专利名称：：多目标整合河口生态需水计算方法
技术领域：
：本发明属于环境保护
技术领域：
，尤其涉及一种考虑河口生态系统不同类型生态需水目标综合要求的河口生态需水计算方法，解决从生态系统角度定量计算河口生态需水的问题。
背景技术：
：河口生态系统具有淡盐水混合与营养物富集等独特的环境特征和调蓄洪水与维护生物多样性等重要的生态服务功能。与此同时，世界上约60%的人口居住在河口沿海地区，河口已成为世界上人口最稠密和经济活动最活跃的地带之一。近30年来，我国主要流域均面临着淡水入流量持续减少，多数河口生态系统服务功能受损、水盐平衡、水沙平衡被打破、河口湿地面积萎縮、生物多样性降低等系列问题。生产、生活和生态需水矛盾造成的生态退化问题已十分突出，已经严重制约了区域社会经济的可持续发展。定量计算河口生态系统需水量成为有效缓解生态环境保护与社会经济可持续发展矛盾的重要手段。由于生态系统类型结构和功能间的差异性，目前生态需水计算方法一般针对河流、湖泊陆域生态系统特点展开。研究方法包括了Tennant法为代表的水文学方法，湿周法为代表的水力学方法，IFIM为代表的生境模拟法以及以BBM为代表的整体法(Tharme，2003)。水文学方法是在河流多年水文数据的基础上，根据水文指标分析结果来确定河流生态系统需水量的方法。其中Tennant法通过设定一定比例的河流天然流量作为不同等级的生态需水量。水文学方法主要应用于适用于水资源规划阶段对河流生态需水量的初步核算。水力学方法主要从保护河流水生生物栖息地水力学要素出发，通过建立流量与河道水力参数之间的关系，确定河流生态需水量。湿周法通过分析湿周随流量增加所表现出的增长变化点确定河流推荐流量。湿周法适用于宽浅型和抛物线型河道，且要求河床形状稳定(Gippeletal.，1998)。生境模拟法通过建立生物、生态及环境等要素与流量间的定量关系，根据指示物种所需的水文、水力条件来确定河流流量，目的是为水生生物提供一个适宜的物理生境(Scatena，2004)。生境模拟法着重考虑河流生物物种的保护。整体法最早由南非和澳大利亚的学者合作研究而建立(Kingetal.，2003)。该方法根据不同专业的专家意见综合分析流量、泥沙运输、河床形状与河岸带群落之间的关系，使推荐的河道流量满足生物保护、栖息地维持、泥沙沉积、污染控制和景观维护等功能需水的要求。陆地径流以及海洋潮汐共同作用下，河口生态系统具有动力过程复杂、影响因素众多的特点，相应造成河流、湖泊淡水生态系统需水计算方法和需水规律难以直接应用于河口生态系统。目前国内外尚未能针对河口生态系统特点提出相应生态需水标准。近20年来，河口生态需水相关技术主要集中于淡水入流管理措施等方面，关注于防止咸水入侵和泥沙输运平衡等特定生态保护目标(倪晋仁等，2002)。SFWMD(SouthwestFloridaWatermanagementDistrict)假定河口上游取水量不超过10%情况下，淡水入流减少对生态系统的影响可以忽略，并由此确定了河口生态需水量(Flannery，2002)。旧金山湾河口淡水入流管理中提出了盐度为2的等值线至金门大桥的距离作为研究盐度空间分布的目标参数，进而根据系列历史资料分析淡水径流与盐度空间分布的关系确定生态需水(Kimmerer，2002)。目前河口生态需水分析技术主要针对特定生态保护目标计算相应的需水量，计算方法存在难以综合分析河口生态系统不同类型生态目标综合要求的不足。相应造成目前河口生态需水计算结果将难以保障河口生态系统整体健康的要求。综合考虑不同类型生态保护目标需水要求，形成维护河口生态系统整体健康要求的需水计算方法具有显著的实用意义。
发明内容本发明针对当前生态系统需水计算方法难以为多目标综合要求下的河口生态需水定量分析提供支持的不足，根据河口不同生态需水类型的特征，提供了一种多目标整合河口生态需水计算方法，定量分析河口生态系统整体需水要求，为河口生态环境保护和修复提供关键技术支持。本发明的特征在于根据河口淡水入流功能差异，将河口生态需水划分为消耗型需水量和非消耗型需水量两种类型，提出以加和性原则计算消耗型需水，以最大值原则计算非消耗型需水，提供了一种综合多目标要求的河口生态需水计算方法。其中消耗型需水包括河口植被蒸散发消耗需水、淡水湿地需水；非消耗型需水包括水盐平衡、泥沙输运、营养盐输运需水量。本发明的主要目的在于解决目前不同类型生态需水计算方法难以有效解决多目标综合要求下河口生态需水定量计算的问题，与现有技术相比本专利技术具有以下优点1)针对性强，目前不同类型生态需水计算方法主要针对流域中河流、湖泊等生态系统特征提出。相关研究方法难以直接应用于河口生态需水定量分析中。本发明专利综合考虑河口生态系统特有的水盐平衡需水要求，可为河口生态环境保护提供切实的技术支持，具有显著的针对性。2)实用性强，本发明明确提出了河口多目标综合要求下的生态需水整合分析技术，计算方法简洁易实现，避免繁琐的计算工作量，适用于我国河口生态需水定量分析。具体实施方式根据河口淡水入流不同生态服务功能，将河口生态需水划分为消耗性和非消耗性两类，其中蒸散发需水、淡水湿地需水属于消耗型需水量，河口盐度平衡，泥沙和营养物输运需水量属于非消耗型需水量，非消耗型需水量间相互兼容，共同构成入海水量。河口生态需水年度总量^为河口消耗型需水和入海需水的总和。根据加和性和最大值原则计算综合考虑不同生态目标的河口生态需水量见下式(1):『"=^>,+厨(^,^2，...,)^,,,)(1)其中，R为河口生态需水量(m3)，M4X(fl,6)表示表示变量"6间的最大值，^为河口消耗型需水(m3)，^为非消耗型需水(m3)，n和m分别表示消耗和非消耗生态需水的类型。河口生态系统蒸发消耗需水的计算考虑水面、植被蒸发消耗扣除研究区降水量补充后的欠缺部分，计算见下式。，r(2)式中，^为河口蒸发消耗需水；^为河口地区蒸散量；尸为河口地区降雨量；^为河口区域面积。河口淡水湿地广阔且相对平静的水域使得其成为重要的生物迁徙、越冬及繁衍栖息地。河口地区淡水湿地需水(K)计算以保持淡水湿地水面面积及水深参数为目标，计算见下式。(3)式中，^为湿地水面面积占湿地面积的百分比，随不同区域和湿地型而不同；^为湿地面积；仏为湿地平均水深；/为河口淡水湿地水体置换频率，7=0表示计算只考虑河口淡水湿地蒸发消耗需水，不考虑湿地水体置换。对于一般由河口生态系统基本特点在于淡水、盐水的混和。河口盐度平衡需水强调保持河口的淡水输入，实现河口系统一定目标的盐度平衡。采用箱式模型建立河道流量与河口盐度的相关联系。一定河口盐度目标(&)下的盐度平衡需水『,《.^=义《(4)式中，其中的外海盐度S、假定为恒定值；^为河口口外海滨水体体积。根据河口盐度目标的不同确定盐度平衡需水的等级。河口泥沙输运需水采用基本的水流挟沙能力概念计算，有(5)式中，^为泥沙输运需水；e,为泥沙年淤积量；C,为水流挟沙能力，一般采用断面平均饱和含沙量表示。实例综合考虑黄河口生态系统中蒸发消耗需水、淡水湿地生物栖息地、水体盐度平衡以及泥沙输运需水要求，计算得到不同等级河口生态需水年度总量如表l所示。表l不同等级河口生态需水<table>tableseeoriginaldocumentpage7</column></row><table>考虑非消耗型需水间的兼容性，计算得到河口最小、适宜和理想等级年度生态需水分别为134.22x108，162.73xl08和274.88xl08m3。河口生态需水主要由流域天然径流量保证，表2给出了不同等级生态需水年度总量占天然径流量的比例。表2河口生态需水年度总量与天然径流量的比例<table>tableseeoriginaldocumentpage8</column></row><table>计算结果表明，23.7%的大然径流量是保护河口生态系统基本结构和功能的基本需水量，流域生产、生活用水不应超过天然径流量的76.3%。在保证河口生态需水年内时间变化目标的条件下，48.5%的天然径流量可以保证健康型河口生态系统对水量的要求。权利要求1.一种多目标整合河口生态需水计算方法，其步骤为1)明确河口不同生态需水类型；2)根据累加值原则整合计算消耗型生态需水总量，以最大值原则计算非消耗型生态需水总量，根据多目标整合河口生态需水计算方法确定河口生态需水总量。2.根据权利要求1所述的一种多目标整合河口生态需水计算方法，将河口不同类型生态需水划分为消耗型需水和非消耗型需水两种类型，其中消耗型需水量包括蒸散发消耗需水和淡水湿地生态需水非消耗型需水包括水盐平衡、泥沙输运、营养盐输运需水量。3.根据权利要求2所述的河口水盐平衡生态需水计算方法，计算公式如下式(1)<formula>formulaseeoriginaldocumentpage2</formula>(1)式中，S。为河口盐度目标；义=(5，-其中的外海盐度&假定为恒定值；R为河口口外海滨水体体积。4.根据权利要求1所述的多目标整合河口生态需水计算方法，其计算公式如下式(2)<formula>formulaseeoriginaldocumentpage2</formula>(2)其中，『。为河口生态需水量，M4X(",6)表示表示变量"、M司的最大值，『,为河口消耗型需水，K为非消耗型需水，n和m分别表示消耗和非消耗生态需水的类型。全文摘要本发明提供了一种综合考虑多目标要求的河口生态需水定量分析方法，针对目前生态需水计算结果将无法保障河口生态系统整体健康的不足。根据河口不同生态需水类型的特征，将河口生态需水划分为消耗型需水量和非消耗型需水量两种类型，其中消耗型需水包括河口植被蒸散发消耗需水、淡水湿地需水；非消耗型需水包括水盐平衡、泥沙输运、营养盐输运需水量，提供了一种综合多目标要求的河口生态需水计算方法，以加和性原则计算消耗型需水并以最大值原则计算非消耗型需水。本发明可为河口生态环境保护提供切实的技术支持，计算方法简洁易实现，避免繁琐的计算工作量，适用于我国河口生态需水定量分析。文档编号G06F19/00GK101645113SQ200910169799公开日2010年2月10日申请日期2009年9月3日优先权日2009年9月3日发明者涛孙,杨志峰申请人:北京师范大学