一种维持生物量的临界流量计算方法
【专利摘要】本发明涉及以生物多样性保护为目标的一种维持生物量的临界流量计算方法，所述方法的步骤如下：建立生物量与径流量相关关系；选择计算时段；计算临界流量。本发明采用同步系列水文年鉴资料和渔业资料，建立流量?鱼类捕捞量同步变化关系，在避免掺入主观因素的条件下，对河流维持生物量的临界流量进行计算。为确定河流对应的临界流量对于河流生态安全管理与调控提供了切实可行的计算方法。为保护生物完整性，避免河流生物繁殖条件的破坏、生物量减少，以及河流生态系统服务功能衰弱提供了科学的依据。在缺乏河流生物观测试验研究的情况下，本发明所述方法具有很强的实用性和可操作性。
【专利说明】
一种维持生物量的临界流量计算方法
技术领域
[0001] 本发明涉及一种维持生物量的临界流量计算方法，是一种生态水文计算方法，是 一种适用于不同类型河流，以生物多样性保护为目标，以维持生物量对应的河流生态水文 条件为参考指标的计算方法。
【背景技术】
[0002] 生态水文季节的概念表明：河流生态系统一年内随水文情脉动，由汛前期、汛期、 汛后枯水期构成一个完整的生理变化周期。每一个季节的生态保护目标不同。维持生物量 的临界流量时间与汛前期相对应。汛前期生态流量考虑目标水体生物生存繁衍对河流生境 的要求，通过分析水域水文、水力特性对生物完整性影响，维持一种临界状态的流量，当流 量持续小于这个数值时，将破坏生物繁殖条件，导致物种减少，降低生物完整性。因此保护 生物多样性的临界流量对于河流生态系统的健康意义重大。
[0003] 本项技术通过将生物多样性转化为生物量的分析，建立生物量与径流量同步变化 关系，计算过程规范、无个人偏好，物理意义明确，计算出的临界流量有对应的河流生物量 的物理参数支持。
【发明内容】
[0004] 本发明提出了以生物多样性保护为目标的一种维持生物量的临界流量计算方法。 所述方法采用同步系列水文资料和渔业资料，建立流量-鱼类捕捞量关系，在缺乏系统的河 流生物观测试验的情况下，所述方法具有很强的可操作性。
[0005] 本发明的目的是这样实现的：一种维持生物量的临界流量计算方法，其特征在于， 所述方法的步骤如下： 建立生物量与径流量相关关系的步骤：用于利用实测资料，河川年径流量系列{ ft， 〇2,……&}，同期的渔业捕捞量系列{ /?，/f2,……/?，以多年平均值进行模数化得到无量 纲系列{ Φ，Φ，......％ }和{ W，呢，......Wn)； 选择计算时段的步骤:用于用同步变化的?与?过程，分析与径流量衰减相关的 生物量衰退临界状态； 计算临界流量的步骤:用于通过对?进行"衰退一减少一恢复"分析，在其底部围绕 渔业捕捞量最低点I的两个水文年内，取枯水季节连续月份的月径流分别为：出现％之前{ Xl、X2、...... 1?}、出现1之后{/1、/2、....../λ}，{>}表示re之前月份的径流、{/}表示re之后月 份的径流，对应{>}、{/}的生物量为6、》>，以如下公式计算临界流量&:
： Δ w = ( We 一 Wx ) + { Wy 一 We) = ( Wr 一 Wx) = 0 在获得&的同时，对应的生物量为I。
[0006] 上述方法来自于以下核心思路： 1、模型推导： 众多的研究表明，鱼类多样性^取决于河川径流量0以及水体质量C，因此有： D = n Q,0 (1) 获取鱼类多样性的资料是最关键的第一步，对于大规模计算这实际上不太可能。事实 上，即使小规模的系统性实测鱼类生物资料也很缺乏，更缺少直接的鱼类多样性资料系列， 生物量信息实际上也难以获得。以下两个假定至关重要： (1)以鱼类生物量与流量关系来代替鱼类多样性与流量的关系 从理论上讲，在一定的空间内生物量越高，就有可能存在更多的物种。对于水生态系统 的鱼类来说，该理论也是适用的，即在鱼类生物量高的情况下，鱼类生物多样性较为丰富。 很多观测试验表明，在排除外来物种入侵等因素的情况下，可以认为鱼类生物量变化基本 能够反映鱼类多样性变化。
[0007] (2)以鱼类捕捞量的变化趋势，反映鱼类生物量的变化趋势 生物量是指某一时段，单位面积或单位水体中所积存的有机物质。鱼类生物量是指鱼 类群落的重量，由不同鱼种综合构成。鱼类生物量多的年份，鱼类的年捕捞量也会相对较 多，鱼类捕捞量的变化趋势基本能反映鱼类生物量的变化趋势，因此以鱼类捕捞量变化可 以近似地代替生物量变化。假定渔业捕捞量的年际变化与鱼类生物量的变化同步。
[0008] 通过上述分析，可以利用渔业资源调查统计资料，用流量与鱼类捕捞量的关系代 替流量与鱼类多样性的关系。将渔业捕捞量进行无量纲处理：以年度渔业捕捞量除以多年 平均渔业捕捞量，得到相对渔业捕捞量，这种相对量可以近似看成鱼类生物量的相对量。
[0009] 由此，对于式（1)可用生物量(渔业捕捞量）/f代替生物多样性指数A其随时间? 变化，有如下的关系：
(2) 水体质量的理解同样至关重要。从流域生物多样性而言，鱼类生存进化竞争依赖的水 品质是具有本流域生理生化结构的本土水，反映了本流域固有的特征。因此，一个特定流域 的生物多样性是由本土水发育形成的，不仅仅要排除水污染因素，也要排除外来引水因素， 正常的鱼类多样性是在本土水的固有环境中竞争实现，因此有：
(3)
[0010]式（3)表明，??具有一致的同步性，此既为考虑生物多样性的临界流量计 算模型。
[0011]当径流量出现衰减并探底回升，如果生物量也随之同步出现相似过程，根据恢复 生态学原理，可以判定生物多样性的变化在可恢复范围内，既： 此时对应的流量弘，为维持生物量的临界流量。 (4)
[0012] 2、计算方法： (1)资料获取与处理:利用实测资料，河川年径流量系列{必，?，···&}，同期的渔业捕 捞量系列{ /?，/f2,……/?;以多年平均值进行模数化得到无量纲系列{ Φ，吸，…办}和{ (η，奶。渔业捕捞量相对量的变化，能够反映鱼类生物量的变化过程。
[0013] ⑵选择计算时段：由同步变化的〇^与^~(过程，分析与径流量衰减相关的生物量 衰退临界状态。根据恢复生态学原理，生态系统具有缓冲环境变化的能力。群落的结构在形 态和生理方面对自然环境的变化具有一定的自我调节、自我组织和自我恢复的能力，能维 持一定的动态平衡。当河流持续处于低流量状态时，鱼类由于来不及调整自身的生理特性， 生长和繁殖都受到限制。当这种胁迫的时间超过一定范围时，敏感物种将大量消亡，部分生 态位较宽的鱼种相对可以维持，但生长不良。当下一个水文年的流量增加时，流量条件对鱼 类的生存限制性降低，如果鱼类生物量能够回升或增加，表明上一个水文年的流量对鱼类 群落的影响仍在其可忍受的范围内；如果随着流量的增加，鱼类的生物量仍然持续降低，则 表明生物资源已经遭受到破坏。上述分析表明，在接近生物量衰退临界状态时，生物量变化 是一个探底反弹过程。所谓的维持生物量的临界流量要能够反映生物量这种"衰退一减 少一恢复"的变化过程。
[0014] (3)计算临界流量:通过对?进行"衰退一减少一恢复"分析，在其底部围绕最低 点》^两个水文年内，取枯水季节连续月份的月径流分别为：出现&之前{ Ζ1、Ζ2、......、出 现I之后{ /1、72、 /^}。对应!>}、{/}的生物量为~、吟。以如下公式计算临界流量弘：
(5) ^ W=(,We~Wx) Jr(,Wy~We) =( Ψχ~Ψχ) = 0 (6) 在获得&的同时，对应的生物量为I。
[0015] 本发明产生的有益效果是:本发明采用同步系列水文资料和渔业资料，建立流量-鱼类捕捞量关系，以无量纲的渔业捕捞量的变化近似替代无法观测的生物量变化，对河流 维持生物量的临界流量进行计算。为大规模分析河流生物多样性与河川径流的定量联系提 供了有效手段。在缺乏系统的河流生物量观测试验的情况下，本发明所述方法具有很强的 实用性和可操作性。
【附图说明】
[0016] 图1是本发明的实施例一所述计算实例的松花江径流量和渔业捕捞量关系示意 图。
【具体实施方式】 [0017] 实施例： 本实施例是以保障生物完整性为目标的一种维持生物量的临界流量计算方法。本实施 例所称的临界流量，是以最小的水量维持水生生物的繁衍条件。鱼类是水生态系统的顶级 生物，其生物量的变化能够代替生物量的变化。物种多样性和物种丰富度关系密切，物种越 多，生物量也越丰富；很多观测试验表明，在没有外来物种入侵的前提下，生物量丰富也反 映了物种完整性。
[0018] 充分利用渔业资料信息，以无量纲化处理的鱼类捕捞量变化近似代替鱼类生物量 变化，也反映了水生态系统的生物量变化。
[0019] 所述方法的具体步骤如下： 建立生物量与径流量相关关系的步骤：用于利用实测资料，河川年径流量系列{ ft， 〇2,……α}，同期的渔业捕捞量系列{ /?，/r2,……/?，以多年平均值进行模数化得到无量 纲系列{ Φ，Φ，......0? }和{ (η，奶，......Wn); 选择计算时段的步骤：由于由同步变化的?与》^ ?过程，分析与径流量衰减相关的 生物量衰退临界状态； 计算临界流量的步骤:用于通过对?进行"衰退一减少一恢复"分析，在其底部围绕 渔业捕捞量最低点I的两个水文年内，取枯水季节连续月份的月径流分别为：出现I之前{ n...... &}、出现I之后....../λ}，对应!>}、{/}的生物量为&、r7,以如下公式计 算临界流量弘：
且 ?茜足：Δ re - Wx ) + { Wy 一 We) = { Wy 一 Wx) = 0 在获得&的同时，对应的生物量为re。
[0020] 具体计算实例： 以松花江哈尔滨站和佳木斯站为例。图1为无量纲实测年径流量g与渔业捕捞量⑷勺变 化关系。可以看出?与^~ ?的变化趋势如同式(3)描述高度一致，即随着流量的增加，鱼 产量增加，反之亦然。从1977至1979年的连续3年，流量持续减少，1979年达到最低值，相应 的渔业量也持续走低，1979年降到最低值。
[0021] "衰退一减少一恢复"过程:1977-1979年的持续枯水年，使得鱼类的生存环境遭受 破坏；1978-1979水文年的枯水期，鱼类的生存环境变得恶劣，生长繁殖受到限制，导致鱼产 量大幅度下降，但此时的流量条件仍然在某些鱼类可以承受的弹性范围内。由于部分鱼种 的消亡，1979年的鱼产量降到最低值；1980年流量增加后，鱼产量有所回升，说明了绝大部 分鱼类的生命和繁殖能够得以延续，但其产量回升的幅度很小，说明鱼类群落恢复的滞后 性。分析表明1979-1980年处于临界状态。
[0022] 以1978-1980两个水文年，取10月至次年5月，为计算时段。以式(5)计算，得到哈尔 滨站和佳木斯站的临界流量分别为28.3%和26.3%。在此流量下，鱼类生物量能维持在多年 平均值的51.8%左右，保存了部分鱼类物种资源，意味着在流量增加的情况下，鱼类具有恢 复能力。
[0023]最后应说明的是，以上仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳布 置方案对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术 方案(比如数据采集的方式、计算公式的应用、步骤的先后顺序等)进行修改或者等同替换， 而不脱离本发明技术方案的精神和范围。
【主权项】
1. 一种维持生物量的临界流量计算方法，其特征在于，所述方法的步骤如下： 建立生物量与径流量相关关系的步骤：用于利用实测资料，河川年径流量系列{化， 化，……化}，同期的渔业捕拱量系列{折，，……府}，W多年平均值进行模数化得到无 量纲系列{ 01，92,......斯}和{>1，狀2,......心}; 选择计算时段的步骤：用于用同步变化的g~t与r~?过程，分析与径流量衰减相关的 生物量衰退临界状态； 计算临界流量的步骤：用于通过对r~?进行"衰退一减少一恢复"分析，在其底部围绕 渔业捕拱量最低点re的两个水文年内，取枯水季节连续月份的月径流分别为：出现We之前 1>1、J2、 Λ }、出现We之后{乃、......7。}，{>}表示We之前月份的径流、{/}表示We 之后月份的径流，对应U}、{7}的生物量为、吟，W如下公式计算临界流量化：且方馬足：4 W = (We-Wj ) + (吟-We )=(吟―府:)=0 在获得化的同时，对应的生物量为We。
【文档编号】G06F19/00GK105976255SQ201610313192
【公开日】2016年9月28日
【申请日】2016年5月12日
【发明人】陈敏建, 丰华丽, 马静, 王高旭, 王立群, 黄昌硕, 黄利群, 闫龙, 杨贵羽, 杨珏, 陈波, 尚静石
【申请人】中国水利水电科学研究院