李偉楠,王現(xiàn)勛,2,蔡 昊,李析男,趙先進,梅亞東

復雜河流水體能值轉(zhuǎn)換率研究

李偉楠1,王現(xiàn)勛1,2,蔡 昊1,李析男3,趙先進3,梅亞東1*

(1.武漢大學,水資源與水電工程科學國家重點實驗室,湖北 武漢 430072；2.長江大學資源與環(huán)境學院,湖北 武漢 430100；3.貴州省水利水電勘測設(shè)計研究院,貴州 貴陽 550002)

以含有水利工程和支流匯入的復雜河流為研究對象,在考慮了可更新資源、不可更新資源、經(jīng)濟社會反饋和負產(chǎn)出投入能值的基礎(chǔ)上,建立了水庫水體能值轉(zhuǎn)換率數(shù)學模型;考慮水量和能值平衡,建立了支流匯入后干流水體能值轉(zhuǎn)換率數(shù)學模型,進而提出了復雜河流水體能值轉(zhuǎn)換率的計算方法,經(jīng)計算,六沖河干流夾巖水庫入庫河水化學能平均能值轉(zhuǎn)換率由4.85×104sej/J增至下泄后的1.15×105sej/J,經(jīng)過支流白甫河的匯入,匯入點至洪家渡水庫間的干流水體能值轉(zhuǎn)換率變?yōu)?.87×104sej/J.實例研究表明:水利工程的作用和支流的匯入,使得干流水體能值轉(zhuǎn)換率存在空間差異.受水利工程影響后,干流水體能值轉(zhuǎn)換率顯著增加;受支流匯入影響后,干流水體能值轉(zhuǎn)換率介于支流和匯入點前干流水體能值轉(zhuǎn)換率之間.

復雜河流；水體能值轉(zhuǎn)換率；六沖河；夾巖水庫；白甫河

水資源經(jīng)過水利工程作用后,可以有不同的用途,如供水和發(fā)電.如何在不同的任務中合理分配水資源,一直是研究的熱點問題.大多數(shù)學者計算水資源價值時,常采用貨幣的度量方法[1].隨著美國生態(tài)學家Odum[2]創(chuàng)立了能值法,自20世紀末以來,能值法不斷被應用于系統(tǒng)工程方向[2-12].

在水利學科領(lǐng)域,能值法主要應用于水域生態(tài)系統(tǒng)服務價值評價[3-4]、區(qū)域水資源系統(tǒng)評價[5-9]及工程項目評價[10-13]等方面.能值轉(zhuǎn)換率是指一個系統(tǒng)(或過程)產(chǎn)出單位能量所需投入的太陽能值的數(shù)量,常用單位是sej/J、sej/g或sej/m3.水體能值轉(zhuǎn)換率體現(xiàn)了水在自然循環(huán)和人工循環(huán)中的能量轉(zhuǎn)化、儲存和消耗情況,是能值分析的重要參數(shù).水體能值轉(zhuǎn)換率的變化直接影響水資源價值的改變.河流是水資源的重要載體,隨著干流上水利工程的投入使用和支流的匯入,干流水體能值轉(zhuǎn)換率的變化規(guī)律值得探討.目前水庫能值轉(zhuǎn)換率的研究中,大多計算了水力發(fā)電的能值轉(zhuǎn)換率[14-15],較少涉及水庫下泄水體能值轉(zhuǎn)換率;水體能值轉(zhuǎn)換率的研究,大多計算了流域或區(qū)域內(nèi)年均水體能值轉(zhuǎn)換率[5,9],較少涉及支流匯入后干流的水體能值轉(zhuǎn)換率.

本文以水量平衡和能值平衡為基礎(chǔ),綜合考慮了六沖河干流夾巖水利樞紐工程和支流白甫河匯入等客觀因素,提出了復雜河流水體能值轉(zhuǎn)換率的數(shù)學模型,計算了研究區(qū)域內(nèi)六沖河干流水體能值轉(zhuǎn)換率數(shù)值,對探究復雜河流水體能值轉(zhuǎn)換率變化規(guī)律提供了數(shù)據(jù)依據(jù),同時有助于區(qū)域水資源價值的變化研究,為尋求水資源在不同區(qū)域內(nèi)的最佳利用和分配方式提供指導.

1 研究區(qū)域概況

六沖河屬長江流域烏江最大的一級支流.流域位于東經(jīng)104°20′~105°58′,北緯26°40′~27°35′之間.全長268km,全流域面積10665km2(含云南省677km2).六沖河干流大致以赫章以上劃為上游河段,赫章至瓜仲河水文站為中游河段,瓜仲河以下至河口為下游河段.白甫河是六沖河的最大支流,干流全長116km,多年平均年徑流量7.19億m3.六沖河流域水系如圖1所示.

圖1 六沖河流域水系示意

夾巖水利樞紐(以下簡稱夾巖工程)開發(fā)任務是以供水和灌溉為主,兼顧發(fā)電.該工程主要由水源工程、畢節(jié)大方供水工程和灌區(qū)骨干輸水工程等組成;畢大供水工程自庫內(nèi)獨立取水.壩后電站裝混流式機組3臺,總裝機容量為90MW.

夾巖水庫總庫容13.25億m3,水庫調(diào)節(jié)庫容4.52億m3,正常蓄水位為1323m,死水位1305m.工程多年平均供水量為6.61億m3,發(fā)電用水量(含生態(tài)環(huán)境用水量)9.34億m3,多年平均發(fā)電量2.28億kW·h.初設(shè)報告核定工程靜態(tài)總投資為169.67億元,其中工程部分投資107.52億元,建設(shè)征地移民補償投資55.1億元,水保及環(huán)保工程投資7.05億元.

本次分析范圍從六沖河七星關(guān)水文站至洪家渡水電站,研究區(qū)域內(nèi)的六沖河干流、夾巖水庫和支流白甫河構(gòu)成了一個復雜河流系統(tǒng),概化如圖2所示.

圖2 六沖河干流系統(tǒng)概化

2 理論和方法

在河流上修建水利工程,可以起到調(diào)節(jié)水量的作用,通過這種人工干擾方式,對河道內(nèi)的水資源按人類需求重新進行分配.以水庫為例,其水量平衡方程可以表達為(以年或月為時段,忽略時段編號):

式中:為水庫蓄水量增量;,分別為時段末、時段初水庫蓄水量;為入庫水量;為通過水輪機下泄的水量;為庫區(qū)調(diào)水量;為通過泄洪設(shè)施的棄水量;為包括蒸發(fā)和滲漏損失在內(nèi)的損失水量.各個變量均以m3計.

根據(jù)水庫生產(chǎn)過程的投入產(chǎn)出關(guān)系,可以繪制出水庫能值系統(tǒng)圖(圖3).當不考慮地下水補給,地表水是唯一可更新資源時,入庫泥沙可視為不可更新資源.水庫蓄存的水經(jīng)過供水工程、水電站及泄洪設(shè)施,送到用戶或發(fā)電或泄至下游河道.

2.1 水庫水體能量變化

從水庫流出進入下游河道的河水化學能為:

2.2 可更新資源和不可更新資源能值

入庫河水化學能來源于壩址上游流域的降水、太陽輻射、風能等可更新資源.考慮到太陽輻射、風能及降水能值之間重復計算,本文僅取降水量能值作為河水化學能的輸入.入庫的能值為:

或者采用下式直接計算入庫河水的化學能:

進入水庫的泥沙是不可更新資源,其能值采用下式計算[17]:

2.3 經(jīng)濟社會反饋與負產(chǎn)出能值

經(jīng)濟社會反饋(或人工投入)能值指的是經(jīng)濟社會為水庫建設(shè)和運營投入的能源、物資及勞務能值.對于工程建設(shè)中鋼材、水泥、石料、機械設(shè)備等一次性投入,需要除以工程使用年限(通常為50a)換算成年值.對于經(jīng)常性投入,如每年運行維護費用,可根據(jù)每年的實物量或貨幣值計算.

經(jīng)濟社會反饋的能值可按下式計算:

水庫建設(shè)的環(huán)境影響是多方面的,包括地表水、地下水環(huán)境、陸地生態(tài)環(huán)境、水生生態(tài)、環(huán)境地質(zhì)、移民安置環(huán)境、社會環(huán)境等.本文考慮的不利影響主要包括淹沒林地、耕地等工程永久性占地、庫區(qū)居民搬遷、基礎(chǔ)設(shè)施遷建及環(huán)境保護與文物古跡水土保護等,屬于負產(chǎn)出.減免不利環(huán)境影響需要投入,因此負產(chǎn)出按投入計算.負產(chǎn)出的能值可根據(jù)淹沒損失、移民人數(shù)、補償投資及保護投資等(須換算成年值),乘以相應的能值轉(zhuǎn)換率,計算得出相應的負產(chǎn)出能值.

2.4 水庫水體能值轉(zhuǎn)換率

從化學能角度,探討水庫水體能值轉(zhuǎn)換率計算.水庫投入總能值為:

2.5 復雜河流水體能值轉(zhuǎn)換率

相對于天然河流而言,人們從河流取水、筑壩攔蓄河水,都是一種對自然水循環(huán)過程的干擾.為了分析不同干擾活動對河流水體能值轉(zhuǎn)換率的影響,采用系統(tǒng)建模的方法進行研究.

2.5.1 支流匯入后干流后的水體能值轉(zhuǎn)換率 若一條河流,水量損失只有取水和調(diào)水,沒有其他水體匯入,則該河流的水體能值轉(zhuǎn)換率不變.當一條河流既有取水和調(diào)水,也有支流等水體匯入,為了研究水體能值轉(zhuǎn)換率的空間變化,構(gòu)建復雜河流系統(tǒng)1,如圖4所示.

圖4 干流系統(tǒng)1

2.5.2 水庫調(diào)節(jié)下的水體能值轉(zhuǎn)換率 前面的研究沒有考慮水庫調(diào)蓄水量的影響,當干流中修建了水庫,改變了水流的天然模式,水體能值轉(zhuǎn)換率也會隨之發(fā)生改變.構(gòu)建復雜河流系統(tǒng)2,如圖5所示.

3 數(shù)據(jù)與計算

根據(jù)夾巖工程建設(shè)和運行期間資源、物質(zhì)和人力等各項投入及工程產(chǎn)出,繪制工程能值流系統(tǒng)圖(圖3).從水量角度,工程產(chǎn)出包括為電站發(fā)電提供的水量和為下游河道生態(tài)環(huán)境提供的水量.

3.1 夾巖水庫投入能值計算

根據(jù)工程的各項投入和相應能值轉(zhuǎn)換率,計算各項投入的能值.有關(guān)基礎(chǔ)數(shù)據(jù)來源于工程初步設(shè)計報告和環(huán)境影響評價報告.

3.1.1 可更新資源能值輸入 夾巖水庫位于六沖河中游段,壩址集水面積4312km2,多年平均降水量900mm,多年平均水量18.83億m3,扣除壩址以上新增耗水1.28億m3,入庫多年平均年徑流量17.58億m3,扣除水庫供水,水庫下泄至六沖河的水量為10.97億m3.參考貴州省水資源公報可知,六沖河中下游水質(zhì)常年維持在II類.

由于河水源自降水,二者能值屬于重復計算,本文僅取降水的化學能進行分析.

3.1.2 不可更新資源能值輸入 建庫前壩址懸移質(zhì)輸沙量322萬t,壩址推移質(zhì)輸沙量為64.4萬t,年總輸沙量386萬t.根據(jù)泥沙計算結(jié)果,水庫建成后50a水庫泥沙淤積總量達到1.46億m3,平均每年淤積292萬m3.假定泥沙中有機質(zhì)含量為1.0%,單位有機質(zhì)的熱量為5.4cal/g[17],根據(jù)式(7)計算每年淤積在水庫中泥沙的能值為8.32′1019sej.

3.1.3 經(jīng)濟社會反饋投入的能值 根據(jù)初設(shè)報告提供的主要材料(水泥、鋼材、油料)和勞動力投入數(shù)量,乘以相應的能值轉(zhuǎn)換率[15],計算出主要建筑材料的能值為1.29′1021sej;根據(jù)提供的主要工程量(土、石方、混凝土量等)數(shù)據(jù),計算的能值為6.92′1021sej;按工程投資計算的能值為5.69′1021sej.考慮到以主要建筑材料計算的能值嚴重偏小,不予采納.本文采用以主要工程量計算的能值6.92′1021sej,同時對能值貨幣比率進行調(diào)整,由5.29′1011sej/元[14],調(diào)整為6.45′1011sej/元,作為后續(xù)計算依據(jù).

為了計算夾巖水庫下泄水體能值轉(zhuǎn)換率,根據(jù)初設(shè)報告數(shù)據(jù),經(jīng)整理獲得工程投資.假定工程合理使用年限為50a,可得到每年投資值,然后乘以能值貨幣比率6.45′1011sej/元,獲得夾巖水庫年投入能值為2.91′1019sej.夾巖水庫年運行費為4670萬元,相當于能值3.01′1019sej.

3.1.4 水庫負產(chǎn)出的能值 夾巖水庫的工程永久性占地、庫區(qū)居民搬遷、基礎(chǔ)設(shè)施遷建及環(huán)保水保的投資之和為52.83億元,除以工程合理使用年限50a,然后乘以能值貨幣比率,得到工程淹沒和征地補償投資及水保、環(huán)保投資的年能值為6.18′1019sej.由于泥沙淤積在死庫容中,初設(shè)未列出泥沙淤積的投資.

將上述各項能值相加,得到夾巖水庫年總投入能值為6.23′1020sej(河水能值以化學能計),其中河水化學能占比最大,為68.0%,其次是泥沙能值占比13.5%,工程負產(chǎn)出補償能值和年運行費能值占比分別為10.0%和4.9%,工程投資能值投入占比最小為8.6%.

3.2 干流水體能值轉(zhuǎn)換率

或

1.15′105sej/J比入庫河水化學能的平均能值轉(zhuǎn)換率4.85′104sej/J高出137.1%,高出部分應歸因于工程的建設(shè)和運行期的人工投入.

與國內(nèi)其他學者研究結(jié)果比較,文獻[5]計算了南方某沿?？h域天然地表水資源能值轉(zhuǎn)換率為3.63′104sej/J;文獻[9]計算了太湖流域天然水體能值轉(zhuǎn)換率為3.17′1011sej/m3;文獻[19]計算了意大利佛羅倫薩河網(wǎng)流域上游天然水體能值轉(zhuǎn)換率為1.35′1011sej/m3.由于本文計算包括了經(jīng)濟社會反饋投入,因此計算得到的水體能值轉(zhuǎn)換率要高于天然水資源能值轉(zhuǎn)換率;文獻[20]計算了黃河流域鞍山斷面水體能值轉(zhuǎn)換率為4.54′105sej/J,因為黃河含沙量大,其單位水體含有的能值較水質(zhì)好的水體含有的能值多,因此鞍山斷面水體能值轉(zhuǎn)換率要高于上述文獻中天然流域的水體能值轉(zhuǎn)換率.

文獻[6]計算的鄭州市多年平均工程水體能值轉(zhuǎn)換率為15.62′1011sej/m3,高于夾巖水庫下泄水體能值轉(zhuǎn)換率5.66′1011sej/m3,是因為鄭州市水利工程的可更新資源、不可更新資源、經(jīng)濟社會反饋與負產(chǎn)出補償?shù)韧度胍h高于夾巖水庫的相關(guān)類型投入,使得二者的工程水體能值轉(zhuǎn)換率相差近3倍.文獻[9]計算了太湖流域供水水資源聯(lián)合能值轉(zhuǎn)換率為3.17′1011sej/m3,雖然太湖流域工程建設(shè)總投入為5.80′1011sej,高于夾巖水庫建設(shè)投入能值,但太湖流域水資源總量為183′108m3,遠多于夾巖水庫下泄水體水量10.97′108m3,因此太湖流域工程水體能值轉(zhuǎn)換率小于夾巖水庫下泄水體能值轉(zhuǎn)換率;文獻[21]計算了美國辛辛那提自來水廠供水系統(tǒng)中不同流程的水體能值轉(zhuǎn)化率,從剛進入水廠時的4.0′1011sej/m3到處理完成分配時的1.8′1012sej/m3,剛進入水廠的水體能值轉(zhuǎn)換率略小于夾巖水庫下泄水體能值轉(zhuǎn)換率,但經(jīng)過層層工藝處理,不斷向水體輸入外來能量,使得處理后的水體能值轉(zhuǎn)換率要高于夾巖水庫下泄水體能值轉(zhuǎn)換率;文獻[19]分別計算了意大利佛羅倫薩河網(wǎng)流域大壩下游水體能值轉(zhuǎn)換率為5.80′1011sej/m3,比上游水體能值轉(zhuǎn)換率高出329.6%,大于夾巖水庫的137.1%,這是因為該大壩的人工和建設(shè)投入遠多于夾巖水庫相應的投入.

或

8.87′104sej/J大于4.85′104sej/J,小于1.15′105sej/J,說明白甫河匯入點至洪家渡水庫間干流水體能值轉(zhuǎn)換率介于白甫河和夾巖水庫下泄水量水體能值轉(zhuǎn)換率之間.

從結(jié)果可知,由于水利工程的作用和支流的匯入,干流各區(qū)域水體能值轉(zhuǎn)換率存在空間差異.干流天然水體能值轉(zhuǎn)換率最低,為4.85′104sej/J,經(jīng)過夾巖水庫后,下泄水量水體能值轉(zhuǎn)換率最高,為1.15′105sej/J,受支流白甫河匯入的影響,匯入點至洪家渡水庫間干流水體能值轉(zhuǎn)換率為8.87′104sej/J.研究區(qū)域內(nèi)的干流水體能值轉(zhuǎn)換率呈現(xiàn)先增加后減少的趨勢.

復雜河流水體能值轉(zhuǎn)換率模型的建立,有助于弄清水體經(jīng)過水利工程調(diào)度后,水體能值轉(zhuǎn)換率的變化規(guī)律.調(diào)度方式不同,則水利工程作用后的水體能值轉(zhuǎn)換率也將不同,體現(xiàn)出的水資源價值也會有差異,這為水利工程管理提供了依據(jù)或指導.但是,當前的能值分析僅反映多年平均情況,如何將能值分析與工程中短期運行調(diào)度結(jié)合起來,還需深入研究.

4 結(jié)論

4.1 水利工程的作用和支流的匯入,使得干流水體能值轉(zhuǎn)換率存在空間差異.

4.2 六沖河干流夾巖水庫入庫河水化學能平均能值轉(zhuǎn)換率由4.85×104sej/J增至下泄后的1.15× 105sej/J,表明受水利工程影響后,干流水體能值轉(zhuǎn)換率顯著增加.

4.3 經(jīng)過支流白甫河的匯入,匯入點至洪家渡水庫間的干流水體能值轉(zhuǎn)換率由1.15×105sej/J減至8.87×104sej/J,表明受支流匯入影響后,干流水體能值轉(zhuǎn)換率介于支流和匯入點前干流水體能值轉(zhuǎn)換率之間.

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Emergy transformity of river in complex river.

LI Wei-nan1, WANG Xian-xun1,2, CAI Hao1, LI Xi-nan3, ZHAO Xian-jin3, MEI Ya-dong1*

(1.State Key Laboratory of Water Resource and Hydropower Engineering Science, Wuhan University, Wuhan 430072, China；2.College of Resources and Environment, Yangtze University, Wuhan 430100, China；3.Guizhou Water Conservancy and Hydroelectric Power Investigation, Design and Research Institute, Guiyang 550002, China)., 2019,39(12)：5094~5100

This paper studied the energy transformity of water in complex rivers with both hydraulic engineering and tributary inflows. A mathematical model of energy transformity of reservoir water was established by considering the renewable resources, non-renewable resources, economic and social feedback and negative output input-energy value. A mathematical model of energy transformity of main stream water after tributary inflow was established by considering the water and energy balance. The calculation method of energy transformity of complex river water was presented. The Jiayan Reservoir located at Liuchong River and the Baifu River (i.e., a branch of Liuchong River) were taken as examples to verify the method. The results showed the average chemical emergy transformity of Jiayan Reservoir was increased from 4.85×104sej/J in the inflow to 1.15×105sej/J in the outflow. With this case study, it was illustrated that: due to the effect of hydraulic engineering and the influx of tributaries, there were spatial differences in the energy transformity of the main stream. With the hydraulic engineering, the energy transformity of the main stream improved significantly. With the influx of tributaries, the energy transformity of the main stream was between that of the tributary and that of the main stream before the junction point.

complex river；energy transformity of river；Liuchong river；Jiayan reservoir；Baifu river

X37

A

1000-6923(2019)12-5094-07

李偉楠(1988-),男,安徽懷寧人,博士,主要從事水資源生態(tài)經(jīng)濟系統(tǒng)研究.發(fā)表論文4篇.

2019–5–10

國家重點研發(fā)計劃項目(2016YFC0401306);貴州省科技計劃項目(黔科合重大專項字[2017]3005-5號)

*責任作者, 教授, ydmei@whu.edu.cn