生态流量泄放对无调节引水式电站发电量影响分析

温 毓 繁，邓 升

(江西省水利科学院，江西 南昌 330029)

0 引 言

中国河流众多，水能资源丰富，在各河流上兴建有大量水电站，其中绝大部分是小水电[1]。水电站的兴建阻断了河流的连通性，尤其是大坝下游形成减脱水段，可能会影响河流健康[2]。解决河道减脱水问题的核心措施是电站泄放生态流量。生态流量泄放可能会导致发电量减少，这与水电站追求发电效益最大化存在尖锐矛盾[3]。2019年8月水利部、生态环境部印发《关于加强长江经济带小水电站生态流量监管的通知》，指出各省级主管部门要推动建立反映生态保护和修复治理成本的小水电上网电价机制，其中生态保护和修复治理的主要措施是电站泄放生态流量。在制定该上网电价机制前，相关行政部门亟需掌握生态流量泄放对全省各电站发电量及其效益的影响，因此开展生态流量泄放对无调节引水式电站发电量影响研究非常迫切。

国内外部分学者已对生态流量泄放对电站发电量的影响开展了相关研究。王霞等[4]以坝后式电站为例，分析不同生态用水方案对电站发电量产生的影响；王栓平[5]以享堂水电站为例，分析生态流量泄放对水量及多年平均发电量和年利用小时数的影响；牛丽霞等[6]以芹山水电站为例，利用发电调度软件分析了不同生态流量泄放对水电站发电效益的影响。但目前暂未开展不同电站装机、长序列来水年份及来水均匀程度对电站电量损失的定量与定性的研究。基于此，本文引入基尼系数表征日平均流量年内均匀程度，以江西省九江市九宫一级电站为例，选取1963～2019年57 a有水文记录以来的逐日流量数据，计算了无调节引水式水电站生态流量泄放前后，各年水电站电量损失情况，定性与定量分析了不同电站装机、不同基尼系数对电站电量损失的影响。本文所指电量损失为电站因泄放生态流量产生额外的弃水而导致的发电量损失。

1 研究区概况

江西省九江市九宫一级电站于1998年7月开工建设，2000年2月投产运行，2016年进行增效扩容改造。电站装机容量950 kW，为无调节引水式电站。电站坐落于修河支流上汤水上，坝址以上控制流域面积25 km2，多年平均发电量450万kW·h。

上汤水流域内无水文观测站，与其相邻的罗溪水流域内地形及下垫面条件与上汤水流域相似，因此选用罗溪水文站为水文参证站。坝址径流计算由罗溪水文站径流通过水文比拟法进行分析确定，选取1963～2019年共57 a逐日流量数据进行分析计算。

2 研究方法

2.1 不泄放生态流量时电站年发电量计算方法

因无调节引水式电站1 d内河道径流变化较小，取1 d为1个计算时段。电站逐日及年发电量计算公式为

Ni=9.81ηQiHi

(1)

Hi=Z上-Z下-Δh

(2)

(3)

式中：Ni为第i天平均出力，kW；η为水电站效率，查阅九宫一级水轮机机组资料，取值0.8；Qi为第i天机组发电流量，m3/s，当日径流小于机组发电额定流量时，取日径流计算，当日径流大于或等于机组发电额定引水流量时，取额定流量计算，多余水量下泄，额定流量由计算时假定的装机容量确定；Hi为发电净水头，m；Z上为压力前池进水口水位，本文取进水口平均水位248.75 m；Z下为水轮机转轮中心高程，本文取值115.00 m；Δh为水头损失，取值1.80 m，因此，净水头Hi为131.95 m；E为年发电量，kW·h；n为年发电天数，取值365 d。

2.2 泄放生态流量时电站年发电量计算方法

引水式电站要求坝脚下24 h保障最小生态流量泄放，当上游来水小于最小生态流量时，所有来水均作为生态流量泄放。当坝址处弃水不小于最小生态流量时，不再泄放生态流量[7]；弃水小于最小生态流量时，开启生态流量泄放设施泄放生态流量，补足至最小生态流量。大部分电站按坝址处多年平均流量的10%确定为生态流量，本文亦按此确定，即0.08 m3/s。采取逐日计算生态流量泄放后电站发电量，计算公式与公式(1)～(3)一致。

2.3 基尼系数计算方法

在研究分析中，发现部分丰水年的发电量小于部分中水年的发电量，其原因在于年内径流分布存在很大的不均匀性，因此有必要引入一个参数来表征年内径流分布的不均匀性。通过试算水文学中常用的变异系数与经济学中常用的基尼系数[8]，发现通过变异系数分档分类的年平均流量与发电量关系曲线之间交叉严重，变异系数对年内径流分布不均匀性对发电量的影响表征性不明显。而通过基尼系数分档分类的年平均流量与发电量关系曲线之间基本不存在交叉，基尼系数对年内径流分布不均匀性对发电量的影响表征性明显。因此，本文选用基尼系数表征年内径流的不均匀性。

基尼系数是意大利经济学家Corrado Gini为反映社会收入分配的不平等的程度，于1922年在洛伦兹曲线的基础上提出的，其含义指洛伦兹曲线与绝对公平线所包围的面积占绝对公平线与绝对不公平线之间的面积的比重，用G表示，0≤G≤1，G越大表示越不均匀，反之则越均匀[9]。近年，基尼系数在径流降雨年内分配、水资源分配等领域成功应用，如杨会龙[10]采用基尼系数评价用水公平性，王青等[11]利用基尼系数相关理论分析张家山站径流及降雨分布不均匀问题。相关成果表明，基尼系数在表征径流分布均匀程度上具有一定优势。本文采用张建华提出的一种简便易用的计算方法计算基尼系数，公式如下：

(4)

式中：G为基尼系数；n为1 a所有天数，即n取值365；Wi为第1天至第i天累计径流占全年径流的百分比，其中累计径流按从小至大排序的日径流顺序累加。

3 计算方案

影响无调节引水式电站的年发电量及生态流量泄放后电量损失主要有3个因素，分别为电站的装机、全年日径流情况、生态流量泄放量要求。本文选择的生态流量泄放量按多年平均流量的10%确定，大部分电站亦按此要求泄放生态流量，因此本文不再讨论生态流量泄放量的变化对电量损失的影响，重点讨论电站的装机及全年日径流情况对电量损失的影响。具体方案如下：

(1) 电站装机。本文计算时电站装机根据装机设计保证率进行确定，装机设计保证率为多年正常工作日占总日数的百分比，选取11个装机设计保证率对应的装机进行分析计算，装机设计保证率与装机对应关系如表1所列。

表1 电站装机容量与装机设计保证率对应关系

(2)基尼系数分档。根据公式(4)计算1963～2019年57 a各年径流分布基尼系数，基尼系数最大值为1967年的0.67，最小值为2006年的0.39。基尼系数从小至大，每间隔0.046划分1档，共划分为6档，档数越小，基尼系数越小。各年根据其基尼系数进行分档。每档范围及划入的年数如表2所列。

表2 基尼系数分档范围及划入的年数

4 结果分析

4.1 基尼系数对电站发电量影响分析

按基尼系数分档，电站不泄放生态流量，绘制不同装机设计保证率下的各年年平均流量与发电量曲线图。通过系列曲线图可得：装机设计保证率不同时，基尼系数对电站的发电量影响不同且装机设计保证率存在较明显的分界点，装机设计保证率分界点为5%与60%，本文简称为装机设计保证率小分界点与装机设计保证率大分界点。限于篇幅，现给出装机设计保证率为1%，5%，20%，50%，60%，80%的各年年平均流量与发电量曲线图。

装机设计保证率为0～5%期间(见图1～2)，随着装机设计保证率的降低，装机容量的增加，各基尼分档曲线之间重合交叉严重，且年平均流量越小，交叉重叠现象出现得越早，即装机设计保证率越低，基尼系数对年发电量的影响减弱直至无影响，且影响减弱的现象首先出现在年平均流量较小的年份。当装机设计保证率为0时，各曲线已经完全重合为一条与年平均流量呈正相关的直线，基尼系数对各年发电量已经完全无影响。

图1 装机设计保证率为1%时年发电量Fig.1 Annual hydropower generation capacity when the installed capacity design guarantee rate is 1%

图2 装机设计保证率为5%时年发电量Fig.2 Annual hydropower generation capacity when the installed capacity design guarantee rate is 5%

装机设计保证率为5%～60%期间(见图3～5)，各基尼系数分档曲线之间基本无交叉，层次分明。属于同一基尼系数分档中的发电量随着年平均流量的增大而增大；基尼系数分档数较小的曲线基本上均位于分档数较大的上方，即年平均流量相近时，基尼系数越小，年发电量越大。

图3 装机设计保证率为20%时年发电量Fig.3 Annual hydropower generation capacity when the installed capacity design guarantee rate is 20%

装机设计保证率为60%～100%期间(见图6)，随着装机设计保证率的增大，装机容量的降低，各基尼分档曲线之间重合交叉严重，且年平均流量越大，交叉重叠现象出现得越早，即装机设计保证率越大，基尼系数对年发电量的影响减弱直至无影响，且首先出现在年平均流量较大的年份。当装机设计保证率为100%时，各曲线已经完全重合为一条水平直线，基尼系数对发电量已经完全无影响。

图4 装机设计保证率为50%时年发电量Fig.4 Annual hydropower generation capacity when the installed capacity design guarantee rate is 50%

图5 装机设计保证率为60%时年发电量Fig.5 Annual hydropower generation capacity when the installed capacity design guarantee rate is 60%

图6 装机设计保证率为80%时年发电量Fig.6 Annual hydropower generation capacity when the installed capacity design guarantee rate is 80%

电站泄放生态流量后，基尼系数对发电量的影响与不泄放生态流量时走势相近，但装机设计保证率大小分界点均增大，分别为8%，80%。

4.2 年平均流量、基尼系数对电量损失百分比影响分析

装机设计保证率为20%时，年平均流量与电量损失百分比如图7所示。本文所指电量损失百分比等于当年因生态流量泄放导致的电量损失量与当年不泄放生态流量时电站发电量的百分比。由图7可知：属于同一基尼系数分档中的电量损失百分比，年平均流量越大，电量损失百分比越小；基尼系数分档较小的曲线普遍在基尼系数分档数较大的下方。因此，在基尼系数相近时，丰水年的电量损失百分比普遍小于枯水年；年平均流量相近时，基尼系数越小，电量损失百分比普遍越小。

图7 年平均流量与电量损失百分比关系Fig.7 The relationship between the average annual flow and the percentage of hydropower loss

4.3 不同装机设计保证率对电量损失百分比影响分析

电站装机设计保证率与多年平均损失电量及电量损失百分比曲线如图8所示。由图8可知：多年平均损失电量随着电站装机设计保证率的增大呈近线性关系降低，最大损失电量位于装机设计保证率为0时，损失电量72.5万kW·h，最小损失电量位于装机设计保证率为100%时，损失电量0.7万kW·h。

图8 电站装机设计保证率与多年平均损失电量及损失百分比曲线Fig.8 The relationship between the installed capacity design guarantee rate and the average annual hydropower loss and its percentage

装机设计保证率在0～30%期间，多年平均电量损失百分比随着装机设计保证率的增大而增大；装机设计保证率在30%～100%期间，多年平均电量损失百分比随着装机设计保证率的增大而减小；当电站装机设计保证率为30%时，电站多年平均电量损失百分比最大。装机设计保证率为0%，30%，100%时，对应的电站多年平均电量损失百分比分别为10.0%，13.3%，1.1%。

5 结 论

本文通过引入基尼系数，逐日计算不同装机设计保证率时电站发电量及电量损失，分析了生态流量泄放对无调节引水式电站电量损失的影响，可以得出以下结论：

(1) 装机设计保证率不同时，基尼系数对电站的发电量影响规律不同且装机设计保证率存在较明显的分界点，装机设计保证率分界点为5%与60%。生态流量按多年平均流量10%泄放后，基尼系数对发电量的影响规律与不泄放生态流量时走势相近，但装机设计保证率大小分界点均增大，分别为8%，80%。

(2) 基尼系数相近时，丰水年的电量损失百分比普遍小于枯水年；年平均流量相近时，基尼系数越小，电量损失百分比普遍越小。

(3) 多年平均损失电量随着电站装机设计保证率的增大呈近线性关系降低。装机设计保证率在0～30%期间，多年平均电量损失百分比随着装机设计保证率的增大而增大；在30%～100%期间，多年平均电量损失百分比随着装机设计保证率的增大而减小；为30%时，电站多年平均电量损失百分比最大，其值为13.3%，该类电站因生态流量泄放导致的电量损失最大。