基于改进Tennant法的打鱼凼水利工程生态流量计算与评价

毕仁芬

(贵州省兴仁市水务局,贵州 兴仁 562300)

0 引 言

水资源是人类生存与发展的重要基础,而河流生态系统健康对水资源的可持续利用至关重要1]。水资源的日益紧张和河流生态环境的恶化,使生态流量计算评价成为现代水利工程面临的挑战[2]。生态流量的计算与评价作为关键一环,其目标是寻找一种既满足水生生物生存需求,又能维持河道和底质生态平衡的生态流量[3]。打鱼凼水利工程位于珠江流域,流域内水资源丰富,但分布不均,同时对生态流量的需求和保护压力也日益增大[4]。对该区域的生态流量进行科学、合理的计算和评价,对于保护水资源、维护河流生态系统以及提高水资源利用效率具有重要意义[5]。

在传统的生态流量计算与评价方法中,逐月最小生态流量法是常用方法,但其评估结果的准确性有限。因此,本次研究提出基于改进Tennant法的打鱼凼水利工程生态流量计算与评价,通过该方法,更精确地计算和评价生态流量,以期满足水电站的发电需求和水资源的最大利用。通过对打鱼凼水利工程生态流量的计算与评价,为河流生态系统健康和水资源的可持续利用提供科学依据。该研究的创新性在于改进了Tennant法的评价体系,增加了对复杂水资源分布区域的适应性,对于认识和管理水资源、保护河流生态系统具有重要的理论和实践价值。

1 基于改进Tennant法的打鱼凼水利工程生态流量计算与评价研究

1.1 生态流量过程的常用计算方法

水资源的有效管理与保护离不开对生态流量的准确计算[5]。常见的生态流量计算方法有:①逐月最小生态流量法。该方法基于每月最小流量来确定生态流量,能够保证在极端干旱情况下河流生态系统的存续。②年内展布法。该方法根据年内的流量情况进行计算,计算流量在一年中的变化情况,从而考虑了季节性差异。③NGPRP法。该方法基于自然流量年内分布特性来计算生态流量,考虑了河流的自然流量状态,能够较好地满足河流生态系统的需求[6]。④逐月频率法。该方法依据每月的流量频率分布来计算生态流量,可以较好地反映出流量的波动性。⑤Tennant法。该方法是经典的生态流量计算方法,基于河流的自然流量与时间来确定生态流量。该方法假设在某一时间段内的平均流量,可以代表河流的生态流量。

Tennant法简单易行,适用于缺乏详细水文生态数据的地区。但Tennant法并未全面考虑其他影响生态流量的因素,如季节变化、生物需求等。根据年型的划分,采用距平百分率法来确定,其计算公式如下:

Pi=(Qi-Qn)/Qn×100%

(1)

式中:Pi为年平均流量的距平百分率;Qi为第i年的年平均流量;Qn为多年平均流量。

Tennant法主要依据河流的自然流量和时间来确定生态流量,通常使用年平均流量的一定百分比作为生态流量[7]。基于Tennant法的生态流量评价标准见表1。

表1 Tennant法的生态流量评价标准

Tennant法的评价标准可以根据具体的环境和生态条件进行适当的调整,在实际应用中得到广泛应用。但由于其未能全面考虑多元影响因素,因此在进行生态流量计算和评价时,仍需要结合其他方法或工具,以提高评价的准确性和全面性。Tennant法和其评价标准为水资源管理提供了重要参考,应用时需充分考虑具体的地理、气候、生态等条件,以实现更加有效和可持续的水资源管理。

1.2 改进Tennant算法生态流量计算与评价模型的构建

Tennant算法是一种流行的生态流量计算方法,因其并未全面考虑季节性变化、生物需求等多元影响因素,因此在实际计算和评价时存在一定的局限性[8-9]。基于此,本次研究通过引入物元分析法来进一步优化Tennant算法。物元分析法是一种基于物元模型的多元分析方法,能有效处理各种复杂、多元的问题。物元分析法的核心是通过将待评价对象与一组已知的参考对象进行比较,从而对待评价对象的性质和状态进行评价。

在生态流量计算和评价中,可以将待评价的河流与一组已知生态流量的河流进行比较,从而对待评价河流的生态流量进行计算和评价。首先,需要构建一个物元模型,该模型由多个物元组成,每个物元对应一个影响生态流量的因素,如季节变化、生物需求等。其次,可以根据已知参考河流的生态流量数据,对每个物元进行量化处理,得到每个物元的量化值。然后,通过计算待评价河流在每个物元上的相对接近度,来评价待评价河流的生态流量。

为了进一步提高生态流量的计算精度,基于结合Tennant算法和物元分析法,构建一个改进的生态流量计算与评价模型。Tennant法的EF标准分级数量较多,分级越细,实际的水库调度难度越大。因此,基于Tennant法的等差数列分级思想,避免极端高、低流量事件的影响,各级EF的等差改进为10%。最小～最优EF下限值的分级数量计算公式如下:

(2)

式中:nij为第i水平年组第j月份的EF分级数;Round为四舍五入的函数。

河流生态需水量评估技术流程是一个系统过程,需要严谨的数据处理、精准的模型构建和计算、科学的结果分析和应用,以实现准确、有效的生态需水量评估[10-11]。河流生态需水量评估技术流程是一个复杂的过程,涵盖多个步骤[12]。在评估过程中,需要结合地理、气候、生态、水文等多元因素,以期更准确、全面地评估河流的生态需水量。河流生态需水量评估技术流程见图1。

首先,基础数据收集是收集相关的地理、气候、生态、水文等数据,包括河流的地理位置、气候条件、生态环境、历史和现有的水文数据等[13-14]。对数据进行预处理是对收集到的数据进行清洗、格式化和整理,以便后续的分析和计算。预处理也包括对数据的初步分析,如识别和处理异常数据,分析数据的分布和趋势等。其次,模型选择和构建。根据收集到的数据和具体的评估目标,选择合适的模型进行构建,模型构建的目标是能够准确反映河流的生态需水量与各影响因素之间的关系。然后进行模型计算和优化,利用构建的模型,对收集到的数据进行计算,得到初步的生态需水量评估结果。根据结果的实际情况,对模型进行调整和优化,以提高评估的准确性。最后,进行结果分析和应用。对计算得到的生态需水量进行分析,包括对结果的解释、对影响因素的分析等,并将评估结果应用到实际的水资源管理和保护中,制定合理的水资源利用策略、优化水资源配置。

基于Tennant算法的等差数列分级思想,确定各级EF标准,计算公式如下:

(3)

式中:Em为第m级EF,m=1,2,…,N;E1为MEF;EN为最优EF的下限值。

通过物元分析法,可以更全面地考虑影响生态流量的各种因素,从而更准确地计算和评价生态流量。此外,物元分析法还具有计算简单、模型通用等优点,在生态流量计算和评价中具有广泛的应用前景[15]。因此,通过将物元分析法与Tennant算法相结合,可以构建出一个既考虑了多元影响因素,又具有较高计算精度的生态流量计算与评价模型,对进行有效的水资源管理和保护具有重要意义。

2 基于改进Tennant法的打鱼凼水利工程生态流量计算评价测试

本次研究的打鱼凼水利工程位于贵州省黔西南布依族苗族自治州兴仁市巴铃镇战马田村,是珠江流域西江水系北盘江右岸区域干流麻沙河一级支流的一项重要水利工程。打鱼凼水库总库容6 060×104m3,坝高80.5m,坝址以上积水面积403km2。电站总装机容量18 000kW(2×9 000kW),为引水式开发。电站设计水头139.69m,设计流量为7.35m3/s。打鱼凼电站位于兴仁市巴铃镇战马田村,河流为麻沙河。该电站核定的生态流量为0.767m3/s。为了确保生态流量的泄放,该电站于2013年10月25日安装了一扇3.0m×6.0m的泄流闸,安装后的下泄能力满足核定的生态流量要求。

为了实时监测生态流量,电站于2020年11月20日安装配备了生态流量监测设备一套。监测设备包括FLDS-2000型超声波明渠流量计一套、FV-200型流量控制终端及采集软件一套、DS-2CD3T25F-I5S 4mm D型摄像头一个等。该套设备安装后,能够满足《贵州省小水电生态流量泄放及监测设施建设技术要求(试行)》的要求。

本次研究将依据以上设施和环境,采用改进Tennant法,对打鱼凼电站的生态流量进行测算,以评估其对于维护河流生态系统的有效性。测得的最小生态流量过程耦合结果见图2。

图2 最小生态流量过程耦合

由图2可知,在进行打鱼凼水利项目的生态流量测算时,逐月最小生态流量法的评估效果很常规,而采用改进Tennant法的年度展布法和NGPRP法则获得了较高的评价。其中,评估效果常规的生态流量占年均流量的12%～38%;被评为较好的生态流量则占年平均流量的20%～50%,确保河流生态系统的稳定性和生态平衡。

为了保持河道和底质的生态平衡,应保证生态流量不低于年平均流量的10%。因此,设定和保证适当的生态流量是至关重要的。生态流量满足大部分水生生物的生存需求,并可以确保生态系统的稳定性。其适宜生态流量过程耦合结果见图3。

图3 适宜生态流量过程耦合

由图3可知不同生态流量所占年平均流量的比例,被评为好的生态流量占年平均流量的30%～60%,而评级为很好的生态流量则占40%～80%。当生态流量占年平均流量的30%～60%时,河流生态系统的稳定性得到显著提升;在生态流量占60%～100%时,被视为最适宜的生态流量,适宜的生态流量有助于保证河流生态系统的健康和稳定,不仅有助于维持生物多样性,也有利于保护水源,从而对人类社会的可持续发展产生积极影响。不同方法的生态流量评价结果见表2。

表2 不同方法下生态流量评价结果

由表2可知,改进的Tennant法在各评价等级的综合关联度上表现最好,在差至最佳的评价等级中,Tennant法的关联度分别为-0.433、-0.334、-0.011、-0.204和-0.422,整体评价结果为很好,优于其他4种方法。逐月最小生态流量法的评价结果为一般,其各评价等级的关联度从差至最佳分别为-0.163、-0.026、-0.373、-0.455和-0.699。年内展布法和NGPRP法的评价结果均为较好,但二者在各评价等级的关联度上存在差异。

由此可见,Tennant法在打鱼凼水利工程的生态流量计算评价中表现最佳,具有更高的准确性和可靠性。其全年各级EF过程曲线见图4。

图4 全年的各级EF过程曲线

由图4可知,多层次生境条件的改进Tennant法(MTMMHC)法测算的汉江EF揭示了其与水年类型的紧密关系。不同水年类型下的最小年均EF占年平均生态流量的比例差异显著,而各级EF的梯度变化揭示了生态系统对水量需求的敏感性。各类型水年下的最小年均EF占年平均生态流量分别为56%、36%和20%。平水年各月的MEF变化在20%～55%范围内;枯水年和平水年的各级年均EF占年平均生态流量分别在20%～38%和36%～71%之间。该方法可以更精确地量化不同水年和生态需求等级下的EF,能够更精准地认识和管理水资源,以保护河流生态系统。

3 结 论

在水资源管理和河流生态保护中,生态流量计算与评价至关重要,且需满足水生生物需求及河道、底质生态平衡。本文采用改进的Tennant法,对打鱼凼水利工程的生态流量进行了计算与评价,相较于逐月最小生态流量法,其评估结果更准确,占年平均流量的20%～50%,可更精确量化不同水年与生态需求等级下的生态流量。研究表明,基于改进的Tennant法在打鱼凼工程中得到了有效应用,可为水资源认识和管理提供参考。