基于改進Tennant法的打魚凼水利工程生態流量計算與評價

畢仁芬

(貴州省興仁市水務局,貴州 興仁 562300)

0 引 言

水資源是人類生存與發展的重要基礎,而河流生態系統健康對水資源的可持續利用至關重要1]。水資源的日益緊張和河流生態環境的惡化,使生態流量計算評價成為現代水利工程面臨的挑戰[2]。生態流量的計算與評價作為關鍵一環,其目標是尋找一種既滿足水生生物生存需求,又能維持河道和底質生態平衡的生態流量[3]。打魚凼水利工程位于珠江流域,流域內水資源豐富,但分布不均,同時對生態流量的需求和保護壓力也日益增大[4]。對該區域的生態流量進行科學、合理的計算和評價,對于保護水資源、維護河流生態系統以及提高水資源利用效率具有重要意義[5]。

在傳統的生態流量計算與評價方法中,逐月最小生態流量法是常用方法,但其評估結果的準確性有限。因此,本次研究提出基于改進Tennant法的打魚凼水利工程生態流量計算與評價,通過該方法,更精確地計算和評價生態流量,以期滿足水電站的發電需求和水資源的最大利用。通過對打魚凼水利工程生態流量的計算與評價,為河流生態系統健康和水資源的可持續利用提供科學依據。該研究的創新性在于改進了Tennant法的評價體系,增加了對復雜水資源分布區域的適應性,對于認識和管理水資源、保護河流生態系統具有重要的理論和實踐價值。

1 基于改進Tennant法的打魚凼水利工程生態流量計算與評價研究

1.1 生態流量過程的常用計算方法

水資源的有效管理與保護離不開對生態流量的準確計算[5]。常見的生態流量計算方法有:①逐月最小生態流量法。該方法基于每月最小流量來確定生態流量,能夠保證在極端干旱情況下河流生態系統的存續。②年內展布法。該方法根據年內的流量情況進行計算,計算流量在一年中的變化情況,從而考慮了季節性差異。③NGPRP法。該方法基于自然流量年內分布特性來計算生態流量,考慮了河流的自然流量狀態,能夠較好地滿足河流生態系統的需求[6]。④逐月頻率法。該方法依據每月的流量頻率分布來計算生態流量,可以較好地反映出流量的波動性。⑤Tennant法。該方法是經典的生態流量計算方法,基于河流的自然流量與時間來確定生態流量。該方法假設在某一時間段內的平均流量,可以代表河流的生態流量。

Tennant法簡單易行,適用于缺乏詳細水文生態數據的地區。但Tennant法并未全面考慮其他影響生態流量的因素,如季節變化、生物需求等。根據年型的劃分,采用距平百分率法來確定,其計算公式如下:

Pi=(Qi-Qn)/Qn×100%

(1)

式中:Pi為年平均流量的距平百分率;Qi為第i年的年平均流量;Qn為多年平均流量。

Tennant法主要依據河流的自然流量和時間來確定生態流量,通常使用年平均流量的一定百分比作為生態流量[7]。基于Tennant法的生態流量評價標準見表1。

表1 Tennant法的生態流量評價標準

Tennant法的評價標準可以根據具體的環境和生態條件進行適當的調整,在實際應用中得到廣泛應用。但由于其未能全面考慮多元影響因素,因此在進行生態流量計算和評價時,仍需要結合其他方法或工具,以提高評價的準確性和全面性。Tennant法和其評價標準為水資源管理提供了重要參考,應用時需充分考慮具體的地理、氣候、生態等條件,以實現更加有效和可持續的水資源管理。

1.2 改進Tennant算法生態流量計算與評價模型的構建

Tennant算法是一種流行的生態流量計算方法,因其并未全面考慮季節性變化、生物需求等多元影響因素,因此在實際計算和評價時存在一定的局限性[8-9]。基于此,本次研究通過引入物元分析法來進一步優化Tennant算法。物元分析法是一種基于物元模型的多元分析方法,能有效處理各種復雜、多元的問題。物元分析法的核心是通過將待評價對象與一組已知的參考對象進行比較,從而對待評價對象的性質和狀態進行評價。

在生態流量計算和評價中,可以將待評價的河流與一組已知生態流量的河流進行比較,從而對待評價河流的生態流量進行計算和評價。首先,需要構建一個物元模型,該模型由多個物元組成,每個物元對應一個影響生態流量的因素,如季節變化、生物需求等。其次,可以根據已知參考河流的生態流量數據,對每個物元進行量化處理,得到每個物元的量化值。然后,通過計算待評價河流在每個物元上的相對接近度,來評價待評價河流的生態流量。

為了進一步提高生態流量的計算精度,基于結合Tennant算法和物元分析法,構建一個改進的生態流量計算與評價模型。Tennant法的EF標準分級數量較多,分級越細,實際的水庫調度難度越大。因此,基于Tennant法的等差數列分級思想,避免極端高、低流量事件的影響,各級EF的等差改進為10%。最小～最優EF下限值的分級數量計算公式如下:

(2)

式中:nij為第i水平年組第j月份的EF分級數;Round為四舍五入的函數。

河流生態需水量評估技術流程是一個系統過程,需要嚴謹的數據處理、精準的模型構建和計算、科學的結果分析和應用,以實現準確、有效的生態需水量評估[10-11]。河流生態需水量評估技術流程是一個復雜的過程,涵蓋多個步驟[12]。在評估過程中,需要結合地理、氣候、生態、水文等多元因素,以期更準確、全面地評估河流的生態需水量。河流生態需水量評估技術流程見圖1。

首先,基礎數據收集是收集相關的地理、氣候、生態、水文等數據,包括河流的地理位置、氣候條件、生態環境、歷史和現有的水文數據等[13-14]。對數據進行預處理是對收集到的數據進行清洗、格式化和整理,以便后續的分析和計算。預處理也包括對數據的初步分析,如識別和處理異常數據,分析數據的分布和趨勢等。其次,模型選擇和構建。根據收集到的數據和具體的評估目標,選擇合適的模型進行構建,模型構建的目標是能夠準確反映河流的生態需水量與各影響因素之間的關系。然后進行模型計算和優化,利用構建的模型,對收集到的數據進行計算,得到初步的生態需水量評估結果。根據結果的實際情況,對模型進行調整和優化,以提高評估的準確性。最后,進行結果分析和應用。對計算得到的生態需水量進行分析,包括對結果的解釋、對影響因素的分析等,并將評估結果應用到實際的水資源管理和保護中,制定合理的水資源利用策略、優化水資源配置。

基于Tennant算法的等差數列分級思想,確定各級EF標準,計算公式如下:

(3)

式中:Em為第m級EF,m=1,2,…,N;E1為MEF;EN為最優EF的下限值。

通過物元分析法,可以更全面地考慮影響生態流量的各種因素,從而更準確地計算和評價生態流量。此外,物元分析法還具有計算簡單、模型通用等優點,在生態流量計算和評價中具有廣泛的應用前景[15]。因此,通過將物元分析法與Tennant算法相結合,可以構建出一個既考慮了多元影響因素,又具有較高計算精度的生態流量計算與評價模型,對進行有效的水資源管理和保護具有重要意義。

2 基于改進Tennant法的打魚凼水利工程生態流量計算評價測試

本次研究的打魚凼水利工程位于貴州省黔西南布依族苗族自治州興仁市巴鈴鎮戰馬田村,是珠江流域西江水系北盤江右岸區域干流麻沙河一級支流的一項重要水利工程。打魚凼水庫總庫容6 060×104m3,壩高80.5m,壩址以上積水面積403km2。電站總裝機容量18 000kW(2×9 000kW),為引水式開發。電站設計水頭139.69m,設計流量為7.35m3/s。打魚凼電站位于興仁市巴鈴鎮戰馬田村,河流為麻沙河。該電站核定的生態流量為0.767m3/s。為了確保生態流量的泄放,該電站于2013年10月25日安裝了一扇3.0m×6.0m的泄流閘,安裝后的下泄能力滿足核定的生態流量要求。

為了實時監測生態流量,電站于2020年11月20日安裝配備了生態流量監測設備一套。監測設備包括FLDS-2000型超聲波明渠流量計一套、FV-200型流量控制終端及采集軟件一套、DS-2CD3T25F-I5S 4mm D型攝像頭一個等。該套設備安裝后,能夠滿足《貴州省小水電生態流量泄放及監測設施建設技術要求(試行)》的要求。

本次研究將依據以上設施和環境,采用改進Tennant法,對打魚凼電站的生態流量進行測算,以評估其對于維護河流生態系統的有效性。測得的最小生態流量過程耦合結果見圖2。

圖2 最小生態流量過程耦合

由圖2可知,在進行打魚凼水利項目的生態流量測算時,逐月最小生態流量法的評估效果很常規,而采用改進Tennant法的年度展布法和NGPRP法則獲得了較高的評價。其中,評估效果常規的生態流量占年均流量的12%～38%;被評為較好的生態流量則占年平均流量的20%～50%,確保河流生態系統的穩定性和生態平衡。

為了保持河道和底質的生態平衡,應保證生態流量不低于年平均流量的10%。因此,設定和保證適當的生態流量是至關重要的。生態流量滿足大部分水生生物的生存需求,并可以確保生態系統的穩定性。其適宜生態流量過程耦合結果見圖3。

圖3 適宜生態流量過程耦合

由圖3可知不同生態流量所占年平均流量的比例,被評為好的生態流量占年平均流量的30%～60%,而評級為很好的生態流量則占40%～80%。當生態流量占年平均流量的30%～60%時,河流生態系統的穩定性得到顯著提升;在生態流量占60%～100%時,被視為最適宜的生態流量,適宜的生態流量有助于保證河流生態系統的健康和穩定,不僅有助于維持生物多樣性,也有利于保護水源,從而對人類社會的可持續發展產生積極影響。不同方法的生態流量評價結果見表2。

表2 不同方法下生態流量評價結果

由表2可知,改進的Tennant法在各評價等級的綜合關聯度上表現最好,在差至最佳的評價等級中,Tennant法的關聯度分別為-0.433、-0.334、-0.011、-0.204和-0.422,整體評價結果為很好,優于其他4種方法。逐月最小生態流量法的評價結果為一般,其各評價等級的關聯度從差至最佳分別為-0.163、-0.026、-0.373、-0.455和-0.699。年內展布法和NGPRP法的評價結果均為較好,但二者在各評價等級的關聯度上存在差異。

由此可見,Tennant法在打魚凼水利工程的生態流量計算評價中表現最佳,具有更高的準確性和可靠性。其全年各級EF過程曲線見圖4。

圖4 全年的各級EF過程曲線

由圖4可知,多層次生境條件的改進Tennant法(MTMMHC)法測算的漢江EF揭示了其與水年類型的緊密關系。不同水年類型下的最小年均EF占年平均生態流量的比例差異顯著,而各級EF的梯度變化揭示了生態系統對水量需求的敏感性。各類型水年下的最小年均EF占年平均生態流量分別為56%、36%和20%。平水年各月的MEF變化在20%～55%范圍內;枯水年和平水年的各級年均EF占年平均生態流量分別在20%～38%和36%～71%之間。該方法可以更精確地量化不同水年和生態需求等級下的EF,能夠更精準地認識和管理水資源,以保護河流生態系統。

3 結 論

在水資源管理和河流生態保護中,生態流量計算與評價至關重要,且需滿足水生生物需求及河道、底質生態平衡。本文采用改進的Tennant法,對打魚凼水利工程的生態流量進行了計算與評價,相較于逐月最小生態流量法,其評估結果更準確,占年平均流量的20%～50%,可更精確量化不同水年與生態需求等級下的生態流量。研究表明,基于改進的Tennant法在打魚凼工程中得到了有效應用,可為水資源認識和管理提供參考。