一种基于径流情势、水质及生物多要素的环境流量过程调控方法技术

本发明专利技术公开了一种基于径流情势、水质及生物多要素的环境流量过程调控方法，包括以下步骤：步骤1、确定河流生态分区，识别影响生物群落的关键径流情势及水质要素；步骤2、构建径流情势、水质要素及生物多样性指数的量化关系；步骤3、考虑研究河流为自然河流或调控河流，如调控影响剧烈，则计算调控影响下生物多样性指数的变化率；如果研究河流受闸坝调控影响较小或为自然河流，直接进行步骤4；步骤4、完善并扩展河流健康的评价指标(包括径流情势、水质要素和生物多样性指数)和准则。基于实测日径流过程，得到不同水质健康级别下环境流量过程区间。为河流环境流量过程的确定，水利工程调控对生物群落的影响乃至河流生态系统保护提供了技术支撑。

A control method of environmental flow process based on runoff situation, water quality and biological multi factors

【技术实现步骤摘要】
一种基于径流情势、水质及生物多要素的环境流量过程调控方法
本专利技术涉及河流生态环境保护领域，具体为一种基于径流情势、水质及生物多要素的环境流量过程调控方法，兼顾了调控流域闸坝对河流生物分布的影响，主要用于河流生态保护与修复、水资源合理配置等工作。
技术介绍
随着全球经济社会的飞速发展，河流生态系统在水资源开发与利用、水工建筑修建和调控(闸坝、水库等)及污染物过度排放等影响下发生显著的变化。水体污染、生态退化等问题越来越突出，对河流生态系统健康乃至全球水安全构成了严重的威胁，特别是在区域气候多样化、水资源时空分配不均、水利工程调控剧烈、水体污染严重的中国。自20世纪80年代以来，我国流域生态退化、水污染等问题日趋严重，对流域系统健康发展造成了十分不利的影响。目前，全球约有60％以上的河流受水利工程调控的影响，特别是在拥有全球最多闸坝的中国。闸坝在防汛抗旱、蓄水发电、水产养殖、交通航运等方面有着举足轻重的作用，但工程建设人为切断河流，极大地改变了河流的自然状态，影响水流运动规律，改变河流水质的动态变化，对河流水体、底泥中的生物物种及生态系统造成了十分严重的影响。因此，河流生态环境保护工作亟待进一步加强，尤其是水利工程调控流域。环境流量测算及标准制定旨在满足社会价值与经济价值间的平衡，为河流生态健康乃至环境系统保护提供重要科学基础。所谓“环境流量”(Environmentalflow)是指维持河道内生物和河岸带处于健康状态的流量过程。国内外众多学者先后提出超过200种环境流量计算方法，已有方法大致可以分为：1)基于水文条件的环境流量计算方法，主要考虑径流过程中的流量指标，以全年流量的频率百分比作为环境流量的计算标准。此方法计算简单，应用方便，但只考虑了水文过程中的水量指标，一方面未探究多种径流情势指标的影响，无法明晰闸坝调控的影响，另一方面，也没有考虑水质及生物要素的关系；2)基于水力及生物过程的环境流量计算方法，主要考虑河流某种特定鱼类对水力条件的响应，也可同时分析闸坝调控导致的水力条件变化对鱼类生存的影响，考虑较为全面深入。但此类方法重点关注水力要素，无法准确还原整个径流过程，此外，该方法研究对象主要集中为特定鱼类，较为单一，且适用的研究区域较小，难以用于流域尺度的环境流量计算；3)以“水文变化的生态限度”(EcologicalLimitsofHydrologicalAlteration,ELOHA)为代表的环境流量综合法，较为全面的考虑了多种径流情势及生物要素。一方面，该方法未考虑水质要素的影响，另一方面，该方法以单独构建每种径流情势要素与生物之间的线性关系为主，方法较为简单，仍无法得到考虑综合考虑流量、历时及频次等完整径流情势的环境流量过程。本专利通过统计分析与数值模拟相结合的手段，构建一套能够完整考虑径流情势、水质及生物多要素的环境流量过程方法。
技术实现思路
本专利技术的目的在于提供一种基于径流情势、水质及生物多要素的环境流量过程调控方法，该方法综合考虑多种径流情势、水质及生物要素，结合统计分析与数值模拟方法，可较为全面构建径流情势、水质及生物要素间的量化关系，兼顾水利工程调控对河流生物群落变化的影响，并进一步计算环境流量过程，为河流生态环境保护提供技术支持。本专利技术的目的是通过以下技术方案实现的。一种基于径流情势、水质及生物要素的环境流量过程调控方法，此环境流量计算方法不仅考虑径流过程中多种径流情势指标，同时综合考虑水质及水生态要素、河流调控的影响，适用于调控或自然河流，包括以下步骤：步骤1)河流生态分区及关键径流情势和水质要素识别：1-1.收集研究区河流的日径流数据、水质要素数据和生物要素数据；1-2.基于生物要素数据计算河流生物多样性指数，利用多元统计分析方法识别研究区内生物多样性指数的空间分布差异，确定河流生态分区；1-3.基于日径流数据计算径流情势指标，利用多元统计分析方法识别影响河流生物多样性指数变化的关键径流情势指标及水质要素指标；步骤2)构建径流情势、水质要素及生物多样性指数量化关系：利用多元统计分析方法或机理模型，基于步骤1)识别的关键径流情势和水质要素，构建径流情势、水质要素及生物多样性指数间的量化关系模型；步骤3)计算调控对生物多样性指数影响变化率：如果研究河流受闸坝调控影响剧烈，将构建耦合闸坝调度规则的流域分布式水文模型，并通过参数优化等，准确模拟闸坝调控影响下的关键断面的径流过程；设置无闸坝调控情景，模拟无闸坝调控下的径流过程，确定相应的关键径流情势指标，根据步骤2)中构建的量化关系模型，得到无调控影响下的生物多样性指数，并计算调控影响下生物多样性指数的变化率；如果研究河流受闸坝调控影响较小或为自然河流，直接进行步骤4)；步骤4)完善河流健康准则及调控环境流量过程：结合已有河流健康的生物多样性评价准则和步骤2)构建的量化关系，完善并扩展河流健康的评价指标(包括径流情势、水质要素和生物多样性指数)和准则；综合考虑水质准则的约束，以河流生物多样性指数健康等级为目标，确定不同水质健康级别下的径流情势指标范围；基于实测日径流过程序列，调整相应径流情势以满足上述指标的范围，得到不同水质健康级别下的环境流量过程区间，具体过程为：步骤4)的具体过程为：4-1.参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，确定河流在不同健康等级下对应的生物多样性指数范围；4-2.根据确定的河流不同健康等级生物多样性指数范围，利用步骤2)构建的数量化关系模型，确定生物多样性指数在不同健康等级下对应的关键径流情势指标及水质要素指标的取值范围；4-3.设置关键水质要素处在不同健康等级，以保障河流生物多样性指数处于健康水平为目标，基于关键径流情势、水质要素及生物多样性指数量化关系，获得不同水质等级下关键径流情势指标的取值范围；4-4.利用4-3步骤中获得的不同水质等级下关键径流情势指标的取值范围，调整实测日径流过程相应径流情势指标大小，得到满足河流生物多样性指数为健康等级的环境流量过程区间。进一步的，步骤1)中1-1步骤中所述生物要素数据包括河流生物物种种类和密度数据，所述河流生物物种包括浮游植物、浮游动物及底栖生物；1-2步骤中所述生物多样性指数包括香农指数、均匀度指数、辛普森指数等；1-2步骤中利用的多元统计分析方法包括近邻传播聚类分析法；1-3步骤中所述的径流情势指标包括径流量、径流事件发生频率和历时、出现时间和变率，1-3步骤中利用的多元统计分析方法包括冗余度分析法；优选方案：步骤1-2中河流生态分区：基于收集的实测河流生物物种和密度计算河流生物多样性指数，利用统计分析方法如近邻传播聚类分析法(AffinitypropagationClusteringAlgorithm,APCluster)识别不同区域生物多样性指数差别，进而实现河流生态分区。步骤1-3影响河流生物多样性指数变化的关键径流情势及水质要素识别：基于实测日径流数据，计算流量、历时及频次等径流情势指标，利用多元统计分析方法如冗余度分析法(redundancyanalysis，RDA)识别影响河流生物多样性指数变化的关键径流情势及水质要素。进一步的，步骤2)的具体过程为：2-1.选择适合于构建多种解释变量(本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种基于径流情势、水质及生物多要素的环境流量过程调控方法，其特征在于：包括以下步骤：步骤1)河流生态分区及关键径流情势和水质要素识别：1‑1.收集研究区河流的日径流数据、水质要素数据和生物要素数据；1‑2.基于生物要素数据计算河流生物多样性指数，利用多元统计分析方法识别研究区内生物多样性指数的空间分布差异，确定河流生态分区；1‑3.基于日径流数据计算径流情势指标，利用多元统计分析方法识别影响河流生物多样性指数变化的关键径流情势指标及水质要素指标；步骤2)构建径流情势、水质要素及生物多样性指数量化关系：利用多元统计分析方法或机理模型，基于步骤1)识别的关键径流情势和水质要素，构建径流情势、水质要素及生物多样性指数间的量化关系模型；步骤3)计算调控对生物多样性指数影响变化率：如果研究河流受闸坝调控影响剧烈，将构建考虑闸坝调度规则的流域分布式水文模型，模拟闸坝调控影响下的关键断面的径流过程；设置无闸坝调控情景，模拟无闸坝调控下的径流过程，确定相应的关键径流情势指标，根据步骤2)中构建的量化关系模型，得到无调控影响下的生物多样性指数，并计算调控影响下生物多样性指数的变化率；如果研究河流受闸坝调控影响较小或为自然河流，直接进行步骤4)；步骤4)完善河流健康准则及调控环境流量过程：4‑1.参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，确定河流在不同健康等级下对应的生物多样性指数范围；4‑2.根据确定的河流不同健康等级下生物多样性指数范围，利用步骤2)构建的量化关系模型，确定生物多样性指数在不同健康等级下对应的关键径流情势指标及水质要素指标的取值范围；4‑3.设置关键水质要素处在不同健康等级，以保障河流生物多样性指数处于健康水平为目标，基于步骤2)的量化关系模型，获得不同水质等级下关键径流情势指标的取值范围；4‑4.利用4‑3步骤中获得的不同水质等级下关键径流情势指标的取值范围，调整实测日径流过程相应径流情势指标大小，得到满足河流生物多样性指数为健康等级的环境流量过程区间。...

【技术特征摘要】
1.一种基于径流情势、水质及生物多要素的环境流量过程调控方法，其特征在于：包括以下步骤：步骤1)河流生态分区及关键径流情势和水质要素识别：1-1.收集研究区河流的日径流数据、水质要素数据和生物要素数据；1-2.基于生物要素数据计算河流生物多样性指数，利用多元统计分析方法识别研究区内生物多样性指数的空间分布差异，确定河流生态分区；1-3.基于日径流数据计算径流情势指标，利用多元统计分析方法识别影响河流生物多样性指数变化的关键径流情势指标及水质要素指标；步骤2)构建径流情势、水质要素及生物多样性指数量化关系：利用多元统计分析方法或机理模型，基于步骤1)识别的关键径流情势和水质要素，构建径流情势、水质要素及生物多样性指数间的量化关系模型；步骤3)计算调控对生物多样性指数影响变化率：如果研究河流受闸坝调控影响剧烈，将构建考虑闸坝调度规则的流域分布式水文模型，模拟闸坝调控影响下的关键断面的径流过程；设置无闸坝调控情景，模拟无闸坝调控下的径流过程，确定相应的关键径流情势指标，根据步骤2)中构建的量化关系模型，得到无调控影响下的生物多样性指数，并计算调控影响下生物多样性指数的变化率；如果研究河流受闸坝调控影响较小或为自然河流，直接进行步骤4)；步骤4)完善河流健康准则及调控环境流量过程：4-1.参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，确定河流在不同健康等级下对应的生物多样性指数范围；4-2.根据确定的河流不同健康等级下生物多样性指数范围，利用步骤2)构建的量化关系模型，确定生物多样性指数在不同健康等级下对应的关键径流情势指标及水质要素指标的取值范围；4-3.设置关键水质要素处在不同健康等级，以保障河流生物多样性指数处于健康水平为目标，基于步骤2)的量化关系模型，获得不同水质等级下关键径流情势指标的取值范围；4-4.利用4-3步骤中获得的不同水质等级下关键径流情势指标的取值范围，调整实测日径流过程相应径流情势指标大小，得到满足河流生物多样性指...

【专利技术属性】
技术研发人员：张永勇，周宇建，翟晓燕，
申请(专利权)人：中国科学院地理科学与资源研究所，
类型：发明
国别省市：北京,11