一种湖泊分级分期旱限水位确定方法及系统与流程

[0001]
本发明属于水资源管理抗旱领域，更具体地，涉及一种湖泊分级分期旱限水位确定方法及系统。


背景技术：

[0002]
在抗旱领域，我国至今尚未建立起可以用于抗旱应急管理工作的水位(流量)等干旱特征指标，水文报旱、旱情预警、抗旱会商、应急响应、水量调度等抗旱应急管理工作往往缺乏科学依据，存在抗旱减灾指挥决策时机把握不准或应急响应过度的现象，一定程度上影响了抗旱工作科学有序地开展。在2011年水利部制定的《旱限水位(流量)确定办法》中，首次提出了旱限水位的概念，但没有具体针对湖泊制定旱限水位确定方法，且参照江河和水库旱限水位确定方法，全年采用唯一的旱限水位作为干旱预警指标，缺少分级、分期标准，存在一定的局限性，欠缺可操作性。


技术实现要素：

[0003]
针对现有技术的缺陷，本发明的目的在于提供一种湖泊分级分期旱限水位确定方法及系统，旨在解决现有江河和水库旱限水位确定方法，全年采用唯一的旱限水位作为干旱预警指标，缺少分级、分期标准，存在一定的局限性，欠缺可操作性的问题。
[0004]
为实现上述目的，第一方面，本发明提供了一种湖泊分级分期旱限水位确定方法，包括如下步骤：
[0005]
基于四种湖泊生态水位分析法确定不同来水频率下每个月的湖泊生态水位；所述四种湖泊生态水位分析法包括：水文频率分析法、湖泊形态分析法、生物空间法以及最枯月平均水位法；
[0006]
基于预测的经济社会发展指标和预测的用水定额计算不同来水频率下每个月的湖泊外用水需求量；
[0007]
基于入湖口的长期流量观测数据或出湖口的长期流量观测数据确定不同来水频率下每个月的湖泊入湖流量；
[0008]
基于湖泊蒸发站点的测量数据或太阳辐射强度数据和气象数据确定不同来水频率下每个月的湖面蒸散发量；
[0009]
基于不同来水频率下每个月的湖泊生态水位、不同来水频率下每个月的湖泊外用水需求量、不同来水频率下每个月的湖泊入湖流量以及不同来水频率下每个月的湖面蒸散发量确定不同来水频率下每个月的湖泊旱限水位；
[0010]
结合流域多年平均月降水量、湖泊多年平均月入流量、湖泊多年平均月水位以及湖泊多年平均月需水量，采用fisher最优分割法将一个水文年中的月份进行分期，每一分期包括至少一个月，基于不同来水频率下每一分期包括的每个月的湖泊旱限水位确定不同来水频率下每一分期的湖泊旱限水位。
[0011]
可以理解的是，湖泊分级旱限水位指的是不同来水频率下的旱限水位。每种来水
频率为一级。
[0012]
在一个可选的实施例中，所述基于四种湖泊生态水位分析法确定不同来水频率下每个月的湖泊生态水位，具体为：
[0013]
h
emin
＝max(h
min1
，h
min2
，h
min3
，h
min4
)
[0014]
式中，h
emin
为来水频率p下的湖泊生态水位；h
min1
为来水频率p下水文频率分析法计算的最低生态水位；h
min2
为来水频率p下湖泊形态分析法计算的最低生态水位；h
min3
为来水频率p下生物空间法计算的最低生态水位，h
min4
为来水频率p下最枯月平均水位法计算的最低生态水位；p＝75％或p＝95％。
[0015]
在一个可选的实施例中，所述基于预测的经济社会发展指标和预测的用水定额计算不同来水频率下每个月的湖泊外用水需求量，具体为：
[0016]
w
ul,i
＝0.365
×
p
ul,i
×
m
ul,i
[0017]
w
rl,i
＝0.365
×
p
rl,i
×
m
rl,i
[0018]
w
al,i
＝0.365
×
p
al,i
×
m
al,i
[0019]
w
as,i
＝0.365
×
p
as,i
×
m
as,i
[0020]
w
f,i
＝g
i
×
m
f,i
×
(1-c
i
)
[0021][0022][0023][0024]
w
fp,i
＝a
fp,i
×
m
fp,i
[0025]
式中，w
ul,i
、w
rl,i
、w
al,i
、w
as,i
、w
f,i
、w
li,i
、w
fi,i
、w
gi,i
和w
fp,i
依次表示规划水平年的城镇生活、农村生活、大牲畜、小牲畜、工业增加值、农田灌溉、林果地灌溉、草地灌溉以及鱼塘养殖的需水量；p
ul,i
、p
rl,i
、p
al,i
、p
as,i
、g
i
、a
li,i
、a
fi,i
、a
gi,i
、a
fp,i
分别表示规划水平年的城镇人口、农村人口、大牲畜头数、小牲畜头数、工业增加值、农田灌溉面积、林果地灌溉面积、草地灌溉面积、鱼塘面积；m
ul,i
、m
rl,i
、m
al,i
、m
as,i
、m
f,i
、m
li,i
、m
fi,i
、m
gi,i
、m
fp,i
分别表示规划水平年的城镇生活、农村生活、大牲畜、小牲畜、工业增加值、农田灌溉、林果地灌溉、草地灌溉、鱼塘养殖对应的用水定额；c
i
表示工业用水重复利用率；η
i
表示灌溉水有效利用系数；i表示年份。
[0026]
在一个可选的实施例中，所述基于入湖口的长期流量观测数据或出湖口的长期流量观测数据确定不同来水频率下每个月的湖泊入湖流量；具体为：
[0027]
对于在入湖口设有水文站并拥有长期流量观测数据的湖泊，将离湖泊近的控制性水文站的实测数据作为该湖泊的入湖流量；或
[0028]
对于在出湖口设有水文站并拥有长期流量观测数据的湖泊，根据该湖泊的水位实测资料和湖泊水位-容积曲线，通过水量平衡原理推求入湖流量：i
入-i
出
＝δw
蓄
＝v(z2)-v(z1)；式中，i
入
为该时段湖泊的入湖水量，i
出
为该时段湖泊的出湖水量，δw
蓄
为该时段湖泊的蓄水量变化，v()为湖泊水位-容积转换函数，用于将水位转换为容积，z2、z1分别为湖泊
时段末和时段初的水位；根据i
入-i
出
推求时段内湖泊的入湖水量，再转换得到湖泊的入湖流量；或
[0029]
在湖泊入湖流量实测资料不完整的情况，通过水文模型模拟湖泊的入流进行插补延长，以获得完整的长序列入湖流量资料，并基于完整的长序列入湖流量资料确定入湖流量。
[0030]
在一个可选的实施例中，所述基于湖泊蒸发站点的测量数据或太阳辐射强度数据和气象数据确定不同来水频率下每个月的湖面蒸散发量；具体为：
[0031]
对于所在流域设有蒸发观测站点的湖泊，将离湖泊近的蒸发站点的实测数据作为该湖泊的湖面蒸散发量；或
[0032]
基于卫星遥感数据获取太阳辐照度，通过气象数据获取日平均空气温度、露点温度以及风速数据，使用liacre公式计算湖面蒸散发量e：
[0033]
e＝(0.015+0.00042ta+10-6
h)*(0.8q
s-40+2.5
×
u2f(ta-td))
[0034]
式中，ta表示日平均温度，td表示露点温度，qs表示太阳辐照度，u2表示2m风速，h表示高程，f是与湖泊高度相关的系数。
[0035]
在一个可选的实施例中，所述确定不同来水频率下每个月的湖泊旱限水位，具体为：
[0036]
对于有供水功能的有源湖泊，在最低生态水位的基础上叠加湖泊外用水，并考虑入湖径流及湖泊蒸发进行计算，旱限水位计算如下式：
[0037]
当(v
需水-v
径流
+v
蒸发
)>0时，z＝z(v(h
emin
)+v
需水-v
径流
+v
蒸发
)；
[0038]
当(v
需水-v
径流
+v
蒸发
)≤0时，z＝h
emin
；
[0039]
式中，z为来水频率p下的旱限水位；v(h
emin
)为来水频率p下计算的湖泊生态水位转换后的容积；v
需水
为来水频率p下规划水平年湖泊外用水需求；v
径流
为来水频率p下的入湖流量；v
蒸发
为来水频率p下的湖面蒸散发量，v
蒸发
＝湖面蒸散发量
×
湖面面积；z()为湖泊容积-水位转换函数，用于将容积转换成对应的水位；当p＝75％时，z为旱警水位；当p＝95％时，z为旱保水位；
[0040]
对于无供水功能的有源湖泊，不考虑湖泊外用水需求，仅考虑生态水位，旱限水位计算如下式：
[0041]
当(v
蒸发-v
径流
)>0时，z＝z(v(h
emin
)-v
径流
+v
蒸发
)；
[0042]
当(v
蒸发-v
径流
)≤0时，z＝h
emin
。
[0043]
第二方面，本发明提供一种湖泊分级分期旱限水位确定系统，包括：
[0044]
生态水位确定单元，用于基于四种湖泊生态水位分析法确定不同来水频率下每个月的湖泊生态水位；所述四种湖泊生态水位分析法包括：水文频率分析法、湖泊形态分析法、生物空间法以及最枯月平均水位法；
[0045]
外用水需求确定单元，用于基于预测的经济社会发展指标和预测的用水定额计算不同来水频率下每个月的湖泊外用水需求量；
[0046]
入湖流量确定单元，用于基于入湖口的长期流量观测数据或出湖口的长期流量观测数据确定不同来水频率下每个月的湖泊入湖流量；
[0047]
湖面蒸发确定单元，用于基于湖泊蒸发站点的测量数据或太阳辐射强度数据和气象数据确定不同来水频率下每个月的湖面蒸散发量；
[0048]
旱限水位分级计算单元，基于不同来水频率下每个月的湖泊生态水位、不同来水频率下每个月的湖泊外用水需求量、不同来水频率下每个月的湖泊入湖流量以及不同来水频率下每个月的湖面蒸散发量计算不同来水频率下每个月的湖泊旱限水位；
[0049]
旱限水位分级分期确定单元，用于结合流域多年平均月降水量、湖泊多年平均月入流量、湖泊多年平均月水位以及湖泊多年平均月需水量，采用fisher最优分割法将一个水文年中的月份进行分期，每一分期包括至少一个月，基于不同来水频率下每一分期包括的每个月的湖泊旱限水位确定不同来水频率下每一分期的湖泊旱限水位。
[0050]
在一个可选的实施例中，所述外用水需求确定单元基于预测的经济社会发展指标和预测的用水定额计算不同来水频率下每个月的湖泊外用水需求量，具体为：
[0051]
w
ul,i
＝0.365
×
p
ul,i
×
m
ul,i
[0052]
w
rl,i
＝0.365
×
p
rl,i
×
m
rl,i
[0053]
w
al,i
＝0.365
×
p
al,i
×
m
al,i
[0054]
w
as,i
＝0.365
×
p
as,i
×
m
as,i
[0055]
w
f,i
＝g
i
×
m
f,i
×
(1-c
i
)
[0056][0057][0058][0059]
w
fp,i
＝a
fp,i
×
m
fp,i
[0060]
式中，w
ul,i
、w
rl,i
、w
al,i
、w
as,i
、w
f,i
、w
li,i
、w
fi,i
、w
gi,i
和w
fp,i
依次表示规划水平年的城镇生活、农村生活、大牲畜、小牲畜、工业增加值、农田灌溉、林果地灌溉、草地灌溉以及鱼塘养殖的需水量；p
ul,i
、p
rl,i
、p
al,i
、p
as,i
、g
i
、a
li,i
、a
fi,i
、a
gi,i
、a
fp,i
分别表示规划水平年的城镇人口、农村人口、大牲畜头数、小牲畜头数、工业增加值、农田灌溉面积、林果地灌溉面积、草地灌溉面积、鱼塘面积；m
ul,i
、m
rl,i
、m
al,i
、m
as,i
、m
f,i
、m
li,i
、m
fi,i
、m
gi,i
、m
fp,i
分别表示规划水平年的城镇生活、农村生活、大牲畜、小牲畜、工业增加值、农田灌溉、林果地灌溉、草地灌溉、鱼塘养殖对应的用水定额；c
i
表示工业用水重复利用率；η
i
表示灌溉水有效利用系数；i表示年份。
[0061]
在一个可选的实施例中，所述入湖流量确定单元基于入湖口的长期流量观测数据或出湖口的长期流量观测数据确定不同来水频率下每个月的湖泊入湖流量；具体为：
[0062]
对于在入湖口设有水文站并拥有长期流量观测数据的湖泊，将离湖泊近的控制性水文站的实测数据作为该湖泊的入湖流量；或
[0063]
对于在出湖口设有水文站并拥有长期流量观测数据的湖泊，根据该湖泊的水位实测资料和湖泊水位-容积曲线，通过水量平衡原理推求入湖流量：i
入-i
出
＝δw
蓄
＝v(z2)-v(z1)；式中，i
入
为该时段湖泊的入湖水量，i
出
为该时段湖泊的出湖水量，δw
蓄
为该时段湖泊的蓄水量变化，v()为湖泊水位-容积转换函数，用于将水位转换为容积，z2、z1分别为湖泊时段末和时段初的水位；根据i
入-i
出
推求时段内湖泊的入湖水量，再转换得到湖泊的入湖流
量；或
[0064]
在湖泊入湖流量实测资料不完整的情况，通过水文模型模拟湖泊的入流进行插补延长，以获得完整的长序列入湖流量资料，并基于完整的长序列入湖流量资料确定入湖流量。
[0065]
在一个可选的实施例中，所述旱限水位分级计算单元计算不同来水频率下每个月的湖泊旱限水位，具体为：对于有供水功能的有源湖泊，在最低生态水位的基础上叠加湖泊外用水，并考虑入湖径流及湖泊蒸发进行计算，旱限水位计算如下式：
[0066]
当(v
需水-v
径流
+v
蒸发
)>0时，z＝z(v(h
emin
)+v
需水-v
径流
+v
蒸发
)；
[0067]
当(v
需水-v
径流
+v
蒸发
)≤0时，z＝h
emin
；
[0068]
式中，z为来水频率p下的旱限水位；v(h
emin
)为来水频率p下计算的湖泊生态水位转换后的容积；v
需水
为来水频率p下规划水平年湖泊外用水需求；v
径流
为来水频率p下的入湖流量；v
蒸发
为来水频率p下的湖面蒸散发量，v
蒸发
＝湖面蒸散发量
×
湖面面积；z()为湖泊容积-水位转换函数，用于将容积转换成对应的水位；当p＝75％时，z为旱警水位；当p＝95％时，z为旱保水位；
[0069]
对于无供水功能的有源湖泊，不考虑湖泊外用水需求，仅考虑生态水位，旱限水位计算如下式：
[0070]
当(v
蒸发-v
径流
)>0时，z＝z(v(h
emin
)-v
径流
+v
蒸发
)；
[0071]
当(v
蒸发-v
径流
)≤0时，z＝h
emin
。
[0072]
总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，具有以下有益效果：
[0073]
本发明提供一种湖泊分级分期旱限水位确定方法及系统，综合考虑不同时期生产、生活、生态用水需求优先级和保证等级的差异性，结合湖泊来水特征，制定了湖泊旱限水位分级、分期标准；以及本发明针对不同的湖泊类型，提出了一套通用的旱限水位制定规则，包括旱限水位计算方法、分级分期修正方法和合理性检验方法。
附图说明
[0074]
图1为本发明提供的湖泊分级分期旱限水位确定方法流程图；
[0075]
图2为本发明提供的天然湖泊旱限水位确定方法的框架图；
[0076]
图3为本发明提供的湖泊功能及其旱限水位保障目标分析流程图；
[0077]
图4为本发明提供的洪湖在p＝75％、p＝95％频率下的生态水位图；
[0078]
图5为本发明提供的洪湖干旱分期预警图；
[0079]
图6为本发明提供的洪湖修正后的逐月旱限水位和分期旱限水位图；
[0080]
图7为本发明提供的湖泊分级分期旱限水位确定系统架构图。
具体实施方式
[0081]
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
[0082]
本发明目的在于提供一种湖泊分级分期旱限水位确定方法及系统，综合考虑不同
时期生产、生活、生态用水需求优先级和保证等级的差异性，结合湖泊来水特征，制定湖泊旱限水位分级、分期标准，针对不同的湖泊类型，提出一套通用的旱限水位制定规则，为旱灾防御指挥决策提供科学依据和技术支撑。
[0083]
图1为本发明提供的湖泊分级分期旱限水位确定方法流程图；如图1所示，包括如下步骤：
[0084]
s101，基于四种湖泊生态水位分析法确定不同来水频率下每个月的湖泊生态水位；所述四种湖泊生态水位分析法包括：水文频率分析法、湖泊形态分析法、生物空间法以及最枯月平均水位法；
[0085]
s102，基于预测的经济社会发展指标和预测的用水定额计算不同来水频率下每个月的湖泊外用水需求量；
[0086]
s103，基于入湖口的长期流量观测数据或出湖口的长期流量观测数据确定不同来水频率下每个月的湖泊入湖流量；
[0087]
s104，基于湖泊蒸发站点的测量数据或太阳辐射强度数据和气象数据确定不同来水频率下每个月的湖面蒸散发量；
[0088]
s105，基于不同来水频率下每个月的湖泊生态水位、不同来水频率下每个月的湖泊外用水需求量、不同来水频率下每个月的湖泊入湖流量以及不同来水频率下每个月的湖面蒸散发量确定不同来水频率下每个月的湖泊旱限水位；
[0089]
s106，结合流域多年平均月降水量、湖泊多年平均月入流量、湖泊多年平均月水位以及湖泊多年平均月需水量，采用fisher最优分割法将一个水文年中的月份进行分期，每一分期包括至少一个月，基于不同来水频率下每一分期包括的每个月的湖泊旱限水位确定不同来水频率下每一分期的湖泊旱限水位。
[0090]
在一个更具体的实施例中，如图2所示，本发明提出的一种湖泊分级分期旱限水位确定方法，具体技术方案如下：
[0091]
步骤一、湖泊旱限水位分级
[0092]
根据《旱限水位(流量)确定办法》中旱限水位定义，将旱限水位分为旱警水位和旱保水位两个等级，分别定义为能够保障一般干旱年份(来水频率75％)和特枯年份(来水频率95％)湖泊用水安全的水位。
[0093]
步骤二、湖泊功能定位与湖泊类型划分；
[0094]
开展湖泊功能调查，在湖泊功能调查研究与评价的基础上，客观准确地对湖泊的功能进行定位，明确湖泊生态系统对湖泊水位的保障需求以及湖泊其他功能对应的保障目标的用水需求。
[0095]
根据湖泊来水补给条件，将湖泊划分为有源湖、无源湖两类，并将有源湖泊是否具有供水功能划分为有供水功能湖泊和无供水功能湖泊，在此基础上分别对不同类型湖泊的旱限水位保障目标进行分析。
[0096]
步骤三、计算湖泊生态水位和湖泊外用水需求；
[0097]
(1)湖泊生态水位计算方法
[0098]
根据《河湖生态需水评估导则》确定的基本原则，结合湖泊的具体情况和基础资料情况，分别采用水文频率分析法、湖泊形态分析法、生物空间法、最枯月平均水位法推求p＝75％、p＝95％频率下湖泊的生态水位。
[0099]
①
水文频率分析法：根据湖泊水位站实测资料序列(不少于30年)，对各月平均水位进行水文频率分析计算，选用p
-ⅲ
型理论曲线配线，得到湖泊不同水文频率下各月平均水位设计成果，根据此成果推求p＝75％、p＝95％频率下的各月平均水位。
[0100]
②
湖泊形态分析法：采用实测湖泊水位和湖泊面积资料，建立湖面面积变化率和水位的关系函数，湖面面积变化率为湖泊面积与水位关系函数的一阶导数，湖面面积变化率最大值对应的水位即为最低生态水位，可表示为：
[0101][0102]
式中，f为湖泊面积(m2)；h为湖泊水位(m)；h
min2
为湖泊自然状况下多年最低水位(m)；a和b分别为和湖泊水位变幅相比较小的一个正数。
[0103]
③
生物空间法：根据对湖泊水位最为敏感的生物类型，确定其生存和繁殖需要的最小空间(水深)，这个最低水位就是要求的湖泊最低生态水位，计算公式如下：
[0104]
h
min3
＝h0+h
最敏感生物
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(2)
[0105]
式中，h0为湖底平均高程；h
最敏感生物
为最敏感生物生存所需的最小水深，一般选择鱼类作为最敏感生物。
[0106]
④
最枯月平均水位法：天然最低水位是生态系统水位阈值的下限，可取最枯月平均水位作为最低生态水位。
[0107]
(2)确定湖泊生态水位
[0108]
由于每种生态水位计算方法所基于的理论和侧重点不同，计算结果有所差异，从湖泊生态用水偏安全角度考虑，选取(1)中几种生态水位计算结果外包最大值作为生态水位，计算方法如下所示：
[0109]
h
emin
＝max(h
min1
，h
min2
，h
min3
，h
min4
)
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(3)
[0110]
式中，h
emin
为p＝75％(或p＝95％)频率下的湖泊生态水位；h
min1
为p＝75％(或p＝95％)频率下水文频率分析法计算的最低生态水位；h
min2
为湖泊形态分析法计算的最低生态水位；h
min3
为生物空间法计算的最低生态水位，h
min4
为最枯月平均水位法计算的最低生态水位。
[0111]
(3)预测经济社会发展指标，经济社会发展预测指标主要包括：人口、牲畜、工业总产值、农田有效灌溉面积、灌溉水利用系数、林牧渔业灌溉规模。
[0112]
①
人口指标预测：
[0113]
总人口：
[0114]
p
i
＝p0(1+ε
i
)
i
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(4)
[0115]
城镇人口：
[0116]
p
1i
＝p
10
(1+ε
1i
)
i
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(5)
[0117]
农村人口：
[0118]
p
2i
＝p
20
(1+ε
2i
)
i
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(6)
[0119]
式中：p
i
、p
1i
、p
2i
分别为规划水平年各县区总人口、规划水平年城市人口和农村人口；p0、p
10
、p
20
分别为基准年总人口、城镇人口和农村人口。ε
i
，ε
1i
，ε
2i
分别为i年内总人口、
城镇人口和农村人口的年平均增长率。
[0120]
②
牲畜数量预测：
[0121]
大牲畜：
[0122]
qm
i
＝qm0(1+a
m
)
i
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(7)
[0123]
小牲畜：
[0124]
qn
i
＝qn0(1+a
n
)
i
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(8)
[0125]
式中：qm
i
和qn
i
分别为规划水平年大牲畜、小牲畜头数，qm0和qn0分别为基准年大牲畜、小牲畜年末存栏总数，a
m
、a
n
分别为i年内大牲畜、小牲畜的年平均增长率。
[0126]
③
工业总产值预测：
[0127]
g
i
＝g0(1+b
i
)
i
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(9)
[0128]
式中：g
i
和g0分别为规划水平年和基准年工业总产值，b
i
为规划水平年i年内工业总产值的年平均增长率。
[0129]
④
农田有效灌溉面积：
[0130]
a
灌i
＝a
耕i
*ζ
i
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(10)
[0131]
式中：a
灌i
为规划水平年农田有效灌溉面积，a
耕i
为规划水平年耕种面积，ζ
i
为规划水平年农田有效灌溉率。
[0132]
⑤
林牧渔业用水规模：
[0133]
a
林地i
＝a
林地0
*(1+f
林地
)
i
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(11)
[0134]
a
草地i
＝a
草地0
*(1+f
草地
)
i
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(12)
[0135]
a
鱼塘i
＝a
鱼塘0
*(1+f
鱼塘
)
i
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(13)
[0136]
式中：a
林地i
、a
草地i
、a
鱼塘i
分别为规划水平年林地、草地和鱼塘面积，a
林地0
、a
草地0
、a
鱼塘0
分别为基准年林地、草地和鱼塘面积，f
林地
、f
草地
、f
鱼塘
分别为i年内林地、草地和鱼塘面积的年平均增长率。
[0137]
(4)预测用水定额变化，其中包括生活用水定额预测、工业用水定额预测、农业灌溉用水定额预测以及林牧渔业用水定额预测。
[0138]
①
生活用水定额预测：生活用水定额标准根据xx省颁发的《行业用水定额》和《水资源综合规划》予以确定。
[0139]
②
工业用水定额预测：采用重复利用率和工业技术进步系数法，其关系式为：
[0140]
(1-k1)/(1-k2)＝(1-a)
n
(q1/q2)
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(14)
[0141]
式中：q1、q2分别为基准年和规划水平年的万元总产值取用水量；k1、k2分别为基准年和规划水平年的重复利用率；a为技术进步系数；n为基准年到规划水平年的年数。
[0142]
③
农业灌溉用水定额预测：采用《xx省农业用水定额》进行推算。
[0143]
④
林牧渔业用水定额预测：由于林牧渔业用水定额资料少且用水量不大，故采用现有用水定额值不做变化预测。
[0144]
(5)预测湖泊外用水需求
[0145]
在预测的规划水平年经济社会发展指标和用水定额基础上，分类计算湖泊外用水需求。依据旱限水位的分级，75％来水频率和95％来水频率应分别计算。
[0146]
w
ul,i
＝0.365
×
p
ul,i
×
m
ul,i
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(15)
[0147]
w
rl,i
＝0.365
×
p
rl,i
×
m
rl,i
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(16)
[0148]
w
al,i
＝0.365
×
p
al,i
×
m
al,i
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(17)
[0149]
w
as,i
＝0.365
×
p
as,i
×
m
as,i
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(18)
[0150]
w
f,i
＝g
i
×
m
f,i
×
(1-c
i
)
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(19)
[0151][0152][0153][0154]
w
fp,i
＝a
fp,i
×
m
fp,i
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(23)
[0155]
式中，w
ul,i
、w
rl,i
、w
al,i
、w
as,i
、w
f,i
、w
li,i
、w
fi,i
、w
gi,i
和w
fp,i
依次表示规划水平年城镇生活、农村生活、大牲畜、小牲畜、工业增加值、农田灌溉、林果地灌溉、草地灌溉、鱼塘养殖需水量；p
ul,i
、p
rl,i
、p
al,i
、p
as,i
、g
i
、a
li,i
、a
fi,i
、a
gi,i
、a
fp,i
分别表示规划水平年城镇人口、农村人口、大牲畜头数、小牲畜头数、工业增加值、农田灌溉面积、林果地灌溉面积、草地灌溉面积、鱼塘面积；m
ul,i
、m
rl,i
、m
al,i
、m
as,i
、m
f,i
、m
li,i
、m
fi,i
、m
gi,i
、m
fp,i
分别表示规划水平年城镇生活、农村生活、大牲畜、小牲畜、工业增加值、农田灌溉、林果地灌溉、草地灌溉、鱼塘养殖对应的用水定额；c
i
表示工业用水重复利用率；η
i
表示灌溉水有效利用系数；i表示年份。
[0156]
步骤四、推求湖泊入湖流量及蒸散发量；
[0157]
(1)计算湖泊入湖流量
[0158]
根据湖泊现有基础资料情况，采用不同方法推求湖泊入湖流量。
[0159]
①
实测资料：对于在入湖口设有水文站并拥有长期流量观测数据的湖泊，可以将离湖泊较近控制性水文站的实测数据作为该湖泊的入湖流量。
[0160]
②
水量平衡法：对于在出湖口设有水文站并拥有长期流量观测数据(入湖口未设立水文站或未拥有入湖口水文站的长序列流量实测数据)的湖泊，可根据该湖泊的水位实测资料和湖泊水位-容积曲线，通过水量平衡原理推求入湖流量。
[0161]
在某一时段中，湖泊水量平衡方程如下：
[0162]
i
入-i
出
＝δw
蓄
＝v(z2)-v(z1)
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(24)
[0163]
式中，i
入
为该时段湖泊的入湖水量，i
出
为该时段湖泊的出湖水量，δw
蓄
为该时段湖泊的蓄水量变化，v()为湖泊水位-容积转换函数，z2、z1分别为湖泊时段末和时段初的水位。
[0164]
根据式(24)推求时段内湖泊的入湖水量，再转换得到湖泊的入湖流量。
[0165]
③
水文模型法：在湖泊入湖流量实测资料序列较短或资料不连续的情况，可通过水文模型模拟湖泊的入流进行插补延长。首先划分该湖泊汇流流域，基于流域的实测资料情况，将实际径流资料分为率定期和验证期，采用合适的水文模型(集总式、分布式或人工智能等)对该流域的产汇流过程进行模拟，当水文模型的精度达到要求时，将缺测时段的预报因子数据输入到模型，以获得完整的长序列入湖流量资料。
[0166]
(2)湖面蒸散发推求
[0167]
①
实测资料法：对于所在流域设有蒸发观测站点的湖泊，可以将离湖泊较近蒸发
站点的实测数据作为该湖泊的湖面蒸散发。
[0168]
②
基于modis卫星遥感数据计算湖泊蒸散发量。
[0169]
首先通过mcd18a1产品获取太阳辐照度，然后通过中国气象局获取日平均空气温度、露点温度以及风速数据，最后使用liacre公式计算湖泊蒸散e：
[0170]
e＝(0.015+0.00042ta+10-6
h)*(0.8q
s-40+2.5
×
u2f(ta-td))
ꢀꢀꢀ
(25)
[0171]
式中，ta表示日平均温度，td表示露点温度，qs表示太阳辐照度，u2表示2m风速，h表示高程，f是与湖泊高度相关的系数。
[0172]
步骤五、计算湖泊旱限水位；
[0173]
(1)计算有源湖旱限水位
[0174]
①
有供水功能湖泊：在最低生态水位的基础上叠加湖泊外用水，并考虑入湖径流及湖泊蒸发进行计算，公式如下：
[0175]
z＝z(v(h
emin
)+v
需水-v
径流
+v
蒸发
)((v
需水-v
径流
+v
蒸发
)>0)
ꢀꢀꢀ
(26)
[0176]
z＝h
emin
((v
需水-v
径流
+v
蒸发
)<0)
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(27)
[0177]
式中，z为旱警水位(p＝75％)或旱保水位(p＝95％)；h
emin
为p＝75％或p＝95％频率下计算的湖泊生态水位；v()为湖泊水位-容积转换函数，v(h
emin
)为湖泊生态水位对应该函数转换后的容积；v
需水
为p＝75％或p＝95％频率下规划水平年湖泊外用水需求；v
径流
为p＝75％或p＝95％频率下入湖径流；v
蒸发
为p＝75％或p＝95％频率下湖面蒸发，v
蒸发
＝e
×
湖面面积；z()为湖泊容积-水位转换函数。
[0178]
②
无供水功能湖泊：不考虑湖泊外用水需求，仅考虑生态水位，旱限水位计算如下式：
[0179]
z＝z(v(h
emin
)-v
径流
+v
蒸发
)((v
蒸发-v
径流
)>0)
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(28)
[0180]
z＝h
emin
((v
蒸发-v
径流
)<0)
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(29)
[0181]
式中，z为旱警水位(p＝75％)或旱保水位(p＝95％)；h
emin
为p＝75％或p＝95％频率下计算的湖泊生态水位；v
径流
为p＝75％或p＝95％频率下入湖径流；v
蒸发
为p＝75％或p＝95％频率下湖面蒸发。
[0182]
(2)由于无源湖泊仅靠降雨及裂隙水补给，蓄水量不大，调蓄功能弱，且大多位于无人区，一般无需设置旱限水位，在此不对其旱限水位计算进行具体分析。
[0183]
步骤六、湖泊旱限水位分期；
[0184]
与汛限水位主要以短期暴雨径流特征进行分期不同，旱限水位分期不仅要考虑湖泊的来水特征，还要考虑不同保障目标的需水特征。
[0185]
fisher最优分割法是一种对有序样本进行聚类的方法，其具有能考虑多指标因子、满足时序性以及能够确定分期数目的特性。
[0186]
综合考虑流域多年平均月降水量、湖泊多年平均月入流量、多年平均月水位、多年平均月需水量，采用fisher最优分割法按照水文年进行湖泊旱限水位分期。
[0187]
步骤七、湖泊旱限水位修正与确定；
[0188]
按照公式计算的湖泊旱限水位不一定满足要求，需要依次按照湖泊水质保护要求、特征水位及干旱预警分期对湖泊旱限水位进行修正并最终确定。
[0189]
(1)按照湖泊水质保护要求修正
[0190]
根据《水域纳污能力计算规程》，计算指定水位下的湖泊纳污能力，计算公式如下
所示：
[0191][0192]
k＝10.3q-0.49
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(31)
[0193]
式中：m为湖泊纳污能力；c
s
为水质目标浓度；c0为湖泊入湖口处的污染物浓度；k为污染物综合衰减系数；φ为扩散角；h
l
为扩展区湖平均水深，查旱限水位对应的湖面面积s和湖容v代入h
l
＝v/s计算得到；r为水域外边界到入河排污口的距离；q
p
为废污水排放量，q为入湖流量。
[0194]
计算湖泊纳污能力是否满足规划水平年水质保护要求。若满足，则计算的湖泊旱限水位无需修正，若不满足，可适当提高湖泊旱限水位重复计算直至满足要求，或者采取更严格的废污水排放量削减措施以保护湖泊水质；需要说明的是，湖泊旱限水位越高湖泊纳污能力越大，湖泊排污量为定值，抬高旱限水位能提高湖泊纳污能力使水质满足要求，旱限水位不变减少排污量也能使水质满足要求。
[0195]
(2)按照湖泊特征水位修正
[0196]
湖泊旱限水位应满足湖泊特征水位要求：
①
旱限水位应不高于汛限水位；
②
旱限水位应不低于通航水位；
③
旱保水位应不高于旱警水位。
[0197]
(3)按照湖泊干旱预警分期修正
[0198]
根据湖泊干旱预警分期结果，同一干旱预警分期内多个逐月旱限水位取最大值作为分期旱限水位。
[0199]
步骤八、湖泊旱限水位合理性检验；
[0200]
(1)采用蓄水量距平百分率作为湖泊旱限水位合理性分析的水文干旱指标，根据其计算结果判断历史年湖泊的干旱程度，计算公式如下：
[0201]
i
k
＝[(s-s0)/s0]
×
100％
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(32)
[0202]
式中，s为当前湖泊蓄水量，s0为同期多年蓄水量。当i
k
处于-10％～-30％的范围时，为轻度干旱；当i
k
处于-31％～-50％的范围时，为中度干旱；当i
k
处于-51％～-80％的范围时，为重度干旱；当i
k
＜-80％时，为特大干旱。
[0203]
(2)将旱限水位与历史水位对比，当历史水位低于同期旱限水位时，则认为该时段发生了干旱；当历史水位高于同期旱限水位时，则认为该时段没有发生干旱。
[0204]
(3)统计水文干旱指标判断得出的时段干旱程度与旱限水位判断得出的时段发生干旱的一致百分比，检验旱限水位对不同干旱程度的预警能力，评价其是否可以满足旱灾预警的要求。
[0205]
在一个更具体的实施例中，本发明以洪湖为实施例，以验证本发明的效果。具体技术方案如下：
[0206]
步骤一、湖泊旱限水位分级
[0207]
根据《旱限水位(流量)确定办法》中旱限水位定义，将旱限水位分为旱警水位和旱保水位两个等级，分别定义为能够保障一般干旱年份(来水频率75％)和特枯年份(来水频率95％)湖泊用水安全的水位。
[0208]
步骤二、湖泊功能定位与湖泊类型划分；
[0209]
如图3所示，在对洪湖的功能调查研究和评价分析的基础上，进一步对洪湖的主要
功能和次要功能进行定位，明确洪湖生态系统对湖泊水位的保障需求以及洪湖各功能对应的保障目标。湖泊功能调查内容包括湖泊生态环境及其经济特征和湖泊功能及其资源利用现状。根据湖泊来水补给条件，将湖泊划分为有源湖、无源湖两类，根据有无供水，将有源湖泊划分为有供水功能和无供水功能湖泊，并分别对不同类型湖泊的旱限水位保障目标进行分析。本次选取的试点洪湖为有源有供水功能湖泊。本次研究选取的试点洪湖经调研考察，仅需保障生态环境目标，不考虑航运、渔业及娱乐项目水位目标。
[0210]
步骤三、计算湖泊最低生态水位及湖泊外用水需求；
[0211]
(1)根据洪湖挖沟咀水位站实测资料序列(1962-2017年逐日水位)，对洪湖各月平均水位进行频率分析计算，选用p
-ⅲ
型理论曲线配线，得到挖沟咀水位站在p＝75％、p＝95％频率下各月平均水位设计成果。
[0212]
(2)通过2012年荆州市水文局实测的最新洪湖湖泊水位z和湖泊面积f资料(2012年“一湖一勘”资料)，构建湖泊水位z和湖泊水面面积变化率df/dz的关系曲线，湖泊水面面积变化率关系曲线的最大值对应的水位为23.20m，属于较低水位，因此洪湖生态水位为23.20m。
[0213]
(3)鱼类对湖泊生态系统具有特殊作用，同时，对低水位最为敏感。可认为鱼类的生态水位得到满足，则其他类型生物的生态水位也可得到满足。洪湖湖底平均高程为22.50m，参考生态水位相关文献研究成果，综合各种资料分析，洪湖鱼类生存要求的最小水深约为1.0m。因此，洪湖生态水位为23.50m。
[0214]
(4)天然情况下的低水位对生态系统的干扰在生态系统的弹性范围内，并不影响生态系统的稳定。因此，天然最低水位是生态系统水位阈值的下限，可取最枯月平均水位作为天然最低水位。洪湖最枯月平均水位为23.03m。
[0215]
(5)从湖泊水生态偏安全角度考虑，取水文频率分析法、湖泊形态分析法、生物空间法和最枯月平均水位法4种方法中较大值作为湖泊生态水位，故洪湖在p＝75％、p＝95％频率下的生态水位如附图4所示。
[0216]
(6)洪湖的湖泊外用水需求主要是对下内荆河灌区沿岸农田进行农业灌溉。根据《洪湖市下内荆河灌区续建配套与现代化改造实施方案》，分析2015-2017年下内荆河灌区内实际年用水量。
[0217]
(7)进行规划水平年需水量预测。本次计算取2020年为规划水平年，故2020年灌溉面积预测为67.1万亩，多年平均综合灌溉定额254m3/s，灌溉水有效利用系数0.516。故预测75％和95％频率下综合灌溉定额分别为269m3/s和339m3/s，灌溉需水量分别为34980万m3和44083万m3。由于下内荆河灌区用水总量控制指标为38400万m3，故调整95％频率下下内荆河灌区灌溉需水量为38400万m3。按照各月农业灌溉系数计算逐月需水。
[0218]
步骤四、推求湖泊入湖流量及研究蒸散发特征；
[0219]
由于洪湖在入湖口设有水文站并拥有长期流量观测数据的湖泊，可以将离湖泊较近控制性水文站的实测数据直接作为其入湖流量，因此无需推求蒸散发量以及湖泊入湖流量。
[0220]
步骤五、计算湖泊旱限水位；
[0221]
洪湖为有源有供水功能湖泊，带入式(26-27)计算各月旱限水位，结果如附表1所示。
[0222]
表1为洪湖各月旱限水位表
[0223][0224]
步骤六、湖泊旱限水位分期；
[0225]
综合考虑洪湖流域多年平均月降水量、湖泊多年平均月入流量、多年平均月水位、多年平均月需水量等特征因子，采用fisher最优分割法按照水文年进行湖泊旱限水位分期。洪湖旱限水位分期如附图5所示。
[0226]
步骤七、湖泊旱限水位修正与确定；
[0227]
(1)由于洪湖闸泵过多，无法获取水质监测数据，故无法根据水质保护要求修正。
[0228]
(2)由于每年5月1日至8月31日、每年9月1日至10月15日对应的汛限水位分别为24.5m和25.5m，故需要根据特征水位限制修正计算的旱限水位，且湖泊旱保水位不得高于旱警水位，洪湖不同频率下逐月修正旱限水位如表2所示。
[0229]
表2为洪湖不同频率下逐月修正旱限水位表(单位：m)
[0230][0231]
(3)考虑到汛期跨度较长，将汛期进一步分期，洪湖不同频率下分期修正旱限水位如表3所示。洪湖修正后的逐月旱限水位如表3和分期旱限水位如图6所示。
[0232]
表3为洪湖不同频率下分期修正旱限水位表(单位：m)
[0233][0234]
步骤八、湖泊旱限水位合理性检验；
[0235]
采用蓄水量距平百分率作为水文干旱指标，通过1962～2017年洪湖历史每月水位
资料及其水位-容积关系推求1962～2017年洪湖月蓄水量，进而代入式(29)计算蓄水量距平百分率i
k
，判断各级干旱出现月。根据步骤七计算得到的洪湖逐月和分期旱限水位，筛选历史干旱月，与水文指标判断得到干旱月对比，计算干旱结果一致的百分比，结果如附表4和表5所示。
[0236]
表4为洪湖逐月旱限水位与水文干旱结果一致的百分比表
[0237][0238]
表5为洪湖分期旱限水位与水文干旱结果一致的百分比表
[0239][0240]
图7为本发明提供的湖泊分级分期旱限水位确定系统架构图，如图7所示，包括：
[0241]
生态水位确定单元710，用于基于四种湖泊生态水位分析法确定不同来水频率下每个月的湖泊生态水位；所述四种湖泊生态水位分析法包括：水文频率分析法、湖泊形态分析法、生物空间法以及最枯月平均水位法；
[0242]
外用水需求确定单元720，用于基于预测的经济社会发展指标和预测的用水定额计算不同来水频率下每个月的湖泊外用水需求量；
[0243]
入湖流量确定单元730，用于基于入湖口的长期流量观测数据或出湖口的长期流量观测数据确定不同来水频率下每个月的湖泊入湖流量；
[0244]
湖面蒸发确定单元740，用于基于湖泊蒸发站点的测量数据或太阳辐射强度数据和气象数据确定不同来水频率下每个月的湖面蒸散发量；
[0245]
旱限水位分级计算单元750，基于不同来水频率下每个月的湖泊生态水位、不同来水频率下每个月的湖泊外用水需求量、不同来水频率下每个月的湖泊入湖流量以及不同来水频率下每个月的湖面蒸散发量计算不同来水频率下每个月的湖泊旱限水位；
[0246]
旱限水位分级分期确定单元760，用于结合流域多年平均月降水量、湖泊多年平均月入流量、湖泊多年平均月水位以及湖泊多年平均月需水量，采用fisher分割法将一个水文年中的月份进行分期，每一分期包括至少一个月，基于不同来水频率下每一分期包括的每个月的湖泊旱限水位确定不同来水频率下每一分期的湖泊旱限水位。
[0247]
需要说明的是，图7中各个单元的详细功能参见前述方法实施例中的介绍，在此不做赘述。
[0248]
本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。