基于HEC-ResSim模型的丰满水电站生态调度模拟

郭 晴，陈冬红,，彭期冬，林俊强，张 迪，刘雪飞

(1.河北工程大学 水利水电学院，河北 邯郸 056021； 2.中国水利水电科学研究院，北京 100038)

1 概 述

水利工程的大量建设为我们带来了巨大的经济和社会效益，但是由于大坝的修建也破坏了天然河流的连通性，危及到河流原本的生态系统。我国丰满水电站由于修建时间较早，未考虑到设置鱼类生境保护措施，使下游产漂流性卵鱼类资源持续衰减。1926年松花江捕获的自然鱼量有10 500 t，到1942年丰满水电站建设运行后，自然捕获量下降至4 830 t。有研究表明，可以通过在产漂流性卵鱼类产卵期内制造“人造洪峰”的方式来缓解对大坝下游鱼类的影响，即改变传统的只考虑防洪、发电等因素的水库调度方式，将刺激产漂流性卵鱼类产卵的生态因素纳入到水库调度方案中，实施生态调度[1]。

方国华等[2]提出了以生态保护程度和发电量最大为目标的水库生态优化调度模型；陈冬红等[3]分析了IHA的五大类32个生态水文指标的时空变化特性，以及产卵期影响产漂流性卵鱼类繁殖的涨水指标；范骢骧等[4]以鱼类产卵栖息地生境需求为生态约束因子，建立了满足鱼类产卵栖息地需求的生态调度方法。A.D. AMPITIYAWATTA等[5]采用HEC-ResSim模型对清江梯级水库进行了模拟调度演算和效益评估。本文在天然水文情势无法得知的情况下，以恢复和提高关键水文指标为生态调度目标，对重建后的丰满水电站生态调度进行了研究，对其他重建水电站具有借鉴意义。

2 丰满水电站生态调度目标

2.1 丰满水电站概况

丰满水电站是我国第一个建成运行的大型水电站，位于吉林省吉林市境内的第二松花江上，上游距红石水电站约153 km，下游距吉林市16 km。其正常蓄水位为263.5 m，相应库容88.49×108m3，死水位242 m，调节库容61.64×108m3，具有多年调节性能[6]。为彻底解决丰满水电站存在的安全隐患，2013年5月1日丰满水电站全面治理(重建)工程开工。经过扩机增容改造后的丰满水电站已成为东北电网中的骨干电站，对系统的调峰、调频和事故备用具有重要作用。

在丰满大坝下游10.3 km处修建了永庆反调节水库，永庆水库上游水位与丰满发电厂尾水相衔接，为日调节性能，正常蓄水位192.2 m，相应库容1 036×104m3，死水位189.3 m，调节库容828×104m3[7]。通过永庆水库的反调节作用，解放丰满水电站长期以来承担的60 MW基荷容量，以增加调峰容量，满足下游吉林市和引松入长等工程对水位和最小下泄水量的要求。

2.2 目标物种

丰满水电站下游河段产漂流性卵鱼类的优势种为蛇鮈，其繁殖温度在14℃左右；而其他产漂流性卵鱼类，如青鱼、草鱼、鲢、鳙、鳜和翘嘴红鲌种群数量持续衰减，其繁殖温度在18℃～23℃之间。根据研究区域现状，以及目标物种对水温和水文条件的不同需求，将生态调度分为两个时期：第一时期为5月20日-6月20日，多年平均水温低于18℃，蛇鮈可在涨水条件下产卵；第二时期为6月21日-7月31日，多年平均水温高于18℃，其他产漂流性卵鱼类可在涨水条件下产卵。

2.3 生态水文指标

根据陈冬红[3]等定义的5个有效涨水指标及其计算方法，统计出松花江水文站和吉林水文站在永庆水库建设前后产漂流性卵鱼类产卵期内的有效涨水指标见表1。

表1 永庆水库建设运行前后关键生态水文指标变化Tab.1 Change of key hydrological indices before and after the construction of Yongqing Reservoir

在第一段产卵期内，由于涨水持续天数增加，初始流量以及日流量增长量的增大，涨水条件合适，蛇鮈能够维持一定的种群数量。因此，采用永庆水库建设后的涨水过程水文指标平均值作为第一段产卵期的生态水文目标。第二段产卵期内，由于吉林水文站涨水次数减少，松花江水文站虽然因支流汇入形成新的涨水过程使有效涨水次数不变，但由此形成的涨水过程初始流量小，对产漂流性卵鱼类刺激有限，并且涨水时可能因为水温、溶解氧等环境因素限制了鱼类产卵，从而导致四大家鱼和“三花一岛”种群数量持续衰退。由于产漂流性卵鱼类产卵可能和节律性的涨水有关，因此认为涨水初始流量指标和涨水过程数指标是影响第二段产卵期的主要水文指标。在建立刺激产漂流性卵鱼类产卵的涨水过程水文目标时，应保持有节律性的有效涨水，提高初始流量和洪峰流量这两个指标，而其它涨水过程指标采用永庆水库建设运行前的指标的平均值。

参考杨泽凡[8]的相关研究可知，松花江水文站断面的一级漫滩水位为151.1 m，对照水位-流量关系曲线，高脉冲流量相应的下限流量为522 m3/s，可以将其作为产卵场最低涨水持续流量。设定刺激丰满水电站下游产漂流性卵鱼类产卵的涨水过程所需的生态水文最低控制标准见表2。在生态水文最低标准的基础上，保持生态目标的有效涨水次数、每次涨水持续时间和前后两次有效涨水时间间隔不变，对断面初始流量和流量日上涨量分别提高50%和100%，以此作为部分生态调度目标。

表2 刺激产漂流性卵鱼类产卵的生态调度最低控制标准Tab.2 The target of ecological dispatch for stimulate drifting eggs fishes spawning

3 HEC-ResSim调度模型的建立

3.1 HEC-ResSim调度模型

HEC-ResSim模型是由美国陆军工程兵团水文工程中心(HEC)开发的一种用来模拟水库系统的新型软件，它是在HEC-5软件基础上改进而来的版本，现已被广泛用于流域管理和规划提供的实时决策支持[9]。该模型包括3个具有不同功能的独立模块，分别是流域设置、水库网络系统和水库调度模拟。流域设置是为流域的创建和定义提供一个共同的框架，流域可以包括用于特定区域的所有水流和工程，例如水库、堤坝、计量位置、冲击区域、时间序列位置等，这些内容一旦配置，就形成了一个流域框架[10]。水库网络模块的设置是为了分离出流域内水库系统的物理属性，便于使用者对其进行设置。在该模块中可构建河流示意图，描述水库模型的物理特性，并且开发有可分析的替代方案。一旦该模块设置完成，就可以定义水库网络元件的物理和操作数据。当流域设置和水库网络构建完成后，便可在水库调度模拟模块中模拟不同调度方案，进行计算分析并查看调度结果。

3.2 模型的建立

利用GIS在流域设置模块创建一个位于第二松花江流域上的模型示意图，确定水库、计算点、控制点、引汇流位置，对于流域内的河流、湖泊、水库等位置采用不同的形状文件标记。在水库网络模块中，将流域设置模块中创建的配置作为模板建立水库网路基础，定义丰满水库和永庆水库的物理特征数据及运行数据，添加河道路由，保证水库网络连通性。

重建后的丰满水电站共有2台原三期厂房发电机组(引用流量390.23 m3/s，单机容量200 MW，发电效率98.05%)和6台新坝坝后厂房发电机组(引用流量296.70 m3/s，单机容量140 MW，发电效率95.00%)，总装机容量1 480 MW，多年保证出力147 MW，不计空载流量和水头损失。利用HEC-ResSim模型模拟1975-1984年重建后的丰满水电站3种发电机组组合方式(表3)，可以看出，新机组加1台原机组的组合形式，由于减少部分弃水用来发电，使得多年平均出力最大，因此确定生态调度运行方式采用此组合形式。

3.3 模拟方案与模型率定

模拟方案采取丰满水库和永庆反调节水库联合调度，以永庆水库建设后的多年平均涨水过程水文指标为生态调度目标1；在有效涨水持续时间、时间间隔和涨水次数不变的情况下，将提高50%的流量平均日上涨率和涨水初始流量指标定义为生态调度目标2；将提高100%的流量平均日上涨率和涨水初始流量指标定义为生态调度目标3。同时，考虑到下游工农业、工程用水和环境需水条件，设计不同水文年的生态调度方案，见表4。

表3 丰满水电站不同机组组合运行模拟结果Tab.3 Simulation results of different combination units in Fengman Hydropower Station

表4 生态调度设计方案Tab.4 The design of ecological dispatch

根据式(1)和式(2)对丰满、吉林和松花江水文站的模拟日流量和真实日流量进行差异计算，修正后算得R=0.902，N=51.83 m3/s，可知满足精度要求。

(1)

(2)

4 模拟结果分析

根据两种水库运行规则和3个生态调度目标的调度设计方案，模拟出丰满-永庆水库在丰平枯水年6种情境下的联合生态调度结果，见图1、图2和图3，统计模拟结果见表5。

由生态调度模拟结果分析可知，在情境1、2、3的运行方式下，丰满-永庆水库调度营造的涨水过程初始流量和日流量上涨量均没有达到目标值，且与多年平均值有一定差距。考虑涨水过程受到丰满水电站调峰的影响，营造的涨水过程呈“锯齿”状，流量日内变化频繁，会打断持续的涨水过程，因此无法在下游形成满足设定生态目标的有效涨水过程。

图1 丰水年模拟结果Fig.1 Simulation results of wet year

图2 平水年模拟结果Fig.2 Simulation results of average year

图3 枯水年模拟结果Fig.3 Simulation results of dry year

情境编号运行方式平均出力/MW中部城市引水量保证率 /%水量利用率/%丰平枯丰平枯丰平枯1调峰+目标1151.3112.789.594.194.188.279.296.098.82调峰+目标2154.0115.696.492.297.197.180.895.298.83调峰+目标3155.8117.9101.592.294.194.181.893.097.84不调峰+目标1207.4172.5136.6100.0100.052.999.999.998.65不调峰+目标2208.9185.3137.5100.076.552.999.999.898.46不调峰+目标3214.2184.8138.497.170.652.999.999.998.4

分析情境4、5、6的模拟结果发现，丰水年生态调度营造的涨水过程各项有效涨水指标均达到目标值，随着涨水过程指标的提升，平均出力逐渐增加。在平水年中，情境4和情境5营造的涨水过程各指标均达到目标，但情境6的运行方式只产生了4次有效涨水过程。随着涨水指标的提升，平均出力先增加后减少，中部城市引水保证率逐渐减小，情境5、6的调度造成中部引水保证率下降至76.5%和70.6%，不满足中部城市引水工程最低供水保证率。在枯水年中，第一段生态调度期内调度结果达到目标，而在第二段生态调度期内，均未形成持续明显的涨水过程。

5 结 论

为了解决丰满水电站下游产漂流性卵鱼类产卵问题，本文定量描述涨水过程指标在丰满大坝下游河段的时空变化特征，确定生态调度的目标，从而实现将刺激产漂流性卵鱼类产卵的生态因素纳入到水库调度方案中，最终根据HEC-ResSim模型对6种情境下的联合生态调度进行模拟与分析。

通过HEC-ResSim模型模拟结果可知，丰满水库调峰发电，永庆水库反调节的运行模式可以保证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。对于考虑产漂流性卵鱼类产卵的生态调度，丰满水电站调峰会打断持续涨水过程，使涨水过程呈“锯齿”状变化，无法满足下游产漂流性卵鱼类的产卵要求。当丰满水电站不调峰运行时，在丰水年可以达到刺激产漂流性卵鱼类产卵的要求，但在平水年与枯水年中部城市引水保证率与刺激产漂流性卵鱼类产卵的要求都难以满足。考虑到永庆水库受其库容较小的限制，无法形成利于产漂流性卵鱼类产卵的持续多日有效涨水，因此应在生态调度期间改变丰满水库调峰发电的运行方式，或增加弃水来营造持续的涨水过程。