CN111259607B - 一种河湖过渡区水文边界界定方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种河湖过渡区水文边界界定方法，步骤1，获取研究区河流及湖泊的监测数据；步骤2，利用获取的监测数据，模拟出河湖过渡区流速分布；步骤3，根据河湖过渡区河流段流速分布模拟结果，建立丰、枯水期河流流速与沿程距离对应关系，拟合出丰水期流速与沿程距离的函数关系方程；步骤4，对步骤3中建立的函数方程进行二阶求导运算，找出函数拐点；步骤5，将拐点坐标对照步骤3中建立的丰、枯水期河流流速与沿程距离对应关系进行验证，识别出发生流速突变的拐点，将其确定为河湖过渡区上边界；步骤6，根据河湖过渡区流速模拟结果，计算最外侧流速线间的流速梯度；步骤7，根据步骤6中计算的流速梯度结果，确定河湖过渡区下边界。

Description

一种河湖过渡区水文边界界定方法

技术领域

本发明涉及区域边界测定领域，具体而言，涉及一种河湖过渡区水文边界界定方法。

背景技术

河湖过渡区是河流和湖泊的连接通道，物质循环、能量流动和信息交换的关键环节；在人类干扰日益增强的背景下，河湖过渡区对河流、湖泊乃至湿地生态系统的健康可持续发展至关重要。由于河湖过渡区受到河流、湖泊的流量、流速、水位等水文条件以及风速、风向、降水量等气象条件多方面因素的影响，其水文边界具有显著的动态性和复杂性，科学地界定其水文边界一直是研究的难点，对开展其水量、水质、水资源利用等多方面研究意义重大，也是保护河湖过渡区水生态环境的迫切需求。

现有技术中，对河湖过渡区水文边界界定技术和方法有两种：经验值法和特有物种活动范围法；其中，经验值法是指根据观测河流汇入湖泊水流动态范围结合经验判断，给出固定数值作为河湖过渡区水文边界，特有物种活动范围法是指根据河湖过渡区所特有的物种，如芦苇、特有鱼类等，将其最大活动范围界定为水文边界。

现有技术中至少存在以下问题：

经验值法具有较大的主观性，缺乏客观依据，不同研究人员界定的水文边界存在较大的偏差；同时，针对特有物种活动范围法，特有物种的活动范围受到其周围环境和人类活动等多种因素的干扰，以鱼类为例，其活动范围受到水质、饵料、人类捕获、天敌等多种因素的影响，不能准确地界定河湖过渡区的水文边界；因此，经验值法和特有物种活动范围法都具有误差大、精确性低的缺点，而且同一个河湖过渡区用两种方法界定的水文边界差别大，可信度低，无法准确的界定出河湖过渡区水文边界。

针对现有技术中经验值法和特有物种活动范围法都具有误差大、精确性低的缺点，而且同一个河湖过渡区用两种方法界定的水文边界差别大，可信度低，无法准确的界定出河湖过渡区水文边界的问题，目前尚未提出有效的解决方案。

发明内容

本发明的目的是针对现有技术的不足，提供一种河湖过渡区水文边界界定方法。

所述河湖过渡区水文边界界定方法包括以下步骤：

步骤1，获取研究区河流及湖泊的监测数据，监测数据包括水文数据、河流断面数据、湖底高程数据、气象数据；

步骤2，利用获取的监测数据，建立河湖过渡区一、二维水动力耦合模型，模拟出河湖过渡区流速分布；

步骤3，根据河湖过渡区河流段流速分布模拟结果，建立丰、枯水期河流流速与沿程距离对应关系，拟合出丰水期流速与沿程距离的函数关系方程；

步骤4，对步骤3中建立的丰水期流速与沿程距离的函数关系方程进行二阶求导运算，f″_(x)，令f″_(x)＝0，

对函数方程进行求解，找出函数拐点；

步骤5，将拐点坐标对照步骤3中建立的丰、枯水期河流流速与沿程距离对应关系进行验证，识别出发生流速突变的拐点，将流速突变拐点的位置确定为河湖过渡区上边界；

步骤6，根据河湖过渡区流速模拟结果，提取流速线，明确流速分布状况，计算最外侧流速线间的流速梯度；

步骤7，根据步骤6中计算的流速梯度结果，比较流速梯度大小，确定河湖过渡区下边界，河湖过渡区上边界和河湖过渡区下边界共同组成了河湖过渡区的水文边界。

进一步地，在步骤1中，还包括以下步骤：

步骤1.1，获取研究区河流及湖泊水文站点一个水文年的水文数据，水文数据包括流量、水位、流速数据；

步骤1.2，获取研究区入湖河流的断面数据，断面数据包括河宽、右岸最低点、左岸最低点、河床最低点数据；

步骤1.3，获取研究区湖泊的湖底高程数据，湖底高程数据为通过DEM高程数据提取的湖泊地形数据；

步骤1.4，获取覆盖研究区的气象站点的气象数据，气象数据包括风速、风向、蒸发量、降水量数据。

进一步地，在步骤2中，还包括以下步骤：

步骤2.1，按照如下公式(1)，利用MIKE ZERO软件平台中的MIKE11模块建立河流一维水动力模型，河流水流运动规律符合Saint-Venant方程组，河流水文数据包括模型范围内河流入口端的流量，出口端的水位数据，作为模型边界，河流断面数据作为模型的地形输入地形基础，运转模型，提取河流主要水文站点的水位或流量模拟数据和实测数据进行对比，不断调整模型参数，直至模拟数据与实测数据相吻合，即完成模型的验证；

式中：x、t分别为沿河长距离和时间；Q为流量，单位为m³/s；A为过水断面面积，单位为m²；h为水位，单位为m；R为水力半径，单位为m；C为谢才系数；α为动量校正系数；g为重力加速度；

步骤2.2，利用MIKE ZERO软件平台中的MIKE21模块，建立湖泊二维水动力模型，其水动力过程遵循Navier-Stokes平均方程沿水深积分的连续性方程和动量方程，见以下公式(2)、以下公式(3)和以下公式(4)，水文数据包括湖泊的水位、入湖河流流量和出湖流量作为模型的边界输入，气象数据作为模型蒸发、降水、风力模块的输入，湖底高程数据作为模型的地形基础，提取湖泊水文站点的水位和流量模拟数据与实测数据进行对比，不断调整模型参数，直至模拟数据与实测数据相吻合，即完成模型校验；

连续性方程如以下公式(2)：

动量方程如以下公式(3)、(4)：

式中：t为时间，单位为s；x、y分别为笛卡尔坐标，单位为m；η为水位，单位为m；d为静止水深，单位为m；h＝η+d为总水深，单位为m；u、v分别为x,y方向上的速度分量，单位为m/s；

和

为沿水深平均的流速，单位为m/s；

f为哥氏力系数，

ω为地球自转角速度；

为当地纬度；g为重力加速度，单位为m/s²；ρ为水的密度，单位为kg/m³；ρ₀为水的相对密度，单位为kg/m³；τ_sx、τ_sy分别为水面风应力张量，单位为Pa；τ_bx、τ_by分别为河床床面应力张量，单位为Pa；pa为大气压，单位为Pa；s_xx、s_xy、s_yy分别为辐射应力分量，单位为Pa；S为源项，单位为kg；u_s、v_s分别为源项水流流速，单位为m/s；横向应力T_xx，T_xy，T_yy包括黏滞阻力、紊流摩擦阻力和差动平流摩擦阻力，单位为Pa，

步骤2.3，根据连接处动量守恒原则，利用MIKE ZERO软件平台中的MIKE FLOOD模块将一维水动力模型和二维水动力模型进行耦合；

步骤2.4，根据“水位～流量”的衔接关系，一维水动力模型水流流向二维水动力模型区域时，由一维水动力模型计算出连接河道末端的流量，并作为源项提供给二维水动力模型连接网格单元，建立河湖过渡区一、二维水动力耦合模型；

步骤2.5，运转河湖过渡区一、二维水动力耦合模型，在输出结果设置中选择Current speed输出项，模拟出河湖过渡区流速分布。

进一步地，在步骤3中，还包括以下步骤：

步骤3.1，在河湖过渡区一、二维水动力耦合模型输出结果模块中，以0.1-3km为间距，分别设置多个结果输出点；

步骤3.2，在输出选项中选择Current speed输出项，提取各结果输出点丰、枯水期的河流流速，建立丰、枯水期河流流速与沿程距离对应关系，绘制关系曲线图；

步骤3.3，根据步骤3.2中绘制的关系曲线图，拟合出以下公式(5)为丰水期流速与沿程距离的函数关系方程：

V_wet＝f(x) (5)，

式中：V_wet为丰水期各结果输出点的流速，x为各结果输出点距离入湖口的距离。

进一步地，在步骤6中，根据以下公式(6)，计算最外侧流速线之间的流速梯度G_ij：

式中：G_ij为河湖过渡区外侧第i根流速线与第j根流速线的流速梯度，V_i、V_j分别为河湖过渡区外侧第i根和第j根流速线流速，单位为m/s，l_ij为两根流速线之间的实际距离，单位为m。

进一步地，在步骤7中，选取流速梯度最小或趋近于0的两根流速线，将其中最外侧流速线作为河湖过渡区下边界。

相对于现有技术，本发明所述的河湖过渡区水文边界界定方法具有以下显著的优越效果：

1，本发明建立了一种界定河湖过渡区水文边界的科学方法，使河湖过渡区水文边界的界定具有客观依据，更据科学性和准确性，丰富了河湖过渡区边界界定理论。

2，针对河湖过渡区特点，构建了一二维水动力耦合模型，模拟河湖过渡区流速分布，建立了丰、枯水期河流沿程流速与距离的对应关系，确定了以流速突变点来界定河湖过渡区上边界的方法。

3，创新性引入流速梯度概念，确立了以流速梯度来确定河湖过渡区下边界的边界界定方法，两种方法相结合形成了基于流速梯度的河湖过渡区水文边界界定方法。

附图说明

图1为本发明所述河湖过渡区水文边界界定方法的河湖过渡区水文边界示意图；

图2为本发明所述河湖过渡区水文边界界定方法的技术流程示意图；

图3为本发明所述河湖过渡区水文边界界定方法的一二维水动力耦合模型概念图；

图4为本发明所述河湖过渡区水文边界界定方法的界定上边界方法示意图；

图5为本发明所述河湖过渡区水文边界界定方法的丰、枯水期各结果输出点流速与沿程距离对应关系；

图6为本发明所述河湖过渡区水文边界界定方法的计算流速梯度示意图。

具体实施方式

下面结合说明书附图和具体实施方式对本发明所述的河湖过渡区水文边界界定方法进行进一步的详细描述。

如图1所示，所述河湖过渡区水文边界界定方法包括以下步骤：

步骤1，获取研究区河流及湖泊的监测数据，监测数据包括水文数据、河流断面数据、湖底高程数据、气象数据：

步骤1.1，获取研究区河流及湖泊水文站点一个水文年的水文数据，水文数据包括流量、水位、流速数据；

步骤1.2，获取研究区入湖河流的断面数据，断面数据包括河宽、右岸最低点、左岸最低点、河床最低点数据；

步骤1.3，获取研究区湖泊的湖底高程数据，湖底高程数据为通过DEM高程数据提取的湖泊地形数据；

步骤1.4，获取覆盖研究区的气象站点的气象数据，气象数据包括风速、风向、蒸发量、降水量数据。

步骤2，如图3所示，利用获取的监测数据，建立河湖过渡区一、二维水动力耦合模型，模拟出河湖过渡区流速分布：

步骤2.1，按照如下公式(1)，利用MIKE ZERO软件平台中的MIKE11模块建立河流一维水动力模型，河流水流运动规律符合Saint-Venant方程组，见以下公式(1)，河流水文数据包括模型范围内河流入口端的流量，出口端的水位数据，作为模型边界，河流断面数据作为模型的地形输入地形基础，运转模型，提取河流主要水文站点的水位或流量模拟数据和实测数据进行对比，不断调整模型参数，直至模拟数据与实测数据相吻合，即完成模型的验证；

式中：x、t分别为沿河长距离和时间；Q为流量，单位为m³/s；A为过水断面面积，单位为m²；h为水位，单位为m；R为水力半径，单位为m；C为谢才系数；α为动量校正系数；g为重力加速度；

步骤2.2，利用MIKE ZERO软件平台中的MIKE21模块，建立湖泊二维水动力模型，其水动力过程遵循Navier-Stokes平均方程沿水深积分的连续性方程和动量方程，见以下公式(2)、以下公式(3)和以下公式(4)，水文数据包括湖泊的水位、入湖河流流量和出湖流量作为模型的边界输入，气象数据作为模型蒸发、降水、风力模块的输入，湖底高程数据作为模型的地形基础，提取湖泊水文站点的水位和流量模拟数据与实测数据进行对比，不断调整模型参数，直至模拟数据与实测数据相吻合，即完成模型校验；

连续性方程如以下公式(2)：

动量方程如以下公式(3)、(4)：

式中：t为时间，单位为s；x、y分别为笛卡尔坐标，单位为m；η为水位，单位为m；d为静止水深，单位为m；h＝η+d为总水深，单位为m；u、v分别为x,y方向上的速度分量，单位为m/s；

和

为沿水深平均的流速，单位为m/s；

f为哥氏力系数，

ω为地球自转角速度；

为当地纬度；g为重力加速度，单位为m/s²；ρ为水的密度，单位为kg/m³；ρ₀为水的相对密度，单位为kg/m³；τ_sx、τ_sy分别为水面风应力张量，单位为Pa；τ_bx、τ_by分别为河床床面应力张量，单位为Pa；pa为大气压，单位为Pa；s_xx、s_xy、s_yy分别为辐射应力分量，单位为Pa；S为源项，单位为kg；u_s、v_s分别为源项水流流速，单位为m/s；横向应力T_xx，T_xy，T_yy包括黏滞阻力、紊流摩擦阻力和差动平流摩擦阻力，单位为Pa，

步骤2.3，根据连接处动量守恒原则，利用MIKE ZERO软件平台中的MIKE FLOOD模块将一维水动力模型和二维水动力模型进行耦合；

步骤2.4，根据“水位～流量”的衔接关系，一维水动力模型水流流向二维水动力模型区域时，由一维水动力模型计算出连接河道末端的流量，并作为源项提供给二维水动力模型连接网格单元，建立河湖过渡区一、二维水动力耦合模型；

步骤2.5，运转河湖过渡区一、二维水动力耦合模型，在输出结果设置中选择Current speed输出项，模拟出河湖过渡区流速分布。

步骤3，如图4和图5所示，根据河湖过渡区河流段流速分布模拟结果，建立丰、枯水期河流流速与沿程距离对应关系，拟合出丰水期流速与沿程距离的函数关系方程：

步骤3.1，在河湖过渡区一、二维水动力耦合模型输出结果模块中，以0.1-3km为间距，分别设置多个结果输出点；

步骤3.2，在输出选项中选择Current speed输出项，提取各结果输出点丰、枯水期的河流流速，建立丰、枯水期河流流速与沿程距离对应关系，绘制关系曲线图；

步骤3.3，根据步骤3.2中绘制的关系曲线图，拟合出以下公式(5)为丰水期流速与沿程距离的函数关系方程：

V_wet＝f(x) (5)，

式中：V_wet为丰水期各结果输出点的流速，x为各结果输出点距离入湖口的距离。

进一步地，在步骤6中，根据以下公式(6)，计算最外侧流速线之间的流速梯度G_ij：

式中：G_ij为河湖过渡区外侧第i根流速线与第j根流速线的流速梯度，V_i、V_j分别为河湖过渡区外侧第i根和第j根流速线流速，单位为m/s，l_ij为两根流速线之间的实际距离，单位为m。

步骤4，对步骤3中建立的丰水期流速与沿程距离的函数关系方程进行二阶求导运算，f″_(x)，令f″_(x)＝0，

对函数方程进行求解，找出函数拐点；

步骤5，将拐点坐标对照步骤3中建立的丰、枯水期河流流速与沿程距离对应关系进行验证，识别出发生流速突变的拐点，将流速突变拐点的位置确定为河湖过渡区上边界；

步骤6，如图6所示，根据河湖过渡区流速模拟结果，提取流速线，明确流速分布状况，计算最外侧流速线间的流速梯度；

步骤7，根据步骤6中计算的流速梯度结果，比较流速梯度大小，确定河湖过渡区下边界，选取流速梯度最小或趋近于0的两根流速线，将其中最外侧流速线作为河湖过渡区下边界，河湖过渡区上边界和河湖过渡区下边界共同组成了河湖过渡区的水文边界。

需要说明的是，河湖过渡区水文边界分为河湖过渡区上边界和河湖过渡区下边界，河湖过渡区上边界是指位于河湖过渡区上游河流段的边界，河湖过渡区下边界是指位于下游湖泊部分的边界，如图2所示，界定河湖过渡区水文边界就是确定河湖过渡区上边界和河湖过渡区下边界的位置。

以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明权利要求的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种河湖过渡区水文边界界定方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1，获取研究区河流及湖泊的监测数据，监测数据包括水文数据、河流断面数据、湖底高程数据、气象数据；

步骤2，利用获取的监测数据，建立河湖过渡区一、二维水动力耦合模型，模拟出河湖过渡区流速分布；

步骤3，根据河湖过渡区河流段流速分布模拟结果，建立丰、枯水期河流流速与沿程距离对应关系，拟合出丰水期流速与沿程距离的函数关系方程；

步骤4，对步骤3中建立的丰水期流速与沿程距离的函数关系方程进行二阶求导运算，f″_(x)，令f″_(x)＝0，

对函数方程进行求解，找出函数拐点；

步骤5，将拐点坐标对照步骤3中建立的丰、枯水期河流流速与沿程距离对应关系进行验证，识别出发生流速突变的拐点，将流速突变拐点的位置确定为河湖过渡区上边界；

步骤6，根据河湖过渡区流速模拟结果，提取流速线，明确流速分布状况，计算最外侧流速线间的流速梯度；

步骤7，根据步骤6中计算的流速梯度结果，比较流速梯度大小，确定河湖过渡区下边界，河湖过渡区上边界和河湖过渡区下边界共同组成了河湖过渡区的水文边界。

2.根据权利要求1所述的河湖过渡区水文边界界定方法，其特征在于，在步骤1中，还包括以下步骤：

步骤1.1，获取研究区河流及湖泊水文站点一个水文年的水文数据，水文数据包括流量、水位、流速数据；

步骤1.2，获取研究区入湖河流的断面数据，断面数据包括河宽、右岸最低点、左岸最低点、河床最低点数据；

步骤1.3，获取研究区湖泊的湖底高程数据，湖底高程数据为通过DEM高程数据提取的湖泊地形数据；

步骤1.4，获取覆盖研究区的气象站点的气象数据，气象数据包括风速、风向、蒸发量、降水量数据。

3.根据权利要求1所述的河湖过渡区水文边界界定方法，其特征在于，在步骤2中，还包括以下步骤：

步骤2.1，按照如下公式(1)，利用MIKE ZERO软件平台中的MIKE11模块建立河流一维水动力模型，河流水流运动规律符合Saint-Venant方程组，见以下公式(1)，河流水文数据包括模型范围内河流入口端的流量，出口端的水位数据，作为模型边界，河流断面数据作为模型的地形输入地形基础，运转模型，提取河流主要水文站点的水位或流量模拟数据和实测数据进行对比，不断调整模型参数，直至模拟数据与实测数据相吻合，即完成模型的验证；

式中：x、t分别为沿河长距离和时间；Q为流量，单位为m³/s；A为过水断面面积，单位为m²；h为水位，单位为m；R为水力半径，单位为m；C为谢才系数；α为动量校正系数；g为重力加速度；

步骤2.2，利用MIKE ZERO软件平台中的MIKE21模块，建立湖泊二维水动力模型，其水动力过程遵循Navier-Stokes平均方程沿水深积分的连续性方程和动量方程，见以下公式(2)、以下公式(3)和以下公式(4)，水文数据包括湖泊的水位、入湖河流流量和出湖流量作为模型的边界输入，气象数据作为模型蒸发、降水、风力模块的输入，湖底高程数据作为模型的地形基础，提取湖泊水文站点的水位和流量模拟数据与实测数据进行对比，不断调整模型参数，直至模拟数据与实测数据相吻合，即完成模型校验；

连续性方程如以下公式(2)：

动量方程如以下公式(3)、(4)：

式中：t为时间，单位为s；x、y分别为笛卡尔坐标，单位为m；η为水位，单位为m；d为静止水深，单位为m；h＝η+d为总水深，单位为m；u、v分别为x,y方向上的速度分量，单位为m/s；

和

为沿水深平均的流速，单位为m/s；

f为哥氏力系数，

ω为地球自转角速度；

为当地纬度；g为重力加速度，单位为m/s²；ρ为水的密度，单位为kg/m³；ρ₀为水的相对密度，单位为kg/m³；τ_sx、τ_sy分别为水面风应力张量，单位为Pa；τ_bx、τ_by分别为河床床面应力张量，单位为Pa；pa为大气压，单位为Pa；s_xx、s_xy、s_yy分别为辐射应力分量，单位为Pa；S为源项，单位为kg；u_s、v_s分别为源项水流流速，单位为m/s；横向应力T_xx，T_xy，T_yy包括黏滞阻力、紊流摩擦阻力和差动平流摩擦阻力，单位为Pa，

步骤2.3，根据连接处动量守恒原则，利用MIKE ZERO软件平台中的MIKE FLOOD模块将一维水动力模型和二维水动力模型进行耦合；

步骤2.4，根据“水位～流量”的衔接关系，一维水动力模型水流流向二维水动力模型区域时，由一维水动力模型计算出连接河道末端的流量，并作为源项提供给二维水动力模型连接网格单元，建立河湖过渡区一、二维水动力耦合模型；

步骤2.5，运转河湖过渡区一、二维水动力耦合模型，在输出结果设置中选择Currentspeed输出项，模拟出河湖过渡区流速分布。

4.根据权利要求1所述的河湖过渡区水文边界界定方法，其特征在于，在步骤3中，还包括以下步骤：

步骤3.1，在河湖过渡区一、二维水动力耦合模型输出结果模块中，以0.1-3km为间距，分别设置多个结果输出点；

步骤3.2，在输出选项中选择Current speed输出项，提取各结果输出点丰、枯水期的河流流速，建立丰、枯水期河流流速与沿程距离对应关系，绘制关系曲线图；

步骤3.3，根据步骤3.2中绘制的关系曲线图，拟合出以下公式(5)为丰水期流速与沿程距离的函数关系方程：

V_wet＝f(x) (5),

式中：V_wet为丰水期各结果输出点的流速，x为各结果输出点距离入湖口的距离。

5.根据权利要求1所述的河湖过渡区水文边界界定方法，其特征在于，在步骤6中，根据以下公式(6)，计算最外侧流速线之间的流速梯度G_ij：

式中：G_ij为河湖过渡区外侧第i根流速线与第j根流速线的流速梯度，V_i、V_j分别为河湖过渡区外侧第i根和第j根流速线流速，单位为m/s，l_ij为两根流速线之间的实际距离，单位为m。

6.根据权利要求1所述的河湖过渡区水文边界界定方法，其特征在于，在步骤7中，选取流速梯度最小或趋近于0的两根流速线，将其中最外侧流速线作为河湖过渡区下边界。

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