一种河流生态需水精细化计算方法与流程

1.本发明涉及生态需水计算的技术领域，特别是一种河流生态需水精细化计算方法。


背景技术：

2.目前多数生态需水研究仅仅考虑单种生态流量计算方法，缺乏多方法的集合研究。另外，研究一般针对一条河流只提出一个固定的生态流量值（或者分为汛期和非汛期），也没有考虑各时段生态流量的变化，难以有效评估河流生态流量。然而，由于河道自上到下发展程度不一，河流生态系统在不同时段、不同河段、不同目标下的生态需水不尽相同。
3.申请公开号为cn110580327a的发明专利公开了一种河流生态流量计算方法，即通过收集河流水文测站的长系列逐日流量资料，统计每年平均流量，再按从大到小的次序不论年序排列为数据系列，计算系列中大于等于相应年平均流量的经验频率，在频率格纸上点绘经验频率点据图；选定水文频率分布线型为皮尔逊ⅲ型分布，用矩法估计出平均流量均值和离差系数的初估值，计算出不同累计频率对应的流量值，绘制皮尔逊ⅲ型理论频率曲线并判断与经验点据的拟合情况，如果匹配，则该曲线对应的参数就作为总体参数的估计值；最后在皮尔逊ⅲ型理论频率曲线上求90％保证率的流量值，即为河流生态流量。该方法的缺点是仅采用单一方法计算河流生态流量，没有多种方法的对比与优选，且计算结果为单一数值，没有考虑年内生态流量过程的变化，另外，也没有考虑河流在不同生态目标下生态流量的差异性。

技术实现要素：
为了解决上述的技术问题，本发明提出的一种河流生态需水精细化计算方法，基于生态需水保障目标，提出了不同生态流量恢复情景下河流生态需水计算方法，突破了传统单一基于水文学的计算方法，能够清晰地掌握每条河流每个河段每个时段在不同生态恢复目标下的生态需水，为精准调水、科学配水、生态补水提供技术支撑。
4.本发明的目的是提供一种河流生态需水精细化计算方法，包括以下步骤：步骤1：根据河流划分原则将河流细化为河段；步骤2：采用需水计算方法计算河道生态需水；步骤3：分别计算河流在不同生态目标下的需水量；步骤4：采用典型年/月法将年度生态需水细化到时段。
5.优选的是，所述河流划分原则包括河流干支流的划分原则、河道水生态特征、上游水库的分布情况、山丘区
‑
平原区分界线、水文站点和补水节点的分布特点和人口及城镇分布。
6.在上述任一方案中优选的是，所述需水计算方法共包括3类9种方法，包括水文学法、水力学法和生境法，其中，所述水文学法包括：流量历时曲线法、最枯月平均流量多年平均值法、qp法、年内展布法、tennant法和texas法；所述水力学法包括：湿周法、生态水力半径法；所述生境法包括：鱼类生境法。
7.在上述任一方案中优选的是，所述流量历时曲线法为根据历史流量数据，绘制出
每月流量历时曲线，并以90％保证率的相应流量作为基本生态流量；50%保证率的对应流量作为适宜生态流量；20%保证率的对应流量作为良好生态流量。
8.在上述任一方案中优选的是，所述最枯月平均流量多年平均值法为选出每年中的最枯月，再将最枯月流量求平均即得基本生态流量。公式如下：其中，a
m
为河流第m月的基本生态流量，q
ij
为第j年第i月的平均流量，k为统计年数。
9.在上述任一方案中优选的是，所述qp法为将每年最枯月份排频，然后选择90%频率下的最枯月流量作为该节点的基本生态流量；50%频率下的对应流量作为适宜生态流量；20%频率下的对应流量作为良好生态流量。
10.在上述任一方案中优选的是，所述年内展布法包括以下子步骤：步骤21：计算多年年均径流量和最小年均径流量，公式如下公式如下公式如下公式如下其中，为第i个月的多年月均径流量， q
min(i)
为第i个月的多年最小月均径流量，q
ij
为第j年第i个月的月均径流量；步骤22：利用所述多年年均径流量和所述最小年均径流量，计算同期均值比值β，公式为；步骤23：结合多年月均流量年内过程，计算得出河流各个月度的基本生态需水量q
i
，公式为
。
11.在上述任一方案中优选的是，所述tennant法为分别选取同时段多年平均流量的10%、30%、60%作为基本、适宜和良好生态流量，再乘以相应的时长即得该时段的生态环境需水量。
12.在上述任一方案中优选的是，所述texas法为通过对逐月的流量进行排频计算，取50%保证率下月流量的20%作为基本生态流量。
13.在上述任一方案中优选的是，所述湿周法为根据湿周
‑
流量关系图中转折点的位置，采用改进的突变点确定方法，确定推荐河流流量，所述改进的突变点确定方法包括斜率为1法和最大曲率法。
14.在上述任一方案中优选的是，所述斜率为1法为取湿周
‑
流量曲线上斜率为1的点，作为临界点。
15.在上述任一方案中优选的是，所述最大曲率法是指对曲率计算公式的等号右边求导数，得到最大曲率点，曲率最大即对应于曲率对流量的导数为零，曲率计算公式如下：其中，为湿周对流量求一阶导数，为湿周对流量求二阶导数。
16.在上述任一方案中优选的是，所述生态水力半径法，利用水生生物信息和河道信息，估算河道内生态需水量，先由明渠均匀流公式推导出水力半径r与河道的糙率n、流速v以及水力坡度j之间的关系见式，并进一步计算生态需水，并进一步计算生态需水，并进一步计算生态需水，其中，c为谢才系数，r为生态水力半径，q为生态流量，a为过水断面面积。
17.在上述任一方案中优选的是，所述鱼类生境法为由鱼类生存特殊生态需求时期或产卵特殊生态需求时期的适宜流速，计算得到维持鱼类及各种生物适宜生存的河流生态需水量。
18.在上述任一方案中优选的是，所述步骤3包括根据不同的生态恢复目标，分级计算基本生态需水量、适宜生态需水量和良好生态需水量。
19.在上述任一方案中优选的是，所述基本生态需水量是指生态系统完整性较差，生态需水量最小的临界值。
20.在上述任一方案中优选的是，所述适宜生态需水量是指生态系统完整，以社会
‑
经济
‑
环境系统协同发展为目标的需水量。
21.在上述任一方案中优选的是，所述良好生态需水量是指生态系统完整性较好，生态需水量最大的临界值。
22.在上述任一方案中优选的是，所述步骤4包括以下子步骤：步骤41：选取年流量最接近多年平均流量的某年作为典型年份，根据这一年的月流量过程，将年生态需水量分配到逐月；步骤42：选取某年的月流量最接近多年平均月流量的某年某月份，根据这一月的日流量过程，将月生态需水量分配到逐日。
23.在上述任一方案中优选的是，选取所述典型年份的方法为选择河段流量模数a最接近1的年份作为典型年份，如果它们中的两个或更多个均在1的附近，则所述典型年份选择每个站序列的年度模数偏差c
v
最小的。
24.在上述任一方案中优选的是，流量模数a的计算公式为其中，q
x
为河段中第x个水文站的年流量，q为河段第x个水文站的多年平均流量，p为水文站的个数。
25.本发明提出了一种河流生态需水精细化计算方法，面向不同的生态流量保障目标，提出了多方法、多目标、分时段、分河段的精细化生态需水计算方法，突破了传统单一基于水文学的计算方法，研发了基于水生态保护目标的河流生态需水精细化计算方法，具有精准精细计算生态需水等优点。
附图说明
26.图1为按照本发明的河流生态需水精细化计算方法的一优选实施例的流程图。
27.图2为按照本发明的河流生态需水精细化计算方法的另一优选实施例的流程方框示意图。
28.图3为按照本发明的河流生态需水精细化计算方法的9种方法各河段基本生态需水计算结果的一实施例的箱型示意图。
29.图4为按照本发明的河流生态需水精细化计算方法的典型河段逐日基本生态需水过程的一实施例的示意图。
具体实施方式
30.下面结合附图和具体的实施例对本发明做进一步的阐述。
31.实施例一如图1所示，执行步骤100，根据河流划分原则将河流细化为河段。河流划分原则包括河流干支流的划分原则、河道水生态特征、上游水库的分布情况、山丘区
‑
平原区分界线、水文站点和补水节点的分布特点和人口及城镇分布。
32.执行步骤110，采用需水计算方法计算河道生态需水。所述需水计算方法共包括3类9种方法，包括水文学法、水力学法和生境法，其中，所述水文学法包括：流量历时曲线法、最枯月平均流量多年平均值法、qp法、年内展布法、tennant法和texas法；所述水力学法包括：湿周法、生态水力半径法；所述生境法包括：鱼类生境法。
33.1、水文学法1）流量历时曲线法为根据历史流量数据，绘制出每月流量历时曲线，并以90％保证率的相应流量作为基本生态流量；50%保证率的对应流量作为适宜生态流量；20%保证率的对应流量作为良好生态流量。
34.2）最枯月平均流量多年平均值法为选出每年中的最枯月，再将最枯月流量求平均即得基本生态流量，公式如下：其中，a
m
为河流第m月的基本生态流量，q
ij
为第j年第i月的平均流量，k为统计年数。
35.3）qp法为将每年最枯月份排频，然后选择90%频率下的最枯月流量作为该节点的基本生态流量；50%频率下的对应流量作为适宜生态流量；20%频率下的对应流量作为良好生态流量。
36.4）年内展布法包括以下子步骤：步骤111：根据水文站点长序列天然月流量过程，计算多年年均径流量和最小年均径流量，公式如下公式如下公式如下公式如下其中，为第i个月的多年月均径流量， q
min(i)
为第i个月的多年最小月均径流量，q
ij
为第j年第i个月的月均径流量。
37.步骤112：利用所述多年年均径流量和所述最小年均径流量，计算同期均值比值β，公式为；步骤113：结结合多年月均流量年内过程，计算得出河流各个月度的基本生态需水量q
i
，公式为。
38.5）tennant法为分别选取同时段多年平均流量的10%、30%、60%作为基本、适宜和良好生态流量，再乘以相应的时长即得该时段的生态环境需水量。
39.6）texas法为通过对逐月的流量进行排频计算，取50%保证率下月流量的20%作为基本生态流量。
40.2、水力学法1）湿周法为根据湿周
‑
流量关系图中转折点的位置，采用改进的突变点确定方法，确定推荐河流流量，所述改进的突变点确定方法包括斜率为1法和最大曲率法。
41.斜率为1法为取湿周
‑
流量曲线上斜率为1的点，作为临界点。
42.最大曲率法是指对曲率计算公式的等号右边求导数，得到最大曲率点，曲率最大即对应于曲率对流量的导数为零。曲率计算公式如下：其中，为湿周对流量求一阶导数，为湿周对流量求二阶导数。
43.2）生态水力半径法为利用水生生物信息和河道信息，估算河道内生态需水量，先由明渠均匀流公式推导出水力半径r与河道的糙率n、流速v以及水力坡度j之间的关系见式，并进一步计算生态需水，并进一步计算生态需水，并进一步计算生态需水，其中，c为谢才系数，r为生态水力半径，q为生态流量，a为过水断面面积。
44.3、生境法鱼类生境法为由鱼类生存特殊生态需求时期或产卵特殊生态需求时期的适宜流速，计算得到维持鱼类及各种生物适宜生存的河流生态需水量。
45.执行步骤120，根据不同的生态恢复目标，分级计算基本生态需水量、适宜生态需水量和良好生态需水量。基本生态需水量是指生态系统完整性较差，生态需水量最小的临界值；适宜生态需水量是指生态系统完整，以社会
‑
经济
‑
环境系统协同发展为目标的需水量；良好生态需水量是指生态系统完整性较好，生态需水量最大的临界值。
46.执行步骤130，采用典型年/月法将年度生态需水细化到时段，包括以下子步骤：步骤131：选取年流量最接近多年平均流量的某年作为典型年份，根据这一年的月流量过程，将年生态需水量分配到逐月；选取所述典型年份的方法为选择河段流量模数a最接近1的年份作为典型年份，如果它们中的两个或更多个均在1的附近，则所述典型年份选择每个站序列的年度模数偏差c
v
最小的。流量模数a的计算公式为其中，q
x
为河段中第x个水文站的年流量，q为河段第x个水文站的多年平均流量，p为水文站的个数。
47.步骤132：选取某年的月流量最接近多年平均月流量的某年某月份，根据这一月的日流量过程，将月生态需水量分配到逐日。
48.实施例二如图2所示，河流生态需水精细化计算，包括以下几个步骤：步骤1、根据河道水生态特征、补水节点等将河流细化为河段；步骤2、采用3类9种方法计算河流生态需水；步骤3、分别计算河流在不同生态目标下（基本、适宜和良好）的需水量；步骤4、采用典型年/月法将年度生态需水细化到时段（月、日）。
49.在上述方法的步骤1中，依据河流干支流的划分原则，根据河道水生态特征、上游水库的分布情况、山丘区
‑
平原区分界线、水文站点和补水节点的分布特点、人口及城镇分布等因素，将河流细化为河段。
50.在上述方法的步骤2中，采用3类9种方法计算各个河段生态需水，分别为水文学法，包括：流量历时曲线法、最枯月平均流量多年平均值法、qp法、年内展布法、tennant法和texas法；水力学法，包括：湿周法、生态水力半径法；生境法，包括：鱼类生境法。
51.通过分析9种方法计算结果的分位数，绘制箱型图，优选出唯一值作为该河段的基本生态流量需求。为了消除不同计算方法带来的差异性，同时尽可能实现河流生态修复，恢复流动状态，最终确定中位数与平均值二者较大者作为该河段的基本生态流量值。但是，考虑到上游山区河段既无水库下泄，也无外调水源保障，其生态流量以天然径流量维持，流量历时曲线法更能反映其生态需求，因此山区河段采用流量历时曲线法的计算结果作为其基本生态流量值。
52.具体计算方法如下。
53.1、水文学法
①
流量历时曲线法根据历史流量数据，绘制出每月流量历时曲线，并以90％保证率的相应流量作为
基本生态流量；50%保证率的对应流量作为适宜生态流量；20%保证率的对应流量作为良好生态流量。
54.②
最枯月平均流量多年平均值法选出每年中的最枯月，再将最枯月流量求平均即得基本生态流量。公式如下：
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
（1）式中：a
m
为河流第m月的基本生态流量（m3/s）q
ij
为第j年第i月的平均流量（m3/s）k为统计年数
③
q
p
法将每年最枯月份排频，然后选择90%频率下的最枯月流量作为该节点的基本生态流量；50%频率下的对应流量作为适宜生态流量；20%频率下的对应流量作为良好生态流量。
55.④
年内展布法（1）根据水文站点长序列天然月流量过程，计算多年年均径流量和最小年均径流量，公式如下：
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
（2）
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
（3）
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
（4）
ꢀꢀꢀ
j=1,2,
……
,n
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
（5）式中：为第i个月的多年月均径流量（m3/s） q
min(i)
为第i个月的多年最小月均径流量（m3/s）q
ij
为第j年第i个月的月均径流量（m3/s）n为统计年数（2）利用所述多年年均径流量和所述最小年均径流量，计算同期均值比值β，公式为：
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
（6）（3）结合多年月均流量年内过程，计算得出河流各个月度的基本生态需水量q
i
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
（7）
⑤
tennant法分别选取同时段多年平均流量的10%、30%、60%作为基本、适宜和良好生态流量，再乘以相应的时长即得该时段的生态环境需水量。
56.⑥
texas法通过对逐月的流量进行排频计算，取50%保证率下月流量的20%作为基本生态流量。
57.2、水力学法
①
湿周法根据湿周
‑
流量关系图中转折点的位置，确定推荐河流流量。然而，突变点的选择大多是基于视觉观察，具有主观性。因此本专利采用改进的突变点确定方法，分别是斜率为1法和最大曲率法。
58.（1）斜率为1法：即取湿周
‑
流量曲线上斜率为1的点，作为临界点，数学表达式为dp
′
/dq
′
=1；（2）最大曲率法，曲率最大即对应于曲率对流量的导数为零。曲率计算公式如式（8）所示：对式（8）等号右边求导数，即可得最大曲率点，进而可计算基本生态流量，
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
（8）
②
生态水力半径法该方法充分利用水生生物信息(鱼类产卵洄游流速)和河道信息(包括水位、流速、糙率等)，估算河道内生态需水量。先由明渠均匀流公式推导出水力半径r与河道的糙率、流速以及水力坡度之间的关系见式，在此基础上进一步计算生态需水。
59.ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
（9）
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
（10）
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
（11）式中：r为生态水利半径，r=a/x；（x为湿周，x=b+2h(1+m2)
1/2
）a为过水断面面积，a=(b+mh)h；（b为渠底宽度；m为边坡系数）
为糙率v为流速j为水力坡度，；（h
f
为水头损失；l为河段长度）q为生态流量3、生境法
①
鱼类生境法鱼类生境法即由鱼类生存、产卵等特殊生态需求时期的适宜流速，计算得出维持鱼类及各种生物适宜生存的河流生态需水量。保障食物链顶端鱼类繁殖期的流速需求，即可满足生境要求。根据实测资料以及相关文献参考，北方地区家鱼繁殖期的水流流速以0.3～0.7m/s为宜，本专利以0.5m/s作为鱼类生境法的最低保证流速，计算基本生态流量。
60.步骤3、根据不同的生态恢复目标，分级计算基本、适宜和良好生态下的需水量。基本生态需水量是指生态系统完整性较差，生态需水量最小的临界值；适宜生态需水量是指生态系统完整，以社会
‑
经济
‑
环境系统协同发展为目标的需水量；良好生态需水量是指生态系统完整性较好，生态需水量最大的临界值。
61.步骤4、为了有效评估河流年内生态流量过程，考虑到一年内不同时段生态流量的差异性，采用典型年/月法将年度生态需水细化到时段（月、日）。具体计算过程如下。
62.选取年流量最接近多年平均流量的某年，根据这一年的月流量过程，将年生态需水量分配到逐月；每个月的分配原则相同，即选取某年的月流量最接近多年平均月流量的某年某月份，根据这一月的日流量过程，将月生态需水量分配到逐日。选择典型年份的步骤如下：选择河段流量模数最接近1的年份作为典型年份。如果它们中的两个或更多个均在1的附近，则典型年选择每个站序列的年度模数偏差c
v
最小的。流量模数a的计算公式如下。
63.ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
（12）式中：a为河段的流量模数q
x
为河段中第x个水文站的年流量(m3/s)q为河段第x个水文站的多年平均流量(m3/s)p为水文站的个数实施例三白洋淀流域为大清河流域的中上游，即白洋淀淀区及其以上流域，简称为“白洋淀流域”，面积约为3万km2。自北向南有白沟河、萍河、瀑河、漕河、府河、唐河、孝义河、潴龙河八条河流，构成了扇形的河网，自西向东汇入白洋淀。然而，目前仅府河、孝义河为城市排污河道，常年有水，漕河、瀑河、白沟河部分季节有水，其他河流处于常年断流状态。选取多种方法，分时分段精细化计算上游8条入淀河流生态需水，及其不同生态目标下的生态流量过程需求，为白洋淀流域生态补水保障和水生态修复提供技术支撑。
64.根据河流干支流的划分原则、上游水库的分布情况、山丘区
‑
平原区分界线、水文站点的分布特点、人口及城镇分布等因素，对8条入淀河流进行河段的划分，最终将白洋淀
流域8条河流细化为21个河段。划分结果如表1所示。
65.表1白洋淀上游入淀河流分段表采用上述9种方法计算8条入淀河流21个河段的生态需水流量值。年度基本生态流量结果如表2所示。通过分析9种方法计算结果的分位数，绘制箱型图如图3所示，优选出唯一值作为该河段的基本生态流量需求。平原区河段以中位数与平均值二者较大者作为该河段的基本生态流量需求；山区河段采用流量历时曲线法的计算结果作为其基本生态流量值。根据tennant算法思想，计算适宜和良好生态流量，结果如表3所示。
66.表29种方法各河段基本生态流量计算结果表（单位：m3/s）8条入淀河流生态需求计算结果如下：白沟河各河段基本、适宜和良好生态流量分别为0.07～2.86m
³
/s、0.10～7.91m
³
/s和0.12～14.73m
³
/s；萍河基本、适宜和良好生态流量分别为0.95m
³
/s、2.56m
³
/s和4.23m
³
/s；瀑河基本、适宜和良好生态流量分别为1.68m
³
/s、4.60m
³
/s和8.24m
³
/s；漕河基本、适宜和良好生态流量分别为2.21m
³
/s、6.09m
³
/s和11.16m
³
/s；府河基本、适宜和良好生态流量分别为3.39m
³
/s、9.39m
³
/s和17.65m
³
/s；唐河各河段基本、适宜和良好生态流量分别为1.63～2.19m
³
/s、4.46～6.03m
³
/s和7.97～11.05m
³
/s；孝义河基本、适宜和良好生态流量分别为2.72m
³
/s、7.52m
³
/s和13.96m
³
/s；潴龙河各河段基本、适宜和良好生态流量分别为1.01～3.87m
³
/s、2.73～10.74m
³
/s和4.56～20.29m
³
/s。
67.表3多目标各河段生态需水量（单位：m3/s）选取流域北支、南支和入淀段三种类型下的典型河段，运用典型年法，将21个河段生态流量过程细化到逐日需求。以北支拒马河山区
‑
平原河段、南支唐河上游山区段、近淀潴龙河平原区入淀段的基本生态流量为例，其年内（逐日）生态需水过程如图4所示。拒马河山区
‑
平原河段生态流量需求较小，年内8月需求最大，8月均值为10.44m3/s，最大值为16.4m3/s。唐河上游山区河段生态流量需求属中等水平，年内8月初和8月末需求最大，8月均值为11.98m3/s，最大值为58.9m3/s。潴龙河入淀河段生态流量需求最大，年内8月初和9月末需求最大，8月均值为21.33m3/s，最大值为94.9m3/s，9月均值为6.36m3/s，最大值为48.3m3/s。
68.本发明面向不同的生态流量保障目标，提出了多方法、多目标、分时段、分河段的精细化生态需水计算方法，突破了传统单一基于水文学的计算方法，研发了基于水生态保护目标的河流生态需水精细化计算方法。具有精准精细计算生态需水等优点。
69.为了更好地理解本发明，以上结合本发明的具体实施例做了详细描述，但并非是对本发明的限制。凡是依据本发明的技术实质对以上实施例所做的任何简单修改，均仍属于本发明技术方案的范围。本说明书中每个实施例重点说明的都是与其它实施例的不同之处，各个实施例之间相同或相似的部分相互参见即可。对于系统实施例而言，由于其与方法实施例基本对应，所以描述的比较简单，相关之处参见方法实施例的部分说明即可。