寧志昊,周研來,林凡奇,周 穎,羅 琪

(武漢大學(xué),水資源工程與調(diào)度全國重點實驗室, 武漢 430072)

在強人類活動影響和全球氣候變暖的背景下,為加快實現(xiàn)“雙碳”目標(biāo),多數(shù)國家都在推動清潔能源發(fā)展。水力發(fā)電常被認(rèn)為是一種清潔能源,但2000年Louis等的研究表明水庫在全球尺度上是一個重要的碳源[1]。水庫的建造和投運會淹沒大量陸地有機物,減緩河流流速并阻礙碳、氮等營養(yǎng)物質(zhì)的流動,對流域原有水循環(huán)過程造成顯著影響,改變了水庫中微生物的生化活動[2]。相較天然水體,水庫中自養(yǎng)生物呼吸、異養(yǎng)生物分解、硝化及反硝化等過程造成CO2、CH4以及N2O等溫室氣體的排放量更大。水庫水位周期性消漲形成的消落帶會影響CO2的排放,有研究表明,隨著水庫消落帶面積的增加而曝露出的干燥水生沉積物會釋放大量的CO2[3]。同時,水庫也具有顯著的碳匯屬性,有機碳埋藏能力較高,在碳通量計算中需要受到重視[4],且三峽水庫等發(fā)電水庫所帶來的大量水電清潔能源為碳減排做出了巨大推動作用[5]。水庫提前蓄水等調(diào)度方式會影響消落帶面積的變動,從而影響水庫碳通量。近年來,關(guān)于水庫碳通量測量與計算研究已成為學(xué)術(shù)前沿和熱點問題,學(xué)者們圍繞水庫碳排放和有機碳埋藏因子開展了相關(guān)研究工作,為水庫碳通量計算提供了重要參考依據(jù)[4,6]。

目前,許多學(xué)者針對單個水庫及水庫群蓄水問題開展了研究,并取得了豐富成果。彭楊等[7]在水庫防洪、發(fā)電及航運調(diào)度的基礎(chǔ)上,對三峽水庫最優(yōu)蓄水時機和方式進(jìn)行了多目標(biāo)決策;李雨等[8]在已有方案基礎(chǔ)上,擬定了多組三峽水庫提前蓄水方案,進(jìn)行了防洪風(fēng)險及效益分析計算,并開展了提前蓄水方案的優(yōu)選;周研來等[9]以溪洛渡-向家壩-三峽梯級水庫為例,推求了可權(quán)衡防洪與興利之間矛盾的梯級水庫聯(lián)合蓄水方案;張為等[10]采用實測資料分析法和理論分析法,對梯級水庫蓄水后三峽水庫洪峰沙峰異步特性變化進(jìn)行了分析;郭生練等[11]綜述了水庫群汛末提前蓄水調(diào)度的研究進(jìn)展和存在的問題,指出提前蓄水可顯著增加水庫群年均發(fā)電量,并提高水庫群的汛末蓄滿率及水資源利用率。作為清潔能源,水力發(fā)電量的增加對于多能源系統(tǒng)的碳排放降低起到積極作用。同時,也有學(xué)者圍繞水庫碳排放開展了相關(guān)研究。Chen等[12]研究測量了三峽消落帶區(qū)域及三峽水體表面的CH4排放;Zhu等[13]研究測量了三峽水庫N2O排放隨時間及空間的變化,發(fā)現(xiàn)三峽N2O的排放主要隨時間變化,隨空間變化較小;Zhou等[14]研究測量了三峽水庫消落帶不同區(qū)域的溫室氣體排放。三峽水庫建成前的清庫工作有效減少了蓄水后淹沒區(qū)有機質(zhì)降解與溫室氣體釋放,其CH4釋放通量在全球案例中總體偏低[15]。以上研究為水庫碳通量計算提供了重要參考,但目前尚無考慮碳減排的水庫蓄水調(diào)度研究,亟待開展針對碳減排的水庫蓄水調(diào)度、水碳協(xié)同調(diào)度等研究。

針對當(dāng)前水庫提前蓄水調(diào)度研究尚未考慮碳減排問題,本文基于水庫碳排放和有機碳埋藏因子法,構(gòu)建考慮碳減排的水庫提前蓄水調(diào)度模型,采用基于熵權(quán)重的逼近理想解排序法(TOPSIS)對提前蓄水調(diào)度方案進(jìn)行多目標(biāo)評價,以優(yōu)選調(diào)度方案,在三峽水庫開展實例研究,為實現(xiàn)水庫提前蓄水的水碳協(xié)同調(diào)度提供技術(shù)支撐。

1 考慮碳減排的水庫提前蓄水調(diào)度模型

本文構(gòu)建了考慮碳減排的水庫提前蓄水調(diào)度模型,該模型由提前蓄水調(diào)度模塊、碳通量計算模塊、多目標(biāo)評價模塊3部分組成。通過提前起蓄時間和抬升蓄水調(diào)度線的方式,擬定不同提前蓄水方案,經(jīng)由考慮碳減排的水庫提前蓄水調(diào)度模型分析評估,優(yōu)選水庫提前蓄水方案。3個模塊的計算原理分述如下。

1.1 提前蓄水調(diào)度模塊

該模塊包含防洪風(fēng)險計算和綜合效益計算兩個子模塊[8-9]。防洪風(fēng)險計算模塊首先選取典型年,并對典型洪水過程進(jìn)行同頻率放大,通過調(diào)洪演算,計算不同頻率分期設(shè)計洪水的壩前最高安全水位,結(jié)合各提前蓄水方案模擬調(diào)洪水位求解風(fēng)險率及風(fēng)險損失率。

風(fēng)險率用作評估蓄水方案發(fā)生非期望事件的概率,選取N年的歷史實測日徑流資料,按照擬定各提前蓄水方案進(jìn)行模擬調(diào)度,計算各年份調(diào)度期的水庫水位序列,若某年份水位序列中有超過相應(yīng)時段壩前最高安全水位值時,則將該年記作破壞年份,統(tǒng)計總破壞年數(shù)n,即可求得該重現(xiàn)期分期設(shè)計洪水風(fēng)險率Rf,其數(shù)學(xué)表達(dá)式為Rf=n/N。

風(fēng)險損失率Rs用作評估非期望事件發(fā)生情況下所造成的破壞程度。令破壞年份的最大破壞水位Zfmax和相應(yīng)時刻的壩前最高安全水位Z0所對應(yīng)庫容分別為Vfmax和V0,令水庫最大調(diào)洪庫容為Vm,風(fēng)險損失率數(shù)學(xué)表達(dá)式為:

(1)

式中,Vm-V0為某一重現(xiàn)期下水庫抵御分期設(shè)計洪水所預(yù)留防洪庫容;Vfmax-V0為水庫預(yù)留防洪庫容占用部分;Rs∈[0,1],當(dāng)Rs=1則表示水庫所預(yù)留防洪庫容全部被占用,此時水庫不再具備洪水調(diào)蓄功能,下游地區(qū)將承擔(dān)全部洪災(zāi)損失,當(dāng)Rs=0時說明水庫具備充足預(yù)留庫容用以調(diào)蓄洪水。

綜合效益計算模塊依據(jù)擬定提前蓄水方案,使用長系列水庫日徑流資料模擬調(diào)度,計算年均發(fā)電量、棄水量、蓄滿率等指標(biāo)。

1.2 碳通量計算模塊

該模塊的主要功能包括:先模擬分析水庫提前蓄水調(diào)度過程,然后基于水庫碳排放和有機碳埋藏因子法,計算提前蓄水調(diào)度的碳通量,最后根據(jù)不同氣體的全球變暖潛能系數(shù)[16]計算溫室氣體通量CO2當(dāng)量。計算步驟如下:

1)識別水庫碳排放因子與有機碳埋藏因子,包括CO2、CH4、N2O等溫室氣體在庫水面區(qū)域與消落帶區(qū)域的排放因子[12-14,17]以及有機碳在這兩個區(qū)域的埋藏因子[18]。

2)擬定提前蓄水調(diào)度方案,采用長系列入庫日徑流資料模擬蓄水調(diào)度,分析庫水位變化,再依據(jù)水庫的水位-庫面積-庫容特征曲線推求蓄水調(diào)度的庫水面面積與消落帶面積。

3)根據(jù)步驟1)和步驟2)所得數(shù)據(jù),基于碳排放因子和有機碳埋藏因子法,計算水庫蓄水調(diào)度的碳通量;考慮溫室氣體的全球變暖潛能系數(shù)[16],計算水庫溫室氣體通量CO2當(dāng)量。

① 碳通量計算:水庫所排放的3種主要溫室氣體中,CO2、CH4含有C元素,因此考慮CO2、CH4所含C元素質(zhì)量計算碳通量。2011年,政府間氣候變化專門委員會(Intergovernmental Panel on Climate Change,簡寫為“IPCC”)在《可再生能源與減緩氣候變化》特別報告中首次提出了水庫溫室氣體凈通量的概念性框架,即水庫溫室氣體凈排放量等于蓄水后水庫溫室氣體排放量減去蓄水前的溫室氣體排放量及其他人類活動對水庫溫室氣體排放量的貢獻(xiàn)量。本文模型僅考慮已投入運行的水庫通過調(diào)度對溫室氣體排放的影響,因此只對蓄水后溫室氣體進(jìn)行估算。國際能源署(International Energy Agency,簡寫為“IEA”)根據(jù)IPCC框架基礎(chǔ)上編寫了技術(shù)導(dǎo)則,其中對蓄水后溫室氣體通量的計算公式為水庫水-氣界面CO2通量、CO2過壩下泄消氣釋放、下游河段CO2通量之和減去水庫碳埋藏。三峽水庫具有相對較大的水面面積,水-氣界面擴散通量是三峽水庫溫室氣體的主要排放途徑。受限于監(jiān)測手段及頻次影響,暫無法實測泄洪期間消氣釋放通量。本文采用碳排放和有機碳埋藏因子法進(jìn)行溫室氣體估算,將水庫碳通量狹義定義為水庫碳排放量減去有機碳埋藏量。計算公式為:

(2)

式中,Cf為水庫的多年平均碳通量;Cflux(i,j)為水庫第i年第j日的碳通量;Cemi(i,j)和Cbur(i,j)分別為水庫第i年第j日的碳排放量與有機碳埋藏量。

(3)

式中,Amax為最大水體表面積,為水庫正常蓄水位對應(yīng)的水體面積;Asurf(i,j)和Adraw(i,j)分別為水庫第i年第j日的水體面積和消落帶面積,其中Asurf(i,j)由第i年第j日的庫水位Z(i,j)查水位-水體面積-庫容曲線得到,消落帶面積Adraw(i,j)等于Amax減去Asurf(i,j)。

(4)

Cbur(i,j)=Asurf(i,j)·rsbur+Adraw(i,j)·rdbur

(5)

式中,CCO2(i,j)為水庫第i年第j日排放的CO2所含碳元素的質(zhì)量,由水體表面排放和消落帶排放組成;CCH4(i,j)為水庫第i年第j日排放的CH4所含碳元素的質(zhì)量,由于CH4需要產(chǎn)甲烷菌在厭氧環(huán)境下生成,因此只考慮水體以下的CH4排放,CCH4(i,j)等于水體表面積乘以CH4碳排放因子;rsCO2和rdCO2分別為水庫水體表面和消落帶的CO2碳排放因子[15,17],rsCH4為水庫水體表面CH4碳排放因子[12];由于水壓、空氣接觸等條件的差異,水體以下及消落帶的有機碳埋藏也存在差異,對兩種區(qū)域的有機碳埋藏分別進(jìn)行計算,因此Cbur(i,j)由水體表面積和消落帶面積分別乘對應(yīng)的有機碳埋藏因子再求和得到,rsbur和rdbur分別為水庫水體表面和消落帶的有機碳埋藏因子[18]。

② 溫室氣體通量的CO2當(dāng)量計算:在計算溫室氣體通量的CO2當(dāng)量時,除CO2、CH4以外還應(yīng)考慮N2O的排放。將碳、氮元素通量轉(zhuǎn)化為幾種溫室氣體的通量,再運用全球變暖潛能系數(shù)[16]轉(zhuǎn)化為溫室氣體通量的CO2當(dāng)量。CO2當(dāng)量的計算公式為:

(6)

(7)

NN2O(i,j)=Amax·rN2O(i,j)

(8)

式中,GHGf為溫室氣體通量的CO2當(dāng)量;CO2eq-flux(i,j)為水庫第i年第j日溫室氣體通量的CO2當(dāng)量;MCO2(i,j)、MCH4(i,j)和MN2O(i,j)分別為水庫第i年第j日所排放CO2、CH4和N2O的質(zhì)量;MburCO2(i,j)為水庫第i年第j日有機碳埋藏量的CO2當(dāng)量;λM、λN分別為100年尺度上CH4和N2O的全球變暖潛能系數(shù)[16];NN2O(i,j)為水庫第i年第j日排放的N2O所含氮元素質(zhì)量;rN2O(i,j)為水庫第i年第j日N2O排放因子,有研究表明三峽水庫各區(qū)域N2O排放相近,但隨時間差異較大,因此N2O排放區(qū)域均采用Amax,而N2O排放因子rN2O(i,j)隨時間變化[13];mC和mN分別為C和N的原子質(zhì)量;mCO2、mCH4和mN2O分別為CO2、CH4和N2O的分子質(zhì)量。

1.3 多目標(biāo)評價模塊

如何協(xié)調(diào)防洪風(fēng)險、水資源利用效益、碳通量之間的矛盾,評價起蓄時間提前及控制水位抬升所帶來的綜合效益,以優(yōu)選提前蓄水方案是一個多屬性決策問題。三峽水庫的首要任務(wù)是防洪,因此多目標(biāo)評價時首先舍棄可能增加防洪風(fēng)險的蓄水方案,僅保留其中一個作為對照方案參評?？紤]指標(biāo)間的獨立性,針對防洪風(fēng)險選取風(fēng)險率作為評價指標(biāo);針對水資源利用效益選取發(fā)電量、蓄滿率、水能利用率3項評價指標(biāo);針對碳減排,選取碳通量、溫室氣體通量的CO2當(dāng)量2項指標(biāo)?？紤]指標(biāo)間的關(guān)聯(lián)性,碳密度指標(biāo)與發(fā)電量、碳通量指標(biāo)緊密相關(guān),本研究將其作為附加評價指標(biāo)。所選各項指標(biāo)中發(fā)電量、蓄滿率、水能利用率為效益型指標(biāo),而風(fēng)險率、碳通量、溫室氣體通量及碳密度為成本型指標(biāo)。風(fēng)險率以外的各指標(biāo)計算式描述如下:

① 發(fā)電量

(9)

式中,E為發(fā)電量;η、ρ、g分別為機組發(fā)電效率系數(shù)、水密度和重力加速度;Qe(i,j)、He(i,j)為水庫第i年第j日的發(fā)電流量和發(fā)電水頭。

② 蓄滿率

(10)

式中,Rm為蓄滿率,為調(diào)度期末水庫水位達(dá)到正常高水位的年數(shù)與總模擬年數(shù)的比值;Z(i,end)為第i年調(diào)度期末水庫水位;Zmax為水庫正常高水位。

③ 水能利用率

(11)

式中,Re為水能利用率,為調(diào)度期出庫水量與棄水量的差與出庫水量比值的年均數(shù)值;Qs(i,j)為水庫第i年第j日的棄水流量。

④ 碳通量,如式(2)所示,Cf為水庫年均碳通量。

⑤ 溫室氣體通量CO2當(dāng)量,如式(6)所示,GHGf為水庫年均溫室氣體通量CO2當(dāng)量。

⑥ 碳密度

(12)

式中,DC為碳密度,為水庫年均碳通量與發(fā)電量的比值[19]。

逼近理想解法(TOPSIS)是一種適合多指標(biāo)、多方案決策分析的方法,常被用于水資源多目標(biāo)評價[20]。本文選用熵權(quán)法計算權(quán)重,結(jié)合TOPSIS法對各提前蓄水方案進(jìn)行評分,優(yōu)選最佳方案,具體計算步驟見附件I。

2 實例研究

2.1 三峽水庫概況

三峽工程是當(dāng)今世界上最大的水利樞紐工程,有防洪、發(fā)電、航運及水資源利用等十余種功能,具備巨大的綜合效益。三峽工程建于湖北省宜昌市夷陵區(qū)三斗坪鎮(zhèn)的長江干流,控制流域面積約100萬km2。1994年12月三峽動工建設(shè),2003年6月首次蓄水、進(jìn)入圍堰擋水發(fā)電期的三峽工程初步產(chǎn)生效益,2010年7月26臺三峽電站機組順利完成滿負(fù)荷連續(xù)運行試驗并于同年10月首次達(dá)到175 m正常蓄水位,2020年11月完成整體竣工驗收,自2008年以來,已持續(xù)開展175 m試驗性蓄水14次。三峽水庫總庫容393億m3,正常蓄水位175 m,形成總面積1084 km2的人工湖泊,汛限水位145 m,防洪庫容221.5億m3。三峽水電站年均發(fā)電量為1000億kW·h時,可減少CO2排放量達(dá)800億kg/年[5]。三峽水庫的提前蓄水調(diào)度對長江洪水資源化有著推動作用,可促進(jìn)長江經(jīng)濟帶建設(shè)及綠色發(fā)展。三峽水庫控制流域及其不同調(diào)度階段淹沒面積如圖1所示。圖中145 m水位淹沒區(qū)域與175 m水位淹沒區(qū)域的差值即為消落帶最大面積區(qū)域。

圖1 三峽水庫控制流域及三峽水庫變動回水區(qū)概化圖Fig.1 Sketch of the control basin by the Three Gorges Reservoir and its fluctuant backwater zone

本文依據(jù)三峽水庫8月20日-12月31日(1882-2020年)入庫日徑流資料進(jìn)行模擬調(diào)度。入流過程經(jīng)上游水庫調(diào)蓄后會改變其天然徑流特性,為保證樣本序列一致性不被破壞,需對上游水庫蓄水后的徑流資料進(jìn)行還原處理。三峽水庫1882-2002年入流僅受到二灘水庫的調(diào)蓄作用,入流過程受影響較小。2003-2020年入流受到上游水庫群調(diào)蓄影響,長江水利委員會水文局根據(jù)水庫的水位庫容曲線和壩上水位,采用水量平衡法開展了徑流還原計算,使總體樣本序列獲得較好的一致性。本文數(shù)據(jù)來源于水利部長江水利委員會水文局所整編資料,數(shù)據(jù)經(jīng)過三性審查,為提前蓄水模擬調(diào)度提供了可靠資料來源。

2.2 提前蓄水方案

防洪調(diào)度是三峽水庫首要任務(wù),且設(shè)計階段未考慮長江流域汛末分期特性,故三峽水庫原設(shè)計方案(調(diào)度圖)將起蓄時間設(shè)定為10月1日?！度龒{水庫優(yōu)化調(diào)度方案》(2009)指出,三峽水庫開始興利蓄水的時間不早于9月15日,蓄水期間水庫水位按照分段控制原則,在保證防洪安全前提下均勻上升,9月30日水庫水位不超過158.0 m。此外,依據(jù)《2022年長江流域水工程聯(lián)合調(diào)度運用計劃》(水防[2022]262號文),蓄水時間不早于9月10日,一般情況下,9月底控制水位162 m,視來水情況可調(diào)整至165 m。隨著長江上游多個梯級水庫建成投運,上游調(diào)蓄能力顯著增加,三峽水庫有必要開展起蓄時間提前和9月底控制水位抬升的提前蓄水調(diào)度研究。因此本文基于現(xiàn)有蓄水方案,結(jié)合長江流域汛末分期結(jié)論,通過提前起蓄時間和抬升9月30日水庫蓄水位,擬定了15組蓄水方案(附表I),旨在進(jìn)一步挖掘汛末洪水資源潛力。

2.3 分期設(shè)計洪水

根據(jù)長江汛期洪水的分期特征,結(jié)合擬定的提前蓄水方案,采用宜昌站1882-2020年及部分特大洪水年份的洪水資料,選取8月20日、8月25日、9月1日、9月5日、9月10日及9月15日起的最大日流量、最大3 d洪量、7 d洪量、15 d洪量和30 d洪量做頻率計算。使用矩法計算并統(tǒng)計參數(shù)初值,采用P-Ⅲ型曲線適線調(diào)整,確定設(shè)計參數(shù)。典型洪水的選擇原則是從防洪最不利的角度進(jìn)行選擇,通過對歷史實測徑流資料的分析,1952年洪水汛期最大洪峰達(dá)到54500 m3/s,峰高量大、洪峰偏后,并且該場洪水為破壞性較強的多峰型洪水,因此選取1952年洪水作為典型洪水,分別按P=1%、P=0.2%、P=0.1%和P=0.01%進(jìn)行同頻率放大,獲得分期設(shè)計洪水過程。

2.4 防洪調(diào)度規(guī)則

三峽防洪調(diào)度方式有對荊江河段和對城陵磯河段的兩種防洪補償調(diào)度方式,本文為保證提前蓄水防洪標(biāo)準(zhǔn),采用對荊江防洪補償?shù)恼{(diào)度方式。汛末提前蓄水期洪水的洪水量級較之主汛期明顯偏小,因此依據(jù)汛末設(shè)計洪水和全年設(shè)計洪水的量級差別,結(jié)合三峽現(xiàn)有防洪調(diào)度規(guī)則,本文按以下方式進(jìn)行防洪調(diào)度:

1)對分期100年至1000年一遇設(shè)計洪水,按全年設(shè)計洪水的100年一遇洪水標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行控制,沙市水位按44.5 m控制,按補償枝城流量不超過56700 m3/s進(jìn)行防洪補償調(diào)度。

2)對分期100年一遇及以下重現(xiàn)期的設(shè)計洪水,按全年設(shè)計洪水的20年一遇洪水標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行控制,控制沙市水位43.0～44.5 m進(jìn)行防洪補償調(diào)度。

2.5 碳通量計算數(shù)據(jù)來源

作為超大的河道峽谷型水庫,三峽水庫溫室氣體通量監(jiān)測工作涉及水域面積近1000 km2,涵蓋了干支流、回水區(qū)、消落帶等不同景觀單元。三峽水庫碳通量與溫室氣體通量計算所用數(shù)據(jù)集,見附表II。針對CO2排放因子,本文分別選用位于水體長期淹沒區(qū)域及消落帶區(qū)域的各取樣點所測得CO2平均排放速率[15,17];針對CH4排放因子,由于產(chǎn)甲烷菌是專性厭氧菌,選用水體表面各取樣點所測得CH4平均排放速率[12];針對N2O排放因子,Zhu等[13]研究表明三峽水庫水體覆蓋區(qū)域及消落帶排放因子接近,以10月為分界點分別提取不同時段的N2O平均排放速率,N2O不含C元素,因此僅計入溫室氣體通量的CO2當(dāng)量中;針對三峽水庫有機碳埋藏因子,本文分別選用一座亞熱帶水庫及長江流域河漫灘的有機碳埋藏率來計算三峽水庫水體覆蓋區(qū)域及消落帶有機碳埋藏量[18],三峽水庫碳通量主要受到CO2及CH4的影響,本文模型構(gòu)建暫未考慮氨氮埋藏。將IPCC于2013年發(fā)布的3種主要溫室氣體在100年尺度上的全球變暖潛能系數(shù)[16]列于附表II,用于計算溫室氣體通量的CO2當(dāng)量。

3 結(jié)果及分析

3.1 蓄水調(diào)度的防洪風(fēng)險分析

3.1.1 壩前最高安全水位 以1952年作為典型年,對三峽各頻率分期設(shè)計洪水進(jìn)行調(diào)洪演算得到階梯狀壩前最高安全水位。不同起蓄時間下500年一遇和1000年一遇分期設(shè)計洪水的壩前最高安全水位見附表III。

由附表III可知,隨著設(shè)計洪水分期時間的推遲,壩前最高安全水位呈逐漸上升的趨勢,這是由于設(shè)計洪水所選分期時間越晚,入庫流量越小,此時頻率計算所得到的分期設(shè)計洪水流量也越小,因此經(jīng)調(diào)洪計算的最高安全水位值更高。另外,隨著分期設(shè)計洪水重現(xiàn)期的下降,壩前最高安全水位提高,因為重現(xiàn)期更小的設(shè)計洪水所對應(yīng)的入庫流量也會更小,故而調(diào)洪所得的壩前最高安全水位也更高。以8月20日起蓄、1000年一遇分期設(shè)計洪水的提前蓄水方案為例,從8月20日-9月15日的6種分期設(shè)計洪水經(jīng)調(diào)洪所求得的各分期防洪限制水位分別為:151.3、154.7、166.6、168.1、170.1、172.2 m,合并交集部分,所得水平階梯線即為此方案壩前最高安全水位,其余起蓄方案壩前最高安全水位線隨起蓄時間的推遲而相應(yīng)縮短。

3.1.2 防洪風(fēng)險 采用三峽水庫1882-2020年8月20日-9月30日的入庫日徑流資料,結(jié)合各分期設(shè)計洪水的壩前最高安全水位,通過防洪風(fēng)險計算模塊求解相關(guān)防洪指標(biāo),結(jié)果如附表Ⅳ所示。

根據(jù)附表Ⅳ可知,隨著起蓄時間的推遲,9月1日起及以后起蓄的蓄水方案均不增加防洪風(fēng)險;當(dāng)分期設(shè)計洪水重現(xiàn)期增大時,各提前蓄水方案所計算風(fēng)險率及風(fēng)險損失率也隨之增大。附表Ⅳ中未展示的9月5日及之后的起蓄方案風(fēng)險率及風(fēng)險損失率都為0,100年一遇及以下分期設(shè)計洪水蓄水方案的風(fēng)險率及風(fēng)險損失率也為0。以1000年一遇的分期設(shè)計洪水為例,8月20日和8月25日起蓄并于9月30日蓄至162 m的兩方案防洪風(fēng)險率及風(fēng)險損失相等,分別為3.60%及36.85%,這是由于對某些大水年份,經(jīng)過水庫的調(diào)蓄,水庫水位依然始終保持在蓄水控制線以上。8月20日起蓄,9月30日蓄至165和167 m的兩種方案防洪風(fēng)險率則均上升至4.32%。

3.2 蓄水調(diào)度的效益與碳通量評估

為了全面統(tǒng)計各提前蓄水方案的綜合效益及碳通量,將蓄水調(diào)度過程分為兩部分:①8月20日-9月30日,根據(jù)本文擬定的各提前蓄水方案來模擬蓄水調(diào)度;②10月1日到12月31日,于10月以前的提前蓄水調(diào)度后,在滿足各蓄水期約束條件的前提下,以盡可能使三峽水庫提前蓄滿為目標(biāo),進(jìn)行模擬蓄水調(diào)度。采用三峽水庫1882-2020年8月20日-12月31日的入庫日徑流資料模擬蓄水調(diào)度,不增加防洪風(fēng)險的各提前蓄水方案所求結(jié)果如附表Ⅴ所示。

從附表Ⅴ可知,在綜合效益方面,各提前蓄水方案較原設(shè)計方案均可增加三峽水庫發(fā)電量、減少棄水量并提升蓄滿率,并且隨著起蓄時間的提前和蓄水調(diào)度線的抬升,這些方案所帶來的效益也會呈增長趨勢;在碳減排方面,相比原方案,提前蓄水策略可使三峽水庫碳通量及溫室氣體通量的CO2當(dāng)量顯著下降。也就是說隨著起蓄時間提前和蓄水調(diào)度線抬升,碳通量的減幅也會加大。這是由于本文所擬定方案通過提前起蓄時間和抬升控制水位,使水庫運行過程中消落帶曝露面積減少且曝露時間縮短,從而顯著減少了消落帶的CO2排放量。以方案901165為例,三峽水庫蓄水期多年平均碳通量和溫室氣體通量CO2當(dāng)量分別減少了68.41億g(降幅為4.26%)和226.27億g(降幅為3.69%),減排效果顯著。本研究基于碳排放因子和有機碳埋藏因子法評估了提前蓄水調(diào)度策略對水庫消落帶碳通量的影響,并未考慮消落帶河灘地土壤厭氧環(huán)境下CH4的排放過程、河灘地植被生態(tài)系統(tǒng)進(jìn)行自氧呼吸的CO2排放過程、植被生態(tài)系統(tǒng)進(jìn)行光合作用的CO2吸收過程,因此,未來有必要開展考慮“碳源”和“碳匯”物理過程的水庫提前蓄水調(diào)度研究,實現(xiàn)對水庫溫室氣體的精細(xì)化管理。

3.3 調(diào)度方案的多目標(biāo)評價

3.3.1 基于熵權(quán)的TOPSIS法多目標(biāo)評價 三峽工程首要任務(wù)為保障中下游的防洪安全,兩岸保護對象眾多,因此本文優(yōu)選蓄水方案僅選取一個可能增加防洪風(fēng)險的方案作為對照。面向不同提前蓄水方案,基于風(fēng)險率、多年平均發(fā)電量、蓄滿率、水能利用率、碳通量、溫室氣體通量CO2當(dāng)量、碳密度指標(biāo),采用基于熵權(quán)的TOPSIS法進(jìn)行提前蓄水方案的優(yōu)選,結(jié)果如表1所示。

表1 提前蓄水方案的多目標(biāo)評價值Tab.1 Multi-objective evaluation scores of advanced impoundment operation schemes

從表1可以看出,熵權(quán)法對風(fēng)險率指標(biāo)賦權(quán)遠(yuǎn)高于其他指標(biāo),這與防洪任務(wù)是三峽水庫首要任務(wù)相吻合。表中所有提前蓄水方案的水資源利用效益及碳通量指標(biāo)計算值均優(yōu)于原設(shè)計方案,其中8月25日起蓄并于9月底蓄至167 m的825167方案在這兩類指標(biāo)上均為最佳,但該方案是唯一增加防洪風(fēng)險的方案,TOPSIS將其評定為最劣方案。901167方案各項水資源利用效益及碳通量指標(biāo)僅次于825167方案,且不增加防洪風(fēng)險,TOPSIS將其評定為最優(yōu)方案。因此,TOPSIS能有效協(xié)調(diào)防洪風(fēng)險、水資源利用效益、碳通量之間的矛盾,以優(yōu)選提前蓄水方案。

根據(jù)表1評分結(jié)果,最優(yōu)提前蓄水方案為9月1日起蓄,9月30日蓄至167 m的方案,該方案的發(fā)電量為369.6億kW·h,蓄滿率為95.68%,水能利用率為95.80%,碳通量為1534.42億g,其中碳排放量減少69.26億g,有機碳埋藏量增加1.93億g,溫室氣體通量CO2當(dāng)量為5888.58億g,碳密度為4.15 g/kW·h,TOPSIS對其評分為95.57。除825167和原方案外評分最低的3個方案依次為910158、905160及901160,可以發(fā)現(xiàn)其分別是各起蓄時間蓄水調(diào)度線最低的方案,由此可以推斷抬升蓄水調(diào)度線對水庫綜合效益的提升及碳通量的減少均有較大影響。

3.3.2 2019年蓄水調(diào)度實例分析 為直觀分析提前蓄水調(diào)度對三峽提前蓄滿、減少棄水量及減排溫室氣體等綜合效益,選取枯水年2019年作為典型年,對蓄水期水庫調(diào)度全過程進(jìn)行模擬。以三峽水庫2019年9月1日-12月31日入庫流量資料為例,分別按TOPSIS評分最高的方案901167、最接近三峽水庫現(xiàn)行調(diào)度方案的方案910158及原方案分別進(jìn)行模擬調(diào)度分析(表2,圖2),3種方案均不增加防洪風(fēng)險。

表2 2019年各提前蓄水方案發(fā)電量及碳通量Tab.2 Power generation and carbon fluxes of each advanced impoundment scheme in 2019

圖2 2019年水庫蓄水方案的模擬調(diào)度過程Fig.2 The simulated processes of advanced impoundment operation schemes in 2019

由表2可以看出,相較于原設(shè)計方案,方案901167發(fā)電量增加22.91億kW·h,增幅為8.3%,碳通量減少80.2億g,降幅為4.95%,水庫蓄滿時間從11月6日提前至10月13日;方案910158發(fā)電量增加14.12億kW·h,增幅為5.11%,碳通量減少49.49億g,降幅為3.05%,水庫蓄滿時間提前至10月28日。圖2展示了2019年蓄水期3種方案的模擬蓄水調(diào)度過程,可以看到這些蓄水方案在開始蓄水之前均維持在汛限水位運行,原設(shè)計方案于10月1日開始蓄水,不但使得汛期大量洪水資源成為棄水,蓄水期又因無水可蓄導(dǎo)致水庫蓄滿日期推遲,長時間的低水位運行也使得消落帶曝露并排放出大量的CO2。而在滿足防洪安全及下游抗旱補水要求的情況下提前起蓄時間或抬高蓄水調(diào)度線的方案則能有效利用三峽汛末洪水資源,既能充分發(fā)揮水庫的綜合效益,又能顯著減少三峽水庫的碳通量。

4 結(jié)語

針對當(dāng)前水庫提前蓄水調(diào)度研究尚未考慮碳減排問題,本文基于水庫碳排放和有機碳埋藏因子法,構(gòu)建了考慮碳減排的水庫提前蓄水調(diào)度模型,采用基于熵權(quán)重的逼近理想解排序法(TOPSIS)對提前蓄水調(diào)度方案進(jìn)行多目標(biāo)評價,以優(yōu)選調(diào)度方案,在三峽水庫開展實例研究,得出以下主要結(jié)論:

1)在防洪風(fēng)險方面,相較于原設(shè)計方案,8月20日及8月25日起蓄的方案均會增加下游防洪風(fēng)險,且蓄水時間越早蓄水調(diào)度線抬升越高,防洪風(fēng)險越大,8月25日以后起蓄方案將不降低原有防洪標(biāo)準(zhǔn)。

2)在綜合效益與碳通量方面,相較于原設(shè)計方案,蓄水時間的提前和蓄水調(diào)度線的抬升,一方面使得發(fā)電量由339.69億kW·h增長至354.88億～369.60億kW·h(改善率為4.47%～8.80%),棄水量由94.62億m3減少至79.95億～68.59億m3(改善率為15.5%～27.51%),蓄滿率由89.21%增長94.24%～95.68%(改善率為5.64%～7.25%);另一方面使碳通量由1605.62億g減少至1567.98億～1534.43億g(改善率為2.34%～4.43%),溫室氣體通量CO2當(dāng)量由6124.06億g減少至5999.58億～5888.58億g(改善率為2.03%～3.85%)。

3)在調(diào)度方案優(yōu)選方面,9月1日起蓄,于9月30日水位均勻蓄至167 m的方案最優(yōu),相較于原設(shè)計方案,該方案可增加發(fā)電量29.91億kW·h(增幅為8.80%);減少棄水量26.03億m3(降幅為27.51%);蓄滿率由原方案89.21%提高至95.68%;碳通量減少71.19億g(降幅為4.43%),其中碳排放量減少69.26億g(降幅為3.94%),有機碳埋藏量增加1.93億g(增幅為1.28%);溫室氣體通量CO2當(dāng)量減少235.48億g(降幅為3.85%)。

本文構(gòu)建了考慮碳減排的水庫提前蓄水調(diào)度模型,可為實現(xiàn)水庫提前蓄水的水碳協(xié)同調(diào)度提供技術(shù)支撐。面對實際運行調(diào)度階段,需考慮不同泄洪調(diào)度方式下的過壩下泄消氣釋放、下游河段溫室氣體排放等碳源做進(jìn)一步研究,此外,可結(jié)合人工智能算法,開展考慮碳減排的水庫汛末蓄水優(yōu)化調(diào)度研究。

5 附錄

附件Ⅰ及附表Ⅰ～Ⅴ見電子版(DOI: 10.18307/2024.0141)。