专利名称：一种兼顾人类和生态需求的水库兴利库容确定方法
技术领域：
本发明属于水库规划设计技术领域，涉及一种兼顾人类和生态需求的水库兴利库容确定方法。
背景技术：
水库兴利库容的确定是水库规划设计的一项基本工作。合理的水库兴利库容的制 定有利于提高水库的兴利效益(比如供水、发电)，同时有利于维持河流生态系统的健康。 现有的水库兴利库容确定方法主要有逆时推算法和连续尖峰演算法等。其中，逆时推算法 在我国应用较多，在运用逆时推算法时，假定年末水库为空，逆时序向前计算，遇缺水(入 流小于人类需水)相加，遇余水(入流大于人类需水)相减，减后若小于零即取为零，这样 便可求得各时刻所需要的需水量，取其最大者，即为所需兴利库容；连续尖峰演算法广泛应 用于美国及世界其他各地，它具有多种并列的形式，其中一种形式是首先计算入流量和需 水量(人类需水量和下渗蒸发等损失)之差的累加值，并将各时刻的累加值绘制成图，找出 第一尖峰(局部最大值)与其他尖峰(局部最大值且数值大于前一个尖峰)以及相邻两个 尖峰间的最低凹谷值，求出相邻两个尖峰中的前一个尖峰值与这相邻两个尖峰间的凹谷值 的差，这些差中的最大值即为所需兴利库容；连续尖峰演算法的另一种形式假设水库的最 大库容为0、各个时刻库容非正、且起始库容为0，通过水库的入流和出流模拟确定各个时 刻水库的库容，并计算初始库容和各个时刻库容的差值，最大的差值即为所需的兴利库容。 以上方法都能较方便的计算出提供某一规划的供水量所需要的水库兴利库容(供水保证 率100% )，但是它们都只面向了水库向人类供水的需求，但并没有同时面向水库向河流提 供生态流量和向人类供水的双需求，得出的水库库容难以同时满足人类和河流生态系统的 需求。
发明内容
针对现有水库兴利库容确定方法的不足只面向了人类供水需求，而未同时面向 为河流提供生态流量的需求，本发明要解决的技术问题是建立一种新的水库兴利库容确定 方法，基于该技术确定的水库库容能提供人类需要的水量，并满足河流生态系统所需的生 态流量，从而实现人类需水的满足和河流生态系统的保护。本发明解决该技术问题所采用 的技术方案如下首先，确定出河流生态流量的关键参数值，并根据水库入流量的大小将入 流分为四个区间，当流量位于不同区间时采取不同的生态流量过程，以满足不同的流量时 期的不同的生态流量需求；然后，通过模拟计算，确定出在满足制定的生态流量过程的情况 下，所能提供给人类的最大供水量；最后在可供水范围内选定规划供水量，并与制定的生态 流量过程相结合，通过人类和生态供水兼顾的连续尖峰演算法得出同时满足规划的供水量 和生态流量所需的水库兴利库容。其具体的步骤如下(1)河流平滩流量、最小生态需水和高脉冲流量的下限阈值的确定河流平滩流量可通过河流实地监测、水力学模拟和水文统计等方法确定，其中，可运用对数-皮尔逊III型概率分布函数得出重现期为1. 5年的洪水的洪峰流量作为平滩流 量的初步估算；河流最小生态流量的确定可采用水文学、水力学和生态模拟等多种方法，其 中，可采用Termant法或Q95法初步估算河流最小生态需水；通过水文统计，确定多年自然 日流量的第75百分位数，将其作为河流高脉冲流量的下限阈值。(2)河流生态流量过程确定在河流平滩流量和历史最大日流量之间，选定一个流量，作为洪水期的河流生态 流量(I1),该流量越大越有利于维持河流的洪泛区的生态系统健康，对于人类用水短缺的 地区可将该数值(I1)设置为平滩流量，以增加可供给人类的水量；在高脉冲流量的下限阈 值(多年自然日流量的第75百分位数)和平滩流量之间，选定一个流量，作为高脉冲期生 态流量过程的起点(I2)，该流量越小越有利于河流的河道内的生态系统健康，推荐该流量 等于高脉冲流量的下限阈值(多年自然日流量的第75百分位数)，以保证河道内生态系统 健康。
在选定了洪水期的河流生态流量(I1)和高脉冲期生态流量过程的起点(I2)的基 础上，确定以下的河流生态流量过程 当水库的入流量(INi)大于水库规划供水量(Q)和I1之和时，河流的生态流量 (Ei)设为 I1 ； 当水库的入流量(INi)大于I2并且不小于水库规划供水量(Q)和I1之和时，河 流的生态流量设为水库的入流量与规划供水量(Q)之差； 当水库的入流量位于河流最小生态需水(MEi)和I2之间时，河流的生态流量设 为河流最小生态需水(MEi)； 当水库的入流量小于河流最小生态需水(MEi)时，河流的生态流量等于水库的 入流量；以上的生态流量过程可用下式表示当INi > Q+Ui = I1(1)当Q+I!彡 INi > I2, Ei = INi-Q(2)当 I2 彡 INi 彡 MEi, Ei = MEi(3)当 INi < MEi, Ei = INi(4)其中=INi为水库的第i日的入流量(m3/s) ；Q为水库的规划供水量(m3/s) 为 第i日河流的生态流量(m3/s) ；I1为洪水期规划的生态流量(m3/s) ；I2为高脉冲期生态流 量过程的起点(m3/s) ；MEi为第i日河流的最小生态需水量(m3/s)。(3)河流可供水量阈值确定河流的水量不能全部供用于人类，即水库规划的供水量(Q)应小于河流年平均径 流量(AIN)。在0和河流年平均径流量(AIN)之间，以某一较小数值(比如0. OOlmVs)为 步长，逐渐增加规划供水量(Q)，采用多年(N年)径流历史数据，按照上一步确定的生态流 量过程，对各个规划供水量下的实际供水量和生态流量进行模拟计算。能使这N年的实际 供水量和生态流量之和不大于这N年的总径流量之和的最大的规划供水量(Q)，即为河流 可供水量的上限值(MQ)。其可用下式表示MQ = max (Q)(5)<formula>formula see original document page 5</formula>其中T为所用的多年流量数据的总天数。(4)水库兴利库容的确定根据社会经济的需水状况，在0和河流可供水量的上限值(MQ)之间，选定出规划 的供水量(Q)。建立人类和生态供水兼顾的连续尖峰演算法，求出保证规划的供水量和生态 流量所需的水库兴利库容。人类和生态供水兼顾的连续尖峰演算法的计算公式如下
<formula>formula see original document page 5</formula>
其中=Si为第i日的水库库容量(m3)，其中S。= 0 ;SC为保证规划的供水量和生态 流量所需的水库兴利库容(m3)。公式(7)和(8)是传统的人类供水导向的连续尖峰演算法 的一种升级，区别在于人类供水导向的连续尖峰演算法未考虑河流的生态需水，即未包括 河流的生态流量Ei。本发明的优点在于针对河流流量所属的时期的不同，分别确定出不同的生态流 量，以维持河流生态系统健康，并将生态流量与水库的供水相结合，确定出可以同时保证规 划的供水量和生态流量的水库兴利库容，从而实现了水库兴利库容设计的人类和生态需求 的兼顾。
图1为兼顾人类和生态需求的水库兴利库容确定方法流程图；
具体实施例方式下面以某流域的一个水库为实施例进一步说明本发明。(1)河流平滩流量、最小生态需水和高脉冲流量的下限阈值的确定运用多年日径流数据，采用对数-皮尔逊III型概率分布函数得出重现期为1.5 年的洪水的洪峰流量为42. 38m7s，将其作为平滩流量；采用Q95法确定河流最小生态需水 (MEi)为0. 57m3/s ；并统计出多年自然日流量的第75百分位数对应的流量为6. 43m3/S，其为 高脉冲流量的下限阈值。(2)河流生态流量过程确定该水库所在区域用水紧张，将平滩流量42. 38m7s，作为洪水期的河流生态流量 (I1)；将第75百分位数对应的流量6. 43m7s作为高脉冲期生态流量过程的起点(I2)，以保 证河道内生态系统健康。河流的生态流量过程为·当水库的入流量大于水库规划供水量(Q)和42. 38m3/s之和时，河流的生态流 量(Ei)为 42. 38m3/s ；·当水库的入流量(INi)大于6. 43m3/s并不小于水库规划供水量(Q)和42. 38m3/ s之和时，河流的生态流量为水库的入流量与规划供水量(Q)之差；·当水库的入流量位于河流最小生态需水0. 57m3/s和6. 43m3/S之间时，河流的生 态流量设为河流最小生态需水0. 57m3/s ；·当水库的入流量小于河流最小生态需水0. 57m3/s时，河流的生态流量等于水库的入流量；(3)河流可供水量阈值确定河流年平均径流量(AIN)为6. 85m7s。在0和6. 85m3/s之间，以0. 00 Im3/s为步 长，逐渐增加规划供水量(Q)，按照上一步中制定的生态流量过程，对各个规划供水量下的 实际供水量和生态流量进行模拟计算。得出能使实际供水量和生态流量之和不大于总径流 量的最大的可供水量为2. 06m3/S。(4)水库兴利库容的确定为提供最多的水给人类，这里选用2. 06m3/s作为规划供水量(Q)。将确定的Q值 2. (^!^八，“值斗〗.281113/8，12值6. 43m3/s ；1^值0. 57m3/s 带入式(1)-⑷、式(7)和式(8)， 即可得出所需的水库兴利库容为2. 16X108m3。
权利要求
一种兼顾人类和生态需求的水库兴利库容确定方法，其确定步骤如下(1)河流平滩流量、最小生态需水和高脉冲流量的下限阈值的确定河流平滩流量可通过河流实地监测、水力学模拟和水文统计等方法确定，其中，可运用对数-皮尔逊III型概率分布函数得出重现期为1.5年的洪水的洪峰流量，作为平滩流量的初步估算；河流最小生态流量的确定可采用水文学、水力学和生态模拟等多种方法，其中，可采用Tennant法或Q95法初步估算河流最小生态需水；通过水文统计，确定多年自然日流量的第75百分位数，将其作为河流高脉冲流量的下限阈值；(2)河流生态流量过程确定在河流平滩流量和历史最大日流量之间，选定一个流量，作为洪水期的河流生态流量(I1)；在高脉冲流量的下限阈值(多年自然日流量的第75百分位数)和平滩流量之间，选定一个流量，作为高脉冲期生态流量过程的起点(I2)；在选定了洪水期的河流生态流量(I1)和高脉冲期生态流量过程的起点(I2)的基础上，确定以下的河流生态流量过程●当水库的入流量大于水库规划供水量和I1之和时，河流的生态流量设为I1；●当水库的入流量大于I2并且不小于水库规划供水量和I1之和时，河流的生态流量设为水库的入流量与规划供水量之差；●当水库的入流量位于河流最小生态需水和I2之间时，河流的生态流量设为河流最小生态需水；●当水库的入流量小于河流最小生态需水时，河流的生态流量等于水库的入流量；(3)河流可供水量阈值确定在0和河流年平均径流量之间，以某一较小数值为步长，逐渐增加规划供水量，采用多年(N年)径流历史数据，按照上一步确定的生态流量过程，对各个规划供水量下的实际供水量和生态流量进行模拟计算；能使这N年的实际供水量和生态流量之和不大于这N年的总径流量之和的最大的规划供水量，即为河流可供水量的上限值；(4)水库兴利库容的确定根据社会经济的需水状况，在0和河流可供水量的上限值之间，选定出规划的供水量；同时保证规划的供水量和生态流量所需的水库兴利库容可用下式确定Si＝min(0，Si-1+INi-Ei-Q)(1)SC＝-min(Si) i＝1，2，...，2T (2)其中Si为第i日的水库库容量(m3)，其中S0＝0；INi为水库的第i日的入流量(m3/s)；Ei为第i日河流的生态流量(m3/s)；Q为水库的规划供水量(m3/s)；SC为保证规划的供水量和生态流量所需的水库兴利库容；T为所用的多年流量数据的总天数。
全文摘要
一种兼顾人类和生态需求的水库兴利库容确定方法，首先，确定出河流所需的生态流量的关键参数值(洪水期规划生态流量，高脉冲流量起点，最小生态需水量)，并根据水库入流量的大小将入流分为四个区间，当流量位于不同区间时采取不同的生态流量过程，以满足不同的流量时期的不同的生态流量需求；然后，通过模拟计算，确定出在满足制定的生态流量过程的情况下，所能提供给人类的最大可供水量；最后在可供水范围内选定规划供水量，并与制定的生态流量过程相结合，通过采用人类和生态供水兼顾的连续尖峰演算法，得出同时满足规划的供水量和生态流量的所需的水库兴利库容。该水库兴利库容确定方法同时考虑人类需水和生态需水，能向人类提供规划的供水量，并能提供河流生态系统所需的生态流量，有效的保护河流生态系统健康。
文档编号E02B1/00GK101831887SQ201010127110
公开日2010年9月15日 申请日期2010年3月18日 优先权日2010年3月18日
发明者尹心安, 杨志峰, 杨薇, 陈贺 申请人:北京师范大学