CN111915467A - 一种生态基流占比阈值标准确定方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种生态基流占比阈值标准确定方法,包括:河流断面分区分类、无水利工程调节断面生态基流占比阈值标准确定。还可以包括有水利工程调节断面生态基流占比阈值标准确定。本发明可实现对河流断面生态基流目标的科学合理制定,使其不至于出现过高或过低的现象,同时有助于无资料或少资料地区生态基流目标的快速确定,可为水利工程生态化调度与管理提供基础支撑。
Description
技术领域
本发明为一种生态基流占比阈值标准确定方法。本发明涉及水利工程技术领域,尤其涉及水利工程调度和管理技术领域,具体涉及生态基流占比阈值标准的计算。
背景技术
生态基流是河流生态流量的基本组成,是协调流域水生态保护修复与水资源开发利用的重要抓手。目前,相关研究一般将河流断面生态基流占其多年平均天然径流量的百分比(即“生态基流占比”)作为表征生态基流目标大小及其合理性的指标。目前,关于生态基流的计算方法众多,包括水文学法、水力学法、生境模拟法和整体分析法等四大类数百种方法,需要至少10年或20年以上的水文监测资料,难以适用于无资料和少资料地区。其中,对水文水力资料要求最低的Tennant方法受到人们的青睐而被广泛应用。该方法以容易推算的多年平均天然径流量为基础,直接将其10%、20%、30%等固定百分比结果作为生态基流目标,这显然无法适应幅员辽阔、气候水文条件迥异的地区。对于不同流域/区域不同类型的河流,其径流特点差异较大,生态基流本底水平有所不同。用的Tennant计算方法覆盖各种气候水文条件迥异地区的生态基流目标计算显然准确度不高。
Tennant方法的研究基础是美国的3州11河58个断面,只适合流量较大且具有水文资料较长的河流。而我国的气候类型、自然环境和美国有很大差异。直接套用Tennant方法解决我国众多无水文资料地区的生态基流目标的问题并不合理。
发明内容
本发明在目的在于克服以上技术缺陷,提出了一种生态基流占比阈值标准确定方法,基于对研究区河流进行科学分区分类的基础上,合理提出河流断面生态基流占比阈值标准,涉及上限值、下限值和推荐值,有助于不同地区不同类型河流断面生态基流目标的合理确定,并可为无资料或少资料地区生态基流目标的合理确定和管理提供支撑。
为了实现上述目的,本发明提出的技术方案是:
一种生态基流占比阈值标准确定方法,所述方法包括至少两个部分:河流断面分区分类和无水利工程调节断面生态基流占比阈值标准确定,
河流断面分区分类的具体步骤:
步骤一:确定研究区域,采集研究区域内代表性河流断面的水文资料及断面上游控制性水利工程建设信息;
步骤二:对研究区域进行分区,采用水资源分区的划分方式进行分区;
步骤三:在分区的基础上,对同一区域的河流断面按照断面以上集水面积大小进行分类;
无水利工程调节断面的生态基流占比阈值标准确定的具体步骤:
步骤1:对于研究区域内所有代表性河流断面,采用Qp法计算天然最枯月径流序列中90%频率下的最枯月平均流量(简称“天然Q90流量”)作为生态基流量,计算生态基流量占断面多年平均天然径流量的比值,以确定各代表性河流断面天然生态基流占比;
步骤2:计算各个区域内各类内代表性河流断面天然生态基流占比的最小值、下四分位值、中位值、平均值、上四分位值和最大值;
步骤3:将某区内某类代表性河流断面天然生态基流占比的最小值和下四分位值二者的平均值,确定为该分区中该类无水利工程调节断面生态基流占比阈值标准的下限值;
步骤4:将某区内某类代表性河流断面天然生态基流占比的中位值和平均值二者的平均值,确定为该分区中该类无水利工程调节断面生态基流占比阈值标准的推荐值,为无资料和少资料地区河流断面提供生态基流建议值;
步骤5:将某区内某类代表性河流断面天然生态基流占比的上四分位值和最大值二者的平均值,确定为该分区中该类无水利工程调节断面生态基流占比阈值标准的上限值。
进一步的,该方法还包括受水利工程调节断面的判定和受水利工程调节断面生态基流占比阈值标准确定两部分:
受水利工程调节断面的判定:
在分区分类的基础上,调查河流断面上游是否修建有控制性水利工程,比较代表性河流断面同期的实测径流量和天然径流量的大小:若河流断面上游修建有控制性水利工程,且枯水期(一般为12月至次年3月)实测径流量相比天然径流量的增幅超过10%,则认为其明显受到水利工程正向调节作用,该断面为受水利工程调节断面;
受水利工程调节断面生态基流占比阈值标准确定的具体步骤:
步骤Ⅰ:利用Mann-Kendall法确定研究区域内所有受水利工程调节代表性河流断面的实测最枯月径流序列的突变年份,若突变后径流序列≥20年,则选择突变后的实测最枯月径流序列计算90%频率下的最枯月平均流量(简称“实测Q90流量”)作为生态基流量,确定实测生态基流占比;若突变后径流序列<20年,则采用近10年实测最枯月径流代替90%频率下的最枯月平均流量作为生态基流量,确定实测生态基流占比;
步骤Ⅱ:计算各个区域内各类内受水利工程调节代表性河流断面实测生态基流占比的最小值、下四分位值、中位值、平均值、上四分位值和最大值;
步骤Ⅲ:将某区内某类受水利工程调节代表性河流断面实测生态基流占比的最小值和下四分位值二者的平均值,确定为该分区中该类受水利工程调节断面生态基流占比阈值标准的下限值;
步骤Ⅳ:将某区内某类受水利工程调节代表性河流断面实测生态基流占比的中位值和平均值二者的平均值,确定为该分区中该类受水利工程调节断面生态基流占比阈值标准的推荐值;
步骤Ⅴ:将某区内某类受水利工程调节代表性河流断面实测生态基流占比的上四分位值和最大值二者的平均值,确定为该分区中该类受水利工程调节断面生态基流占比阈值标准的上限值,为无资料和少资料地区河流断面提供生态基流建议值。
进一步的,步骤一中代表性河流断面的选取参考该河流气候水文条件、人类活动特点,以及河流水系上中下游、干支流差异,代表性河流断面要有长系列径流监测资料,可以选择水文监测站所在的河流断面。
进一步的,步骤一所述河流断面水文信息包括30年以上逐月天然径流资料、最近30年以上逐月实测径流资料信息。
进一步的,步骤二采用水资源分区的方法进行分区,可以按照全国水资源三级分区列表中的任意级别进行分区。
关于河流分区,研究认为需要着重考虑两点:①做好与现有区划成果的衔接,例如已有自然地理分区、气候分区、水资源分区等;②有效兼顾河流水系完整性和生态流量监管的便易性。水资源分区是水资源规划管理的基础单元,将流域水系与行政区划有机结合,有助于协调区域经济发展与生态环境保护。目前,全国已形成较为成熟、认可度高的水资源分区体系,包括10个水资源一级区、80个水资源二级区、210个水资源三级区,一些县市根据自身水资源管理实践需求进一步划分了若干水资源四级区。各水资源分区具有基本一致的自然资源、社会经济及河流开发利用条件。为此,研究选择依托现有水资源分区成果,开展河流生态基流目标的分区研究。
进一步的,步骤三中参照《第一次全国水利普查公报》对河流的统计标准,将集水面积大于10000km2的河流作为大型河流,1000km2和10000 km2之间的河流作为中型河流,小于1000km2的河流作为小型河流。
关于河流分类,相对于选择径流调节能力、水资源开发利用程度等作为分类标准,流域面积大小则较易获得,对无资料地区的应用扩展更为有利。河流的大小反映了同地区径流丰枯变化的差异,决定了河流水文水动力条件。为此,研究选择以河流上游集水面积大小作为分类标准,将其划分为大、中、小3种类型。进一步,参照《第一次全国水利普查公报》对河流的统计标准,将集水面积大于10000km2的河流作为大型河流,1000和10000 km2之间的河流作为中型河流,小于1000km2的河流作为小型河流。
本发明的有益之处:
本发明通过对研究区域进行合理分区,借助同一区域内有资料的代表性河流断面的生态基流量制定出该区域生态基流占比阈值标准,该阈值标准一方面可以帮助修正有资料河流断面生态基流的计算结果,使其不至于过大或过小,另一方面可以直接套用到该区域内无资料的河流断面上使用。
本发明可实现对河流断面生态基流目标的科学合理制定,有助于无资料或少资料地区生态基流目标的快速确定,可为水利工程生态化调度与管理提供基础支撑。
下面结合附图和实施例对本发明作详细描述。
附图说明
图1是本发明的实施例所述方法的流程示意图;
图2是本发明确定的全国代表性水文站分布图;
图3是本发明确定的全国10个水资源一级区分区图;
图4是本发明确定的全国代表性水文站分区分类图;
图5是全国分区分类天然生态基流占比均值分布图(其中大、中、小站分别对应大型、中型、小型河流断面);
图6为全国十个水资源一级区小型河流断面生态基流占比阈值下限值、上限值和推荐值;
图7为全国十个水资源一级区中型河流断面生态基流占比阈值下限值、上限值和推荐值;
图8为全国十个水资源一级区大型河流断面生态基流占比阈值下限值、上限值和推荐值。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例,对本发明做进一步详细说明:
实施例1
我国幅员辽阔,南北跨越约50个纬度,东西横跨61个经度,水文气候条件复杂,南北方、东西部河流水系特点差异较大。以我国为例阐述本发明,具有较好代表性。
第一步:对我国河流断面进行分区分类
(1)综合不同气候水文分区、人类活动特点,以及流域的上中下游、干支流差异,结合目前全国流域综合规划要求生态需水目标的重点河流断面清单,全国范围内确定439个代表性水文站(图2);
(2)考虑流域的完整性和水资源管理的便易性,采用全国10个水资源一级区作为分区(图3);
(3)结合全国河流分级标准,采用断面以上集水面积作为分类标准。以集水面积达到1000和10000km2为标准,将河流(断面)规模分为小、中、大3类(图4);
(4)调查全国439个代表性水文站上游控制性水利工程分布情况,比较站点同期实测和天然径流量变化,筛选枯水期(一般为12月~次年3月)径流增幅在10%以上的水文站点,共计142个。
第二步:分区分类确定无水利工程调节断面生态基流占比阈值标准
(1)采用Qp法计算全国439个代表性水文站天然最枯月径流序列中90%频率下的最枯月平均流量(简称“天然Q90流量”),将其作为各站点所在断面生态基流量,确定断面天然生态基流占比;
(2)分别计算全国10个水资源一级区大、中、小站天然生态基流占比的最小值、下四分位值、中位值、平均值、上四分位值和最大值(图5);
(3)分区分类参考天然生态基流最小值和下四分位值,确定全国10个水资源一级区内大、中、小不同类型下无水利工程调节断面生态基流占比阈值标准的下限值;将某区内某类代表性河流断面天然生态基流占比的最小值和下四分位值二者的平均值,确定为该分区中该类无水利工程调节断面生态基流占比阈值标准的下限值;
(4)分区分类参考天然生态基流中位值和平均值,确定全国10个水资源一级区大、中、小不同类型下无水利工程调节断面生态基流占比阈值标准的推荐值;将某区内某类代表性河流断面天然生态基流占比的中位值和平均值二者的平均值,确定为该分区中该类无水利工程调节断面生态基流占比阈值标准的推荐值;
(5)分区分类参考天然生态基流上四分位值和最大值,确定全国10个水资源一级区大、中、小不同类型下无水利工程调节断面生态基流占比阈值标准的上限值。将某区内某类代表性河流断面天然生态基流占比的上四分位值和最大值二者的平均值,确定为该分区中该类无水利工程调节断面生态基流占比阈值标准的上限值;
图5是全国10个水资源一级区、大中小不同规模河流断面生态基流占比平均值分布图。从分区效果看,以大型河流断面为例,全国平均值为11.42%,但10个水资源一级区独特性明显,松花江区、辽河区生态基流占比很小,仅为1.58%和3.50%;黄河区和西北诸河区生态基流占比则较大,分别达到了18.04%和18.98%。从分类效果看,全国各类型河流生态基流占比均值为9.7%,其中小型、中型和大型河流生态基流占比均值分别为6.35%、9.59%和11.42%。通过河流分区分类研究,河流生态基流占比计算结果更加合理,空间差异性和代表性得到了更清晰地体现。
第三步:分区分类确定受水利工程调节断面生态基流占比阈值标准
(1)采用Mann-Kendall法确定全国142个受水利工程调节断面的实测最枯月径流序列发生突变的年份,选择突变后的实测最枯月径流序列计算90%频率下的最枯月平均流量(简称“实测Q90流量”),确定实测生态基流占比。若突变后径流序列较短(<20年),则采用近10年实测最枯月径流代替实测Q90。
(2)分别计算全国10个水资源一级区大、中、小不同类型受水利工程调节断面实测生态基流占比的最小值、下四分位值、中位值、平均值、上四分位值和最大值;
(3)分区分类参考实测生态基流最小值和下四分位值,确定全国10个水资源一级区内大、中、小不同类型下受水利工程调节断面生态基流占比阈值标准的下限值;将某区内某类受水利工程调节代表性河流断面实测生态基流占比的最小值和下四分位值二者的平均值,确定为该分区中该类受水利工程调节断面生态基流占比阈值标准的下限值;
(4)分区分类参考实测生态基流中位值和平均值,确定全国10个水资源一级区大、中、小不同类型下受水利工程调节断面生态基流占比阈值标准的推荐值;将某区内某类受水利工程调节代表性河流断面实测生态基流占比的中位值和平均值二者的平均值,确定为该分区中该类受水利工程调节断面生态基流占比阈值标准的下限值;
(5)分区分类参考实测生态基流上四分位值和最大值,确定全国10个水资源一级区大、中、小不同类型下受水利工程调节断面生态基流占比阈值标准的上限值。将某区内某类受水利工程调节代表性河流断面实测生态基流占比的上四分位值和最大值二者的平均值,确定为该分区中该类受水利工程调节断面生态基流占比阈值标准的下限值。
测定结果图6、7、8所示:
从全国来看,不同水资源一级区内大中小型河流断面的天然生态基流阈值具有明显差异。以上限值为例,黄河区生态基流阈值上限较高,在大型河流断面可以达到27%,而在松花江区则最低,大型河流断面仅为6%。同一水资源一级区内,随着河流断面规模增加,河流断面阈值上限值逐渐增加,长江区小、中、大型河流断面阈值上限值分别为10%、16%和21%。
最后应说明的是,以上仅用以说明本发明的技术方案而非限制,尽管参照较佳布置方案对本发明进行了详细说明,本领域的普通技术人员应当理解,可以对本发明的技术方案(比如各种公式的运用、步骤的先后顺序等)进行修改或者等同替换,而不脱离本发明技术方案的精神和范围。
Claims (6)
1.一种生态基流占比阈值标准确定方法,其特征在于,所述方法包括至少两个部分:河流断面分区分类和无水利工程调节断面生态基流占比阈值标准确定,
河流断面分区分类的具体步骤:
步骤一:确定研究区域,采集研究区域内代表性河流断面的水文资料及断面上游控制性水利工程建设信息;
步骤二:对研究区域进行分区,采用水资源分区的划分方式进行分区;
步骤三:在分区的基础上,对同一区域的河流断面按照断面以上集水面积大小进行分类;
无水利工程调节断面的生态基流占比阈值标准确定的具体步骤:
步骤1:对于研究区域内所有代表性河流断面,采用Qp法计算天然最枯月径流序列中90%频率下的最枯月平均流量作为生态基流量,以确定各代表性河流断面天然生态基流占比;
步骤2:计算各个区域内各类内代表性河流断面天然生态基流占比的最小值、下四分位值、中位值、平均值、上四分位值和最大值;
步骤3:将某区内某类代表性河流断面天然生态基流占比的最小值和下四分位值二者的平均值,确定为该分区中该类无水利工程调节断面生态基流占比阈值标准的下限值;
步骤4:将某区内某类代表性河流断面天然生态基流占比的中位值和平均值二者的平均值,确定为该分区中该类无水利工程调节断面生态基流占比阈值标准的推荐值;
步骤5:将某区内某类代表性河流断面天然生态基流占比的上四分位值和最大值二者的平均值,确定为该分区中该类无水利工程调节断面生态基流占比阈值标准的上限值。
2.根据权利要求1所述的生态基流占比阈值标准确定方法,其特征在于,
该方法还包括受水利工程调节断面的判定和受水利工程调节断面生态基流占比阈值标准确定两部分:
受水利工程调节断面的判定:
在分区分类的基础上,调查河流断面上游是否修建有控制性水利工程,比较代表性河流断面同期的实测径流量和天然径流量的大小:若河流断面上游修建有控制性水利工程,且枯水期实测径流量相比天然径流量的增幅超过10%,则认为其明显受到水利工程正向调节作用,该断面为受水利工程调节断面;
受水利工程调节断面生态基流占比阈值标准确定的具体步骤:
步骤Ⅰ:利用Mann-Kendall法确定研究区域内所有受水利工程调节代表性河流断面的实测最枯月径流序列的突变年份,若突变后径流序列≥20年,则选择突变后的实测最枯月径流序列计算90%频率下的最枯月平均流量作为生态基流量,确定实测生态基流占比;若突变后径流序列<20年,则采用近10年实测最枯月径流代替90%频率下的最枯月平均流量作为生态基流量,确定实测生态基流占比;
步骤Ⅱ:计算各个区域内各类内受水利工程调节代表性河流断面实测生态基流占比的最小值、下四分位值、中位值、平均值、上四分位值和最大值;
步骤Ⅲ:将某区内某类受水利工程调节代表性河流断面实测生态基流占比的最小值和下四分位值二者的平均值,确定为该分区中该类受水利工程调节断面生态基流占比阈值标准的下限值;
步骤Ⅳ:将某区内某类受水利工程调节代表性河流断面实测生态基流占比的中位值和平均值二者的平均值,确定为该分区中该类受水利工程调节断面生态基流占比阈值标准的推荐值;
步骤Ⅴ:将某区内某类受水利工程调节代表性河流断面实测生态基流占比的上四分位值和最大值二者的平均值,确定为该分区中该类受水利工程调节断面生态基流占比阈值标准的上限值。
3.根据权利要求1所述的一种生态基流占比阈值标准确定方法,其特征在于,步骤一中代表性河流断面的选取参考该河流气候水文条件、人类活动特点,以及河流水系上中下游、干支流差异,代表性河流断面要有长系列径流监测资料,选择水文监测站所在河流断面。
4.根据权利要求1所述的一种生态基流占比阈值标准确定方法,其特征在于,步骤一所述河流断面水文信息包括30年以上逐月天然径流资料、最近30年以上逐月实测径流资料信息。
5.根据权利要求1所述的一种生态基流占比阈值标准确定方法,其特征在于,步骤二采用水资源分区的划分方式进行分区,可以按照全国水资源三级分区列表中的任意级别进行分区。
6.根据权利要求1所述的一种生态基流占比阈值标准确定方法,其特征在于,步骤三中参照《第一次全国水利普查公报》对河流的统计标准,将集水面积大于10000km2的河流作为大型河流,1000km2和10000km2之间的河流作为中型河流,小于1000km2的河流作为小型河流。
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