基于HEC-ResSim模型的豐滿水電站生態(tài)調(diào)度模擬

郭 晴，陳冬紅,，彭期冬，林俊強(qiáng)，張 迪，劉雪飛

(1.河北工程大學(xué) 水利水電學(xué)院，河北 邯鄲 056021； 2.中國水利水電科學(xué)研究院，北京 100038)

1 概 述

水利工程的大量建設(shè)為我們帶來了巨大的經(jīng)濟(jì)和社會(huì)效益，但是由于大壩的修建也破壞了天然河流的連通性，危及到河流原本的生態(tài)系統(tǒng)。我國豐滿水電站由于修建時(shí)間較早，未考慮到設(shè)置魚類生境保護(hù)措施，使下游產(chǎn)漂流性卵魚類資源持續(xù)衰減。1926年松花江捕獲的自然魚量有10 500 t，到1942年豐滿水電站建設(shè)運(yùn)行后，自然捕獲量下降至4 830 t。有研究表明，可以通過在產(chǎn)漂流性卵魚類產(chǎn)卵期內(nèi)制造“人造洪峰”的方式來緩解對(duì)大壩下游魚類的影響，即改變傳統(tǒng)的只考慮防洪、發(fā)電等因素的水庫調(diào)度方式，將刺激產(chǎn)漂流性卵魚類產(chǎn)卵的生態(tài)因素納入到水庫調(diào)度方案中，實(shí)施生態(tài)調(diào)度[1]。

方國華等[2]提出了以生態(tài)保護(hù)程度和發(fā)電量最大為目標(biāo)的水庫生態(tài)優(yōu)化調(diào)度模型；陳冬紅等[3]分析了IHA的五大類32個(gè)生態(tài)水文指標(biāo)的時(shí)空變化特性，以及產(chǎn)卵期影響產(chǎn)漂流性卵魚類繁殖的漲水指標(biāo)；范驄驤等[4]以魚類產(chǎn)卵棲息地生境需求為生態(tài)約束因子，建立了滿足魚類產(chǎn)卵棲息地需求的生態(tài)調(diào)度方法。A.D. AMPITIYAWATTA等[5]采用HEC-ResSim模型對(duì)清江梯級(jí)水庫進(jìn)行了模擬調(diào)度演算和效益評(píng)估。本文在天然水文情勢(shì)無法得知的情況下，以恢復(fù)和提高關(guān)鍵水文指標(biāo)為生態(tài)調(diào)度目標(biāo)，對(duì)重建后的豐滿水電站生態(tài)調(diào)度進(jìn)行了研究，對(duì)其他重建水電站具有借鑒意義。

2 豐滿水電站生態(tài)調(diào)度目標(biāo)

2.1 豐滿水電站概況

豐滿水電站是我國第一個(gè)建成運(yùn)行的大型水電站，位于吉林省吉林市境內(nèi)的第二松花江上，上游距紅石水電站約153 km，下游距吉林市16 km。其正常蓄水位為263.5 m，相應(yīng)庫容88.49×108m3，死水位242 m，調(diào)節(jié)庫容61.64×108m3，具有多年調(diào)節(jié)性能[6]。為徹底解決豐滿水電站存在的安全隱患，2013年5月1日豐滿水電站全面治理(重建)工程開工。經(jīng)過擴(kuò)機(jī)增容改造后的豐滿水電站已成為東北電網(wǎng)中的骨干電站，對(duì)系統(tǒng)的調(diào)峰、調(diào)頻和事故備用具有重要作用。

在豐滿大壩下游10.3 km處修建了永慶反調(diào)節(jié)水庫，永慶水庫上游水位與豐滿發(fā)電廠尾水相銜接，為日調(diào)節(jié)性能，正常蓄水位192.2 m，相應(yīng)庫容1 036×104m3，死水位189.3 m，調(diào)節(jié)庫容828×104m3[7]。通過永慶水庫的反調(diào)節(jié)作用，解放豐滿水電站長期以來承擔(dān)的60 MW基荷容量，以增加調(diào)峰容量，滿足下游吉林市和引松入長等工程對(duì)水位和最小下泄水量的要求。

2.2 目標(biāo)物種

豐滿水電站下游河段產(chǎn)漂流性卵魚類的優(yōu)勢(shì)種為蛇鮈，其繁殖溫度在14℃左右；而其他產(chǎn)漂流性卵魚類，如青魚、草魚、鰱、鳙、鱖和翹嘴紅鲌種群數(shù)量持續(xù)衰減，其繁殖溫度在18℃～23℃之間。根據(jù)研究區(qū)域現(xiàn)狀，以及目標(biāo)物種對(duì)水溫和水文條件的不同需求，將生態(tài)調(diào)度分為兩個(gè)時(shí)期：第一時(shí)期為5月20日-6月20日，多年平均水溫低于18℃，蛇鮈可在漲水條件下產(chǎn)卵；第二時(shí)期為6月21日-7月31日，多年平均水溫高于18℃，其他產(chǎn)漂流性卵魚類可在漲水條件下產(chǎn)卵。

2.3 生態(tài)水文指標(biāo)

根據(jù)陳冬紅[3]等定義的5個(gè)有效漲水指標(biāo)及其計(jì)算方法，統(tǒng)計(jì)出松花江水文站和吉林水文站在永慶水庫建設(shè)前后產(chǎn)漂流性卵魚類產(chǎn)卵期內(nèi)的有效漲水指標(biāo)見表1。

表1 永慶水庫建設(shè)運(yùn)行前后關(guān)鍵生態(tài)水文指標(biāo)變化Tab.1 Change of key hydrological indices before and after the construction of Yongqing Reservoir

在第一段產(chǎn)卵期內(nèi)，由于漲水持續(xù)天數(shù)增加，初始流量以及日流量增長量的增大，漲水條件合適，蛇鮈能夠維持一定的種群數(shù)量。因此，采用永慶水庫建設(shè)后的漲水過程水文指標(biāo)平均值作為第一段產(chǎn)卵期的生態(tài)水文目標(biāo)。第二段產(chǎn)卵期內(nèi)，由于吉林水文站漲水次數(shù)減少，松花江水文站雖然因支流匯入形成新的漲水過程使有效漲水次數(shù)不變，但由此形成的漲水過程初始流量小，對(duì)產(chǎn)漂流性卵魚類刺激有限，并且漲水時(shí)可能因?yàn)樗疁亍⑷芙庋醯拳h(huán)境因素限制了魚類產(chǎn)卵，從而導(dǎo)致四大家魚和“三花一島”種群數(shù)量持續(xù)衰退。由于產(chǎn)漂流性卵魚類產(chǎn)卵可能和節(jié)律性的漲水有關(guān)，因此認(rèn)為漲水初始流量指標(biāo)和漲水過程數(shù)指標(biāo)是影響第二段產(chǎn)卵期的主要水文指標(biāo)。在建立刺激產(chǎn)漂流性卵魚類產(chǎn)卵的漲水過程水文目標(biāo)時(shí)，應(yīng)保持有節(jié)律性的有效漲水，提高初始流量和洪峰流量這兩個(gè)指標(biāo)，而其它漲水過程指標(biāo)采用永慶水庫建設(shè)運(yùn)行前的指標(biāo)的平均值。

參考楊澤凡[8]的相關(guān)研究可知，松花江水文站斷面的一級(jí)漫灘水位為151.1 m，對(duì)照水位-流量關(guān)系曲線，高脈沖流量相應(yīng)的下限流量為522 m3/s，可以將其作為產(chǎn)卵場(chǎng)最低漲水持續(xù)流量。設(shè)定刺激豐滿水電站下游產(chǎn)漂流性卵魚類產(chǎn)卵的漲水過程所需的生態(tài)水文最低控制標(biāo)準(zhǔn)見表2。在生態(tài)水文最低標(biāo)準(zhǔn)的基礎(chǔ)上，保持生態(tài)目標(biāo)的有效漲水次數(shù)、每次漲水持續(xù)時(shí)間和前后兩次有效漲水時(shí)間間隔不變，對(duì)斷面初始流量和流量日上漲量分別提高50%和100%，以此作為部分生態(tài)調(diào)度目標(biāo)。

表2 刺激產(chǎn)漂流性卵魚類產(chǎn)卵的生態(tài)調(diào)度最低控制標(biāo)準(zhǔn)Tab.2 The target of ecological dispatch for stimulate drifting eggs fishes spawning

3 HEC-ResSim調(diào)度模型的建立

3.1 HEC-ResSim調(diào)度模型

HEC-ResSim模型是由美國陸軍工程兵團(tuán)水文工程中心(HEC)開發(fā)的一種用來模擬水庫系統(tǒng)的新型軟件，它是在HEC-5軟件基礎(chǔ)上改進(jìn)而來的版本，現(xiàn)已被廣泛用于流域管理和規(guī)劃提供的實(shí)時(shí)決策支持[9]。該模型包括3個(gè)具有不同功能的獨(dú)立模塊，分別是流域設(shè)置、水庫網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)和水庫調(diào)度模擬。流域設(shè)置是為流域的創(chuàng)建和定義提供一個(gè)共同的框架，流域可以包括用于特定區(qū)域的所有水流和工程，例如水庫、堤壩、計(jì)量位置、沖擊區(qū)域、時(shí)間序列位置等，這些內(nèi)容一旦配置，就形成了一個(gè)流域框架[10]。水庫網(wǎng)絡(luò)模塊的設(shè)置是為了分離出流域內(nèi)水庫系統(tǒng)的物理屬性，便于使用者對(duì)其進(jìn)行設(shè)置。在該模塊中可構(gòu)建河流示意圖，描述水庫模型的物理特性，并且開發(fā)有可分析的替代方案。一旦該模塊設(shè)置完成，就可以定義水庫網(wǎng)絡(luò)元件的物理和操作數(shù)據(jù)。當(dāng)流域設(shè)置和水庫網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建完成后，便可在水庫調(diào)度模擬模塊中模擬不同調(diào)度方案，進(jìn)行計(jì)算分析并查看調(diào)度結(jié)果。

3.2 模型的建立

利用GIS在流域設(shè)置模塊創(chuàng)建一個(gè)位于第二松花江流域上的模型示意圖，確定水庫、計(jì)算點(diǎn)、控制點(diǎn)、引匯流位置，對(duì)于流域內(nèi)的河流、湖泊、水庫等位置采用不同的形狀文件標(biāo)記。在水庫網(wǎng)絡(luò)模塊中，將流域設(shè)置模塊中創(chuàng)建的配置作為模板建立水庫網(wǎng)路基礎(chǔ)，定義豐滿水庫和永慶水庫的物理特征數(shù)據(jù)及運(yùn)行數(shù)據(jù)，添加河道路由，保證水庫網(wǎng)絡(luò)連通性。

重建后的豐滿水電站共有2臺(tái)原三期廠房發(fā)電機(jī)組(引用流量390.23 m3/s，單機(jī)容量200 MW，發(fā)電效率98.05%)和6臺(tái)新壩壩后廠房發(fā)電機(jī)組(引用流量296.70 m3/s，單機(jī)容量140 MW，發(fā)電效率95.00%)，總裝機(jī)容量1 480 MW，多年保證出力147 MW，不計(jì)空載流量和水頭損失。利用HEC-ResSim模型模擬1975-1984年重建后的豐滿水電站3種發(fā)電機(jī)組組合方式(表3)，可以看出，新機(jī)組加1臺(tái)原機(jī)組的組合形式，由于減少部分棄水用來發(fā)電，使得多年平均出力最大，因此確定生態(tài)調(diào)度運(yùn)行方式采用此組合形式。

3.3 模擬方案與模型率定

模擬方案采取豐滿水庫和永慶反調(diào)節(jié)水庫聯(lián)合調(diào)度，以永慶水庫建設(shè)后的多年平均漲水過程水文指標(biāo)為生態(tài)調(diào)度目標(biāo)1；在有效漲水持續(xù)時(shí)間、時(shí)間間隔和漲水次數(shù)不變的情況下，將提高50%的流量平均日上漲率和漲水初始流量指標(biāo)定義為生態(tài)調(diào)度目標(biāo)2；將提高100%的流量平均日上漲率和漲水初始流量指標(biāo)定義為生態(tài)調(diào)度目標(biāo)3。同時(shí)，考慮到下游工農(nóng)業(yè)、工程用水和環(huán)境需水條件，設(shè)計(jì)不同水文年的生態(tài)調(diào)度方案，見表4。

表3 豐滿水電站不同機(jī)組組合運(yùn)行模擬結(jié)果Tab.3 Simulation results of different combination units in Fengman Hydropower Station

表4 生態(tài)調(diào)度設(shè)計(jì)方案Tab.4 The design of ecological dispatch

根據(jù)式(1)和式(2)對(duì)豐滿、吉林和松花江水文站的模擬日流量和真實(shí)日流量進(jìn)行差異計(jì)算，修正后算得R=0.902，N=51.83 m3/s，可知滿足精度要求。

(1)

(2)

4 模擬結(jié)果分析

根據(jù)兩種水庫運(yùn)行規(guī)則和3個(gè)生態(tài)調(diào)度目標(biāo)的調(diào)度設(shè)計(jì)方案，模擬出豐滿-永慶水庫在豐平枯水年6種情境下的聯(lián)合生態(tài)調(diào)度結(jié)果，見圖1、圖2和圖3，統(tǒng)計(jì)模擬結(jié)果見表5。

由生態(tài)調(diào)度模擬結(jié)果分析可知，在情境1、2、3的運(yùn)行方式下，豐滿-永慶水庫調(diào)度營造的漲水過程初始流量和日流量上漲量均沒有達(dá)到目標(biāo)值，且與多年平均值有一定差距。考慮漲水過程受到豐滿水電站調(diào)峰的影響，營造的漲水過程呈“鋸齒”狀，流量日內(nèi)變化頻繁，會(huì)打斷持續(xù)的漲水過程，因此無法在下游形成滿足設(shè)定生態(tài)目標(biāo)的有效漲水過程。

圖1 豐水年模擬結(jié)果Fig.1 Simulation results of wet year

圖2 平水年模擬結(jié)果Fig.2 Simulation results of average year

圖3 枯水年模擬結(jié)果Fig.3 Simulation results of dry year

情境編號(hào)運(yùn)行方式平均出力/MW中部城市引水量保證率 /%水量利用率/%豐平枯豐平枯豐平枯1調(diào)峰+目標(biāo)1151.3112.789.594.194.188.279.296.098.82調(diào)峰+目標(biāo)2154.0115.696.492.297.197.180.895.298.83調(diào)峰+目標(biāo)3155.8117.9101.592.294.194.181.893.097.84不調(diào)峰+目標(biāo)1207.4172.5136.6100.0100.052.999.999.998.65不調(diào)峰+目標(biāo)2208.9185.3137.5100.076.552.999.999.898.46不調(diào)峰+目標(biāo)3214.2184.8138.497.170.652.999.999.998.4

分析情境4、5、6的模擬結(jié)果發(fā)現(xiàn)，豐水年生態(tài)調(diào)度營造的漲水過程各項(xiàng)有效漲水指標(biāo)均達(dá)到目標(biāo)值，隨著漲水過程指標(biāo)的提升，平均出力逐漸增加。在平水年中，情境4和情境5營造的漲水過程各指標(biāo)均達(dá)到目標(biāo)，但情境6的運(yùn)行方式只產(chǎn)生了4次有效漲水過程。隨著漲水指標(biāo)的提升，平均出力先增加后減少，中部城市引水保證率逐漸減小，情境5、6的調(diào)度造成中部引水保證率下降至76.5%和70.6%，不滿足中部城市引水工程最低供水保證率。在枯水年中，第一段生態(tài)調(diào)度期內(nèi)調(diào)度結(jié)果達(dá)到目標(biāo)，而在第二段生態(tài)調(diào)度期內(nèi)，均未形成持續(xù)明顯的漲水過程。

5 結(jié) 論

為了解決豐滿水電站下游產(chǎn)漂流性卵魚類產(chǎn)卵問題，本文定量描述漲水過程指標(biāo)在豐滿大壩下游河段的時(shí)空變化特征，確定生態(tài)調(diào)度的目標(biāo)，從而實(shí)現(xiàn)將刺激產(chǎn)漂流性卵魚類產(chǎn)卵的生態(tài)因素納入到水庫調(diào)度方案中，最終根據(jù)HEC-ResSim模型對(duì)6種情境下的聯(lián)合生態(tài)調(diào)度進(jìn)行模擬與分析。

通過HEC-ResSim模型模擬結(jié)果可知，豐滿水庫調(diào)峰發(fā)電，永慶水庫反調(diào)節(jié)的運(yùn)行模式可以保證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。對(duì)于考慮產(chǎn)漂流性卵魚類產(chǎn)卵的生態(tài)調(diào)度，豐滿水電站調(diào)峰會(huì)打斷持續(xù)漲水過程，使?jié)q水過程呈“鋸齒”狀變化，無法滿足下游產(chǎn)漂流性卵魚類的產(chǎn)卵要求。當(dāng)豐滿水電站不調(diào)峰運(yùn)行時(shí)，在豐水年可以達(dá)到刺激產(chǎn)漂流性卵魚類產(chǎn)卵的要求，但在平水年與枯水年中部城市引水保證率與刺激產(chǎn)漂流性卵魚類產(chǎn)卵的要求都難以滿足?？紤]到永慶水庫受其庫容較小的限制，無法形成利于產(chǎn)漂流性卵魚類產(chǎn)卵的持續(xù)多日有效漲水，因此應(yīng)在生態(tài)調(diào)度期間改變豐滿水庫調(diào)峰發(fā)電的運(yùn)行方式，或增加棄水來營造持續(xù)的漲水過程。