专利名称：一种生态需水季节差异快速分析方法
技术领域：
本发明属于环境保护技术领域，尤其涉及一种快速分析生态需水量季节差 异的方法，解决不同季节生态需水计算资料需求和工作量大，难以直接应用于不 同季节的水资源配置和生态环境修复问题。
背景技术：
社会经济快速发展过程中，由于不合理地开发和利用水资源，河流、湖泊、 河口等湿地生态系统需水短缺，造成生态退化的问题日益严重。近些年来，生 态退化在对不同尺度生态系统平衡造成严重负面影响的同时，己成为区域社会 经济可持续发展的关键制约因素。面向生产、生活及生态用水协调配置的生态 需水定量分析技术成为当前实现生态环境保护与社会经济可持续发展面临的重 要问题。
目前不同类型生态需水计算方法主要针对生态系统类型结构和功能间的差 异，提出针对不同类型生态保护目标的定量分析方法。其中计算方法主要包括
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)。水文学方法是根 据基于河道径流对生态系统重要的基础性作用，根据水文学指标对河道流量进 行设定，假定恢复、保持河道内一定规模的来流即可实现生态系统对径流的需 求。Tennant方法即是一种典型的水文学方法，方法采用一定经验百分比的年均 流量作为相应的生态需水量。在对径流与生物种群分布关系缺乏足够认识的情 况下，水文学方法中流量经验百分比的确定具有较大的经验性，方法的应用需经过验证。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。湿周法将湿周作 为某个河流栖息地质量指标，通过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(Gippdetal.， 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(Scaterm， 2004)。整体法根据 不同专业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不同生态保护目标，如生物保护、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，整体法的工作量相对较大。
不同类型生态需水计算方法主要针对水文、水力、栖息地环境要素以及生 物量等不同类型生态目标要求确定相应的需水量。由于生态系统中水文过程以 及生物过程间存在的季节性差异，生态目标以及相应的生态需水量具有显著的 季节差异性。然而，目前不同类型生态需水计算方法均存在不能快速分析生态 需水时间差异性的不足。针对不同季节间生态需水差异性问题，目前生态需水 计算方法只能通过筛选各季节指示性生态目标，分别分析不同季节生态目标对 径流水文过程的响应关系，进而才能计算出不同季节生态需水量，相应计算过 程对生态水文资料需求量大而且计算工作量大，难以直接应用于考虑年内季节 间生态系统差异的水资源配置和生态环境保护技术中。
发明内容
本发明针对目前我国生态系统生态学资料缺乏，特别是与水文过程相对应 的生态学资料非常匮乏情况下，不同类型生态需水计算方法难以快速分析生态 需水年内季节间差异的不足，提供了一种生态需水季节差异快速分析方法，通
过将年内不同季节生态需水计算划分为关键期生态需水计算和年内时间变化计算两部分，避免了针对不同季节生态系统差异分别分析需水量时，数据量要求 大且计算工作量大的难题。
本发明的特征在于将生态系统随时间变化的生态目标划分为关键期生态目 标和需水量时间变化目标2部分。其中，以生态、生产需水矛盾最突出的生物 繁殖期对栖息地环境要素的要求作为关键期生态目标，根据关键期生态目标与 径流间的关系确定关键期生态需水量，进而采用多年平均天然径流量年内时间 变化率作为生态需水量年内时间变化目标确定生态需水季节差异，实现快速分 析生态需水季节差异要求，有效解决考虑季节差异生态需水计算工作量大的问 题。
本发明的主要目的在于解决不同季节生态需水定量计算资料需求量和计算 工作量大，目前生态需水计算方法难以为考虑年内季节间生态系统差异的水资 源配置和生态环境保护技术提供支持的难题。与现有技术相比本专利技术具有 以下优点
(1) 资料需求小，本发明将不同季节生态需水目标计算生态需水年内季节 的差异划分为计算关键期生态需水量和生态需水年内时间变化规律两部分，在 保障计算结果科学合理的基础上，资料需求量有限，有效实现生态需水季节差 异快速分析的目的。
(2) 实用性强，选择生物繁殖期对栖息地的要求确定关键期生态需水量， 考虑天然条件下水文过程与生物过程间的对应关系，采用多年平均天然径流量 年内时间变化率作为生态需水量年内时间变化目标，计算方法科学合理且简单 易操作，避免了繁琐的计算工作量，实用性强。
(3) 可直接应用于考虑生态系统季节差异的水资源配置和生态修复技术中。
附图为本发明计算得到典型河口生态需水年内季节差异。
具体实施例方式
以下详细说明本发明的工作原理和实施方式
首先确定关键生态目标，通过建立生态目标参数与径流间的关系，确定生 态需水量。本发明将生态目标划分为关键期生态目标和时间变化目标两部分。
1) 关键期生态需水量计算
生态系统典型生物对栖息地生态目标主要体现在流速、水深2方面。流速、 水深与河道径流量间的关系可采用典型河道流速与过流断面及水深间相关关系 实测资料确定。对于断面相对规则的河道可采用曼宁公式建立流速、水深与河 道径流量间的关系，进而确定相应关键期生态环境需水量，得到一定生态目标 条件下的生态需水量K，计算见式(1)
^=^ = /^(//." (1)
其中2为流量(m3^1)， ^为时间，计算关键期以月份为单位。
2) 生态需水时间变化目标
考虑自然状况下天然径流量变化与生物种群分布间具有密切的对应关系。 以保持生态系统自然状况为基础，根据天然径流量多年平均时间变化率确定生 态需水量年内季节间时间变化目标，采用式(2)计算
^le,/》 (2)
式中凡表示各月生态需水占年度总量的比例，下标!'为月份；a表示不同y年度 天然径流总量，《,表示第/年/月河道天然径流量，w为天然径流量统计年数。3)年度生态需水总量以及季节间的差异
根据年内关键期生态需水量K以及关键期生态需水量占年度总量的比例， 确定生态需水年度总量，计算见式(3)
『=& (3)
式中&为关键期生态需水量占年度总量的比例，『为生态需水年度总量。
根据生态需水年度总量及年内不同季节生态需水占年度总量比例，计算年
内不同季节生态需水量，计算见式(4)
f^=『《 (4) 式中，K为第i个月生态需水量。 实例l
以我国北方典型河道年内不同季节生态需水计算为例说明本发明的具体实 施方式。根据河流多年平均天然径流量年内时间分布和计算公式(2)计算得到 各月生态需水占年度总量的比例。其中8月和3月分别出现两个峰值。选择生 态系统需水矛盾最突出的4月生物繁殖初始时期对栖息地环境的要求作为关键 期生态目标。根据产卵场物理环境的不同对水流流速的要求确定生物对水体流 速的目标参数选定为0.15m.s" 0.7nvs—、根据典型河道流速与过流断面及水深 间相关关系计算关键期河道生态需水量如下表1所示，
表1关键期河道生态需水量
等级流速目标/m-s'1断面面积/m24月生态需水量/108 m3
最小0.1531.004.650.12
适宜0.4539.5717.810.46
咼0.7046.7132.700.85
根据表1计算得到关键期生态需水量及河道天然径流量年内时间变化目标，
采用式(3)和(4)计算得到河道全年及各月生态需水量见表2。表2河道各月不同等级生态需水量(10KmO
等级3月101112
l月2月4月5月6月7月8月9月月月月总量
最小0.050.060.170.120.070.110.250.330.160.120.080.051.56
适宜0.190.220.640.460.280.400.971.250.600.450.290.205.97
咼0.350.411.190.850.520.751.792.311.110.840.540.3711.02
实例2
选择河口典型底栖生物及中华鲟为指示物种，确定河口关键期生态需水目 标，同时将天然径流量时间变化规律作为生态需水的时间变化目标以维持生态 水文过程的天然节律。计算得到理想、适宜、最小等级年生态需水分别为 919.1x109、 705.9><109和593.3xl09m3。附图为计算得到的年内不同季节生态需水 变化情况。5 10月生态需水所占比例偏高，占年度总量的70%以上。
8
权利要求
1.一种生态需水季节差异快速分析方法，其步骤为1)计算关键期生态需水量；2)明确生态需水年内季节间时间变化目标；3)计算年度生态需水总量以及年内各月季节间的差异。
2. 根据权利要求1所述的一种生态需水季节差异快速分析方法，根据天然 径流量多年平均吋间变化率确定生态需水量年内季节间时间变化目标，采用式(1)计算<formula>formula see original document page 2</formula>式中/ ,表示各月生态需水占年度总量的比例，下标Z'为月份；A表示不同/年度 天然径流总量，仏表示第/年/月河道天然径流量，"为天然径流量统计年数。 根据年内关键期生态需水量R以及关键期生态需水量占年度总量的比例， 确定生态需水年度总量，计算见式(2)<formula>formula see original document page 2</formula>式中A为关键期生态需水量占年度总量的比例，w为生态需水年度总量。根据 生态需水年度总量及年内不同季节生态需水占年度总量比例，计算年内不同季节生态需水量，计算见式(3)(3)<formula>formula see original document page 2</formula>式中，^为第i个月生态需水量。
全文摘要
本发明提供了一种快速分析生态需水季节差异的方法，针对目前生态系统生态水文相关关系资料非常匮乏情况下，不同类型生态需水计算方法均存在不能快速分析生态需水时间差异的不足，将生态系统随时间变化的生态目标划分为关键期生态目标和需水量时间变化目标两部分。以生态、生产需水矛盾最突出的生物繁殖期对栖息地环境要素的要求作为关键期生态目标，并确定关键期生态需水量，采用多年平均天然径流量年内时间变化率作为生态需水量年内时间变化目标，最终确定生态需水季节差异，实现快速分析生态需水季节差异要求。本发明避免繁琐的计算工作量和资料需求量，有效实现生态需水季节差异快速分析的目的。
文档编号G06F19/00GK101650763SQ20091017008
公开日2010年2月17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