郭 晴,陳冬紅,,彭期冬,林俊強,張 迪,劉雪飛
(1.河北工程大學 水利水電學院,河北 邯鄲 056021; 2.中國水利水電科學研究院,北京 100038)
水利工程的大量建設為我們帶來了巨大的經(jīng)濟和社會效益,但是由于大壩的修建也破壞了天然河流的連通性,危及到河流原本的生態(tài)系統(tǒng)。我國豐滿水電站由于修建時間較早,未考慮到設置魚類生境保護措施,使下游產(chǎn)漂流性卵魚類資源持續(xù)衰減。1926年松花江捕獲的自然魚量有10 500 t,到1942年豐滿水電站建設運行后,自然捕獲量下降至4 830 t。有研究表明,可以通過在產(chǎn)漂流性卵魚類產(chǎn)卵期內(nèi)制造“人造洪峰”的方式來緩解對大壩下游魚類的影響,即改變傳統(tǒng)的只考慮防洪、發(fā)電等因素的水庫調(diào)度方式,將刺激產(chǎn)漂流性卵魚類產(chǎn)卵的生態(tài)因素納入到水庫調(diào)度方案中,實施生態(tài)調(diào)度[1]。
方國華等[2]提出了以生態(tài)保護程度和發(fā)電量最大為目標的水庫生態(tài)優(yōu)化調(diào)度模型;陳冬紅等[3]分析了IHA的五大類32個生態(tài)水文指標的時空變化特性,以及產(chǎn)卵期影響產(chǎn)漂流性卵魚類繁殖的漲水指標;范驄驤等[4]以魚類產(chǎn)卵棲息地生境需求為生態(tài)約束因子,建立了滿足魚類產(chǎn)卵棲息地需求的生態(tài)調(diào)度方法。A.D. AMPITIYAWATTA等[5]采用HEC-ResSim模型對清江梯級水庫進行了模擬調(diào)度演算和效益評估。本文在天然水文情勢無法得知的情況下,以恢復和提高關鍵水文指標為生態(tài)調(diào)度目標,對重建后的豐滿水電站生態(tài)調(diào)度進行了研究,對其他重建水電站具有借鑒意義。
豐滿水電站是我國第一個建成運行的大型水電站,位于吉林省吉林市境內(nèi)的第二松花江上,上游距紅石水電站約153 km,下游距吉林市16 km。其正常蓄水位為263.5 m,相應庫容88.49×108m3,死水位242 m,調(diào)節(jié)庫容61.64×108m3,具有多年調(diào)節(jié)性能[6]。為徹底解決豐滿水電站存在的安全隱患,2013年5月1日豐滿水電站全面治理(重建)工程開工。經(jīng)過擴機增容改造后的豐滿水電站已成為東北電網(wǎng)中的骨干電站,對系統(tǒng)的調(diào)峰、調(diào)頻和事故備用具有重要作用。
在豐滿大壩下游10.3 km處修建了永慶反調(diào)節(jié)水庫,永慶水庫上游水位與豐滿發(fā)電廠尾水相銜接,為日調(diào)節(jié)性能,正常蓄水位192.2 m,相應庫容1 036×104m3,死水位189.3 m,調(diào)節(jié)庫容828×104m3[7]。通過永慶水庫的反調(diào)節(jié)作用,解放豐滿水電站長期以來承擔的60 MW基荷容量,以增加調(diào)峰容量,滿足下游吉林市和引松入長等工程對水位和最小下泄水量的要求。
豐滿水電站下游河段產(chǎn)漂流性卵魚類的優(yōu)勢種為蛇鮈,其繁殖溫度在14℃左右;而其他產(chǎn)漂流性卵魚類,如青魚、草魚、鰱、鳙、鱖和翹嘴紅鲌種群數(shù)量持續(xù)衰減,其繁殖溫度在18℃~23℃之間。根據(jù)研究區(qū)域現(xiàn)狀,以及目標物種對水溫和水文條件的不同需求,將生態(tài)調(diào)度分為兩個時期:第一時期為5月20日-6月20日,多年平均水溫低于18℃,蛇鮈可在漲水條件下產(chǎn)卵;第二時期為6月21日-7月31日,多年平均水溫高于18℃,其他產(chǎn)漂流性卵魚類可在漲水條件下產(chǎn)卵。
根據(jù)陳冬紅[3]等定義的5個有效漲水指標及其計算方法,統(tǒng)計出松花江水文站和吉林水文站在永慶水庫建設前后產(chǎn)漂流性卵魚類產(chǎn)卵期內(nèi)的有效漲水指標見表1。
表1 永慶水庫建設運行前后關鍵生態(tài)水文指標變化Tab.1 Change of key hydrological indices before and after the construction of Yongqing Reservoir
在第一段產(chǎn)卵期內(nèi),由于漲水持續(xù)天數(shù)增加,初始流量以及日流量增長量的增大,漲水條件合適,蛇鮈能夠維持一定的種群數(shù)量。因此,采用永慶水庫建設后的漲水過程水文指標平均值作為第一段產(chǎn)卵期的生態(tài)水文目標。第二段產(chǎn)卵期內(nèi),由于吉林水文站漲水次數(shù)減少,松花江水文站雖然因支流匯入形成新的漲水過程使有效漲水次數(shù)不變,但由此形成的漲水過程初始流量小,對產(chǎn)漂流性卵魚類刺激有限,并且漲水時可能因為水溫、溶解氧等環(huán)境因素限制了魚類產(chǎn)卵,從而導致四大家魚和“三花一島”種群數(shù)量持續(xù)衰退。由于產(chǎn)漂流性卵魚類產(chǎn)卵可能和節(jié)律性的漲水有關,因此認為漲水初始流量指標和漲水過程數(shù)指標是影響第二段產(chǎn)卵期的主要水文指標。在建立刺激產(chǎn)漂流性卵魚類產(chǎn)卵的漲水過程水文目標時,應保持有節(jié)律性的有效漲水,提高初始流量和洪峰流量這兩個指標,而其它漲水過程指標采用永慶水庫建設運行前的指標的平均值。
參考楊澤凡[8]的相關研究可知,松花江水文站斷面的一級漫灘水位為151.1 m,對照水位-流量關系曲線,高脈沖流量相應的下限流量為522 m3/s,可以將其作為產(chǎn)卵場最低漲水持續(xù)流量。設定刺激豐滿水電站下游產(chǎn)漂流性卵魚類產(chǎn)卵的漲水過程所需的生態(tài)水文最低控制標準見表2。在生態(tài)水文最低標準的基礎上,保持生態(tài)目標的有效漲水次數(shù)、每次漲水持續(xù)時間和前后兩次有效漲水時間間隔不變,對斷面初始流量和流量日上漲量分別提高50%和100%,以此作為部分生態(tài)調(diào)度目標。
表2 刺激產(chǎn)漂流性卵魚類產(chǎn)卵的生態(tài)調(diào)度最低控制標準Tab.2 The target of ecological dispatch for stimulate drifting eggs fishes spawning
HEC-ResSim模型是由美國陸軍工程兵團水文工程中心(HEC)開發(fā)的一種用來模擬水庫系統(tǒng)的新型軟件,它是在HEC-5軟件基礎上改進而來的版本,現(xiàn)已被廣泛用于流域管理和規(guī)劃提供的實時決策支持[9]。該模型包括3個具有不同功能的獨立模塊,分別是流域設置、水庫網(wǎng)絡系統(tǒng)和水庫調(diào)度模擬。流域設置是為流域的創(chuàng)建和定義提供一個共同的框架,流域可以包括用于特定區(qū)域的所有水流和工程,例如水庫、堤壩、計量位置、沖擊區(qū)域、時間序列位置等,這些內(nèi)容一旦配置,就形成了一個流域框架[10]。水庫網(wǎng)絡模塊的設置是為了分離出流域內(nèi)水庫系統(tǒng)的物理屬性,便于使用者對其進行設置。在該模塊中可構建河流示意圖,描述水庫模型的物理特性,并且開發(fā)有可分析的替代方案。一旦該模塊設置完成,就可以定義水庫網(wǎng)絡元件的物理和操作數(shù)據(jù)。當流域設置和水庫網(wǎng)絡構建完成后,便可在水庫調(diào)度模擬模塊中模擬不同調(diào)度方案,進行計算分析并查看調(diào)度結果。
利用GIS在流域設置模塊創(chuàng)建一個位于第二松花江流域上的模型示意圖,確定水庫、計算點、控制點、引匯流位置,對于流域內(nèi)的河流、湖泊、水庫等位置采用不同的形狀文件標記。在水庫網(wǎng)絡模塊中,將流域設置模塊中創(chuàng)建的配置作為模板建立水庫網(wǎng)路基礎,定義豐滿水庫和永慶水庫的物理特征數(shù)據(jù)及運行數(shù)據(jù),添加河道路由,保證水庫網(wǎng)絡連通性。
重建后的豐滿水電站共有2臺原三期廠房發(fā)電機組(引用流量390.23 m3/s,單機容量200 MW,發(fā)電效率98.05%)和6臺新壩壩后廠房發(fā)電機組(引用流量296.70 m3/s,單機容量140 MW,發(fā)電效率95.00%),總裝機容量1 480 MW,多年保證出力147 MW,不計空載流量和水頭損失。利用HEC-ResSim模型模擬1975-1984年重建后的豐滿水電站3種發(fā)電機組組合方式(表3),可以看出,新機組加1臺原機組的組合形式,由于減少部分棄水用來發(fā)電,使得多年平均出力最大,因此確定生態(tài)調(diào)度運行方式采用此組合形式。
模擬方案采取豐滿水庫和永慶反調(diào)節(jié)水庫聯(lián)合調(diào)度,以永慶水庫建設后的多年平均漲水過程水文指標為生態(tài)調(diào)度目標1;在有效漲水持續(xù)時間、時間間隔和漲水次數(shù)不變的情況下,將提高50%的流量平均日上漲率和漲水初始流量指標定義為生態(tài)調(diào)度目標2;將提高100%的流量平均日上漲率和漲水初始流量指標定義為生態(tài)調(diào)度目標3。同時,考慮到下游工農(nóng)業(yè)、工程用水和環(huán)境需水條件,設計不同水文年的生態(tài)調(diào)度方案,見表4。
表3 豐滿水電站不同機組組合運行模擬結果Tab.3 Simulation results of different combination units in Fengman Hydropower Station
表4 生態(tài)調(diào)度設計方案Tab.4 The design of ecological dispatch
根據(jù)式(1)和式(2)對豐滿、吉林和松花江水文站的模擬日流量和真實日流量進行差異計算,修正后算得R=0.902,N=51.83 m3/s,可知滿足精度要求。
(1)
(2)
根據(jù)兩種水庫運行規(guī)則和3個生態(tài)調(diào)度目標的調(diào)度設計方案,模擬出豐滿-永慶水庫在豐平枯水年6種情境下的聯(lián)合生態(tài)調(diào)度結果,見圖1、圖2和圖3,統(tǒng)計模擬結果見表5。
由生態(tài)調(diào)度模擬結果分析可知,在情境1、2、3的運行方式下,豐滿-永慶水庫調(diào)度營造的漲水過程初始流量和日流量上漲量均沒有達到目標值,且與多年平均值有一定差距。考慮漲水過程受到豐滿水電站調(diào)峰的影響,營造的漲水過程呈“鋸齒”狀,流量日內(nèi)變化頻繁,會打斷持續(xù)的漲水過程,因此無法在下游形成滿足設定生態(tài)目標的有效漲水過程。
圖1 豐水年模擬結果Fig.1 Simulation results of wet year
圖2 平水年模擬結果Fig.2 Simulation results of average year
圖3 枯水年模擬結果Fig.3 Simulation results of dry year
情境編號運行方式平均出力/MW中部城市引水量保證率 /%水量利用率/%豐平枯豐平枯豐平枯1調(diào)峰+目標1151.3112.789.594.194.188.279.296.098.82調(diào)峰+目標2154.0115.696.492.297.197.180.895.298.83調(diào)峰+目標3155.8117.9101.592.294.194.181.893.097.84不調(diào)峰+目標1207.4172.5136.6100.0100.052.999.999.998.65不調(diào)峰+目標2208.9185.3137.5100.076.552.999.999.898.46不調(diào)峰+目標3214.2184.8138.497.170.652.999.999.998.4
分析情境4、5、6的模擬結果發(fā)現(xiàn),豐水年生態(tài)調(diào)度營造的漲水過程各項有效漲水指標均達到目標值,隨著漲水過程指標的提升,平均出力逐漸增加。在平水年中,情境4和情境5營造的漲水過程各指標均達到目標,但情境6的運行方式只產(chǎn)生了4次有效漲水過程。隨著漲水指標的提升,平均出力先增加后減少,中部城市引水保證率逐漸減小,情境5、6的調(diào)度造成中部引水保證率下降至76.5%和70.6%,不滿足中部城市引水工程最低供水保證率。在枯水年中,第一段生態(tài)調(diào)度期內(nèi)調(diào)度結果達到目標,而在第二段生態(tài)調(diào)度期內(nèi),均未形成持續(xù)明顯的漲水過程。
為了解決豐滿水電站下游產(chǎn)漂流性卵魚類產(chǎn)卵問題,本文定量描述漲水過程指標在豐滿大壩下游河段的時空變化特征,確定生態(tài)調(diào)度的目標,從而實現(xiàn)將刺激產(chǎn)漂流性卵魚類產(chǎn)卵的生態(tài)因素納入到水庫調(diào)度方案中,最終根據(jù)HEC-ResSim模型對6種情境下的聯(lián)合生態(tài)調(diào)度進行模擬與分析。
通過HEC-ResSim模型模擬結果可知,豐滿水庫調(diào)峰發(fā)電,永慶水庫反調(diào)節(jié)的運行模式可以保證下游河道枯水期最低161 m3/s、灌溉期最低361 m3/s的流量要求。對于考慮產(chǎn)漂流性卵魚類產(chǎn)卵的生態(tài)調(diào)度,豐滿水電站調(diào)峰會打斷持續(xù)漲水過程,使?jié)q水過程呈“鋸齒”狀變化,無法滿足下游產(chǎn)漂流性卵魚類的產(chǎn)卵要求。當豐滿水電站不調(diào)峰運行時,在豐水年可以達到刺激產(chǎn)漂流性卵魚類產(chǎn)卵的要求,但在平水年與枯水年中部城市引水保證率與刺激產(chǎn)漂流性卵魚類產(chǎn)卵的要求都難以滿足??紤]到永慶水庫受其庫容較小的限制,無法形成利于產(chǎn)漂流性卵魚類產(chǎn)卵的持續(xù)多日有效漲水,因此應在生態(tài)調(diào)度期間改變豐滿水庫調(diào)峰發(fā)電的運行方式,或增加棄水來營造持續(xù)的漲水過程。