CN116245042A - 基于水动力-水环境-水生生物的生态需水计算方法 - Google Patents

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CN116245042A CN202211667779.3A CN202211667779A CN116245042A CN 116245042 A CN116245042 A CN 116245042A CN 202211667779 A CN202211667779 A CN 202211667779A CN 116245042 A CN116245042 A CN 116245042A
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吴淑君
石晴宜
钟加星
马嘉忆
卢嘉琪
苏莹
吉健佑
张天衍
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Abstract

本发明公开基于水动力‑水环境‑水生生物的生态需水计算方法，利用MIKE 11水动力模型、水质模型和泥沙模型模拟输出河道的断面流量、断面平均流速、断面平均水位、水质和泥沙变化；依据模拟输出河道的断面流量、断面平均流速、断面平均水位、水质、泥沙变化、水质需求和输沙需求，确定选取出的重点控制断面的逐月水质需水量和逐月输沙需水量；基于鱼类生存的适宜水位和鱼类生存的适宜流速范围，确定逐月水生生物需水量；综合逐月水质需水量、逐月输沙需水量和逐月水生生物需水量，得到河流满足多目标生态需求的适宜生态需水。

Description

基于水动力-水环境-水生生物的生态需水计算方法
技术领域
本发明涉及基于水动力-水环境-水生生物的生态需水计算方法，属于生态需求技术领域。
背景技术
随着社会经济快速发展，各种生态环境问题频繁发生，生态安全和水资源安全受到威胁。河流生态系统损害与人类不断增加的河流生态系统服务功能需求间的矛盾越发尖锐。将水与生态研究相结合，保障生态需水是维系河流生态功能、促进水资源可持续发展的重要举措。河流生态需水研究最早起始于20世纪40年代，学者们开始关注河流最小环境流量研究。
目前，河流生态需水计算方法主要分为四类：历史流量法、水力定额法、栖息地定额法和整体分析法。生态需水计算方法很多，由于生态系统的复杂性以及人类对河流生态系统认识有限，仍缺乏令人满意的通用方法。联系水文和生态是一门复杂的科学，水流影响水生态系统的水文状况、水质、含沙量、栖息地和生物间的相互作用等。在实际生态需水研究中，需要结合地区水文、生态特性，综合考虑各影响因素。现有的生态需水研究大多只考虑某一种或者几种因素，缺乏全面考虑各因素的生态需水集合研究。此外，不同时段下河流不同河段的生态需水存在变化，无法用一个固定的生态流量值或者汛期、非汛期生态流量值进行简单描述。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是克服现有技术的缺陷，提供基于水动力-水环境-水生生物的生态需水计算方法。
为达到上述目的，本发明提供基于水动力-水环境-水生生物的生态需水计算方法，包含如下步骤：
基于收集的河道基础资料，构建MIKE 11水动力模型；
利用污染物排放资料和河流输沙量资料，构建水质模型和泥沙模型；
校验MIKE 11水动力模型、水质模型和泥沙模型是否合格，若MIKE 11水动力模型、水质模型和泥沙模型不合格则结束运行；
利用MIKE 11水动力模型、水质模型和泥沙模型模拟输出河道的断面流量、断面平均流速、断面平均水位、水质和泥沙变化；
依据模拟输出河道的断面流量、断面平均流速、断面平均水位、水质、泥沙变化、水质需求和输沙需求，确定选取出的重点控制断面的逐月水质需水量和逐月输沙需水量；
基于鱼类生存的适宜水位和鱼类生存的适宜流速范围，确定逐月水生生物需水量；
综合逐月水质需水量、逐月输沙需水量和逐月水生生物需水量，得到河流满足多目标生态需求的适宜生态需水。
优先地，构建的MIKE 11水动力模型的表达式为：
Figure BDA0004012150840000021
Figure BDA0004012150840000022
式中，Q表示断面流量；A表示过水面积；Z表示断面平均水位；C表示谢才系数；q表示侧向入流；g表示重力加速度；R表示水力半径；α表示动量修正系数；x表示河段里程；t表示时间。
优先地，水质模型的表达式为：
Figure BDA0004012150840000023
式中，Q表示断面流量；E为污染物浓度，mg/L；D为扩散系数，m2/s；K为污染物线性衰减系数，s-1；Ey为各源汇项的污染物浓度，mg/L；q表示侧向入流；
泥沙模型的表达式为：
Figure BDA0004012150840000024
式中，Φ为无量纲输沙率，Θ为无量纲河床总剪切应力；f为摩擦系数。
优先地，校验MIKE 11水动力模型、水质模型和泥沙模型是否合格，若MIKE 11水动力模型、水质模型和泥沙模型不合格则结束运行，通过以下步骤实现：
依据控制水文站划分子流域，利用历史实测日降雨、历史实测日蒸发和历史实测还原后日径流校验MIKE 11水动力模型是否合格；
将水质模型、泥沙模型与MIKE 11水动力模型耦合，将排污口的污水流量和污染物浓度输入水质模型，利用水质模型模拟输出河道重点控制断面处污染物浓度；将泥沙汇入口每秒输沙量输入泥沙模型，利用泥沙模型模拟输出河道重点控制断面处含沙量；
若模拟的河道污染物浓度和实际污染物浓度监测数据的相对误差低于设定阈值，且断面含沙量数据和模拟的含沙量变化的相对误差低于设定阈值，则判定水质模型和泥沙模型合格。
优先地，依据控制水文站划分子流域，利用历史实测日降雨、历史实测日蒸发和历史实测还原后日径流校验MIKE 11水动力模型是否合格，通过以下步骤实现：
将历史日实测降雨和历史实测日蒸发输入MIKE11水动力模型中，MIKE11水动力模型模拟输出的重点控制断面处日径流；
利用纳什效率系数计算模型误差NSE：
Figure BDA0004012150840000031
式中：
Figure BDA0004012150840000032
为第t日历史实测还原后日径流，/>
Figure BDA0004012150840000033
为第t日MIKE11水动力模型模拟输出的重点控制断面处日径流，/>
Figure BDA0004012150840000034
为T天内历史实测还原后日径流的均值；
若NSE≥0，则判定MIKE11水动力模型合格，否则判定MIKE11水动力模型不合格。
优先地，利用MIKE 11水动力模型、水质模型和泥沙模型模拟输出河道的断面流量、断面平均流速、断面平均水位、水质和泥沙变化；
依据模拟输出河道的断面流量、断面平均流速、断面平均水位、水质、泥沙变化、水质需求和输沙需求，确定选取出的重点控制断面的逐月水质需水量和逐月输沙需水量，通过以下步骤实现：
(31)按地表水标准浓度将支流输入水质模型，输入支流沿途主要污染物总氮的限制排放量，水质模型输出污染物监测控制断面的总氮浓度，一般污染物浓度为总氮浓度；
若总氮浓度不超过设定浓度阈值1mg/L，则判定达到地表水Ⅲ类水标准；
筛选出总氮浓度超过设定浓度阈值的对应日期以及重点控制断面；
在重点控制断面上游人工输水口处设置一流量点源输入，调整该流量点源的径流输入和日流量，使重点控制断面的水质情况逐步趋向于地表水Ⅲ类水标准；
计算获得重点控制断面的逐月水质需水量：
重点控制断面的逐月水质需水量＝对应月份天数×MIKE11水动力模型模拟输出的重点控制断面处日径流；
(32)利用输沙模数经验公式计算河道输沙量：
M＝Sm×A，
式中，M为输沙量，Sm为集水区输沙模数；A为集水面积；
利用泥沙模型，计算获得断面含沙量Su；
利用MIKE11水动力学模型，计算获得断面流量Q、断面平均水深Z和断面平均流速v；
根据半理论半经验挟沙力公式计算水流挟沙能力S：
Figure BDA0004012150840000035
式中：v是断面平均流速；Z为断面平均水位；g是重力加速度；w非均匀沙的平均沉速；d50是泥沙中值粒径；
根据断面流量Q和水流挟沙能力S的一一对应关系，构建断面流量Q与水流挟沙能力S的关系曲线，得到Q-S关系曲线；
若断面含沙量Su和水流挟沙能力S相等，则判定该河段的泥沙变化处于冲淤平衡状态，通过Q-S关系曲线得到各重点控制断面的各水平年输沙需水量、逐月水质需水量和逐月输沙需水量。
优先地，基于鱼类生存的适宜水位和适宜流速范围，确定逐月水生生物需水量，通过以下步骤实现：
将现状年的日降水量和日蒸发量输入降雨径流模型，再将现状年的河道上游断面日入流量、河道下游断面日水位作为整个MIKE模型的边界条件输入，降雨径流模型耦合MIKE11水动力学模型，计算获得不同重点控制断面对应的断面流量、断面平均水深及断面平均流速；
基于不同重点控制断面对应的断面流量、断面平均水深及断面平均流速，绘制重点控制断面的断面平均流速与断面流量关系曲线，绘制重点控制断面的水深与流量关系曲线；
基于河道内鱼类生存的适宜水位和鱼类生存的适宜流速范围、非产卵期的适宜生存水力学条件，查询重点控制断面的断面平均流速与断面流量关系曲线以及重点控制断面的水深与流量关系曲线，得到适宜水位对应的流量区间和适宜流速范围对应的流量区间，取适宜水位对应的流量区间下界和适宜流速范围对应的流量区间下界中的较大值作为重点控制断面的最小适宜生态流量，得到逐月水生生物需水量。
优先地，综合逐月水质需水量、逐月输沙需水量和逐月水生生物需水量，得到河流满足多目标生态需求的适宜生态需水，通过以下步骤实现：
从重点控制断面的基本流量、重点控制断面的逐月水质需水量、重点控制断面的逐月输沙需水量和重点控制断面的逐月水生生物需水量中筛选最大值，作为河流满足多目标生态需求的适宜生态需水。
一种电子设备，包括存储器、处理器及存储在存储器上并可在处理器上运行的计算机程序，所述处理器执行所述程序时实现上述任一项所述方法的步骤。
一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，该计算机程序被处理器执行时实现上述任一项所述方法的步骤。
本发明所达到的有益效果：
①本发明构建了水动力-水质-泥沙一体化模拟模型，能够实现河道沿程不同断面、不同时段的流速、水位、流量、水质和含沙量变化的高效模拟；
②全面考虑河道内基流、水质、输沙、水生生物等河道内生态需求，提出了一种基于水动力-水环境-水生生物的生态需水计算方法，该方法具有较强的系统性、完整性和可操作性；
③明确河道沿程不同时段、不同断面的多目标生态需水对于修复河流生态、促进生态文明建设具有重要意义，可以为建设生态河道、促进河流生态管理提供参考和依据。
④针对河流输沙、维持水质和水生生物生存的生态需求，实现河道内沿程水动力、水质、泥沙模拟，计算河流泥沙、水质生态需水，同时依据河流代表性鱼类生态要求计算水生生物需水，结合生态基流，从而获取河流任意重要断面满足多目标生态要求的适宜月生态需水过程。
⑤本发明设计的河流适宜生态需水过程能够同时满足河流生态系统和河道综合管理对于水体大小、水质、输沙和水生生物生存的需求，为建设生态河道、促进河流生态管理提供参考和依据。
附图说明
图1是本发明流程图；
图2是实施例二的案例流域图；
图3是控制断面水动力模拟精度检验的示意图；
图4是本发明实测断面水质的曲线图；
图5是本发明中含沙量模拟精度检验的曲线图；
图6是实施例二武山站的Q-S关系曲线图；
图7是实施例二北道站的Q-S关系曲线图；
图8是实施例二静宁站的Q-S关系曲线图；
图9是实施例二秦安站的Q-S关系曲线图；
图10是实施例二武山站的水深与流量关系曲线图；
图11是实施例二武山站的断面平均流速与断面流量关系曲线图；
图12是实施例二北道站的水深与流量关系曲线图；
图13是实施例二北道站的断面平均流速与断面流量关系曲线图；
图14是实施例二静宁站的水深与流量关系曲线图；
图15是实施例二北道站的断面平均流速与断面流量关系曲线图；
图16是实施例二秦安站的水深与流量关系曲线图；
图17是实施例二北道站的断面平均流速与断面流量关系曲线图。
具体实施方式
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。
实施例一
基于水动力-水环境-水生生物的生态需水计算方法，包含如下步骤：
基于收集的河道基础资料，构建MIKE 11水动力模型；
利用污染物排放资料和河流输沙量资料，构建水质模型和泥沙模型；
校验MIKE 11水动力模型、水质模型和泥沙模型是否合格，若MIKE 11水动力模型、水质模型和泥沙模型不合格则结束运行；
利用MIKE 11水动力模型、水质模型和泥沙模型模拟输出河道的断面流量、断面平均流速、断面平均水位、水质和泥沙变化；
依据模拟输出河道的断面流量、断面平均流速、断面平均水位、水质、泥沙变化、水质需求和输沙需求，确定选取出的重点控制断面的逐月水质需水量和逐月输沙需水量；
基于鱼类生存的适宜水位和鱼类生存的适宜流速范围，确定逐月水生生物需水量；
综合逐月水质需水量、逐月输沙需水量和逐月水生生物需水量，得到河流满足多目标生态需求的适宜生态需水。
基于收集的河道基础资料构建MIKE 11水动力模型，通过以下步骤实现：
(21)收集的河道基础资料包括河道水系拓扑特征、河道里程及对应断面形状资料，断面形状资料包括实测断面和概化断面，实测断面依据实际断面资料创建，若缺乏实测数据断面则依据上下游河道形状概化为梯形断面或自动内插断面，分段率定河道糙率；
河道水系拓扑特征包括断面流量、过水面积、断面平均水位、谢才系数、侧向入流、水力半径、动量修正系数和河段里程；
构建的MIKE 11水动力模型的基本方程如下：
连续方程
Figure BDA0004012150840000061
动量方程
Figure BDA0004012150840000062
式中，Q表示断面流量；A表示过水面积；Z表示断面平均水位；C表示谢才系数；q表示侧向入流；g表示重力加速度，取9.81m/s2；R表示水力半径；α表示动量修正系数；x表示河段里程；t表示时间。/>
进一步地，本实施例中利用污染物排放资料、河流输沙量资料构建水质模型和泥沙模型，通过以下步骤实现：
(22)利用污染物排放资料评估河流水质，获得评估结果；
参照评估结果，选取水质模拟的主要污染物指标；
初始扩散系数及初始污染物线性衰减系数查阅相关文献资料确定。水质模型在水动力模型的基础上进行，水质模型的基本方程如下：
Figure BDA0004012150840000071
式中：Q表示断面流量；E为污染物浓度，mg/L；D为扩散系数，m2/s；K为污染物线性衰减系数，s-1；Ey为各源汇项的污染物浓度，mg/L；q表示侧向入流；
(23)根据河流输沙量资料中实测河床地质概况确定包括泥沙粒径和泥沙密度的初始参数，选取MIKE 11泥沙模型中适宜的泥沙输运模拟公式。泥沙模型在水动力模型的基础上进行，采用Engelund-Hansen模拟泥沙传输，泥沙模型的基本方程如下：
Figure BDA0004012150840000072
式中：Φ为无量纲输沙率，Θ为无量纲河床总剪切应力；f为摩擦系数。
进一步地，本实施例中检验MIKE 11水动力模型、水质模型和泥沙模型是否合格，若MIKE 11水动力模型、水质模型和泥沙模型合格则进入步骤(3)，否则结束运行，通过以下步骤实现：
降雨径流是采用现有技术中的降雨径流模型为基础模拟的降雨产流；
依据控制水文站划分子流域，利用历史实测日降雨、历史实测日蒸发和历史实测还原后日径流校验MIKE 11水动力模型是否合格；
将水质模型、泥沙模型与MIKE 11水动力模型耦合，利用水质模型模拟输出河道污染物浓度，利用泥沙模型模拟输出含沙量变化；
将模拟的河道污染物浓度和实际污染物浓度监测数据进行比较，将断面含沙量数据和模拟的含沙量变化进行比较，判断水质模型和泥沙模型是否合格：
若模拟的河道污染物浓度和实际污染物浓度监测数据的相对误差低于25％，且断面含沙量数据和模拟的含沙量变化低于25％，则判定水质模型和泥沙模型合格。
进一步地，本实施例中依据控制水文站划分子流域，利用历史实测日降雨、历史实测日蒸发和历史实测还原后日径流校验MIKE 11水动力是否合格，通过以下步骤实现：
将历史日实测降雨和历史实测日蒸发输入MIKE11水动力模型中，MIKE11水动力模型模拟输出的重点控制断面处日径流；
利用纳什效率系数NSE计算模型误差NSE：
Figure BDA0004012150840000073
式中：
Figure BDA0004012150840000081
为第t日历史实测还原后日径流，/>
Figure BDA0004012150840000082
为第t日MIKE11水动力模型模拟输出的重点控制断面处日径流，/>
Figure BDA0004012150840000083
为T天内历史实测还原后日径流的均值；
若NSE值越接近1，则判定MIKE11水动力模型合格，质量可信度越高；若NSE值接近0，则判定MIKE11水动力模型合格，总体可信；若NSE值小于0，则判定MIKE11水动力模型不合格；
计算相对误差σ：
Figure BDA0004012150840000084
若σ>0，表示MIKE11水动力模型模拟输出的重点控制断面处日径流偏小；若σ<0，表示MIKE11水动力模型模拟输出的重点控制断面处日径流偏大；若σ＝0，表示MIKE11水动力模型模拟输出的重点控制断面处日径流与历史实测还原后日径流相等；即若|σ|越接近于0，模拟效果越好。
进一步地，本实施例中，利用MIKE 11水动力模型、水质模型和泥沙模型模拟输出河道流量、流速、水位、水质和泥沙变化；
选取重点控制断面；
依据水质需求和输沙需求，确定重点控制断面的逐月水质需水量和逐月输沙需水量；基于鱼类生存的适宜水位和流速范围，确定逐月水生生物需水量，通过以下步骤实现：
(31)按地表水标准浓度将支流输入水质模型，输入支流沿途主要污染物总氮的限制排放量，水质模型输出污染物监测控制断面的总氮浓度，一般污染物浓度为总氮浓度；
若总氮浓度不超过设定浓度阈值1mg/L，则判定达到地表水Ⅲ类水标准；
筛选出总氮浓度超过设定浓度阈值的对应日期以及重点控制断面；
在重点控制断面上游人工输水口处设置一流量点源输入，调整该流量点源的径流输入和日流量，使重点控制断面的水质情况逐步趋向于地表水Ⅲ类水标准；
计算获得重点控制断面的逐月水质需水量：
重点控制断面的逐月水质需水量＝对应月份天数×MIKE11水动力模型模拟输出的重点控制断面处日径流；
(32)利用输沙模数经验公式计算河道输沙量：
M＝Sm×A (7)
式中，M为输沙量，t；Sm为集水区输沙模数，t/km2；A为集水面积，km2；
利用泥沙模型，输出断面含沙量Su；
利用MIKE11水动力学模型，计算获得断面流量Q、断面平均水深Z、断面平均流速v；
根据半理论半经验挟沙力公式计算水流挟沙能力S：
Figure BDA0004012150840000091
式中：v是断面平均流速，m/s；Z为断面平均水位，m；g是重力加速度，取9.81m/s2；w非均匀沙的平均沉速，m/s；d50是泥沙中值粒径，mm；
根据断面流量Q和水流挟沙能力S的一一对应关系，构建断面流量Q与水流挟沙能力S的关系曲线，得到Q-S关系曲线；
若断面含沙量Su和水流挟沙能力S相等，则该河段的泥沙变化处于冲淤平衡状态，通过Q-S关系曲线得到各重点控制断面的各水平年输沙需水量和逐月输沙需水量；
(33)将现状年的日降水量和日蒸发量输入降雨径流模型，再将现状年的河道上游断面日入流量、河道下游断面日水位作为整个MIKE模型的边界条件输入，降雨径流模型耦合MIKE11水动力学模型，有不同重点控制断面对应的断面流量、断面平均水深及断面平均流速；
基于不同重点控制断面对应的断面流量、断面平均水深及断面平均流速，绘制重点控制断面的断面平均流速与断面流量关系曲线以及水深与流量关系曲线；
基于河道内水位和流速在内的鱼类产卵期的适宜生存水力学条件、非产卵期的适宜生存水力学条件，查询重点控制断面的断面平均流速与断面流量关系曲线以及水深与流量关系曲线，得到适宜水位范围对应的流量区间和适宜流速范围各自对应的流量区间，取适宜水位范围对应的流量区间下界和适宜流速范围各自对应的流量区间下界中的较大值作为重点控制断面的最小适宜生态流量，得到逐月水生生物需水量。
进一步地，本实施例中综合逐月水质需水量、逐月输沙需水量和逐月水生生物需水量，得到河流满足多目标生态需求的适宜生态需水，通过以下步骤实现：
从重点控制断面的基本流量、重点控制断面的逐月水质需水量、重点控制断面的逐月输沙需水量和重点控制断面的逐月水生生物需水量中筛选最大值，作为河流满足多目标生态需求的适宜生态需水。
具体地，由于维持河流生态系统运转的基本流量Wb、逐月水质需水量We、逐月输沙需水量Ws和逐月水生生物需水量Wc生存的最小生态需水量四者之间存在互相包含(交叉、重叠)和相互转化的关系，为满足综合生态需水要求，计算基本流量Wb、逐月水质需水量We、逐月输沙需水量Ws和逐月水生生物需水量Wc四项生态需水过程的外包值：
W＝Max{Wb,We,Ws,Wc} (9)
式中，基本生态流量Wb可采用最枯月平均流量法、Qp法或Tennant法计算。
河道基础资料包括河道水系拓扑特征、河道里程及对应断面形状；
污染物排放资料包括断面流量、污染物浓度、各源汇项的污染物浓度、扩散系数、污染物线性衰减系数、侧向入流；
河流输沙量资料包括无量纲河床总剪切应力和摩擦系数。
实施例二
本发明选取甘肃境内渭河流域为实施案例。渭河干流发源于甘肃省南部鸟鼠山，向东流经陕西，并于陕西境内汇入黄河。甘肃省境内面积2.58km2，干流长360km。渭河流域多年平均降水量515.1mm，年降水存在时空差异，降水南多北少，主要集中于汛期7-9月。流域内存在水沙异源的现象，径流主要来源于南岸，而泥沙主要来自北岸。渭河来沙量年内分配相对集中，汛期来沙量占年来沙量的75％～94％，来沙量较大时期一般集中在每年的4～10月。由于流域内长期存在乱砍滥伐现象，且秦祁河、咸河、散渡河等支流大量泥沙汇入，导致渭河流域水土流失严重、河道淤积，威胁流域水生态系统安全。此外，渭河北岸支流葫芦河等河流水质较差，水质呈IV～劣V类，导致渭河干流局部段呈IV～V类，总体河流水质不稳定。甘肃境内渭河流域河流水系及水文站等分布图如图2所示。
(1)构建河道MIKE 11水动力-水质-泥沙一体化模拟模型
构建水动力模型：根据渭河干流及葫芦河支流的GIS文件，结合传统地图，生成河道；收集水文年鉴及相关文献资料中的实测断面数据生成河道断面，缺乏实测数据，则概化为梯形断面；设置模拟的初始条件以及河道糙率等参数文件，以及流量、水位边界。结合经验设定初始河床糙率，如下表1。
表1渭河流域河床糙率经验值
Figure BDA0004012150840000101
构建水质模型：根据2019年渭河干流的北道桥、葡萄园水质监测点及葫芦河上的秦安县水质监测点获取的各类水质资料数据，以Ⅲ类水标准(GB3838-2002)筛选主要超标污染物指标，确定渭河及葫芦河主要污染物指标为氨氮。总结国内类似流域河流的扩散系数和衰减系数取值，初步确定渭河流域的初始扩散系数为8m3/s，氨氮的初始降解系数为1.0×10-4/小时。同时取各河段水质指标的起始时间对应浓度作为模型运行的初始浓度，设置排污口和支流污染物点源输入，由月监测水质数据经三次样条插值后生成日均浓度序列，作为水质边界的输入。
构建泥沙模型：依据实测资料，设置甘肃渭河流域泥沙模型粒径为0.016mm，将泥沙边界条件的设置与水动力、水质边界条件在同一文件，设置开边界。由武山、秦安、北道站的日泥沙数据作为泥沙边界的输入条件，支流于交汇口处作为旁侧泥沙点源输入。
(2)输入降雨径流，耦合降雨径流及水动力模型，利用水质监测和实测含沙量率定并检验水动力-水质-泥沙一体化模拟模型
在模型中输入降雨、蒸发量，利用水动力模型模拟流量，对渭河流域渭河干流及支流葫芦河的主要水文站的流量进行相对误差与纳什系数分析。如图3所示，武山站、北道站、静宁站、秦安站流量相对误差分别为-0.55％、-3.4％、-0.44％、-5.12％、，纳什系数分别为0.77、0.63、0.99、0.62。由此可知，该模型质量可信度高，模拟过程误差较小，可较为准确地分析模拟渭河流域流量变化过程。
加载水质模型，根据水质监测站的月实测浓度，率定渭河流域氨氮污染物的对流扩散系数和衰减系数。最终确定扩散系数为8m2/s，衰减系数为1.0×10-4/小时，水质模型模拟与实测精度对比如图4所示，站点模拟值与实测值量级相同，且模型模拟结果可以反映出渭河水质情况的变化趋势，模型参数设置较合理，可以适用于分析渭河流域的水质模拟。
选择渭河干流下游主要控制站北道站为验证点，以2019年4月至10月的实测资料为基础，比较验证点实测含沙量与模型模拟计算含沙量，如图5，北道站的含沙量模拟相对误差分别为3.52％，模型模拟结果可以较好地反映出渭河泥沙含量的分布情况、变化范围及趋势，符合模型精度要求。
(3)利用模型模拟河道沿程流量、流速、水位、水质和泥沙变化，选取重点控制断面，依据水质、输沙需求确定断面逐月水质需水和输沙需水，并由鱼类生存的适宜水位和流速范围确定逐月水生生物需水
按照现状年污染物限排量以及支流污染物汇入情况，模拟河道水质，得到污染物监测控制断面的水质达标情况，筛选出未达到地表水标准情况对应日期，调整上游人工输水口的径流点源输入使各重点控制断面的水质状况逐步趋近Ⅲ类水标准，得到对应该标准下的流量过程，即为保障渭河水质为Ⅲ类水的流量，结果如表2所示。其中静宁站为源头站，无水质问题，故不计算。各站的分布规律大致呈现：年内变化规律上，渭河干流上从1月开始所需保障水质生态蓄水量逐步升高，至5月份所需保障水质需水量最高；支流葫芦河上，各月份保障水质需水量大致相同。结合入河污染量的年内分布来看，渭河干流上5月份为入河污染量最高的月份，其余月份的保障水质需水量分布规律同入河污染物年内分布一致。
表2渭河流域主要控制断面保障水质流量
单位：m3/s
月份 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12
武山站 15.39 9.35 10.91 25.75 31.98 16.71 13.28 18.99 21.02 13.2 15.35 9.18
北道站 16 10.33 15.83 26.23 33.64 17.71 14.01 23.05 26.11 28.6 21.27 13.46
秦安站 3.76 4.76 7.29 5.03 7.87 8.07 15.94 9.04 8.84 6.3 8.01 4.74
运行MIKE 11水动力模型，得到断面流量Q、水深h、流速v，由挟沙能力公式计算断面挟沙能力S，绘制控制断面的流量Q-挟沙能力S的关系曲线如图6-9所示。运行泥沙模型，得到断面含沙量Su，Su＝S，通过Q-S关系曲线，读图得到各站点输沙所需逐月流量，结果见表3。
表3渭河流域主要控制断面输沙流量
单位：m3/s
控制断面 4月 5月 6月 7月 8月 9月 10月
武山 8.27 7.48 16.37 22.90 19.42 11.96 8.08
北道 12.77 13.91 22.86 29.95 27.55 17.75 10.70
静宁 0.38 0.33 0.47 0.42 0.79 0.48 0.38
秦安 2.70 3.05 3.20 8.19 5.60 5.14 1.71
鱼类是河道内水生态环境的指示物种，河流水流速度是鱼类正常产卵所需的重要环境因子。总结出鱼类适宜生存条件水力学要求如表4。
表4鱼类适宜生存条件水力学要求
Figure BDA0004012150840000121
运行水动力模型得到各断面流量Q、水深h及流速v，绘制v-Q关系及h-Q关系曲线如图10-17所示。结合鱼类适宜生存水力学条件，通过站点的水深-流量与流速-流量关系计算得到重点控制断面适宜生态流量区间，不同情境下对应鱼类适宜生态流量计算结果如表5所示。
表5控制断面水生生物不同情景下适宜生态流量区间
Figure BDA0004012150840000131
(4)综合各项生态需水得到河流满足多目标生态需求的适宜生态需水过程
基本生态流量是维持河流生态环境功能不丧失需要保留的基本水流过程。根据《河湖生态环境需水计算规范(SLT712-2021)》规定，采用Qp法计算，以河流控制断面长系列年的天然月平均流量为基础，用每年的最枯月排频，选择不同频率下的最枯月平均流量作为河流控制断面的生态基流。频率P根据渭河流域水资源开发利用情况确定，取90％，计算得出渭河、葫芦河各控制断面的基本生态流量见下表6。
表6渭河、葫芦河各控制断面生态基流计算结果
控制断面 武山站 北道站 静宁站 秦安站
流量(m3/s) 1.47 2.11 0.03 1.54
对保障水质流量、输沙流量、最小适宜生态流量和生态基流取外包线，得到渭河流域主要控制断面的生态流量如下表7所示。由表中可知，渭河干流武山、北道站6-8月生态流量主要受输沙需水影响，其他月份受水质影响较大；葫芦河上静宁站为源头站无水质问题，主要受水生生物控制，下游秦安站主要受水质影响。
表7渭河流域主要控制断面生态流量
单位：m3/s
Figure BDA0004012150840000132
本申请是参照根据本申请实施例的方法、设备(系统)、和计算机程序产品的流程图和/或方框图来描述的。应理解可由计算机程序指令实现流程图和/或方框图中的每一流程和/或方框、以及流程图和/或方框图中的流程和/或方框的结合。可提供这些计算机程序指令到通用计算机、专用计算机、嵌入式处理机或其他可编程数据处理设备的处理器以产生一个机器，使得通过计算机或其他可编程数据处理设备的处理器执行的指令产生用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的装置。
这些计算机程序指令也可存储在能引导计算机或其他可编程数据处理设备以特定方式工作的计算机可读存储器中，使得存储在该计算机可读存储器中的指令产生包括指令装置的制造品，该指令装置实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能。
这些计算机程序指令也可装载到计算机或其他可编程数据处理设备上，使得在计算机或其他可编程设备上执行一系列操作步骤以产生计算机实现的处理，从而在计算机或其他可编程设备上执行的指令提供用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的步骤。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和变形，这些改进和变形也应视为本发明的保护范围。

Claims (10)

1.基于水动力-水环境-水生生物的生态需水计算方法，其特征在于，包含如下步骤：
基于收集的河道基础资料，构建MIKE 11水动力模型；
利用污染物排放资料和河流输沙量资料，构建水质模型和泥沙模型；
校验MIKE 11水动力模型、水质模型和泥沙模型是否合格，若MIKE 11水动力模型、水质模型和泥沙模型不合格则结束运行；
利用MIKE 11水动力模型、水质模型和泥沙模型模拟输出河道的断面流量、断面平均流速、断面平均水位、水质和泥沙变化；
依据模拟输出河道的断面流量、断面平均流速、断面平均水位、水质、泥沙变化、水质需求和输沙需求，确定选取出的重点控制断面的逐月水质需水量和逐月输沙需水量；
基于鱼类生存的适宜水位和鱼类生存的适宜流速范围，确定逐月水生生物需水量；
综合逐月水质需水量、逐月输沙需水量和逐月水生生物需水量，得到河流满足多目标生态需求的适宜生态需水。
2.根据权利要求1所述的基于水动力-水环境-水生生物的生态需水计算方法，其特征在于，构建的MIKE 11水动力模型的表达式为：
Figure FDA0004012150830000011
Figure FDA0004012150830000012
式中，Q表示断面流量；A表示过水面积；Z表示断面平均水位；C表示谢才系数；q表示侧向入流；g表示重力加速度；R表示水力半径；α表示动量修正系数；x表示河段里程；t表示时间。
3.根据权利要求1所述的基于水动力-水环境-水生生物的生态需水计算方法，其特征在于，水质模型的表达式为：
Figure FDA0004012150830000013
式中，Q表示断面流量；E为污染物浓度；D为扩散系数；K为污染物线性衰减系数；Ey为各源汇项的污染物浓度；q表示侧向入流；
泥沙模型的表达式为：
Figure FDA0004012150830000014
式中，Φ为无量纲输沙率，Θ为无量纲河床总剪切应力；f为摩擦系数。
4.根据权利要求1所述的基于水动力-水环境-水生生物的生态需水计算方法，其特征在于，校验MIKE 11水动力模型、水质模型和泥沙模型是否合格，若MIKE 11水动力模型、水质模型和泥沙模型不合格则结束运行，通过以下步骤实现：
依据控制水文站划分子流域，利用历史实测日降雨、历史实测日蒸发和历史实测还原后日径流校验MIKE 11水动力模型是否合格；
将水质模型、泥沙模型与MIKE 11水动力模型耦合，将排污口的污水流量和污染物浓度输入水质模型，利用水质模型模拟输出河道重点控制断面处污染物浓度；将泥沙汇入口每秒输沙量输入泥沙模型，利用泥沙模型模拟输出河道重点控制断面处含沙量；
若模拟的河道污染物浓度和实际污染物浓度监测数据的相对误差低于设定阈值，且断面含沙量数据和模拟的含沙量变化的相对误差低于设定阈值，则判定水质模型和泥沙模型合格。
5.根据权利要求4所述的基于水动力-水环境-水生生物的生态需水计算方法，其特征在于，依据控制水文站划分子流域，利用历史实测日降雨、历史实测日蒸发和历史实测还原后日径流校验MIKE 11水动力模型是否合格，通过以下步骤实现：
将历史日实测降雨和历史实测日蒸发输入MIKE11水动力模型中，MIKE11水动力模型模拟输出的重点控制断面处日径流；
利用纳什效率系数计算模型误差NSE：
Figure FDA0004012150830000021
式中：
Figure FDA0004012150830000022
为第t日历史实测还原后日径流，/>
Figure FDA0004012150830000023
为第t日MIKE11水动力模型模拟输出的重点控制断面处日径流，/>
Figure FDA0004012150830000024
为T天内历史实测还原后日径流的均值；
若NSE≥0，则判定MIKE11水动力模型合格，否则判定MIKE11水动力模型不合格。
6.根据权利要求1所述的基于水动力-水环境-水生生物的生态需水计算方法，其特征在于，利用MIKE 11水动力模型、水质模型和泥沙模型模拟输出河道的断面流量、断面平均流速、断面平均水位、水质和泥沙变化；
依据模拟输出河道的断面流量、断面平均流速、断面平均水位、水质、泥沙变化、水质需求和输沙需求，确定选取出的重点控制断面的逐月水质需水量和逐月输沙需水量，通过以下步骤实现：
(31)按地表水标准浓度将支流输入水质模型，输入支流沿途主要污染物总氮的限制排放量，水质模型输出污染物监测控制断面的总氮浓度，一般污染物浓度为总氮浓度；
若总氮浓度不超过设定浓度阈值1mg/L，则判定达到地表水Ⅲ类水标准；
筛选出总氮浓度超过设定浓度阈值的对应日期以及重点控制断面；
在重点控制断面上游人工输水口处设置一流量点源输入，调整该流量点源的径流输入和日流量，使重点控制断面的水质情况逐步趋向于地表水Ⅲ类水标准；
计算获得重点控制断面的逐月水质需水量：
重点控制断面的逐月水质需水量＝对应月份天数×MIKE11水动力模型模拟输出的重点控制断面处日径流；
(32)利用输沙模数经验公式计算河道输沙量：
M＝Sm×A，
式中，M为输沙量，Sm为集水区输沙模数；A为集水面积；
利用泥沙模型，计算获得断面含沙量Su；
利用MIKE11水动力学模型，计算获得断面流量Q、断面平均水深Z和断面平均流速v；
根据半理论半经验挟沙力公式计算水流挟沙能力S：
Figure FDA0004012150830000031
式中：v是断面平均流速；Z为断面平均水位；g是重力加速度；w非均匀沙的平均沉速；d50是泥沙中值粒径；
根据断面流量Q和水流挟沙能力S的一一对应关系，构建断面流量Q与水流挟沙能力S的关系曲线，得到Q-S关系曲线；
若断面含沙量Su和水流挟沙能力S相等，则判定该河段的泥沙变化处于冲淤平衡状态，通过Q-S关系曲线得到各重点控制断面的各水平年输沙需水量、逐月水质需水量和逐月输沙需水量。
7.根据权利要求1所述的基于水动力-水环境-水生生物的生态需水计算方法，其特征在于，基于鱼类生存的适宜水位和适宜流速范围，确定逐月水生生物需水量，通过以下步骤实现：将现状年的日降水量和日蒸发量输入降雨径流模型，再将现状年的河道上游断面日入流量、河道下游断面日水位作为整个MIKE模型的边界条件输入，降雨径流模型耦合MIKE11水动力学模型，计算获得不同重点控制断面对应的断面流量、断面平均水深及断面平均流速；
基于不同重点控制断面对应的断面流量、断面平均水深及断面平均流速，绘制重点控制断面的断面平均流速与断面流量关系曲线，绘制重点控制断面的水深与流量关系曲线；
基于河道内鱼类生存的适宜水位和鱼类生存的适宜流速范围、非产卵期的适宜生存水力学条件，查询重点控制断面的断面平均流速与断面流量关系曲线以及重点控制断面的水深与流量关系曲线，得到适宜水位对应的流量区间和适宜流速范围对应的流量区间，取适宜水位对应的流量区间下界和适宜流速范围对应的流量区间下界中的较大值作为重点控制断面的最小适宜生态流量，得到逐月水生生物需水量。
8.根据权利要求1所述的基于水动力-水环境-水生生物的生态需水计算方法，其特征在于，综合逐月水质需水量、逐月输沙需水量和逐月水生生物需水量，得到河流满足多目标生态需求的适宜生态需水，通过以下步骤实现：
从重点控制断面的基本流量、重点控制断面的逐月水质需水量、重点控制断面的逐月输沙需水量和重点控制断面的逐月水生生物需水量中筛选最大值，作为河流满足多目标生态需求的适宜生态需水。
9.一种电子设备，包括存储器、处理器及存储在存储器上并可在处理器上运行的计算机程序，其特征在于，所述处理器执行所述程序时实现权利要求1至8中任一项所述方法的步骤。
10.一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，其特征在于，该计算机程序被处理器执行时实现权利要求1至8中任一项所述方法的步骤。
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