一种构造河流生态流量隶属度函数的方法技术

本发明专利技术公开了一种构造河流生态流量隶属度函数的方法，步骤1、假定河道流态为明渠均匀流，并且流速为河道过水断面的平均流速，采用生态水力半径法，依据过水断面水力参数与曼宁公式，确定出河道任意地点生态流速与生态流量间的关系函数，过水断面水力参数包括：水力半径、水力坡度、河道糙率、湿周等；步骤2、采用模糊数法得到生态流速的隶属度函数α(v)，在确定的河道过水断面，生态流量Q与生态流速v是一一映射，则生态流速由v＝f(Q)

A method to construct the membership function of river ecological flow

【技术实现步骤摘要】
一种构造河流生态流量隶属度函数的方法
本专利技术涉及环境保护与资源综合利用
，具体涉及一种构造河流生态流量隶属度函数的方法。
技术介绍
河流是一个兼具自然、社会和经济功能的复合生态系统。人类对于河流不适当的开发利用会引起其理化性质、泥沙淤积规律、水系连通性等性质的改变，进而造成河道水质恶化、河漫滩植被衰退、生态系统生物多样性下降等问题。水库作为对河流影响最大的水工建筑物，其调度运行方式既可以为生态系统带来消极作用，也可以起到修复和保护生态系统的积极作用。目前，各国政府普遍要求各个水库泄放生态流量来保障河流生态功能。河道生态流量主要由以下四类方法确定：水文学法(1)Tennant法，也称蒙大拿法。DonTennant以美国内布拉斯加州、蒙大拿州和怀俄明州10多年现场观测资料为依据，分析栖息地生态环境与河道流量间的相关关系后，于1976年提出的生态流量确定方法[1]，具体见表1。表1Tennant法(蒙大拿法)2011年，陈敏等人将Tennant法应用于港口湾水库修建前后的水文情势变化分析及评价中，发现由于修建水库，下游径流量呈秋冬增加、春夏减少、年内分配更均匀的变化趋势，且部分月份的月平均流量小于适宜生态径流值[2]。2015年，秦民为突出个别年份和流量，以典型年径流代替多年平均流量，结合金沙江实际情况引入输沙影响因子对Tennant法进行改进[3]。2019年，黄显峰等人将物元分析法与Tennant法相结合提出ME-Tennant河流生态流量过程评价模型，并对湖南省刘家坪水电站生态流量过程进行计算及评价[4]。(2)逐月最小生态流量法，依据河流各月多年平均径流系列制定生态流量过程的方法[5]。2013年，潘扎荣等人在逐月最小生态流量法的基础上，以河流天然径流过程的特征变量量化同期均值比，结合多年月平均径流过程推求河道基本生态需水量的年内过程，提出年内展布法[6]。(3)7Q10法，采用90％保证率下连续7日的最枯平均流量作为河流最小流量设计值。该方法在引入我国时，已根据我国的经济发展状况及径流地区分配不均的情况修改为：一般河流采用近10年或90％保证率的最枯月平均流量作为河流环境用水[7]。(4)Texas法，是在Tennant法基础上进一步考虑河流水文因素的季节变化规律，通过计算各月流量频率曲线，在50％保证率的月流量基础上，依据研究区典型植物、水生生物的水量需求设定特定百分率作为最小生态流量[8]。2018年，侯昕玥等人采用多种水文学方法对小清河济南段生态流量进行计算，经SPSS软件分析，认为Texas法计算得出的生态流量适用性最好[9]。水力学法(1)湿周法，是以湿周为栖息地质量指标，绘制栖息地临界湿周与流量关系曲线，将曲线中的发生变化的转折处所对应的流量作为生态流量[10]。(2)R2-Cross法，是一种以湿周率、平均水深、平均流速等水力参数，为保护河流栖息地，利用曼宁公式计算河流生态需水量及生态流量的方法[11]。R2-Cross法确定最小栖息地流量的水力标准见表2。表2R2-Cross法水力标准河流顶宽(m)平均水深(m)湿周率(％)平均流速(m/s)0.3-0.60.06500.30486.3-12.30.06-0.12500.304812.3-18.30.12-0.1850-600.304818.3-30.50.18-0.3≥700.3048生境模拟法(1)河道内流量增量法(InstreamFlowIncrementalMethodology，IFIM)，由I.W.Johnson于1995年提出，该方法将鱼类作为指示物种，通过模拟不同流量水平下研究河段的水深和流速分布情况，结合指示物种在不同水深、流速的情况下适宜度曲线，计算指标物种的栖息地面积，获得栖息地面积与流量曲线后，拐点所对应的流量即为生态流量[12]。(2)PHABSIM法(PhysicalHabitatSimulation)，计算过程包含水力学模拟和栖息地模拟两个部分[13]。首先确定指标物种对水深、流速两主要水力学因素的适应度曲线，并推求出适应度指数，将其与研究断面的水域面积相乘，即可推算出该流量下的有效栖息地面积；接着计算组合适宜度利用PHABSIM模型对河流有效栖息地面积随流量的变化规律进行模拟。选取有效栖息地面积最大时所对应的流量为河流生态流量。整体分析法(1)IHA-RVA法，为定量评价流域水文情势改变度，RichterB.D.从总量、时间、频率、延时和变化率五个方面提出32个指标，建立水文改变指标体系(IndicatorsofHydrologicAlteration，IHA)。RichterB.D.等人在IHA的基础上，以保护水生生物多样性和流域生态功能为目标提出变动范围法(RangofVariabilityApproach，RVA)，用于计算32个IHA指标及整体变化程度[14]。综上所述，虽然水文学法、水力学法、生境模拟法、整体分析法等确定河道生态流量的主流方法，具有操作简单、水文、水力基础数据适用性较好的优点，但它们存在从基流角度确定生态流量，并将生态流量视为固定值的弊端。(1)从基流角度确定生态流量生态基流，即能保障河流基本生态功能的最小流量。河流具有生态功能(栖息地、通道、屏蔽和过滤、源汇)、社会经济功能(淡水供应、水能提供、物质生产、休闲娱乐)及水文、地质功能等[15]。如果水库只按照生态基流的标准泄放流量，则只有小部分功能的需求能得到满足，长此以往，同样会带来诸多生态问题。(2)将生态流量视为固定值研究表明，河流水位上升和下降过程中产生的脉冲是生态系统物质交换、信息传递的主要驱动力之一[16]。固定生态流量会对河流上游与下游、河岸与河漫滩之间营养物质交换、水文情势信息传递造成阻碍，引起水生生物生命周期错乱、生态系统多样性下降等问题，不利于河流的长期发展。此外，在水库调度运行方案制定时，以固定生态流量表示生态需求，只能作为一个约束条件，会削弱生态需求的约束力度，不利于水库资源的合理分配。
技术实现思路
常用的生态流量确定方法不仅是从基流角度确定生态流量，而且将其视为固定值。这虽然能保障河流的基本生态功能、简化水库调度运行方案制定的复杂性，但会严重阻碍营养物质、水文情势信息在生态系统中的传递，不利于生态系统的长期发展。针对上述问题，本专利技术基于生态水力半径法[17]和模糊数法提出生态流量隶属度的概念及生态流量隶属度函数的构造方法。本专利技术可以解决以下技术问题：(1)改变从基流、固定值角度推求河道生态流量，不利于生态系统长期发展的弊端。(2)没有合适的方法可以将生态流速、河道断面形状和生态流量本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种构造河流生态流量隶属度函数的方法，其特征在于，包括以下步骤：/n步骤1、假定河道流态为明渠均匀流，并且流速为河道过水断面的平均流速，采用生态水力半径法，依据过水断面水力参数与曼宁公式，确定出河道任意地点生态流速与生态流量间的关系函数，过水断面水力参数包括：水力半径、水力坡度、河道糙率、湿周；/n步骤11、依据曼宁公式，计算水力半径，曼宁公式的表达式为：

【技术特征摘要】
1.一种构造河流生态流量隶属度函数的方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1、假定河道流态为明渠均匀流，并且流速为河道过水断面的平均流速，采用生态水力半径法，依据过水断面水力参数与曼宁公式，确定出河道任意地点生态流速与生态流量间的关系函数，过水断面水力参数包括：水力半径、水力坡度、河道糙率、湿周；
步骤11、依据曼宁公式，计算水力半径，曼宁公式的表达式为：式中，R为水力半径；v为生态流速；n为河道糙率；J为水力坡度；
步骤12、依据天然河道过水断面形状进行判断，选取合适的计算公式求出水力半径R与过水断面面积A的函数关系；
步骤13、依据公式Q＝A·v，计算生态流量值，式中，Q为生态流量，计算多组生态流速v与生态流量值Q，得到v～Q关系曲线，再通过拟合求得v～Q关系函数：Q＝f(v)；
步骤2、采用模糊数法得到生态流速的隶属度函数α(v)，在确定的河道过水断面，生态流量Q与生态流速v是一一映射，则生态流速由v＝f(Q)-1表示，则对应的河道过水断面生态流量隶属度函数为α(f(Q)-1)。


2.如权利要求1所述的构造河流生态流量隶属度函数的方法，其特征在于，步骤12中不同的...

【专利技术属性】
技术研发人员：李继清，黄婧，孙凤玲，
申请(专利权)人：华北电力大学，
类型：发明
国别省市：北京;11