一种全周期适宜生态流量区间推求方法与流程

本发明涉及水文学生态流量计算领域，尤其涉及一种全周期适宜生态流量区间推求方法。

背景技术：

1、随着水工程的修建和投运，人类对河流水资源的开发利用程度不断提高，对原有河流生态系统健康造成一定影响。为维系河湖生态系统结构和功能，提升河湖生态系统质量和稳定性，生态流量的概念被提出，并被广泛应用于水库调度运行、流域规划管理等领域。

2、据不完全统计，目前生态流量计算方法超过200种，可分为水文学方法、水力学方法、栖息地模拟法和整体法等四类。其中，由于水文学方法仅需流量资料，计算简单方便，应用最为广泛。但现行的水文学方法存在两点不足之处：第一，水文学方法结合历史径流数据，多采用统计学方法推求生态流量过程，未能考虑河流鱼类等水生生物产卵、繁殖等是生态需水要求；第二，河流全周期天然径流过程随时间呈现分期特征，但水文学推求的生态流量过程一般不具有明显的时间分期特征。

3、鉴于此，提出一种全周期适宜生态流量区间推求方法，结合历史径流和流域生态控制断面鱼类产卵、繁殖等资料，推求出具有分期特征的适宜生态流量区间范围，可为水库开展生态流量调度提供重要参考。

技术实现思路

1、本发明的目的在于针对上述现有技术的不足，提供了一种全周期适宜生态流量区间推求方法，提出一种全周期适宜生态流量区间推求方法，为进一步拓展水文学生态流量计算方法提供技术支撑。

2、为实现上述目的，本发明采用了如下技术方案：

3、本发明提供了一种全周期适宜生态流量区间推求方法，包括以下步骤：

4、s1、收集流域生态控制断面历史天然逐日径流资料，提出累积流量比例差分法，计算各年逐日累积流量与多年平均流量的比值及二阶后向差分值，获得逐年差分序列；

5、s2、计算逐年差分序列拐点的平均值，结合流域生态控制断面的资料，将径流时期划分为三个分期，所述三个分期分别为年内平稳期、鱼类产卵敏感期和年内波动期；

6、s3、对于所述年内平稳期，计算逐年从小到大排序前分位数，其中和排序前分位数所对应的流量作为所述年内平稳期的适宜生态流量上下限范围；

7、s4、对于所述鱼类产卵敏感期，基于流域生态控制断面的鱼类产卵和流量，采用生物水文响应模型，计算所述鱼类产卵敏感期的适宜生态流量的上限和下限的范围；

8、s5、对于所述年内波动期，提出基于场景回代缩减技术的适宜生态流量区间范围的计算方法，计算所述年内波动期的适宜生态流量的上限和下限的范围；

9、s6、根据所述s1~s5，汇总拼接各分期适宜生态流量区间，获得流域生态控制断面全周期适宜生态流量的区间范围。

10、进一步，所述s1中，流域生态控制断面历史天然逐日径流资料，具体为：

11、；

12、其中，表示流域生态控制断面历史天然逐日径流构成的矩阵；表示第年第天的流量值，单位；和分别表示一年的总天数和总年数。

13、进一步，所述s1中，累积流量比例差分法具体为：

14、s101、根据生态控制断面历史天然逐日径流计算累积流量比例，具体为：

15、；

16、其中，表示第年第天的累积流量比例；表示流域生态控制断面历史多年平均流量，单位；

17、s102、采用二阶后向差分法计算得到逐年差分序列，具体为：

18、；

19、其中，表示逐年差分序列矩阵；表示第年第天的二阶后向差分值；

20、的计算公式为：

21、。

22、进一步，所述s2中，逐年差分序列拐点，具体为：

23、；

24、其中，表示第年差分序列拐点组；和分别表示第年第1个和第2个拐点，为等于0对应的时间；

25、所述s2中，逐年差分序列拐点的平均值，计算公式为：

26、；

27、；

28、其中，和分别表示第1个和第2个逐年差分序列拐点的平均值；表示向上取整数函数；

29、所述s2中，流域生态控制断面的资料为鱼类产卵、繁殖期为第天至第天，其中，；

30、基于和，以及和，对生态控制断面的径流过程划分为三个分期，分别为：

31、年内平稳期，为第1天至第天和天至第天；

32、鱼类产卵敏感期，第天至第天，年内波动期为第天至第天，以及第天至第天。

33、进一步，所述s3中，计算所述年内平稳期历史天然径流，构成径流矩阵，具体为：

34、；

35、其中，表示年内平稳期历史天然径流构成的径流矩阵；

36、对所述年内平稳期历史天然径流矩阵中的每一行径流数据，按照从小到大排序，分别选取排序前，其中和的流量，构成所述年内平稳期适宜生态流量的上限和下限，具体为：

37、；

38、；

39、其中，和分别表示年内平稳期适宜生态流量的上限和下限；和分别表示年内平稳期第天逐年从小到大排序前分位数和排序前分位数的流量值，单位。

40、进一步，所述s4的流域生态控制断面的鱼类产卵和流量，具体为：

41、；

42、；

43、其中，表示流域生态控制断面鱼类产卵敏感期的流量矩阵；表示流域生态控制断面鱼类产卵敏感期的产卵量矩阵；表示第年第天流域生态控制断面鱼类产卵量，单位万粒；

44、采用所述生物水文响应模型，具体为：

45、；

46、；

47、；

48、其中，表示流域生态控制断面鱼类产卵敏感期第天历史流量序列；表示流域生态控制断面鱼类产卵敏感期第天历史产卵量序列；表示流域生态控制断面鱼类产卵敏感期第天鱼类产卵量和对应流量的拟合关系式。

49、进一步，所述s4中，计算所述鱼类产卵敏感期的适宜生态流量的上限和下限的范围，具体为：

50、s401、统计历史流域生态控制断面第天主要鱼类产卵量的最大值和最小值，具体为：

51、<mstyle displaystyle="true" mathcolor="#000000"><msubsup><mi>e</mi><mi>d</mi><mi>max</mi></msubsup><mi>=</mi><mi>max</mi><mrow><mo>[</mo><mrow><msub><mi>e</mi><mrow><mi>d</mi><mi>,</mi><mn>1</mn></mrow></msub><mi>,</mi><mi>⋯</mi><mi>,</mi><msub><mi>e</mi><mrow><mi>d</mi><mi>,</mi><mi>y</mi></mrow></msub><mi>,</mi><mi>⋯</mi><mi>,</mi><msub><mi>e</mi><mrow><mi>d</mi><mi>,</mi><mi>y</mi></mrow></msub></mrow><mo>]</mo></mrow></mstyle>；

52、<mstyle displaystyle="true" mathcolor="#000000"><msubsup><mi>e</mi><mi>d</mi><mi>min</mi></msubsup><mi>=</mi><mi>min</mi><mrow><mo>[</mo><mrow><msub><mi>e</mi><mrow><mi>d</mi><mi>,</mi><mn>1</mn></mrow></msub><mi>,</mi><mi>⋯</mi><mi>,</mi><msub><mi>e</mi><mrow><mi>d</mi><mi>,</mi><mi>y</mi></mrow></msub><mi>,</mi><mi>⋯</mi><mi>,</mi><msub><mi>e</mi><mrow><mi>d</mi><mi>,</mi><mi>y</mi></mrow></msub></mrow><mo>]</mo></mrow></mstyle>;

53、其中，表示流域生态控制断面鱼类产卵敏感期第天主要鱼类产卵量的最大值，单位万粒；表示流域生态控制断面鱼类产卵敏感期第天主要鱼类产卵量的最小值，单位；

54、s402、计算流域生态控制断面鱼类产卵敏感期的适宜生态流量的上限和下限的范围，具体为：

55、；

56、；

57、其中，表示流域生态控制断面鱼类产卵敏感期第天适宜生态流量上限，单位；表示流域生态控制断面鱼类产卵敏感期第天适宜生态流量下限，单位。

58、进一步，所述s5中，年内波动期的流量数据，具体为：

59、<mstyle displaystyle="true" mathcolor="#000000"><mi>q</mi><mi>=</mi><mrow><mo>{</mo><mrow><msub><mi>q</mi><mrow><mi>d</mi><mi>,</mi><mi>y</mi></mrow></msub><mrow><mo>|</mo><mrow><mi>d</mi><mi>∈</mi><mrow><mo>[</mo><mrow><msubsup><mover accent="true"><mi>i</mi><mo>¯</mo></mover><mn>1</mn><mi>*</mi></msubsup><mi>,</mi><msubsup><mover accent="true"><mi>i</mi><mo>¯</mo></mover><mn>2</mn><mi>*</mi></msubsup><mi>−</mi><mn>1</mn></mrow><mo>]</mo></mrow><mi>∩</mi><mi>d</mi><mi>∉</mi><mrow><mo>[</mo><mrow><msub><mi>d</mi><mrow><mi>f</mi><mn>1</mn></mrow></msub><mi>,</mi><msub><mi>d</mi><mrow><mi>f</mi><mn>2</mn></mrow></msub></mrow><mo>]</mo></mrow><mi>,</mi><mi>y</mi><mi>∈</mi><mrow><mo>[</mo><mrow><mn>1</mn><mi>,</mi><mi>y</mi></mrow><mo>]</mo></mrow></mrow></mrow></mrow><mo>}</mo></mrow></mstyle>

60、针对采用场景回代缩减技术，具体为：

61、；

62、<mstyle displaystyle="true" mathcolor="#000000"><msup><mi>p</mi><mi>*</mi></msup><mi>=</mi><mrow><mo>[</mo><mrow><msub><mi>p</mi><mn>1</mn></msub><mi>,</mi><mi>⋯</mi><msub><mi>p</mi><msup><mi>y</mi><mo>′</mo></msup></msub><mi>,</mi><mi>⋯</mi><mi>,</mi><msub><mi>p</mi><mrow><mi>y</mi><mi>−</mi><mi>l</mi></mrow></msub></mrow><mo>]</mo></mrow></mstyle>；

63、；

64、其中，表示场景回代缩减模型；表示缩减后的场景对应概率序列；表示缩减后第场景对应概率；表示缩减后的流量场景矩阵；表示缩减场景个数；

65、选择缩减后场景的第天流量的最大值和最小值作为年内波动期适宜生态流量的上限和下限范围，具体为：

66、；

67、<mstyle displaystyle="true" mathcolor="#000000"><msubsup><mi>q</mi><mi>d</mi><mi>max</mi></msubsup><mi>=</mi><mi>min</mi><mrow><mo>[</mo><mrow><msub><mi>q</mi><mrow><mi>d</mi><mi>,</mi><mn>1</mn></mrow></msub><mi>,</mi><mi>⋯</mi><mi>,</mi><msub><mi>q</mi><mrow><mi>d</mi><mi>,</mi><mi>y</mi></mrow></msub><mi>,</mi><mi>⋯</mi><msub><mi>q</mi><mrow><mi>d</mi><mi>,</mi><mi>y</mi><mi>−</mi><mi>l</mi></mrow></msub></mrow><mo>]</mo></mrow></mstyle>；

68、其中，和分别表示年内波动期第天的适宜生态流量的上限和下限，单位。

69、进一步，所述s6中，流域生态控制断面全周期适宜生态流量的区间范围，具体为：

70、；

71、<mstyle displaystyle="true" mathcolor="#000000"><msubsup><mi>q</mi><mi>eco</mi><mi>down</mi></msubsup><mi>=</mi><mrow><mo>[</mo><mrow><munder><munder><mrow><msubsup><mi>q</mi><mn>1</mn><mrow><mn>1</mn><mi>−</mi><mi>p</mi></mrow></msubsup><mi>,</mi><mi>⋯</mi><mi>,</mi><msubsup><mi>q</mi><mrow><msubsup><mover accent="true"><mi>i</mi><mo>¯</mo></mover><mn>1</mn><mi>*</mi></msubsup><mi>−</mi><mn>1</mn></mrow><mrow><mn>1</mn><mi>−</mi><mi>p</mi></mrow></msubsup></mrow><mo stretchy="true">︸</mo></munder><mi>年内平稳期</mi></munder><mi>,</mi><munder><munder><mrow><msubsup><mi>q</mi><msubsup><mover accent="true"><mi>i</mi><mo>¯</mo></mover><mn>1</mn><mi>*</mi></msubsup><mi>min</mi></msubsup><mi>,</mi><mi>⋯</mi></mrow><mo stretchy="true">︸</mo></munder><mi>年内波动期</mi></munder><munder><munder><mrow><msubsup><mi>q</mi><msub><mi>d</mi><mrow><mi>f</mi><mn>1</mn></mrow></msub><mi>down</mi></msubsup><mi>,</mi><mi>⋯</mi><mi>,</mi><msubsup><mi>q</mi><msub><mi>d</mi><mrow><mi>f</mi><mn>2</mn></mrow></msub><mi>down</mi></msubsup></mrow><mo stretchy="true">︸</mo></munder><mrow><mstyle displaystyle="true" mathcolor="#000000"><mi>鱼</mi></mstyle><mstyle displaystyle="true" mathcolor="#000000"><mi>类</mi></mstyle><mstyle displaystyle="true" mathcolor="#000000"><mi>产</mi></mstyle><mstyle displaystyle="true" mathcolor="#000000"><mi>卵</mi></mstyle><mstyle displaystyle="true" mathcolor="#000000"><mi>敏</mi></mstyle><mstyle displaystyle="true" mathcolor="#000000"><mi>感</mi></mstyle><mstyle displaystyle="true" mathcolor="#000000"><mi>期</mi></mstyle></mrow></munder><mi>,</mi><munder><munder><mrow><mi>⋯</mi><mi>,</mi><msubsup><mi>q</mi><mrow><msubsup><mover accent="true"><mi>i</mi><mo>¯</mo></mover><mn>2</mn><mi>*</mi></msubsup><mi>−</mi><mn>1</mn></mrow><mi>min</mi></msubsup></mrow><mo stretchy="true">︸</mo></munder><mi>年内波动期</mi></munder><mi>,</mi><munder><munder><mrow><msubsup><mi>q</mi><msubsup><mover accent="true"><mi>i</mi><mo>¯</mo></mover><mn>2</mn><mi>*</mi></msubsup><mrow><mn>1</mn><mi>−</mi><mi>p</mi></mrow></msubsup><mi>,</mi><mi>⋯</mi><mi>,</mi><msubsup><mi>q</mi><mi>d</mi><mrow><mn>1</mn><mi>−</mi><mi>p</mi></mrow></msubsup></mrow><mo stretchy="true">︸</mo></munder><mi>年内平稳期</mi></munder></mrow><mo>]</mo></mrow></mstyle>；

72、其中，和分别表示流域生态控制断面全周期适宜生态流量的上限和下限。

73、本发明的有益效果为：首次提出了全周期适宜生态流量区间推求方法，结合流域生态控制断面历史径流数据，并考虑生态控制断面鱼类产卵、繁殖期，对全年径流过程进行分期划分，采用多种方法推求适宜生态流量的上下限范围，不仅可以弥补水文学生态流量计算方法的不足，也为水库开展生态流量调度提供了重要参考。