CN109740889A - 山地流域水系生态过程与水电梯级开发的耦合分析系统 - Google Patents

Abstract

本发明提供的山地流域水系生态过程与水电梯级开发的耦合分析系统，包括处理器、输入设备、输出设备和存储器，所述处理器被配置用于调用所述程序指令，执行以下方法：根据河流从高地势流向低地势的自然属性作为建模原理构建复杂网络模型；设置待分析流域水系中源头与交汇点或交汇点与交汇点之间的河段为节点，设置待分析流域水系中水系流向为连接各节点的边；基于复杂网络模型构建指标体系；利用所述指标体系构建耦合协调指标，对待分析流域水系的生态过程与水电梯级开发的进行耦合分析。该系统能够利用复杂网络进行山地流域水系生态过程与水电梯级开发的耦合分析，准确性高。

Description

山地流域水系生态过程与水电梯级开发的耦合分析系统

技术领域

本发明属于山地流域梯级水电开发技术领域，具体涉及山地流域水系生态过程与水电梯级开发的耦合分析系统。

背景技术

山地流域是指山地型河流的集水区域，或是流域被包含于山地区域的部分。我国山地流域生物和水资源都高度丰富，随着社会经济的发展，对水资源的开发利用达到空前的规模。水电梯级开发获取清洁能源推动基础设施和城镇化的建设，促进了流域社会经济发展，但也使流域水系“原生状态”消失，取而代之是一系列由大坝拦截蓄水形成河流—水库串联交错的结构，破坏自然水系连续性与连通性，显著改变流域水系网络结构以及水系生态过程。

国内外学者对流域开发的研究早期从地理学、水力学和工程学等关注流域水资源开发利用及重大基础设施建设，逐渐向社会学、生态学和城乡规划学等多学科拓展，开始关注流域开发与社会结构变迁产生的矛盾、对生态环境的影响以及人居环境和城镇发展模式等问题。研究发现，山地流域水电梯级开发与水系生态过程是一对由系列结构功能要素交互作用形成的复合体。水系生态过程是一个复杂的动态过程，水电梯级开发使得流域水系生态过程形态特征、水文过程、水温、水质、生物多样性保护和生态服务功能等都发生了改变，学者也相应从物理形态改变、化学物质循环及生物要素演变等方面进行探讨。而电站闸坝建设所产生的直接影响是将水系阻隔成若干相对独立的区段，改变了水系最主要的自然特性，使得水系连通性发生变化，从而导致物质能量的交换及运行规律受阻。相关学者们从环境问题与经济效益对立统一的理论视角，在能量流、生物物理量和系统理论支持下构建了能值分析、生态足迹和压力-状态-响应(PSR)等一系列技术方法，尝试分析评价这个动态复杂过程的基本特征，发现内在耦合规律。但对于指标因子选取、指标体系构建及指标权重的确定仍有很大的主观性，致使结果的客观性和准确性不高。

为客观直接地反映梯级水电开发对流域水系生态过程的影响，尝试用复杂网络方法分析山地流域水系网络结构拓扑关系变化并对其进行量化表征。流域水系本身是一个远离平衡态的、开放的、自组织的复杂系统，复杂网络(Complex Network)是一种用来描述自然、社会以及工程技术中互相关联的理论，作为研究复杂系统的理论工具。目前运用复杂网络对流域的分析侧重于研究流域水系的动力学内在现象和机制以及对水利水电工程设施节点重要性进行评价研究。

发明内容

针对现有技术中的缺陷，本发明提供一种山地流域水系生态过程与水电梯级开发的耦合分析系统，能够利用复杂网络进行山地流域水系生态过程与水电梯级开发的耦合分析，准确性高。

一种山地流域水系生态过程与水电梯级开发的耦合分析系统，包括处理器、输入设备、输出设备和存储器，所述处理器、输入设备、输出设备和存储器相互连接，其中，所述存储器用于存储计算机程序，所述计算机程序包括程序指令，所述处理器被配置用于调用所述程序指令，执行以下方法：

根据河流从高地势流向低地势的自然属性作为建模原理构建复杂网络模型；

设置待分析流域水系中源头与交汇点或交汇点与交汇点之间的河段为节点，设置待分析流域水系中水系流向为连接各节点的边；

基于复杂网络模型构建指标体系；

利用所述指标体系构建耦合协调指标，对待分析流域水系的生态过程与水电梯级开发的进行耦合分析。

优选地，所述构建复杂网络模型具体包括：

利用pajek软件构建复杂网络模型。

优选地，所述指标体系包括水系连通指数和水电开发产量。

优选地，所述水系连通指数HC的计算公式如下：

其中，n为待分析流域水系网络中的河段数量；C_ij为待分析流域水系网络中相连通的河段i与河段j；所述河段i与河段j相连通是指河段i与河段j能够沿水流方向相连完成物质能量的交换。

优选地，所述水电开发产量E的计算公式如下：

其中，m为待分析流域水系中的水电站数量，IC_i为待分析流域水系中第i个水电站的装机容量。

优选地，所述耦合协调指标包括耦合度、综合评价指标和耦合协调度。

优选地，所述耦合度C的计算公式如下：

C＝[N(HC)×N(E)/(αN(HC)+N(HC))²]^k；

所述综合评价指标T的计算公式如下：

T＝αN(HC)+βN(E)；

所述耦合协调度D的计算公式如下：

其中，N(x)为对指标进行归一化处理，其中x_i为指标的原始值，x_min和x_max为指标的最小值和最大值；k为调节系数，k≥2；α,β为预设的系数。

由上述技术方案可知，本发明提供的山地流域水系生态过程与水电梯级开发的耦合分析系统，尝试用复杂网络方法分析山地流域水系网络结构拓扑关系变化对其进行量化表征，进一步探讨梯级水电开发与山地流域水系生态过程交互耦合作用的发生机制，并就耦合机制的规律性进行分析，准确性高，以期为山地流域梯级水电开发提供科学参考。

附图说明

为了更清楚地说明本发明具体实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对具体实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍。在所有附图中，类似的元件或部分一般由类似的附图标记标识。附图中，各元件或部分并不一定按照实际的比例绘制。

图1为大渡河流域及梯级水电开发平面图。

图2为耦合分析系统的模块框图。

图3为耦合分析系统中处理器执行的方法流程图。

图4为流域水系网络语义模型示意图。

图5为大渡河流域水系平面图。

图6为大渡河流域水系复杂网络模型。

图7为流域水系连通结构示意。

图8为水电站单个修建的情景下各指标变化情况。

图9为水电站多组合修建流域水系连通指数最大值下各指标变化情况。

图10为水电站多组合修建流域水系连通指数最大值下各指标变化情况。

图11为水电站梯级规划修建的情景下各指标变化情况示意图。

图12为水电站各情景下水系连通指数降速变化示意图。

图13为修建单个水电站时水电站位置对流域水系连通程度及水系生态过程的影响示意图。

图14为修建多个水电站时水电站位置对流域水系连通程度及水系生态过程的影响示意图。

图15为山地流域水系生态过程与水电梯级开发的耦合关系演化阶段划分示意图。

具体实施方式

下面将结合附图对本发明技术方案的实施例进行详细的描述。以下实施例仅用于更加清楚地说明本发明的技术方案，因此只作为示例，而不能以此来限制本发明的保护范围。需要注意的是，除非另有说明，本申请使用的技术术语或者科学术语应当为本发明所属领域技术人员所理解的通常意义。

实施例：

山地流域由于地势落差大，降水充足,河流水量大，水能丰富具有水电梯级开发的优势。水电梯级开发给整个流域的社会经济发展产生持久的推动作用的同时，也对山地流域水系生态过程造成了负面影响。水系连通性是对流域水系网络结构的研究，是流域水系生态过程连续性及完整性的内在依据，可系统地体现梯级水电开发对流域水系生态过程的变化。水电产能是水电梯级开发的直接经济产出。

本实施例提供的系统，参见图2，包括处理器801、输入设备802、输出设备803和存储器804，所述处理器801、输入设备802、输出设备803和存储器804通过总线805相互连接，其中，所述存储器804用于存储计算机程序，所述计算机程序包括程序指令，所述处理器801被配置用于调用所述程序指令，执行以下方法：以大渡河作为分析靶区，采用复杂网络方法，结合现实情景，构建描述生态环境质量的水系连通指数指标(HC)、表征社会经济产出的水电开发产量指标(E)、衡量综合开发效益的指标(DROI)，并通过将大渡河流域水系生态过程与梯级水电开发二者相耦合，对其耦合协调度(D)进行分析。

应当理解，在本发明实施例中，所称处理器801可以是中央处理单元(CentralProcessing Unit，CPU)，该处理器还可以是其他通用处理器、数字信号处理器(DigitalSignal Processor，DSP)、专用集成电路(Application Specific Integrated Circuit，ASIC)、现成可编程门阵列(Field-Programmable Gate Array，FPGA)或者其他可编程逻辑器件、分立门或者晶体管逻辑器件、分立硬件组件等。通用处理器可以是微处理器或者该处理器也可以是任何常规的处理器等。

输入设备802可以包括触控板、指纹采传感器(用于采集用户的指纹信息和指纹的方向信息)、麦克风等，输出设备803可以包括显示器(LCD等)、扬声器等。

该存储器804可以包括只读存储器和随机存取存储器，并向处理器801提供指令和数据。存储器804的一部分还可以包括非易失性随机存取存储器。例如，存储器804还可以存储设备类型的信息。

1、分析靶区与分析思路。

1.1、靶区选取。

当前流域梯级开发的主战场在长江及其西南诸河的上中游流域，梯级水电站群对山地流域生态环境影响将更为敏感。大渡河是长江上游的二级支流，经川西北高原、横断山地东北部和四川盆地西缘山地，流域水系在地貌演化下呈多等级、多尺度树状结构。干流全长1062公里，天然落差4175米，水力理论蕴藏量丰富，是我国十三大水电基地之一，可开发装机2336.8万千瓦，干流已初步形成3库22级开发方案，众多支流上也修建了大量水电站(如图1所示)。这使得大渡河流域“原生”状态的水系格局发生了很大的变化，生态环境保护与社会经济发展的矛盾日益突出。

1.2、分析思路。

水电梯级开发利用流域中的水资源要素进行能量转换，获得清洁能源，使水资源得到季节和空间上的再分配。但也导致流域水系生态过程与格局发生了重大变化，反过来成为影响流域生态系统安全、经济社会可持续发展的关键性制约因素。

为理清并掌握流域水系生态过程与水电梯级开发交互的关键问题。以大渡河水系为主要分析对象，采用复杂网络方法，分析原始状态下流域水系的生态过程及结构特征；模拟梯级水电站对流域水系连通性的干扰影响，以水电开发程度来衡量开发过程带来的社会经济产出；通过流域水系生态过程与水电梯级开发相耦合得出二者的关系模型，得到大渡河流域水电梯级开发的耦合协调指标，进行耦合分析。(如图3所示)

2、复杂网络模型与指标体系构建。

2.1、构建复杂网络的语义模型。

根据河流从高地势流向低地势的自然属性作为建模原理构建复杂网络模型。将流域水系中源头与交汇点或交汇点与交汇点之间的河段设为“节点”；水系流向则是为连接各节点的“边”。借助Pajek软件，构建大渡河流域自然水系的复杂网络模型(如图4、5、6所示)。

2.2、复杂网络模拟水系连通状态。

山地流域原始状态下，树状水系存在连通和非连通两种连通状况：连通是支流不断汇入干流，干流沿地势自上游向下游流动的状态，即任意两段水系沿水流方向相连完成物质能量的交换；非连通则因地形阻隔使得支流与支流之间、支流与干流之间没有联系，而呈现无法流动的状态。梯级水电开发干扰了流域原始水系的物质能量交换方式与运行规律，主要表现在水系形态特征的物理过程、水文水质变化的化学过程和鱼类洄游生长的生物过程三方面，致使流域水系生态过程受阻，原始水系的连通状态发生改变，部分连通状态变为非连通状态。

该系统在构建大渡河流域自然水系的复杂网络模型基础上，将梯级水电开发中已建、在建及拟建梯级电站，视为流域水系连通和不连通的关键干扰因素参与水系网络模型的动态变化模拟。由于现实情境中存在几个水电站位于同一河段的情况，从水系网络整体结构进行考虑，将同一河段的水电站视为一次影响，并通过分析水系网络中节点对的变化来描述流域水系的连通状态。其中，整个水系网络中所有节点对数量为n为河流段数。如图7所示：原始状态下，水系网络所有节点对有10对，其中表示连通的节点对有6对，即{(1，3)；(1，5)；(3，5)；(2，3)；(2，5)；(4，5)}；表示非连通的节点对有4对，即{(1，2)；(1，4)；(2，4)；(3，4)}。随着水电站在河段3进行修建，总节点对数量保持不变，但节点对中表征连通与非连通的情况发生变化，其中表示连通的节点对仅有1对，即{(4，5)}；剩余9对均为非连通的节点对。

2.3、指标体系构建。

2.3.1、水系连通指数。

本实施例根据通过构建水系连通指数(Hydrographic net Connectivity，HC)指标来衡量流域水系网络结构特征，分析水电梯级开发对流域水系生态过程的影响。流域水系连通指数即流域水系网络中连通的节点对数与总节点对数的比值，计算公式如下：

式(1)中，HC为水系连通指数，n为水系网络中的河段数量，C_ij为水系网络中相连通的河段i与河段j。HC的取值介于0-1之间，其值越高，代表流域水系的连通性越好。

2.3.2、水电开发产量。

梯级水电开发对生态环境产生负面影响的同时也为社会提供了电力、电量等能源，创造出一定的经济价值。选取装机容量这一指标衡量水电开发产量E。装机容量(Installed Capacity，IC)，指水电站中所装有的全部水力发电机组额定功率的总和，是表征一座水电站建设规模和电力生产能力的主要指标之一。梯级水电开发产量即各水电站装机容量总合，计算公式如下：

式(2)中，E为水电开发产量，m为流域水系中的水电站数量，IC_i为流域水系中水电站的装机容量。

2.3.3、流域水系生态过程与水电梯级开发的耦合协调度。

系统耦合度原指两个或两个以上的系统或运动方式间通过相互作用而彼此影响以致协同的现象。在我国通常使用协调发展模型，基于离差系数的思想，来衡量两个事物之间发展的同步关系。为了消除不同量纲和量纲单位产生的影响，将梯级开发活动系统与流域环境系统中各指标进行归一化(min-max)处理。

式(3)中，N(x)为指标x归一化后的值，x_i为原始值，x_min和x_max为指标的最小值和最大值。在此基础上，构建耦合度模型评价二者发展的同步性及整体协调发展水平的高低，计算公式如下：

式(4)中，C为耦合度；T环境成本与经济效益的综合评价指标；D为耦合协调度(系数)，协调度的取值范围在0≤D≤1，取值越大，协调程度越好。α,β为预设的系数，由于生态环境质量与经济开发需要协调发展，所以此处视为同等重要，取α＝β＝0.5；k为调节系数，k≥2；本实施例k取2，用以增加可区分度。

3、计算结果。

本实施例通过对水电站单个修建、水电站多组合修建以及水电站梯级规划修建的情景分别进行计算，计算结果如下。

3.1、水电站单个修建。

计算可知，对流域水系连通程度影响最大的水电站为D32，位于流域中游，HC最小，仅为0.1372；影响最小的水电站为D61，位于流域下游，HC为0.2661，此时水系连通性接近于原始状态，值为0.2989。水电开发程度最大的水电站为D18，E为584万千瓦；开发程度最小的水电站为D59，E为16.2万千瓦。耦合协调度最大的水电站为D13，D为0.6073；耦合协调度最小的水电站为D32，D为0。(如图8所示)。

3.2、水电站多组合修建。

计算可知，流域水系连通指数均随着水电站数量的增加呈逐渐下降的趋势，但下降速率会随水电站组合方式的而有所差异。无论水系连通性如何变化，耦合协调度曲线均先增后降，呈倒“U”型，最高点与水系连通指数、水电开发产量变化曲线的交汇点保持一致，分别出现在修建5个水电站时，D值为0.6234；修建3个水电站，D值为0.3940(如图9、10所示)。由于该情景是模拟现状水电站所有组合方式，选取水系连通指数的极限值进行比较，水电站并非逐步增建的过程，与之对应的水电开发产量也并非呈递增状，耦合协调度曲线也存在相应的波动，如图9所示，修建1个水电站D32时，HC最小，E为345，D为0.3904；修建2个水电站D28、D44时，HC最小，E为234，D为0.3275；修建3个水电站D13、D28、D44时，HC最小，E为421，D为0.3940。

3.3、水电站梯级规划修建。

对大渡河流域干流3库22级梯级开发方案进行模拟计算，水系连通程度逐步降低为0.0284；水电开发产量增至最大值为2552.7万千瓦。水系连通指数与水电开发产量二者变化曲线在建成第3个水电站产生一个交汇点，表明生态环境质量和社会经济产出达到了一个平衡点。耦合协调度曲线先增后降呈倒“U”型，在2个水电站和3个水电站时出现拐点，D最大值为0.5847和0.5830(如图11所示)。

4、结果分析。

4.1、山地流域水系生态过程随水电梯级开发的变化特征。

流域的水系生态过程与梯级水电站的数量和位置有紧密联系。在规划水电梯级开发方案时，需要充分考虑其对流域水系连通程度的影响，进行较为科学和合理的选择，以维护流域水系生态过程的稳定。

水电站修建数量的增加，流域水系连通程度呈逐渐降低的趋势，但降速随水电站增多而减缓。流域水系初次受到外界干扰时，物质能量的交换及运行规律受阻，生态过程会产生较大的改变；而当水电站数达到一定数量时，流域水系已呈破碎化、片段化的格局，水系生态过程多次被干扰后也已无法正常运行，水电站的增多对流域水系生态过程的影响相对减弱。因此对于一些尚未大规模开发，处于原始状态的流域来说，建造一个新的水电站将对流域水系生态过程造成很大破坏，在水电梯级开发的过程中应当着重考虑这方面的影响。

通过对水系连通指数在最大值、最小值和规划建成三种情景下的变化速率进行比较发现，合理调整优化水电站修建顺序，可减小流域水生态过程因干扰而产生剧烈地变化。将水系连通指数下降速率曲线进行拟合获得大渡河流域水电梯级开发的水系连通指数变化经验函数公式y＝-0.0308x3+0.7715x2-6.419x+18.916，回归系数R2为0.9882，式中y是大渡河流域水系连通指数变化速率，x是大渡河流域水电站修建数量(图12所示)，可划分为三个阶段：快速下降阶段(1-4)、稳定下降阶段(4-9)和波动下降阶段(9-11)。

水电站修建位置的不同，流域水系连通程度不同，对水系生态过程产生不同的影响作用。单个水电站情景下，修建在上游或下游流域仍能够保持较完整的水系网络结构，破碎化程度低，可继续完成物质能量的交换。水电站修建在中游，原始流域水系网络结构被切割为若干部分，破碎化程度高，生态环境的影响往往是全流域的(如图13所示)。

多个水电站情景下，集中修建模式比分散修建模式产生的水系连通程度破坏性小，对流域水系生态过程产生的影响也更小。集中修建模式，使得水系网络仍可保证一定的完整性，形成拥有较好水系连通程度的几段水系；分散修建模式，将整个水系网络切割地支离破碎，水系网络的破碎化程度高(如图14所示)。且此时修建位置的影响力大过修建数量，集中修建模式下即使数量多，但影响范围集中，对水系网络的破碎化程度不会进一步加剧，对流域水系生态过程影响也有限；而分散修建模式下即使数量少，但破坏范围大，影响程度会大幅度地提高。

4.2、山地流域水系生态过程与水电梯级开发耦合协调度倒“U”型变化特征。

从山地流域水系生态过程与水电梯级开发协调度的角度来看，其耦合曲线呈倒“U”型，将该曲线进行拟合获得大渡河流域水电梯级开发的耦合经验函数公式y＝0.0039x3-0.0793x2+0.3993x-0.0194，回归系数R2为0.9698，式中y是大渡河流域水系生态过程与水电梯级开发的耦合协调度，x是大渡河流域水电站修建数量。其耦合过程可划分为四个阶段，即生态衰退—耦合发展—生态失调—人工干预阶段(如图1所示、图15所示)。

表1山地流域水系生态过程与水电梯级开发的耦合规律

综上所述，流域水电梯级开发是国家对缓解资源危机作出的一项重大的决定。山地流域水电梯级开发结合自然地形带来的优势，利用落差蓄水发电，给整个流域的社会经济发展产生持久的推动作用的同时，也对山地流域水系生态过程造成了负面影响，主要体现在流域水系网络的结构变化。本实施例以大渡河作为分析靶区，采用复杂网络方法，结合现实情景，构建描述生态环境质量的水系连通指数指标(HC)、表征社会经济产出的水电开发产量指标(E)，并通过将大渡河流域水系生态过程与梯级水电开发二者相耦合，对其耦合协调度(D)进行分析，具有一定的方法意义。

最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围，其均应涵盖在本发明的权利要求和说明书的范围当中。

Claims (7)

1.一种山地流域水系生态过程与水电梯级开发的耦合分析系统，其特征在于，包括处理器、输入设备、输出设备和存储器，所述处理器、输入设备、输出设备和存储器相互连接，其中，所述存储器用于存储计算机程序，所述计算机程序包括程序指令，所述处理器被配置用于调用所述程序指令，执行以下方法：

根据河流从高地势流向低地势的自然属性作为建模原理构建复杂网络模型；

设置待分析流域水系中源头与交汇点或交汇点与交汇点之间的河段为节点，设置待分析流域水系中水系流向为连接各节点的边；

基于复杂网络模型构建指标体系；

利用所述指标体系构建耦合协调指标，对待分析流域水系的生态过程与水电梯级开发的进行耦合分析。

2.根据权利要求1所述山地流域水系生态过程与水电梯级开发的耦合分析系统，其特征在于，所述构建复杂网络模型具体包括：

利用pajek软件构建复杂网络模型。

3.根据权利要求1所述山地流域水系生态过程与水电梯级开发的耦合分析系统，其特征在于，

所述指标体系包括水系连通指数和水电开发产量。

4.根据权利要求3所述山地流域水系生态过程与水电梯级开发的耦合分析系统，其特征在于，

所述水系连通指数HC的计算公式如下：

其中，n为待分析流域水系网络中的河段数量；C_ij为待分析流域水系网络中相连通的河段i与河段j；所述河段i与河段j相连通是指河段i与河段j能够沿水流方向相连完成物质能量的交换。

5.根据权利要求4所述山地流域水系生态过程与水电梯级开发的耦合分析系统，其特征在于，

所述水电开发产量E的计算公式如下：

其中，m为待分析流域水系中的水电站数量，IC_i为待分析流域水系中第i个水电站的装机容量。

6.根据权利要求5所述山地流域水系生态过程与水电梯级开发的耦合分析系统，其特征在于，

所述耦合协调指标包括耦合度、综合评价指标和耦合协调度。

7.根据权利要求6所述山地流域水系生态过程与水电梯级开发的耦合分析系统，其特征在于，

所述耦合度C的计算公式如下：

C＝|N(HC)×N(E)/(αN(HC)+N(HC))²]^k；

所述综合评价指标T的计算公式如下：

T＝αN(HC)+βN(E)；

所述耦合协调度D的计算公式如下：

其中，N(x)为对指标进行归一化处理，其中x_i为指标的原始值，x_min和x_max为指标的最小值和最大值；k为调节系数，k≥2；α,β为预设的系数。