范 仕 虎，楊 曼，王 朋

(1.河南省水利第二工程局，河南 鄭州 450016； 2.鄭州大學(xué) 水利科學(xué)與工程學(xué)院，河南 鄭州 450001； 3.河南鄭大水利科技有限公司，河南 鄭州 450001)

0 引 言

由于歷史原因，中國大部分小水電在建設(shè)規(guī)劃時未充分考慮對河流生態(tài)的影響，導(dǎo)致其機(jī)組與河流生態(tài)流量匹配性差，尤其是河床式或壩后式水電站，在機(jī)組正常運(yùn)行發(fā)電時，發(fā)電用水基本可以滿足下游生態(tài)流量要求，而在來流較小時段，機(jī)組不開機(jī)運(yùn)行，下游河流則處于脫流狀態(tài)，無法滿足生態(tài)要求[1-2]。隨著綠色小水電的持續(xù)推進(jìn)，國家和地方前后出臺多項(xiàng)政策，明確要求強(qiáng)化小水電生態(tài)流量的泄放、監(jiān)督和管理，以保障河流的生態(tài)功能要求[3-4]。對于小水電而言，裝設(shè)生態(tài)機(jī)組實(shí)現(xiàn)生態(tài)流量的持續(xù)下泄，是常見的綠色電站改造方案。

對于改造的河流生態(tài)電站，合理確定其裝機(jī)容量是關(guān)鍵。朱蒙恩[5]提出將生態(tài)流量作為生態(tài)機(jī)組的額定流量確定裝機(jī)容量；吳文濤等[6]提出將生態(tài)流量作為生態(tài)機(jī)組最大發(fā)電水頭對應(yīng)的流量，以此確定裝機(jī)容量；彭小東等[7]提出將生態(tài)流量作為生態(tài)機(jī)組任一運(yùn)行工況下均能達(dá)到的流量，并結(jié)合水頭變化確定裝機(jī)方案。上述生態(tài)電站裝機(jī)方案通過生態(tài)流量確定生態(tài)電站裝機(jī)容量，在進(jìn)行裝機(jī)容量確定時，未充分考慮不同裝機(jī)方案在發(fā)電效益、機(jī)組利用效率、棄水、投資等方面的優(yōu)劣，裝機(jī)容量的確定未充分反映生態(tài)電站的不同目標(biāo)的需求，存在一定的局限性，無法有效指導(dǎo)生態(tài)電站裝機(jī)的確定。

層次分析法是一種層次權(quán)重決策分析方法，能夠通過對多指標(biāo)決定的問題進(jìn)行分析，以優(yōu)先等級的形式對備選決策進(jìn)行排序，適用于解決難以定量分析、多目標(biāo)、多準(zhǔn)則等復(fù)雜決策問題?；诖?，本文引入層次分析的方法，通過生態(tài)流量初選裝機(jī)方案，選擇發(fā)電效益、機(jī)組利用效率、棄水和投資4部分作為目標(biāo)層，構(gòu)建生態(tài)電站裝機(jī)方案的層次分析模型，通過模型求解，實(shí)現(xiàn)生態(tài)電站裝機(jī)方案的最優(yōu)確定。

1 河流生態(tài)流量計算方法

隨著河流生態(tài)保護(hù)理論的發(fā)展，河流生態(tài)流量的計算方法也日益豐富。目前，生態(tài)流量的計算方法大致可以分為：水力學(xué)法、歷史流量法、棲息地定額法、整體分析法[8-10]；為了從不同角度反映河流對生態(tài)流量的需求，本文選擇不同規(guī)則下的生態(tài)流量計算方法，通過對不同計算方法進(jìn)行篩選對比，最終確定合理的河流生態(tài)流量值。本文在計算河流生態(tài)流量時，采用年內(nèi)展布計算法、Tennant法以及7Q10法進(jìn)行分析計算：

(1) 年內(nèi)展布計算法。該算法基于歷史徑流資料，以年最小徑流總量與多年平均徑流總量二者之間的比值，得到各月生態(tài)流量與各月多年平均徑流量之間的關(guān)系，以此來確定生態(tài)流量。

(2) Tennant法。該方法不需要河流的地形地質(zhì)資料，也不需要河流生物環(huán)境資料，僅根據(jù)水文徑流資料，即可進(jìn)行生態(tài)流量的估算[9]。在計算時，以河道多年平均徑流量作為基礎(chǔ)，根據(jù)設(shè)定的需水情況以及來水情況，選取一定的頻率計算得到河道生態(tài)流量。

(3) 7Q10法。對于河流最小流量的設(shè)計值，國外通常采用90%的保證率連續(xù)最枯7d的平均流量，中國通常采用最近10 a最枯月平均流量或者90%的保證率最枯月平均流量[10]。采用該算法計算時可以通過采用不同的保證率達(dá)到相應(yīng)的生態(tài)標(biāo)準(zhǔn)。

2 河流生態(tài)流量與裝機(jī)容量確定的關(guān)系

生態(tài)電站多根據(jù)現(xiàn)有建筑物增設(shè)生態(tài)機(jī)組，當(dāng)站址確定后，可以認(rèn)為機(jī)組的水頭已經(jīng)確定，其裝機(jī)容量可以近似與其可用流量有關(guān)?？紤]生態(tài)流量一般較小，電站原機(jī)組裝機(jī)容量較大，為了匹配較小流量，一般僅設(shè)置一臺小機(jī)組作為生態(tài)機(jī)組進(jìn)行流量匹配[5-7，11]。生態(tài)流量Q可以作為該生態(tài)機(jī)組的最小開機(jī)流量、保證流量、設(shè)計流量，分析河流生態(tài)流量與裝機(jī)容量確定關(guān)系如下：

(1) 作為機(jī)組最小開機(jī)流量。當(dāng)河流生態(tài)流量作為機(jī)組最小開機(jī)流量時，機(jī)組設(shè)計流量Qs會明顯大于Q，機(jī)組可以充分利用生態(tài)流量以上流量；對于生態(tài)泄流大于生態(tài)流量Q時，機(jī)組仍可以開機(jī)運(yùn)行，且效率提高，適用于水量充沛、生態(tài)流量長期處于較高水平的河流；但當(dāng)河流按照生態(tài)流量下泄時，電站雖然可以開機(jī)運(yùn)行，但機(jī)組運(yùn)行效率較低。

假定機(jī)組設(shè)計流量為

Qs=aQ

(1)

則電站的裝機(jī)容量為

N=KQsH=aKQH

(2)

式中：K為綜合出力系數(shù)，可依據(jù)相關(guān)規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)或設(shè)計手冊進(jìn)行選擇；Qs為機(jī)組設(shè)計流量；H為發(fā)電凈水頭；Q為機(jī)組最小開機(jī)流量，也即河流生態(tài)流量；a為大于1的計算參數(shù)，與機(jī)組運(yùn)行特性有關(guān)，一般可取1.5～2。

(2) 作為機(jī)組保證流量。當(dāng)河流生態(tài)流量Q作為生態(tài)機(jī)組保證流量時，該流量對應(yīng)的即為生態(tài)機(jī)組保證出力，由于河流下泄流量均應(yīng)大于等于河流生態(tài)流量Q，因此，河流生態(tài)流量Q的保證率為100%；考慮生態(tài)機(jī)組可利用的流量為區(qū)間流量，其設(shè)計保證率可小于100%，因此生態(tài)電站對應(yīng)的保證流量Qb應(yīng)大于等于Q，即：

Qb=bQ

(3)

增設(shè)生態(tài)電站的裝機(jī)基本為1臺[5-7，11]，其裝機(jī)容量可確定為：

N=KQbH=bKQH

(4)

式中：Qb為保證流量；b為大于1的計算參數(shù)，設(shè)計保證率越高，b越接近1，一般可取1.05～1.20。

(3) 作為機(jī)組設(shè)計流量。當(dāng)河流生態(tài)流量Q為機(jī)組設(shè)計流量時，此時電站裝機(jī)容量計算為

N=KQH

(5)

對上述3種方法進(jìn)行對比評價，結(jié)果如表1所列。

表1 不同裝機(jī)確定方法的對比Tab.1 Comparison of different determination methods

3 層次分析法

3.1 模型結(jié)構(gòu)

層次分析法主要涉及系統(tǒng)科學(xué)的決策問題，需要將決策問題置于系統(tǒng)中，并將相互影響的因素及問題層次化，形成多層次的分析模型[12]；利用數(shù)學(xué)分析和定性分析結(jié)合的形式進(jìn)行排序和分層，通過獲得每種方案的權(quán)重值來指導(dǎo)決策[13-14]。其結(jié)構(gòu)模型如圖1所示。

圖1 層次分析法結(jié)構(gòu)Fig.1 Structure of AHP

3.2 求解流程

(1) 構(gòu)造判斷矩陣。依據(jù)指標(biāo)層Cij(i=1，2，…n；j=1，2，…，m)對準(zhǔn)則層bi(i=1，2，…，n)的重要度，以1～9作為比較的標(biāo)準(zhǔn)，兩兩進(jìn)行相比，利用Delphi法給出矩陣的元素值。有關(guān)1～9標(biāo)度及其內(nèi)容見表2。

表2 判斷矩陣(1～9)標(biāo)度及其內(nèi)容Tab.2 Scoring and content of judgment matrix

(2) 計算指標(biāo)權(quán)重。設(shè)判斷矩陣D=dij(i=1，2，…，n；j=1，2，…，m)，則：

(6)

(7)

(8)

w=(w1，w2，…，wn)

(9)

(3) 判斷矩陣一致性。

(10)

CI=(λmax-n)/(n-1)

(11)

CR=CI/RI

(12)

式中：λmax為判斷矩陣最大特征值；CI為判斷矩陣D的一致性指數(shù)；CR為隨機(jī)一致性比率；RI為判斷矩陣的隨機(jī)一致性指標(biāo)(見表3)[13-14]。

表3 判斷矩陣的隨機(jī)一致性指標(biāo)Tab.3 Random consistency index of judgment matrix

若CR<0.1，則認(rèn)為D具有滿意的一致性，否則須重新構(gòu)造D，直至有滿意的一致性。

(4) 綜合權(quán)重的計算。將上述得到的單項(xiàng)權(quán)重進(jìn)行相應(yīng)組合，得到評價指標(biāo)對于構(gòu)造目標(biāo)層的綜合權(quán)重。

(13)

4 實(shí)例分析

4.1 基本資料

以漢江支流唐白河流域魚網(wǎng)系水電站為例開展實(shí)例驗(yàn)證。該水電站現(xiàn)有裝機(jī)為6 000 kW(2×3 000 kW)，設(shè)計水頭為21 m，機(jī)組設(shè)計流量為14.57 m3/s，最小開機(jī)流量約8.2 m3/s，與河流生態(tài)流量不匹配，當(dāng)需要下泄小于8.2 m3/s時，電站往往不開機(jī)運(yùn)行，造成下游缺水；或雖然開機(jī)運(yùn)行，但電站通過長距離引水渠引水發(fā)電，造成河流局部河流段脫水，河流生態(tài)遭到破壞，生態(tài)流量不能保障。針對現(xiàn)有問題，擬在原電站引水渠渠首處增設(shè)生態(tài)電站，通過新建機(jī)組對生態(tài)流量進(jìn)行匹配，考慮該處河流生態(tài)流量較小，此次考慮新建1臺機(jī)組。

河流電站處1965～2018年共54 a的年平均徑流量及月平均徑流量如圖2～3所示。

圖2 多年平均徑流量Fig.2 Average annual runoff

圖3 多年月平均徑流量Fig.3 Average monthly runoff

4.2 生態(tài)流量計算及確定

按照年內(nèi)展布計算法、Tennant法以及7Q10法分別對河流生態(tài)流量進(jìn)行分析計算，計算結(jié)果如表4所列。

表4 河流生態(tài)流量計算成果Tab.4 Results of ecological flow by different methods m3/s

通過分析可知，上述3種方法計算的河流生態(tài)流量差別較大，其中Tennant法計算的生態(tài)流量最大?？紤]下游生態(tài)環(huán)境、河流凈化等功能，最終確定河流生態(tài)流量按照Tennant法計算，即10月至次年3月份下泄流量為3.19 m3/s，4～9月份下泄流量為6.38 m3/s。

4.3 生態(tài)電站裝機(jī)容量確定

按照本文的3種方法，分別計算裝機(jī)容量。

(1) 生態(tài)流量作為機(jī)組最小開機(jī)流量。以3.19 m3/s作為機(jī)組最小開機(jī)流量；此時，裝機(jī)容量N=a×9.8×21×3.19=a×657 kW；按照21 m水頭機(jī)型效率曲線，最小開機(jī)流量與設(shè)計流量比可取1.5～2；按照a=1.8，計算電站裝機(jī)容量為1 182 kW，按照機(jī)組標(biāo)準(zhǔn)圖譜，選擇1 200 kW裝機(jī)。

(2) 生態(tài)流量作為保證流量。按照設(shè)計保證率80%計算，對多年徑流資料進(jìn)行統(tǒng)計，對于10月至次年3月份來流量小于3.19 m3/s，取3.19 m3/s，對于4～9月份下泄流量小于6.38 m3/s取6.38 m3/s；進(jìn)行統(tǒng)計排頻，找出出現(xiàn)頻率在80%的流量值為4.76 m3/s，從而得到保證流量，計算裝機(jī)N=9.8×21×4.76=980 kW，按照機(jī)組標(biāo)準(zhǔn)圖譜，選擇1 000 kW裝機(jī)。

(3) 生態(tài)流量作為機(jī)組設(shè)計流量。計算裝機(jī)N=9.8×21×3.19=656 kW，按照機(jī)組標(biāo)準(zhǔn)圖譜，選擇700 kW裝機(jī)。

4.4 方案對比分析

假定河道按照上述生態(tài)流量進(jìn)行下泄，且所有下泄流量均通過生態(tài)電站，按照上節(jié)計算得到的1 200，1 000 kW和700 kW 3種方案分別對河流生態(tài)電站的發(fā)電情況及棄水情況進(jìn)行分析，如圖4～5所示。

圖4 不同方案的出力比較Fig.4 Outputs of diffenent schemes

圖5 不同方案的棄水比較Fig.5 Abandoned water volumes of different schemes

通過對圖4～5進(jìn)行分析可知，3個方案均可以在4～9月滿發(fā)，其出力分別可以達(dá)到1 200，1 000 kW和700 kW；其棄水均發(fā)生在4～9月，棄水流量為0.55，1.52 m3/s和2.98 m3/s。上述3個方案均可以對10月至3月的小流量進(jìn)行有效利用，而此時1 200 kW機(jī)組雖然可以開機(jī)，但是其機(jī)組效率相對較低；面對大于4～9月的大流量時，其利用程度存在較大的差異。

不同的3個方案均可以滿足生態(tài)流量的調(diào)度，對于發(fā)電效益、機(jī)組利用效率、投資、施工難度等方面均還存在一定的差異，按照定性分析，對其進(jìn)行對比，如表5所列。

表5 不同裝機(jī)方案的技術(shù)比較Tab.5 Comparison of the technics of different schemes

4.5 層次分析法

根據(jù)上節(jié)對不同的方案進(jìn)行技術(shù)比較，擬定生態(tài)電站的層次分析結(jié)構(gòu)如圖6所示。

圖6 層次分析結(jié)構(gòu)Fig.6 Hierachieal stucture

按照發(fā)電效益重要度最高，機(jī)組利用效率、投資次之，棄水最次的重要度，構(gòu)造裝機(jī)容量原始矩陣見表6。

表6 原始矩陣Tab.6 Original matrix

不同方案的權(quán)重表如表7所列。

表7 不同方案的權(quán)重Tab.7 Weights of differeut schemes

其中，不同方案對發(fā)電效益、機(jī)組利用效率、棄水和投資的原始權(quán)重矩陣分別如表8～11所列。

表8 不同方案下發(fā)電效益的權(quán)重矩陣Tab.8 Weight matrix of power generation benefit under different schemes

表9 不同方案下機(jī)組利用效率的權(quán)重矩陣Tab.9 Weight matrix of unit utilization efficiency under different schemes

表10 不同方案下棄水的權(quán)重矩陣Tab.10 Weight matrix of abandoned water under different schemes

表11 不同方案下投資的權(quán)重矩陣Tab.11 Weight matrix of investment under different schemes

上述權(quán)重矩陣表的CR分別為：0.012，0.003 6，0.028，0.037，0.001 5，均小于0.1，滿足一致性條件。

利用本文構(gòu)建的層次分析法，最小開機(jī)流量、保證流量、設(shè)計流量3種方案的得分分別為0.42，0.27，0.31。

經(jīng)過計算，按照發(fā)電效益>機(jī)組利用效率>投資>棄水重要度進(jìn)行計算，可知，以生態(tài)流量作為最小開機(jī)流量確定的裝機(jī)方案(1 200 kW)為最優(yōu)方案。這主要是由于該方案可以充分利用4～9月的大流量，雖然機(jī)組利用效率較低，但是發(fā)電效益較大，棄水較少，符合實(shí)際情況。

若按照機(jī)組利用效率>發(fā)電效益>投資>棄水的重要度重新進(jìn)行計算，最小開機(jī)流量、保證流量、設(shè)計流量3種方案的得分分別為0.36，0.37，0.27。

按照該重要度進(jìn)行重新計算可知，其最優(yōu)方案為以生態(tài)流量作為保證流量(即1 000 kW)的方案。該方案發(fā)電效益雖然有所減少，但是其對10月至次年3月的小流量利用較為充分，可以在滿足機(jī)組利用效率的同時，提高發(fā)電效益，減少棄水。

5 結(jié) 論

隨著綠色小水電建設(shè)工作的不斷推進(jìn)，水電站需要通過生態(tài)機(jī)組進(jìn)行生態(tài)流量泄放，合理確定生態(tài)電站機(jī)組的裝機(jī)容量成為關(guān)鍵。本文結(jié)合河流生態(tài)流量計算方法，構(gòu)建了河流生態(tài)電站裝機(jī)的確定模型，為水電站綠色改造中裝機(jī)容量的論證決策提供必要的理論指導(dǎo)。 本文的主要研究成果如下：

(1) 分析了生態(tài)流量與裝機(jī)容量確定的關(guān)系，明確了不同確定方法的適用性。

(2) 根據(jù)決策者的決策目標(biāo)，選擇發(fā)電效益、機(jī)組利用效率、棄水和投資4個部分為目標(biāo)層，構(gòu)建了生態(tài)電站裝機(jī)方案的層次分析模型，該模型可以較好地解決生態(tài)流量裝機(jī)方案確定的問題。