基于生态动力学筛选湖泊引水方案的方法与流程

本发明涉及河湖水生态保护和治理领域，具体涉及一种基于生态动力学筛选湖泊引水方案的方法。

背景技术：

城市湖泊是城市的重要水体形态，在抵御洪水、调节径流、改善气候、维持生态平衡等方面发挥着重要作用。近年来，随着城市化进程的加快，我国城市湖泊面临着个数锐减、面积萎缩、水系割裂等重大问题，致使湖泊调蓄功能弱化，自净能力下降，生态功能逐步丧失。目前大部分城市湖泊面临富营养化问题，水质难以达到使用功能的要求。为积极应对湖泊资源和环境的现实问题，迫切需要探索一条经济社会高效发展与湖泊生态持续健康的协同共生之路。

针对我国城市湖泊面临的水环境和水生态问题，国家加大了城市湖泊保护和治理力度，大量开展了截污控污、底泥疏浚等工程，但湖泊水污染问题仍未完全解决。2009年，水利部提出“河湖水系连通”，通过以动制静、以清释污，增强湖泊水体流动性，达到恢复湖泊自净能力、提高水环境容量和改善河湖生态环境的目的。河湖水系连通是提高抵御洪涝灾害能力和水资源统筹调配能力的迫切需要，成为国家江河治理和水生态改善修复的重大需求，对于水资源可持续利用、经济社会高效发展、生态文明水平稳步提高具有重要意义。

目前，河湖水系连通的技术理论和评估方法尚处于探索阶段，对于河湖水系连通理论体系及环境影响还缺乏足够的认识。在现有的河湖水系连通评估研究中，大多是对河湖连通后湖泊水动力或水质改善效果进行评价，很少考虑水生态效应的影响，这种评价方法不能全面地反映河湖连通工程带来的湖泊水环境和水生态改善效益，从而造成河湖连通方案选择的不合理。如何量化水环境和水生态效应，为实施河湖水系连通这一战略提供更可靠的理论及技术支撑，是目前需要进一步探讨的问题。

技术实现要素：

本发明针对现有河湖水系连通评估研究中，较少考虑水生态效应这一问题，提供了一种基于生态动力学筛选湖泊引水方案的方法，

为实现上述目的，本发明所设计一种基于生态动力学筛选湖泊引水方案的方法，包括以下步骤：

1)根据受水湖泊水系现状和河湖连通规划情况，选取m种湖泊引水路线；

2)查阅受水湖泊所在区域同类调水工程引水容积比参考范围(单位：s﹒亿)，并勘测受水湖泊的容积(亿m³)，引水容积比乘以受水湖泊的容积求得受水湖泊引水流量的范围，然后再受水湖泊引水流量的范围选取n种引水流量；

3)将上述引水路线和引水流量进行排列组合，从中选取p种引水方案；

4)对引水水源和受水湖泊进行实地监测与资料收集，获取受水湖泊模拟所需的数据；

5)采用efdc软件对受水湖泊进行网格化，设置边界条件和初始条件，通过efdc软件的水动力模块和水质模块，构建湖泊生态动力学模型；

6)利用受水湖泊水位、流速、水温、do、tn、tp和chla相关指标的实测数据，对受水湖泊生态动力学模型的水动力参数和水质参数进行率定和验证，使各指标模拟值和实测值的相对误差小于15％；

7)根据步骤3)中p种引水方案的引水水源水质和引水流量设定边界条件，运用上述构建的受水湖泊生态动力学模型，模拟得到不同引水方案下受水湖泊的流场和水质(包括tn、tp、chla相关水质指标)浓度时空分布情况；

8)利用受水湖泊生态动力学模型模拟，得到不同引水方案下引水前后的每个网格的chla浓度，由下述公式计算每个网格营养状态指数；

tli(chla)＝10[2.5+1.086ln(chla)]

式中，chla浓度单位为μg/l，tli(chla)为以chla为参数的营养状态指数；chla浓度计算得到的综合营养状态指数来反映引水前后湖泊富营养化程度，通过引水前后富营养化面积比例变化情况来作为引水方案优劣的标准；

9)利用上述计算得到的营养状态指数法来评价受水湖泊每个网格的营养化程度；

10)根据受水湖泊每个网格营养状态指数计算结果，由下式计算得到受水湖泊各级营养状态面积比例：

11)比较不同引水方案前后的受水湖泊各级营养状态面积比例的变化，确定湖泊引水方案；

当实施某引水方案后受水湖泊的富营养化水体面积比例大于引水前时，说明该引水方案不可行，

当实施某引水方案后受水湖泊的富营养化水体面积比例小于引水前时，说明方案可行，且引水后富营养化水体面积比例越小，说明湖泊富营养化程度越轻，该引水方案越优。

进一步地，所述步骤4)中，数据包括引水水源和受水湖泊的水温、溶解氧(do)、总氮(tn)、总磷(tp)、氨氮(nh3-n)、叶绿素a(chla)，以及受水湖泊的水下地形、点源污染、湖泊进出口流量、湖泊水位、湖泊流速。

再进一步地，所述步骤9)中，每个网格的营养化程度评价标准如下：

当0<tli(chla)≤30时，营养化程度为贫营养；

当30<tli(chla)≤50时，营养化程度为中营养；

当50<tli(chla)≤60时，营养化程度为轻度富营养；

当60<tli(chla)≤70时，营养化程度为中度富营养；

当70<tli(chla)≤100时，营养化程度为重度富营养。

本发明的有益效果：

本发明提出的基于生态动力学的河湖连通方案优选方法，以chla浓度变化情况来反映引水前后浮游植物的生长变化，通过综合营养状态指数来评价湖泊的富营养化程度。通过该方法的运用，可在众多河湖连通方案中优选出效果最优方案，为河湖连通工作的开展提供一定参考依据。

附图说明

图1为本发明的基于生态动力学的河湖连通方案优选方法的流程示意图。

具体实施方式

下面结合具体实施例对本发明作进一步的详细描述，以便本领域技术人员理解。

如图1所示以某城市湖泊为例，基于生态动力学筛选该湖泊引水方案的方法，具体步骤如下：

1)根据受水湖泊水系现状和河湖连通规划情况，选取2种引水路线，如下：

引水路线a：引水水源1→引水口1→受水湖泊；

引水路线b：引水水源2→引水口2→受水湖泊。

2)经查阅资料，得到同类调水工程引水容积比参考范围为10～60/(s﹒亿)，本工程受水湖泊容积为0.85亿m³，由此得到引水流量参考范围为8.5～51m³/s，从中选取4种引水流量，分别为10m³/s、20m³/s、30m³/s、40m³/s。

3)将上述引水路线和引水流量进行排列组合，选取得到4种引水方案，如表1所示；

表1四种湖泊引水方案

4)对引水水源和受水湖泊进行实地监测与资料收集，获取受水湖泊模拟所需的数据；

5)采用efdc软件对受水湖泊进行网格化，设置边界条件和初始条件，通过efdc软件的水动力模块和水质模块，构建湖泊生态动力学模型；

6)利用受水湖泊水位、流速、水温、do、tn、tp和chla相关指标的实测数据，对受水湖泊生态动力学模型的水动力参数和水质参数进行率定和验证，使各指标模拟值和实测值的相对误差小于15％；

7)根据步骤3)中4种引水方案的引水水源水质和引水流量设定边界条件，运用上述构建的受水湖泊生态动力学模型，模拟得到不同引水方案下受水湖泊的流场和水质(包括tn、tp、chla相关水质指标)浓度时空分布情况；

8)利用受水湖泊生态动力学模型模拟，得到不同引水方案下引水前后的每个网格的chla浓度，由下述公式计算每个网格营养状态指数；

tli(chla)＝10[2.5+1.086ln(chla)]

式中，chla浓度单位为μg/l，tli(chla)为以chla为参数的营养状态指数；chla浓度计算得到的综合营养状态指数来反映引水前后湖泊富营养化程度，通过引水前后富营养化面积比例变化情况来作为引水方案优劣的标准；

9)利用上述计算得到的营养状态指数法来评价受水湖泊每个网格的营养化程度，每个网格的营养化程度评价标准如下：

当0<tli(chla)≤30时，营养化程度为贫营养；

当30<tli(chla)≤50时，营养化程度为中营养；

当50<tli(chla)≤60时，营养化程度为轻度富营养；

当60<tli(chla)≤70时，营养化程度为中度富营养；

当70<tli(chla)≤100时，营养化程度为重度富营养。

10)根据受水湖泊每个网格营养状态指数计算结果，由下式计算得到受水湖泊各级营养状态面积比例：

11)比较不同引水方案前后的受水湖泊各级营养状态面积比例的变化，

引水前和4种方案引水后湖泊各级营养状态比例结果如表2所示。

表2引水前后湖泊富营养化状态情况

由表2可以看出，引水前湖泊富营养化比例为100％，方案①～④引水后湖泊富营养化比例分别为98.5％、74.4％、69.4％、59.2％，四种方案引水后湖泊富营养化比例均有不同程度的减少，说明这四种方案均可行，其中方案④引水后富营养化水体比例最小，确定方案④为最佳引水方案。

其它未详细说明的部分均为现有技术。尽管上述实施例对本发明做出了详尽的描述，但它仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部实施例，人们还可以根据本实施例在不经创造性前提下获得其他实施例，这些实施例都属于本发明保护范围。