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        水電站流域生態(tài)放流算法的優(yōu)化?

        2021-11-08 06:17:50駱東松
        計算機(jī)與數(shù)字工程 2021年10期
        關(guān)鍵詞:偏態(tài)基流保證率

        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,國內(nèi)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(tài)環(huán)境的問題,生態(tài)流量的計算,國內(nèi)專家提出了以下幾種生態(tài)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(tài)流量計算方法,結(jié)合黑河流域黃藏寺至鶯落峽段實際的情況,完成生態(tài)流量算法改進(jìn)。

        2 生態(tài)流量計算方法

        2.1 傳統(tǒng)Tennant法和改進(jìn)Tennant法

        傳統(tǒng)Tennant方法通過計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、平水期作為計算參數(shù)。傳統(tǒng)Tennant法和改進(jìn)Tennant法分析黑河流域每個階段的流量,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,計算多年各月份最小日平均徑流的平均值,作為對應(yīng)月份的生態(tài)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(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,通過計算得到12個月的數(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后續(xù)的流量進(jìn)行估算,具體的計算如下。

        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(shù)據(jù);qi為第i個流量值;n為選取的數(shù)據(jù)總數(shù)。

        4)計算模比系數(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],算每個累積頻率下φp對應(yīng)的流量qp,如式(8)所示。

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

        7)根據(jù)實際情況選擇某個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,流量歷時曲線法可以計算多種條件的數(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曲線,計算變差系數(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(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)流量的計算方法

        通過前文對生態(tài)流量計算方法的介紹和數(shù)據(jù)驗證的結(jié)果,上述的生態(tài)流量計算方法都存在不足之處,其中Tennant方法是根據(jù)主觀經(jīng)驗來確定生態(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(fèi);月最小日平均流量法在選取數(shù)據(jù)上缺乏長遠(yuǎn)的預(yù)測,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,計算結(jié)果偏高。

        針對上述方法的缺點(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)流量的計算方法(Improved Ecological Base Flow Calculation Method,IEBFCM)。具體的計算過程如下:

        1)采用改進(jìn)Tennant法對流域進(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(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)集的元素個數(shù)。

        4)按式(11)計算各個數(shù)據(jù)集的累積頻率pi、pj、pk、pl;

        5)按式(12)、(13)、(14)分別計算各個數(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)計算各個數(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各時期流量歷時曲線

        (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算過程,且計算方法靈活,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,計算結(jié)果在峰值處最大,生態(tài)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(jié)性變化沒有反應(yīng)。將改進(jìn)的生態(tài)流量計算方法和為改進(jìn)的方式通過數(shù)據(jù)計算得到結(jié)果對比,如圖3所示。

        圖3 生態(tài)流量計算結(jié)果

        5 結(jié)語

        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),本文針對生態(tài)流量計算方法,將原有的生態(tài)流量方式進(jìn)行改進(jìn),通過將幾種方式融合,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。

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