CN114048432B - 一种无实测径流资料地区生态流量计算方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于流域生态环境治理技术领域，尤其涉及一种无实测径流资料地区生态流量计算方法，所述无实测径流资料地区生态流量计算方法包括以下步骤：步骤1、收集研究流域内及流域周边雨量站的逐日降水资料及雨量站地理位置坐标；步骤2、将研究流域根据计算精度要求划分单元网格；步骤3、将每个雨量站的逐年降水数据通过反距离加权平方法展布到各单元网格；步骤4、计算年降水变差系数C_v；步骤5、计算多年平均流量R；步骤6、确定年径流变差系数C_vR、偏差系数C_sR；步骤7、求N％保证率的流量。本发明提供一种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的无实测径流资料地区生态流量计算方法。

Description

一种无实测径流资料地区生态流量计算方法

技术领域

本发明属于流域生态环境治理技术领域，尤其涉及一种无实测径流资料地区生态流量计算方法。

背景技术

现有技术和缺陷：

适宜生态流量，是指水生态系统的生物完整性随水量减少而发生演变，以生态系统衰退临界状态的水分条件定义为维持水体生物完整性的需水。适宜生态流量考虑目标水体水生生物生存、繁衍对水域水文、水力特性的要求，当流量持续小于这一数值时，将导致生物繁殖条件的破坏，生物量减少，进而生物完整性降低。

河流是最重要的永生态系统类型之一。在水生态系统中，水体作为生物的栖息环境，水量和水质的变化对水生生物的影响巨大。总体而言，河流生态需水量的计算方法可概括为以下4类：

(1)基于历史流量基础的水文学方法，包括Tennant法(也称Montana法)、7Q10法、Texas法、NGPRP法、基本流量法、最小月平均流量法、逐月最小生态径流计算法、逐月频率计算法、新逐月频率计算法等；

(2)基于水力学基础的水力定额法，包括湿周法、R2CROSS法、CASIMIR法及生态水力半径法等；

(3)基于生物学基础的栖息地法，有IFIM法、物理栖息地模型(PHABSIM)模拟法、有效宽度法、加权有效宽度法、RCHARC法及Basque法等；

(4)基于河流系统整体性理论的整体分析法，包括澳大利亚的整体评价法(Holistic Approach)、南非的BBM(Building Block Methodology)等。

上述的计算方法各有其适用条件、适用范围和优缺点，若要进行上述生态流量计算方法的应用，需要大量的长系列水文数据和现场实验数据，在某些缺少条件和资料的地区不太适用。

解决上述技术问题的难度和意义：

因此，基于因实测径流资料不足导致生态流量计算困难这些问题，提供一种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的无实测径流资料地区生态流量计算方法具有重要的现实意义。

发明内容

本发明目的在于为解决公知技术中存在的技术问题而提供一种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的无实测径流资料地区生态流量计算方法。

本发明为解决公知技术中存在的技术问题所采取的技术方案是：

一种无实测径流资料地区生态流量计算方法，所述无实测径流资料地区生态流量计算方法包括以下步骤：

步骤1、收集研究流域内及流域周边雨量站的逐日降水资料及雨量站地理位置坐标，根据逐日降水资料，统计各雨量站点的年降水量p_j，其中，j表示所统计雨量站的个数；

步骤2、将研究流域根据计算精度要求划分单元网格，并确定各网格的面积a₁、a₂、···、a_m，以及网格形心点的位置坐标(x₁，y₁)、(x₂，y₂)、···(x_m、y_m)，其中，m表示单元网格序号；

步骤3、将每个雨量站的逐年降水数据通过反距离加权平方法展布到各单元网格，将各雨量站点的展布结果叠加，并计算研究流域的年降水量P，反距离加权平方法的具体公式如下：

P_jm＝ΣW_jmp_j

P_m＝Σp_jm

其中，r_jm是第j个雨量站点到第m个单元网格中点的距离；W_jm为第j个雨量站点占第m个雨量站点的距离权重；P_jm为第j个雨量站点在第m个单元网格内的年降雨量，单位mm/年；P_m为所有雨量站年降雨量展布到第m个单元网格结果，单位mm/年；P为全流域所有单元网格年降水量的加权平均值，单位mm/年；

步骤4、计算年降水变差系数C_v

其中，C_v为年降水变差系数；

为流域内多年平均降雨量，单位mm/年；i为降雨数据统计年数，一般取20～40年；

步骤5、计算多年平均流量R；

A＝∑a_m

其中，R为多年平均流量，单位m³/s；α为径流系数，需查阅所在流域水文手册；A为控制流域面积，单位km²；

步骤6、确定年径流变差系数C_vR、偏差系数C_sR，

其中，k、m、n为水文分区参数，需查阅所在流域水文手册；

步骤7、确定在N％保证率下皮尔逊Ⅲ型频率曲线的离均系数

求N％保证率的流量Q_N％，即为河流生态流量，

其中，

为皮尔逊Ⅲ型频率曲线的离均系数，通过C_vR和C_sR查表得到。

综上所述，本发明具有以下优点和积极效果：

1、本发明克服资料获取困难地区的生态流量计算问题。本发明在流域缺少径流实测资料和周围雨量站数量较少情况下，提出一种将降水数据展布到流域各子流域分区内的计算方法，从而推求流域内的降水过程和径流过程，进而推求生态流量的计算方法，采用该方法可以快速计算流域任意网格单元内的降雨量，快速计算该全流域的生态流量或任意某一支流包络流域范围内的生态流量，为流域生态环境治理提供快速合理的计算方案。

附图说明

以下将结合附图和实施例来对本发明的技术方案作进一步的详细描述，但是应当知道，这些附图仅是为解释目的而设计的，因此不作为本发明范围的限定。此外，除非特别指出，这些附图仅意在概念性地说明此处描述的结构构造，而不必要依比例进行绘制。

图1是本发明的结构示意图；

图2是本发明实施例中流域水系分布图；

图3是本发明实施例中流域分区图。

具体实施方式

下面就结合图1至图3具体说明本发明。

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。

实施例一：

为保障该研究流域内城乡居民的生活、生产、生态安全，改善水环境，满足流域内生态环境需水要求，需确定合理的生态流量，以维持河流正常的生态系统及功能。

本实例采用概化流域对无实测径流资料地区生态流量计算方法进行阐述。该概化流域为任意流域的全流域，或流域内某一支流形成的子流域，在实际实践计算中根据目标要求进行流域计算范围的选择。该实施例中的水系分布情况及雨量站情况如图2所示，在该实施例中，流域出口断面无实测径流资料，且该流域内无雨量站点分布。

本发明提供的一种无实测径流资料地区生态流量计算方法，请见图1，包括以下步骤：

步骤1：收集该研究流域周围雨量站共4个站，该流域实际控制流域面积3438km²，详见说明书附图2，共4个雨量站的长系列(36年)实测降水逐日流量资料，统计各雨量站点的逐年降水量，详见表1。

表1：研究流域周围雨量站降水量统计(mm)

步骤2、将该流域划分单元网格，如说明书附图3所示，共划分44个单元网格，各单元网格的尺寸为10*10km²，各单元网格面积及中心点坐标见表2。

表2研究流域划分单元网格中心坐标

步骤3、将每个雨量站的逐年降水数据通过反距离加权平方法展布到各单元网格，将各雨量站点的展布结果叠加，并计算研究流域内各网格单元的年降水量P_m和全流域年降雨量P。反距离加权平方法的具体公式如下：

P_jm＝ΣW_jmp_j

P_m＝Σp_jm

其中，r_jm是第j个雨量站点到第m个单元网格中点的距离；W_jm为第j个雨量站点占第m个雨量站点的距离权重；P_jm为第j个雨量站点在第m个单元网格内的年降雨量，单位mm/年；P_m为所有雨量站年降雨量展布到第m个单元网格结果，单位mm/年；P为全流域所有单元网格年降水量的加权平均值，单位mm/年；

结果如表3所示：

表3：流域内各网格单元年平均降雨量P_m和全流域年降雨量P

步骤4、计算年降水变差系数C_v

其中，C_v为年降水变差系数；

为流域内多年平均降雨量，单位mm/年；i为降雨数据统计年数，本实例取36年。

步骤5、计算多年平均流量R

其中，R为多年平均流量，单位m³/s；α为径流系数，通过查阅流域所在地的水文手册，确定径流系数α＝0.75。

步骤6、确定年径流变差系数C_vR、偏差系数C_sR

其中，k、m、n为水文分区参数，是地区性经验参数，需查阅研究区域所在流域水文手册，本示例中，分别取k、m、n为1.3、0.6、0.09。

步骤7、在90％保证率下，查询皮尔逊Ⅲ型频率曲线的离均系数

计算在该保证率下的流量，即为河流生态流量Q_90％。

本示例中，取保证率为90％，通过查表得

结论：90％保证率下计算出的河流流量为26.63m³/s，即为该研究流域的生态流量。

综上所述，本发明提供一种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的无实测径流资料地区生态流量计算方法。

以上实施例对本发明进行了详细说明，但所述内容仅为本发明的较佳实施例，不能被认为用于限定本发明的实施范围。凡依本发明申请范围所作的均等变化与改进等，均应仍归属于本发明的专利涵盖范围之内。

Claims (1)

1.一种无实测径流资料地区生态流量计算方法，其特征在于：所述无实测径流资料地区生态流量计算方法包括以下步骤：

步骤1、收集研究流域内及流域周边雨量站的逐日降水资料及雨量站地理位置坐标，根据逐日降水资料，统计各雨量站点的年降水量p_j，其中，j表示所统计雨量站的个数；

步骤2、将研究流域根据计算精度要求划分单元网格，并确定各网格的面积a₁、a₂、···、a_m，以及网格形心点的位置坐标（x₁，y₁）、（x₂，y₂）、···（x_m、y_m），其中，m表示单元网格序号；

步骤3、将每个雨量站的逐年降水数据通过反距离加权平方法展布到各单元网格，将各雨量站点的展布结果叠加，并计算研究流域的年降水量P，反距离加权平方法的具体公式如下：

其中，r _jm是第j个雨量站点到第m个单元网格中点的距离；W _jm为第j个雨量站点占第m个雨量站点的距离权重；P _jm为第j个雨量站点在第m个单元网格内的年降雨量，单位mm/年；P _m为所有雨量站年降雨量展布到第m个单元网格结果，单位mm/年；P为全流域所有单元网格年降水量的加权平均值，单位mm/年；

步骤4、计算年降水变差系数C _v

其中，C _v为年降水变差系数；

为流域内多年平均降雨量，单位mm/年；i为降雨数据统计年数，取20~40年；

步骤5、计算多年平均流量R；

其中，R为多年平均流量，单位m³/s；α为径流系数，需查阅所在流域水文手册；A为控制流域面积，单位km²；

步骤6、确定年径流变差系数

、偏差系数/>

，

其中，k、m、n为水文分区参数，需查阅所在流域水文手册；

步骤7、确定在N%保证率下皮尔逊Ⅲ型频率曲线的离均系数

，求N％保证率的流量Q _N%，即为河流生态流量，

其中，

为皮尔逊Ⅲ型频率曲线的离均系数，通过C _vR和C _sR查表得到。

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