小水電最低生態流量泄放策略分析研究

曹毛如

(江西省新干縣水利局，江西 新干 331300)

小水電資源是一種難得的綠色可再生能源，其規模比較小，工程相對簡單，方便原地取材，實現工期短，隱患低，收效快。小水電既是山區能源的重成部分，亦是國家大電網必要的結構補充部分。國家通過推行國家優惠扶持，縣域實體自建、自用、自管的開發應用政策，使許多大電網所難于抵達的偏遠山區通過開發小水電解決了區域三農用電難題。不少山區貧困縣還把發展小水電作為扶貧增收的項目措施，既開發小水電資源，亦給投資人帶觀的經濟效益回報。但是在一個時期中，個別地方在小水電開發應用中，出現過度重視經濟效益，忽視環保維護的偏差。在某些上游來流量比較小的區段或時間段，來流幾乎全部用來發電或全部存儲于水庫，直接導致了相關河道發生減水或脫斷流。泄放流量失衡，破壞最基本的自然徑流狀態，一定程度導致區域生態平衡受損，危害區域三農發展利益，引起大眾廣泛關注。為此國家適時提出了小水電綠色開發策略，強調將生態協調理念融入到小水電開發、建設與運營管理過程中，努力實現小水電經濟合理、環境友好、科學開發和可持續利用目標。本研究專題探討小水電最低生態流量曲線繪制及生態流量泄放管理策略問題，以為小水電生態流量科學排放提供研究和技術參考。

1 最低生態流量曲線與參數取值原則

1.1 最低生態流量曲線

河流與環境處于一個互相影響、互相適應的過程，經過一個歷史時期的適應，流域生態環境系統達成匹配、契合和相對平衡，河水歷史徑流的自然狀態，是流域生態環境系統契合平衡的結果。一個流域自然生態系統中，水體、生物以及其他環境要素之間，通過物質循環、能量流動以及信息傳導等一系列復雜過程，相互間達成平衡適應狀態，系統中各構成成分間形成特定比例關系，相關結構及功能關系均處在相對穩定狀態。其穩定一般表現在兩個方面：一為非生物環境相對穩定，二為生物構成及數量比例的相對穩定。流域非生物環境主要是河道、水體、沙泥等，流域生物主要是魚類、水生或近岸動植物。水生動物尤其是一些魚類，其繁殖產卵期很多開始在汛期，豐沛的水量為它們產卵繁殖提供環境條件，而如果水電泄放流量破壞了徑流原本狀態，則至少會在一個時期和一定范圍內打破流域原本生態平衡，使包括魚類在內的流域水生動植物的生存面臨考驗。

徑流有明顯的動態屬性，其流量隨季節消長變化，在相互平衡的流域環境中，這也意味流域所需要的生態環保流量在不同的季節、環境或時間段有所不同。其主要影響因素為：(1)河流的來流。通過搜集歷史數據和計算，可以獲得代表河流徑流狀態的基于特定時間周期的流量曲線。(2)小水電生態環保流量排放。需要在發電效益和環保效益間尋求最大管理和經營平衡，保證泄放流量滿足最低生態環保流量需求，尤其應盡可能保證脫減水河段的生態環保流量狀態，按生態環保流量曲線泄放，讓脫減水河段的泄放徑流狀態盡可能匹配相似于河道原先的自然徑流狀態。

1.2 最低生態流量曲線取值原則

最低生態環保流量曲線應綜合參考自然來流狀態Tennant法計算結果、7Q10法計算結果、最低連續30日均流量法結果以及多年的年均流量狀態給予綜合編制。本研究主張以自然來流狀態的多年均每日流量，以Tennant法7Q10法和最低連續30日流量均值法三種計算結果的均值作為最低值，以一個長時期的年流量均值作為最大值，來編制形成流域最低生態泄放流量曲線。

(1)自然來流狀態：依據歷史來流資料，依據每日多年均流量狀態，擬合出基于多年水文記錄的日均流量曲線，這樣的曲線才能更契合河道自然徑流狀態。

(2)Tennant法計算：按多年年均流量的10%，計算獲得最低生態環保流量。

(3)7Q10法計算：以90%保證率，釆用連續7日最低日平均水量，得出最低生態最低流量。

(4)最低連續30日流量均值計算：以90%保證率，對最低連續30日均流量給予計算，獲得最低生態環保流量。

(5)多年均流量：將多年均流量作為最低生態環保流量的最大值，依據Tennant法，最優流量為多年均流量的100%，將其定義為多年均每日流量的最大日流量。

如此取值，最低值既能夠盡可能降低誤差，又不乏代表性。多年均流量作為最大值，也利于拉高最低生態環保流量泄放標準。

2 最低生態環保流量曲線數理模型

2.1 常規來流日均曲線繪制

首先，搜集小水電的歷史每日來流數據參數，分別計算所選擇徑流時段的歷史平均日流量，繪制行成來流日均曲線。來流日均曲線能較好匹配和適應河道自然來流的整體趨勢狀態，其計算公式：

(1)

式中：Qi系為第i年某日的日均流量，i=1,2,3,......364,365；n系為來流歷史總計年數，n為般大于等于20 a；Qn系為n年中日均流量。某小水電的歷史來流日均曲線見圖1。

圖1 來流日均水量時程曲線

2.2 計算最低生態流量最大值及最低值

Tennant法7Q10法以及最低連續30日流量均值法，計算相應最低生態環保流量，并將三者的均值作為最低生態環保流量的最低值需求。此處需要參考三者均值及實際自然來流的大小關系，故分2種狀態。

Qmin=Qn

(2)

(3)

式中：Qmin系為最低生態環保流量的最低值；Qn系為基于n年統計的日均流量；Q1系為Tennant法計算的最低生態環保流量值；Q2系為7Q10法計算的最低生態環保流量值；Q3系為最低連續30日流量均值法計算的最低生態環保流量值。

在式(2)中，當來流高出最低生態環保流量標準時，以最低生態環保流量作為約束值?當來流低于最低生態環保流量標準時，以現實來流作為最低生態環保流量值，意味來多少水就排放多少。

然后，取符合Tennant法中的100%多年年均流量作為最優流量，即作為最低生態環保流量的最大值。

Qmax=Q平

(4)

式中：Q平系為最低生態環保流量的最大值。

2.3 計算并擬合最低生態環保流量曲線

綜合最低生態環保流量曲線應綜合參考自然來流狀態，Tennant法7Q10法、最低連續30日流量均值法結果和多年均流量，能夠初步推導最低生態環保流量曲線。這里暫按Qn≥(Q1+Q2+Q3)狀態開展推導。

圖2 三種計算結果及最低值比較

圖3 來流日均及生態環保流量最大和最低值

依據最低生態環保流量的需求和前述參數取值原則，擬合最低生態環保流量曲線須符合3點需求。

(1)多年日均最大流量，應符合最低生態環保流量的Qmax水平；

(2)多年日均最低流量，應符合最低生態環保流量達Qmin水平；

(3)最低生態環保流量，應擬合為趨勢曲線。

前兩點對最低生態環保流量的上下限實現計算。下限取三種計算均值則更有代表性，誤差亦相對較小。上限取Tennant法的100%多年年均流量。

圖4 最低生態環保流量曲線的獲得過程

見圖4具體所示，已經知多年年均每日來流Q來以及Qmax及Qmin，解析X日的最低生態環保流量Q生。將X日多年均每日來流Q來跟日均的最低值Q來min的差值，除以來流日均Q來max跟來流日均Q來min的差值，結果為K1。同理將X日最低生態環保流量Q生跟Qmin的差值，除以Qmax跟Q來min的差值，結果為K2。即：

(5)

(6)

式中：Q來系為某日的多年均流量；Q來max系為多年均每日流量的最大值；Q來min系為多年均每日流量的最低值。Q生系為某日的最低生態環保流量；Qmax系為最低生態環保流量的最大值，即是100%多年均流量；Qmin系為最低生態環保流量的最低值。

要保證最低生態環保流量相匹配于原先河道自然徑流狀態，盡可能模擬出原自然河道的來流過程，此處須符合：

K1=K2

(7)

即可推算出：

(8)

將逐一計算出Q生的值后擬合成生態環保排放參考曲線，跟自然來流日均曲線進行比較，二者的趨勢狀態基本一致，見圖5所示。

圖5 最低生態環保流量曲線

如果Qn<(Q1+Q2+Q3)時，意味單日來流全部泄放，亦不能符合最低生態環保流量最低值需求，原則上應該來水多少即放水多少。季節性河流易于發生這種情況，甚至出現枯水期。

圖6 最低生態環保流量曲線計算過程示意圖

圖7 最低生態環保流量曲線

在Qn<(Q1+Q2+Q3)狀態下，最低生態環保流量應分兩種情況給予分析。

如果Q生

Q生=Q來

(9)

如果Q生≥Qmin條件時：

(10)

計算出Q生值后，擬合成相應的曲線跟自然來流日均曲線比較，二者的趨勢狀態基本一致，具體見圖7所示。來流不能符合最低生態環保流量最低值的區間被區分開來，適應來水多少排放多少的生態環保流量保障需求。

3 小水電生態環保流量泄放管理策略

3.1 最低生態環保流量曲線泄放

綜合參考河道歷史來流數據參數，使得最低生態環保流量的分布近似匹配于河道自然來流分布狀態。依照最低生態環保流量曲線所指示的需求排放值，開展生態環保流量泄放，盡量使泄放量符合流域原本自然狀態，以保證維持河道的連通性、延續性以及常規水文條件，使泄放符合于保持流域生態的最基本要求量。

擯棄原本的最低生態環保流量固定值的概念，最低生態環保流量與河流自然水流一樣，應當是一個動態的過程,借助最低生態環保流量曲線模型的方法，在計算生態環保流量時，應充分參考歷史每日來流數據參數等相關要素，綜合參考每日多年均流量曲線、最低生態環保流量極大值及最低值等要素，計算擬合成一條總體趨勢狀態與河道自然來流趨勢近似，但是又能體現最低生態環保流量特點的日排放流量曲線。

3.2 最低生態流量專業設備監測

在電力經濟利益目前，生態流量泄放保障一定程度居于劣勢地位，強化技術設備監督是克服人為隨意性干擾的監管手段。專業設備監管可隨機適時的對泄放數據參數給予抽查和分析，會使生態流量泄放監管執行起來相對更有剛性約束和保障。

3.2.1 常規檢測技術方面

1)常規流動速度儀法，在檢測區域裝配如水位計、電子水尺、流動速度儀等水位、流速自動檢測裝備，用常規流動速度儀法測流，頻率監測區域水位、流速與流量關系，客觀不可更易地記錄相關水文數據。

2)超聲多普勒測流，將該設備固定配置于河底、水面或者其他某一技術區域，檢測流量和速度。

3)電磁流量計，該設備勝任在滿管過流的區域工作，可直接、客觀檢測泄放流量。

4)雷達實時測流系統，布設一個或者多個雷達流動速度儀探頭，檢測目標區域流動情況，實時檢測流水表面流動速度。

3.2.2 改進數據傳輸新技術方面

1)GPRS/4G無線通信，釆用GPRS或者4G裝備將數據傳輸到遠程管理服務器，此技術適合無法布線或監測點較遠區域配置使用。

2)有線光纖傳輸設備，此技術適合可以方便布線或監測點較近區域配置使用，監測點附近存在網絡，更適于參考選用這種監測數據傳輸方式。

3)北斗通信，選用北斗短報文開展通信，終端遙測設備采集數據，借助北斗短信發送到接收機，此適合在無網絡信號的監測區域配置使用。

3.3 最低生態環保流量管理措施

要強化小水電所在流域的水資源科學論證，保證小水電最低泄放流量符合下游流域最基本的生態流量需求；要強化小水電最低泄放流量的監管工作，完善最低泄放流量監控設施，強化河道巡查；要監督檢查有關泄放流量裝備的運行維護和最低泄放流量的執行情況。

要依據小水電實際狀態，以小水電保證最低泄放流量為原則，完善訂立小水電調度運行方案。對于流域內存在多座小水電情況，應實行統一調度，結合各水庫的控流功能，實現水資源統籌調配、系統管理，科學利用庫容，協同保障泄流符合最低泄放流量需求。

要強化與電力部門協調，在枯水季節合理調度發電運行，適度削減小水電參與電網調峰機動任務，小水電調度運行要依據河流自然來流量泄放流量，保證符合最低泄放流量的需要，避免人為管理失誤，破壞區域水環境狀態。

4 結語

出于助力小水電開發和保障小水電最低生態環保流量泄放管理操作的目的，本研究系統探討了小水電最低生態環保流量曲線的繪制實現過程與技術，并給出小水電生態環保流量的泄放管理保障策略。重點主張擯棄原本的最低生態環保流量固定值的概念，主張基于最低生態流量曲線實施泄放調流；闡述了最低生態流量曲線的繪制過程和技術，給出保證基于最低生態流量曲線實施泄放的建議，實現泄放流域生態流與原自然流等同或狀態最大程度接近，以實現小水電生態排放管理目標。