一种流域干流枯水年生态调水方法

本发明属于流域生态保护的
技术领域：
，具体涉及一种流域干流枯水年生态调水方法。
背景技术：
：我国水资源短缺且时空分布不均，与经济社会发展布局不匹配，建设调水工程是破解这一难题的重要途径。随着水资源开发利用程度的提高和供需矛盾的加剧，部分地区调水工程呈现逐渐增多及加快的趋势，流域水量调入调出关系日趋复杂，跨流域调水呈现网络化发展趋势。为解决水资源开发利用与保护的外部效应问题，国家高度重视实施水生态补偿机制。生态调度旨在抢救或恢复已受损的河流生态系统，促进河流生态系统自我修复能力提高而实施的各项河流和水工程调度措施的统称。而现有技术并没有针对流域干流枯水年的生态调水方法。技术实现要素：本发明的目的在于针对现有技术中的上述不足，提供一种流域干流枯水年生态调水方法，以解决现有技术缺少对流域干流枯水年的生态调水方法的问题。为达到上述目的，本发明采取的技术方案是：一种流域干流枯水年生态调水方法，其包括：s1、采用水量平衡方法计算流域源流和干流各断面在下泄过程中的河水损耗量、单位河长河损和河损率；s2、根据逐月最小径流法和逐月频率法分别计算各典型断面最小生态需水量和河道径流量，并利用tennant法进行计算结果评价；s3、基于潜水蒸发模型和面积定额法分别计算不同断面植被生长所需水量，并将两个计算结果的均值作为断面的植被生态需水量；s4、根据河水损耗量、单位河长河损、河损率、计算结果评价和断面的植被生态需水量，进行枯水年生态调水和流域间生态补偿，并采用经济价值将河水损耗的生态效益进行换算。优选地，s1中采用水量平衡方法计算流域源流和干流各断面在下泄过程中的河水损耗量，包括：w损＝w上-w引+w退-w下其中，w损为河水损耗量；w上为上断面来水量；w引为总引水量；w退为总退入水量；w下为下断面来水量。优选地，s1采用水量平衡方法计算流域源流和干流各断面在下泄过程中的单位河长河损，包括：wd＝w损/l其中，wd为某河段的单位河长河损；l为某河段河长；w损为河水损耗量。优选地，s1采用水量平衡方法计算流域源流和干流各断面在下泄过程中的河损率，包括：k＝w损/w上其中，k为河损率，w损为河水损耗量，w上为上断面来水量。优选地，s2中根据逐月最小径流法计算各典型断面最小生态需水量，包括：将径流量数据按月进行划分，将各个断面月径流量平均值的最小值作为河道的最小生态需水量。优选地，s2中根据逐月频率法计算各典型断面的河道径流量包括：根据流域断面的各月历史流量数据，将年内时间划分为丰水和枯水两个时期，根据来水频率和径流量p-ⅲ曲线，将25％、75％分别作为对丰、枯水期的保证率，确定丰枯水期保证率下的河道径流量。优选地，s2中根据逐月最小径流法和逐月频率法分别计算各典型断面最小生态需水量和河道径流量，并利用tennant法对进行计算结果评价，包括：根据tennant法分类的标准，基于流域水资源利用，将用水分为一般用水期和用水敏感期，将两个用水期的径流量平均值的百分比作为河流需水量的评价标准。优选地，s3中基于潜水蒸发模型和面积定额法分别计算不同断面植被生长所需水量，并将两个计算结果的均值作为断面的植被生态需水量，包括：基于潜水蒸发模型计算流域植被生长所需的生态水量：w＝∑103aiwgikp其中，w为植被生长所需的生态水量；ai为植被类型i的面积；wgi为第i中植被在地下水埋深为g时的潜水蒸发量；kp为植被影响系数；利用rs/gis获取植被面积数据，通过阿维利扬诺夫公式确定植被的潜水蒸发量wgi：其中，a、b为经验系数，取值分别为0.62和2.8；hi为植被类型i的地下水埋深；hmax为潜水蒸发极限埋深；为直径20cm蒸发皿蒸发量。本发明提供的流域干流枯水年生态调水方法，具有以下有益效果：本发明通过计算河水损耗量、单位河长河损、河损率、最小生态需水量、河道径流量和植被生态需水量，进行枯水年生态调水和流域间生态补偿，并将生态调水过程中的河水损耗带来的生态效益，采用经济价值进行等效计算，得到适合于流域干流枯水年生态调水方法，具有较高的实际指导意义和经济价值。附图说明图1为流域干流枯水年生态调水方法的流程图。具体实施方式下面对本发明的具体实施方式进行描述，以便于本
技术领域：
的技术人员理解本发明，但应该清楚，本发明不限于具体实施方式的范围，对本
技术领域：
的普通技术人员来讲，只要各种变化在所附的权利要求限定和确定的本发明的精神和范围内，这些变化是显而易见的，一切利用本发明构思的发明创造均在保护之列。根据本申请的一个实施例，参考图1，本方案的流域干流枯水年生态调水方法，包括：s1、采用水量平衡方法计算流域源流和干流各断面在下泄过程中的河水损耗量、单位河长河损和河损率；s2、根据逐月最小径流法和逐月频率法分别计算各典型断面最小生态需水量和河道径流量，并利用tennant法进行计算结果评价；s3、基于潜水蒸发模型和面积定额法分别计算不同断面植被生长所需水量，并将两个计算结果的均值作为断面的植被生态需水量；s4、根据河水损耗量、单位河长河损、河损率、计算结果评价和断面的植被生态需水量，进行枯水年生态调水和流域间生态补偿，并采用经济价值将河水损耗的生态效益进行换算。根据本申请的一个实施例，以下将对上述步骤进行详细描述。s1、采用水量平衡方法计算流域源流和干流各断面在下泄过程中的河水损耗量、单位河长河损和河损率，其具体包括：河损指的是河水在下泄过程中因为河道渗漏、蒸发等而损失的水量，本方案采用水量平衡方法计算塔里木河流域四源流及干流各断面在下泄过程中的河水损耗量、单位河长河损以及河损率，计算公式为：w损＝w上-w引+w退-w下其中，w损为河水损耗量；w上为上断面来水量；w引为总引水量；w退为总退入水量；w下为下断面来水量。wd＝w损/l其中，wd为某河段单位河长河损；l为某河段河长。k＝w损/w上其中，k为河损率，w损为河水损耗量，w上为上断面来水量。s2、根据逐月最小径流法和逐月频率法分别计算各典型断面最小生态需水量和河道径流量，并利用tennant法对进行计算结果评价，其具体包括：逐月最小径流计算法，最小生态需水量的计算是将径流量数据按月进行划分，求各个断面月径流量平均值的最小值作为河道的最小生态需水量。逐月频率计算法，根据各月历史流量数据，将年内划分为丰水和枯水两个时期，根据来水频率和径流量曲线(p-ⅲ曲线)，将25％、75％分别作为对丰、枯水期的保证率，确定丰枯水期保证率下的河道径流量。tennant法，根据前文塔里木河干流径流突变分析结果，采用1957～1976年实测径流资料进行分析评价。根据tennant法分类的标准，基于流域水资源利用情况，按用水情况分为一般用水期和用水敏感期，将两个用水期的径流量平均值的百分比作为河流需水量的评价规范(表3.1)。表3.1tennant法评价标准s3、基于潜水蒸发模型和面积定额法分别计算不同断面植被生长所需水量，并将两个计算结果的均值作为断面的植被生态需水量，其具体包括：河流生态基流计算不同天然植被保护等级下各河段生态需水量为：q总＝q内+q外-q重其中，q总-是该河段植被生长所需要的总水量，q内-为河道内最小生态需水量；q外-为河道外天然植被生态需水量；q重-为河道内与河道外生态需水量计算结果的重复量。潜水蒸发模型在对塔里木河流域进行遥感解译的基础上，提取不同植被类型的面积数据，基于潜水蒸发法得到流域植被生长所需的生态水量，具体的计算为：w＝∑103aiwgikp其中，w为植被需水量(m3)；ai为植被类型i的面积(km2)；wgi为第i中植被在地下水埋深为g时的潜水蒸发量；kp为植被影响系数，并可定义如表3.2。表3.2不同地下水埋深下的kp值利用rs/gis技术获取植被面积数据，通过阿维利扬诺夫公式确定植被的潜水蒸发量wgi：根据本申请的一个实施例，采用塔里木河源流和干流河损计算数据包括：2005-2017年流域四源流及干流河道断面引水量、退水量以及年、月径流量数据；河道生态基流计算主要采用1957-2016位于年干流源头阿拉尔，干流上游段新渠满，上中游分界点英巴扎，中游段乌斯满以及恰拉5个水文站的实测的逐月径流量数据；河流生态基流计算数据包括：塔里木河干流地区2010年8～9月landsat/tm影像,云覆盖＜5％，为塔里木河丰水期，植被覆盖度高；1991～2010年阿拉尔、库车、轮台、库尔勒和铁干里克逐月蒸发量数据；2000～2011年塔里木河86口监测井的地下水监测数据；垂直河道分布的植被样方的植被监测数据；胡杨、柽柳、芦苇的逐日蒸腾量数据。计算塔里木河流域四源流及干流各断面的河损率、单位河长河损率、河损总量，结果如表3.3所示。表3.3塔里木河“四源一干”各河段河损三要素(108m3)由表3.3可知，2006-2017年和田河、叶尔羌河、阿克苏河、干流上中游以及开都-孔雀河多年平均河损分别为14.45亿m3、27.01亿m3、6.76亿m3、24.76亿m3、和11.53亿m3；从单位河损量来看，叶尔羌河最大，每公里的河损为0.04亿m3，阿克苏河、开都-孔雀河单位河损量最小，每公里的河损为0.02亿m3；从河损率来看，叶尔羌河和塔里木河干流上中游河损率分别为68.15％、52.12％，占多年平均来水一半以上，阿克苏河河损率最小，为5.06％。河道生态基流上中游典型水文断面河道最小生态需水量为了保证河流生态系统受到人类干扰和环境胁迫的时候能够进行自我调节与恢复，在从源流对下游进行下泄水量时需要满足河道的最小生态需水量，若当径流量低于河道的最小生态需水量时，可能会导致生态系统产生不可逆的损害，使得流域部分物种消失，生态系统发生变化。利用1957-2010年塔里木河干流新渠满、乌斯满及恰拉等断面的径流数据为计算依据，利用逐月最小生态径流量法确定干流各水文断面的月最小生态需水量(表3.4)。由表可知，干流阿拉尔的最小生态径流量为21.50、亿m3，其余断面由新渠满到恰拉断面的河道内年最小生态径流量分别是21.50、17.68亿m3、14.15亿m3、和10.03亿m3。表3.4干流阿拉尔-恰拉断面河道最小生态需水量单位：亿m3采用tennant法对计算结果评价；tennant法即montana法，是一种基于历史流量来定性的评估计算结果准确性的方法。参照表3.1的tennant法评价标准对干流各水文断面在满足最小生态需水量下的河流生态系统的健康情况进行评价，评价结果见表3.5。表3.5tennant法评价结果由表3.5可知，一般用水期(10～3月)，干流各水文断面的最小生态需水量评估结果很好，均为“最佳”“极好”，说明这该时间段内，河道最小需水量时完全可以保障该水文断面内的河流生态系统的稳定情况；用水敏感期(4～9月)，除了新渠满-英巴扎断面的评价结果为“差”以外，其余水文断面评价结果均在“中”以上，表明在时间段呢，河道最小生态需水量基本能保持河道健康。河流生态基流上中游目标生态环境需水量将干流各河段划定“重点生态功能区”、“生态敏感区”、“生态脆弱区”，利用潜水蒸发模型和面积定额法分别计算不同断面植被生长所需水量，并取二者的均值作为该断面最终的植被生态需水量(参考表3.6)。在重点生态功能区下确定的天然植被保护范围内，塔里木河干流上、中游阿拉尔-新渠满、新渠满-英巴扎、英巴扎-乌斯满、乌斯满-恰拉4个河段的天然植被生态需水量分别为3.57亿m3、4.32亿m3、3.19亿m3和2.72亿m3；在生态敏感区下确定的天然植被保护范围内，干流从阿拉尔-恰拉四个水文断面天然植被生态需水量分别为1.27亿m3、1.60亿m3、0.99亿m3和0.89亿m3；生态脆弱区下确定的天然植被保护范围内，干流从阿拉尔-恰拉4个水文断面的天然植被生态需水量分别为0.42亿m3、0.75亿m3、0.58亿m3和0.59亿m3。计算得到在三个生态功能分区下的生态需水量分别为13.8亿m3、4.75亿m3和2.34亿m3。表3.6不同生态分区下的天然植被生态需水量单位：亿m3干流河流生态基流水量塔里木河干流是纯耗散性河流，径流在河道运移过程中会产生径流补给地下水的渗漏过程，渗漏水量实质是生态基流与天然植被生态需水的重复水量。利用基本生态环境需水量和目标生态环境需水量数据，构建断面来水与渗漏水量关系模型，确定不同生态保护目标下的渗漏水量，如表3.7所示。由表可知，在分别保障重点生态功能区、生态敏感区和生态脆弱区的生态需水时，塔里木河干流上中游河道内与河道外生态需水的重复水量分别为9.59亿m3、9.88亿m3及10.03亿m3。结合前文生态需水量计算结果，以生态脆弱区作为生态保护目标，计算得到上中游生态基流量为32.36亿m3，由于阿拉尔到恰拉断面沿程河损率为52.21％，根据《塔里木河流域“四源一干”地表水水量分配方案》，若要保障恰拉下泄水量达到5.05亿m3，计算得到阿拉尔生态供水量为42.93亿m3。表3.7干流各河段河道内和河道外需水量重复量单位：亿m3s4、根据河水损耗量、单位河长河损、河损率、计算结果评价和断面的植被生态需水量，进行枯水年生态调水和流域间生态补偿，并采用经济价值将河水损耗的生态效益进行换算，其具体包括：枯水年生态水调度方案及生态补偿枯水年生态调水方案参照《水文基本术语和符号标准》(gb/t50095-2014)以及皮尔逊iii型频率分布曲线，当河川径流量显著小于平均值接近历年最小值的的年份成为枯水年，当来水频率大于62.5％时，则河流水系进入枯水年；当来水频率处于62.5％～87.5％时，则称当年河流来水量处于偏枯水年份；当来水频率大于87.5％时，则河流水系进入特枯水年份。根据塔里木河历年来水资料，选取2014年作为典型枯水年制定生态水调度方案。根据《塔里木河流域水资源公报》，得到2014年阿拉尔生态供水量为22.6亿m3，在三源流的来水频率为87.5％时，要满足干流河道周边植被的生态需水量，塔里木河干流阿拉尔断面还需下泄20.33亿m3的水量。根据前文河损计算结果(5.06％)，为满足塔河上中游生态需水量，需挤占源流社会经济用水21.41亿m3。若将源流向下游输水的方式改为由开孔河调水，结合开孔河河损率(29.95％)，计算得到仅需下泄水量7.21亿m3即可满足下游生态需水。表3.82014年塔里木河流域三源流及开孔河来水量河流来水量/亿m3下泄水量/亿m3阿克苏河61.0420.1叶尔羌河33.30.47和田河41.527.47开孔河30.6819.41由于塔里木河源流至干流下游距离较远，加之气候干旱，蒸发强烈，因此在河水下泄的过程中，会因蒸发和渗漏产生大量的水量损耗，这部分损耗水量通过补给地下水量的方式对沿河道周边的荒漠河岸林植被的生长起到了关键的作用，因此可以用经济价值将河水损耗的生态效益进行换算。若从源流区下泄11.13亿m3，参考源流地区耕地的灌溉定额计算可知，该部分下泄水量可以灌溉农田面积993.74km2，约产出经济价值37.3×108元，单方水的经济价值为3.4元；如果把源流11.13亿m3水量下泄至恰拉断面，产生的河水损失量为6.08亿m3。当塔里木河流域荒漠河岸林的年用水量为400mm时，则处于自然生态较好情况，则若从源流区向干流输水11.13亿m3，至干流可保障1519.56km2的天然植被面积；根据塔里木河流域天然植被所提供的生态服务价值，下泄水量保障的天然植被面积产生生态经济效益共计10.93亿元，单方水生态经济效益为0.98元。综上可知，若在枯水年，若按照传统的调水方式从源流向干流进行输水，单方水的经济产出减少了71.2％，总经济产出减少了70.7％。流域间生态补偿计算若将源流向下游调水方式改从开都-孔雀河调水，结合开都-孔雀河河损率可知，由开孔河向塔里木河下游输水的过程中，河水损失量为2.16亿m3，远少于传统的由源流向下游输水方式。若改为由开孔河调水，则挤占开都-孔雀河水量为7.21亿m3，这部分水量可以满足耕地面积670.69km2，产出经济价值为24.16亿元。在制定生态补偿金额的时候，需要考虑生态收益者的负担能力以及受偿者的实际需求。因此，三源流相关部门应该补偿开-孔河向塔里木河下游生态输水7.21亿m3的经济产值，总计24.16亿元，单方水的经济补偿价值为3.4元。同时，对开孔河流域支付生态补偿金额以后，上游源流依旧获利13.14亿元，单方水的经济价值为1.18元，总利润与单方水经济产出分别是源流调水的120.22％和120.41％。若将所获利润用于源流区农户退耕补偿，可减少耕地350.06km2，节约水资源3.92亿m3。为保障塔河上中游生态基流32.36亿m3水量，仅需从源流区输水7.56亿m3，较从源流区向下游调水方式，水量减少了34.14％。由此可知，枯水年由开-孔河向下游补水的方式，既满足了恰拉向大西海子的下泄水量，保证了流域单方水的经济产出，同时又能缓解枯水年源流向干流上中游供水的压力，从而保护上中游的生态环境，所以，流域间的这种生态调水及补偿方案及较为合理。在源流地区，由于转变调水方式而多余的水量通过水费的形式被用于各行业的生产生活中，而开孔河流域为了满足向下游的生态供水量需要对部分农户采取退耕减少政策，因此源流负责征收水费的相关部门为受益方，应该支付补偿，开孔河当地的农户为利益受损方，应该获得经济补偿。由此可知：(1)和田河、叶尔羌河、阿克苏河、塔里木河干流及开都-孔雀河的平均河损量分别为14.45、27.01、6.76、11.53和亿24.76m3，单位河长河损分别为0.02、0.04、0.02、0.03、0.02亿m3/km，河损率分别为27.77％、68.15％、5.06％、52.12％、29.95％；(2)塔里木河干流从阿拉尔至恰拉水文断面的生态基流分别为21.499亿m3、17.6768亿m3、14.15亿m3、10.0249亿m3和3.2887亿m3；(3)在特枯水年，至少需要挤占上游源流21.41亿m3水量才能保障上中游生态基流和恰拉断面5.05亿m3下泄水量。若从源流向干流进行输水，单方水的经济利润减少70.2％，因此由源流向干流调水方式较不合理，可采用从开孔河向下游输水的方式满足下游荒漠河岸林植被生长的生态水量需求，此时源流应该向开孔河流域补偿金额20.16亿元，该调水方式应该作为枯水年应急水合理使用。虽然结合附图对发明的具体实施方式进行了详细地描述，但不应理解为对本专利的保护范围的限定。在权利要求书所描述的范围内，本领域技术人员不经创造性劳动即可做出的各种修改和变形仍属本专利的保护范围。当前第1页12