水電站流域生態放流算法的優化?

駱東松 楊 浩

（蘭州理工大學電氣工程學院 蘭州 730050）

1 引言

在環境保護為前提的當下，國內許多的水電站由于建造時間比較早，都面臨著改善流域生態環境的問題，生態流量的計算，國內專家提出了以下幾種生態流量計算的方法。

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）流量歷時曲線法。

針對上述生態流量計算方法，結合黑河流域黃藏寺至鶯落峽段實際的情況，完成生態流量算法改進。

2 生態流量計算方法

2.1 傳統Tennant法和改進Tennant法

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

改進的Tennant法則是將傳統Tennant法的汛期和非汛期重新劃分，分別為枯水期、水生物產卵期、豐水期、平水期作為計算參數。傳統Tennant法和改進Tennant法分析黑河流域每個階段的流量，分析結果如表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，計算多年最小月平均流量的期望值，作為河流的生態流量。其計算公式如式（1）所示。

其中：Q為河流生態基流，單位m3/s；Qij為第i年第j月河流平均徑流，單位m3/s；n為水文資料數據的統計年數。

由式（1）算得到最小月平均徑流數值如表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，計算多年各月份最小日平均徑流的平均值，作為對應月份的生態基流。式（2）為月最小日平均徑流法計算公式。

其中：Qj為河流第j月份生態基流，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為水文資料數據的統計年數。由式（2）算得到最小月平均徑流數值如表3所示。

表3 月最小日平均徑流法各個月份的生態基流（m3/s）

2.4 7Q10法

7Q10方法就是選擇多年每個月連續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7天的最小流量的數據，求其平均值，將其排列，選擇數據中90%保證率的數值，通過計算得到12個月的數據如表4所示。

表4 7Q10法各月份生態基流（m3/s）

2.5 歷史流量曲線法

歷史流量曲線法將多年的數據采用數理統計分析處理，擬合一條函數曲線，在大體條件相似的情況下，用擬合的曲線的解析式對后續的流量進行估算，具體的計算如下。

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

2）計算平均流量qˉ：

3）計算累積頻率pi：

其中，pi為Q>qi的累積頻率；Q為所有流量數據；qi為第i個流量值；n為選取的數據總數。

4）計算模比系數Ki，變差系數Cν，偏態系數Cs。

5）查表獲取離均系數φp［3］，算每個累積頻率下φp對應的流量qp，如式（8）所示。

6）采用經驗適線法［4］，根據Cν、Cs的經驗值配線，Cs按照經驗一般選取2Cν、2.5Cν或3Cν［5］。

7）根據實際情況選擇某個累積頻率下的流量作為生態基流，累積頻率一般根據實際情況選擇90%或95%［6］。

流量數據的選取有多樣性，流量歷時曲線法可以計算多種條件的數據值，如年、季節、月、日、汛期、非汛期等尺度下的生態流量。

由資料中所有日均流量數據繪制Pearson III型多年日均流量歷時曲線，計算變差系數Cν為1.01，偏態系數Cs為1.90。Cν大于0.8，說明河道年徑流變化劇烈，這與該河道水源大部分來自降水情況吻合。取偏態系數為2Cν、2.5Cν進行配線，配線結果如圖1所示，2Cν擬合效果較好。根據曲線可知，累積頻率99%附近曲線發生突變且急劇下降，因此可以選取95%保證率下的流量為生態基流，生態基流值為10.26m3/s。

圖1 Pearson III型多年日均流量頻率曲線

3 改進生態流量的計算方法

通過前文對生態流量計算方法的介紹和數據驗證的結果，上述的生態流量計算方法都存在不足之處，其中Tennant方法是根據主觀經驗來確定生態流量的百分比，存在很大主觀性，不能靈活運用；最小月平均流量法在計算過程中只考慮流量最小的月份，在豐水期會造成一定的浪費；月最小日平均流量法在選取數據上缺乏長遠的預測，適用有限；7Q10法在月最小日平均徑流法的基礎上加入了平均值和90%保證率數據篩選方式，極大降低了偶然因素干擾，但是計算結果偏高；流量歷史曲線法需要有大量的數據和強大的數據處理能力做支撐，并要求一定的保證率的條件下，計算結果偏高。

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

1）采用改進Tennant法對流域進行劃分：枯水期、豐水期、平水期和生物產卵平水期；

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

其中：qi、qj、qk、ql分別為Q1、Q2、Q3、Q4日均徑流數據集的元素，a、b、c、d分別為Q1、Q2、Q3、Q4數據集的元素個數。

4）按式（11）計算各個數據集的累積頻率pi、pj、pk、pl；

5）按式（12）、（13）、（14）分別計算各個數據集的模比系數Ki、Kj、Kk、Kl，變差系數Cν1、Cν2、Cν3、Cν4，偏態系數Cs1、Cs2、Cs3、Cs4；

6）曲線偏態系數Cs與變差系數Cν的比值反映了流量數據集的數據變化情況，比值越小，說明流量數據變化穩定性越差；比值越大，則穩定性越好。根據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）計算各個數據集里保證率范圍內流量數據的平均值

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

8）根據河流豐水期、產卵平水期、一般平水期和枯水期的特征，考慮生態因素，選取合適的百分比，并乘以步驟7）計算結果，獲得保證率范圍內流量平均值百分比，就是改進之后計算得到的生態流量，IEBFCM豐水期、產卵平水期、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各時期流量歷時曲線

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

（2）產卵平水期曲線偏態系數與變差系數比值為1.79，取16%～92%保證率之間日平均值，并取平均值的50%為生態基流，計算結果為21.75m3/s；

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

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

IEBFCM全面考慮了流域季節變化和水生物特征，保證流量滿足生態環境需求，具有直觀的可視化計算過程，且計算方法靈活，可以適應該水電站下游生態基流隨流域環境變化等因素變化。

4 結果分析

通過分析得到傳統Tennant法、改進Tennant法和IEBFCM在河流非汛期的生態基流較小，汛期的生態基流較大；月最小日平均徑流法和7Q10法生態流量隨著月份不同穩步變化，計算結果在峰值處最大，生態流量是同期流量歷時曲線法的15倍；最小月平均徑流法和流量歷時曲線法對于河流的季節性變化沒有反應。將改進的生態流量計算方法和為改進的方式通過數據計算得到結果對比，如圖3所示。

圖3 生態流量計算結果

5 結語

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