一种考虑污染胁迫的浅水湖泊生态需水量估算方法技术

本发明专利技术提供一种考虑污染胁迫作用的浅水湖泊生态需水量估算方法。首先选择关键生态指标，采用生态水位法确定理想的生态需水量；然后借助于主成分分析法确定重要水质指标，构建水质模拟模型；在此基础上采用情景分析法，即通过设定一定的组合情景（包括管理目标、污水处理水平、入流量条件、出流量条件等）模拟不同情况下水环境信息；最后，结合不同的管理要求和生态水位，综合确定污染胁迫作用下的湖泊生态需水量。本发明专利技术充分考虑现状中的污染胁迫作用，把水质模型耦合到浅水湖泊生态需水量的评估中来，从水质和水量需求两个角度入手估算浅水湖泊生态需水量，使结果能更有效地服务于实际的水资源配置中，增强了生态需水计算方法的实用性。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术属于环境保护领域，涉及一种考虑污染胁迫的浅水湖泊生态需水量估算方 法。
技术介绍
生态需水是水资源规划配置和生态系统保护所须考虑的一个重要因素，合理生 态需水量的确定益于水资源的合理分配，同时有利于维持整个水生态系统的健康。现有 的生态需水量的确定方法多集中在河流方面，如基于水文分析的径流时段曲法、7Q10法、 Tennant法；基于水力学参数的R2CROSS法、湿周法；基于生态学基础的IFIM法以及从系统 整体出发的BBM法和整体评价法等。目前，湖泊生态需水确定方法主要有水量平衡法，换水 周期法，最小水位法，功能法和相关曲线法等。水量平衡法和换水周期法遵循自然湖泊水量 动态平衡基本原理和出入湖水量交换的基本规律，适用于人为干扰较小的闭流湖、水量充 沛的吞吐湖和城市人工湖泊。最小水位法是通过湖泊最小生态水位及面积来确定湖泊最小 生态需水量的一种方法，其对于敏感物种的数据要求较高。功能法根据生态学基本理论，遵 循生态优先、兼容性、最大值和等级原则，系统全面地计算湖泊各组分的生态需水量。相关 曲线法指根据不同类型湖泊的具体情况建立生态功能指标体系，将指标历史数据以及相应 最小水量输入模型中，建立水量与所选的生态功能指标相关曲线图，并通过寻找曲线拐点 确定湖泊最小生态需水量。但以上方法大多从自然水循环角度入手，极少考虑水质因素和 社会因素，忽视了生态需水“质”的内涵，使理论研究与实际水资源配置相脱离。尤其是近 几十年来水质的恶化，严重制约了水资源的可利用性，使得这些方法得出的生态需水难以 满足水生态系统的实际需求。
技术实现思路
针对现有生态需水确定方法的不足仅从自然水循环角度考虑，忽视了水质因素 对于实际生态需水的影响。本专利技术要解决的技术问题是建立一种新的生态需水确定方法， 基于该技术确定的生态需水，可满足在污染胁迫作用下的湖泊水生态系统的需求，并对于 水生态系统的改善与修复具有重要意义。本专利技术解决该技术问题所采取的技术方案如下 首先采用生态水位法确定理想的生态需水量；然后，借助于主成分分析法选择重要的水质 指标，构建水质模拟模型；在此基础上，采用情景分析法，通过设定一定的组合情景(包括 管理目标、污水处理水平、入流量条件、出流量条件等)模拟不同情况下水环境信息；最后， 结合不同的管理要求，设定污染胁迫作用下的湖泊生态需水量。具体步骤如下1.采用生态水位法确定理想生态需水根据已有的生物资料和研究区域的生态环境状况，选择适宜的关键生态指标，采 用生态水位法初步估算理想的生态需水。首先，从研究区域的水文条件出发，分析其长序列的水文资料(常用水位数据，最 好是50年以上)，通过水位频率直方图来确定多年频率出现较高的水位，作为该区域较为适宜的水文条件。频率直方图的制作步骤如下1)分别找出样本观测值的最小值和最大值； 2)适当选取略大于X1'的数a和略大于<的数b，并用分点a = tQ < ti < t2〈… CtHCt1 = I3 把区间(a，b)分成 1 个子区间，即(B^1), (ti;t2)......，(tH，、)，......，(tH，b)；3)把所有样本观测值逐个分到各个子区间内，并计算样本观测值落在各个子区间 内的频数Iii及频率& 4)在χ轴上截取各子区间，以各子区间为底，以V(W1)为高作小矩阵，各个小 矩阵的面积ASi即为样本观测值落在该子区间内的频率，所以小矩阵的面积之和为1。当样本容量足够大时，随机变量χ落在各个子区间内的频率近似等于概率，即t = Pai^1 < χ <、)。^ = IiiAi(i = 1,2, ···, 1) (2)ASi = (ti-t^^^fi/a-t^) = fi (i = 1，2，…，1) (3)其次，选取部分生长状况与湖泊水位相关性较大的生物作为关键的生态指标。相 关性分析可以选用灰色关联度法。根据研究需要列出参考数据(水位)和被比较数据(生 物)，并进行无量纲化处理，得到数列矩阵Y，式中Yu表示第i因子，第j时段的值，YuG = 1,2,…，m)为水位数据列，Yu(i = 2，3，…η) ； j = 1,2,…，m)为生物数据列，在n_l个 生物数据列中，共有m个时段的数据。对矩阵Y进行变换，可得关联度系数矩阵r，式中 为第i个生物数据在第j时段对水位数据第j个时段的关联系数。^n yn ■■■ ^im]「Πι rn ■■· rXmY =r = · ·· ■ ·· · 等· ■·■··■■攀《■ yn2 · · · ynm」Lr"-1,1 rn~\,2 . . · rn-\,m _关联度一般表达式为1 mRi=-Jyij⑷mM最后，找出高频率水位对应的不同年份，对这些不同年份的生态指标进行对比，把 生态状况相对较好的水位为多年平均理想生态水位，而生态状况相对较差的水位为最小生 态水位。根据水位和水量的对应关系，可进一步计算出理想生态需水量和最小生态需水量。2.关键水质指标确定通过现场采样、水质监测的手段对已有水质数据进行补充，采用主成份分析法等 对水体污染类型及污染程度进行分析与评价，并确定关键水质指标。对于污染类型比较明 显的研究区域，可直接选择与之对应的水质指标；否则，可利用因子分析确定。 首先，取η个监测点，每个监测点有ρ个水质监测变量，形成数学矩阵X。先对变量 进行标准化，使每一个变量的数学期望为零，得到标准化数据矩阵Ζ。 然后，对标准化数据进行处理，求解协方差矩阵，即为原始变量的相关系数矩阵 R。从特征方程R-λΙ = 0解出λ1≥λ2≥λ3··· λρ>0及其相应的特征向量Ui(i = 1， 2，…，p)，得到特征向量矩阵U。 根据主因子分析，Y = U' Ζ，式中Y是一组新的彼此之间不相关但又是由原始变 量X1X2…Xp组合的新变量矩阵。 令 所以 根据实际问题，选取q个主因子，q需要满足 —般令Q = 85% 95%。取aij＝√λj·uij，则有 Z = AF+ε，式中 (10)最后，通过主因子旋转和主因子得分，获得主因子F关于变量X的线性组合，并选 择对主因子贡献比较大的若干个变量作为该区域的水质指标。Fij = blXil+b2xi2+…+bpxip(i = 1，2，...，n;j = l，2，...，m) (11)3.水质模拟模型构建对湖泊进行水环境模拟，可以采用一维、二维、三维模型模拟。这里采用WASP模型 中的富营养化模块EUTRO来模拟水体中水质的NH4-N、DO、溶解性有机氮(磷)变化。模拟 过程中涉及的主要方程如下·氨氮方程 式中表示浮游植物死亡和呼吸时氮转化为有机氮的比例；an。表示浮游植物的 氮碳比；k71表示溶解态有机氮的矿化速率，Cf1 ； θ 71表示溶解态有机氮矿化的温度系数；k12 表示20°C条件下的硝化速度系数，Cf1 ； θ 12表示硝化温度系数；Knit表示硝化供氧限制的半 饱和常数，mg/L，Pnh3表示氨氮选择系数。 硝态氮方程 式中K2D表示20°C条件下的反硝化速率，Cf1 ； θ 2D表示反硝化温度系数；kTO3表示 硝化的供氧限制半饱和常数，mg/L。·无机磷方程 式中f。p表示浮游植物死亡和呼吸的磷转为有机磷的比例本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种考虑污染胁迫的浅水湖泊生态需水量估算方法，其确定步骤如下：　　（１）采用生态水位法确定湖泊的生态需水量；　　（２）关键水质指标确定　　采用基于主成分分析的水质综合评价方法等对水体污染类型及污染程度进行分析与评价，并确定关键水质指标。（３）水质模拟模型的构建　　根据功能分区和地形条件等，对湖泊水环境状况进行区域划分和概化，将待研究区域划分成若干个子区域，确定其初始条件、边界条件等；根据情况建立相应的时间序列，构建湖泊水质模拟模型，利用历史监测数据对模型进行调试和参数率定，并模拟现状条件下水质的时空变化。　　（４）基于情景设定法的污染胁迫作用下浅水湖泊生态需水量估算　　利用所建的水质模拟模型，对湖泊不同湖泊管理目标、不同水文情势、不同污水处理水平情景下的水质进行模拟，并进一步确定基于污染胁迫作用下的湖泊生态需水量。　　●通过水质模拟，分析不同的水文情势（如汛期和非汛期）下，湖泊关键水质指标的空间分布与变化。　　●结合现有的污水处理设施、水利工程的建设，设定不同的情景方案集（如不同污水处理水平，不同的面源控制策略、不同流量输入、不同湖泊管理目标等），研究不同情景方案下的关键水质指标的变化趋势，进一步揭示水资源补给、控源措施对水质改善的影响。　　●根据具体湖泊管理要求，综合确定考虑污染因素的浅水湖泊生态需水推荐方案。...

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：杨志峰，郑冲，杨薇，
申请(专利权)人：北京师范大学，
类型：发明
国别省市：11[中国|北京]