這主要是因?yàn)榍嚆~峽水庫(kù)以上河段需水比較集中，占全部干流需水的40%左右，包括甘肅、寧夏、內(nèi)蒙和陜西的大部分用水，是農(nóng)業(yè)灌溉需水的主要地區(qū)。劉家峽單獨(dú)參與調(diào)節(jié)，其調(diào)節(jié)能力有限，對(duì)農(nóng)業(yè)需水的滿(mǎn)足程度不高；而龍羊峽水庫(kù)參與補(bǔ)償后，發(fā)揮其巨大的多年調(diào)節(jié)能力，將多個(gè)豐水年存蓄的水量在枯水年的非汛期下泄，對(duì)緩解寧蒙灌區(qū)春灌用水的矛盾有舉足輕重的作用。正是由于龍羊峽水庫(kù)良好的調(diào)節(jié)能力，增加了上游到青銅峽的區(qū)間引水，所以流經(jīng)青銅峽電站的流量就相對(duì)減?。粡亩斐汕嚆~峽電站的發(fā)電量在 “有龍有劉”比 “無(wú)龍無(wú)劉”、 “有龍有劉”比“無(wú)龍有劉”時(shí)減少，即節(jié)能能力減少的現(xiàn)象。

2015水平年龍、劉兩庫(kù)補(bǔ)償節(jié)能能力見(jiàn)表2。

表2 2015水平年龍、劉兩庫(kù)節(jié)能能力 萬(wàn)t

由表2中看出，當(dāng)劉家峽水電站單庫(kù)參與調(diào)節(jié)時(shí)，劉家峽以上徑流式電站的節(jié)能能力不受影響，包括從尼那到寺溝峽水電站，因此 “無(wú)龍有劉”與“無(wú)龍無(wú)劉”節(jié)能能力對(duì)比不發(fā)生變化，而劉家峽以下徑流式電站及三、小、水電站的節(jié)能能力有不同程度的增加。當(dāng)龍、劉兩庫(kù)都參與補(bǔ)償調(diào)節(jié)后，青銅峽與三、小水電站的節(jié)能能力出現(xiàn)減小外，其余徑流式電站的節(jié)能能力與 “無(wú)龍有劉”、 “無(wú)龍無(wú)劉”時(shí)對(duì)比都有所增加。在龍、劉兩庫(kù)補(bǔ)償調(diào)節(jié)后青銅峽節(jié)能能力減少，原因與2005水平年的相同。

2020水平年龍、劉兩庫(kù)補(bǔ)償節(jié)能能力見(jiàn)表3。

表3 2020水平年龍、劉兩庫(kù)節(jié)能能力 萬(wàn)t

表3顯示，龍、劉兩庫(kù)補(bǔ)償調(diào)節(jié)后，節(jié)能能力減少的水庫(kù)除了青銅峽與三、小水電站外，還有沙坡頭電站。因?yàn)?020水平年總需水相比2005水平年增加了130.50億m3，相比2015水平年增加了45.49億m3，若僅依靠劉家峽水庫(kù)的年調(diào)節(jié)性，對(duì)上游缺水的補(bǔ)償作用有限；如果龍、劉兩庫(kù)均參與調(diào)節(jié)，則補(bǔ)償作用明顯，大大增加了上游的可供水量，缺水狀況可得到極大緩解。因此，2020水平年需水量的增加更能發(fā)揮龍羊峽水庫(kù)的多年調(diào)節(jié)作用，體現(xiàn)其龍頭水庫(kù)的補(bǔ)償價(jià)值，同時(shí)影響下游發(fā)電用水；所以才會(huì)出現(xiàn)龍～青河段沙坡頭、青銅峽水庫(kù)和中游三、小節(jié)能能力逐步減小的現(xiàn)象。

龍、劉兩庫(kù)的節(jié)能能力包括補(bǔ)償自身發(fā)電的節(jié)能能力和對(duì)干流上水庫(kù)的補(bǔ)償發(fā)電節(jié)能能力，3個(gè)水平年下龍、劉兩庫(kù)的節(jié)能能力匯總到表4。

表4 不同水平年龍、劉兩庫(kù)節(jié)能能力的動(dòng)態(tài)結(jié)果 萬(wàn)t

從表4可以看出，龍、劉兩庫(kù)補(bǔ)償系統(tǒng)2005水平年增加黃河干流梯級(jí)節(jié)能能力為66.72萬(wàn)t，龍、劉兩庫(kù)的節(jié)能能力合計(jì)為723.72萬(wàn)t；2015水平年增加黃河干流梯級(jí)節(jié)能能力為87.24萬(wàn)t，龍、劉兩庫(kù)的節(jié)能能力合計(jì)為721.80萬(wàn)t；2020水平年增加黃河干流梯級(jí)節(jié)能能力為30.30萬(wàn)t，龍、劉兩庫(kù)的節(jié)能能力合計(jì)為645.16萬(wàn)t標(biāo)準(zhǔn)煤。

3 結(jié)論

針對(duì)不同水平年下黃河梯級(jí)的滾動(dòng)開(kāi)發(fā)規(guī)劃，采用黃河干流梯級(jí)水庫(kù)補(bǔ)償調(diào)度的仿真模型，動(dòng)態(tài)地研究了2005現(xiàn)狀年和2015、2020預(yù)測(cè)水平年龍、劉兩庫(kù)的節(jié)能能力及其變化規(guī)律。3個(gè)水平年下，龍、劉兩庫(kù)聯(lián)調(diào)時(shí)，補(bǔ)償系統(tǒng)補(bǔ)償干流梯級(jí)水庫(kù)節(jié)能能力與龍羊峽水庫(kù)自身節(jié)能能力變化規(guī)律相同，都是先增大后減小；而劉家峽自身節(jié)能能力變化規(guī)律隨時(shí)間推移呈下降趨勢(shì)?？梢酝普摚寒?dāng)南水北調(diào)西線(xiàn)實(shí)施后有充足水量的情況下，龍羊峽水庫(kù)節(jié)能能力變化趨勢(shì)將改降為升，其多年調(diào)節(jié)作用可得到充分的發(fā)揮，體現(xiàn)其龍頭水庫(kù)的補(bǔ)償價(jià)值。本研究再次論證了大型水電工程巨大的節(jié)能、減排作用，從而為我國(guó)水電定價(jià)與補(bǔ)償政策的制定提供參考。

［1］ 莫笑萍，陳定江，胡山鷹，等.我國(guó)煤炭資源產(chǎn)業(yè)循環(huán)經(jīng)濟(jì)發(fā)展策略研究［J］.現(xiàn)代化工， 2005， 25（11）:12-17.

［2］ 潘家錚.水電與中國(guó)［J］.水力發(fā)電， 2004， 30（12）:17-21.

［3］ 康重慶,陳啟鑫,夏清.低碳電力技術(shù)的研究展望［J］.電網(wǎng)技術(shù)， 2009， 33（2）:1-7.

［4］ 潘家錚.水電開(kāi)發(fā)漫談［J］.水力發(fā)電學(xué)報(bào)， 2009， 28（4）:1-4.

［5］ 張澤中.水庫(kù)補(bǔ)償機(jī)理和補(bǔ)償效益計(jì)算方法研究［D］.西安：西安理工大學(xué)，2009.