［加拿大］R.阿瑟诺等

1 项目概述

政府间气候变化专门委员会(IPCC)认为，气候变化将导致全球范围内气温和降水格局的改变，进而又在一定程度上改变水流情势，增大某些地区的水资源压力，同时又将缓解其他一些地区的水资源压力。水电企业需采取措施应对这些变化，以保持最佳生产力。预测径流增加的地区，水电企业必须采取工程性与非工程性措施(或者将两者结合起来)以获得最大产能，同时将其他限制降至最低。在过去的10 a内，出现了研究气候变化对水文影响的热潮。早期开展的研究仅仅是利用单一或者少量的气候预测情景，渐渐地，由于利用的气候预测情景数量以及其他一些不确定性来源不断增加，因而越来越多的研究已将不确定性分析纳入研究之中。随着人们对未来水文情势以及不确定性的认识不断增加，变化气候条件下的水资源管理成了最近研究的重点。

这些研究强调气候变化对水资源管理的重要性以及气候影响在性质上的巨大区域差异。北纬流域可供水量很可能增加，因此，应对措施的关键是将潜在效益最大化，而世界大部分地区则将面临年来水量减少以及会出现更多严重干旱的严峻挑战。

有少量的研究特别关注变化气候条件下的水库管理以及运行规则，有些学者在研究中曾明确强调适应性管理的重要性，其他一些研究也论述过适应性管理规则的必要性。气候变化对于以融雪为主的流域特别关键，在这些流域中，如果没有采取管理措施，其融雪情势的改变以及冬季流量的增加，将会导致水利工程脆弱性增加，从而对水利工程的完整性产生威胁。

上述所有研究都表明，适应性管理措施对于缓解气候变化的未来影响(或者把握未来机遇)具有很大帮助。然而，在某些情况下，仅有政策的改变是不够的，还必须考虑采取工程适应性措施。

有学者曾多次利用10种气候预测情景对3个未来30 a时间段进行水文情势预测，本文则是在这些研究的基础上开展后续研究，运用动态随机模型对这3个30 a时间段的水库运行规则进行了优化。结果表明，未来平均流量与水力发电量总体上会增加;另外，春季融雪变异性增大也会导致非生产性溢流增大。基于考虑到未来的气候因素，对运行规则进行了优化，这就意味着对于非生产性溢流问题只有采用工程性措施才能解决。

另外，本文深入研究了现有水电厂增加水轮机数量的经济可行性，以应对所预测的未来可供水量的增加，减少非生产性溢流以及增加发电量。

2 研究区域

本文研究对象为佩里邦卡河流域，该流域位于加拿大魁北克省中部。一私营铝冶炼公司利用佩里邦卡河河水发电，公司拥有3座发电厂，总装机容量为1 165 MW。

佩里邦卡河流域包含4个子流域，莱克马努安子流域位于流域最北部，集水面积5 000 km2，包括一座同名水库，库容为2 700 hm3。第2个子流域为帕塞斯丹杰勒瑟斯，集水面积11 000 km2，包括一座库容为5 200 hm3的大型水库，子流域南部为发电厂，装机容量750 MW，水头195.1 m。第3个子流域为许特杜迪亚布，集水面积9 700 km2，一座装机容量为205 MW的径流式发电厂位于子流域的南部。流域最南部的子流域为楚兹阿拉萨凡内，集水面积为1 300 km2，一座装机容量为210 MW的径流式发电厂位于该子流域的最南端。3座发电厂各装有5台水轮机。另外，每座发电厂安装有5台相同型号水轮机。在本研究中，由于水轮机型号相同，为每座发电厂增加第6台水轮机相对比较容易，优化及模拟方案因而也很容易地针对每座发水电厂增加第6台水轮机而作出调整。

佩里邦卡河流域径流以融雪为主。因此，水库管理必须考虑到春季径流量，以使发电量最大化的同时可将非生产性溢流降至最低。也就是说，每个冬季末应降低水位(降低发电量)腾出库容，以接纳春季的融雪径流，使非生产性溢流降至最低。

3 研究数据

本研究使用的数据包括实测数据以及未来预测气候的数据。

3.1 实测数据

本研究使用的所有实测数据均由发电厂管理方

提供。收集使用的资料数据包括日最低、最高气温，日降水量以及日平均流量。降水量及气温数据来源于力拓加铝运行管理的11个气象站，数据为子流域尺度平均值，数据集包含各子流域1953～2003年数据系列。

3.2 未来数据

利用Delta变换法生成未来气候数据。Delta变换法，也称为“变换因子法”，该方法是利用全球气候模型(GCM)和区域气候模型(RCM)预测不同温室气体排放情景下当前气候与未来气候的差异。将预测差异应用于当前实测资料，并生成未来时间段数据集。Delta值为未来时段月均值的30 a移动平均值与GCM基准时段值的差值，这样，将月Delta因子应用于近期相应月份实测日气候数据，以获得未来的气候数据。气温差值采用摄氏度表示，而降水量的Delta值则用比率表示(未来值除以基准值)。本文研究中的未来2个时间段为2036～2065年和2071～2100年。

为了涵盖与气候模型选择以及温室气体排放情景选择有关的不确定性，本研究中使用的Delta值，根据1～3排放情境下的23个全球气候模型计算结果获得，共使用了60种气候预测情景。本研究中假定，每一种全球气候模型模拟代表未来情景的概率相同，分别对2050年时间段与2085年时间段Delta值的分布情况进行了分析研究。所有气候预测情景表明，这2个未来时间段内的气温和降水量都有所增加。2085年时间段的不确定度大很多。

利用全球气候模型情景，将时间段1971～2000年作为基准时段来计算Delta值，再将该基准时段的历史气候数据应用于预测的Delta值，以生成未来气候时间序列。

4 研究方法

本研究所采用的主要方法及步骤概括如下。

(1)利用全球气候模型输出以及月尺度的Delta变化降尺度法进行气候预测。以往的研究人员在研究中使用了10种气候预测情景，而本文研究中使用的气候预测情景是以往研究人员的6倍，旨在更好地涵盖各种不确定性。

(2)利用一种水文模型以及上一个步骤中计算得到的(每一个未来时间段)60种气候预测情景来模拟未来的天然来水量。

(3)利用动态随机优化模型来优化发电厂的管理规则。

(4)利用已优化的管理规则来模拟水资源系统。

完成上述步骤以后，回到步骤(3)、(4)，对每座发电厂增加1台水轮机以提高装机容量的情景进行模拟。由于每座发电厂安装了5台相同的水轮机，所以仅需要将每座发电厂的水轮机数量从5台提高到6台即可。

4.1 子流域水文模拟

利用全球集总式降雨径流模型HSAMI，以日为时间步长进行水文模拟。HSAMI模型由魁北克水电公司、魁北克公共电力公司开发研制，用于预测其管理范围内河流及水利工程的流量。HSAMI是一个概念性模型，使用的率定参数多达23个。利用各子流域1984～2003年资料进行模型参数率定，然后利用这些子流域1953～1983年资料进行验证。率定期的纳希效率系数平均值为0.8(各子流域纳希效率系数变化范围为0.6～0.91)，验证期内，纳希效率系数平均值为0.7，根据日流量过程线计算率定期与验证期的纳希效率系数。考虑到各子流域的天然来水量是根据水库水位和基于各发电厂收集的数据重建而得，这样的效率系数已经相当令人满意。由于最下游子流域获得的值较低，因此纳希效率系数平均值呈现偏斜。这种偏斜仅仅对最后一座发电厂的发电能力会产生有限的影响。

在各发电厂现有设备以及增加1台水轮机的条件下，对未来2个时间段内60种气候预测情景下的流量分别进行了模拟。同时，利用实测资料对基准期的流量进行了模拟。在本文后续的研究中，总共采用了242种水文模拟。

4.2 发电厂管理规则优化

利用随机动态规划(SDP)法优化佩里邦卡水资源系统运行规则。对于每一个时间段，在优化过程中随着时间的推进，该算法使用过去的流量来计算未来最有可能的流量并据此优化管理规则。例如，对于2041年，该算法利用2036～2040年的流量估算当前时段和未来时段最可能的流量。优化目标为总发电量最大化，而不考虑产生的非生产性溢流的大小。基本思路是将非生产性溢流降至最低，但是SDP程序允许增大非生产性溢流提高总发电量。SDP程序中包括4个控制点(3座发电厂以及莱克马努安水库溢洪道)模式。然而，由于2座径流式发电厂的发电仅仅依赖于河道流量(非水库)，所有可利用水量全部被用于发电，而将多余水量直接排放。这样，可将该问题转换为一个二态变量问题(莱克马努安水库和帕塞斯丹杰勒瑟斯水库)。同时，帕塞斯丹杰勒瑟斯水库至楚兹阿拉萨凡内之间的流量传播时间不足1 d，模拟时以周为时间步长是可以接受的。

对于每一个控制点，SDP优化器的输出结果为一系列表格(模拟年份内，每周一个表格)。每一输出表格显示每周的出水量，利用该出水量，根据该周水库初始水位、模拟周的来水量以及所模拟的周，优化总发电量。假定模拟周内的来水量和出水量是恒定不变的，分别生成未来时间段2050、2085内的5台及6台水轮机条件下60个模拟流量的运行规则;同时，分别生成基准期内5台及6台水轮机条件下的流量、共242个优化系列的运行规则。

4.3 水资源系统模拟

基于水资源系统的研究目的，使用Matlab软件内含的定制程序模拟水资源系统的演变情况，模拟时考虑了水库形状和大小、电厂装机容量、电厂几何特征以及系统其他的相关特征。有学者曾经利用这一方法研究气候变化对佩里邦卡河流域水资源系统的影响。该程序是利用周来水量以及事先生成的优化规则模拟水库及控制点的管理，将第1周的水库水位带入下一周，程序返回以周为时间步长的每一控制点的发电量和非生产性溢流量，分别计算242个模拟系列的控制点发电量和非生产性溢流量，以进行不同分组之间的比较。

首先进行基准期、2050及2085时间段的比较，确定是否存在与气候变化相关的趋势，然后比较每一时间段在5台和6台水轮机条件下控制点的发电量和非生产性溢流量的差异;程序返回每一发电厂增加1台水轮机后所产生的效率以及总的收益增量。这一步骤可以同时对佩里邦卡河流域非工程性措施(适应性运行规则)和工程适应性措施(增加1台水轮机)的效率进行比较。

5 结果与讨论

分析了未来气候变量预测结果以及模拟流量过程，并计算了每一时间段的系统总发电量。最后，分析评估了在增加1台水轮机以后的预测效果。

5.1 气温及降水量预测结果

对帕塞斯丹杰勒瑟斯子流域2050年时间段和2085年时间段日最高气温、最低气温的年际均值进行了预测研究。

2085年时间段与2050年时间段预测气温趋势类似，但是其不确定性范围、气温总体增加值更大。对帕塞斯丹杰勒瑟斯子流域2050年和2085年这2个30 a时间段的月平均降水量与基准期月平均降水量进行了比较分析，分析结果表明，其变化趋势与其他子流域十分类似。

生成未来气温和降水量序列时，使用的方法是月平均气温Delta变换法，因此，最高气温和最低气温的变化范围完全相同，最低气温的Delta增加值与最高气温的Delta增加值相同。分析结果表明，2050年和2085年时间段的降水量呈增加趋势，不过后者的增幅更大。

5.2 流量过程

将各时间段的所有预测气候数据输入HSAMI水文模型，输出一系列流量过程，供分析使用。分别模拟了各子流域的流量过程，计算了帕塞斯丹杰勒瑟斯子流域2050年和2085年时间段模拟流量过程的年际变化，得出了该子流域历史数据模拟流量过程的年际均值。

其他子流域的模拟流量过程也出现了相同的变化。很显然，2085年时间段模拟流量过程的不确定性水平要高于2050年时间段。结果同时还表明，预测的洪峰流量时间有所提前(2085年时间段预测的洪峰流量时间提前数天至数周，取决于气候预测数据)。同时最大洪峰流量可能会减少，而秋冬季的流量将会显著增加。对夏季流量变化情况还不是太清楚，可能取决于所选择的气候预测情景。这些结果与以往的相关研究结果类似，不过，由于本研究使用的气候预测情景更多(60/10)，未来结果的变化也会增大。

5.3 发电量估算

SDP优化程序发布后，利用水资源系统模拟器分别估算了242种预测情景下的发电量。

模拟器预测的年发电量与同期实际发电量误差不超过1%。如表1所示，在各发电厂增加1台水轮机的条件下，历史气候数据预测的年平均发电量会增加+0.7%。这表明，就近期气候数据而言，各发电厂的配置是合适的。

表1 当前情况下增加1台水轮机时发电量的变化 %

在未增加以及仅增加1台水轮机的条件下，计算了未来2个时间段的年平均发电量的增加值。计算结果表明，在无工程性变化的条件下，2050年及2085年时间段的年发电量分别平均增加+4.4%和7.4%。这些增加量在置信水平为0.05的条件下，其显著性具有统计学意义。各发电厂增加1台水轮机时，总发电量会进一步增加+1.1%(2050年时间段)和+1.4%(2085年时间段)，分别达到5.5%和8.8%。但是，这些增加量在置信水平为0.05条件下，其显著性无统计学意义。预测并分析研究了每一种情形下模拟值的分布情况，为保证发电量数据的可靠性，这些值是历史平均发电量的相对模拟值。

5.4 非生产性溢流量估算

同样，借助于模拟，对非生产性溢流量进行了研究分析。历史数据表明，非生产性溢流量可忽略不计，但是所预测的可供水量增加可能导致非生产性溢流量的增加。模拟结果表明，未来时间段的非生产性溢流量确实会有所增加，但是依然可以忽略不计。增加1台水轮机确实可以在某种程度上减少本来就不大的非生产性溢流量，但是，由于这些溢流量本身就很少，从实际生产角度看，这种减少没有实际意义。也就是说，通过优化运行规则就可以解决未来可供水量增加的问题，且并不会导致大量非生产性溢流量。因此，增加的水轮机不是利用这些溢流量来增加发电量，而只是更好地利用了同样数量的可供水量。

5.5 综合讨论

本文研究结果显示，对于气候变化条件下预期增加的可供水量，采用适应性运行规则足以获得其大部分收益。本文并没有针对额外增加水轮机的成本以及增加水轮机的理想时期展开研究，然而，从研究结果来看，增加更多的水轮机绝对不具有经济可行性，因为预期增加的发电量非常小。尽管不可能增加额外的水轮机，但是近期应该考虑对所有水轮机进行大修或者更换升级。这项工作为进行高效水轮机替换旧水轮机成本分析提供了机会。特别是对于许特杜迪亚发电厂和楚兹阿拉萨凡内发电厂，这2座发电厂的发电量预期增加最大。

研究表明，与历史发电量数据相比，在2050年时间段气候变化条件下，5台水轮机及6台水轮机的发电量，其年度均值及季节时间步长的发电量均会有不同程度的增加。在2085年时间段气候变化条件下，5台水轮机及6台水轮机发电量，其年度均值及季节时间步长的发电量也会有不同程度的增加。

尽管本研究包括了全球气候模型以及温室气体排放情景这2个重要的不确定性来源，但近期研究显示，自然变异(如全球气候模型总体序列所显示的)、降尺度方法以及水文模型也是不确定性非常显著的来源。尽管如此，考虑到预期增加的发电量相对较小，增加这些额外的不确定性来源还是有一定的价值的，且对结果也不会产生任何影响。

研究结果还显示，对于预期的气候变化，佩里邦卡河流域水资源系统并非那么脆弱，至少从水力发电量角度来看理应如此。部分原因是，发电厂上游的2座水库库容很大，足以应对未来流量增加的问题，且不会明显增加下游发电厂的非生产性溢流量。

6 结语

本文讨论了现有发电厂增加水轮机数量以充分利用水系内预期增加的径流量的可能性。对水资源系统进行了模拟，根据2个不同时间段的60种气候预测情景，生成了大坝管理规则，同时，检测了非生产性溢流量。结果表明，额外增加水轮机有可能(但并不显著)增加所有水电厂的电力输出，而且对于水资源管理者而言，保持现状或许是最佳选择。因为就气候变化对可供水量产生的影响而言，相应地优化大坝管理规则足以基本解决可供水量预期增加的问题。增加更多水轮机的经济可行性很小，尽管预期水力发电量将增加(但是很小)。