CN107392509A - 一种基于物元分析的河道生态径流过程评价方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种基于物元分析的河道生态径流过程评价方法，其包括：使用多种已有的方法计算研究流域各月生态流量，并以此组成不同的生态径流过程；确定生态径流过程评价等级及划分标准；根据各月生态流量构建待评物元，根据确定的评价标准构建经典域物元和节域物元；确定各评价指标的权重；计算各评价指标对各评价等级的关联度及各评价等级的综合关联度，根据综合关联度确定评价等级；根据不同方法计算得出的生态径流过程的评价等级，结合研究流域的生态需水要求，综合确定生态径流过程。本发明建立了生态径流过程评价标准，可对其进行客观评价，为推求河道生态径流过程提供了新方法，也为水电站下游减脱水河段的生态修复提供技术支持。
Description
技术领域
本发明涉及一种基于物元分析的河道生态径流过程评价方法，属于水资源管理与保护领域。
背景技术
引水式水电站一般建于坡降较大的中小型山区河流，利用管道或渠道将水流引至可形成较大落差的下游。其修建导致局部河段的径流量急剧减小，使坝址到电站厂房尾水间形成减脱水河段，对河道水文情势及生态质量造成负面影响。2016年，国家能源局发布《水电发展“十三五”规划》，要求对因水电开发造成环境保护、水土流失问题相对突出的中小型流域进行生态修复；同年2月，水利部印发《农村水电增效扩容改造河流生态修复指导意见》，提出在进行农村水电增效扩容改造时应科学确定河道生态流量及下泄措施，为河流生态功能自然修复创造条件。
河流生态系统保护及修复的一个重要组成部分是研究河流生态径流过程。目前，国内外学者多采用几种方法计算生态径流过程，综合分析后确定符合研究河域特征的方法。石永强使用四种水文学法并根据生态需求确定襄阳市主要河流的生态基流(石永强,左其亭.基于多种水文学法的襄阳市主要河流生态基流估算[J].中国农村水利水电,2017,(2):50-54+59.)；于松延采用六种方法计算渭河关中段生态基流量，结合径流年内分布特点进行分析确定Tennant法最优，Texas法其次(于松延,徐宗学,武玮.基于多种水文学方法估算渭河关中段生态基流[J].北京师范大学学报(自然科学版),2013,(Z1):175-179.)。
河流生态径流过程计算方法已取得较多研究成果，但不同河流适用的生态径流计算方法可能不同，目前在其方法选择上的主观因素较大，且多侧重于定性说明，没有明确的评价方法。因此提出一种生态径流过程评价方法，客观评价不同生态径流过程计算方法得到的结果，对河道生态径流过程的确定具有重要意义。
发明内容
本发明的目的在于克服上述不足，客观评价不同方法计算出来的生态径流过程，进而确定河道生态径流过程，将物元分析法(Matter Element Analysis)与Tennant法耦合，提出了一种基于物元分析的河流生态径流过程评价方法。
所述物元分析法(Matter Element Analysis)是基于物元分析理论，其思想是将任一事物均用“事物的名称N、事物的特征C、该特征对应的量值X”三个要素来描述，并组成有序三元组的基本元，即物元，表示为R＝(N,C,X)。物元分析法应用于事物的评价中时，根据事物特征选取多个特征量实测值，建立相应的待评物元R，根据对事物的评价等级确定经典域物元Rj和节域物元Rp，确定各评价指标的权重后计算各评价指标对各评价等级的关联度Kj(xi)及各评价等级的综合关联度Kj(P0)，并根据综合关联度确定评价等级。
本发明的目的是这样实现的：
本发明一种基于物元分析的河道生态径流过程评价方法，具体步骤如下：
一种基于物元分析的河道生态径流过程评价方法，具体步骤如下：
步骤一：获取待研究流域水文资料，使用多种已有的方法计算各月生态流量，并以此组成不同的生态径流过程；
步骤二：基于Tennant法并结合研究流域具体特征确定生态径流过程评价标准；
步骤三：根据步骤一中得到的各月生态流量，采用物元分析法构建待评物元R，根据步骤二确定的生态径流过程评价标准构建经典域物元Rj和节域物元Rp；
步骤四：采用模糊层次分析法确定各评价指标的权重ωi，i＝1,2,3…,12；
步骤五：确定各评价指标对各评价等级的关联度Kj(xi)，考虑权重后计算各评价等级的综合关联度Kj(P0)，根据综合关联度确定评价等级；
步骤六：根据步骤五确定的不同生态径流过程的评价等级，结合待研究流域的生态需水要求，综合确定生态径流过程。
进一步的，在步骤二中，将各月生态径流状况作为12个评价指标(Ci，i＝1,2,3,…,12)；对Tennant法进行调整，将全年分为枯水期、平水期、丰水期进行评价，其划分方法是先将全年划分为汛期和非汛期，分别计算汛期、非汛期系列对应频率25％、75％的流量，作为划分丰、平、枯水期的界限，各时期的等级评价标准根据不同流域具体特征而定；评价等级分为：最大、最佳、很好、好、较好、一般、差。
在步骤三中，在步骤三中，将各月生态流量与多年平均流量的占比作为评价指标量值Xi，所述待评物元为其中P0为待评单元，即生态径流过程；所述经典域物元为其中Nj为第j个评价等级，Xji＝[aji,bji]表示处于第j个等级时，第i个月的生态流量占多年平均流量的百分比范围；所述节域物元为其中Np为评价等级的全体，Xpi＝[api,bpi]表示第i个指标所有经典域取值范围之和。
步骤四具体为：将各月生态径流状况作为12个评价指标，建立各评价指标两两之间相对重要程度的模糊一致判断矩阵其中rij表示指标ai比aj重要的隶属度，采用0.1～0.9标度法确定；第i项指标权重计算公式为：其中参数a≥(n-1)/2，参数a取值大小的选择反映了决策者的个人偏好，a越小，表明决策者越重视元素间权重的差异。
步骤五具体为：定义点xi到Xji＝[aji,bji]和Xpi＝[api,bpi]的距离分别为：
关联函数Kj(xi)表示物元符合所要求的取值范围的程度，为：
式中：|Xji|＝|aji-bji|。
考虑权重后计算第j个评价等级的综合关联度，为：
若Kj＝max{Kj(P0)}，则生态径流过程处于第j级。当0≤Kj(P0)≤1时，表示所求生态径流过程符合该标准等级的要求；当-1＜Kj(P0)＜0时，表示不符合该标准等级的要求，但是具备转化为该等级的条件，其值越小，越易转化；当Kj(P0)≤-1时，表示不符合该标准等级的要求，且无法转化为该等级；当Kj(P0)＞1时，表示超过标准等级上限。
与现有技术相比，本发明的有益技术效果在于：
本发明提供了一种基于物元分析的河道生态径流过程评价方法，由于不同河流适用的生态径流过程计算方法不同，本方法建立了生态径流过程评价标准，考虑了各月份生态流量状况重要程度的差异性，使评价结果比单纯逐月比较生态流量的占比更加合理，直观且客观地评价了不同方法计算出的生态径流过程，结合研究流域生态需水要求后确定生态径流过程，本发明具有较强的实用性和适用性。
附图说明
图1为本发明的具体技术路线流程图；
图2为本发明实施例的最小生态径流过程耦合图；
图3为本发明实施例的适宜生态径流过程耦合图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明技术方案的具体实施方式做详细说明。
湖南省刘家坪河系溆水二都河的一级支流，发源于湖南省隆回县凉风界，河流流向变化较大，由东南呈之字形流向西北。全流域气候温和、四季分明，面积72km2，河长30km，坡降较大，河道内无珍稀水生生物。刘家坪水库位于溆浦县龙庄湾乡，地处东经110°36′～110°42′，北纬27°26′～27°38′，控制集雨面积53.63km2，多年平均流量为1.51m3/s，坝址以上干流长度21km，总库容3365.2万m3，具有多年调节性能。电站厂房位于大坝下游3公里处，为引水式开发，厂坝之间存在减脱水河段，偶有基坑积水，河床砂石裸露，无鱼类生存之所，需要下泄一定的生态流量，以满足生态环境的需水要求。
下面以刘家坪水电站下游减脱水河段为研究对象，对本发明一种基于物元分析的河道生态径流过程评价方法进行实例分析，其技术路线参见图1。
步骤一：获取待研究流域水文资料，使用多种已有的方法计算各月生态流量，并以此组成不同的生态径流过程。
目前，全球关于生态流量计算方法超过200种，归纳起来有水文学法、水力学法、栖息地模拟法和整体分析法四种方法。由于我国大部分河流缺乏生态资料，难以使用栖息地模拟法和整体分析法，水力学方法需要实地资料，耗时耗力，而水文学方法仅需历史径流资料，适用于现阶段我国中小型河流生态径流研究。目前常采用逐月最小生态流量法、年内展布法、NGPRP法计算最小生态流量，采用不同保证率选取下的逐月频率法计算适宜生态流量(本文选取保证率为：①枯水期90％、平水期70％、丰水期50％；②各月均取50％；③冬季取80％、春秋季取75％、夏季取50％。)。不同方法的生态径流过程计算结果见表1。
表1不同方法的生态径流过程计算结果单位：m3/s
步骤二：基于Tennant法并结合研究流域具体特征确定生态径流过程评价标准。
将各月生态径流状况作为12个评价指标(Ci，i＝1,2,3,…,12)；对Tennant法进行调整，将全年分为枯水期、平水期、丰水期进行评价，其划分方法是先将全年划分为汛期和非汛期，分别计算汛期、非汛期系列对应频率25％、75％的流量，作为划分丰、平、枯水期的界限，各时期的等级评价标准根据不同流域具体特征而定；评价等级分为：最大、最佳、很好、好、较好、一般、差。河流生态径流过程评价标准见表2。
表2河流生态径流过程评价标准
步骤三：根据步骤一中得到的各月生态流量构建待评物元R，根据步骤二确定的生态径流过程评价标准构建经典域物元Rj和节域物元Rp。
以逐月最小生态流量法为例，将各月生态流量与多年平均流量的占比作为评价指标量值Xi，构建待评物元R，根据生态径流过程评价等级标准(表2)构建经典域物元Rj(j＝1,2,…7)和节域物元Rp，即：
步骤四：采用模糊层次分析法确定各评价指标的权重ωii＝1,2,3…,12。
根据刘家坪电站下游河段生态现状及泄放生态流量的目标，考虑到刘家坪河流域降雨季节分明，各月生态流量状况的重要程度为：枯水期＞平水期＞丰水期，越枯的月份重要性越高。根据模糊层次分析法，首先建立反映各月生态流量重要程度的模糊一致判断矩阵为：
计算各月权重为：W＝(ω1,ω2,ω3···ω12)＝(0.121,0.115,0.082,0.081,0.051,0.050,0.048,0.053,0.079,0.084,0.117,0.119)。
步骤五：确定各评价指标对各评价等级的关联度Kj(xi)，考虑权重后计算各评价等级的综合关联度Kj(P0)，根据综合关联度确定评价等级；
以逐月最小生态流量法为例，各月生态径流状况对各评价等级的关联度及各评价等级的综合关联度见表3。
表3各月生态径流状况对各评价等级的关联度
由表3可知，Kj＝max{Kj(P0)}(j＝1,2,L,7)＝0.0370，故由逐月最小生态流量法计算出的生态径流过程评价等级为“一般”。
不同方法计算出的生态径流过程对各评价等级的综合关联度以及评价结果见表4。
表4不同方法的生态径流过程评价结果
步骤六：根据步骤五确定的不同生态径流过程的评价等级，结合待研究流域的生态需水要求，综合确定生态径流过程。
由表4可知，计算最小生态径流过程时，逐月最小生态流量法计算结果的评价等级为“一般”，年内展布法和NGPRP法为“较好”。对照生态径流过程的评价标准，评价等级为“一般”的生态流量占年平均流量的10％～40％，“较好”为20％～50％。10％的年平均流量是支撑大多数水生生物短期生存栖息地的最小瞬时流量，当生态流量小于该流量时，有近一半的河流底质或湿周将暴露，生态系统将严重受损，理论上计算的最小生态径流过程应该恰好满足水生生物的最低生活条件，但为了生态系统的长远发展，应有一定的预留空间。所以取评价等级为“较好”的年内展布法和NGPRP法计算结果进行耦合，取其外包线作为最小生态径流过程，且不低于10％的多年平均流量，最小生态径流过程的耦合如图2所示。此径流过程既可保证下游河段不发生断流并维持一定水量，同时为水生生物提供最小生存空间。
计算适宜生态径流过程时，逐月频率法取法①计算结果的评价等级为“较好”，取法③为“好”，取法②为“很好”。在评价标准中，评价等级为“好”的生态流量占年平均流量的30％～60％，“很好”为40％～80％。当生态流量为年平均流量的30％～60％时，湿润底质明显增加，河宽、水深和流速能较好地满足水生生物生长繁育的需要，生态结构的稳定性明显增强；60％～100％的年平均流量被认为是最适宜的生态流量。考虑到刘家坪河流域无珍稀水生生物，河道两岸植被茂密，水土保持完善，有天然降水、地下水和涵养水进行水量补充，因此逐月频率法取法②和③均可满足河流适宜生态需水的要求。将两种保证率取法下的生态径流过程进行耦合，取其外包线和内包线分别作为适宜生态径流过程阈值的上下限，适宜生态径流过程的耦合如图3所示。由于刘家坪水电站承担着比较重要的发电任务，需结合当月实际来水情况以及发电需求，在阈值内灵活泄放生态流量，最大限度提高水资源利用率。
最小及适宜生态径流过程各月生态流量见表5。
表5生态径流过程 单位：m3/s
尽管上述已经示出和描述了本发明的实施例，本领域的普通技术人员可以理解在不脱离本发明的原理和宗旨的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由权利要求及其等同物限定。
Claims (5)
1.一种基于物元分析的河道生态径流过程评价方法，具体步骤如下：
步骤一：获取待研究流域水文资料，使用多种已有的方法计算各月生态流量，并以此组成不同的生态径流过程；
步骤二：基于Tennant法并结合研究流域具体特征确定生态径流过程评价标准；
步骤三：根据步骤一中得到的各月生态流量，采用物元分析法构建待评物元R，根据步骤二确定的生态径流过程评价标准构建经典域物元Rj和节域物元Rp；
步骤四：采用模糊层次分析法确定各评价指标的权重ωi，i＝1,2,3…,12；
步骤五：确定各评价指标对各评价等级的关联度Kj(xi)，考虑权重后计算各评价等级的综合关联度Kj(P0)，根据综合关联度确定评价等级；
步骤六：根据步骤五确定的不同生态径流过程的评价等级，结合待研究流域的生态需水要求，综合确定生态径流过程。
2.根据权利要求1所述的基于物元分析的河道生态径流过程评价方法，其特征在于：在步骤二中，将各月生态径流状况作为12个评价指标(Ci，i＝1,2,3,…,12)；对Tennant法进行调整，将全年分为枯水期、平水期、丰水期进行评价，其划分方法是先将全年划分为汛期和非汛期，分别计算汛期、非汛期系列对应频率25％、75％的流量，作为划分丰、平、枯水期的界限，各时期的等级评价标准根据不同流域具体特征而定；评价等级分为：最大、最佳、很好、好、较好、一般、差。
3.根据权利要求2所述的基于物元分析的河道生态径流过程评价方法，其特征在于：在步骤三中，将各月生态流量与多年平均流量的占比作为评价指标量值Xi，所述待评物元为其中P0为待评单元，即生态径流过程；所述经典域物元为其中Nj为第j个评价等级，Xji＝[aji,bji]表示处于第j个等级时，第i个月的生态流量占多年平均流量的百分比范围；所述节域物元为其中Np为评价等级的全体，Xpi＝[api,bpi]表示第i个指标所有经典域取值范围之和。
4.根据权利要求3所述的基于物元分析的河道生态径流过程评价方法，其特征在于：步骤四具体为：将各月生态径流状况作为12个评价指标，建立各评价指标两两之间相对重要程度的模糊一致判断矩阵其中rij表示指标ai比aj重要的隶属度，采用0.1～0.9标度法确定，第i项指标权重计算公式为：其中参数a≥(n-1)/2，参数a取值大小的选择反映了决策者的个人偏好，a越小，表明决策者越重视元素间权重的差异。
5.根据权利要求4所述的基于物元分析的河道生态径流过程评价方法，其特征在于：步骤五具体为：定义点xi到Xji＝[aji,bji]和Xpi＝[api,bpi]的距离分别为：
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<mn>2</mn>
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</mtr>
</mtable>
</mfenced>
</mrow>
关联函数Kj(xi)表示物元符合所要求的取值范围的程度，为：
<mrow>
<msub>
<mi>K</mi>
<mi>j</mi>
</msub>
<mrow>
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式中：|Xji|＝|aji-bji|；
考虑权重后计算第j个评价等级的综合关联度，为：
<mrow>
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</mrow>
</mrow>
若Kj＝max{Kj(P0)}，则生态径流过程处于第j级；当0≤Kj(P0)≤1时，表示所求生态径流过程符合该标准等级的要求；当-1＜Kj(P0)＜0时，表示不符合该标准等级的要求，但是具备转化为该等级的条件，其值越小，越易转化；当Kj(P0)≤-1时，表示不符合该标准等级的要求，且无法转化为该等级；当Kj(P0)＞1时，表示超过标准等级上限。
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2017
- 2017-09-05 CN CN201710789140.5A patent/CN107392509A/zh active Pending
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| CN113420265B (zh) * | 2021-08-25 | 2022-09-23 | 中国水利水电科学研究院 | 一种河流生态需水精细化计算方法 |
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