小水電站生態(tài)流量對電能損失率的影響分析

陳肖依，黃曦妮，曾 智

（1.中鐵水利水電規(guī)劃設(shè)計(jì)集團(tuán)有限公司，江西 南昌，330029；2.江西省水利投資集團(tuán)有限公司，江西 南昌，330000）

0 前言

水電開發(fā)對優(yōu)化我國能源結(jié)構(gòu)、促進(jìn)經(jīng)濟(jì)發(fā)展起到了重要作用，但其對河流生態(tài)環(huán)境的不利影響也日益凸顯，許多在山區(qū)河流上開發(fā)的小型水電站項(xiàng)目多為引水式發(fā)電，將會在壩下形成減脫水河段，進(jìn)而影響流域生態(tài)系統(tǒng)的穩(wěn)定性[1]。2018年6月19日，國家審計(jì)署《長江經(jīng)濟(jì)帶生態(tài)環(huán)境保護(hù)審計(jì)結(jié)果》發(fā)布，長江流域小水電建設(shè)帶來的一個(gè)突出生態(tài)問題是：小水電無序開發(fā)，建設(shè)密度過大，導(dǎo)致333條支流斷流。2019年，水利部和生態(tài)環(huán)境部聯(lián)合發(fā)布的關(guān)于加強(qiáng)長江經(jīng)濟(jì)帶小水電站生態(tài)流量監(jiān)管的通知明確指出，切實(shí)加強(qiáng)長江經(jīng)濟(jì)帶小水電站（單站裝機(jī)50 000kW及以下）生態(tài)流量監(jiān)督管理，盡快健全保障生態(tài)流量長效機(jī)制，力爭在2020年底前全面落實(shí)小水電站生態(tài)流量[2]。

為了給地方政府在今后小水電整改評估中電站電能損失預(yù)判提供一定的數(shù)據(jù)和技術(shù)支撐，本文選取江西省遂川縣作為研究區(qū)域。該縣地處山區(qū)，水力資源豐富，小水電站數(shù)量眾多，具有較好的代表性。按照有無下泄生態(tài)流量兩種工況，在分析電站裝機(jī)規(guī)模（M1）、設(shè)計(jì)水頭（M2）、設(shè)計(jì)流量（M3）、年利用小時(shí)數(shù)（M4）、設(shè)計(jì)流量與多年平均流量比（M5）和水量利用率（M6）等因子與電能損失率η的相關(guān)關(guān)系的基礎(chǔ)上，通過SPSS主成分分析方法開展各因子對電能損失率η影響作用程度的研究。

1 數(shù)據(jù)來源與研究方法

1.1 數(shù)據(jù)來源

在遂川縣小水電清理整改項(xiàng)目中，實(shí)地調(diào)查收集了各小水電站第一手基礎(chǔ)數(shù)據(jù)資料，遂川縣120多座小水電站大部分裝機(jī)規(guī)模為0～5 000kW，設(shè)計(jì)流量為0～50m3/s，設(shè)計(jì)水頭為0～400m。[1]

基于江西省徑流深等值線圖，選取仙坑、彭坊、行洲等小河測站1980年及以后的實(shí)測徑流系列（資料系列大于30年）為小水電站徑流過程分析和模擬的依據(jù)站。

1.2 研究方法

1.2.1 主成分分析法

本文采用主成分分析為主要研究方法，也稱主分量分析，旨在利用降維思想，把多指標(biāo)轉(zhuǎn)化為少數(shù)幾個(gè)綜合指標(biāo)（即主成分），其中每個(gè)主成分都能夠反映原始變量的大部分信息，且所含信息互不重復(fù)[3]。這種方法在引進(jìn)多方面變量的同時(shí)將復(fù)雜因素歸結(jié)為幾個(gè)主成分，使問題簡單化，同時(shí)得到更加科學(xué)有效的數(shù)據(jù)信息[4]。主成分分析法的代數(shù)模型為：

假設(shè)用p個(gè)變量來描述研究對象，分別用X1，X2，……，Xp來表示，這p個(gè)變量構(gòu)成的p緯隨機(jī)向量為X=（X1，X2，……，Xp）t。設(shè)隨機(jī)向量 X 的均值為 μ，協(xié)方差矩陣為Σ。對X進(jìn)行線性變化，考慮原始變量的線性組合：

主成分是不相關(guān)的線性組合 Z1，Z2，……，Zp，并且Z1是 X1，X2，……，Xp的線性組合中方差最大者，Z2是與Z1不相關(guān)的線性組合中方差最大者，……，Zp是與Z1，Z2，……，Zp-1都不相關(guān)的線性組合中方差最大者。Z1，Z2，……，Ze（e≤p）為構(gòu)造的新變量指標(biāo)，即原變量指標(biāo)的第一、第二、……、第e個(gè)主成分。

本文結(jié)合電能計(jì)算一般考慮因素及水資源條件綜合分析，選取電站裝機(jī)規(guī)模（M1）、設(shè)計(jì)水頭（M2）、設(shè)計(jì)流量（M3）、年利用小時(shí)數(shù)（M4）、設(shè)計(jì)流量與多年平均流量比（M5）和水量利用率（M6）等6個(gè)影響因子納入主成分分析開展研究。

1.2.2 Tennant法

生態(tài)流量采用tennant法計(jì)算，該方法也叫蒙大拿（Montana）法，由Tennant于1976年提出來，屬于非現(xiàn)場測定類型的標(biāo)準(zhǔn)設(shè)定法。在Tennant法中，以預(yù)先確定的多年平均流量百分?jǐn)?shù)為基礎(chǔ)，將保護(hù)水生態(tài)和水環(huán)境的河流流量推薦值分為最大允許極限值、最佳范圍值、極好狀態(tài)值、很好狀態(tài)值、良好狀態(tài)值、一般或較差狀態(tài)值、差或最小狀態(tài)值和極差狀態(tài)值等1個(gè)高限標(biāo)準(zhǔn)、1個(gè)最佳范圍標(biāo)準(zhǔn)和6個(gè)低限標(biāo)準(zhǔn)，又依據(jù)水生生物對環(huán)境的季節(jié)性要求不同，分為4～9月份魚類產(chǎn)卵育肥期和10月～翌年3月份一般用水期，本文取多年平均流量的10%為生態(tài)流量參與分析計(jì)算，即選取的生態(tài)流量是河流流量推薦值中的“差或最小狀態(tài)值”，也是水利工程設(shè)計(jì)上?？紤]的多年平均流量百分?jǐn)?shù)。

通過全省各地走訪調(diào)查，小水電站多為私人建設(shè)，基本無設(shè)計(jì)資料，生態(tài)流量下泄更是無跡可尋，多為“有多少水發(fā)多少電”，“機(jī)組可以發(fā)電優(yōu)先走機(jī)組過水”等不合規(guī)的管理運(yùn)行模式，即壩址無下泄流量設(shè)施，無法直接下放生態(tài)流量，本文將電站實(shí)際運(yùn)行工況作為“無生態(tài)流量下泄”（工況1），以電站多年平均徑流修正水文比擬法換算得到的小水電站徑流過程，按照來流量扣除生態(tài)流量后的運(yùn)行工況作為“有生態(tài)流量下泄”（工況2），兩工況發(fā)電量之差與實(shí)際運(yùn)行工況的發(fā)電量的百分比作為年均電能損失率。

2 結(jié)果與分析

2.1 電站特征值與電能損失率的關(guān)系

小水電站一般為徑流壩后或引流式電站，通過電能計(jì)算，在保證生態(tài)流量下泄（采用tennant法計(jì)算，取多年平均流量10%計(jì)），發(fā)電綜合系數(shù)K取8.3（依據(jù)GB50071小型水力發(fā)電設(shè)計(jì)規(guī)范，小型水力發(fā)電站發(fā)電機(jī)參數(shù)可按0.80～0.85選取，燈泡貫流式機(jī)組可按0.90～0.95選取，再乘以9.81即為發(fā)電綜合系數(shù)K）作為本次評估固定參數(shù)參與計(jì)算，納入考量的120多座小水電站95%以上的裝機(jī)規(guī)模（M1）、設(shè)計(jì)水頭（M2）和設(shè)計(jì)流量（M3）對電能損失率η的影響閾值為[10%，20%]。

2.2 電能計(jì)算參數(shù)與電能損失率的關(guān)系

通過繪制年利用小時(shí)數(shù)（M4）、設(shè)計(jì)流量與多年平均流量比（M5）和水量利用率（M6）三個(gè)參數(shù)與電能損失率的關(guān)系曲線，可以明顯看出，上述三個(gè)參數(shù)與電能損失率η呈現(xiàn)較為良好的單一關(guān)系，其中，年均發(fā)電利用小時(shí)數(shù)（M4）與電能損失率η符合線性關(guān)系；設(shè)計(jì)流量與多年平均流量比（M5）和電能損失率η基本滿足冪函數(shù)模型關(guān)系；水量利用率（M6）與電能損失率η符合對數(shù)函數(shù)模型，且依據(jù)點(diǎn)繪出來的電能損失率η同樣基本控制在[10%，20%]。

圖1 電站特征值與電能損失率的關(guān)系圖

因此，綜合上述各影響因子與電能損失率η的相關(guān)關(guān)系，本文認(rèn)為考慮生態(tài)流量下泄后小水電評估整改中電能損失率的閾值劃定為[10%，20%]是基本合理可靠的。

2.3 主成分分析

從小水電整改評估工作階段的深度出發(fā)考慮，電站裝機(jī)規(guī)模（M1）、設(shè)計(jì)水頭（M2）、設(shè)計(jì)流量（M3）、年利用小時(shí)數(shù)（M4）、設(shè)計(jì)流量與多年平均流量比（M5）和水量利用率（M6）等影響因子（變量）對電能損失的作用影響較大，且實(shí)地調(diào)查考證較易獲取。為了進(jìn)一步研究上述6大因子在電能損失中的影響程度和作用，本文采用SPSS主成分分析法[5]，剖析電能損失率影響因子的內(nèi)在主成分。

通過SPSS主成分分析表明[6]，上述變量之間存在較好的相關(guān)性，KMO和Bartlett的檢驗(yàn)結(jié)果符合主成分分析計(jì)算要求，且公因子方差均大于等于0.842。各因子與電能損失率具有較強(qiáng)的正負(fù)相關(guān)性，影響效力顯著。根據(jù)累積貢獻(xiàn)率大于85%，特征值大于1的一般準(zhǔn)則，本文認(rèn)為在小水電整改評估階段電能損失率分析中選取2～3個(gè)主成分為宜，第一主成分為效能屬性，包括年利用小時(shí)數(shù)（M4）、設(shè)計(jì)流量與多年平均流量比（M5）和水量利用率（M6）；第二主成分為出力屬性，包括設(shè)計(jì)水頭（M2）和設(shè)計(jì)流量（M3）；第三個(gè)主成分為裝機(jī)屬性，為裝機(jī)規(guī)模（M1）（分析成果見表1）。

表1 小水電站電能損失率影響主成分分析成果表

在三大主成分中，效能屬性主成分中的年利用小時(shí)數(shù)越大（M4）對電能損失率為負(fù)向作用，即參數(shù)越大，電能損失率也越大；而設(shè)計(jì)流量與多年平均流量比（M5）和水量利用率（M6）對電能損失率起正向作用，參數(shù)越大，相應(yīng)電能損失越小。根據(jù)出力屬性主成分和裝機(jī)屬性主成分存在的必要聯(lián)系，設(shè)計(jì)水頭（M2）和設(shè)計(jì)流量（M3）兩者互為反向作用，設(shè)計(jì)流量（M3）和設(shè)計(jì)流量與多年平均流量比（M5）的作用方向必定是一致的，而徑流式引水發(fā)電的小水電站設(shè)計(jì)流量（M3）對裝機(jī)規(guī)模（M1）一般為主導(dǎo)作用，很顯然，通過SPSS[7]很好地詮釋了設(shè)計(jì)水頭（M2）、設(shè)計(jì)流量（M3）和裝機(jī)規(guī)模（M1）對電能損失率的影響作用。

在小水電整改評估階段，按照主成分順序，建議應(yīng)該優(yōu)先考證年利用小時(shí)數(shù)（M4）、設(shè)計(jì)流量與多年平均流量比（M5）和水量利用率（M6）反映電站效能屬性的真實(shí)性和可靠性，通過繪制影響因子[8]與電能損失率的單一關(guān)系曲線，以點(diǎn)代面地對區(qū)域范圍各電站電能損失進(jìn)行估算，可作為整改評估依據(jù)之一；其次是收集電站設(shè)計(jì)水頭（M2）、設(shè)計(jì)流量（M3）等反映電站出力規(guī)模的銘牌特征值，作為基礎(chǔ)資料信息補(bǔ)充、復(fù)核或者下階段工作的需求；小水電站多為私人承建或經(jīng)營，實(shí)際裝機(jī)規(guī)模與區(qū)域水資源的匹配性往往較為“隨意”，因此，裝機(jī)規(guī)模（M1）僅劃定為第三主成分納入整改評估考量范疇，本次主成分分析成果亦與該實(shí)際情況吻合。

3 結(jié)論

（1）小水電整改評估中，生態(tài)流量下泄后小水電站的電能損失率的閾值為[10%，20%]是較為合適的，占比達(dá)到了95%以上。

（2）設(shè)計(jì)水頭（M2）和年利用小時(shí)數(shù)（M4）對電能損失率呈現(xiàn)負(fù)作用，表明參數(shù)越大，相應(yīng)電能損失率越大，即扣減生態(tài)流量的電能效益損失越大；裝機(jī)規(guī)模（M1）、設(shè)計(jì)流量（M3）、設(shè)計(jì)流量與多年平均流量比（M5）和水量利用率（M6）對電能損失率起積極正向作用，參數(shù)越大，相應(yīng)電能損失越小。

（3）建議在小水電整改評估階段，應(yīng)以考證年利用小時(shí)數(shù)（M4）、設(shè)計(jì)流量與多年平均流量比（M5）和水量利用率（M6）參數(shù)的真實(shí)性和可靠性為先，后以電站銘牌特征值收集為輔，對電站電能損失率進(jìn)行有效評估。

（4）本文在計(jì)算電能損失率時(shí)，對發(fā)電系數(shù)、生態(tài)流量、年利用小時(shí)數(shù)都采取了簡化處理，但上述成果不失為小水電整改評估階段一個(gè)較為合適的電能損失率的判別途徑。