不同气候场景下水电站发电效益预测

金 珊

（辽宁省水利水电勘测设计研究院有限公司）

0 前言

随着水利水电技术的发展，水电在中国能源结构调整中发挥着日益重要的作用。当然，水电站和水库作为水资源利用功能，往往具有防洪、发电、供水等多种功能，如何合理、充分利用水资源，使水利枢纽发挥最大效益是水电站管理中必须要面对的问题。与此同时，全球工业化和经济发展引发了严重的温室效应，全球变暖对气候的影响愈加明显。研究显示，由于全球气温的升高和水循环速度的加快，导致降雨量和流域水资源的改变。对中国而言，由于人类活动造成气候变迁，大多数流域的径流量呈下降趋势，北方地区表现的尤为明显。因此，分析不同气候情景下的径流分配对水电站运行方案控制具有重要意义。本次研究以辽宁省金哨水电站为例，通过对浑河上游未来不同气候模式下的径流量进行模拟，构建金哨水电站的发电运行方案，对水电站应对气候变迁导致的水资源改变具有重要意义。

1 工程概况

浑江发源于浑江市龙岗山脉南麓，流经浑江市、通化市、通化县、集安县、桓仁县、宽甸县，于宽甸、集安两县交界处注入鸭绿江，流程433 km。浑河流域属于温带大陆性季风气候，多年平均降雨量为650～800 mm之间，降雨量年际变化大，因此径流量的年际变化也较大。金哨水电站工程位于辽宁省桓仁满族自治县境内，属于浑江干流梯级开发上的第三级水电站，电站以防洪、灌溉为主，兼具发电、水产养殖及环境保护等诸多功能，属于综合利用水利枢纽。金哨水电站的设计库容为9 800万m3，电站装机84 MW，设计年发电量2.16 亿kW·h。枢纽主要由混凝土重力坝、引水发电系统及发电厂房组成，最大坝高34 m。总投资5.50 亿元，于2001 年开工，2004 年完工投入使用。由于大伙房输水工程建成后上游桓仁水库供水任务增加，近年来金哨水电站的来水量明显偏小，导致电站发电量一直在0.80亿kW·h左右波动。

2 水量调度模型的构建

金哨水电站是浑河梯级开发的第三级电站，同时也是大伙房供水工程水源地水库——桓仁水库的下游电站。在水量调度过程中需要整体考虑浑江水资源的综合利用，特别是保证大伙房供水工程的取水需求，以发挥出最大效益。因此在来水现状和保证防洪安全的前提下，选择利用水量平衡等常规调度方式进行水量调度。

2.1 建立目标函数

根据金哨水电站的调度规划，建立生态用水、地区用水和发电用水三个目标函数，并以此为基础建立调度模型和调度原则。

2.1.1 生态用水目标

为了保证下游河道的生态环境，河道的径流量需要大于最小生态用水需求量：

2.1.2 地区用水目标

通过水资源的合理分配，尽量降低地区缺水量，满足区域用水需求，以减少干旱或水资源不足造成的损失。

2.1.3 发电目标

在满足生态和区域用水的前提下，通过建立水电站的最佳运行方式，使水电站的发电效益最大化。

式中：E 为水电站发电总量，kWh；N(i,t)为水电站平均出力，kW·h。

2.2 约束条件

要实现水电站的完整调度模型，需要设置如下约束条件：

2.2.1 水量平衡约束条件

2.2.2 水库水位约束条件

式中：ZXt为水库的死水位，m；Zt为水库实际水位，m；ZMt为水库最高限制水位，m。

2.2.3 水库出库流量约束条件：

2.2.4 出力约束条件：

式中：Fmin(t)为水电机组最小出力，kW；F(t)为水电机组实际出力，kW；Fmax(t)为水电机组装机容量，kW。

2.3 水量调度模型的基本资料

水量调度模型的径流资料获取方式如下：利用金哨水电站上游的金哨水文站1963-2002 年的历史径流资料，利用SWAT模型对2011-2050年在RCP2.6、RCP4.5、RCP8.5等三种不同气候场景下的径流特征进行模拟计算。其中，四个关键水文年的模拟计算结果如表1所示。

在流域需水资料方面，根据大伙房输水工程建成后的2013-2018年的实测资料，分析金哨水电站灌溉用水和发电用水的可用水量，结果如表2所示。

表1 金哨水文站径流量模拟计算结果表

表2 需水量实测资料分析结果表

3 电站发电效益分析

考虑到金哨水电站的实际情况和上节提出的约束条件，在预测未来来水量的基础上，对可用水资源进行提前分配，以发挥有限的水资源在金哨水电站的最大发电效益，进而实现目标函数。

金哨水电站安装有3 台混流水轮发电机组。按照机组的设计要求，需要在40%以上负荷条件下运行。但是，受到引水设施和浑江金哨段水质等因素的影响，水电机组运行时经常出现摆渡和振动现象，从而造成机组损害。金哨水电站管理局曾经对机组进行分析，获得如图1 所示的出力和最优运行曲线，以便根据来水量的变化采取不同的机组出力值，保证机组的高效稳定运行。

图1 机组出力和最优运行曲线图

将基于SWAT 模型预测的2011-2050 年在三种不同气候场景下的径流量作为金哨水电站的来水量进行输入计算看，以分析未来40 a不同气候场景下金哨水电站的运行效益，结果如图2～4所示。由图2可知，在RCP2.6 气候场景下，金哨水电站在未来40 a中的年均发电量为0.72亿kW·h。其中，2012年的发电量最大，为1.61 亿kW·h，2050 年发电量最小，为0.11 亿kW·h。从变化趋势上看，在2040 年之后，发电量水平明显偏低。由图3可知，在RCP4.5 气候场景下，金哨水电站在未来40年中的年均发电量为0.69亿kW·h。其中，2012年的发电量最大，为1.57 亿kW·h，2045 年发电量最小，为0.12 亿kW·h。从变化趋势上看，在2040 年之后，发电量水平明显偏低。由图4可知，在RCP8.5 气候场景下，金哨水电站在未来40 年中的年均发电量为0.66亿kW·h。其中，2016年的发电量最大，为1.38亿kW·h，2043年发电量最小，为0.13亿kW·h。从变化趋势上看，在2040年之后，发电量水平明显偏低。

图2 RCP2.6气候场景下未来发电情况预测图

图3 RCP4.5气候场景下未来发电情况预测图

图4 RCP8.5气候场景下未来发电情况预测图

为进一步了解气候变化对电站发电效益的影响，不同气候场景下金哨水电站的未来发电情况预测结果与历史时期发电情况进行对比，结果如表3 所示。由表格中的数据可知，RCP2.6 气候场景下的未来发电情况与历史时期相差不大，而RCP4.5和RCP8.5气候场景下的未来发电情况与历史时期相比有较大的减幅。由此可见，如不能很好保护环境，减少温室气体排放量，金哨水电站的远期发电效益将受到气候变化的显著影响。

表3 金哨水电站发电量对比标

4 结论

不同气候环境对河流径流量以及水电站的发电效益存在显著影响，本文以浑江中上游地区为研究区，以金哨水电站为例，对不同气候场景下的水电站未来发电效益进行模拟分析，并获得如下主要结论：①根据浑江流域和金哨水电站的具体情况，构建出水电站运行模型。②对未来50 a金哨水电站的发电情况进行模拟计算，结果显示RCP4.5 和RCP8.5气候场景下的未来发电量将大幅减少，说明金哨水电站的远期发电效益将受到气候变化的显著影响。