CN112215389A - 一种确定河流环境流量过程区间的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种确定河流环境流量过程区间的方法，属于河流生态环境保护领域。该方法包括：步骤1、确定河流水生态综合分区和河流环境流量评估指标；步骤2、构建每个河流水生态综合分区的河流环境流量评估指标的量化关系；步骤3、确定河流综合健康评价标准；步骤4、确定单一目标下河流环境流量过程区间和多目标下河流环境流量过程区间，并获得现状条件下的河流环境流量保证率。本发明确定了不同径流情势、水质和水生态健康目标下的河流环境流量过程区间，该方法将传统环境流量刻画方式从特定径流总量扩展为流量过程区间，更合理和更能支撑环境流量管理。
Description
技术领域
本发明属于河流生态环境保护领域，具体涉及一种确定河流环境流量过程区间的方法，用于指导河流生态保护与修复、水资源合理配置和水利工程科学调度等流域管理工作。
背景技术
随着全球经济社会的飞速发展，人类活动对河流开发和利用等逐渐增强。水资源开发与利用、水利工程修建和调控(水库、水闸等)及污染物过度排放等人类活动导致河流生态系统发生显著的变化，对河流健康乃至全球水安全构成了严重的威胁，特别是在水资源时空分配不均、水利工程密集、水体污染严重的中国。自20世纪80年代以来，我国主要河流，特别是北方河流都面临着流量减少、工程调控剧烈、水污染严重等问题，河流自然的径流情势和水环境状态均发生显著变化，对河流生态系统造成了十分不利的影响、导致生态系统服务功能退化等。面对新时期流域开发日益加强、水污染形势依然严峻等，我国政府在政府报告中明确了提出“大力推进生态文明建设”的战略决策，一直高度重视流域生态环境保护和修复。因此流域管理手段和方法亟待进一步创新，必须改变过去单一的水量或水质目标管理等模式。
环境流量是指维系人类生活赖以生存的水生生态系统健康发展的径流特征。维系生态系统健康，不仅需要保障总水量，而且需要控制径流的变率、历时等。环境流量管理是当今世界复杂流域维系河流生态系统健康、流域综合管理等有效途径之一，也是生态水文学科新的发展方向和热点问题之一。目前，国内外众多学者先后提出超过200种环境流量计算方法，大致可以分为：(1) 水文及水力学法，主要假定河道天然径流量或者特定水力参数的某一阈值可以将河流健康维持在可接受的水平。水文学法一般认为天然径流序列的某一百分比或最小径流量作为环境流量；水力学法所选取的水力参数是湿周、最大水深等拐点或断点，其对应的径流量即为环境流量。该方法是目前最常用的技术手段，重点关径流量，但并未探究多种径流情势指标的影响，也没有考虑水质及生物要素的关系。(2)栖息地指标法，主要假定河道栖息地指标(水深、流速、底质成分等)维持在某一阈值可以将河流健康维持在可接受的水平。通过河流大量的水文、水力学以及生态响应等相关监测数据，制定栖息地指标-河道流量关系曲线，最终确定环境流量。该方法栖息地-流量关系的代表性和可移植性等还有待完善，河道流量也仅关注径流量。(3)整体分析法，以维持河流生态系统的整体功能为原则，根据专家意见综合研究流量、泥沙运输、河床形状与河岸带群落之间的关系等，估算整个生态系统的需水量，包括源头、河流、河岸地带、洪积平原、地下水、湿地和河口等。该方法涉及面广，因素众多，资源消耗巨大、耗费时间长，而且目前往往采用水量平衡的方法估算生态系统的耗水量作为环境流量。
从上面的分析可知，现有技术得到的环境流量仅为一个流量值或流量过程，并无法获得不同健康等级对应的环境流量过程区间范围。实际上，河流水生态各健康等级对应的评价指标标准往往为区间范围，而不是某一阈值。因此，不同健康等级下的环境流量过程区间范围将更符合实际要求，也更利于环境流量管理。
发明内容
本发明的目的在于解决上述现有技术中存在的难题，提供一种确定河流环境流量过程区间的方法，通过统计分析与数值模拟相结合的手段，获得完整考虑径流情势、水质及生物多要素的环境流量过程区间。
本发明是通过以下技术方案实现的：
本发明提供了一种确定河流环境流量过程区间的方法，所述方法包括：
步骤1、确定河流水生态综合分区和河流环境流量评估指标；
步骤2、构建每个河流水生态综合分区的河流环境流量评估指标的量化关系；
步骤3、确定河流综合健康评价标准；
步骤4、确定单一目标下河流环境流量过程区间和多目标下河流环境流量过程区间，并获得现状条件下的河流环境流量保证率。
本发明的进一步改进在于，所述步骤1的操作包括：
1-1、构建反映径流情势、水质和水生态状况和防洪安全的河流环境流量评估指标；所述河流环境流量评估指标包括：径流情势指标、水质指标、水生态指标；所述径流情势指标包括：径流量级、径流事件发生频率和历时，所述水质指标包括：富营养化指标和其他指标；所述水生态指标包括：浮游植物、浮游动物、底栖动物、鱼类；
1-2、采集各个站点的实测径流情势、水质和水生态要素数据，获得所述河流环境流量评估指标，然后利用所述河流环境流量评估指标获得水生态综合分区；
1-3、基于所述河流水生态综合分区和环境流量评估指标，确定各个河流水生态综合分区的水生态指示性指标，然后从径流情势指标、水质指标中确定出关键径流情势指标、关键水质指标。
本发明的进一步改进在于，所述步骤1-2中的利用所述河流环境流量评估指标获得水生态综合分区的操作包括：
A1，采用主成分分析方法对所述河流环境流量评估指标进行分析获得主成分指标；
A2，对所有的主成分指标进行聚类统计分析得到聚类结果。
A3，从所述聚类结果中获得最佳水生态综合分区。
本发明的进一步改进在于，所述步骤1-3中的确定各个河流水生态综合分区的水生态指示性指标的操作包括：
从每个分区的水生态指标中识别出空间分布广、数值变化范围大的指标作为该分区的水生态指示性指标；
所述从径流情势指标、水质指标中确定出关键径流情势指标、关键水质指标的操作包括：
在每个分区中，找到对所述水生态指示性指标影响贡献率大的径流情势指标作为关键径流情势指标、找到对所述水生态指示性指标影响贡献率大的水质指标作为关键水质指标。
本发明的进一步改进在于，所述步骤2的操作包括：
2-1、基于步骤1-3确定的水生态指示性指标、关键径流情势指标和关键水质指标影响指标，针对每个分区，构建该分区的水质指标与径流情势指标、上游入河污染负荷之间的量化关系，以及该分区的水生态指示性指标与径流情势指标、水质指标之间的量化关系；
2-2、验证步骤2-1得到的水生态指示性指标与径流情势、水质多指标之间的量化关系，以及水质指标与径流情势指标、上游入河污染负荷之间的量化关系的合理性，并筛选出合理的量化关系方程；
2-3、将筛选出的合理的量化关系方程中的各个参数的平均值作为最终的量化关系方程中的各个对应参数的值，即得到最终的量化关系方程。
本发明的进一步改进在于，所述步骤3中的所述河流综合健康评价标准包括：径流情势健康评价标准、水质健康评价标准和水生态健康评价标准；健康等级分为健康、亚健康和不健康；
本发明的进一步改进在于，所述步骤3的操作包括：
3-1、收集各站点的长序列流量过程数据，筛选出自然条件和现状条件的流量过程数据；
3-2、基于所述水生态指示性指标确定水生态健康评价标准；
3-3、基于所述关键径流情势指标确定径流情势健康评价标准；
3-4、基于所述关键水质指标确定水质健康评价标准。
本发明的进一步改进在于，所述步骤4的操作包括：
4-1、利用各个站点现状条件下多年平均流量过程、水质过程和水生态过程，分别计算得到多年平均状态下的水生态指示性指标、关键径流情势指标和水质指标；
4-2、将水生态健康评价标准中的健康等级对应的水生态指标的数值范围作为取值范围，对步骤2-3得到最终的量化关系方程进行逆向求解获得水生态健康等级下的径流情势的取值范围、水生态健康等级下的水质指标的取值范围；
4-3、首先通过削减入河污染负荷使关键水质指标位于步骤4-2确定的水生态健康等级下的水质指标的取值范围内；然后按照径流事件发生频率、历时、量级的顺序对各站点多年平均流量过程进行调整，使关键径流情势指标位于步骤4-2确定的水生态健康等级下的径流情势指标的取值范围内，并利用得到的各个取值范围获得流量值的取值范围，即单一目标下的河流环境流量过程区间；
4-4、分别比较步骤4-2确定的水生态健康等级下的径流情势和水质指标取值范围和径流情势健康等级下的径流情势指标和水质健康等级下的水质指标的取值范围，针对每个指标，取该指标的两组取值范围的交集，得到同时保证径流情势、水质和水生态健康的径流情势指标取值范围和水质指标取值范围；如果某一指标的两组取值范围不存在交集，则采用步骤4-2确定的保证水生态健康的取值范围；
获得同时保证径流情势、水质和水生态健康的径流情势指标取值范围和水质指标取值范围后，采用步骤4-3的方法对各站点多年平均流量过程和水质进行调整，最终得到多年平均径流情势指标、水质指标和水生态指标均处于健康等级时对应的流量过程区间即为多目标下的河流环境流量过程区间；
4-5、分别获取步骤4-3确定的单一目标下的河流环境流量过程区间的保证率和步骤4-4确定的多目标下的河流环境流量过程区间的保证率。
所述步骤4-3中的按照径流事件发生频率、历时、量级的顺序对各站点多年平均流量过程进行调整的操作包括：
首先对频率指标进行调整：如果径流事件发生的频率小于水生态健康等级下的频率指标的取值范围，则挑选低于流量阈值的径流事件，增加该事件的洪峰流量来提高洪水频率，反之则减少事件的洪峰流量来减低径流事件发生的频率；
然后对径流事件的历时指标进行调整：如果历时小于水生态健康等级下的历时指标的取值范围，则延长径流事件历时，反之则缩短径流事件历时；
最后对径流量级指标进行调整：选取没有经过频率、历时调整的流量过程区间，如果径流量级小于水生态健康等级下的量级指标的取值范围，则将流量值等比例放大，反之，则将流量值等比例缩小。
所述步骤4-3中的利用取值范围获得流量值的取值范围的操作包括:
利用各个指标的取值范围和下式计算获得流量值的取值范围：
式中：Q(t)1和Q(t)1’分别为径流事件频率指标调整前、后的流量值；Qr为径流事件的发生阈值；Qp和Q’p分别为径流事件调整前、后的洪峰流量；Q(t)2和 Q(t)2’分别为径流事件历时指标调整前、后的流量值；Q(0)为需调整径流过程的起始时刻流量；Q(t)3和Q(t)3’分别为径流量级指标调整前、后的流量值；M为调整前的径流量级指标；Mr为径流情势健康等级对应的径流量级指标的取值。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
(1)本发明采用多个径流情势指标描述完整径流过程的特性，综合考虑径流情势、水质和水生态过程构建基于多要素的水生态综合分区和河流环境流量评估的关键指标，该方法客观、合理，完整地考虑了水生态健康的关键影响因素。
(2)本发明采用采样法和交叉验证法相结合确定各分区关键水生态指标与径流情势、水质多指标间的量化关系，该方法客观、合理，提高了量化关系的可靠性和精度；
(3)本发明综合考虑河流防洪安全和不断流、水功能区保护、水生物多样性等水量-水质和水生态方面的需求，提出了河流径流情势-水质-水生态多要素的综合健康评价标准，提高了河流环境流量估算的全面性与合理性，满足了流域综合管理和调控需求；
(4)本发明提出基于水生态指标与径流情势、水质多指标间量化关系的河流环境流量区间逆向求解方法，确定了不同径流情势、水质和水生态健康目标下的河流环境流量过程区间，该方法将传统环境流量刻画方式从特定径流总量扩展为流量过程区间，更合理和更能支撑环境流量管理。
附图说明
图1：本发明方法的步骤框图；
图2：本发明方法中的确定水生态综合分区和河流环境流量评估指标流程示意图；
图3：本发明方法中的构建分区水生态指标与径流情势、水质多指标之间的量化关系的流程示意图；
图4：本发明方法中的确定不同目标下河流环境流量过程区间流程示意图；
图5：调整流量过程的径流情势指标示意图；
图6：确定环境流量过程区间结果示意图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步详细描述：
本发明提出了一种确定河流环境流量过程区间的方法，不仅识别了水生态综合分区和河流环境流量评估指标，而且给出了分区水生态指标与径流情势、水质多指标之间的量化关系，进而建立了河流综合健康评价标准，不仅确定了单一目标的环境流量过程区间，而且给出了保障河流防洪、水质达标、水生态健康等多种目标下河流环境流量过程区间，为河流生态保护与修复、水资源合理配置提供了技术支撑。所述河流环境流量过程区间是指河流环境流量过程的数值变化范围。河流环境流量过程是河流环境流量的时间序列，是随时间变化的变量。
如图1所示，本发明方法包括以下步骤：
步骤1：确定河流水生态综合分区和河流环境流量评估指标；
所述步骤1如图2所示，具体包括：
1-1、构建反映径流情势、水质和水生态状况和防洪安全的河流环境流量评估指标，所述河流环境流量评估指标包括三种，分别为：径流情势指标、水质指标、水生态指标，其中，所述径流情势指标包括：径流量级、径流事件发生频率和历时等，所述水质指标包括：富营养化指标和其他指标等，所述水生态指标包括：浮游植物、浮游动物、底栖动物、鱼类等。每种指标中的指标个数可以根据实际需要进行增加或减少，本实施例中构建的河流环境流量评估指标及其获取方式如表1所示。表1中的指标以及获取方式都是现有技术，具体的公式、取样方法都是现有的，在此不再赘述。
表1
1-2、采集各个站点的实测径流情势、水质和水生态要素数据，利用表1中的获取方法获得步骤1-1确定的所有河流环境流量评估指标，然后利用所有河流环境流量评估指标获得水生态综合分区。所述水生态综合分区是指将整个流域分成多个区域，本发明是根据河流环境流量评估指标将整个流域分成多个区域。
具体的，本发明中所述步骤1-2中的利用所有河流环境流量评估指标获得水生态综合分区的操作包括：
A1，采用主成分分析方法对所有河流环境流量评估指标进行分析获得多个主成分指标；
主成分分析法是一种常用分析法，在此不再赘述，仅简介如下：先对所有指标进行标准化，将所有指标转换到一个区间内，例如都转换成0-1之间的某个数值，然后对所有标准化后的指标进行处理获得多个主成分指标，以消除所有河流环境流量评估指标间的相关性。比如一共有100个指标，经过主成分分析方法处理后获得了较少的相对独立的主成分指标。
A2，对所有的主成分指标进行聚类统计分析得到聚类结果。
采用现有的聚类统计分析方法对所有的主成分指标进行聚类统计分析得到聚类结果。
例如可以采用层次聚类法、k-均值聚类或k-中心点聚类等多种现有的方法，主要是基于各站点的主成份指标的相似性进行聚类，在此不再赘述：
A3，从步骤A2获得的聚类结果中获得最佳水生态综合分区：
为了评价聚类结果的合理性并最终确定最佳水生态综合分区，本发明采用多种聚类效果评价指标对步骤A2获得的聚类结果进行评价获得最合理的聚类结果，该最合理的聚类结果即为最佳水生态综合分区。
所述评价方法可以采用现有的多种评价方法，例如采用平均轮廓系数、Goodman-Kruskal指数、C指数等多个评价指标来评价聚类结果的合理性，找到最合理的聚类结果即为最佳水生态综合分区。
1-3、基于步骤1-2确定的河流水生态综合分区和环境流量评估指标，确定各个河流水生态综合分区的水生态指示性指标，然后从径流情势指标、水质指标中确定出关键径流情势指标、关键水质指标。
其中，所述确定各个河流水生态综合分区的水生态指示性指标的操作包括：
从每个分区的水生态指标中识别出空间分布广、数值变化范围大的指标作为该分区的水生态指示性指标。例如可以采用频率分析法识别出水生态指示性指标。
所述从径流情势指标、水质指标中确定出关键径流情势指标、关键水质指标的操作包括：
在每个分区中，找到对所述水生态指示性指标影响贡献率大的径流情势指标作为关键径流情势指标、找到对所述水生态指示性指标影响贡献率大的水质指标作为关键水质指标。例如可以采用冗余度分析法分别确定径流情势指标、水质指标对所述水生态指示性指标的空间分布的影响贡献率，并分别设定影响贡献率的阈值，将大于各自阈值的径流情势指标、水质指标找出来作为关键径流情势指标、关键水质指标。
冗余度分析方法采用现有方法，在此不再赘述，其影响贡献率的计算公式如下式所示：
式中：
分别为径流情势指标向量、水生态指标向量、水质指标向量，
m’、n’、l’分别为径流情势指标、水质指标和水生态指标的数量；
和
分别为第q个水生态综合分区中径流情势指标和水质指标对水生态指标的贡献率； S(Mi,q,Ek,q)和S(Ci,q,Ek,q)分别为第i个径流情势指标和水质指标对第k个水生态指标的相似性；σ2(·)为序列的总体方差。
步骤2、构建每个分区的水生态指示性指标与径流情势、水质多指标之间的量化关系；所述步骤2如图3所示，包括：
2-1、基于步骤1-3确定的水生态指示性指标和关键径流情势指标、关键水质指标，针对每个分区，构建该分区的水质指标与径流情势指标、上游入河污染负荷之间的量化关系，以及该分区的水生态指示性指标与径流情势指标、水质指标之间的量化关系。
具体的，可以采用现有的多种量化方法来获得量化关系，例如统计回归、机理模型等，本实施例采用广义加性模型构建了各个分区的水质指标与径流情势指标、上游入河污染负荷之间的量化关系，以及各个分区的水生态指示性指标与径流情势指标、水质指标间的量化关系，量化关系如下式所示：
式中，fq表示水质指标与径流情势指标、上游入河污染负荷之间的量化关系， gq表示水生态指示性指标与径流情势指标、水质指标间的量化关系；q表示第q 个水生态综合分区；Ci,q为第i个水质指标，1≤i≤n；Ej，q为第j个水生态指标，1≤j≤l；
分别为径流情势指标向量、入河污染负荷向量和水质指标向量，
m、n和l分别为关键径流情势指标、关键水质指标和水生态指示性指标的数量。
2-2、验证步骤2-1得到的水生态指示性指标与径流情势、水质多指标之间的量化关系，以及水质指标与径流情势指标、上游入河污染负荷之间的量化关系的合理性，并筛选出多个合理的量化关系方程。
本实施例采用现有的Bootstrap采样法和k折交叉验证法验证步骤2-1中得到的量化关系得到k组量化关系方程。简介如下：
将各水生态综合分区的径流情势指标、水质指标和水生态指示性指标数据
分为Nq(数据序列长度)个样本，按照Bootstrap采样法采样比例R(0～1)从Xq中随机采样Nq×R个监测数据，形成量化关系训练集，确定步骤2-1中量化关系的参数；剩余的Nq×(1-R)个监测数据为量化关系测试集，验证步骤2-1中量化关系的参数合理性。重复上述步骤k次，得到k组量化关系方程。
然后从k组量化关系方程中，筛选出多个合理的量化关系方程。可以采用多种评价合理性的方法来进行筛选，本实施例采用确定性系数R2来评价量化关系方程的合理性，当R2≥0.6(也可以根据需要设定其它阈值)时认为量化关系方程是合理的。
具体的，计算每一个量化关系方程的确定性系数R2，并选出所有R2≥0.6的量化关系方程即筛选出了合理的量化关系方程：
确定性系数R2的计算公式如下：
式中：q表示第q个水生态综合分区；R2 i,q为第i个量化关系方程(即水质指标与径流情势指标、上游入河污染负荷之间的量化关系，水生态指示性指标与径流情势指标、水质指标间的量化关系)的确定性系数；xi,k,q为第i个指标的第k个监测序列值；yi,k,q为第i个指标的第k个模拟序列值；
为第i个指标的监测序列平均值；Ncq为序列总长度。
2-3将筛选出的多个合理的量化关系方程中的各个参数的平均值作为最终的量化关系方程中的各个对应参数的值，即得到最终的量化关系方程。
例如量化关系方程是y＝ax+b，通过步骤2-2找到了2个合理的量化关系方程，分别为y＝a1x+b1，y＝a2x+b2，计算a3＝(a1+a2)/2,b3＝(b1+b2)/2，则最终的量化关系方程为：y＝a3x+b3。
步骤3、确定河流综合健康评价标准；
所述河流综合健康评价标准包括：径流情势健康评价标准、水质健康评价标准和水生态健康评价标准，健康等级分为健康、亚健康和不健康，这些等级的具体数值范围是根据实际情况进行设置的。
确定河流综合健康评价标准的具体操作包括：
3-1、收集各站点的长序列流量过程数据，采用跳跃检验方法检测数据序列的一致性，筛选出自然条件(未受到人类活动胁迫)和现状条件(受到人类活动胁迫)的流量过程数据；
3-2、以保证水生物多样性为准则，基于所述水生态指示性指标确定水生态健康评价标准：
参考已有河流健康的生物多样性指数评价研究成果，结合研究区河流生物多样性指数范围，确定河流不同健康等级下的水生态指示性指标的范围，例如，如果水生态指示性指标包括：生物多样性香农指数(H)、物种丰度指数(D)、均匀度指数(J)和优势度指数(S)，则建立的水生态健康评价标准如下：生物多样性香农指数(H)大于3为健康、2～3为亚健康、小于2为不健康；物种丰度指数(D)大于6为健康、3～6为亚健康、小于3为不健康；均匀度指数(J) 和优势度指数(S)均为0.8～1.0为健康、0.6～0.8为亚健康、小于0.6为不健康。
3-3、以保证河流防洪安全和河道不断流为准则，利用步骤3-1采集的流量过程数据计算得到自然条件下的关键径流情势指标，基于关键径流情势指标确定径流情势健康评价标准。例如，基于河道水位流量关系确定河道警戒水位、保证水位对应的警戒流量和保证流量，各水生态综合分区的年最大流量指标低于河道警戒流量为健康等级，介于河道警戒流量和保证流量之间为亚健康等级，超过河道保证流量为不健康等级；将各水生态综合分区的其他量级、频率和历时等自然条件下的径流情势指标按数值从大到小排序计算各指标的频率值Pi,q，以25％＜Pi,q≤75％的径流情势指标取值范围为健康等级，以5％＜Pi,q≤25％和75％＜Pi,q≤95％的径流情势指标取值范围为亚健康等级，以Pi,q≤5％和Pi,q＞95％的径流情势指标取值范围为不健康等级。
3-4、以满足流域水功能区保护目标为准则，基于《地表水环境质量标准(GB 3838-2002)》和所述关键水质指标确定水质健康评价标准：
各水生态综合分区的水质指标对应的地表水环境质量分类Gi,p(Gip＝I类～劣 V类)，不高于水功能区水质目标Gti,p(Gti,p＝I类～劣V类)时为健康等级，介于Gti,p及其高一级水质等级Gti,p+1时为亚健康等级，高于Gti,p+1时为不健康等级。
步骤4、确定单一目标下河流环境流量过程区间和多目标下河流环境流量过程区间，并获得现状条件下环境流量保证率，如图4所示，具体操作包括：
4-1、利用各个站点现状条件下多年平均流量过程、水质过程和水生态过程 (分别对应径流情势指标、水质指标、水生态指标)，分别计算得到多年平均状态下关键径流情势指标、水质指标和水生态指示性指标。
4-2、将水生态健康评价标准中的健康等级对应的水生态指标的数值范围作为取值范围，对步骤2-3得到最终的量化关系方程进行逆向求解获得水生态健康等级下的径流情势的取值范围、水生态健康等级下的水质指标的取值范围：
步骤2-3得到最终的量化关系方程的逆向求解计算公式如下式所示。
xri,q＝gq -1[Rd(xi,q；yj,q)×yrj,q] (4)
式中：q表示第q个水生态综合分区；xi,q和xri,q分别为第i个径流情势指标或水质指标及其对应的不同健康等级的取值范围；yi,q和yrj,q分别为第j个水生态指标及其对应的不同健康等级的取值范围；Rd(·)为自变量的贡献率；gq -1(·)为gq(·) 的反函数。
将各水生态综合分区中水生态健康评价标准中的健康等级的取值范围带入到上述逆向求解计算公式中，获得了水生态健康等级下的径流情势的取值范围、水生态健康等级下的水质指标的取值范围。
4-3、首先调整水质指标，具体的，通过削减入河污染负荷使水质指标位于步骤4-2确定的水生态健康等级下的水质指标的取值范围内；然后调整径流情势指标，具体的，按照径流事件发生频率、历时、量级的顺序对各站点多年平均流量过程进行调整，使流量过程的径流情势指标位于步骤4-2确定的水生态健康等级下的径流情势指标的取值范围内，并利用得到的各个取值范围获得流量值的取值范围，这样得到的流量值的取值范围即为单一目标下的河流环境流量过程区间，本实施例得到的河流环境流量过程区间如图6所示。
所述按照径流事件发生频率、历时、量级的顺序对各站点多年平均流量过程进行调整的方法如图5所示，图5的横坐标是时间，纵坐标是流量，图5中的黑色曲线为现状条件下的流量过程，浅灰色曲线为采用本发明方法调整后得到的流量过程。
首先对频率指标进行调整，对于径流事件发生频率指标，如果径流事件发生的频率小于水生态健康等级下的频率指标的取值范围，则挑选低于流量阈值的径流事件，增加该事件的洪峰流量来提高径流事件发生的频率(例如可以通过前一个站点开闸放水增加后一个站点的洪峰流量。)，反之则减少事件的洪峰流量来减低径流事件发生的频率，图5的实施例中增加了2个事件，如第一个虚线峰值和第二个虚线峰值所示；
然后对径流事件的历时指标进行调整，对于历时指标，按照事件间隔时间从长到短逐个延长(或缩短)事件历时，例如如果历时小于水生态健康等级下的历时指标的取值范围，则延长径流事件历时，反之则缩短径流事件历时，延长事件历时可以通过放大调整时段的流量值来实现，缩短事件历时可以通过缩小调整时段的流量值来实现，图5的实施例中在中间峰值的前后均增加了流量 (用虚线在浅灰色曲线上标注出来了)，即增加了事件历时；
最后对径流量级指标进行调整，选取没有经过频率、历时调整的流量过程区间，对流量值进行等比例缩，例如如果径流量级小于水生态健康等级下的量级指标的取值范围，则将流量值等比例放大，反之，则将流量值等比例缩小，图5所示的实施例中，对最后一个峰值的流量值进行了放大。这样通过增加(或减少)各径流情势指标使其位于步骤4-2获得的水生态健康等级下的径流情势的取值范围内。
所述利用取值范围获得流量值的取值范围的操作包括:
利用各个指标的取值范围和下式计算获得流量值的取值范围：
式中：Q(t)1和Q(t)1’分别为径流事件频率指标调整前、后的流量值；Qr为径流事件的发生阈值；Qp和Q’p分别为径流事件调整前、后的洪峰流量；Q(t)2和 Q(t)2’分别为径流事件历时指标调整前、后的流量值；Q(0)为需调整径流过程的起始时刻流量；Q(t)3和Q(t)3’分别为径流量级指标调整前、后的流量值；M为调整前的径流量级指标；Mr为径流情势健康等级对应的径流量级指标的取值。
首先利用公式(5)中的第一个公式计算频率调整前后的流量值，然后利用第二个公式计算历时调整前后的流量值，最后利用第三个公式计算量级调整前后的流量值，因为频率指标、历时指标、量级指标均是一个取值范围，所以利用公式(5)和各个取值范围的最小值、最大值计算得到的就是流量值的取值范围，流量值的取值范围即为环境流量过程区间。
4-4、比较步骤4-2确定的保证水生态健康的径流情势和水质指标取值范围和基于步骤3-3和步骤3-4确定的径流情势健康等级下的径流情势指标和水质健康等级下的水质指标的取值范围，针对每个指标，取该指标的两组取值范围(一组取值范围是保证水生态健康下的取值范围，另一组取值范围是该指标本身健康等级下的取值范围)的交集，得到同时保证径流情势、水质和水生态健康的径流情势指标取值范围和水质指标取值范围。如果某一指标的两组取值范围不存在交集，则采用步骤4-2确定的保证水生态健康的取值范围。
获得同时保证径流情势、水质和水生态健康的径流情势指标取值范围和水质指标取值范围后，仍然采用步骤4-3的调整思路，对各站点多年平均流量过程和水质进行调整，最终得到多年平均径流情势指标、水质指标和水生态指标均处于健康等级时对应的流量过程区间即为多目标下的河流环境流量过程区间。
4-5、分别获取步骤4-3确定的单一目标下的河流环境流量过程区间的保证率和步骤4-4确定的多目标下的河流环境流量过程区间的保证率：采用各分区站点现状条件下的多年平均流量过程，评估各站点环境流量过程的实际保证率，保证率计算公式如下式所示：
式中：pk为第k个站点环境流量的实际保证率；NOin为落在环境流量过程区间的多年平均流量值的个数；N为多年平均流量过程的序列长度；Qi为流量过程序列中第i个观测值；EFi,down和EFi,upper分别为第i个时刻的环境流量区间的下限值和上限值。
本发明采用多种径流情势指标完整刻画径流过程，基于径流情势、水质和水生态指标确定了河流水生态综合分区和河流环境流量评估指标，构建了各分区水生态指标与径流情势、水质多指标之间的量化关系，确定了相关指标对水生态指标变化的贡献率，以保证水生物多样性、河流防洪安全和河道不断流、水功能区保护目标为准则，确定了河流综合健康评价标准，确定了单一目标和多目标下河流环境流量过程区间，评价了现状条件下环境流量的保证率。
上述技术方案只是本发明的一种实施方式，对于本领域内的技术人员而言，在本发明公开了应用方法和原理的基础上，很容易做出各种类型的改进或变形，而不仅限于本发明上述具体实施方式所描述的方法，因此前面描述的方式只是优选的，而并不具有限制性的意义。
Claims (10)
1.一种确定河流环境流量过程区间的方法，其特征在于：所述方法包括：
步骤1、确定河流水生态综合分区和河流环境流量评估指标；
步骤2、构建每个河流水生态综合分区的河流环境流量评估指标的量化关系；
步骤3、确定河流综合健康评价标准；
步骤4、确定单一目标下河流环境流量过程区间和多目标下河流环境流量过程区间，并获得现状条件下的河流环境流量保证率。
2.根据权利要求1所述的确定河流环境流量过程区间的方法，其特征在于：所述步骤1的操作包括：
1-1、构建反映径流情势、水质和水生态状况、和防洪安全的河流环境流量评估指标；所述河流环境流量评估指标包括：径流情势指标、水质指标、水生态指标；所述径流情势指标包括：径流量级、径流事件发生频率和历时，所述水质指标包括：富营养化指标和其他指标；所述水生态指标包括：浮游植物、浮游动物、底栖动物、鱼类；
1-2、采集各个站点的实测径流情势、水质和水生态要素数据，获得所述河流环境流量评估指标，然后利用所述河流环境流量评估指标获得水生态综合分区；
1-3、基于所述河流水生态综合分区和环境流量评估指标，确定各个河流水生态综合分区的水生态指示性指标，然后从径流情势指标、水质指标中确定出关键径流情势指标、关键水质指标。
3.根据权利要求2所述的确定河流环境流量过程区间的方法，其特征在于：所述步骤1-2中的利用所述河流环境流量评估指标获得水生态综合分区的操作包括：
A1，采用主成分分析方法对所述河流环境流量评估指标进行分析获得主成分指标；
A2，对所有的主成分指标进行聚类统计分析得到聚类结果。
A3，从所述聚类结果中获得最佳水生态综合分区。
4.根据权利要求2所述的确定河流环境流量过程区间的方法，其特征在于：所述步骤1-3中的确定各个河流水生态综合分区的水生态指示性指标的操作包括：
从每个分区的水生态指标中识别出空间分布广、数值变化范围大的指标作为该分区的水生态指示性指标；
所述从径流情势指标、水质指标中确定出关键径流情势指标、关键水质指标的操作包括：
在每个分区中，找到对所述水生态指示性指标影响贡献率大的径流情势指标作为关键径流情势指标、找到对所述水生态指示性指标影响贡献率大的水质指标作为关键水质指标。
5.根据权利要求1所述的确定河流环境流量过程区间的方法，其特征在于：所述步骤2的操作包括：
2-1、基于步骤1-3确定的水生态指示性指标、关键径流情势指标和关键水质指标，针对每个分区，构建该分区的水质指标与径流情势指标、上游入河污染负荷之间的量化关系，以及该分区的水生态指示性指标与径流情势指标、水质指标之间的量化关系；
2-2、验证步骤2-1得到的水生态指示性指标与径流情势、水质多指标之间的量化关系，以及水质指标与径流情势指标、上游入河污染负荷之间的量化关系的合理性，并筛选出合理的量化关系方程；
2-3、将筛选出的合理的量化关系方程中的各个参数的平均值作为最终的量化关系方程中的各个对应参数的值，即得到最终的量化关系方程。
6.根据权利要求1所述的确定河流环境流量过程区间的方法，其特征在于：所述步骤3中的所述河流综合健康评价标准包括：径流情势健康评价标准、水质健康评价标准和水生态健康评价标准；健康等级分为健康、亚健康和不健康。
7.根据权利要求6所述的确定河流环境流量过程区间的方法，其特征在于：所述步骤3的操作包括：
3-1、收集各站点的长序列流量过程数据，筛选出自然条件和现状条件的流量过程数据；
3-2、基于所述水生态指示性指标确定水生态健康评价标准；
3-3、基于所述关键径流情势指标确定径流情势健康评价标准；
3-4、基于所述关键水质指标确定水质健康评价标准。
8.根据权利要求7所述的确定河流环境流量过程区间的方法，其特征在于：所述步骤4的操作包括：
4-1、利用各个站点现状条件下多年平均流量过程、水质过程和水生态过程，分别计算得到多年平均状态下的水生态指示性指标、关键径流情势指标和水质指标；
4-2、将水生态健康评价标准中的健康等级对应的水生态指标的数值范围作为取值范围，对步骤2-3得到最终的量化关系方程进行逆向求解获得水生态健康等级下的径流情势的取值范围、水生态健康等级下的水质指标的取值范围；
4-3、首先通过削减入河污染负荷使关键水质指标位于步骤4-2确定的水生态健康等级下的水质指标的取值范围内；然后按照径流事件发生频率、历时、量级的顺序对各站点多年平均流量过程进行调整，使关键径流情势指标位于步骤4-2确定的水生态健康等级下的径流情势指标的取值范围内，并利用得到的各个取值范围获得流量值的取值范围，即单一目标下的河流环境流量过程区间；
4-4、分别比较步骤4-2确定的水生态健康等级下的径流情势和水质指标取值范围和径流情势健康等级下的径流情势指标和水质健康等级下的水质指标的取值范围，针对每个指标，取该指标的两组取值范围的交集，得到同时保证径流情势、水质和水生态健康的径流情势指标取值范围和水质指标取值范围；如果某一指标的两组取值范围不存在交集，则采用步骤4-2确定的保证水生态健康的取值范围；
获得同时保证径流情势、水质和水生态健康的径流情势指标取值范围和水质指标取值范围后，采用步骤4-3的方法对各站点多年平均流量过程和水质进行调整，最终得到多年平均径流情势指标、水质指标和水生态指标均处于健康等级时对应的流量过程区间即为多目标下的河流环境流量过程区间；
4-5、分别获取步骤4-3确定的单一目标下的河流环境流量过程区间的保证率和步骤4-4确定的多目标下的河流环境流量过程区间的保证率。
9.根据权利要求8所述的确定河流环境流量过程区间的方法，其特征在于：所述步骤4-3中的按照径流事件发生频率、历时、量级的顺序对各站点多年平均流量过程进行调整的操作包括：
首先对频率指标进行调整：如果径流事件发生的频率小于水生态健康等级下的频率指标的取值范围，则挑选低于流量阈值的径流事件，增加该事件的洪峰流量来提高洪水频率，反之则减少事件的洪峰流量来减低径流事件发生的频率；
然后对径流事件的历时指标进行调整：如果历时小于水生态健康等级下的历时指标的取值范围，则延长径流事件历时，反之则缩短径流事件历时；
最后对径流量级指标进行调整：选取没有经过频率、历时调整的流量过程区间，如果径流量级小于水生态健康等级下的量级指标的取值范围，则将流量值等比例放大，反之，则将流量值等比例缩小。
10.根据权利要求9所述的确定河流环境流量过程区间的方法，其特征在于：所述步骤4-3中的利用取值范围获得流量值的取值范围的操作包括:
利用各个指标的取值范围和下式计算获得流量值的取值范围：
式中：Q(t)1和Q(t)1’分别为径流事件频率指标调整前、后的流量值；Qr为径流事件的发生阈值；Qp和Q’p分别为径流事件调整前、后的洪峰流量；Q(t)2和Q(t)2’分别为径流事件历时指标调整前、后的流量值；Q(0)为需调整径流过程的起始时刻流量；Q(t)3和Q(t)3’分别为径流量级指标调整前、后的流量值；M为调整前的径流量级指标；Mr为径流情势健康等级对应的径流量级指标的取值。
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| 高学睿;闫程晟;王玉宝;赵西宁;赵旗;吴普特;: "黄土高原典型区雨水资源化潜力模拟与评价", 农业机械学报, no. 01 * |
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| Publication number | Publication date |
|---|---|
| CN112215389B (zh) | 2024-03-08 |
| CN110334876A (zh) | 2019-10-15 |
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