水電站流域生態(tài)放流算法的優(yōu)化?

駱東松 楊 浩

（蘭州理工大學(xué)電氣工程學(xué)院 蘭州 730050）

1 引言

在環(huán)境保護(hù)為前提的當(dāng)下，國(guó)內(nèi)許多的水電站由于建造時(shí)間比較早，都面臨著改善流域生態(tài)環(huán)境的問(wèn)題，生態(tài)流量的計(jì)算，國(guó)內(nèi)專家提出了以下幾種生態(tài)流量計(jì)算的方法。

1）Tennant方法；

2）最小月平均徑流法；

3）月最小日平均徑流法；

4）7Q10方法；

5）流量歷時(shí)曲線法。

針對(duì)上述生態(tài)流量計(jì)算方法，結(jié)合黑河流域黃藏寺至鶯落峽段實(shí)際的情況，完成生態(tài)流量算法改進(jìn)。

2 生態(tài)流量計(jì)算方法

2.1 傳統(tǒng)Tennant法和改進(jìn)Tennant法

傳統(tǒng)Tennant方法通過(guò)計(jì)算河流多年汛期和非汛期流量作為參數(shù)，按照百分比，將流域流量狀態(tài)分成：最大、最佳、極好、很好、好、一般、差、最差8種狀態(tài)，正常按照多年流量均值的10%左右作為流域的最小生態(tài)流量，在水生物繁殖期取30%左右，作為流域最小生態(tài)流量［1］。

改進(jìn)的Tennant法則是將傳統(tǒng)Tennant法的汛期和非汛期重新劃分，分別為枯水期、水生物產(chǎn)卵期、豐水期、平水期作為計(jì)算參數(shù)。傳統(tǒng)Tennant法和改進(jìn)Tennant法分析黑河流域每個(gè)階段的流量，分析結(jié)果如表1所示。

2.2 最小月平均徑流法

最小月平均徑流是選擇一年中月平均流量最小的值，計(jì)算多年最小月平均流量的期望值，作為河流的生態(tài)流量。其計(jì)算公式如式（1）所示。

其中：Q為河流生態(tài)基流，單位m3/s；Qij為第i年第j月河流平均徑流，單位m3/s；n為水文資料數(shù)據(jù)的統(tǒng)計(jì)年數(shù)。

由式（1）算得到最小月平均徑流數(shù)值如表2所示。

2.3 月最小日平均徑流法

月最小日平均徑流法是選取每年每月最小日平均徑流值，計(jì)算多年各月份最小日平均徑流的平均值，作為對(duì)應(yīng)月份的生態(tài)基流。式（2）為月最小日平均徑流法計(jì)算公式。

其中：Qj為河流第j月份生態(tài)基流，單位m3/s；Qijk為第i年第j月第k日，河流平均徑流，單位m3/s；n為水文資料數(shù)據(jù)的統(tǒng)計(jì)年數(shù)。由式（2）算得到最小月平均徑流數(shù)值如表3所示。

表3 月最小日平均徑流法各個(gè)月份的生態(tài)基流（m3/s）

2.4 7Q10法

7Q10方法就是選擇多年每個(gè)月連續(xù)7天的最小流量，并剔除其中10%的較小值。將每年相同月份的連續(xù)7天的最小流量的數(shù)據(jù)，求其平均值，將其排列，選擇數(shù)據(jù)中90%保證率的數(shù)值，通過(guò)計(jì)算得到12個(gè)月的數(shù)據(jù)如表4所示。

表4 7Q10法各月份生態(tài)基流（m3/s）

2.5 歷史流量曲線法

歷史流量曲線法將多年的數(shù)據(jù)采用數(shù)理統(tǒng)計(jì)分析處理，擬合一條函數(shù)曲線，在大體條件相似的情況下，用擬合的曲線的解析式對(duì)后續(xù)的流量進(jìn)行估算，具體的計(jì)算如下。

1）在大量的數(shù)據(jù)資料中選取多年徑流數(shù)據(jù)中選取日均流量數(shù)據(jù)，記為Q，并按照從大到小順序排列：Q={qi|qi

2）計(jì)算平均流量qˉ：

3）計(jì)算累積頻率pi：

其中，pi為Q>qi的累積頻率；Q為所有流量數(shù)據(jù)；qi為第i個(gè)流量值；n為選取的數(shù)據(jù)總數(shù)。

4）計(jì)算模比系數(shù)Ki，變差系數(shù)Cν，偏態(tài)系數(shù)Cs。

5）查表獲取離均系數(shù)φp［3］，算每個(gè)累積頻率下φp對(duì)應(yīng)的流量qp，如式（8）所示。

6）采用經(jīng)驗(yàn)適線法［4］，根據(jù)Cν、Cs的經(jīng)驗(yàn)值配線，Cs按照經(jīng)驗(yàn)一般選取2Cν、2.5Cν或3Cν［5］。

7）根據(jù)實(shí)際情況選擇某個(gè)累積頻率下的流量作為生態(tài)基流，累積頻率一般根據(jù)實(shí)際情況選擇90%或95%［6］。

流量數(shù)據(jù)的選取有多樣性，流量歷時(shí)曲線法可以計(jì)算多種條件的數(shù)據(jù)值，如年、季節(jié)、月、日、汛期、非汛期等尺度下的生態(tài)流量。

由資料中所有日均流量數(shù)據(jù)繪制Pearson III型多年日均流量歷時(shí)曲線，計(jì)算變差系數(shù)Cν為1.01，偏態(tài)系數(shù)Cs為1.90。Cν大于0.8，說(shuō)明河道年徑流變化劇烈，這與該河道水源大部分來(lái)自降水情況吻合。取偏態(tài)系數(shù)為2Cν、2.5Cν進(jìn)行配線，配線結(jié)果如圖1所示，2Cν擬合效果較好。根據(jù)曲線可知，累積頻率99%附近曲線發(fā)生突變且急劇下降，因此可以選取95%保證率下的流量為生態(tài)基流，生態(tài)基流值為10.26m3/s。

圖1 Pearson III型多年日均流量頻率曲線

3 改進(jìn)生態(tài)流量的計(jì)算方法

通過(guò)前文對(duì)生態(tài)流量計(jì)算方法的介紹和數(shù)據(jù)驗(yàn)證的結(jié)果，上述的生態(tài)流量計(jì)算方法都存在不足之處，其中Tennant方法是根據(jù)主觀經(jīng)驗(yàn)來(lái)確定生態(tài)流量的百分比，存在很大主觀性，不能靈活運(yùn)用；最小月平均流量法在計(jì)算過(guò)程中只考慮流量最小的月份，在豐水期會(huì)造成一定的浪費(fèi)；月最小日平均流量法在選取數(shù)據(jù)上缺乏長(zhǎng)遠(yuǎn)的預(yù)測(cè)，適用有限；7Q10法在月最小日平均徑流法的基礎(chǔ)上加入了平均值和90%保證率數(shù)據(jù)篩選方式，極大降低了偶然因素干擾，但是計(jì)算結(jié)果偏高；流量歷史曲線法需要有大量的數(shù)據(jù)和強(qiáng)大的數(shù)據(jù)處理能力做支撐，并要求一定的保證率的條件下，計(jì)算結(jié)果偏高。

針對(duì)上述方法的缺點(diǎn)，文章充分考慮流域氣候條件、水生資源的特點(diǎn)等因素，提出基于多種方法融合的生態(tài)流量的計(jì)算方法（Improved Ecological Base Flow Calculation Method，IEBFCM）。具體的計(jì)算過(guò)程如下：

1）采用改進(jìn)Tennant法對(duì)流域進(jìn)行劃分：枯水期、豐水期、平水期和生物產(chǎn)卵平水期；

2）將四個(gè)階段的總流量記為：Q1、Q2、Q3、Q4，日平均流量作為四個(gè)階段流量的元素，表達(dá)如式（9）所示：

其中：qi、qj、qk、ql分別為Q1、Q2、Q3、Q4日均徑流數(shù)據(jù)集的元素，a、b、c、d分別為Q1、Q2、Q3、Q4數(shù)據(jù)集的元素個(gè)數(shù)。

4）按式（11）計(jì)算各個(gè)數(shù)據(jù)集的累積頻率pi、pj、pk、pl；

5）按式（12）、（13）、（14）分別計(jì)算各個(gè)數(shù)據(jù)集的模比系數(shù)Ki、Kj、Kk、Kl，變差系數(shù)Cν1、Cν2、Cν3、Cν4，偏態(tài)系數(shù)Cs1、Cs2、Cs3、Cs4；

6）曲線偏態(tài)系數(shù)Cs與變差系數(shù)Cν的比值反映了流量數(shù)據(jù)集的數(shù)據(jù)變化情況，比值越小，說(shuō)明流量數(shù)據(jù)變化穩(wěn)定性越差；比值越大，則穩(wěn)定性越好。根據(jù)繪制的每條曲線的比值，前后各取一定保證率，保證率選取如式（15）所示，pm為保證率最小值，pn為保證率最大值；

7）按照式（16）、（17）計(jì)算各個(gè)數(shù)據(jù)集里保證率范圍內(nèi)流量數(shù)據(jù)的平均值

式中，qm1、qm2、qm3、qm4分別為Q1、Q2、Q3、Q4數(shù)據(jù)集里保證率為pm的流量值，qn1、qn2、qn3、qn4分別為Q1、Q2、Q3、Q4數(shù)據(jù)集里保證率為p n的流量值分別為Q1、Q2、Q3、Q4數(shù)據(jù)集里滿足pm到pn保證率范圍內(nèi)的元素的集合。

8）根據(jù)河流豐水期、產(chǎn)卵平水期、一般平水期和枯水期的特征，考慮生態(tài)因素，選取合適的百分比，并乘以步驟7）計(jì)算結(jié)果，獲得保證率范圍內(nèi)流量平均值百分比，就是改進(jìn)之后計(jì)算得到的生態(tài)流量，IEBFCM豐水期、產(chǎn)卵平水期、一般平水期和枯水期的Pearson III型流量頻率曲線如圖2所示。

圖2 Pearson III型IEBFCM各時(shí)期流量歷時(shí)曲線

（1）枯水期曲線偏態(tài)系數(shù)與變差系數(shù)比值為3.21，取8%～96%保證率之間日平均值，并取平均值的30%為生態(tài)基流，計(jì)算結(jié)果為4.75m3/s；

（2）產(chǎn)卵平水期曲線偏態(tài)系數(shù)與變差系數(shù)比值為1.79，取16%～92%保證率之間日平均值，并取平均值的50%為生態(tài)基流，計(jì)算結(jié)果為21.75m3/s；

（3）豐水期曲線偏態(tài)系數(shù)與變差系數(shù)比值為1.90，取16%～92%保證率之間日平均值，并取平均值的50%為生態(tài)基流，計(jì)算結(jié)果為43.41m3/s；

（4）一般平水期曲線偏態(tài)系數(shù)與變差系數(shù)比值為3.08，取8%～96%保證率之間日平均值，并取平均值的40%為生態(tài)基流，計(jì)算結(jié)果為12.16m3/s。

IEBFCM全面考慮了流域季節(jié)變化和水生物特征，保證流量滿足生態(tài)環(huán)境需求，具有直觀的可視化計(jì)算過(guò)程，且計(jì)算方法靈活，可以適應(yīng)該水電站下游生態(tài)基流隨流域環(huán)境變化等因素變化。

4 結(jié)果分析

通過(guò)分析得到傳統(tǒng)Tennant法、改進(jìn)Tennant法和IEBFCM在河流非汛期的生態(tài)基流較小，汛期的生態(tài)基流較大；月最小日平均徑流法和7Q10法生態(tài)流量隨著月份不同穩(wěn)步變化，計(jì)算結(jié)果在峰值處最大，生態(tài)流量是同期流量歷時(shí)曲線法的15倍；最小月平均徑流法和流量歷時(shí)曲線法對(duì)于河流的季節(jié)性變化沒(méi)有反應(yīng)。將改進(jìn)的生態(tài)流量計(jì)算方法和為改進(jìn)的方式通過(guò)數(shù)據(jù)計(jì)算得到結(jié)果對(duì)比，如圖3所示。

圖3 生態(tài)流量計(jì)算結(jié)果

5 結(jié)語(yǔ)

眾所周知，生態(tài)環(huán)境備受大眾的重視，所有生產(chǎn)制造都必須在保證流域生態(tài)環(huán)境的前提下進(jìn)行。由于水力發(fā)電的優(yōu)越性，在保證流域生態(tài)環(huán)境的前提下，完成利益最大化的生產(chǎn)，本文針對(duì)生態(tài)流量計(jì)算方法，將原有的生態(tài)流量方式進(jìn)行改進(jìn)，通過(guò)將幾種方式融合，嵌套運(yùn)用，完成基于多種方法融合的生態(tài)流量的計(jì)算方法（Improved Ecologi?cal Base Flow Calculation Method，IEBFCM），可以完成避免為改進(jìn)方法的不足之處，以黑河流域黃藏寺至鶯落峽的數(shù)據(jù)為載體，將算法運(yùn)用，得到比較理想的效果。