人工干扰无水文资料地区河流环境流量分区界定计算方法

技术领域

本发明涉及环保，特别是一种人工干扰无水文资料地区河流环境流量分区界定计算方法。

背景技术

环境流量的保障是维持河流生态系统健康发展的基础，对维持河流水生态系统的结构与功能正常发挥具有重要意义。随着社会经济的发展，人类生存发展与水资源有效供给之间的矛盾日益突出，河湖生态环境用水被挤占，河流环境流量难以满足，同时由于大量闸坝等水利工程的存在，严重改变了河流的天然流量过程，对河流生态系统造成严重影响。为保护和修复河流生态系统，开发适宜的环境流量计算方法十分必要。

目前，国内外环境流量的计算方法较多，国外比较前沿的有利用水资源规划方案“ribasim”的新功能计算高、低脉冲洪水下的环境流量，基于熵的生态水文系统动态相关的环境流量计算模型。国内环境流量计算方法主要有水文学法、水力学法、栖息地模拟法和整体法等，其中水文学法需要的历史资料及现场调查工作较少，多用于宏观规划和水生生物资料缺乏地区使用；与水文学法相比，水力学法考虑了生物栖息地要求，对数据的时间尺度要求不高，但其计算结果受河道断面形状较大；栖息地模拟法将生物响应与水力、水文状况直接联系，可以确定很多物种的最佳流量，但需要收集广泛的数据，成本较高；整体法明确着眼于广泛的环境效果，不限于单一的某种方法，需要科学领域内广泛的专家意见和技术，成本高且过程冗长。

尽管上述方法各有利弊，但多使用于受人工干扰程度小的自然河道环境流量的计算，同时是在具有水文站监测资料前提条件下开展的，侧重计算河流生态系统所需的环境流量。而我国河流现状即面临生态系统受损，又面临水质污染，在上述双重威胁存在的条件下，为保障河流经济社会功能的正常发挥，水库、闸坝等水利工程又大力兴建，河流人工干扰程度大，河流天然的水文情势丧失，维持河流生态系统功能正常发挥的环境流量难以保障，目前常用的计算方法也难以用于此类特殊流域的环境流量的计算。为解决上述问题，十分有必要在现有计算方法上进行改进，为受人工高度干扰及无水文资料地区的河流生态修复以及水利工程的科学调度提供一种适宜的环境流量计算方法。

发明内容

针对上述情况，为克服现有技术之缺陷，本发明之目的就是提供一种人工干扰无水文资料地区河流环境流量分区界定计算方法，可有效解决人工干扰无水文资料地区河流环境流量的计算问题。

本发明解决的技术方案是，以流域水生态功能分区为前提，界定环境流量的构成，然后采用水文比拟法和参数等值线法来推求无水文资料地区河流多年平均径流量及年内分配，以此为基础流量数据，对不同分区环境流量计算，确定河流不同节点的环境流量，包括以下步骤：

(1)确定流域范围，进行水生态功能分区：

进行水生态功能区二级分区，一级分区包括能够反映流域的气候、地势、土壤、植被自然环境要素指标的平均降水量、平均高程、地表粗糙度、土地利用强度；在一级分区基础上，进行二级分区，二级分区包括能够反映河段尺度上的栖息地环境以及人工干扰影响指标的小流域坡度、河道弯曲度、水网密度、水利工程密度和小流域污染负荷，利用GIS系统(地理信息系统软件)采用空间插值法及赋值来确定各参数值，用权重赋值分析方法确定分区；

(2)以水生态功能分区为基础，确定不同分区的环境流量组成及不同类别环境流量的计算方法：

水生态功能分区为城市人工高度干扰区和自然河道区，所述的城市人工高度干扰区包括维持稀释自净、景观娱乐、蒸发和地下水位的流量；所述的自然河道区包括维持水生生物栖息、蒸发和地下水位的流量。

维持稀释自净功能所需流量采用水质水量平衡模型，同时考虑水功能区纳污能力核算中的设计流量综合确定；景观娱乐所需流量用水深和水面面积方法来确定，景观娱乐用水水深为0.7～1.5m；维持水生生物栖息所需最小流量采用Tennant方法和湿周法确定，Tennant法计算时，每年10月～翌年3月用水期的流量采用30年以上的平均月流量的10％作为河道内的维持水生生物栖息最小环境流量，每年4～9月鱼类产卵育幼期采用30年以上的平均月流量的30％作为河道内维持鱼类产卵育幼期的最小环境流量；湿周法采用斜率求法来确定临界点；维持河流地下水位需水流量根据达西定律来确定；蒸发需水流量采用水面面积、水面蒸发深以及降雨量的参数进行计算；

(3)确定参证流域，计算无水文资料流域不同节点的基础流量数据，采用水文比拟法和参数等值线法来推求多年平均径流量及年内分配：

以参证流域近30年的天然流量数据为基础，利用GIS划分流域不同汇水区域，计算闭合汇水区域面积，以此为基础采用水文比拟法计算不同汇水区域节点流量；参数等值线法是依据多年平均径流深等值线图来计算年平均径流量，采用水文比拟法和参数等值线法计算结果平均值作为最终节点流量数据；

(4)建立河段环境流量计算模型及河流环境流量整合模型：

上游河段环境流量为非消耗性流量的最大值与消耗性流量之和，河流下游河段环境流量采用汇流式整合模型计算公式计算，分别是：

城市人工高度干扰区域河段计算公式：

自然河道区域河段计算公式：

其中：和分别为第n河段稀释自净、景观娱乐、水生生物栖息地、维持地下水位、水面蒸发和环境流量；为非消耗性需水流量，即稀释自净和景观娱乐所需流量的最大值；

同一水系下游河段汇流整合模型公式为：

式中：Q为下游河段的环境流量，Q_ifxh为上游所有河段的消耗性流量，Q₁₁、Q₂₁、Q₃₁为上游河段非消耗性流量，通过上述数学模型计算，从而实现人工干扰无水文资料地区河流环境流量分区界定的计算。

本发明方法新颖独特，科学，是一种基于功能需求的环境流量计算方法，可以为受人工干扰程度较大且缺乏水文资料的河流进行水资源优化调配以及水利工程生态调度，保障河流功能正常发挥所需最小环境流量，修复河流生态系统，保护河流的生态环境，经济和社会效益巨大。

附图说明

图1为本发明的工艺流程图。

图2为本发明同一水系河流下游河段汇流整合模型图。

图3为本发明水质水量平衡构建模型图。

具体实施方式

以下结合具体情况对本发明的具体实施方式作详细说明。

由图1-3所示，本发明在具体实施中，包括以下步骤：

(1)确定流域范围，进行水生态功能分区：

进行水生态功能区二级分区，一级分区包括能够反映流域的气候、地势、土壤、植被自然环境要素指标的平均降水量、平均高程、地表粗糙度、土地利用强度；在一级分区基础上，进行二级分区，二级分区包括能够反映河段尺度上的栖息地环境以及人工干扰影响指标的小流域坡度、河道弯曲度、水网密度、水利工程密度和小流域污染负荷，利用GIS系统(地理信息系统软件)采用空间插值法及赋值来确定各参数值，用权重赋值分析方法确定分区；

(2)以水生态功能分区为基础，确定不同分区的环境流量组成及不同类别环境流量的计算方法：

控制河段的水生态功能分区为城市人工高度干扰区和自然河道区，所述的城市人工高度干扰区包括维持稀释自净、景观娱乐、蒸发和地下水位流量，其中维持稀释自净功能所需流量采用水质水量平衡模型，同时结合水功能区纳污能力核算中的设计流量综合确定，水质水量平衡模型构建时结合河段上游来水流量Q₁、单位m³/s和污染物量P₁、单位t/a；工业点源排入控制河段的排入量Q₂、单位为m³/s和污染物排入量P₂、单位为t/a；污水处理厂排入控制河段的排入量Q₃、单位m³/s和污染物排入量P₃、单位为t/a；为河段直排生活污水流量Q₄、单位m³/s和污染物量P₄、单位t/a；河段已有生态补水流量Q₅、单位m³/s和污染物量P₅、单位t/a；河段区间降雨径流的流量Q₆、单位m³/s和污染物量P₆、单位t/a；河段支流汇入的流量Q₇、单位m³/s和污染物量P₇、单位t/a；河段下游流量Q₈、单位m³/s和污染物量P₈、单位t/a；河段蒸发耗水流量Q_耗、单位m³/s和污染物量P_耗、单位t/a；河段自净削减污染物量P_zj、单位t/a；河段取水/渗漏平衡流量ΔQ、单位m³/s和污染物量ΔP、单位t/a(如图3所示)。

上述自净削减量采用综合衰减系数法来确定，其余采用实际监测数据。

区段污染物的综合削减系数k_sj计算公式为：

式中：Q₁，C₁—分别为河段上游来水的流量、单位m³/s和污染物浓度、单位mg/L；

q_i，c_i—分别为排污口或支流的流量、单位m³/s和污染物浓度、单位mg/L；

Q₈，C₈—分别为河段下游的流量、单位m³/s和污染物浓度、单位mg/L；

k_sj—污染物综合削减系数；

河流蒸发需水流量采用水面面积、水面蒸发深以及降雨量的参数，蒸发需水量采用如下公式计算：

式中：A为水面面积、单位m²；P为多年平均降雨量，单位mm/a；E为多年平均蒸发量，单位mm/a；

景观娱乐所需流量用水深和水面面积方法来确定，景观娱乐用水水深为0.7～1.5m。维持河流地下水位需水流量根据达西定律来确定，公式如下：

Q_河补＝10^-4·K_s·I·A·L·t式(6)

Q_河补为单侧河道渗漏量，单位：万m³/a；K_s为剖面位置不同岩性的渗透系数，单位m/d；I为垂直于剖面的水力坡降；A为单位长度河道垂直于地下水流向的剖面面积，单位m²/m；L为河道或河段长度，单位m；t为河道或河段过水渗漏时间，单位d；

所述的自然河道区包括维持水生生物栖息、蒸发和地下水位流量，维持水生生物栖息所需最小流量采用Tennant方法和湿周法确定，Tennant法计算时，每年10月～翌年3月用水期的流量采用30年平均月流量的10％作为河道内的维持水生生物栖息最小环境流量，每年4～9月鱼类产卵育幼期采用30年平均月流量的30％作为河道内维持鱼类产卵育幼期的最小环境流量；湿周法采用斜率求法来确定临界点；

(3)采用水文比拟法和参数等值线法计算无水文资料流域的不同节点的基础流量数据：

水文比拟法是将参证流域的径流资料特征参数、分析按要求有选择地移置到设计流域上来的一种方法，参证流域应有较长的实测径流资料，其气候条件、下垫面条件情况与设计流域相近，具体公式如下：

Q_设＝k₁k₂Q_参式(7)

其中Q_设、Q_参分别为设计流域和参证流域的30年平均径流量，m³/s；k₁、k₂分别为流域面积和年降水量的修正系数；A_设、A_参分别为设计流域和参证流域的流域面积，km²；P_设、P_参分别为设计流域和参证流域的30年平均降水量，单位mm；

参数等值线法主要通过水文特征值的参数等值线图来进行计算，以1956～2000年平均径流深值线图来计算年平均径流量；

首先利用GIS系统找出各控制单元的形心，根据每个控制单元形心附近的两条等值线按比例内插计算各形心处的30年平均径流深，再乘以对应控制单元的流域面积，得到各控制单元的30年平均径流量：

Q_设＝mRA式(9)

式中Q_设为30年平均径流量，单位m³；R为30年平均径流深，单位mm；A为流域面积，单位km²；m为单位换算系数，m为1000；

为保证流量计算结果更为准确，采用两种方法计算结果的平均值作为无水文资料地区不同节点的30年平均径流量；

根据计算所得的30年平均径流量，采用水文比拟法来推求年径流量的年内分配，直接移用参证流域各种设计代表年的月径流量分配比，乘以研究流域的年径流量即得到年径流量的年内分配；

(4)上述流量都为河道内所需流量存在交叉重叠的现象，在进行环境流量整合时，不能简单的加和：

上游河段河流非消耗性需水流量取各个分项的最大值，河流环境流量等于河流非消耗性需水流量与消耗性需水流量之和，其中河流消耗性需水为蒸发及维持地下水位所需流量：

不同分区上游河段流量整合模型分别为：

城市人工高度干扰区：

自然河道区域河流环境流量模型为：

式中：和分别为第n河段稀释自净、景观娱乐、水生生物栖息地、维持地下水位、水面蒸发和环境流量，为非消耗性需水流量，为稀释自净和景观娱乐所需流量的最大值；

根据上述不同分区不同河段计算环境流量结果，对其进行整合得到下游河段(即可代表整条河流)所需环境流量，以汇流式河流水系为例来说明具体整合计算模型：

式中：Q为下游河段的环境流量，Q_ifxh为上游所有河段的消耗性流量，Q₁₁、Q₂₁、Q₃₁为上游河段非消耗性流量。

本发明经实地应用，效果非常好，具有很好的实地应用价值，有关试验情况如下：

按照上述方法对我国北方无水文资料流域某人工高度干扰河流进行环境流量计算。

该河流属淮河流域沙颍河水系，全长149km，流域面积2362km²。流域四季气候特征为：春季干旱多风沙，夏季炎热多降水，秋季凉爽日照长，冬季寒冷少雨雪，全年平均气温在14.3～14.6℃之间，年极端最高气温为44℃，年极端最低气温为-17.5℃，多年平均降水量为727mm，属于北温带大陆性季风气候，但降水量年内分配不均，雨量集中在夏秋季节，汛期降水量占全年降水量的80％，降水在年内分配不均决定了径流在年内的分配不均，同时由于流域内闸坝较多(共29座)，由于闸坝的蓄水拦截严重影响了河道内的径流分配。水面蒸发量为937.5～1000mm，多年平均径流量深为75mm，陆面蒸发量为653mm，根据颍河化行和黄桥1953～2013年的多年天然径流量，计算所得该流域(许昌段)多年平均径流量为1.12亿m³。

本发明以该河流所处流域为研究对象，分为城市人工高度干扰区和自然河道区域，其中人工高度干扰区主要包括稀释自净、景观娱乐、蒸发、维持地下水位所需流量，自然河道区域包括栖息地、蒸发和维持地下水位所需流量。

(1)以其汇入前后黄桥和化行两个水文站点长系列(1956-2013)的水文资料为基础，采用水文比拟法和参数等值线法确定不同节点的流量数据，其中参数等值线法中多年平均径流深参数分别为：清潩河禄马桥段72.95mm，清潩河高村桥段74.09mm，清泥河南外环桥段74.55mm，小泥河大石桥段78.89mm，石梁河三张闸段79.17mm，小洪河地方铁路桥段73.13mm。计算所得不同节点的基础流量数据为：

表1 清潩河(许昌段)流域流量情况表 流量单位：m³/s

(2)城市人工高度干扰区涉及不同类型环境流量计算时的主要参数确定如下：维持稀释自净所需流量中综合衰减系数k_sj取值为：化学需氧量(COD)的衰减系数为0.15/d，氨氮为0.18/d；维持景观娱乐需水时涉及河段清潩河禄马桥段水深取值为1～1.5m，清潩河高村桥段水深为1.5～3m，清泥河南外环桥段1.0～2.0m，依据上述主要参数计算所得非消耗需水流量结果见表2。

表2 城市人工高度干扰区域河段非消耗需水流量

按照对应计算方法计算上述河段的蒸发和维持地下水位所需流量，与非消耗流量加和所得三个河段的环境流量。1月至12月流量范围分别为：清潩河长葛段0.903～1.323m³/s、清潩河高村桥段1.041～3.251m³/s、清泥河南外环桥段0.196～0.746m³/s。

(3)自然河道区涉及不同类型环境流量计算时主要参数确定如下：其中湿周法计算时三个河段沿河流方向的高程差与相应的河流长度的比值为0.0004，河道糙率取0.025。

表3 自然河道区河段维持水生生物栖息地所需流量 单位m³/s

按照对应计算方法计算上述河段的蒸发和维持地下水位所需流量，与维持水生生物栖息地所需流量加和所得三个河段的环境流量，1月至12月流量范围分别为：石梁河三张闸河段0.176～0.751m³/s、小洪河地方铁路桥河段0.173～0.998m³/s、小泥河大石桥河段0.294～1.096m³/s。

本发明在方法经对其他河流控制河段进行实验和实测，均取得了与上述实验相同和相挖的结果，表明方法稳定可靠，具有实际的应用价值，可以为受人工干扰程度较大且缺乏水文资料的河流进行水资源优化调配以及水利工程生态调度，保障河流功能正常发挥所需最小环境流量，修复河流生态系统，保护河流生态环境，造福于人类做出创造性的贡献，经济和社会效益巨大。