CN117314213A - 一种基于临界水深的生态流量优化评价判别方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种基于临界水深的生态流量优化评价判别方法，包括，确定生态流量控制指标监测、评估控制断面、建立控制断面生态流量控制信息集、拟合控制断面天然水位流量关系曲线、基于生态流量控制指标的下游顶托水位划分间距敏感性分析、拟定以下游顶托水位为参数的一簇水位流量关系曲线、推求面向生态流量指标的库尾临界水深、基于临界水深的生态流量优化评价判别方法，以提高生态流量评估方法的简洁、适用性，为增强流域水资源监管能力，优化流域水资源综合利用效益、促进水资源节约集约利用提供技术支撑。

Description

一种基于临界水深的生态流量优化评价判别方法

技术领域

本发明涉及流域梯级水电站水资源调度领域，尤其涉及一种基于临界水深的生态流量优化评价判别方法。

背景技术

经过过去几十年的飞速发展，我国已建成各类水库9.8万多座，总库容9000多亿立方米，水资源调控能力约30％。尤其长江上游流域建成了一系列梯级水电站群，流域水资源调配能力和水安全保障能力均得到显著提高。

目前，生态流量控制指标通常通过开展断面上游水工程调度和河道外经济社会用水管控保障，利用已经水文站网、省界断面或水利工程来实施日常监测与管理，其考核方式通常以监测值是否高于指标值为判别方式。而随着我国长江上游多个大型水电基地逐渐建成投运，上下游梯级之间存在衔接、部分衔接及完全不衔接等多种情况，不同情况的水位衔接边界条件尚不明确，如按实时出库流量管理和考核，在夜间用电低谷时段需机组空载运行以满足其生态流量控制指标的要求，既不是河流生态需求的实际体现，也会对设备安全运行造成一定影响，造成水量、水能资源的浪费，也不利于实现国家“双碳”战略和“江河”战略目标。

此外，国内外生态流量控制指标研究，多从河流生态体系不同层次出发，提出适应不同生态保护目标的生态流量确定方法，建立综合生态流量指标体系，而较少从实际日常管理层面探讨相应生态流量指标的监测、评估方式，在最严格水资源管理、水资源刚性约束制度实践中的适用性有待进一步研究。

现有技术存在的问题：

现有技术在生态流量控制指标研究时，仍从河流生态体系不同层次出发，提出适应不同生态保护目标的生态流量确定方法，但是较少从实际日常管理层面探讨相应生态流量指标的监测、评估方式，存在仅适用于天然流态且监测设施较完善河段的局限性；

现有技术在考虑梯级水利水电枢纽生态流量控制指标时，常常采用采用流量指标来评判，上下游梯级之间存在衔接、部分衔接及完全不衔接等多种情况，判别转换条件较为复杂，较难适应当前生态流量保障日常管理的需求。

发明内容

本发明的目的在于针对上述现有技术的不足，提供了一种基于临界水深的生态流量优化评价判别方法，为判别上下游梯级水电站衔接关系，优化生态流量指标保障方案提供判定依据。

为实现上述目的，本发明采用了如下技术方案：

本发明提供了一种基于临界水深的生态流量优化评价判别方法，包括以下步骤：

S1、确定生态流量控制指标监测、评估控制断面；

S2、建立所述控制断面的生态流量控制信息集IS；

S3、拟合所述控制断面的天然水位流量关系曲线L_FNC；

S4、基于所述生态流量控制指标的下游顶托水位划分间距敏感性分析；

S5、拟定以所述下游顶托水位为参数的一簇水位流量关系曲线L_FCS；

S6、推求面向生态流量指标的库尾临界水深CH；

S7、基于临界水深的生态流量优化评价判别方法。

进一步，所述S1具体为：

针对库尾不同生态流量管理对象，考虑上游和下游水力联系及观测条件，确定生态流量控制指标监测和评估断面；

库尾生态流量管理对象分为两类，一类是省界断面或关键水系节点断面，另一类是上游水利水电枢纽工程断面。

进一步，对于所述省界断面或关键水系节点断面，通过已设有水位观测设施，直接确定为生态流量控制指标监测、评估断面；

对于所述上游水利水电枢纽工程断面，需要调查枢纽坝下河段水位、流量观测设施布设位置，考虑坝址至观测设施之间有无较大直流汇入的因素，最终确定所述生态流量控制指标监测、评估断面。

进一步，所述S2中，生态流量控制信息集IS具体为：

以批复生态流量控制指标Qc作为目标控制阈值ISOT，控制断面MES的来水流量Qi作为控制变量ISMV和控制断面MES的水位Zu、下游水库水位Zd作为次要控制变量ISSV，获取控制断面MES的现状大断面成果(包含起点距L，河底高程Ze和水面比降j)LSR{L,Ze,j}，提取控制断面MES的最低河底高程Zb作为补充参数ISSP，建立所述控制断面生态流量控制信息集IS：

若所述控制断面MES无现状大断面成果，需委托具有水文测验能力单位开展断面测量。

进一步，所述S3具体为：

根据所述大断面成果LSR{L,Ze,j}和来水流量Qi(t)、水位Zu(t)数据，建立控制断面MES天然水位流量关系曲线L_FNC{Zu,Qi}；其中，t为历史数据时段数；

若所述来水流量Qi(t)、水位Zu(t)数据较少，无法通过点绘法建立天然水位流量关系曲线，结合采用水力学曼宁公式推算水位流量关系，利用不同水位级的实测数据进行检验，合理确定。

进一步，所述S4的具体步骤为：

通过所述天然水文流量关系曲线L_FNC查得断面多年平均流量AQi相应水位AZu与所述目标控制阈值ISOT相应水位OZu，相减求得基础水位差A_OZu，引入所述目标控制阈值ISOT与所述断面多年平均流量AQi之比敏感系数Ps，求得下游水位参数划分间距ΔZd：

ΔZd＝floor(Ps×A_OZu)

其中，Floor()为向下取整函数；

不足1m的，山区性河流的下游水位参数划分间距ΔZd取1m划分下游水位等级，平原性河流的下游水位参数划分间距ΔZd取0.5m划分下游水位等级。

进一步，所述S5具体为：根据确定的所述下游水位参数划分间距ΔZd，利用所述生态流量控制信息集IS中主要控制变量ISMV{Qi}和次要控制变量ISSV{Zu，Zd}，以下游水库死水位Zs至正常蓄水位Zz的水位区间为下游顶托水位参数变化范围，逐级拟定一簇水位流量关系曲线L_FCS{L_FCS₁,L_FCS_n,L_FCS_N}：

L_FCS₁＝{Zu,Qi}

Zd∈[Zs，Zs+ΔZd]

L_FCS_n＝{Zu,Qi}

Zd∈[Zs+(n-1)×ΔZd，Zs+n×ΔZd],n∈[2，N-1]

L_FCS_N＝{Zu,Qi}

Zd∈[Zs+(N-1)×ΔZd，Zz]

N＝floor[(Zz-Zs)/ΔZd]

其中，N为L_FCS中曲线的总个数，L_FCS_n为第n条受下游水库回水顶托影响水位流量关系曲线。

进一步，所述S6的具体步骤为：

将S5中拟定的所述一簇水位流量关系曲线L_FCS和S3中建立的所述天然水位流量关系曲线L_FNC叠加绘制成包含天然及下游回水顶托影响的所述控制断面MES水位流量关系图RG，引入滑动分析图解法，设置一条平行于水位坐标轴Z的滑动流量线，从∞逐渐向所述目标控制阈值ISOT逼近，提取与所述天然水位流量关系曲线L_FNC交汇(或水位差第一次小于ΔZd)点在横坐标轴上距所述目标控制阈值ISOT最近的一条L_FCS_o作为所述控制断面MES面向生态流量指标、受下游水库回水顶托影响的临界水位流量关系曲线，获得向生态流量指标、受下游水库回水顶托影响的临界下游顶托水位Zdc，结合所述补充参数ISSP(最低河底高程Zb)，推求库尾临界水深CH；

If o＝N

Zdc＝[Zs+(N-1)×ΔZd+Zz]/2

If o＜N

Zdc＝Zs+(o-1)×ΔZd+ΔZd/2

CH＝Zdc-Zb。

进一步，所述S7的具体为：

以所述S6推求获得的库尾临界水深CH为标准(临界下游顶托水位Zdc)，依据所述生态流量控制信息集IS中次要控制变量ISSV下游水库实时水位Zd(t)，优化断面是否受顶托的状态判别方法；

当Zd(t)＞Zdc(即Zd(t)-Zb＞CH)时，即断面受下游水库回水顶托，应按断面日下泄水量Wi评估生态流量是否满足指标要求；

即如Wid＞(Qc(t)×T)，即为已保障当日生态流量，

若Wid＜(Qc×T)，即为未能保障当日生态流量。其中，T为当日秒数，为86400s。

当Zd(t)＜Zdc(即Zd(t)-Zb＜CH)时，即断面不受下游水库回水顶托，应按断面瞬时流量Qi(t)评估生态流量是否满足指标要求。

即如Qi(t)＞Qc(t)，即为已保障当前时刻生态流量，若Qi(t)＜Qc(t)，即为未能保障当前时刻生态流量。

本发明所述判别方法并不局限于库区回水顶托影响下断面生态流量评价，也可适应于受湖泊、干支流汇入等变动回水影响，可根据需要能够扩展为受其他类型影响的生态流量优化评价判别方法。

本发明的有益效果为：针对库尾不同生态流量管理对象，确定生态流量控制指标监测、评估断面，绘制包含天然及下游回水顶托影响的控制断面水位流量关系图，推求面向生态流量指标的库尾临界水深，提出基于临界水深的生态流量优化评价判别方法，以提高生态流量评估方法的简洁、适用性，为增强流域水资源监管能力，优化流域水资源综合利用效益、促进水资源节约集约利用提供技术支撑。

绘制包含天然及下游回水顶托影响的控制断面水位流量关系图，通过天然水位流量关系曲线和一簇受下游回水顶托影响的水位流量关系曲线，能够反映不同下游顶托水位条件下生态流量与河道断面水位、水深关系。

推求面向生态流量指标的库尾临界水深，能够将控制断面受回水影响的复杂关系，统一呈现至临界水深(临界下游顶托水位)，能有效减少生态流量指标评价中复杂评价方法，也可适应于受湖泊、干支流汇入等变动回水影响，在提升了本发明判别方法简洁、适用性的同时，增加本发明的泛化能力。

附图说明

图1为本发明天然水位流量关系曲线图；

图2为序号42～52的受下游水库回水顶托影响水位流量关系曲线图；

图3为控制断面MES水位流量关系图RG图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，下面结合附图，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

实施例一

(1)典型控制断面及资料选择

本发明以金沙江流域某梯级水电站为实施例，以上游水电站出库流量、下游水电站坝前水位及上游水库坝下水文站水位流量观测数据为基础，按照一种基于临界水深的生态流量优化评价判别方法流程，对上游水电站出库流量是否满足生态流量指标要求进行分析，以表现本发明达到的效果。

(2)离散时变关系函数集求解步骤

S1、确定生态流量控制指标监测、评估控制断面。

金沙江流域某梯级水电站建成后，在下库库尾距上库坝址约4km处建设有水文站，观测水位、流量信息，且坝址至观测水文站之间无较大支流汇入，可确定该水文站为生态流量控制指标监测、评估断面。

S2、建立控制断面生态流量控制信息集IS；

以批复生态流量控制指标Qc作为目标控制阈值ISOT，控制断面MES的来水流量Qi作为主要控制变量ISMV和控制断面MES的水位Zu、下游水库水位Zd作为次要控制变量ISSV，获取控制断面MES的现状大断面成果(包含起点距L，河底高程Ze和水面比降j)LSR{L,Ze,j}，提取控制断面MES的最低河底高程Zb作为补充参数ISSP，建立控制断面生态流量控制信息集IS。

目标控制阈值提取

从主要江河流域水量分配方案、重点河湖生态流量保障目标中，提取生态流量控制指标Qc。

主要控制变量

根据水文站观测流量数据，分析整理断面流量Qi作为主要控制变量。

次要控制变量

根据下游水库运行资料和水文站观测水位数据，分析整理水文站水位Zu、下游水库水位Zd作为次要控制变量。

根据水文站观测流量数据，分析整理断面流量Qi作为主要控制变量。

补充参数

根据水文站最近一年大断面测验资料，获取控制断面的现状大断面成果(包含起点距L，河底高程Ze和水面比将j)LSR{L,Ze,j}，提取控制最低河底高程Zb作为补充参数。

补充参数包括但不限于上述断面参数，根据研究对象实际情况可以补充其他相关水文资料。

步骤三：拟合控制断面天然水位流量关系曲线。

根据大断面成果LSR{L,Ze,j}和同步来水流量Qi(t)、水位Zu(t)数据，引入相关性分析方法分析流量Qi(t)、水位Zu(t)的同步变化关系，建立控制断面MES天然水位流量关系曲线L_FNC{Zu,Qi}。

本次实例研究由于来水流量Qi(t)、水位Zu(t)数据在低水部分较少，无法通过点绘法建立包含偏低水天然水位流量关系曲线，因此结合大断面成果LSR{L,Ze,j}，采用曼宁公式推算水位流量关系，利用不同水位级的实测数据进行检验，最终合理确定了天然水位流量关系曲线，如图1所示。

S4、基于生态流量控制指标的下游顶托水位划分间距敏感性分析

本次实例研究引入目标控制阈值ISOT与断面多年平均流量AQi之比为敏感系数Ps为0.234，通过天然水位流量关系L_FNC查得多年平均流量AQi相应水位AZu与目标控制阈值ISOT相应水位OZu，相减求得基础水位差A_OZu为6.43m，求得下游水位参数的划分间距ΔZd为1m。

S5：拟定以下游顶托水位为参数的一簇水位流量关系曲线

进一步根据确定的下游水位参数划分间距ΔZd，利用控制断面生态流量控制信息IS中主要控制变量ISMV{Qi}和次要控制变量ISSV{Zu，Zd}，以下游水库死水位Zs至正常蓄水位Zz的水位区间为下游顶托水位参数变化范围；

逐级拟定一簇水位流量关系曲线L_FCS{L_FCS₁,L_FCS_n,L_FCS_N}：

L_FCS₁＝{Zu,Qi}

Zd∈[Zs，Zs+ΔZd]

L_FCS_n＝{Zu,Qi}

Zd∈[Zs+(n-1)×ΔZd，Zs+n×ΔZd],n∈[2，N-1]

L_FCS_N＝{Zu,Qi}

Zd∈[Zs+(N-1)×ΔZd，Zz]

N＝floor[(Zz-Zs)/ΔZd]

其中，N为L_FCS中曲线的总个数，L_FCS_n为第n条受下游水库回水顶托影响水位流量关系曲线。本次研究重点分析了生态流量指标相应水位附近的受下游水库回水顶托影响，绘制了序号42～52的受下游水库回水顶托影响水位流量关系曲线，如图2所示。

S6：推求面向生态流量指标的库尾临界水深

本次实例以绘制的生态流量指标相应水位附近、受下游水库回水顶托影响水位流量关系曲线为例，与天然水位流量关系曲线叠加，形成控制断面MES水位流量关系图RG如图3所示。

在图中设置一条平行于水位坐标轴Z的滑动流量线向目标控制阈值ISOT逼近，提取与L_FNC交汇点在横坐标轴上距ISOT最近的临界水位流量关系曲线L_FCS_o。查水位流量关系曲线图得临界下游顶托水位Zdc为790.06，结合补充参数ISSP(最低河底高程Zb)，推求得库尾临界水深CH为11.11m。

S7：基于临界水深的生态流量优化评价判别方法

进一步，以步骤六推求获得的临界水深CH(临界下游顶托水位Zdc)为标准，依据信息集IS中次要控制变量ISSV下游水库实时水位Zd(t)，优化断面是否受顶托的状态判别方法。

当Zd(t)>790.06m(即Zd(t)-Zb>11.11m)时，即断面受下游水库回水顶托，根据现行水资源管理要求，可按断面日下泄水量Wi评估生态流量是否满足指标要求。即如Wid＞(Qc(t)×T)，即为已保障当日生态流量，若Wid＜(Qc×T)，即为未能保障当日生态流量。其中，T为当日秒数，为86400s。

当Zd(t)<790.06m(即Zd(t)-Zb＜11.11m)时，即断面不受下游水库回水顶托，根据现行水资源管理要求，应按断面瞬时流量Qi(t)评估生态流量是否满足指标要求。即如Qi(t)＞Qc(t)，即为已保障当前时刻生态流量，若Qi(t)＜Qc(t)，即为未能保障当前时刻生态流量。

根据技术方案实施后的结果显示，本发明提出的基于临界水深的生态流量优化评价判别方法，通过推求面向生态流量指标的库尾临界水深，在反映不同下游顶托水位条件下生态流量与河道断面水位、水深关系的同时，也提高了生态流量评估方法的简洁、适用性，能够为流域水资源管理、生态流量保障实施方案制定提供技术依据。

进一步，本发明所述判别方法并不局限于库区回水顶托影响下断面生态流量评价，也可适应于受湖泊、干支流汇入等变动回水影响，可根据需要能够扩展为受其他类型影响的生态流量优化评价判别方法，增加本发明的泛化能力。

因此，本发明得到的基于临界水深的生态流量优化评价判别方法，能为增强流域水资源监管能力，优化流域水资源综合利用效益、促进水资源节约集约利用提供技术支撑，具有一定工程实用性。

对于本领域技术人员而言，显然本发明不限于上述示范性实施方式的细节，而且在不背离本发明的精神或基本特征的情况下，能够以其他的具体形式实现本发明。因此，无论从哪一点来看，均应将实施方式看作是示范性的，而且是非限制性的，本发明的范围由所附权利要求而不是上述说明限定，因此旨在将落在权利要求的等同要件的含义和范围内的所有变化囊括在本发明内。不应将权利要求中的任何附图标记视为限制所涉及的权利要求。

此外，应当理解，虽然本说明书按照实施方式加以描述，但并非每个实施方式仅包含一个独立的技术方案，说明书的这种叙述方式仅仅是为清楚起见，本领域技术人员应当将说明书作为一个整体，各实施例中的技术方案也可以经适当组合，形成本领域技术人员可以理解的其他实施方式。

Claims (9)

1.一种基于临界水深的生态流量优化评价判别方法，其特征在于，包括以下步骤：

S1、确定生态流量控制指标监测、评估控制断面；

S2、建立所述控制断面的生态流量控制信息集IS；

S3、拟合所述控制断面的天然水位流量关系曲线L_FNC；

S4、基于所述生态流量控制指标的下游顶托水位划分间距敏感性分析；

S5、拟定以所述下游顶托水位为参数的一簇水位流量关系曲线L_FCS；

S6、推求面向生态流量指标的库尾临界水深CH；

S7、基于临界水深的生态流量优化评价判别方法。

2.根据权利要求1所述的一种基于临界水深的生态流量优化评价判别方法，其特征在于，所述S1具体为：

针对库尾不同生态流量管理对象，考虑上游和下游水力联系及观测条件，确定生态流量控制指标监测和评估断面；

库尾生态流量管理对象分为两类，一类是省界断面或关键水系节点断面，另一类是上游水利水电枢纽工程断面。

3.根据权利要求2所述的一种基于临界水深的生态流量优化评价判别方法，其特征在于，对于所述省界断面或关键水系节点断面，通过已设有水位观测设施，直接确定为生态流量控制指标监测、评估断面；

对于所述上游水利水电枢纽工程断面，需要调查枢纽坝下河段水位、流量观测设施布设位置，考虑坝址至观测设施之间有无较大直流汇入的因素，最终确定所述生态流量控制指标监测、评估断面。

4.根据权利要求3所述的一种基于临界水深的生态流量优化评价判别方法，其特征在于，所述S2中，生态流量控制信息集IS具体为：

以批复生态流量控制指标Qc作为目标控制阈值ISOT，控制断面MES的来水流量Qi作为控制变量ISMV和控制断面MES的水位Zu、下游水库水位Zd作为次要控制变量ISSV，获取控制断面MES的现状大断面成果(包含起点距L，河底高程Ze和水面比降j)LSR{L,Ze,j}，提取控制断面MES的最低河底高程Zb作为补充参数ISSP，建立所述控制断面生态流量控制信息集IS：

若所述控制断面MES无现状大断面成果，需委托具有水文测验能力单位开展断面测量。

5.根据权利要求4所述的一种基于临界水深的生态流量优化评价判别方法，其特征在于，所述S3具体为：

根据所述大断面成果LSR{L,Ze,j}和来水流量Qi(t)、水位Zu(t)数据，建立控制断面MES天然水位流量关系曲线L_FNC{Zu,Qi}；其中，t为历史数据时段数；

若所述来水流量Qi(t)、水位Zu(t)数据较少，无法通过点绘法建立天然水位流量关系曲线，结合采用水力学曼宁公式推算水位流量关系，利用不同水位级的实测数据进行检验，合理确定。

6.根据权利要求5所述的一种基于临界水深的生态流量优化评价判别方法，其特征在于，所述S4的具体步骤为：

通过所述天然水文流量关系曲线L_FNC查得断面多年平均流量AQi相应水位AZu与所述目标控制阈值ISOT相应水位OZu，相减求得基础水位差A_OZu，引入所述目标控制阈值ISOT与所述断面多年平均流量AQi之比敏感系数Ps，求得下游水位参数划分间距ΔZd：

ΔZd＝floor(Ps×A_OZu)

其中，Floor()为向下取整函数；

不足1m的，山区性河流的下游水位参数划分间距ΔZd取1m划分下游水位等级，平原性河流的下游水位参数划分间距ΔZd取0.5m划分下游水位等级。

7.根据权利要求6所述的一种基于临界水深的生态流量优化评价判别方法，其特征在于，所述S5具体为：根据确定的所述下游水位参数划分间距ΔZd，利用所述生态流量控制信息集IS中主要控制变量ISMV{Qi}和次要控制变量ISSV{Zu，Zd}，以下游水库死水位Zs至正常蓄水位Zz的水位区间为下游顶托水位参数变化范围，逐级拟定一簇水位流量关系曲线L_FCS{L_FCS₁,L_FCS_n,L_FCS_N}：

L_FCS₁＝{Zu,Qi}

Zd∈[Zs，Zs+ΔZd]

L_FCS_n＝{Zu,Qi}

Zd∈[Zs+(n-1)×ΔZd，Zs+n×ΔZd],n∈[2，N-1]

L_FCS_N＝{Zu,Qi}

Zd∈[Zs+(N-1)×ΔZd，Zz]

N＝floor[(Zz-Zs)/ΔZd]

其中，N为L_FCS中曲线的总个数，L_FCS_n为第n条受下游水库回水顶托影响水位流量关系曲线。

8.根据权利要求7所述的一种基于临界水深的生态流量优化评价判别方法，其特征在于，所述S6的具体步骤为：

将S5中拟定的所述一簇水位流量关系曲线L_FCS和S3中建立的所述天然水位流量关系曲线L_FNC叠加绘制成包含天然及下游回水顶托影响的所述控制断面MES水位流量关系图RG，引入滑动分析图解法，设置一条平行于水位坐标轴Z的滑动流量线，从∞逐渐向所述目标控制阈值ISOT逼近，提取与所述天然水位流量关系曲线L_FNC交汇(或水位差第一次小于ΔZd)点在横坐标轴上距所述目标控制阈值ISOT最近的一条L_FCS_o作为所述控制断面MES面向生态流量指标、受下游水库回水顶托影响的临界水位流量关系曲线，获得向生态流量指标、受下游水库回水顶托影响的临界下游顶托水位Zdc，结合所述补充参数ISSP(最低河底高程Zb)，推求库尾临界水深CH；

If o＝N

Zdc＝[Zs+(N-1)×ΔZd+Zz]/2

If o＜N

Zdc＝Zs+(o-1)×ΔZd+ΔZd/2

CH＝Zdc-Zb。

9.根据权利要求8所述的一种基于临界水深的生态流量优化评价判别方法，其特征在于，所述S7的具体为：

以所述S6推求获得的库尾临界水深CH为标准(临界下游顶托水位Zdc)，依据所述生态流量控制信息集IS中次要控制变量ISSV下游水库实时水位Zd(t)，优化断面是否受顶托的状态判别方法；

当Zd(t)＞Zdc(即Zd(t)-Zb＞CH)时，即断面受下游水库回水顶托，应按断面日下泄水量Wi评估生态流量是否满足指标要求；

当Zd(t)＜Zdc(即Zd(t)-Zb＜CH)时，即断面不受下游水库回水顶托，应按断面瞬时流量Qi(t)评估生态流量是否满足指标要求。