小水電最低生態(tài)流量泄放策略分析研究

曹毛如

(江西省新干縣水利局，江西 新干 331300)

小水電資源是一種難得的綠色可再生能源，其規(guī)模比較小，工程相對(duì)簡(jiǎn)單，方便原地取材，實(shí)現(xiàn)工期短，隱患低，收效快。小水電既是山區(qū)能源的重成部分，亦是國(guó)家大電網(wǎng)必要的結(jié)構(gòu)補(bǔ)充部分。國(guó)家通過(guò)推行國(guó)家優(yōu)惠扶持，縣域?qū)嶓w自建、自用、自管的開(kāi)發(fā)應(yīng)用政策，使許多大電網(wǎng)所難于抵達(dá)的偏遠(yuǎn)山區(qū)通過(guò)開(kāi)發(fā)小水電解決了區(qū)域三農(nóng)用電難題。不少山區(qū)貧困縣還把發(fā)展小水電作為扶貧增收的項(xiàng)目措施，既開(kāi)發(fā)小水電資源，亦給投資人帶觀的經(jīng)濟(jì)效益回報(bào)。但是在一個(gè)時(shí)期中，個(gè)別地方在小水電開(kāi)發(fā)應(yīng)用中，出現(xiàn)過(guò)度重視經(jīng)濟(jì)效益，忽視環(huán)保維護(hù)的偏差。在某些上游來(lái)流量比較小的區(qū)段或時(shí)間段，來(lái)流幾乎全部用來(lái)發(fā)電或全部存儲(chǔ)于水庫(kù)，直接導(dǎo)致了相關(guān)河道發(fā)生減水或脫斷流。泄放流量失衡，破壞最基本的自然徑流狀態(tài)，一定程度導(dǎo)致區(qū)域生態(tài)平衡受損，危害區(qū)域三農(nóng)發(fā)展利益，引起大眾廣泛關(guān)注。為此國(guó)家適時(shí)提出了小水電綠色開(kāi)發(fā)策略，強(qiáng)調(diào)將生態(tài)協(xié)調(diào)理念融入到小水電開(kāi)發(fā)、建設(shè)與運(yùn)營(yíng)管理過(guò)程中，努力實(shí)現(xiàn)小水電經(jīng)濟(jì)合理、環(huán)境友好、科學(xué)開(kāi)發(fā)和可持續(xù)利用目標(biāo)。本研究專(zhuān)題探討小水電最低生態(tài)流量曲線繪制及生態(tài)流量泄放管理策略問(wèn)題，以為小水電生態(tài)流量科學(xué)排放提供研究和技術(shù)參考。

1 最低生態(tài)流量曲線與參數(shù)取值原則

1.1 最低生態(tài)流量曲線

河流與環(huán)境處于一個(gè)互相影響、互相適應(yīng)的過(guò)程，經(jīng)過(guò)一個(gè)歷史時(shí)期的適應(yīng)，流域生態(tài)環(huán)境系統(tǒng)達(dá)成匹配、契合和相對(duì)平衡，河水歷史徑流的自然狀態(tài)，是流域生態(tài)環(huán)境系統(tǒng)契合平衡的結(jié)果。一個(gè)流域自然生態(tài)系統(tǒng)中，水體、生物以及其他環(huán)境要素之間，通過(guò)物質(zhì)循環(huán)、能量流動(dòng)以及信息傳導(dǎo)等一系列復(fù)雜過(guò)程，相互間達(dá)成平衡適應(yīng)狀態(tài)，系統(tǒng)中各構(gòu)成成分間形成特定比例關(guān)系，相關(guān)結(jié)構(gòu)及功能關(guān)系均處在相對(duì)穩(wěn)定狀態(tài)。其穩(wěn)定一般表現(xiàn)在兩個(gè)方面：一為非生物環(huán)境相對(duì)穩(wěn)定，二為生物構(gòu)成及數(shù)量比例的相對(duì)穩(wěn)定。流域非生物環(huán)境主要是河道、水體、沙泥等，流域生物主要是魚(yú)類(lèi)、水生或近岸動(dòng)植物。水生動(dòng)物尤其是一些魚(yú)類(lèi)，其繁殖產(chǎn)卵期很多開(kāi)始在汛期，豐沛的水量為它們產(chǎn)卵繁殖提供環(huán)境條件，而如果水電泄放流量破壞了徑流原本狀態(tài)，則至少會(huì)在一個(gè)時(shí)期和一定范圍內(nèi)打破流域原本生態(tài)平衡，使包括魚(yú)類(lèi)在內(nèi)的流域水生動(dòng)植物的生存面臨考驗(yàn)。

徑流有明顯的動(dòng)態(tài)屬性，其流量隨季節(jié)消長(zhǎng)變化，在相互平衡的流域環(huán)境中，這也意味流域所需要的生態(tài)環(huán)保流量在不同的季節(jié)、環(huán)境或時(shí)間段有所不同。其主要影響因素為：(1)河流的來(lái)流。通過(guò)搜集歷史數(shù)據(jù)和計(jì)算，可以獲得代表河流徑流狀態(tài)的基于特定時(shí)間周期的流量曲線。(2)小水電生態(tài)環(huán)保流量排放。需要在發(fā)電效益和環(huán)保效益間尋求最大管理和經(jīng)營(yíng)平衡，保證泄放流量滿(mǎn)足最低生態(tài)環(huán)保流量需求，尤其應(yīng)盡可能保證脫減水河段的生態(tài)環(huán)保流量狀態(tài)，按生態(tài)環(huán)保流量曲線泄放，讓脫減水河段的泄放徑流狀態(tài)盡可能匹配相似于河道原先的自然徑流狀態(tài)。

1.2 最低生態(tài)流量曲線取值原則

最低生態(tài)環(huán)保流量曲線應(yīng)綜合參考自然來(lái)流狀態(tài)Tennant法計(jì)算結(jié)果、7Q10法計(jì)算結(jié)果、最低連續(xù)30日均流量法結(jié)果以及多年的年均流量狀態(tài)給予綜合編制。本研究主張以自然來(lái)流狀態(tài)的多年均每日流量，以Tennant法7Q10法和最低連續(xù)30日流量均值法三種計(jì)算結(jié)果的均值作為最低值，以一個(gè)長(zhǎng)時(shí)期的年流量均值作為最大值，來(lái)編制形成流域最低生態(tài)泄放流量曲線。

(1)自然來(lái)流狀態(tài)：依據(jù)歷史來(lái)流資料，依據(jù)每日多年均流量狀態(tài)，擬合出基于多年水文記錄的日均流量曲線，這樣的曲線才能更契合河道自然徑流狀態(tài)。

(2)Tennant法計(jì)算：按多年年均流量的10%，計(jì)算獲得最低生態(tài)環(huán)保流量。

(3)7Q10法計(jì)算：以90%保證率，釆用連續(xù)7日最低日平均水量，得出最低生態(tài)最低流量。

(4)最低連續(xù)30日流量均值計(jì)算：以90%保證率，對(duì)最低連續(xù)30日均流量給予計(jì)算，獲得最低生態(tài)環(huán)保流量。

(5)多年均流量：將多年均流量作為最低生態(tài)環(huán)保流量的最大值，依據(jù)Tennant法，最優(yōu)流量為多年均流量的100%，將其定義為多年均每日流量的最大日流量。

如此取值，最低值既能夠盡可能降低誤差，又不乏代表性。多年均流量作為最大值，也利于拉高最低生態(tài)環(huán)保流量泄放標(biāo)準(zhǔn)。

2 最低生態(tài)環(huán)保流量曲線數(shù)理模型

2.1 常規(guī)來(lái)流日均曲線繪制

首先，搜集小水電的歷史每日來(lái)流數(shù)據(jù)參數(shù)，分別計(jì)算所選擇徑流時(shí)段的歷史平均日流量，繪制行成來(lái)流日均曲線。來(lái)流日均曲線能較好匹配和適應(yīng)河道自然來(lái)流的整體趨勢(shì)狀態(tài)，其計(jì)算公式：

(1)

式中：Qi系為第i年某日的日均流量，i=1,2,3,......364,365；n系為來(lái)流歷史總計(jì)年數(shù)，n為般大于等于20 a；Qn系為n年中日均流量。某小水電的歷史來(lái)流日均曲線見(jiàn)圖1。

圖1 來(lái)流日均水量時(shí)程曲線

2.2 計(jì)算最低生態(tài)流量最大值及最低值

Tennant法7Q10法以及最低連續(xù)30日流量均值法，計(jì)算相應(yīng)最低生態(tài)環(huán)保流量，并將三者的均值作為最低生態(tài)環(huán)保流量的最低值需求。此處需要參考三者均值及實(shí)際自然來(lái)流的大小關(guān)系，故分2種狀態(tài)。

Qmin=Qn

(2)

(3)

式中：Qmin系為最低生態(tài)環(huán)保流量的最低值；Qn系為基于n年統(tǒng)計(jì)的日均流量；Q1系為T(mén)ennant法計(jì)算的最低生態(tài)環(huán)保流量值；Q2系為7Q10法計(jì)算的最低生態(tài)環(huán)保流量值；Q3系為最低連續(xù)30日流量均值法計(jì)算的最低生態(tài)環(huán)保流量值。

在式(2)中，當(dāng)來(lái)流高出最低生態(tài)環(huán)保流量標(biāo)準(zhǔn)時(shí)，以最低生態(tài)環(huán)保流量作為約束值?當(dāng)來(lái)流低于最低生態(tài)環(huán)保流量標(biāo)準(zhǔn)時(shí)，以現(xiàn)實(shí)來(lái)流作為最低生態(tài)環(huán)保流量值，意味來(lái)多少水就排放多少。

然后，取符合Tennant法中的100%多年年均流量作為最優(yōu)流量，即作為最低生態(tài)環(huán)保流量的最大值。

Qmax=Q平

(4)

式中：Q平系為最低生態(tài)環(huán)保流量的最大值。

2.3 計(jì)算并擬合最低生態(tài)環(huán)保流量曲線

綜合最低生態(tài)環(huán)保流量曲線應(yīng)綜合參考自然來(lái)流狀態(tài)，Tennant法7Q10法、最低連續(xù)30日流量均值法結(jié)果和多年均流量，能夠初步推導(dǎo)最低生態(tài)環(huán)保流量曲線。這里暫按Qn≥(Q1+Q2+Q3)狀態(tài)開(kāi)展推導(dǎo)。

圖2 三種計(jì)算結(jié)果及最低值比較

圖3 來(lái)流日均及生態(tài)環(huán)保流量最大和最低值

依據(jù)最低生態(tài)環(huán)保流量的需求和前述參數(shù)取值原則，擬合最低生態(tài)環(huán)保流量曲線須符合3點(diǎn)需求。

(1)多年日均最大流量，應(yīng)符合最低生態(tài)環(huán)保流量的Qmax水平；

(2)多年日均最低流量，應(yīng)符合最低生態(tài)環(huán)保流量達(dá)Qmin水平；

(3)最低生態(tài)環(huán)保流量，應(yīng)擬合為趨勢(shì)曲線。

前兩點(diǎn)對(duì)最低生態(tài)環(huán)保流量的上下限實(shí)現(xiàn)計(jì)算。下限取三種計(jì)算均值則更有代表性，誤差亦相對(duì)較小。上限取Tennant法的100%多年年均流量。

圖4 最低生態(tài)環(huán)保流量曲線的獲得過(guò)程

見(jiàn)圖4具體所示，已經(jīng)知多年年均每日來(lái)流Q來(lái)以及Qmax及Qmin，解析X日的最低生態(tài)環(huán)保流量Q生。將X日多年均每日來(lái)流Q來(lái)跟日均的最低值Q來(lái)min的差值，除以來(lái)流日均Q來(lái)max跟來(lái)流日均Q來(lái)min的差值，結(jié)果為K1。同理將X日最低生態(tài)環(huán)保流量Q生跟Qmin的差值，除以Qmax跟Q來(lái)min的差值，結(jié)果為K2。即：

(5)

(6)

式中：Q來(lái)系為某日的多年均流量；Q來(lái)max系為多年均每日流量的最大值；Q來(lái)min系為多年均每日流量的最低值。Q生系為某日的最低生態(tài)環(huán)保流量；Qmax系為最低生態(tài)環(huán)保流量的最大值，即是100%多年均流量；Qmin系為最低生態(tài)環(huán)保流量的最低值。

要保證最低生態(tài)環(huán)保流量相匹配于原先河道自然徑流狀態(tài)，盡可能模擬出原自然河道的來(lái)流過(guò)程，此處須符合：

K1=K2

(7)

即可推算出：

(8)

將逐一計(jì)算出Q生的值后擬合成生態(tài)環(huán)保排放參考曲線，跟自然來(lái)流日均曲線進(jìn)行比較，二者的趨勢(shì)狀態(tài)基本一致，見(jiàn)圖5所示。

圖5 最低生態(tài)環(huán)保流量曲線

如果Qn<(Q1+Q2+Q3)時(shí)，意味單日來(lái)流全部泄放，亦不能符合最低生態(tài)環(huán)保流量最低值需求，原則上應(yīng)該來(lái)水多少即放水多少。季節(jié)性河流易于發(fā)生這種情況，甚至出現(xiàn)枯水期。

圖6 最低生態(tài)環(huán)保流量曲線計(jì)算過(guò)程示意圖

圖7 最低生態(tài)環(huán)保流量曲線

在Qn<(Q1+Q2+Q3)狀態(tài)下，最低生態(tài)環(huán)保流量應(yīng)分兩種情況給予分析。

如果Q生

Q生=Q來(lái)

(9)

如果Q生≥Qmin條件時(shí)：

(10)

計(jì)算出Q生值后，擬合成相應(yīng)的曲線跟自然來(lái)流日均曲線比較，二者的趨勢(shì)狀態(tài)基本一致，具體見(jiàn)圖7所示。來(lái)流不能符合最低生態(tài)環(huán)保流量最低值的區(qū)間被區(qū)分開(kāi)來(lái)，適應(yīng)來(lái)水多少排放多少的生態(tài)環(huán)保流量保障需求。

3 小水電生態(tài)環(huán)保流量泄放管理策略

3.1 最低生態(tài)環(huán)保流量曲線泄放

綜合參考河道歷史來(lái)流數(shù)據(jù)參數(shù)，使得最低生態(tài)環(huán)保流量的分布近似匹配于河道自然來(lái)流分布狀態(tài)。依照最低生態(tài)環(huán)保流量曲線所指示的需求排放值，開(kāi)展生態(tài)環(huán)保流量泄放，盡量使泄放量符合流域原本自然狀態(tài)，以保證維持河道的連通性、延續(xù)性以及常規(guī)水文條件，使泄放符合于保持流域生態(tài)的最基本要求量。

擯棄原本的最低生態(tài)環(huán)保流量固定值的概念，最低生態(tài)環(huán)保流量與河流自然水流一樣，應(yīng)當(dāng)是一個(gè)動(dòng)態(tài)的過(guò)程,借助最低生態(tài)環(huán)保流量曲線模型的方法，在計(jì)算生態(tài)環(huán)保流量時(shí)，應(yīng)充分參考?xì)v史每日來(lái)流數(shù)據(jù)參數(shù)等相關(guān)要素，綜合參考每日多年均流量曲線、最低生態(tài)環(huán)保流量極大值及最低值等要素，計(jì)算擬合成一條總體趨勢(shì)狀態(tài)與河道自然來(lái)流趨勢(shì)近似，但是又能體現(xiàn)最低生態(tài)環(huán)保流量特點(diǎn)的日排放流量曲線。

3.2 最低生態(tài)流量專(zhuān)業(yè)設(shè)備監(jiān)測(cè)

在電力經(jīng)濟(jì)利益目前，生態(tài)流量泄放保障一定程度居于劣勢(shì)地位，強(qiáng)化技術(shù)設(shè)備監(jiān)督是克服人為隨意性干擾的監(jiān)管手段。專(zhuān)業(yè)設(shè)備監(jiān)管可隨機(jī)適時(shí)的對(duì)泄放數(shù)據(jù)參數(shù)給予抽查和分析，會(huì)使生態(tài)流量泄放監(jiān)管執(zhí)行起來(lái)相對(duì)更有剛性約束和保障。

3.2.1 常規(guī)檢測(cè)技術(shù)方面

1)常規(guī)流動(dòng)速度儀法，在檢測(cè)區(qū)域裝配如水位計(jì)、電子水尺、流動(dòng)速度儀等水位、流速自動(dòng)檢測(cè)裝備，用常規(guī)流動(dòng)速度儀法測(cè)流，頻率監(jiān)測(cè)區(qū)域水位、流速與流量關(guān)系，客觀不可更易地記錄相關(guān)水文數(shù)據(jù)。

2)超聲多普勒測(cè)流，將該設(shè)備固定配置于河底、水面或者其他某一技術(shù)區(qū)域，檢測(cè)流量和速度。

3)電磁流量計(jì)，該設(shè)備勝任在滿(mǎn)管過(guò)流的區(qū)域工作，可直接、客觀檢測(cè)泄放流量。

4)雷達(dá)實(shí)時(shí)測(cè)流系統(tǒng)，布設(shè)一個(gè)或者多個(gè)雷達(dá)流動(dòng)速度儀探頭，檢測(cè)目標(biāo)區(qū)域流動(dòng)情況，實(shí)時(shí)檢測(cè)流水表面流動(dòng)速度。

3.2.2 改進(jìn)數(shù)據(jù)傳輸新技術(shù)方面

1)GPRS/4G無(wú)線通信，釆用GPRS或者4G裝備將數(shù)據(jù)傳輸?shù)竭h(yuǎn)程管理服務(wù)器，此技術(shù)適合無(wú)法布線或監(jiān)測(cè)點(diǎn)較遠(yuǎn)區(qū)域配置使用。

2)有線光纖傳輸設(shè)備，此技術(shù)適合可以方便布線或監(jiān)測(cè)點(diǎn)較近區(qū)域配置使用，監(jiān)測(cè)點(diǎn)附近存在網(wǎng)絡(luò)，更適于參考選用這種監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)傳輸方式。

3)北斗通信，選用北斗短報(bào)文開(kāi)展通信，終端遙測(cè)設(shè)備采集數(shù)據(jù)，借助北斗短信發(fā)送到接收機(jī)，此適合在無(wú)網(wǎng)絡(luò)信號(hào)的監(jiān)測(cè)區(qū)域配置使用。

3.3 最低生態(tài)環(huán)保流量管理措施

要強(qiáng)化小水電所在流域的水資源科學(xué)論證，保證小水電最低泄放流量符合下游流域最基本的生態(tài)流量需求；要強(qiáng)化小水電最低泄放流量的監(jiān)管工作，完善最低泄放流量監(jiān)控設(shè)施，強(qiáng)化河道巡查；要監(jiān)督檢查有關(guān)泄放流量裝備的運(yùn)行維護(hù)和最低泄放流量的執(zhí)行情況。

要依據(jù)小水電實(shí)際狀態(tài)，以小水電保證最低泄放流量為原則，完善訂立小水電調(diào)度運(yùn)行方案。對(duì)于流域內(nèi)存在多座小水電情況，應(yīng)實(shí)行統(tǒng)一調(diào)度，結(jié)合各水庫(kù)的控流功能，實(shí)現(xiàn)水資源統(tǒng)籌調(diào)配、系統(tǒng)管理，科學(xué)利用庫(kù)容，協(xié)同保障泄流符合最低泄放流量需求。

要強(qiáng)化與電力部門(mén)協(xié)調(diào)，在枯水季節(jié)合理調(diào)度發(fā)電運(yùn)行，適度削減小水電參與電網(wǎng)調(diào)峰機(jī)動(dòng)任務(wù)，小水電調(diào)度運(yùn)行要依據(jù)河流自然來(lái)流量泄放流量，保證符合最低泄放流量的需要，避免人為管理失誤，破壞區(qū)域水環(huán)境狀態(tài)。

4 結(jié)語(yǔ)

出于助力小水電開(kāi)發(fā)和保障小水電最低生態(tài)環(huán)保流量泄放管理操作的目的，本研究系統(tǒng)探討了小水電最低生態(tài)環(huán)保流量曲線的繪制實(shí)現(xiàn)過(guò)程與技術(shù)，并給出小水電生態(tài)環(huán)保流量的泄放管理保障策略。重點(diǎn)主張擯棄原本的最低生態(tài)環(huán)保流量固定值的概念，主張基于最低生態(tài)流量曲線實(shí)施泄放調(diào)流；闡述了最低生態(tài)流量曲線的繪制過(guò)程和技術(shù)，給出保證基于最低生態(tài)流量曲線實(shí)施泄放的建議，實(shí)現(xiàn)泄放流域生態(tài)流與原自然流等同或狀態(tài)最大程度接近，以實(shí)現(xiàn)小水電生態(tài)排放管理目標(biāo)。