CN110414051A - 一种抑制河流水华的生态需水核算方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种抑制河流水华的生态需水核算方法，是利用适宜度指数和适宜度曲线反映营养盐、气象、水文环境因子与浮游藻类生长适宜度之间的相关关系，并采用乘积法对多个代表性环境因子的适宜度指数进行耦合，构建河流水华爆发多因子适宜度指数耦合模型，基于对水华爆发概率的判定逆向推求抑制水华爆发的生态流量需求，解决了目前水华预测方式对环境因子的影响考虑不足以及对河流生态调度的支撑作用不足等问题。本发明能够仅依靠氮磷营养盐、水温、流量、天气常规监测指标较快速准确地预测河流水华爆发的概率，同时可准确推算当前和近期环境条件下抑制水华爆发所需的河道最小生态流量，为面向抑制水华爆发的河流生态调度提供精准的流量调控需求。

Description

一种抑制河流水华的生态需水核算方法

技术领域

本发明属于水环境保护和生态水文学领域，尤其涉及富营养化河流抑制水华爆发的生态流量核算方法。

背景技术

水华(Algal Blooms)是淡水水体中浮游藻类大量生长聚集在水面的一种生态现象，是水体富营养化的一种表征。水华广泛存在于富营养化的湖泊、水库等水体，河流中藻类水华并不常见，但是随着经济社会的快速发展，大量氮、磷等污染物进入河流水体，导致国内一些河流也面临着严重的水华问题，例如汉江中下游、三峡入库支流等。河流水华的产生是流域性、爆发式，具有涉及范围大、水体颜色和味道变化明显等特点，大量藻类会堵塞自来水厂滤池，降低水厂制水能力和增加制水成本，严重时导致停产，容易引起社会恐慌。同时，大量藻类生长繁殖，对河道内水生生态系统造成破坏，影响河流健康。因此，及时准确预测水华爆发概率，为河流生态调度等措施提供决策支持，具有十分重要的实际意义。

河流水华爆发的成因和机理十分复杂，影响浮游藻类生长和水华爆发的环境因子主要包括营养盐、水文条件和气象条件，但是对于单个环境因子贡献率和多个环境因子对水华爆发综合影响关系的认识相对不足。目前，抑制河流水华的生态需水计算大多仅考虑维持一定水动力条件的流量需求，缺少对水温、气象、营养盐等环境影响因子的耦合，水华的预测方法也大多依靠叶绿素等单一因素进行预测，无法反映环境因子对水华爆发的影响，导致面向抑制水华爆发的河流下泄生态流量无法实现精准调控。

发明内容

本发明针对现有技术的不足，提供一种抑制河流水华的生态需水核算方法。围绕河流浮游藻类生长适宜度与环境因子的相关关系，提出了构建优势藻种生长适宜度指数和适宜度曲线的方法，采用乘积法对多个环境因子的适宜度指数进行耦合，基于对水华爆发概率的判定逆向推求抑制水华爆发的生态流量需求。此方法耦合多种环境因子，提高了水华预测精度，更重要的是可为抑制水华爆发的生态调度提供准确的流量需求信息。

本发明的技术方案为一种抑制河流水华的生态需水核算方法，其特征在于，包含以下步骤：

步骤1，代表性环境因子选取与资料收集：气象条件、水文条件和营养盐条件是影响河流水华爆发的三大主要客观因素，其中气象条件指气温和天气状况，水文条件指河道内流量、流速、水温，营养盐条件指水体中总氮、总磷的浓度，选取天气状况、流量、水温、总氮、总磷5项环境因子作为代表性环境因子；收集水华爆发河段浮游藻类组成和数量、流量、水温、总氮、总磷等代表性环境因子的监测数据，根据浮游藻类的组成和数量确定水华的优势藻种；

步骤2，建立优势藻种生长适宜度与代表性环境因子的对应关系：统计分析藻密度与流量、流速、水温、总氮、总磷、天气状况等环境因子的相关关系，采用藻类生长适宜度指数和适宜度曲线法，定量描述藻类生长适宜度与各单项环境因子之间的对应关系，具体包括：

步骤2.1、计算浮游藻类生长适宜度指数：浮游植物生长适宜度指数(Suitabilityindex，SI)是一种能够量化环境因子与浮游藻类生长之间关系的参数，能够有效把浮游藻类密度对环境变化的反应以一个量化的数值显示出来，从而直观反映浮游藻类对环境因子变化的喜好程度和耐受范围；浮游藻类生长适宜度指数的定义如下：

式中，水华爆发的藻密度通常以10⁷个/L作为临界值；浮游植物生长适宜度指数以0至1的范围来表示，其中0代表完全不适合浮游藻类生长的环境因子条件，1代表最适合浮游藻类生长的环境因子条件，0和1之间的数值代表不同环境因子条件下的浮游藻类生长适宜度水平；

浮游藻类生长适宜度指数按照不同环境因子单独计算：

(1)天气状况适宜度指数

天气状况包括晴、多云、阴、降水等客观描述，其中降水对浮游藻类的聚集扰动作用最大，降水天气状况下的藻类生长适宜度指数赋值为0.5，晴、多云、阴3种天气状况下的藻类生长适宜度指数赋值为1。采用最近4天的滑动平均值，计算河流水华藻种生长对天气的适宜度指数：

(2)水温适宜度指数

为了更好地反映水温与浮游藻类生长的关系，引入水温的有效积温，采用归一化正态分布函数，计算藻类生长对水温的有效积温适宜度指数：

(T_i＞B，当T_i≤B时，T_i-B以0计)

式中，A_ei为第i日水温的有效积温，n为统计天数，T_i为第i日平均水温，B为浮游藻类活跃繁殖的生物学零度，河流水华多为硅藻水华，硅藻的生物学零度一般为6℃左右。

(3)总氮和总磷

根据历年水华发生期间的总氮和总磷浓度范围，浓度范围内的适宜度指数赋值为1，具体按照上述浮游藻类生长适宜度指数的定义进行计算。

(4)流量

根据历年水华发生期间的流量范围，流量范围内的适宜度指数赋值为1，具体按照上述浮游藻类生长适宜度指数的定义进行计算。

步骤2.2、建立浮游藻类生长适宜度曲线：浮游藻类生长适宜度曲线是在适宜度指数的基础上建立的，结合阈值理论，利用以下公式计算：

统计历史上水华发生时期藻密度超过10⁷个/L时环境因子的变化范围，该范围内的浮游藻类生长适宜度指数赋值为1，称为最佳适宜范围；同时，结合浮游藻类生长对环境因子变化的耐受阈值，确定最佳适宜范围外不同环境因子值对应的藻类生长适宜度指数。

步骤3，建立优势藻种生长适宜度指数与多项环境因子的耦合对应关系：采用乘积法对多个环境因子的适宜度指数进行耦合，得到水华爆发多因子适宜度指数耦合模型，也就是水华爆发概率判定模型，水华爆发多因子适宜度指数耦合模型构建如下：

CSF＝SI(W₄)_t·SI(A_e)_t·SI(TN)_t·SI(TP)_t·SI(Q)_t

式中：CSF为组合适宜度因子，combined suitability factor，取值范围0～1，综合反映生态需水满足程度；SI(W₄)_t为t日水华爆发的最近连续4日滑动平均天气适宜度指数，取值范围0～1；该值采用最近连续4日天气适宜度指数的滑动平均值；SI(TN)_t为t日水华爆发的总氮适宜度指数，取值范围0～1；SI(TP)_t为t日水华爆发的总磷适宜度指数，取值范围0～1；SI(Q)_t为t日水华爆发的流量适宜度指数，取值范围0～1；SI(A_e)_t为t日水华爆发的水温有效积温适宜度指数，取值范围0～1。

步骤4，水华爆发概率的现状判定和预测：根据河段典型断面的流量、水温、总氮、总磷、区域天气状况等现状和未来近期预报条件，查找步骤2建立的藻类生长适宜度曲线，获得各环境因子对应的藻类生长适宜度指数，再根据水华爆发概率判定模型，得到现状和预报条件下的水华爆发概率；具体步骤如下：

步骤4.1、根据已知的营养盐和气象条件，以及设定的水华爆发概率(等同于组合适宜度因子CSF)，计算所需的流量适宜度指数：

式中，符号意义同前；

步骤4.2、根据流量适宜度指数计算值，查询流量适宜度曲线，得到该指数对应的流量值，即为抑制水华爆发所需的最小生态流量。

步骤5，抑制水华爆发的生态需水核算：采用反推思路，设定可接受的水华爆发概率，将已知的营养盐和气象条件带入步骤4.1中水华爆发多因子适宜度指数耦合模型，推求上述设定条件的流量适宜度指数，进而获得河段内营养盐和气象等条件已知情况下抑制水华爆发的最小生态流量需求。

因此，本发明具有如下优点：1、成功利用藻类生长对环境因子的适宜度指数和适宜度曲线来反映藻密度与环境因子的相关关系；2、利用水华爆发因子适宜度指数耦合模型，可以实施根据营养盐、水文、气象等已知条件，判定水华爆发概率；3、利用水华爆发因子适宜度指数耦合模型，可以在营养盐、气象等已知条件下，根据设定可接受的水华爆发概率值逆向推求抑制水华爆发的最小生态流量需求，为水库生态调度提供精准的流量控制信息。

附图说明

图1是本发明抑制河流水华的生态需水核算方法的流程图；

图2a是本发明实施例的汉江中下游硅藻对环境影响因子的适宜度曲线图(天气)。

图2b是本发明实施例的汉江中下游硅藻对环境影响因子的适宜度曲线图(水温)。

图2c是本发明实施例的汉江中下游硅藻对环境影响因子的适宜度曲线图(总磷浓度)。

图2d是本发明实施例的汉江中下游硅藻对环境影响因子的适宜度曲线图(流量)。

图3是本发明实施例的汉江中下游水华爆发概率和藻密度监测值对比图。

图4是本发明实施例的水华爆发多因子适宜度指数耦合模型拟的合优度。

图5是本发明实施例的汉江中下游抑制水华爆发的生态需水过程图。

具体实施方式

本发明将浮游藻类生长的环境因子适宜度作为判定条件，利用适宜度指数和适宜度曲线法，反映优势藻种藻密度与环境因子的相关关系，利用水华爆发因子适宜度指数耦合模型计算河段内水华爆发概率，通过调整水华爆发的概率值，逆向推求抑制水华爆发的下泄流量条件，成功解决了河流水华爆发的预测和调控问题。通过本发明获得的结果更加方便和准确。

一、首先介绍本发明的具体方法。

本发明包含以下步骤：

步骤1，收集水华爆发河段浮游藻类、水文、水质和区域气象数据，包括浮游藻类组成和数量、流量、水温、总氮、总磷、天气状况等环境因子监测数据；分析研究河段水华的优势藻种，选取影响藻类生长的代表性环境因子；

步骤2，根据历史水华发生时期的监测资料，统计分析藻密度与流量、水温的有效积温、氮磷营养盐、天气等环境因子的相关关系，计算浮游藻类生长适宜度指数，并绘制适宜度曲线。

步骤2.1，计算浮游藻类生长对不同环境因子的适宜度指数：

(1)天气状况适宜度指数

针对晴、多云、阴、降水等客观天气状况，降水对应的藻类生长适宜度指数赋值为0.5，晴、多云、阴3种天气状况对应的藻类生长适宜度指数赋值为1。采用最近4天的滑动平均值，计算河流水华藻种生长对天气的适宜度指数：

(2)水温适宜度指数

为了更好地反映水温与浮游藻类生长的关系，引入水温的有效积温，采用归一化正态分布函数，计算藻类生长对水温的有效积温适宜度指数：

(T_i＞B，当T_i≤B时，T_i-B以0计)

式中，A_ei为第i日水温的有效积温，n为统计天数，T_i为第i日平均水温，B为浮游藻类活跃繁殖的生物学零度，河流水华多为硅藻水华，硅藻的生物学零度一般为6℃左右。

(3)总氮和总磷

根据历年水华发生期间的总氮和总磷浓度范围，浓度范围内的适宜度指数赋值为1，具体按照下式计算：

(4)流量

根据历年水华发生期间的流量范围，流量范围内的适宜度指数赋值为1，具体按照下式计算：

步骤2.2，在适宜度指数的基础上，绘制浮游藻类生长适宜度曲线：

统计历史上水华发生时期藻密度超过10⁷cell/L时环境因子的变化范围，该范围内的浮游藻类生长适宜度指数赋值为1，称为最佳适宜范围；同时，结合浮游藻类生长对环境因子变化的耐受阈值，确定最佳适宜范围外不同环境因子值对应的藻类生长适宜度指数；

步骤3，采用乘积法对多个环境因子的适宜度指数进行耦合，得到水华爆发多因子适宜度指数耦合模型，也就是水华爆发概率的判定模型：

CSF＝SI(W₄)_t·SI(A_e)_t·SI(TN)_t·SI(TP)_t·SI(Q)_t

式中：CSF为组合适宜度因子，combined suitability factor，取值范围0～1，综合反映生态需水满足程度；SI(W₄)_t为t日水华爆发的最近连续4日滑动平均天气适宜度指数，取值范围0～1；该值采用最近连续4日天气适宜度指数的滑动平均值；SI(TN)_t为t日水华爆发的总氮适宜度指数，取值范围0～1；SI(TP)_t为t日水华爆发的总磷适宜度指数，取值范围0～1；SI(Q)_t为t日水华爆发的流量适宜度指数，取值范围0～1；SI(A_e)_t为t日水华爆发的水温有效积温适宜度指数，取值范围0～1；

步骤4，根据河段典型断面的流量、流速、水温的有效积温、氮磷营养盐、天气等现状和未来近期预报条件，查找步骤2建立的藻类生长适宜度曲线，获得各环境因子对应的藻类生长适宜度指数，再根据步骤3建立的水华爆发概率判定模型，得到现状和预报条件下的水华爆发概率；

步骤5，抑制水华爆发的下泄流量推求：采用逆向推求思路，设定可接受的水华爆发概率，将近期的营养盐和气象条件带入水华爆发多因子适宜度指数耦合模型，推求上述设定条件的水文因子适宜度指数，公式如下：

式中，符号意义同前；

根据流量适宜度指数的计算结果，查询流量适宜度曲线，进而获得河段内营养盐和气象等条件已知情况下抑制水华爆发的最小生态流量需求。

二、以汉江中下游干流仙桃水文站断面2019年春季硅藻水华的预测为实施案例对本发明的流程进行一个具体的阐述。具体实施方式如下：

步骤1，收集汉江中下游历史上水华爆发时期的监测数据，分析可知汉江中下游河流水华的优质藻种为硅藻中的冠盘藻，影响其生长的代表性环境因子主要包括天气状况、水温、总氮、总磷、流量，其中总氮由于浓度一直维持较高水平，已成为基础性因子，不再是限制因子，在水华爆发的预测中其适宜度指数全部为1，故本实施案例暂不考虑总氮；

步骤2，计算冠盘藻生长对天气状况、水温的有效积温、总磷和流量的适宜度指数，绘制对应的适宜度曲线，见图3；

步骤3，建立冠盘藻水华爆发多因子适宜度指数耦合模型：

CSF＝SI(W₄)_t·SI(A_e)_t·SI(TP)_t·SI(Q)_t

步骤4，以2019年1月1日-2月10日期间作为典型预测时段，根据该时间段内汉江干流仙桃水文站断面的天气状况、水温的有效积温、总磷和流量监测数据，查找步骤2建立的适宜度曲线，获得各环境因子对应的藻类生长适宜度指数；再根据步骤3建立的水华爆发概率判定模型，获得预测河段每日的水华爆发概率，见图4；

步骤5，以2019年1月26日的环境因子条件为例，当日藻密度达到时段内峰值1.045×10⁷cell/L，在当日水温、营养盐条件不变情况下，推求抑制水华的最小生态流量需求；2019年1月26日水温的有效积温和总磷等条件见下表：

汉江干流仙桃水文站断面2019年1月26日环境因子条件

假设要求将水华发生概率降低至50％，对应的藻密度控制在500万cell/L以下，可根据已知的水温的有效积温、总磷等条件以及水华爆发多因子适宜度指数耦合模型，推求出需要的流量适宜度指数：

查询流量适宜度曲线，适宜度指数0.5对应的流量值为775m³/s，所以在2019年1月26日水温的有效积温、总氮和总磷等条件下，汉江干流仙桃水文站断面的最小流量需由实际的536m³/s增加至775m³/s，方能满足控制水华的要求。

2019年1～2月份水华生消过程中藻密度监测值与组合适宜度指数的拟合情况见图3和图4，根据本发明推求的抑制水华爆发的生态流量需求过程见图5。

本文描述的具体实施例仅针对本发明的精神作举例说明。本发明所属技术领域的技术人员可以对所描述的具体实施案例做各种各样的修改、补充或采用类似的方式替代，但并不会偏离本发明的精神或者超越所附权利要求书所定义的范围。

Claims (1)

1.一种抑制河流水华的生态需水核算方法，其特征在于，包含以下步骤：

步骤1，代表性环境因子选取与资料收集：气象条件、水文条件和营养盐条件是影响河流水华爆发的三大主要客观因素，其中气象条件指气温和天气状况，水文条件指河道内流量、流速、水温，营养盐条件指水体中总氮、总磷的浓度，选取天气状况、流量、水温、总氮、总磷5项环境因子作为代表性环境因子；收集水华爆发河段浮游藻类组成和数量、流量、水温、总氮、总磷等代表性环境因子的监测数据，根据浮游藻类的组成和数量确定水华的优势藻种；

步骤2，建立优势藻种生长适宜度与代表性环境因子的对应关系：统计分析藻密度与流量、流速、水温、总氮、总磷、天气状况等环境因子的相关关系，采用藻类生长适宜度指数和适宜度曲线法，定量描述藻类生长适宜度与各单项环境因子之间的对应关系，具体包括：

步骤2.1、计算浮游藻类生长适宜度指数：浮游植物生长适宜度指数(Suitabilityindex，SI)是一种能够量化环境因子与浮游藻类生长之间关系的参数，能够有效把浮游藻类密度对环境变化的反应以一个量化的数值显示出来，从而直观反映浮游藻类对环境因子变化的喜好程度和耐受范围；浮游藻类生长适宜度指数的定义如下：

式中，水华爆发的藻密度通常以10⁷个/L作为临界值；浮游植物生长适宜度指数以0至1的范围来表示，其中0代表完全不适合浮游藻类生长的环境因子条件，1代表最适合浮游藻类生长的环境因子条件，0和1之间的数值代表不同环境因子条件下的浮游藻类生长适宜度水平；

浮游藻类生长适宜度指数按照不同环境因子单独计算：

(1)天气状况适宜度指数

天气状况包括晴、多云、阴、降水客观描述，其中降水对浮游藻类的聚集扰动作用最大，降水天气状况下的藻类生长适宜度指数赋值为0.5，晴、多云、阴3种天气状况下的藻类生长适宜度指数赋值为1；采用最近4天的滑动平均值，计算河流水华藻种生长对天气的适宜度指数：

(2)水温适宜度指数

为了更好地反映水温与浮游藻类生长的关系，引入水温的有效积温，采用归一化正态分布函数，计算藻类生长对水温的有效积温适宜度指数：

(T_i＞B，当T_i≤B时，T_i-B以0计)

式中，A_ei为第i日水温的有效积温，n为统计天数，T_i为第i日平均水温，B为浮游藻类活跃繁殖的生物学零度，河流水华多为硅藻水华，硅藻的生物学零度一般为6℃左右；

(3)总氮和总磷

根据历年水华发生期间的总氮和总磷浓度范围，浓度范围内的适宜度指数赋值为1，具体按照上述浮游藻类生长适宜度指数的定义进行计算；

(4)流量

根据历年水华发生期间的流量范围，流量范围内的适宜度指数赋值为1，具体按照上述浮游藻类生长适宜度指数的定义进行计算；

步骤2.2、建立浮游藻类生长适宜度曲线：浮游藻类生长适宜度曲线是在适宜度指数的基础上建立的，结合阈值理论，利用以下公式计算：

统计历史上水华发生时期藻密度超过10⁷个/L时环境因子的变化范围，该范围内的浮游藻类生长适宜度指数赋值为1，称为最佳适宜范围；同时，结合浮游藻类生长对环境因子变化的耐受阈值，确定最佳适宜范围外不同环境因子值对应的藻类生长适宜度指数；

步骤3，建立优势藻种生长适宜度指数与多项环境因子的耦合对应关系：采用乘积法对多个环境因子的适宜度指数进行耦合，得到水华爆发多因子适宜度指数耦合模型，也就是水华爆发概率判定模型，水华爆发多因子适宜度指数耦合模型构建如下：

CSF＝SI(W₄)_t·SI(A_e)_t·SI(TN)_t·SI(TP)_t·SI(Q)_t

式中：CSF为组合适宜度因子，combined suitability factor，取值范围0～1，综合反映生态需水满足程度；SI(W₄)_t为t日水华爆发的最近连续4日滑动平均天气适宜度指数，取值范围0～1；该值采用最近连续4日天气适宜度指数的滑动平均值；SI(TN)_t为t日水华爆发的总氮适宜度指数，取值范围0～1；SI(TP)_t为t日水华爆发的总磷适宜度指数，取值范围0～1；SI(Q)_t为t日水华爆发的流量适宜度指数，取值范围0～1；SI(A_e)_t为t日水华爆发的水温有效积温适宜度指数，取值范围0～1；

步骤4，水华爆发概率的现状判定和预测：根据河段典型断面的流量、水温、总氮、总磷、区域天气状况等现状和未来近期预报条件，查找步骤2建立的藻类生长适宜度曲线，获得各环境因子对应的藻类生长适宜度指数，再根据水华爆发概率判定模型，得到现状和预报条件下的水华爆发概率；具体步骤如下：

步骤4.1、根据已知的营养盐和气象条件，以及设定的水华爆发概率(等同于组合适宜度因子CSF)，计算所需的流量适宜度指数：

式中，符号意义同前；

步骤4.2、根据流量适宜度指数计算值，查询流量适宜度曲线，得到该指数对应的流量值，即为抑制水华爆发所需的最小生态流量；

步骤5，抑制水华爆发的生态需水核算：采用反推思路，设定可接受的水华爆发概率，将已知的营养盐和气象条件带入步骤4.1中水华爆发多因子适宜度指数耦合模型，推求上述设定条件的流量适宜度指数，进而获得河段内营养盐和气象等条件已知情况下抑制水华爆发的最小生态流量需求。