水电基地多功能视角下水电碳减排效用计算方法

1.本发明属于水力发电对双碳目标的支撑作用计算评估技术领域，尤其是水电基地多功能视角下水电的碳减排效用评估方法与水库库容建设优化引导。


背景技术：

2.现有的水力发电对双碳目标的支撑作用评估领域，一部分聚焦于不同的能源结构带来的减排效益与对双碳目标的实现的影响，即对能源结构的优化；一部分着重于水利工程项目全生命周期下的碳足迹核算，以分析水电项目带来的碳排放量，以及与此同时带来的减排量。
3.水库的多功能性质被普遍认可，最常被考虑到的功能主要为发电、防洪、市政/工业供水、灌溉、航运，但研究中往往应用于水库的优化运行调度作业或是水资源合理配置等目的。
4.水电成本评估技术多数仅关注传统的财务统计上的成本（现金流、资本和运营支出等），特别是将整体水利工程的财务评价视为水电的经济价值。近年来少量研究关注到水电开发的外部性（如防洪效益、航运效益）并多是通过将其内部化处理以将其整合于水电成本中。
5.从多功能分摊机制考虑水电成本进而评估碳减排效益的技术较少，首先缺少用于评估成本和效益的标准而普适的方法，且水利基础设施提供的一些社会效益常被忽视，导致了不充分的成本核算，尤其是外部成本。其次，从多功能视角出发评估水电的碳减排效用的思路鲜少被关注。以功能价值或水量、库容作为分摊系数指标的技术已有一些基础，但多应用于水库水足迹问题或水库投资问题的，还未有应用于水电减排效用测算。本技术基于水电基地的多功能性，从功能间的成本分摊视角评估水电的碳减排效用。
6.将库容或水量作为评价指标的评估技术较少，大多仅针对个别服务功能（如洪水调蓄）有应用。也有部分研究为了测算水利枢纽投资的部门之间的分摊比例及数额，而采用各功能的利用水量、需要或分配库容等枢纽指标的比例为系数。但由于研究时间较早，库容分摊比例的获取相对较简单。同时将梯级水库优化调度结合于其中的研究更是少之又少。


技术实现要素：

7.本发明的目的在于克服现有技术的不足，提出水电基地多功能视角下水电碳减排效用计算方法，采用既涵盖功能效益又能反映设计硬性指标的更综合的分摊系数，能够从新的角度明晰水电的成本以及水电的碳减排效用，也为双碳目标下水库建设优化提供参考。
8.本发明解决其技术问题是采取以下技术方案实现的：水电基地多功能视角下水电碳减排效用计算方法，包括以下步骤：步骤1、选择目标水电站并确定其建造参数，识别水电站的主要功能作为具体计算的功能项，使用对应的方法以经济价值和硬性库容为指标对每项功能进行计算；
步骤2、根据步骤1的计算结果计算价值分摊系数和库容分摊系数，并根据价值分摊系数和库容分摊系数计算综合分摊系数；步骤3、根据步骤2中的综合分摊系数分摊水电站的工程建造成本，计算相应的水电建造成本，并得到运营成本下得到水电成本；步骤4、根据成本与电量的关系，基于步骤1与步骤3的库容数据与所得水电成本结果，计算水电对火电替代作用下水力发电带来的单位库容二氧化碳减排量，得到水电碳减排的效用。
9.而且，所述步骤1包括以下步骤：步骤1.1、根据水电站的功能，选取计算的功能项；步骤1.2、根据选取的功能项，收集对应的特征参数；步骤1.3、根据步骤1中的功能项以及步骤2中对应的特征参数，采用影子工程法、市场价值法以及能值法对不同功能的经济价值进行计算；步骤1.4、使用水量作为指标对步骤1中功能项对应的库容量进行计算。
10.而且，所述步骤1.1中水电站的功能项包括发电功能、防洪功能、灌溉功能以及供水功能；步骤1.2中特征参数包括总库容、防洪库容、死水位、正常蓄水位以及水电站附近水文站点的水文数据。
11.而且，所述步骤1.3包括以下步骤：步骤1.3.1、使用影子工程法计算防洪功能的经济价值：其中，为防洪库容，为单位库容投资成本；步骤1.3.2、使用市场价值法计算灌溉功能的经济价值：其中，为灌区灌溉面积，为农业灌溉用水亩均水价，为灌溉功能物质量，为灌溉亩均耗水量；步骤1.3.3、使用市场价值法计算供水功能价值：其中，为供水功能物质量，为城乡水价，为城乡供水人口数量，为人均用水量；步骤1.3.4、使用能值法计算发电功能的经济价值：其中，为年均发电量，为水电的能值转换率，为能值货币比率。
12.而且，步骤1.4包括以下步骤：步骤1.4.1、使用水电站出力方法计算发电功能用水量：其中，为年均发电量，为水轮机效率系数，为重力加速度，为水头，为月份，步骤1.4.2、使用梯级水库多目标优化调度方法对水电站发电功能、供水功能和灌溉功能进行精确计算，并设定目标函数以及约束条件：
⑴
、发电目标：发电量最大化：
⑵
、防洪目标：相对防洪保证率最大化：
⑶
、供水目标：总缺水量最小化：
⑷
、生态目标：调度后流域出口断面处流量与天然流量偏差最小化：其中，为发电量、为优化水库数量，为优化月份数量，为水库，为月份，为水库在月份的平均水头，为水库月份的发电引用流量，为一调度期内水轮发电机的利用小时数，为水库在月份月初的水位，为水库的水轮机安装高程，为防洪保证率，为水库汛期开始月份，为水库汛期结束月份，为水库的防洪高水位，为水库的汛限水位，为总缺水量，为水库在月份的供水需求量，为水库在月份的供水流量，为调度后流域出口断面处流量与天然流量偏差，为流域最下游水库月份的下泄流量，为流域最下游水库下游月份的天然流量，为流域出口断面处调度期天然流量平均值；约束条件：
⑴
、水量平衡约束：
⑵
、取水节点流量约束：
⑶
、下泄流量约束：
⑷
、水位约束：汛期：非汛期：
⑸
、出力约束：
⑹
、供水流量约束：其中，为水库，为月份，为水库在月份月初的库内蓄水量，为水库月份的平均入库水量，为水库月份的下泄流量，为计算时间间隔，为水库月份的平均蒸发水量，为水库月份的平均渗漏量，为水库月份的区间入流，为流域最下游水库月份的下泄流量，为水库在月份的供水流量，为流域最下游水库下游月份的生态流量最小值，为水库在月份的下泄流量最小值，为水库在月份的下泄流量最大值，为水库在月份月初的水位最小值，为水库在月份月初的水位，为水库在月份月初的水位最大值，为水库的死水位，为水库的汛限水位，为水库的正常蓄水位，为水库月份的出力最小值，为水库月份的出力，为水库在月份的平均水头，为水库月份的发电引用流量，为水库月份的出力最大值，为水库在月份的供水需求量；以水位以及供水流量作为决策变量，采用多目标遗传算法进行计算，并且多目标遗传算法中采用轮盘赌选择算子，得到帕累托最优解集，从中筛选出最优解：其中，为该调度流域水库涉及的功能，为经过化为函数最小化问题以及归一化处理后的目标函数值。
13.而且，所述步骤2包括以下步骤：
步骤2.1、计算经济价值分摊系数：其中，为经济价值量的总和，为水力发电经济价值、为防洪经济价值、为灌溉经济价值，为供水经济价值，步骤2.2、计算库容分摊系数：其中，为调节库容，为防洪库容，为汛期在全年中所占比率，为总库容； 步骤2.3、根据经济价值分摊系数和库容分摊系数计算综合分摊系数：。
14.而且，所述步骤3的具体实现方法为：价值分摊系数下相应的水电建造成本为：库容分摊系数下相应的水电建造成本：其中，为水电站的建造投资，为折旧年限，为年均发电量；通过平衡价值分摊系数下相应的水电建造成本和库容分摊系数下相应的水电建造成本并考虑经济与物理要素的综合结果，得到水电建造成本：水电成本为：其中，为经济价值分摊系数，为水电站的建造投资，为折旧年限，为年均发电量；为调节库容，为汛期在全年中所占比率，防洪库容，为单位库容投资成本，为运营成本。
15.而且，所述步骤4的具体实现方法为：水力发电平均单位库容减排量为：其中，m代表水电站，m代表目标水电站数量，水电成本与电量之间为负相关一次线性关系：，a、b为线性系数，为水电替代火电的替代系数，
为电力折标系数，为标准煤的碳排放系数，为m水电站总库容。
16.而且，所述替代系数，电力折标系数和碳排放系数为实地检测数据，水电替代火电的替代系数为人均火电发电量与人均水电发电量的比值，其计算方法为：其中，为火电发电量，为水电发电量；电力折标系数和标准煤的碳排放系数为标准系数。
17.本发明的优点和积极效果是：本发明通过从水电站的主要功能与库容等设计参数出发，使用合适的方法以经济价值和库容为指标对每项功能进行评估；计算经济价值分摊系数和库容分摊系数，并进一步计算综合分摊系数与分摊系数下相应的水电建造成本，进而结合电力运营成本得到水电成本；通过考虑成本与电量间关系，最终评估单位库容的二氧化碳减排量，即水力发电能够带来的碳减排效应。本发明将梯级水库多目标优化调度技术应用于库容分摊比例的获取，优化库容分摊比例评估技术。同时出于单一指标可能会反映不够全面的考虑，本发明采用既涵盖功能效益又能反映设计硬性指标的更综合的分摊系数，以更全面评估水电的真实成本，并进一步实现对水力发电单位库容碳减排量的测算，助力双碳目标下水库库容建设优化。
附图说明
18.图1为本发明的流程示意图；图2为本发明分摊系数的计算结果示意图；图3为本发明库容分摊系数获取过程中最优调度水位结果示意图；图4为本发明库容分摊系数获取过程中发电流量结果示意图；图5为本发明库容分摊系数获取过程中帕累托前沿结果示意图；图6为本发明平均单位库容二氧化碳减排量评估结果示意图。
具体实施方式
19.以下结合附图对本发明做进一步详述。
20.水电基地多功能视角下水电碳减排效用计算方法，如图1所示，包括以下步骤：步骤1、选择目标水电站并确定其建造参数，识别水电站的主要功能作为具体计算的功能项，使用对应的方法以经济价值和库容为指标计算每项功能。
21.步骤1.1、根据水电站的功能，选取计算的功能项。
22.根据研究及实践，水电大省四川省的水电基地最主要的功能项包括发电功能、防洪功能、灌溉功能以及供水功能。
23.步骤1.2、根据选取的功能项，收集对应的特征参数。其中特征参数包括总库容、防洪库容、死水位、正常蓄水位等，以及水电站附近水文站点的水文数据等数据信息。
24.步骤1.3、根据步骤1中的功能项以及步骤2中对应的特征参数，采用影子工程法、
市场价值法以及能值法对不同功能的经济价值进行计算。
25.步骤1.3.1、收集水电站的防洪库容，总库容、以及建造投资额、水电站所在省份ppi、贷款利率数据，利用影子工程法，使用影子工程法计算防洪功能的经济价值：其中，为防洪库容，为单位库容投资成本，对每个电站进行总投资与总库容相除的处理方式以逐个相求。并通过ppi指数或贷款利率对所求价值量进行贴现处理，以反映不同年份的当年价。
26.步骤1.3.2、收集水电站的灌溉面积、所在地区灌溉亩均耗水量和农业水价数据，使用市场价值法计算灌溉功的能经济价值：其中，为灌区灌溉面积，为农业灌溉用水亩均水价，为灌溉功能物质量，即农业灌溉水消耗量，为灌溉亩均耗水量；步骤1.3.3、收集水电站的城乡水价、供水人口数和人均水资源消耗量数据，使用市场价值法计算供水功能价值：其中，为供水功能物质量，即城乡居民用水量，为城乡水价，为城乡供水人口数量，为人均用水量。
27.步骤1.3.4、收集水电站年均发电量数据，并选择合适的水电的能值转换率、能值货币比率，使用能值法计算发电功能的经济价值：其中，为年均发电量。
28.步骤1.4、使用水量作为指标对步骤1中功能项的容量进行计算。由于防洪功能已有防洪库容此水电站特征参数，故对发电、灌溉以及供水功能的库容进行评估，进一步以用水量作为指标对库容进行间接评估。先利用以水电站出力公式为基础的固定水位估算方法对发电功能用水量进行大致估算，而后出于精确考虑，又选择梯级水库多目标优化调度方法对发电以及供水、灌溉功能的用水量进行更加精准的测度，继而进一步获得发电功能对应的库容量。
29.步骤1.4.1、假定水位固定不变情况下，收集水轮机效率系数、水头，月份，同时结合年发电量数据，使用水电站出力方法计算发电功能用水量：
其中，为重力加速度，取，水头指水位与水轮机高程之间的差值。
30.步骤1.4.2、在步骤1.4.1的估算的基础上，进一步使用梯级水库多目标优化调度方法对水电站发电功能、供水功能和灌溉功能进行精确计算，并设定目标函数以及约束条件：
⑴
、发电目标：发电量最大化：
⑵
、防洪目标：相对防洪保证率最大化：
⑶
、供水目标：总缺水量最小化：
⑷
、生态目标：调度后流域出口断面处流量与天然流量偏差最小化：其中，为发电量、为优化水库数量，为优化月份数量，体现调度时段与时间尺度，可取12，代表水库，代表月份（时间），为水库在月份的平均水头，为水库月份的发电引用流量，为一调度期内水轮发电机的利用小时数，为水库在月份月初的水位，为水库的水轮机安装高程，为防洪保证率，为水库汛期开始月份，为水库汛期结束月份，为水库的防洪高水位，为水库的汛限水位，为总缺水量，为水库在月份的供水（包括城乡供水及农业灌溉）需求量，为水库在月份的供水（包括城乡供水及农业灌溉）流量，为调度后流域出口断面处流量与天然流量偏差，为流域最下游水库（水库）月份的下泄流量，为流域最下游水库（水库）下游月份的天然流量，为流域出口断面处调度期天然流量平均值。
31.约束条件：
⑴
、水量平衡约束：
⑵
、取水节点流量约束：
⑶
、下泄流量约束：
⑷
、水位约束：汛期：非汛期：
⑸
、出力约束：
⑹
、供水流量约束：其中，为水库在月份月初的库内蓄水量，为水库月份的平均入库水量，为水库月份的下泄流量，为计算时间间隔，为水库月份的平均蒸发水量，为水库月份的平均渗漏量，为水库月份的区间入流，为流域最下游水库（水库）月份的下泄流量，为水库在月份的供水（包括城乡供水及农业灌溉）流量，为流域最下游水库（水库）下游月份的生态流量最小值，为水库在月份的下泄流量最小值，为水库在月份的下泄流量最大值，为水库在月份月初的水位最小值，为水库在月份月初的水位，为水库在月份月初的水位最大值，为水库的死水位，为水库的汛限水位，为水库的正常蓄水位，为水库月份的出力最小值，为水库月份的出力，即水轮发电机组发出的电力功率，为水库在月份的平均水头，为水库月份的发电引用流量，即流经水轮机的作业流量，为水库月份的出力最大值，即装机容量，为水库在月份的供水（包括城乡供水及农业灌溉）需求量。
32.以水位以及供水流量作为决策变量，模型求解采用gamultiobj（多目标遗传）算法。算法中参数设置可考虑：种群规模为1000，进化代数为500，最优个体系数为0.5，精英数量为60（直接传到下一代的个体数），交叉率设为0.65，变异率为0.2，算法中采用轮盘赌选择算子。
33.求出帕累托最优解集之后，需要从中得到一组最优解。假定对于每个水库，各目标重要性相同的情况下，进而能够从帕累托解集中筛选出最优解：
其中，为该调度流域水库涉及的功能即目标个数，为经过化为函数最小化问题以及归一化处理后的目标函数值。
34.图3、图4和图5给出了经过多目标水库群优化调度步骤，最优调度情况下的水位结果、发电流量结果示例，以及优化下的帕累托前沿结果示例。最优调度情况下的水位结果示意图能够反映出所得结果是否符合水库调度水位约束条件，以及调度期内水库水位动态变化过程；通过最优调度情况下的发电流量结果示意图，可以看出各电站的发电功能的用水量，即此步骤的直接测算目标；帕累托前沿结果则是能够展示出动态的寻优过程，以及不同目标之间的相关性关系，如示意图表明示例流域的生态目标与防洪目标之间存在负相关关系，目标间相关关系进一步能够为流域治理提供依据，并且帕累托前沿结果也能够说明算法的寻优收敛效果。
35.步骤2、计算步骤1中经济价值分摊系数和库容分摊系数，并根据经济价值分摊系数和库容分摊系数计算综合分摊系数。
36.步骤2.1、考虑发电、防洪、灌溉和供水功能，水电为其中的一部分，经济指标下的价值分摊系数为水力发电价值占所有功能的价值量的总和的比例：。
37.步骤2.2、物理指标下的库容分摊系数为水力发电功能所利用库容占水库总库容的比例，水力发电库容通过步骤1中发电用水量间接推算而得，非汛期整体调节库容能够用于发电，而汛期调节库容减去防洪库容而余下的部分会被用于发电，确定汛期在全年中所占比率后计算库容分摊系数：其中，为调节库容，为防洪库容，为汛期在全年中所占比率，为总库容； 步骤2.3、根据经济价值分摊系数和库容分摊系数计算综合分摊系数：。
38.图2给出了各种功能分摊系数的计算结果示例，通过分摊系数结果示意图可以看出各个功能在所运用的指标下的占比情况，即可进一步显示出各种功能的重要性，如发电功能占比最大，防洪功能发挥作用程度仅次于发电功能，而供水和灌溉功能占有非常小的比重，发挥着较微弱的作用。
39.步骤3、根据步骤2中的综合分摊系数分摊水电站的工程建造成本，计算价值分摊系数下相应的水电建造成本和库容分摊系数下相应的水电建造成本，并得到水电成本。
40.价值分摊系数下相应的水电建造成本为：为了简便，库容分摊系数下相应的水电建造成本也可以通过单独的公式计算获得，以减少数据处理量：
其中，为水电站的建造投资，为折旧年限，为年均发电量。
41.而后通过平衡两者结果获得同时考虑了经济与物理要素的综合结果，即水电建造成本：其中，水电成本为：其中，为经济价值分摊系数，为水电站的建造投资，为折旧年限，为年均发电量；为调节库容，为汛期在全年中所占比率，防洪库容，为单位库容投资成本，为运营成本。
42.步骤4、收集电站所在地区的年际火电与水电发电量、电力折标系数与排放因子数据，并计算替代系数等参数，根据成本与电量的关系，基于步骤1与步骤3的库容数据与所得水电成本结果，计算水电对火电替代作用下水力发电带来的单位库容二氧化碳减排量，得到水电碳减排的效用。
43.水力发电平均单位库容减排量为：其中，m代表水电站，m代表目标水电站数量，水电成本与电量之间为负相关一次线性关系：，a、b为线性系数，为水电替代火电的替代系数，为电力折标系数，为标准煤的碳排放系数，为m水电站总库容。水电替代火电的替代系数根据下式计算：其中，为火电发电量，为水电发电量，从《电力工业统计资料汇编》（2008-2019）中表格2-2分地区发电量中获取数据计算得到对于四川省，；电力折标系数通过《综合能耗计算通则》gbt2589-2020中表a.2“电力和热力折标准煤系数（参考值）”，或《中国统计年鉴》第九部分“能源”模块的“简要说明”中获得，；从ipcc（政府间气候变化专门委员会）提供的排放因子数据库（efdb）中获得标准煤的碳排放系数，从而代入计算。
44.图6给出了当成本（）与电量（）之间成负相关一次线性关系时平均单位库容二氧化碳减排量评估结果示例，通过单位碳减排量评
估结果示意图能够看出，水电发挥着一定的碳减排效益，在目前双碳目标下，水库库容设计与建设时可以将平均单位库容发挥的碳减排效应纳入考虑。
45.需要强调的是，本发明所述的实施例是说明性的，而不是限定性的，因此本发明包括并不限于具体实施方式中所述的实施例，凡是由本领域技术人员根据本发明的技术方案得出的其他实施方式，同样属于本发明保护的范围。