CN110580327A - 一种河流生态流量计算方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种河流生态流量计算方法,即通过收集河流水文测站的长系列逐日流量资料,统计每年平均流量,再按从大到小的次序不论年序排列为数据系列,计算系列中大于等于相应年平均流量的经验频率,在频率格纸上点绘经验频率点据图;选定水文频率分布线型为皮尔逊Ⅲ型分布,用矩法估计出平均流量均值和离差系数的初估值,计算出不同累计频率对应的流量值,绘制皮尔逊Ⅲ型理论频率曲线并判断与经验点据的拟合情况,如果匹配,则该曲线对应的参数就作为总体参数的估计值;最后在皮尔逊Ⅲ型理论频率曲线上求90%保证率的流量值,即为河流生态流量。本发明可以对经验频率曲线下端或上端进行外延,克服了没有实测点据的缺陷。
Description
技术领域
本发明属于河流生态环境技术领域,涉及一种生态流量计算方法,具体涉及一种河流生态流量计算方法。
背景技术
随着河流水资源开发利用加快,河流生态与环境问题日益凸显,生态流量的概念也被广泛应用。由于研究者的视角及重点不同,出现了与生态流量相关的诸多概念,如“水生生态需水”、“水生生态基流”、“最小下泄流量”和“河道生态环境需水量”等。在澳大利亚和南非,生态流量基本含义是维持河流生态完整性和生物多样性的流量状况,或者说,生态流量就是留给河流自身用水需求的水量。世界自然保护联盟采纳的生态流量定义为“在用水矛盾突出、且用水量可以进行调度的河流、湿地和沿海区域,为维持正常的生态系统及功能所拥有的水量”。中华人民共和国能源行业标准-水电工程生态流量计算规范(NB/T35091-2016)制定的生态流量定义为“满足水电工程下游河段保护目标生态需水基本要求的流量及过程”。
现有的河流生态流量计算方法主要有水文学法、水力学法、生态水力学法、生境分析法。(1)水文学方法又叫做历史流量法。包括蒙大拿法(Tennant法)、流量历时曲线法、近十年最枯月流量法、流量历时曲线法、7Q10法等。该方法以河道历史径流量为基础,不考虑流域下垫面、栖息地、水质、水温等因素对水生生物的影响。但是由于长期以来河道依旧是原有水生物种的生存环境,所以认为在这样的流量条件下,河流生态系统基本维持健康状态。(2)水力学法以河道本身的结构特征为基础,依据河道的相关力学参数来计算河流生态流量。(3)生态水力学法以鱼类对河流水深、流速等水力生境参数及急流、缓流、浅滩、深潭等水力形态指标的要求评估河流生境状况,可用于计算分析各种类型河流的水生生态基流。(4)生境分析法以鱼类繁殖对水深、流速、基质和覆盖物等指标的要求评估鱼类产卵生境状况,结合产卵场水力计算成果建立流量-加权可利用生境面积曲线,以曲线中的拐点对应的流量作为适宜流量。
河流生态流量的四大类计算方法各有优劣,有各自的适用条件。水文学法快速、操作简单,不用到实地测量,依据河流上水文站的历史径流资料进行运算,但是其指标还有待验证;水力学法优点是仅需要进行简单的现场测量,获得河流的水力学数据和生态数据,缺点是该方法仅是针对河道某一具体断面的计算,并未考虑河道径流的季节性变化;生态水力学法考虑到了河流生态效应的变化与社会经济效益相对比,但是需要大量的人力、财力成本,实行过程较为繁杂。生境分析法优点是将完整的生态系统功能性与河流流域规划治理相契合,缺点是实施周期较长,成本消耗大,需要地理、生态、水利等多领域的专家团队,不适合快速出成果。
由于各种计算方法的基本思想和侧重点存在差异,所以在进行河流生态流量的计算时,需要根据河流的具体情况和目标选用相应的计算方法。
发明内容
为了解决上述技术问题,本发明提供了一种河流生态流量计算方法,能有效地计算出河流生态流量,从而维护生态系统正常运行。
本发明所采用的技术方案是:
一种河流生态流量计算方法,其特征在于,包括以下步骤:
步骤1、收集河流水文测站的逐日流量资料,根据逐日流量资料,统计该河流水文测站的每年平均流量;
步骤2、将年平均流量按照从大到小排序,得到年平均流量数据系列,x1、x2、…、xm、…、xn,其中,m为年平均流量按从大到小排列并按自然数顺序编出的序号,n表示样本总数,也就是河流水文测站的水文系列的总年数,xm表示第m个序号对应的年平均流量;
步骤3、经验频率的计算,该数据系列中大于等于xm的经验频率Pm计算公式如下:
步骤4、以年平均流量x为纵坐标,以经验频率P为横坐标,根据xm-Pm的对应值在频率格纸上点绘经验频率点据;
步骤5、选定水文频率分布线型为皮尔逊Ⅲ型分布;
步骤6、采用矩法估计出年平均流量数据系列的均值x和离差系数Cv的初估值,偏差系数Cs初选为Cv的倍数;
步骤7、绘制皮尔逊Ⅲ型理论频率曲线,将此线画在步骤4中绘有经验点据的图上,判断皮尔逊Ⅲ型理论频率曲线与是否匹配,如果匹配则以皮尔逊Ⅲ型理论频率曲线作为河流生态流量计算曲线;如果不匹配则调整偏差系数Cs与离差系数Cv的倍数重新绘制皮尔逊Ⅲ型理论频率曲线并进行判断;
步骤8、利用河流生态流量计算曲线求N%保证率的流量,即为河流生态流量。
作为优选,所述步骤5中,皮尔逊Ⅲ型分布的概率密度函数为:
其中,Γ(α)为α的伽马函数;α、β、a0分别为表征皮尔逊Ⅲ型分布的形状、尺寸和位置参数。
作为优选,所述步骤6中,均值计算公式如下:
其中,n分别为年平均流量均值、样本容量;x1、x2、…、xi分别为河流水文测站第i年平均流量。
作为优选,步骤6中,所述离差系数Cv的计算公式如下:
其中,k1、k2、…、ki为模比系数,
作为优选,步骤7中,在绘制皮尔逊Ⅲ型理论频率曲线时,需要求出指定频率P所相应的年平均流量值xp,也就是通过对密度曲线进行积分求出等于及大于xp的累计频率P值,即:
直接由上式计算P值非常麻烦,实际做法是通过变量转换,变换成下面的积分形式:
其中,为离均系数;
根据累计频率P、离差系数Cv或偏差系数Cs查Φp值表或Kp值表,计算出各累计频率P对应的水位值xp,点绘出一条皮尔逊Ⅲ型理论频率曲线,将此线画在绘有经验点据的图上;
通过离均系数Φp值表查出离均系数Φp,然后计算xp如下:
其中,KP为模比系数。
作为优选,步骤8中,所述N取值范围为70-95。
作为优选,步骤8中,所述N=90。
本发明有益效果是:
相对于现有河流生态流量计算方法,本发明具有原始数据河流流量资料齐全,序列长的特点;因为实测流量资料是有限的,当流量变量的设计频率较大或较小时,可能无法从实测水位数据中直接查得相应设计频率下的河流年平均流量,本发明提出的通过引入皮尔逊Ⅲ型理论频率曲线对经验频率曲线下端或上端进行外延,克服了由于上端和下端没有实测点据控制,外延具有主观性的缺点。
附图说明
图1为本发明实施例的流程图;
图2为本发明实施例中梁子湖流域水系分布示意图;
图3为本发明实施例中湖北鄂州市长港河月平均流量示意图;
图4为本发明实施例中长港河流量理论频率曲线示意图。
具体实施方式
为了便于本领域普通技术人员理解和实施本发明,下面结合附图及实施例对本发明作进一步的详细描述,应当理解,此处所描述的实施示例仅用于说明和解释本发明,并不用于限定本发明。
本实施例以湖北梁子湖流域长港河为例对河流生态流量进行阐述。梁子湖流域水系各河流情况如图2所示。梁子湖流域水系主要由梁子湖、上鸭儿湖、红莲湖、梧桐湖、三山湖和保安湖组成,行政区划涉及湖北省鄂州、武汉、黄石、咸宁4个市,流域总面积3265km2,流域内土地肥沃,雨量丰沛,湖泊水深面广,是湖北省粮、棉、油及水产业的重要基地之一。
长港河位于湖北省鄂州市中部,一端连接长江,一端连接梁子湖,全长46.545km,是梁子湖流域进入长江的唯一通道。其水生态状况不仅直接关系沿岸城乡生活、生产、生态安全,还关系到长江、梁子湖水生态安全。由于长港河范围内主要为农业区,化肥、农药的大量使用,氮、磷等污染物随着地表径流进入河中,长港河水体如长期静止不流动,氮、磷将会严重超标,导致水质恶化、生态功能退化,而生态退化又导致水体自净能力下降,形成了水质性生态问题的恶性循环。这种水生态问题在最近13年间,平均每2年要发生一次,河道内水生态困扰已成常态化。
为了改善水环境,提高水体纳污能力,需要满足长港生态环境需水的要求。研究河流生态环境需水量的关键在于确定合理的生态流量,即维持河流正常的生态系统及功能所拥有的水量。
本实施例使用的流量数据来源于湖北省鄂州市樊口大闸管理处提供的樊口(大闸上)站(测站编码:61602010)1973~2016年每日的流量实时监测数据,分析时取流量的月平均值。
请见图1,本发明提供的一种河流生态流量计算方法,简称“90%保证率年平均流量法”,包括以下步骤:
步骤1:收集长系列(大于30a)湖北省鄂州市长港实测逐日流量资料。
步骤2:统计湖北省鄂州市长港河流水文测站每年平均流量,设河流水文测站的水文系列共有n年,每年平均流量分别为x1、x2、…、xn。
步骤3:经验频率的计算。年平均流量不论年序按从大到小的次序重新排列为x1、x2、…、xm、…、xn,系列中大于等于xm的经验频率可按下式计算:
其中,Pm为系列中大于等于xm的经验频率;m为年平均流量按从大到小排列并按自然数顺序编出的序号。
步骤4:点绘经验频率点据。以年平均流量x为纵坐标,以经验频率P为横坐标,根据xm-Pm的对应值在频率格纸上点绘经验频率点据。
频率格纸又称“海参格纸”,其横轴采用不均匀分格,中间密两端稀,纵轴是均匀分布。
步骤5:选定水文频率分布线型为皮尔逊Ⅲ型分布。皮尔逊Ⅲ型曲线是一条一端有限一端无限的不对称单峰、正偏曲线,数学上常称伽玛分布,其概率密度函数为:
其中,Γ(α)为α的伽马函数;α、β、a0分别为表征皮尔逊Ⅲ型分布的形状、尺寸和位置参数。
步骤6:采用矩法估计出年平均流量均值x和离差系数Cv的初估值,而偏差系数Cs初选为Cv的倍数(比如2倍或者3倍);
其中,n分别为年平均流量均值、样本容量;x1、x2、…、xi分别为河流水文测站第i年平均流量。
其中,Cv为离差系数;k1、k2、…、ki为模比系数,
步骤7:绘制皮尔逊Ⅲ型理论频率曲线。水文计算中,需要求出指定频率P所相应的年平均流量值xp,也就是通过对密度曲线进行积分求出等于及大于xp的累计频率P值,即:
直接由上式计算P值非常麻烦,实际做法是通过变量转换,变换成下面的积分形式:
其中,为离均系数。
根据累计频率P、离差系数Cv或偏差系数Cs查Φp值表或Kp值表,计算出各累计频率P对应的水位值xp,点绘出一条皮尔逊Ⅲ型理论频率曲线,将此线画在绘有经验点据的图上。
对于若干个给定的Cs值,Φp和Kp的对应数值表,已先后由美国福斯特和前苏联雷布京制作出来。
其中,KP为模比系数。
步骤8:分析理论频率曲线与经验点据的拟合情况,如果匹配,则该曲线对应的累计频率P、离差系数Cv和偏差系数Cs就作为总体参数的估计值;如果不匹配,则修改离差系数Cv,再画一条理论拟合曲线,直到匹配为止。
步骤9:在此曲线上求90%保证率的流量。
步骤10:90%保证率下计算出的河流流量,即为湖北省鄂州市长港河流生态流量。
以下通过实验验证本发明的合理性。
(一)湖北省鄂州市长港河生态流量计算
1)长港河多年平均流量统计
根据樊口(大闸下)站、樊口(抽水)站1973~2016年逐日实时流量监测数据,对长港河每月平均流量做了统计,见图3。长港河长系列流量资料统计得到:多年平均流量53.59m3/s。
2)基于“90%保证率年平均流量”的河流生态流量的计算方法
根据樊口(大闸下)站、樊口(抽水)站1973~2016年逐日实时流量监测数据,得到的长港河年平均流量频率计算表见表2。
表2 长港河年平均流量频率计算表
3)采用矩法估计出频率曲线统计参数均值x和离差系数Cv的初估值。
4)选配理论频率曲线。
由频率曲线统计参数均值和离差系数Cv的初估值,偏差系数Cs初选为Cv的倍数,查Kp值表,计算出各累计频率P对应的流量值xp。
点绘出一条P-Ⅲ型理论曲线,将此线画在绘有经验点据的图上;
分析理论频率曲线与经验点据的拟合情况,如果匹配,则该曲线对应的三个统计参数就作为总体参数的估计值。如果不匹配,则修改参数,再画一条理论拟合曲线,直到匹配为止。
优化后的理论频率选配计算表如表3,理论频率曲线如图4。
表3 长港河年平均流量理论频率选配计算表
5)90%保证率下计算出的河流流量,即为长港生态流量。
(二)本研究方法确定的生态流量合理性验证
依据《河湖生态环境需水量计算规范(SL/Z 712-2014)》,采用蒙大拿法(Tennant法)确定长港河生态流量,并与本研究方法确定的生态流量对比,验证本研究方法确定生态流量的合理性。
1)蒙大拿法(Tennant法)
蒙大拿法亦称Tennant法,是依据观测资料建立的流量和河流生态环境状况之间的经验关系。用历史流量资料就可以确定年内不同时段的生态环境需水量,使用简单、方便。不同河道内生态环境状况对应的流量百分比见表4。
从表4中第一列中选取生态环境保护目标所期望的河道内生态环境状态,第二、三列分别为相应生态环境状态下年内水量较枯和较丰时段(非汛期、汛期)生态环境流量占多年天然流量的百分比。该百分比与多年平均天然流量的乘积为该时段的生态环境流量,与时长的乘积为该时段的生态环境需水量。
表4 不同河道内生态环境状况对应的流量百分比
(1)该方法在众多河流运用中证实:10%的平均流量,河槽宽度、水深及流速显著减少,水生生物栖息地退化,河流底质或湿周有近一半暴露;20%的平均流量提供了保护水生栖息地的适当水量;在小河流中,年平均流量30%的流量接近较好栖息地水量要求。
(2)对一般河流而言,河流流量占年平均流量的60%至100%,河宽、水深及流速为水生生物提供优良的生长环境。
(3)河流流量占年平均流量的30%至60%,河宽、水深及流速均佳,大部分边槽有水流,河岸能为鱼类提供活动区。
(4)对于大江大河,河流流量5%至10%,仍有一定的河宽、水深和流速,可以满足鱼类洄游、生存和旅游、景观的一般要求,可作为保持绝大数水生物短时间生存所必需的最低流量。
2)年平均流量计算
表5 长港河年平均流量表 单位:m3/s
3)蒙大拿法(Tennant法)确定长港河生态流量
统计樊口(大闸下)站、樊口(抽水)站多年实测流量1973~2016年系列资料,多年平均流量为53.59m3/s,按照《河湖生态环境需水量计算规范(SL/Z 712-2014)》生态流量计算方法中南方河渠一般取多年平均流量的10%~30%作为生态流量。即蒙大拿法(Tennant法)确定长港河生态流量为5.36~16.08m3/s。
4)本研究方法确定长港河生态流量的合理性
按蒙大拿法(Tennant法)确定长港河生态流量为5.36~16.08m3/s,本研究方法确定的生态流量20.0m3/s。因此,从维持长港河正常的生态系统及功能所拥有的水量来看,本研究方法确定的生态流量是合理的。
应当理解的是,本说明书未详细阐述的部分均属于现有技术。
应当理解的是,上述针对较佳实施例的描述较为详细,并不能因此而认为是对本发明专利保护范围的限制,本领域的普通技术人员在本发明的启示下,在不脱离本发明权利要求所保护的范围情况下,还可以做出替换或变形,均落入本发明的保护范围之内,本发明的请求保护范围应以所附权利要求为准。
Claims (7)
1.一种河流生态流量计算方法,其特征在于,包括以下步骤:
步骤1、收集河流水文测站的逐日流量资料,根据逐日流量资料,统计该河流水文测站的每年平均流量;
步骤2、将年平均流量按照从大到小排序,得到年平均流量数据系列,x1、x2、…、xm、…、xn,其中,m为年平均流量按从大到小排列并按自然数顺序编出的序号,n表示样本总数,也就是河流水文测站的水文系列的总年数,xm表示第m个序号对应的年平均流量;
步骤3、经验频率的计算,该数据系列中大于等于xm的经验频率Pm计算公式如下:
步骤4、以年平均流量x为纵坐标,以经验频率P为横坐标,根据xm-Pm的对应值在频率格纸上点绘经验频率点据;
步骤5、选定水文频率分布线型为皮尔逊Ⅲ型分布;
步骤6、采用矩法估计出年平均流量数据系列的均值和离差系数Cv的初估值,偏差系数Cs初选为Cv的倍数;
步骤7、绘制皮尔逊Ⅲ型理论频率曲线,将此线画在步骤4中绘有经验点据的图上,判断皮尔逊Ⅲ型理论频率曲线与是否匹配,如果匹配则以皮尔逊Ⅲ型理论频率曲线作为河流生态流量计算曲线;如果不匹配则调整偏差系数Cs与离差系数Cv的倍数重新绘制皮尔逊Ⅲ型理论频率曲线并进行判断;
步骤8、利用河流生态流量计算曲线求N%保证率的流量,即为河流生态流量。
2.如权利要求1所述河流生态流量计算方法,其特征在于:所述步骤5中,皮尔逊Ⅲ型分布的概率密度函数为:
其中,Γ(α)为α的伽马函数;α、β、a0分别为表征皮尔逊Ⅲ型分布的形状、尺寸和位置参数。
3.如权利要求2所述河流生态流量计算方法,其特征在于:所述步骤6中,均值计算公式如下:
其中,n分别为年平均流量均值、样本容量;x1、x2、…、xi分别为河流水文测站第i年平均流量。
4.如权利要求3所述河流生态流量计算方法,其特征在于:步骤6中,所述离差系数Cv的计算公式如下:
其中,k1、k2、…、ki为模比系数,
5.如权利要求4所述河流生态流量计算方法,其特征在于:步骤7中,在绘制皮尔逊Ⅲ型理论频率曲线时,需要求出指定频率P所相应的年平均流量值xp,也就是通过对密度曲线进行积分求出等于及大于xp的累计频率P值,即:
直接由上式计算P值非常麻烦,实际做法是通过变量转换,变换成下面的积分形式:
其中,为离均系数;
根据累计频率P、离差系数Cv或偏差系数Cs查Φp值表或Kp值表,计算出各累计频率P对应的水位值xp,点绘出一条皮尔逊Ⅲ型理论频率曲线,将此线画在绘有经验点据的图上;
通过离均系数Φp值表查出离均系数Φp,然后计算xp如下:
其中,KP为模比系数。
6.如权利要求1至5任意一项所述河流生态流量计算方法,其特征在于:步骤8中,所述N取值范围为70-95。
7.如权利要求6所述河流生态流量计算方法,其特征在于:步骤8中,所述N=90。
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