CN111079085A - 一种考虑提升量的生态流量确定方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种考虑提升量的生态流量确定方法，属于环境工程领域，包括：收集计算生态流量所需的相关数据；确定生态基流；选取生态基流的上限Q_max和下限Q_min，初步确定生态基流的区间[Q_min，Q_max]；验证生态基流Q的下限Q_min；计算三个服务对象景观湿地需水B1、输沙需水B2和稀释自净需水B3；对比三个服务对象的需水量，确定提升量S；找出最小值和最大值确定区间的提升量下限S_min和提升量上限S_max；将生态基流Q和提升量S结合起来综合确定生态流量。该方法将复杂问题简单化，同时提出将生态基流作为考核目标，更直接有效；此外，对生态流量的区间化管理也能体现其自然属性和功能属性，同时强调人服务于生态的服务属性。

Description

一种考虑提升量的生态流量确定方法

技术领域

本发明属于环境工程领域，具体涉及一种考虑提升量的生态流量确定方法。

背景技术

河湖本身不存在生态流量问题，因为水生动植物本来就是根据河湖生境而自然生长。但长期以来，由于人类在河湖内外用水需求日益增加，不断占用自然生态系统依赖的河湖水量，基流不够用，从而出现了所谓的生态流量问题。

与生态流量相关的两个概念是生态基流和生态需水，生态基流是为维持河流基本形态和基本生态功能所需的最小流量，功能范围是自然生态系统，侧重点是河道不断流。由于径流时空分布不均，需水总量并不能保证在单位时间生态基流满足河流基本生态功能，因此需要在需水过程上对基流提出要求，对于生态基流的界定，社会各界基本上达成一致。目前水资源短缺、水生态损害等成为常态问题，在此基础上提出用水的优先级是生活、生态、生产，因此生态需水成为广泛讨论的对象，与之联系的就是生态流量，关于这两个名词大家说法不一，有一部分人认为生态需水是将生态系统结构、功能和生态过程维持在一定水平所需要的水量，指一定生态保护目标对应的水生态系统对于水量的需求，而生态流量就是生态需水中的某个流量，也有一部分人认为生态流量是生态基流和敏感期生态流量的组合，对于这几个概念的认识影响了具体的做法，最主要的是生态流量难以确定，给管理造成了混乱。

其中涉及到的技术方法是关于生态基流、生态流量的确定，生态基流是基于算法导向的，确定的方法有四大类，分别是水文学方法、水力学方法、栖息地法和整体法，生态流量的确定要根据具体对象的需水情况来定。

目前关于生态流量的确定争议很多，存在概念不清的情况，没有说清与生态基流、生态需水的关系；由于生态服务对象众多，考虑不同时空分布下的生态需水难以量化；生态流量是与生态需水紧密相关的，而对应的算法太多太乱，一是理解有误，算出的结果不是生态流量，二是算法所需的资料无法获得、参数难以确定，大多数计算方法在考虑众多服务对象之后得到的是一个值或一组值，无法适应时空变化、需水变化、来水变化，且难以作为考核的依据，给管理造成不便。

由于不同时空分布下生态服务对象的多样性，生态需水难以量化，且相关部门现阶段是根据断面的实测流量来考核的，目的也是保证河道不断流，但是所定断面的流量考核标准过高，考核失去意义。

因此，本申请提出一种考虑提升量的生态流量确定方法。

发明内容

为了克服上述现有技术存在的不足，本发明提供了一种考虑提升量的生态流量确定方法。

为了实现上述目的，本发明提供如下技术方案：

一种考虑提升量的生态流量确定方法，包括以下步骤：

步骤1：收集计算生态流量所需的相关数据；

步骤2：从收集的相关数据中确定生态基流，确定方法包括改进蒙大拿法、年内展布法和最小月平均流量法；

步骤3：对所述改进蒙大拿法、年内展布法和最小月平均流量法三种方法分别确定的生态基流M1、M2和M3进行比较分析，选取最大值和最小值分别作为生态基流的上限Q_max和下限Q_min，初步确定生态基流的区间[Q_min，Q_max]，将区间的下限Q_min初步确定为生态基流，见式(1)、(2)；

Q_min＝min{M1,M3,M3} (1)

Q_max＝max{M1,M3,M3} (2)

步骤4：对所述步骤3的生态基流的下限Q_min进行验证；

若初步确定的下限Q_min大于规定值，则下限Q_min为生态基流的下限值；否则将规定值作为生态基流的下限值；

步骤5：在所述生态基流的基础上计算河段3个服务对象需水量，3个服务包括景观湿地需水W_l、输沙需水W_s和稀释自净需水W_c；

步骤6：对比分析所述步骤5计算的三个服务对象的需水量，确定提升量S；提升量是一个区间，因此找出最小值和最大值确定区间的提升量下限S_min和提升量上限S_max，为体现年内变化，提升量区间按月份分别确定；

S_min＝min{W_l,W_s,W_c} (3)

S_max＝max{W_l,W_s,W_c} (4)

步骤7：将所述生态基流和提升量S结合起来综合确定生态流量，将步骤4 验证过后的生态基流作为考核的最低标准，也就是提升量的下限。

优选地，所述步骤1中收集的相关数据包括河段含沙量、输沙量、换水周期、多年平均蓄水量、污染物浓度、目标水质浓度和长系列历史流量数据。

优选地，所述步骤2中，改进蒙大拿法是在蒙大拿法的基础上考虑典型年的选取及分期百分比的确定，典型年的选取根据计算不同季节模数最接近1.0 的年份，分期是将一年分为一般用水期和鱼类产卵育幼期，分别取典型年平均流量的10％和30％作为生态基流；

年内展布法是用多年月均径流量乘以同期均值比得到一年的生态基流过程，同期均值比是根据多年年均径流量与年内各月最小月均径流量的年均值这两个典型的水文特征变量进行确定与量化的，具体见式(5)-(10)；

q_min(i)＝min(q_ij) (8)

式中：

为第i个月的多年月均径流量，

为多年年均径流量，q_ij为第j年第i个月的月均径流量，q_min(i)为第i个月的多年最小月均径流量，

为最小年均径流量，n为统计年数，η为同期均值比，Q_i为各月的生态基流；

最小月平均流量法是将最小月平均流量的多年平均值作为河道的生态基流，具体见式(11)；

式中：Q_ij为第i个月第j天的平均流量，Q_m为第m个月的生态基流，n为统计年数。

优选地，所述步骤5中景观湿地需水W_l、输沙需水W_s和稀释自净需水W_c的具体计算方法如下：

(1)景观湿地需水：指为维持景观或者湿地生态和环境功能所要消耗和补充的水量，采用换水周期法进行计算，具体见式(12)；

式中：T为换水周期，w”为多年平均蓄水量，Q为景观湿地需水流量；

(2)输沙需水：河流输沙需水量是指为了维持河床冲刷与淤积的动态平衡，必须在河道内保持一定的水量，该水量与水流含沙量直接相关，且随着产沙量、含沙量等的年内分配而动态变化，计算公式见式(13)-(15)；

w'＝η^α*w_w (13)

w_w＝w-w_s/γ_s (14)

η＝s_进-s_出 (15)

式中：W′为输沙需水量，η′为输沙效率，α为指数，W_w为净水量；W为径流量，W_s为输沙量，γ_s为泥沙容重，通常取2.65t/m³；S_进为进入河段的含沙量，S_出为流出河段的含沙量；当η′<1时，河段处于冲刷状态，进口站含沙量小于出口站含沙量，此时，α＝1；当η′>＝1时，河段淤积或冲淤平衡，进口站含沙量大于或等于出口站含沙量，此时，α＝0；

(3)稀释自净需水：指在加强污染源防治的前提下，使河流水体达到水功能区划确定的水质目标所要求的最小水量；采用混合模型与衰减模型对河段稀释自净需水量进行模拟；在河段i处，上断面为A_i-1，下断面为A_i，河段长为L_i，假设在河段内共有多个排污口及支流的污染物汇入，为便于计算，记做断面B，具体见式(16)；

式中：W_oi为稀释自净需水量，C_i-1为A_i-1处的污染物浓度，s_i为B点处汇入的污染物浓度，q_i为B点处的汇入流量，C_si为A_i段面处的目标水质浓度，L_i为河段长、u_i为河段i处的流速，x_i为断面B到断面A_i-1的距离，Q_i-1为A_i-1处的流量。。

本发明提供的考虑提升量的生态流量确定方法具有以下有益效果：

(1)从实际应用的角度，从概念出发给出了生态流量的确定办法，即生态基流加上提升量，相比于具体服务对象的生态需水难以量化的特点，本发明将复杂问题简单化，同时提出将生态基流作为考核目标，更直接有效；此外，对生态流量的区间化管理也能体现其自然属性和功能属性，同时强调人服务于生态的服务属性；

(2)解决了生态流量难以量化的困难，避免了因生态流量算法众多、服务对象复杂所带来的管理混乱，并且给出的是一个区间，适应性更强，同时考虑到考核的需求，用生态流量作为考核达标与否的判断，更容易被接受，使考核变的简单有效，清晰可管理。

附图说明

图1为本发明实施例1的考虑提升量的生态流量确定方法的流程图。

具体实施方式

为了使本领域技术人员更好的理解本发明的技术方案并能予以实施，下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。以下实施例仅用于更加清楚地说明本发明的技术方案，而不能以此来限制本发明的保护范围。

实施例1

本实施例在辨析生态基流、生态需水、生态流量三者概念的基础上给出生态流量的定义，由定义出发，说明生态流量的确定方法；生态基流前面已作出说明，需要强调的是生态基流最重要的一个特点就是要保证不断流，现在阐述生态需水与生态流量的关系，讲生态需水，首先要搞清楚何为生态对象，如何去服务，之后回过头看，生态的需水量是多少，要用多少的生态流量来保证对应上，故不讲生态需水，生态流量就没有依据。

生态需水可分为河道内和河道外两种，具体的服务对象包括景观、鱼类、水生生物、河道输沙、自净等，功能范围是自然生态系统、社会生态系统，需水条件为需水量、需水过程。不同河道在不同时空尺度下的生态服务对象都有所差别，生态需水不仅与自然状态下的河道变化有关，也受人类社会活动的影响，一些功能性需水例如输沙和自净等，既要求需水过程，也需要从需水量上来保证。

在上述认识的基础上，提出生态流量的概念，第一步在生态基流的基础上，使生态恢复到原生态几乎不可能，只能改善和修复，增加一个提升量，提升量可大可小，使用区间化的思想，给出生态流量的界限；第二步一定要规制化，建立规制库，如：不同河段不同季节用哪种规制，不同服务对象用哪种规制；考虑时空分布下水量如何调配，例如：丰增枯减，在枯水期，有好的手段、技术、较强的调节能力，能在基流基础上满足提升量。

下面结合附图和具体实现方式对本发明进行详细说明。

本发明提供了一种考虑提升量的生态流量确定方法，具体如图1所示，包括以下步骤：

步骤1：收集计算生态流量所需的相关数据，本实施例中收集的相关数据包括长系列历史流量数据、河段含沙量、输沙量、换水周期、多年平均蓄水量污染物浓度、目标水质浓度；

步骤2：从收集的相关数据中确定生态基流，确定方法包括改进蒙大拿法、年内展布法和最小月平均流量法；

步骤3：对改进蒙大拿法、年内展布法和最小月平均流量法三种方法分别确定的生态基流M1、M2和M3进行比较分析，选取最大值和最小值分别作为生态基流的上限Q_max和下限Q_min，初步确定生态基流的区间[Q_min，Q_max]，将区间的下限Q_min初步确定为生态基流，见式(1)、(2)；

Q_min＝min{M1,M3,M3} (1)

Q_max＝max{M1,M3,M3} (2)

步骤4：对步骤3的生态基流的下限Q_min进行验证；

根据2005年的《建设项目水资源论证导则(试行)》，北方河流生态基流指标原则上应不小于多年平均流量的10％，枯水时段不应低于同期流量均值的 20％，若初步确定的下限值Q_min大于导则规定，则初步确定的下限值Q_min为生态基流的下限值，若小于，则将导则规定作为生态基流的下限值；对于任一确定的考核断面而言，可以将验证过后所确定的生态基流作为考核的最低标准；

步骤5：在生态基流的基础上计算河段3个服务对象需水量，3个服务包括景观湿地需水W_l、输沙需水W_s和稀释自净需水W_c；

步骤6：对比分析步骤5计算的三个服务对象的需水量，确定提升量S；提升量是一个区间，因此找出最小值和最大值确定区间的提升量下限S_min和提升量上限S_max，为体现年内变化，提升量区间按月份分别确定；

S_min＝min{W_l,W_s,W_c} (3)

S_max＝max{W_l,W_s,W_c} (4)

例如三个服务对象为景观湿地需水B1、输沙需水B2、稀释自净需水B3，其在1月份的需水量分别为W’₁＝1.5、Q₁＝3.2、Wci₁＝2.7，其中最大值为S_max1＝3.2，最小值为S_min1＝1.5，那么1月份的提升量区间就是S₁＝[1.5,3.2]，按照这种方法将2-12月的提升量区间全部确定，来体现提升量的年内变化；

步骤7：将生态基流和提升量S结合起来综合确定生态流量，将步骤4验证过后的生态基流作为考核的最低标准，也就是提升量的下限。

区间化管理时，首先要满足河道不断流的需求，即生态基流达到考核的最低标准，在此基础上通过增加提升量对生态进行改善和修复,生态需水水平不同，水资源调配能力不同，提升量可大可小；

生态需水水平的不同，比如：10m³/s的流量可以保证水生生物正常生长， 12m³/s的流量可以保证短时间内正常生长，15m³/s的流量则可以保证长时间内的健康生长，那么提升量首先满足当下的正常生长，再依次提升；

水资源调配能力的不同，比如1，水库在洪水期末没有蓄存够足够的水量，导致用水期水量不足，提升量难以保证；2，水库在用水期开始蓄存了足够的水量，可以将一部分水量用于生态，增加提升量；

一般情况下，生态流量自然越多越好，出现问题时，采取针对性的做法，在此后一段持续期内，尽快恢复和保障水生态；

例如：如果生态基流为8m³/s，提升量的区间为[5，14]，最终提升量在5m³/s 的基础上提升，以生态基流8m³/s作为生态流量理论区间的下限，生态流量的理论区间变成[8,14]，现在服务对象需水可增加流量的区间是[0，6]，如果水资源调配能力对应的是[0，6]的2m³/s，那么就在生态基流8m³/s的基础上提升 2m³/s，那么生态流量就是10m³/s。

进一步地，本实施例中，步骤2中，改进蒙大拿法是在蒙大拿法的基础上考虑典型年的选取及分期百分比的确定，典型年的选取根据计算不同季节模数最接近1.0的年份，具体见式(17)，分期是将一年分为一般用水期(11月- 次年3月)和鱼类产卵育幼期(4-10月)，分别取典型年平均流量的10％和30％作为生态基流；

式中：K_i为第i年的模数，K_ij是第i年第j季的模数，一般用于典型年的选取；

年内展布法是用多年月均径流量乘以同期均值比得到一年的生态基流过程，同期均值比是根据多年年均径流量与年内各月最小月均径流量的年均值这两个典型的水文特征变量进行确定与量化的，具体见式(5)-(10)；

q_min(i)＝min(q_ij) (8)

式中：

为第i个月的多年月均径流量，

为多年年均径流量，q_ij为第j年第i个月的月均径流量，q_min(i)为第i个月的多年最小月均径流量，

为最小年均径流量，n为统计年数，η为同期均值比，Q_i为各月的生态基流；

最小月平均流量法是将最小月平均流量的多年平均值作为河道的生态基流，具体见式(11)；

式中：Q_ij为第i个月第j天的平均流量，Q_m为第m个月的生态基流，n为统计年数。

进一步地，由于生态服务对象众多，无法细化到一草一木，生态需水难以量化，对于具体河道而言，为了说明不同河段的提升量，本实施例将河段划分为上游河段A1、中游河段A2、下游河段A3三部分；本实施例将服务对象分为景观湿地需水W_l、输沙需水W_s和稀释自净需水W_c，在生态基流的基础上考虑这三类给出提升量，例如：A1位于上游，水质较好，W_s、W_c就少，A2位于中游，两岸工厂较多，排污口就多，W_c就多，A3位于下游，泥沙淤积较为严重，那对应的W_s就多。河段A1-A3的各自提升量可能是不同的，但都可以用区间来表示；

步骤5中景观湿地需水W_l、输沙需水W_s和稀释自净需水W_c的具体计算方法如下：

(1)景观湿地需水：指为维持景观或者湿地生态和环境功能所要消耗和补充的水量，采用换水周期法进行计算，具体见式(12)；

式中：T为换水周期，w”为多年平均蓄水量，Q为景观湿地需水流量；

(2)输沙需水：河流输沙需水量是指为了维持河床冲刷与淤积的动态平衡，必须在河道内保持一定的水量，该水量与水流含沙量直接相关，且随着产沙量、含沙量等的年内分配而动态变化，计算公式见式(13)-(15)；

w'＝η^α*w_w (13)

w_w＝w-w_s/γ_s (14)

η＝s_进-s_出 (15)

式中：W′为输沙需水量，η′为输沙效率，α为指数，W_w为净水量；W为径流量，W_s为输沙量，γ_s为泥沙容重，通常取2.65t/m³；S_进为进入河段的含沙量，S_出为流出河段的含沙量；当η′<1时，河段处于冲刷状态，进口站含沙量小于出口站含沙量，此时，α＝1；当η′>＝1时，河段淤积或冲淤平衡，进口站含沙量大于或等于出口站含沙量，此时，α＝0；

(3)稀释自净需水：指在加强污染源防治的前提下，使河流水体达到水功能区划确定的水质目标所要求的最小水量；采用混合模型与衰减模型对河段稀释自净需水量进行模拟；在河段i处，上断面为A_i-1，下断面为A_i，河段长为L_i，假设在河段内共有多个排污口及支流的污染物汇入，为便于计算，记做断面B，具体见式(16)；

式中：W_ct为稀释自净需水量，C_i-1为A_i-1处的污染物浓度，s_i为B点处汇入的污染物浓度，q_i为B点处的汇入流量，C_si为A_i段面处的目标水质浓度，L_i为河段长、u_i为河段i处的流速，x_i为断面B到断面A_i-1的距离，Q_i-1为A_i-1处的流量。

本实施例中，生态基流计算还可以采用水力学法、栖息地法或整体法；输沙需水计算还可采用冲淤修正法；景观需水计算还可采用湖泊形态法；生态基流的验证还可采用其他河道演算方法；分期还可采用丰、平、枯的方式；典型年的确定还可以采取频率分析法。

本实施例中提供的生态流量确定方法能够适应流域或区域考核管理的需要，在生态基流基础上给出提升量，提升量是考虑特定河段服务对象不同时空分布下的需水情况给出的需水水平，之后使用区间化的思想给出范围，以生态基流作为考核的标准，就可以保证河道不断流，这样考核是合理有效的，在提升量区间化管理的基础上通过调配决策来改善和修复水生态环境，达到生态管理的需求。

以上所述实施例仅为本发明较佳的具体实施方式，本发明的保护范围不限于此，任何熟悉本领域的技术人员在本发明披露的技术范围内，可显而易见地得到的技术方案的简单变化或等效替换，均属于本发明的保护范围。

Claims (4)

1.一种考虑提升量的生态流量确定方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1：收集计算生态流量所需的相关数据；

步骤2：从收集的相关数据中确定生态基流，确定方法包括改进蒙大拿法、年内展布法和最小月平均流量法；

步骤3：对所述改进蒙大拿法、年内展布法和最小月平均流量法三种方法分别确定的生态基流M1、M2和M3进行比较分析，选取最大值和最小值分别作为生态基流的上限Q_max和下限Q_min，初步确定生态基流的区间[Q_min，Q_max]，将区间的下限Q_min初步确定为生态基流，见式(1)、(2)；

Q_min＝min{M1，M2，M3} (1)

Q_max＝max{M1，M2，M3} (2)

步骤4：对所述步骤3的生态基流的下限Q_min进行验证；

若初步确定的下限Q_min大于规定值，则下限Q_min为生态基流的下限值；否则将规定值作为生态基流的下限值；

步骤5：在所述生态基流的基础上计算河段3个服务对象需水量，3个服务包括景观湿地需水W_l、输沙需水W_s和稀释自净需水W_c；

步骤6：对比分析所述步骤5计算的三个服务对象的需水量，确定提升量S；提升量是一个区间，因此找出最小值和最大值确定区间的提升量下限S_min和提升量上限S_max，为体现年内变化，提升量区间按月份分别确定；

S_min＝min{W_l，W_s，W_c} (3)

S_max＝max{W_l，W_s，W_c} (4)

步骤7：将所述生态基流和提升量S结合起来综合确定生态流量，将步骤4验证过后的生态基流作为考核的最低标准，也就是提升量的下限。

2.根据权利要求1所述的考虑提升量的生态流量确定方法，其特征在于，所述步骤1中收集的相关数据包括河段含沙量、输沙量、换水周期、多年平均蓄水量、污染物浓度、目标水质浓度和长系列历史流量数据。

3.根据权利要求1所述的考虑提升量的生态流量确定方法，其特征在于，所述步骤2中，改进蒙大拿法是在蒙大拿法的基础上考虑典型年的选取及分期百分比的确定，典型年的选取根据计算不同季节模数最接近1.0的年份，分期是将一年分为一般用水期和鱼类产卵育幼期，分别取典型年平均流量的10％和30％作为生态基流；

年内展布法是用多年月均径流量乘以同期均值比得到一年的生态基流过程，同期均值比是根据多年年均径流量与年内各月最小月均径流量的年均值这两个典型的水文特征变量进行确定与量化的，具体见式(5)-(10)；

q_min(i)＝min(q_ij) (8)

式中：

为第i个月的多年月均径流量，

为多年年均径流量，q_ij为第j年第i个月的月均径流量，q_min(i)为第i个月的多年最小月均径流量，

为最小年均径流量，n为统计年数，η为同期均值比，Q_i为各月的生态基流；

最小月平均流量法是将最小月平均流量的多年平均值作为河道的生态基流，具体见式(11)；

式中：Q_ij为第i个月第j天的平均流量，Q_m为第m个月的生态基流，n为统计年数。

4.根据权利要求1所述的考虑提升量的生态流量确定方法，其特征在于，所述步骤5中景观湿地需水W_l、输沙需水W_s和稀释自净需水W_c的具体计算方法如下：

(1)景观湿地需水：指为维持景观或者湿地生态和环境功能所要消耗和补充的水量，采用换水周期法进行计算，具体见式(12)；

式中：T为换水周期，w”为多年平均蓄水量，Q为景观湿地需水流量；

(2)输沙需水：河流输沙需水量是指为了维持河床冲刷与淤积的动态平衡，必须在河道内保持一定的水量，该水量与水流含沙量直接相关，且随着产沙量、含沙量等的年内分配而动态变化，计算公式见式(13)-(15)；

w'＝η^α*w_w (13)

w_w＝w-w_s/γ_s (14)

η＝s_进-s_出 (15)

式中：W′为输沙需水量，η′为输沙效率，α为指数，W_w为净水量；W为径流量，W_s为输沙量，γ_s为泥沙容重，通常取2.65t/m³；S_进为进入河段的含沙量，S_出为流出河段的含沙量；当η′<1时，河段处于冲刷状态，进口站含沙量小于出口站含沙量，此时，α＝1；当η′>＝1时，河段淤积或冲淤平衡，进口站含沙量大于或等于出口站含沙量，此时，α＝0；

(3)稀释自净需水：指在加强污染源防治的前提下，使河流水体达到水功能区划确定的水质目标所要求的最小水量；采用混合模型与衰减模型对河段稀释自净需水量进行模拟；在河段i处，上断面为A_i-1，下断面为A_i，河段长为L_i，假设在河段内共有多个排污口及支流的污染物汇入，为便于计算，记做断面B，具体见式(16)；

式中：W_ci为稀释自净需水量，C_i-1为A_i-1处的污染物浓度，s_i为B点处汇入的污染物浓度，q_i为B点处的汇入流量，C_si为A_i段面处的目标水质浓度，L_i为河段长、u_i为河段i处的流速，x_i为断面B到断面A_i-1的距离，Q_i-1为A_i-1处的流量。

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