骆东松 杨 浩

（兰州理工大学电气工程学院 兰州 730050）

1 引言

在环境保护为前提的当下，国内许多的水电站由于建造时间比较早，都面临着改善流域生态环境的问题，生态流量的计算，国内专家提出了以下几种生态流量计算的方法。

1）Tennant方法；

2）最小月平均径流法；

3）月最小日平均径流法；

4）7Q10方法；

5）流量历时曲线法。

针对上述生态流量计算方法，结合黑河流域黄藏寺至莺落峡段实际的情况，完成生态流量算法改进。

2 生态流量计算方法

2.1 传统Tennant法和改进Tennant法

传统Tennant方法通过计算河流多年汛期和非汛期流量作为参数，按照百分比，将流域流量状态分成：最大、最佳、极好、很好、好、一般、差、最差8种状态，正常按照多年流量均值的10%左右作为流域的最小生态流量，在水生物繁殖期取30%左右，作为流域最小生态流量［1］。

改进的Tennant法则是将传统Tennant法的汛期和非汛期重新划分，分别为枯水期、水生物产卵期、丰水期、平水期作为计算参数。传统Tennant法和改进Tennant法分析黑河流域每个阶段的流量，分析结果如表1所示。

2.2 最小月平均径流法

最小月平均径流是选择一年中月平均流量最小的值，计算多年最小月平均流量的期望值，作为河流的生态流量。其计算公式如式（1）所示。

其中：Q为河流生态基流，单位m3/s；Qij为第i年第j月河流平均径流，单位m3/s；n为水文资料数据的统计年数。

由式（1）算得到最小月平均径流数值如表2所示。

2.3 月最小日平均径流法

月最小日平均径流法是选取每年每月最小日平均径流值，计算多年各月份最小日平均径流的平均值，作为对应月份的生态基流。式（2）为月最小日平均径流法计算公式。

其中：Qj为河流第j月份生态基流，单位m3/s；Qijk为第i年第j月第k日，河流平均径流，单位m3/s；n为水文资料数据的统计年数。由式（2）算得到最小月平均径流数值如表3所示。

表3 月最小日平均径流法各个月份的生态基流（m3/s）

2.4 7Q10法

7Q10方法就是选择多年每个月连续7天的最小流量，并剔除其中10%的较小值。将每年相同月份的连续7天的最小流量的数据，求其平均值，将其排列，选择数据中90%保证率的数值，通过计算得到12个月的数据如表4所示。

表4 7Q10法各月份生态基流（m3/s）

2.5 历史流量曲线法

历史流量曲线法将多年的数据采用数理统计分析处理，拟合一条函数曲线，在大体条件相似的情况下，用拟合的曲线的解析式对后续的流量进行估算，具体的计算如下。

1）在大量的数据资料中选取多年径流数据中选取日均流量数据，记为Q，并按照从大到小顺序排列：Q={qi|qi

2）计算平均流量qˉ：

3）计算累积频率pi：

其中，pi为Q>qi的累积频率；Q为所有流量数据；qi为第i个流量值；n为选取的数据总数。

4）计算模比系数Ki，变差系数Cν，偏态系数Cs。

5）查表获取离均系数φp［3］，算每个累积频率下φp对应的流量qp，如式（8）所示。

6）采用经验适线法［4］，根据Cν、Cs的经验值配线，Cs按照经验一般选取2Cν、2.5Cν或3Cν［5］。

7）根据实际情况选择某个累积频率下的流量作为生态基流，累积频率一般根据实际情况选择90%或95%［6］。

流量数据的选取有多样性，流量历时曲线法可以计算多种条件的数据值，如年、季节、月、日、汛期、非汛期等尺度下的生态流量。

由资料中所有日均流量数据绘制Pearson III型多年日均流量历时曲线，计算变差系数Cν为1.01，偏态系数Cs为1.90。Cν大于0.8，说明河道年径流变化剧烈，这与该河道水源大部分来自降水情况吻合。取偏态系数为2Cν、2.5Cν进行配线，配线结果如图1所示，2Cν拟合效果较好。根据曲线可知，累积频率99%附近曲线发生突变且急剧下降，因此可以选取95%保证率下的流量为生态基流，生态基流值为10.26m3/s。

图1 Pearson III型多年日均流量频率曲线

3 改进生态流量的计算方法

通过前文对生态流量计算方法的介绍和数据验证的结果，上述的生态流量计算方法都存在不足之处，其中Tennant方法是根据主观经验来确定生态流量的百分比，存在很大主观性，不能灵活运用；最小月平均流量法在计算过程中只考虑流量最小的月份，在丰水期会造成一定的浪费；月最小日平均流量法在选取数据上缺乏长远的预测，适用有限；7Q10法在月最小日平均径流法的基础上加入了平均值和90%保证率数据筛选方式，极大降低了偶然因素干扰，但是计算结果偏高；流量历史曲线法需要有大量的数据和强大的数据处理能力做支撑，并要求一定的保证率的条件下，计算结果偏高。

针对上述方法的缺点，文章充分考虑流域气候条件、水生资源的特点等因素，提出基于多种方法融合的生态流量的计算方法（Improved Ecological Base Flow Calculation Method，IEBFCM）。具体的计算过程如下：

1）采用改进Tennant法对流域进行划分：枯水期、丰水期、平水期和生物产卵平水期；

2）将四个阶段的总流量记为：Q1、Q2、Q3、Q4，日平均流量作为四个阶段流量的元素，表达如式（9）所示：

其中：qi、qj、qk、ql分别为Q1、Q2、Q3、Q4日均径流数据集的元素，a、b、c、d分别为Q1、Q2、Q3、Q4数据集的元素个数。

4）按式（11）计算各个数据集的累积频率pi、pj、pk、pl；

5）按式（12）、（13）、（14）分别计算各个数据集的模比系数Ki、Kj、Kk、Kl，变差系数Cν1、Cν2、Cν3、Cν4，偏态系数Cs1、Cs2、Cs3、Cs4；

6）曲线偏态系数Cs与变差系数Cν的比值反映了流量数据集的数据变化情况，比值越小，说明流量数据变化稳定性越差；比值越大，则稳定性越好。根据绘制的每条曲线的比值，前后各取一定保证率，保证率选取如式（15）所示，pm为保证率最小值，pn为保证率最大值；

7）按照式（16）、（17）计算各个数据集里保证率范围内流量数据的平均值

式中，qm1、qm2、qm3、qm4分别为Q1、Q2、Q3、Q4数据集里保证率为pm的流量值，qn1、qn2、qn3、qn4分别为Q1、Q2、Q3、Q4数据集里保证率为p n的流量值分别为Q1、Q2、Q3、Q4数据集里满足pm到pn保证率范围内的元素的集合。

8）根据河流丰水期、产卵平水期、一般平水期和枯水期的特征，考虑生态因素，选取合适的百分比，并乘以步骤7）计算结果，获得保证率范围内流量平均值百分比，就是改进之后计算得到的生态流量，IEBFCM丰水期、产卵平水期、一般平水期和枯水期的Pearson III型流量频率曲线如图2所示。

图2 Pearson III型IEBFCM各时期流量历时曲线

（1）枯水期曲线偏态系数与变差系数比值为3.21，取8%～96%保证率之间日平均值，并取平均值的30%为生态基流，计算结果为4.75m3/s；

（2）产卵平水期曲线偏态系数与变差系数比值为1.79，取16%～92%保证率之间日平均值，并取平均值的50%为生态基流，计算结果为21.75m3/s；

（3）丰水期曲线偏态系数与变差系数比值为1.90，取16%～92%保证率之间日平均值，并取平均值的50%为生态基流，计算结果为43.41m3/s；

（4）一般平水期曲线偏态系数与变差系数比值为3.08，取8%～96%保证率之间日平均值，并取平均值的40%为生态基流，计算结果为12.16m3/s。

IEBFCM全面考虑了流域季节变化和水生物特征，保证流量满足生态环境需求，具有直观的可视化计算过程，且计算方法灵活，可以适应该水电站下游生态基流随流域环境变化等因素变化。

4 结果分析

通过分析得到传统Tennant法、改进Tennant法和IEBFCM在河流非汛期的生态基流较小，汛期的生态基流较大；月最小日平均径流法和7Q10法生态流量随着月份不同稳步变化，计算结果在峰值处最大，生态流量是同期流量历时曲线法的15倍；最小月平均径流法和流量历时曲线法对于河流的季节性变化没有反应。将改进的生态流量计算方法和为改进的方式通过数据计算得到结果对比，如图3所示。

图3 生态流量计算结果

5 结语

众所周知，生态环境备受大众的重视，所有生产制造都必须在保证流域生态环境的前提下进行。由于水力发电的优越性，在保证流域生态环境的前提下，完成利益最大化的生产，本文针对生态流量计算方法，将原有的生态流量方式进行改进，通过将几种方式融合，嵌套运用，完成基于多种方法融合的生态流量的计算方法（Improved Ecologi⁃cal Base Flow Calculation Method，IEBFCM），可以完成避免为改进方法的不足之处，以黑河流域黄藏寺至莺落峡的数据为载体，将算法运用，得到比较理想的效果。