陳肖依，黃曦妮，曾 智

（1.中鐵水利水電規(guī)劃設計集團有限公司，江西 南昌，330029；2.江西省水利投資集團有限公司，江西 南昌，330000）

0 前言

水電開發(fā)對優(yōu)化我國能源結構、促進經(jīng)濟發(fā)展起到了重要作用，但其對河流生態(tài)環(huán)境的不利影響也日益凸顯，許多在山區(qū)河流上開發(fā)的小型水電站項目多為引水式發(fā)電，將會在壩下形成減脫水河段，進而影響流域生態(tài)系統(tǒng)的穩(wěn)定性[1]。2018年6月19日，國家審計署《長江經(jīng)濟帶生態(tài)環(huán)境保護審計結果》發(fā)布，長江流域小水電建設帶來的一個突出生態(tài)問題是：小水電無序開發(fā)，建設密度過大，導致333條支流斷流。2019年，水利部和生態(tài)環(huán)境部聯(lián)合發(fā)布的關于加強長江經(jīng)濟帶小水電站生態(tài)流量監(jiān)管的通知明確指出，切實加強長江經(jīng)濟帶小水電站（單站裝機50 000kW及以下）生態(tài)流量監(jiān)督管理，盡快健全保障生態(tài)流量長效機制，力爭在2020年底前全面落實小水電站生態(tài)流量[2]。

為了給地方政府在今后小水電整改評估中電站電能損失預判提供一定的數(shù)據(jù)和技術支撐，本文選取江西省遂川縣作為研究區(qū)域。該縣地處山區(qū)，水力資源豐富，小水電站數(shù)量眾多，具有較好的代表性。按照有無下泄生態(tài)流量兩種工況，在分析電站裝機規(guī)模（M1）、設計水頭（M2）、設計流量（M3）、年利用小時數(shù)（M4）、設計流量與多年平均流量比（M5）和水量利用率（M6）等因子與電能損失率η的相關關系的基礎上，通過SPSS主成分分析方法開展各因子對電能損失率η影響作用程度的研究。

1 數(shù)據(jù)來源與研究方法

1.1 數(shù)據(jù)來源

在遂川縣小水電清理整改項目中，實地調查收集了各小水電站第一手基礎數(shù)據(jù)資料，遂川縣120多座小水電站大部分裝機規(guī)模為0～5 000kW，設計流量為0～50m3/s，設計水頭為0～400m。[1]

基于江西省徑流深等值線圖，選取仙坑、彭坊、行洲等小河測站1980年及以后的實測徑流系列（資料系列大于30年）為小水電站徑流過程分析和模擬的依據(jù)站。

1.2 研究方法

1.2.1 主成分分析法

本文采用主成分分析為主要研究方法，也稱主分量分析，旨在利用降維思想，把多指標轉化為少數(shù)幾個綜合指標（即主成分），其中每個主成分都能夠反映原始變量的大部分信息，且所含信息互不重復[3]。這種方法在引進多方面變量的同時將復雜因素歸結為幾個主成分，使問題簡單化，同時得到更加科學有效的數(shù)據(jù)信息[4]。主成分分析法的代數(shù)模型為：

假設用p個變量來描述研究對象，分別用X1，X2，……，Xp來表示，這p個變量構成的p緯隨機向量為X=（X1，X2，……，Xp）t。設隨機向量 X 的均值為 μ，協(xié)方差矩陣為Σ。對X進行線性變化，考慮原始變量的線性組合：

主成分是不相關的線性組合 Z1，Z2，……，Zp，并且Z1是 X1，X2，……，Xp的線性組合中方差最大者，Z2是與Z1不相關的線性組合中方差最大者，……，Zp是與Z1，Z2，……，Zp-1都不相關的線性組合中方差最大者。Z1，Z2，……，Ze（e≤p）為構造的新變量指標，即原變量指標的第一、第二、……、第e個主成分。

本文結合電能計算一般考慮因素及水資源條件綜合分析，選取電站裝機規(guī)模（M1）、設計水頭（M2）、設計流量（M3）、年利用小時數(shù)（M4）、設計流量與多年平均流量比（M5）和水量利用率（M6）等6個影響因子納入主成分分析開展研究。

1.2.2 Tennant法

生態(tài)流量采用tennant法計算，該方法也叫蒙大拿（Montana）法，由Tennant于1976年提出來，屬于非現(xiàn)場測定類型的標準設定法。在Tennant法中，以預先確定的多年平均流量百分數(shù)為基礎，將保護水生態(tài)和水環(huán)境的河流流量推薦值分為最大允許極限值、最佳范圍值、極好狀態(tài)值、很好狀態(tài)值、良好狀態(tài)值、一般或較差狀態(tài)值、差或最小狀態(tài)值和極差狀態(tài)值等1個高限標準、1個最佳范圍標準和6個低限標準，又依據(jù)水生生物對環(huán)境的季節(jié)性要求不同，分為4～9月份魚類產(chǎn)卵育肥期和10月～翌年3月份一般用水期，本文取多年平均流量的10%為生態(tài)流量參與分析計算，即選取的生態(tài)流量是河流流量推薦值中的“差或最小狀態(tài)值”，也是水利工程設計上?？紤]的多年平均流量百分數(shù)。

通過全省各地走訪調查，小水電站多為私人建設，基本無設計資料，生態(tài)流量下泄更是無跡可尋，多為“有多少水發(fā)多少電”，“機組可以發(fā)電優(yōu)先走機組過水”等不合規(guī)的管理運行模式，即壩址無下泄流量設施，無法直接下放生態(tài)流量，本文將電站實際運行工況作為“無生態(tài)流量下泄”（工況1），以電站多年平均徑流修正水文比擬法換算得到的小水電站徑流過程，按照來流量扣除生態(tài)流量后的運行工況作為“有生態(tài)流量下泄”（工況2），兩工況發(fā)電量之差與實際運行工況的發(fā)電量的百分比作為年均電能損失率。

2 結果與分析

2.1 電站特征值與電能損失率的關系

小水電站一般為徑流壩后或引流式電站，通過電能計算，在保證生態(tài)流量下泄（采用tennant法計算，取多年平均流量10%計），發(fā)電綜合系數(shù)K取8.3（依據(jù)GB50071小型水力發(fā)電設計規(guī)范，小型水力發(fā)電站發(fā)電機參數(shù)可按0.80～0.85選取，燈泡貫流式機組可按0.90～0.95選取，再乘以9.81即為發(fā)電綜合系數(shù)K）作為本次評估固定參數(shù)參與計算，納入考量的120多座小水電站95%以上的裝機規(guī)模（M1）、設計水頭（M2）和設計流量（M3）對電能損失率η的影響閾值為[10%，20%]。

2.2 電能計算參數(shù)與電能損失率的關系

通過繪制年利用小時數(shù)（M4）、設計流量與多年平均流量比（M5）和水量利用率（M6）三個參數(shù)與電能損失率的關系曲線，可以明顯看出，上述三個參數(shù)與電能損失率η呈現(xiàn)較為良好的單一關系，其中，年均發(fā)電利用小時數(shù)（M4）與電能損失率η符合線性關系；設計流量與多年平均流量比（M5）和電能損失率η基本滿足冪函數(shù)模型關系；水量利用率（M6）與電能損失率η符合對數(shù)函數(shù)模型，且依據(jù)點繪出來的電能損失率η同樣基本控制在[10%，20%]。

圖1 電站特征值與電能損失率的關系圖

因此，綜合上述各影響因子與電能損失率η的相關關系，本文認為考慮生態(tài)流量下泄后小水電評估整改中電能損失率的閾值劃定為[10%，20%]是基本合理可靠的。

2.3 主成分分析

從小水電整改評估工作階段的深度出發(fā)考慮，電站裝機規(guī)模（M1）、設計水頭（M2）、設計流量（M3）、年利用小時數(shù)（M4）、設計流量與多年平均流量比（M5）和水量利用率（M6）等影響因子（變量）對電能損失的作用影響較大，且實地調查考證較易獲取。為了進一步研究上述6大因子在電能損失中的影響程度和作用，本文采用SPSS主成分分析法[5]，剖析電能損失率影響因子的內在主成分。

通過SPSS主成分分析表明[6]，上述變量之間存在較好的相關性，KMO和Bartlett的檢驗結果符合主成分分析計算要求，且公因子方差均大于等于0.842。各因子與電能損失率具有較強的正負相關性，影響效力顯著。根據(jù)累積貢獻率大于85%，特征值大于1的一般準則，本文認為在小水電整改評估階段電能損失率分析中選取2～3個主成分為宜，第一主成分為效能屬性，包括年利用小時數(shù)（M4）、設計流量與多年平均流量比（M5）和水量利用率（M6）；第二主成分為出力屬性，包括設計水頭（M2）和設計流量（M3）；第三個主成分為裝機屬性，為裝機規(guī)模（M1）（分析成果見表1）。

表1 小水電站電能損失率影響主成分分析成果表

在三大主成分中，效能屬性主成分中的年利用小時數(shù)越大（M4）對電能損失率為負向作用，即參數(shù)越大，電能損失率也越大；而設計流量與多年平均流量比（M5）和水量利用率（M6）對電能損失率起正向作用，參數(shù)越大，相應電能損失越小。根據(jù)出力屬性主成分和裝機屬性主成分存在的必要聯(lián)系，設計水頭（M2）和設計流量（M3）兩者互為反向作用，設計流量（M3）和設計流量與多年平均流量比（M5）的作用方向必定是一致的，而徑流式引水發(fā)電的小水電站設計流量（M3）對裝機規(guī)模（M1）一般為主導作用，很顯然，通過SPSS[7]很好地詮釋了設計水頭（M2）、設計流量（M3）和裝機規(guī)模（M1）對電能損失率的影響作用。

在小水電整改評估階段，按照主成分順序，建議應該優(yōu)先考證年利用小時數(shù)（M4）、設計流量與多年平均流量比（M5）和水量利用率（M6）反映電站效能屬性的真實性和可靠性，通過繪制影響因子[8]與電能損失率的單一關系曲線，以點代面地對區(qū)域范圍各電站電能損失進行估算，可作為整改評估依據(jù)之一；其次是收集電站設計水頭（M2）、設計流量（M3）等反映電站出力規(guī)模的銘牌特征值，作為基礎資料信息補充、復核或者下階段工作的需求；小水電站多為私人承建或經(jīng)營，實際裝機規(guī)模與區(qū)域水資源的匹配性往往較為“隨意”，因此，裝機規(guī)模（M1）僅劃定為第三主成分納入整改評估考量范疇，本次主成分分析成果亦與該實際情況吻合。

3 結論

（1）小水電整改評估中，生態(tài)流量下泄后小水電站的電能損失率的閾值為[10%，20%]是較為合適的，占比達到了95%以上。

（2）設計水頭（M2）和年利用小時數(shù)（M4）對電能損失率呈現(xiàn)負作用，表明參數(shù)越大，相應電能損失率越大，即扣減生態(tài)流量的電能效益損失越大；裝機規(guī)模（M1）、設計流量（M3）、設計流量與多年平均流量比（M5）和水量利用率（M6）對電能損失率起積極正向作用，參數(shù)越大，相應電能損失越小。

（3）建議在小水電整改評估階段，應以考證年利用小時數(shù)（M4）、設計流量與多年平均流量比（M5）和水量利用率（M6）參數(shù)的真實性和可靠性為先，后以電站銘牌特征值收集為輔，對電站電能損失率進行有效評估。

（4）本文在計算電能損失率時，對發(fā)電系數(shù)、生態(tài)流量、年利用小時數(shù)都采取了簡化處理，但上述成果不失為小水電整改評估階段一個較為合適的電能損失率的判別途徑。