复杂河流水体能值转换率研究

李伟楠,王现勋,2,蔡 昊,李析男,赵先进,梅亚东

复杂河流水体能值转换率研究

李伟楠1,王现勋1,2,蔡 昊1,李析男3,赵先进3,梅亚东1*

(1.武汉大学,水资源与水电工程科学国家重点实验室,湖北 武汉 430072；2.长江大学资源与环境学院,湖北 武汉 430100；3.贵州省水利水电勘测设计研究院,贵州 贵阳 550002)

以含有水利工程和支流汇入的复杂河流为研究对象,在考虑了可更新资源、不可更新资源、经济社会反馈和负产出投入能值的基础上,建立了水库水体能值转换率数学模型;考虑水量和能值平衡,建立了支流汇入后干流水体能值转换率数学模型,进而提出了复杂河流水体能值转换率的计算方法,经计算,六冲河干流夹岩水库入库河水化学能平均能值转换率由4.85×104sej/J增至下泄后的1.15×105sej/J,经过支流白甫河的汇入,汇入点至洪家渡水库间的干流水体能值转换率变为8.87×104sej/J.实例研究表明:水利工程的作用和支流的汇入,使得干流水体能值转换率存在空间差异.受水利工程影响后,干流水体能值转换率显著增加;受支流汇入影响后,干流水体能值转换率介于支流和汇入点前干流水体能值转换率之间.

复杂河流；水体能值转换率；六冲河；夹岩水库；白甫河

水资源经过水利工程作用后,可以有不同的用途,如供水和发电.如何在不同的任务中合理分配水资源,一直是研究的热点问题.大多数学者计算水资源价值时,常采用货币的度量方法[1].随着美国生态学家Odum[2]创立了能值法,自20世纪末以来,能值法不断被应用于系统工程方向[2-12].

在水利学科领域,能值法主要应用于水域生态系统服务价值评价[3-4]、区域水资源系统评价[5-9]及工程项目评价[10-13]等方面.能值转换率是指一个系统(或过程)产出单位能量所需投入的太阳能值的数量,常用单位是sej/J、sej/g或sej/m3.水体能值转换率体现了水在自然循环和人工循环中的能量转化、储存和消耗情况,是能值分析的重要参数.水体能值转换率的变化直接影响水资源价值的改变.河流是水资源的重要载体,随着干流上水利工程的投入使用和支流的汇入,干流水体能值转换率的变化规律值得探讨.目前水库能值转换率的研究中,大多计算了水力发电的能值转换率[14-15],较少涉及水库下泄水体能值转换率;水体能值转换率的研究,大多计算了流域或区域内年均水体能值转换率[5,9],较少涉及支流汇入后干流的水体能值转换率.

本文以水量平衡和能值平衡为基础,综合考虑了六冲河干流夹岩水利枢纽工程和支流白甫河汇入等客观因素,提出了复杂河流水体能值转换率的数学模型,计算了研究区域内六冲河干流水体能值转换率数值,对探究复杂河流水体能值转换率变化规律提供了数据依据,同时有助于区域水资源价值的变化研究,为寻求水资源在不同区域内的最佳利用和分配方式提供指导.

1 研究区域概况

六冲河属长江流域乌江最大的一级支流.流域位于东经104°20′~105°58′,北纬26°40′~27°35′之间.全长268km,全流域面积10665km2(含云南省677km2).六冲河干流大致以赫章以上划为上游河段,赫章至瓜仲河水文站为中游河段,瓜仲河以下至河口为下游河段.白甫河是六冲河的最大支流,干流全长116km,多年平均年径流量7.19亿m3.六冲河流域水系如图1所示.

图1 六冲河流域水系示意

夹岩水利枢纽(以下简称夹岩工程)开发任务是以供水和灌溉为主,兼顾发电.该工程主要由水源工程、毕节大方供水工程和灌区骨干输水工程等组成;毕大供水工程自库内独立取水.坝后电站装混流式机组3台,总装机容量为90MW.

夹岩水库总库容13.25亿m3,水库调节库容4.52亿m3,正常蓄水位为1323m,死水位1305m.工程多年平均供水量为6.61亿m3,发电用水量(含生态环境用水量)9.34亿m3,多年平均发电量2.28亿kW·h.初设报告核定工程静态总投资为169.67亿元,其中工程部分投资107.52亿元,建设征地移民补偿投资55.1亿元,水保及环保工程投资7.05亿元.

本次分析范围从六冲河七星关水文站至洪家渡水电站,研究区域内的六冲河干流、夹岩水库和支流白甫河构成了一个复杂河流系统,概化如图2所示.

图2 六冲河干流系统概化

2 理论和方法

在河流上修建水利工程,可以起到调节水量的作用,通过这种人工干扰方式,对河道内的水资源按人类需求重新进行分配.以水库为例,其水量平衡方程可以表达为(以年或月为时段,忽略时段编号):

式中:为水库蓄水量增量;,分别为时段末、时段初水库蓄水量;为入库水量;为通过水轮机下泄的水量;为库区调水量;为通过泄洪设施的弃水量;为包括蒸发和渗漏损失在内的损失水量.各个变量均以m3计.

根据水库生产过程的投入产出关系,可以绘制出水库能值系统图(图3).当不考虑地下水补给,地表水是唯一可更新资源时,入库泥沙可视为不可更新资源.水库蓄存的水经过供水工程、水电站及泄洪设施,送到用户或发电或泄至下游河道.

2.1 水库水体能量变化

从水库流出进入下游河道的河水化学能为:

2.2 可更新资源和不可更新资源能值

入库河水化学能来源于坝址上游流域的降水、太阳辐射、风能等可更新资源.考虑到太阳辐射、风能及降水能值之间重复计算,本文仅取降水量能值作为河水化学能的输入.入库的能值为:

或者采用下式直接计算入库河水的化学能:

进入水库的泥沙是不可更新资源,其能值采用下式计算[17]:

2.3 经济社会反馈与负产出能值

经济社会反馈(或人工投入)能值指的是经济社会为水库建设和运营投入的能源、物资及劳务能值.对于工程建设中钢材、水泥、石料、机械设备等一次性投入,需要除以工程使用年限(通常为50a)换算成年值.对于经常性投入,如每年运行维护费用,可根据每年的实物量或货币值计算.

经济社会反馈的能值可按下式计算:

水库建设的环境影响是多方面的,包括地表水、地下水环境、陆地生态环境、水生生态、环境地质、移民安置环境、社会环境等.本文考虑的不利影响主要包括淹没林地、耕地等工程永久性占地、库区居民搬迁、基础设施迁建及环境保护与文物古迹水土保护等,属于负产出.减免不利环境影响需要投入,因此负产出按投入计算.负产出的能值可根据淹没损失、移民人数、补偿投资及保护投资等(须换算成年值),乘以相应的能值转换率,计算得出相应的负产出能值.

2.4 水库水体能值转换率

从化学能角度,探讨水库水体能值转换率计算.水库投入总能值为:

2.5 复杂河流水体能值转换率

相对于天然河流而言,人们从河流取水、筑坝拦蓄河水,都是一种对自然水循环过程的干扰.为了分析不同干扰活动对河流水体能值转换率的影响,采用系统建模的方法进行研究.

2.5.1 支流汇入后干流后的水体能值转换率 若一条河流,水量损失只有取水和调水,没有其他水体汇入,则该河流的水体能值转换率不变.当一条河流既有取水和调水,也有支流等水体汇入,为了研究水体能值转换率的空间变化,构建复杂河流系统1,如图4所示.

图4 干流系统1

2.5.2 水库调节下的水体能值转换率 前面的研究没有考虑水库调蓄水量的影响,当干流中修建了水库,改变了水流的天然模式,水体能值转换率也会随之发生改变.构建复杂河流系统2,如图5所示.

3 数据与计算

根据夹岩工程建设和运行期间资源、物质和人力等各项投入及工程产出,绘制工程能值流系统图(图3).从水量角度,工程产出包括为电站发电提供的水量和为下游河道生态环境提供的水量.

3.1 夹岩水库投入能值计算

根据工程的各项投入和相应能值转换率,计算各项投入的能值.有关基础数据来源于工程初步设计报告和环境影响评价报告.

3.1.1 可更新资源能值输入 夹岩水库位于六冲河中游段,坝址集水面积4312km2,多年平均降水量900mm,多年平均水量18.83亿m3,扣除坝址以上新增耗水1.28亿m3,入库多年平均年径流量17.58亿m3,扣除水库供水,水库下泄至六冲河的水量为10.97亿m3.参考贵州省水资源公报可知,六冲河中下游水质常年维持在II类.

由于河水源自降水,二者能值属于重复计算,本文仅取降水的化学能进行分析.

3.1.2 不可更新资源能值输入 建库前坝址悬移质输沙量322万t,坝址推移质输沙量为64.4万t,年总输沙量386万t.根据泥沙计算结果,水库建成后50a水库泥沙淤积总量达到1.46亿m3,平均每年淤积292万m3.假定泥沙中有机质含量为1.0%,单位有机质的热量为5.4cal/g[17],根据式(7)计算每年淤积在水库中泥沙的能值为8.32´1019sej.

3.1.3 经济社会反馈投入的能值 根据初设报告提供的主要材料(水泥、钢材、油料)和劳动力投入数量,乘以相应的能值转换率[15],计算出主要建筑材料的能值为1.29´1021sej;根据提供的主要工程量(土、石方、混凝土量等)数据,计算的能值为6.92´1021sej;按工程投资计算的能值为5.69´1021sej.考虑到以主要建筑材料计算的能值严重偏小,不予采纳.本文采用以主要工程量计算的能值6.92´1021sej,同时对能值货币比率进行调整,由5.29´1011sej/元[14],调整为6.45´1011sej/元,作为后续计算依据.

为了计算夹岩水库下泄水体能值转换率,根据初设报告数据,经整理获得工程投资.假定工程合理使用年限为50a,可得到每年投资值,然后乘以能值货币比率6.45´1011sej/元,获得夹岩水库年投入能值为2.91´1019sej.夹岩水库年运行费为4670万元,相当于能值3.01´1019sej.

3.1.4 水库负产出的能值 夹岩水库的工程永久性占地、库区居民搬迁、基础设施迁建及环保水保的投资之和为52.83亿元,除以工程合理使用年限50a,然后乘以能值货币比率,得到工程淹没和征地补偿投资及水保、环保投资的年能值为6.18´1019sej.由于泥沙淤积在死库容中,初设未列出泥沙淤积的投资.

将上述各项能值相加,得到夹岩水库年总投入能值为6.23´1020sej(河水能值以化学能计),其中河水化学能占比最大,为68.0%,其次是泥沙能值占比13.5%,工程负产出补偿能值和年运行费能值占比分别为10.0%和4.9%,工程投资能值投入占比最小为8.6%.

3.2 干流水体能值转换率

或

1.15´105sej/J比入库河水化学能的平均能值转换率4.85´104sej/J高出137.1%,高出部分应归因于工程的建设和运行期的人工投入.

与国内其他学者研究结果比较,文献[5]计算了南方某沿海县域天然地表水资源能值转换率为3.63´104sej/J;文献[9]计算了太湖流域天然水体能值转换率为3.17´1011sej/m3;文献[19]计算了意大利佛罗伦萨河网流域上游天然水体能值转换率为1.35´1011sej/m3.由于本文计算包括了经济社会反馈投入,因此计算得到的水体能值转换率要高于天然水资源能值转换率;文献[20]计算了黄河流域鞍山断面水体能值转换率为4.54´105sej/J,因为黄河含沙量大,其单位水体含有的能值较水质好的水体含有的能值多,因此鞍山断面水体能值转换率要高于上述文献中天然流域的水体能值转换率.

文献[6]计算的郑州市多年平均工程水体能值转换率为15.62´1011sej/m3,高于夹岩水库下泄水体能值转换率5.66´1011sej/m3,是因为郑州市水利工程的可更新资源、不可更新资源、经济社会反馈与负产出补偿等投入要远高于夹岩水库的相关类型投入,使得二者的工程水体能值转换率相差近3倍.文献[9]计算了太湖流域供水水资源联合能值转换率为3.17´1011sej/m3,虽然太湖流域工程建设总投入为5.80´1011sej,高于夹岩水库建设投入能值,但太湖流域水资源总量为183´108m3,远多于夹岩水库下泄水体水量10.97´108m3,因此太湖流域工程水体能值转换率小于夹岩水库下泄水体能值转换率;文献[21]计算了美国辛辛那提自来水厂供水系统中不同流程的水体能值转化率,从刚进入水厂时的4.0´1011sej/m3到处理完成分配时的1.8´1012sej/m3,刚进入水厂的水体能值转换率略小于夹岩水库下泄水体能值转换率,但经过层层工艺处理,不断向水体输入外来能量,使得处理后的水体能值转换率要高于夹岩水库下泄水体能值转换率;文献[19]分别计算了意大利佛罗伦萨河网流域大坝下游水体能值转换率为5.80´1011sej/m3,比上游水体能值转换率高出329.6%,大于夹岩水库的137.1%,这是因为该大坝的人工和建设投入远多于夹岩水库相应的投入.

或

8.87´104sej/J大于4.85´104sej/J,小于1.15´105sej/J,说明白甫河汇入点至洪家渡水库间干流水体能值转换率介于白甫河和夹岩水库下泄水量水体能值转换率之间.

从结果可知,由于水利工程的作用和支流的汇入,干流各区域水体能值转换率存在空间差异.干流天然水体能值转换率最低,为4.85´104sej/J,经过夹岩水库后,下泄水量水体能值转换率最高,为1.15´105sej/J,受支流白甫河汇入的影响,汇入点至洪家渡水库间干流水体能值转换率为8.87´104sej/J.研究区域内的干流水体能值转换率呈现先增加后减少的趋势.

复杂河流水体能值转换率模型的建立,有助于弄清水体经过水利工程调度后,水体能值转换率的变化规律.调度方式不同,则水利工程作用后的水体能值转换率也将不同,体现出的水资源价值也会有差异,这为水利工程管理提供了依据或指导.但是,当前的能值分析仅反映多年平均情况,如何将能值分析与工程中短期运行调度结合起来,还需深入研究.

4 结论

4.1 水利工程的作用和支流的汇入,使得干流水体能值转换率存在空间差异.

4.2 六冲河干流夹岩水库入库河水化学能平均能值转换率由4.85×104sej/J增至下泄后的1.15× 105sej/J,表明受水利工程影响后,干流水体能值转换率显著增加.

4.3 经过支流白甫河的汇入,汇入点至洪家渡水库间的干流水体能值转换率由1.15×105sej/J减至8.87×104sej/J,表明受支流汇入影响后,干流水体能值转换率介于支流和汇入点前干流水体能值转换率之间.

[1] 彭 辉,刘德福.大坝对河流服务功能影响的价值评估方法 [J]. 华中科技大学学报(自然科学版), 2010,38(1):125-128. Peng H, Liu D F. Value evaluation of the effects of a dam on river ecosystem services [J].Journal of Huazhong University of Science and Technology (Nature Science), 2010,38(1):125-128.

[2] Odum H T. Environmental accounting: Emergy and environmental decision making [M]. New York: Wiley, 1996:169-185.

[3] 李 凯,崔丽娟,李 伟,等.盘锦双台河口湿地生态系统服务功能能值价值评价 [J]. 中国环境科学, 2013,33(8):1454-1458. Li K, Cui L J, Li W, et al. Evaluation of the services provided by the Shuangtai estuary wetland in Panjin based on emergy theory [J].China Environmental Science, 2013,33(8):1454-1458.

[4] 杨 青,刘耕源.湿地生态系统服务价值能值评估——以珠江三角洲城市群为例 [J]. 环境科学学报, 2018,38(11):4527-4538. Yang Q, Liu G Y. Wetland ecosystem services assessment based on emergy: A case of pearl river delta urban agglomeration [J]. Acta Scientiae Circumstantiae, 2018,38(11):4527-4538.

[5] 陈 丹,陈 箐,罗朝晖.天然水资源价值评估的能值方法及应用 [J]. 水利学报, 2006,37(10):1188-1192. Chen D, Chen Q, Luo Z H. Evaluation method of natural water resources based on emergy theory and its application [J]. Journal of Hydraulic Engineering, 2006,37(10):1188-1192.

[6] 吕翠美,吴泽宁.区域水资源生态经济系统可持续发展评价的能值分析方法 [J]. 系统工程理论与实践, 2010,30(7):1293-1298. Lv C M, Wu Z N. Emergy analysis for sustainable development assessment of regional water ecological-economics system [J]. Systems Engineering Theory and Practice, 2010,30(7):1293-1298.

[7] 李丹丹,陈南祥,李耀辉,等.基于能值理论与方法的区域可利用水资源价值研究 [J]. 中国农村水利水电, 2015,(3):22-24. Li D D, Chen N X, Li Y H, et al. Research on available regional water resources value based on energy theory [J]. China Rural Water and Hydropower, 2015,(3):22-24.

[8] 靖 娟,宋华力,蒋桂芹.基于能值的鄂尔多斯市水资源生态经济系统可持续发展动态分析 [J]. 节水灌溉, 2015,(1):48-51. Jing J, Song H L, Jiang G Q. Dynamic assessment of sustainable development of ordos water ecological economic system based on emergy analysis [J]. Water Saving Irrigation, 2015,(1):48-51.

[9] 姚文萍,李翠梅.太湖流域水资源能值转换率研究与计算 [J]. 长江科学院院报, 2015,32(7):29-34. Yao W P, Li C M.Calculation of emergy transformity of water resource in Taihu Lake watershed [J]. Journal of Yangtze River Scientific Research Institute, 2015,32(7):29-34.

[10] Taskhiri M S, Tan R R, Chiu A S F. Emergy-based fuzzy optimization approach for water reuse in an eco-industrial park [J]. Resources Conservation and Recycling, 2011,55(7):730-737.

[11] 李友辉,孔琼菊.工程型水资源价值评估的能值分析模型及应用 [J]. 水电能源科学, 2010,28(4):28-30. Li Y H, Kong Q J. Study on water resources value based on emergy analysis and its application [J]. Water Resources and Power, 2010, 28(4):28-30.

[12] 管新建,齐雪艳,吴泽宁,等.干旱区农田水利工程生态经济评价的能值分析 [J]. 干旱区资源与环境, 2013,27(9):50-53. Guan X J, Qi X Y, Wu Z N, et al. Emergy analysis on the ecological economic evaluation of the arid irrigation and water conservancy project [J]. Journal of Arid Land Resources and Environment, 2013,27(9):50-53.

[13] 郭瑞丽,吴泽宁,于洪涛,等.城市居民生活用水水价的能值计算方法及应用 [J]. 生态经济, 2011,(1):33-36. Guo R L, Wu Z N, Yu H T, et al. Calculation method of water price of the domestic water for urban inhabitants based on emergy theory and its application [J]. Eeological Economy, 2011,(1):33-36.

[14] 贺成龙.水力发电的能值转换率计算方法[J]. 自然资源学报, 2016,31(11):1958-1968. He C L. Transformity calculation method of hydropower [J]. Journal of Natural Resources, 2016,31(11):1958-1968.

[15] 蓝盛芳,钦 佩,陆宏芳.生态经济系统能值分析[M]. 北京:化学工业出版社, 2002:51-88. Lan S F, Qin P, Lu H F. Emergy analysis of eco-economic system [M]. Beijing: Chemical Industry Press, 2002:51-88.

[16] Brown M T, Mccianahan T R. Emergy analysis perspectives of Thailand and Mekong River dam proposals [J]. Ecological Modelling, 1996,91(3):105-130.

[17] Howington T M. A spatial analysis of emergy of an international shared drainage basin and the implications for policy decisions [D]. Gainesville: University of Florida, 1999.

[18] 韩志伟.大型水电工程对河流水化学组成的影响分析--以乌江中上游水坝梯级拦截为例 [D]. 贵阳:贵州大学, 2009. Han Z W. Impact of large hydropower project on river hydrochemical composition--a case study of dam cascade interception in the middle and upper reaches of Wujiang River [D]. Guiyang: Guizhou University, 2009.

[19] Federico M, Pulselli, Nicoletta P. Calculation of the unit emergy value of water in an Italian watershed [J].Ecological Modelling, 2011,222(16):2929-2938.

[20] Di D Y, Wu Z N, Guo X.Value stream analysis and emergy evaluation of the water resource eco-economic system in the Yellow River Basin [J]. Water, 2019,11(4):710.

[21] Ardem S, Ma X, Brown M. Holistic analysis of urban water systems in the greater Cincinnati region: (2) resource use profiles by emergy accounting approach [J].Water Research X, 2019,2:1-9.

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

李伟楠(1988-),男,安徽怀宁人,博士,主要从事水资源生态经济系统研究.发表论文4篇.

2019–5–10

国家重点研发计划项目(2016YFC0401306);贵州省科技计划项目(黔科合重大专项字[2017]3005-5号)

*责任作者, 教授, ydmei@whu.edu.cn