CN108959754A - 一种河流生态基础流量的计算方法 - Google Patents

Abstract

一种河流生态基础流量的计算方法，包括以下步骤：步骤一、根据断面的平均径流量计算距平百分率，划分年型；步骤二、确定某一年型的基流比例并对其进行验证；步骤三、按照各年型平均径流量之间的比值，推求彼此基流比例的关系，再根据步骤二中已确定的某一年型的基流比例计算出其它各年型的基流比例；平均径流量较大的年型基流比例较低，反之则高，同一年型内各个时段的基流比例相同；步骤四、求取各时段的基流比例与平均径流量的乘积，得到河流生态基础流量。本发明按照不同的时间段、不同的季节分别计算河道的生态基础流量，使得计算结果更接近河道生物的实际用水需求。

Description

一种河流生态基础流量的计算方法

技术领域

本发明属于环境工程领域，具体涉及一种河流生态基础流量的计算方法。

背景技术

20世纪50年代，西方发达国家开始了以水质恢复为中心的河流保护行动，80年代初，其河流污染得到缓解，又开始了以河流生态修复为中心的战略转移[1]。期间，强调满足河流最基本需求的生态需水量即生态基础流量被提出。1998年Peter H[2]首次提出基本生态需水量是河流应提供一定质量和数量的水给天然生境，最大程度地保护物种多样性和生态系统的完整性，同时认为基本生态需水量随着气候、季节等因素的变化在一定范围内可以变动[3]。

当前国外比较常用的河道生态基流计算方法可分为4类[4–6]：1)水文学法，代表方法有Tennant法、Texas法等；2)水力学法，代表方法有湿周法、R2Cross法等；3)栖息地定额法，代表方法有IFIM法等；4)整体分析法，包括南非的构造块方法(BBM)和澳大利亚的整体研究法。国内目前的河流生态基流研究主要是对国外方法的应用和讨论，2002年倪晋仁[7]首次系统地分析了黄河下游河段各类最小生态环境需水量，提出了河流生态用水量及其阈值确定的各项原则。在此基础上研究者开始提出一些适合于我国的计算方法，如最小月平均流量法、月(年)保证率法[8]及逐月频率计算法[9]等。

但是，目前国内外大部分研究是以保证枯水期河道基本生态水平的流量作为生态基础流量，用一个值来代替河道某一段面任何时间的流量保障值，这显然不太合理。

[1]鲍青青，粟维斌.河流风景区生态系统健康评价研究—以桂林漓江风景区为例[J].自然灾害学报，2015，24(2):122-127.

[2]PETER H.Water in Crisis:Paths to sustainable water use[J].Ecological Applications. 1998,8(3):571-579.

[3]DYSON M,BERGKAMP G,SCANLON J.Flow:the essentials of environmentalflows[M].Grand, Swiss:International Union for Conservation of Nature,2003.

[4]张丽，李丽娟，梁丽乔，等.流域生态需水的理论及计算研究进展[J].农业工程学报，2008，24(7)： 307－312.

[5]HUGHES D A,HANNART P.A desktop model used to provide an initialestimate of the ecological in-stream flow requirements of rivers in SouthAfrica[J].Journal of Hydrology,2003,270(3): 167–181.

[6]HUGHES D A.Providing hydrological information and data analysistools for the determination of ecological instream flow requirements forSouth African rivers[J].Journal of Hydrology,2001,241(1/2):140–151.

[7]倪晋仁，金玲，赵业安,等.黄河下游河流最小生态环境需水量初步研究[J].水利学报，2002， 33(10)：1-7.

[8]杨志峰，崔保山，刘静玲，等.生态环境需水量理论方法与实践[M].北京：科学出版社，2003.

[9]于龙娟，夏自强，杜晓舜.最小生态径流的内涵及计算方法研究[J].河海大学学报：自然科学版， 2004，32(1)：18－22.

发明内容

本发明的目的在于针对上述现有技术中的问题，提供一种河流生态基础流量的计算方法，按照不同的时间段、不同的季节分别计算河道的生态基础流量，使得计算结果更接近河道生物的实际用水需求，为我国北方地区河道生态修复提供依据。

为了实现上述目的，本发明采用的技术方案包括以下步骤：

步骤一、根据断面的平均径流量计算距平百分率，划分年型；

步骤二、确定某一年型的基流比例并对其进行验证；

步骤三、按照各年型平均径流量之间的比值，推求彼此基流比例的关系，再根据步骤二中已确定的某一年型的基流比例计算出其它各年型的基流比例；平均径流量较大的年型基流比例较低，反之则高，同一年型内各个时段的基流比例相同；

步骤四、求取各时段的基流比例与平均径流量的乘积，得到河流生态基础流量。

步骤一计算距平百分率的公式为：E＝(Qi-Qa)/Qa×100％；

上式中，E为断面的距平百分率，单位为％；Qi为断面第i年平均径流量，单位为m³/s； Qa为断面多年平均径流量，单位为m³/s。

步骤一中所述的年型分为丰水年、平水年、枯水年及特枯年；其中，丰水年E＞20％，平水年20％≥E＞-20％，枯水年-20％≥E＞-60％，特枯年-60％≥E。

步骤二按照下式计算基流比例：T_i+1＝[1+(Q_iQ_i+1-1)×μ]×T_i；

令α＝1+(Q_iQ_i+1-1)×μ，则T_i+1＝α×T_i；上式中，T_i为已知的断面第i年型的基流比例，％； i＝1、2、3、4，依次为丰水年、平水年、枯水年和特枯年；Q_i为断面第i年型的平均径流量， m³/s；Q_i＞Q_i+1，Q_i/Q_i+1-1为第i年型径流量比第i+1年型增加的比值；α为第i+1年型与第i 年型基流比例的比值；μ为比例削减系数，1≥μ≥0。μ＝1时表示比例不削减，基流比例与径流量之间的比值为直接关系，各年型的生态基流量一样；μ＝0时表示比例完全削减，基流比例与径流量之间的比值没有关系，各年型的基流比例一样。

步骤四通过下式求取河流生态基础流量：S_i＝Q_i×T_i；

式中，S_i为断面第i时段的生态基流量，单位为m³/s。

与现有技术相比，本发明具有如下的有益效果：目前国内外大部分研究是以保证枯水期河道基本生态水平的流量作为生态基础流量，用一个值来代替河道某一断面任何时间的流量保障值，这显然不太合理。本发明根据断面的平均径流量计算距平百分率较为客观，不会受到系列个数的影响，通过按照不同的时间段、不同的季节分别计算河道的生态基础流量，更加贴合河道生物的实际用水需求。按照本发明的方法计算河道的生态基础流量，并对基流的保障程度和影响因素进行分析，能够为我国北方地区河道生态修复提供依据。

附图说明

图1本发明基流比例计算方法的流程图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步的详细说明。

为了使生态基流更好的体现河流生物栖息地需水的年际间和年内变化，可将长期径流系列资料划分为丰水年、平水年、枯水年和特枯年等不同年型，甚至进一步将年内划分为丰水期、平水期和枯水期等不同时段，分别计算其生态基流值。因为枯水年河道流量比丰水年少，在河道内生物变化不大的情况下，枯水年生态基流占其平均径流的比例应比丰水年大，这样才能使枯水年的生态基流尽可能满足河道生物生存的需要。在同一年内，4－9月处于河道内生物生长高峰期，所需水量大，其中的丰水期一般为汛期，这时我国北方河流还兼有输沙的功能，河道流量最大，所以生态流量也应最大；而枯水期河道内生物一般处于生长停滞阶段，所需水量较小，河道流量最小，所以基流值也应最小。

因此，在计算各年型生态基流时，可利用平均径流量之间的比值关系，通过模型计算，确定各年型的基流比例，并最终计算出基流值，年内各时段的生态基流可根据平均径流量与所属年型的基流比例来计算。下面根据这一思路，提出具体的计算方法。

参见图1，本发明的基流比例计算方法包括以下步骤：

1)年型的划分；

在计算过程中如何划分丰、平、枯及特枯年非常关键，目前国内常用的方法主要有两种。第一种方法是采用保证率来划分，即根据多年的径流量频率曲线，采用符合一定保证率的年径流作为划分标准。第二种方法即距平百分率法，公式(1)为距平百分率的计算方法，根据表1的划分标准，可将长期系列划分为丰、平、枯及特枯年。因为这种方法比采用保证率划分更客观，不受系列个数的影响，本发明采用这种方法。

E＝(Qi-Qa)/Qa×100％ (1)

在上式中，E为断面的距平百分率，％；Qi为断面第i年平均径流量，m³/s；Qa为断面多年平均径流量，m³/s。

表1丰、平、枯及特枯年划分标准

注：E为断面的距平百分率，％。

2)生态基流的计算；

首先采用传统计算方法确定某一年型的基流比例并对其进行验证；其次按照各年型平均径流量之间的比值，推求彼此基流比例的关系；再根据已确定的某一年型的基流比例计算出其它各年型的基流比例，平均径流量大的年型基流比例低，反之则高；同一年型内各个时段的基流比例相同。基流比例的计算模型见公式(2)和(3)。

T_i+1＝[1+(Q_iQ_i+1-1)×μ]×T_i (2)

令α＝1+(Q_iQ_i+1-1)×μ

则T_i+1＝α×T_i (3)

式中，T_i为已知的断面第i年型的基流比例，％；i＝1、2、3、4，依次为丰水年、平水年、枯水年和特枯年，一般T_i+1＞T_i。Q_i为断面第i年型的平均径流量，m³/s；Q_i＞Q_i+1，Q_i/Q_i+1-1为第i年型径流量比第i+1年型增加的比值。α为比例倍数，即第i+1年型与第i年型基流比例的比值。μ为比例削减系数，1≥μ≥0。μ＝1时表示比例不削减，基流比例与径流量之间的比值为直接关系，各年型的生态基流量一样。μ＝0时表示比例完全削减，基流比例与径流量之间的比值没有关系，各年型的基流比例一样。

各时段的生态基流为其基流比例与平均径流量的乘积，计算见公式(4)。

S_i＝Q_i×T_i (4)

式中，S_i为断面第i时段的生态基流量，m³/s。

实施例

1、年际间生态基流计算。

将窟野河温家川站1961—2010年径流序列划分为丰水年、平水年、枯水年和特枯年。根据Tennant法的推荐，假定丰水年生态基流占其平均径流的20％，经计算生态基流为多年平均流量16.05m³/s的33.04％。再依据式(1)和(2)分别计算其他各年型的基流比例及基流。

表2温家川站各年型生态基流

根据上表可得，窟野河温家川站特枯年生态基流为2.16m³/s，占多年平均流量的13.46％；其他各年型依次增加，丰水年生态基流为5.30m³/s，是特枯年的2.5倍，占多年平均流量的 33.04％；各年型的生态基流值都符合Tennant法的推荐比例。

2、年内各时段生态基流计算。

根据窟野河温家川站1961—2010年各月的多年平均流量分布，将7—10月定为丰水期， 3—6月为平水期，11—次年2月为枯水期，将每一年型再分为这3个时段分别计算其生态基流。首先求出各时段的径流量平均值，再按照表2确定的各年型的基流比例分别计算各时段的生态基流，计算结果见表3。

表3温家川站各水期的生态基流

表3中温家川站各时段生态基流为1.42～11.14m³/s，最小1.42m³/s为特枯年枯水期的，最大11.14m³/s为丰水年丰水期的。各年型各时段生态基流占其平均流量的比例：丰水年最低，为7.02％～41.88％；特枯年最高，为29.10％～59.42％。而且，除了特枯年，各年型的平水期和枯水期生态基流差别不大，平水期都在3.00m³/s左右，枯水期都在2.00m³/s左右。

Claims (6)

1.一种河流生态基础流量的计算方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤一、根据断面的平均径流量计算距平百分率，划分年型；

步骤二、确定某一年型的基流比例并对其进行验证；

步骤三、按照各年型平均径流量之间的比值，推求彼此基流比例的关系，再根据步骤二中已确定的某一年型的基流比例计算出其它各年型的基流比例；平均径流量较大的年型基流比例较低，反之则高，同一年型内各个时段的基流比例相同；

步骤四、求取各时段的基流比例与平均径流量的乘积，得到河流生态基础流量。

2.根据权利要求1所述河流生态基础流量的计算方法，其特征在于，步骤一计算距平百分率的公式为：E＝(Qi-Qa)/Qa×100％；

上式中，E为断面的距平百分率，单位为％；Qi为断面第i年平均径流量，单位为m³/s；Qa为断面多年平均径流量，单位为m³/s。

3.根据权利要求2所述河流生态基础流量的计算方法，其特征在于：步骤一中所述的年型分为丰水年、平水年、枯水年及特枯年；其中，丰水年E＞20％，平水年20％≥E＞-20％，枯水年-20％≥E＞-60％，特枯年-60％≥E。

4.根据权利要求1所述河流生态基础流量的计算方法，其特征在于，步骤二按照下式计算基流比例：T_i+1＝[1+(Q_i/Q_i+1-1)×μ]×T_i；

令α＝1+(Q_i/Q_i+1-1)×μ，则T_i+1＝α×T_i；上式中，T_i为已知的断面第i年型的基流比例，％；i＝1、2、3、4，依次为丰水年、平水年、枯水年和特枯年；Q_i为断面第i年型的平均径流量，m³/s；Q_i＞Q_i+1，Q_i/Q_i+1-1为第i年型径流量比第i+1年型增加的比值；α为第i+1年型与第i年型基流比例的比值；μ为比例削减系数，1≥μ≥0。

5.根据权利要求4所述河流生态基础流量的计算方法，其特征在于，μ＝1时表示比例不削减，基流比例与径流量之间的比值为直接关系，各年型的生态基流量一样；μ＝0时表示比例完全削减，基流比例与径流量之间的比值没有关系，各年型的基流比例一样。

6.根据权利要求4所述河流生态基础流量的计算方法，其特征在于，步骤四通过下式求取河流生态基础流量：S_i＝Q_i×T_i；

式中，S_i为断面第i时段的生态基流量，单位为m³/s。