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流域生态需水整合分析技术.pdf

上传人：r5

文档编号：1660081

上传时间：2018-07-02

格式：PDF

页数：7

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本发明提供了一种流域生态需水整合分析方法，针对流域中不同空间和不同类型生态系统需水间存在兼容性产生的流域尺度生态需水总量难以确定的问题，将不同生态需水划分为消耗型和非消耗型需水两种类型，根据河流上下游间关系以及河流与湖泊间的联通关系，提出简单型，汇流型，分流型、组合型、交叉型和河口型六种流域生态需水整合模式，以最大值原则与兼容性原则计算不同流域生态需水整合分析模式下的生态需水总量，计算结果可直接应。

摘要
申请专利号：	CN200910162248.7	申请日：	2009.07.31
公开号：	CN101865687A	公开日：	2010.10.20
当前法律状态：	撤回	有效性：	无权
法律详情：	发明专利申请公布后的视为撤回IPC(主分类):G01C 13/00申请公布日:20101020\|\|\|公开
IPC分类号：	G01C13/00	主分类号：	G01C13/00
申请人：	北京师范大学
发明人：	杨志峰; 刘静玲; 崔保山; 孙涛
地址：	100875 北京市海淀区新街口外大街19号
优先权：
专利代理机构：		代理人：
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内容摘要

本发明提供了一种流域生态需水整合分析方法，针对流域中不同空间和不同类型生态系统需水间存在兼容性产生的流域尺度生态需水总量难以确定的问题，将不同生态需水划分为消耗型和非消耗型需水两种类型，根据河流上下游间关系以及河流与湖泊间的联通关系，提出简单型，汇流型，分流型、组合型、交叉型和河口型六种流域生态需水整合模式，以最大值原则与兼容性原则计算不同流域生态需水整合分析模式下的生态需水总量，计算结果可直接应用于流域尺度水资源配置，对我国水资源的综合管理和生态环境恢复的目标确定具有重要意义，是一种适合中国国情的生态需水计算方法。

权利要求书

1.一种流域生态需水整合分析技术，其步骤为：1)明确流域不同生态需水类型；2)建立流域生态需水整合分析模式；3)根据累加值原则整合计算消耗型生态需水总量，以最大值原则计算非消耗型生态需水总量，在不同类型生态需水整合模式基础上计算流域尺度生态需水总量。2.根据权利要求1所述的一种流域生态需水整合分析技术，按照水文过程类型的差异，将流域划分为旱地生态系统、湿地生态系统和河口生态系统，进而将不同类型生态需水划分为消耗型和非消耗型两种类型，其中消耗型需水量包括植物蒸散发消耗需水，土壤、水面蒸发消耗需水及渗漏需水：非消耗型需水包括生态基流、自净需水、水沙平衡需水、盐度平衡需水以及营养物平衡需水。3.根据权利要求1所述的流域生态需水整合模式，包括简单型，汇流型，分流型、组合型、交叉型和河口型流域生态需水整合模式。4.根据权利要求1所述的生态需水整合计算方法：简单型生态需水整合计算公式为，W=Σi=1NWi0+Max(W11,W21,...,WM1),]]>式中，M为河流分区数；N表示河段数；Wi0为消耗型需水；Wi1为非消耗型需水。汇流型生态需水整合计算公式为W=Σi=1NWi0+Max[W11,(W21+W31)],]]>式中，N表示河段数；Wi0为消耗型需水；Wi1为非消耗型需水。分流型生态需水整合计算公式为W=Σi=1NWi0+Max[W11,(W21+W31)],]]>式中，N表示河段数；Wi0为消耗型需水；Wi1为非消耗型需水。组合型生态需水整合计算公式为W=Σi=1NWi0+Max[(W21+W31),W11,(W41+W51)],]]>式中，N表示河段数；Wi0为消耗型需水；Wi1为非消耗型需水。交叉型生态需水整合计算公式为W=Σi=1NWi0+Max[(W21+W31),(W41+W51)],]]>式中，N表示河段数；Wi0为消耗型需水；Wi1为非消耗型需水。河口型生态需水整合计算公式为W=Σi=1NWi0+Max(W11,W21),]]>式中，N表示河段数；Wi0为消耗型需水；Wi1为非消耗型需水。

说明书

流域生态需水整合分析技术

技术领域

本发明属于环境保护技术领域，尤其涉及一种流域尺度生态需水整合分析技术，解决流域尺度生态需水总量定量分析问题。

背景技术

水资源的不合理开发和利用已成为导致我国流域生态系统退化的重要原因。近年来，随着人口的增加、经济的发展，人类对水资源开采程度和破坏程度不断增强，生态系统退化加剧。区域社会经济长期持续发展已收到制约。目前，生态需水计算方法和技术通过核算不同类型生态系统不同生态服务功能对水量的要求确定生态需水量，实现约束人类对水生态系统水量的索取、保障生态系统健康的目标。保证生态系统生态需水已成为实现生态保护和修复与社会经济协调发展的重要基础。

由于生态系统类型结构和功能间的差异性，目前生态需水计算方法一般针对不同类型、空间区域生态系统的特点分别展开。研究方法包括了Tennant法为代表的水文学方法，湿周法为代表的水力学方法，IFIM为代表的生境模拟法以及以BBM为代表的整体法(Tharme，2003)。不同类型生态需水计算方法分别从维护特定生态保护目标的角度分析生态需水量。水文学方法是在自然状态河流多年水文数据的基础上，根据简单的水文指标(如占平均流量的百分比或天然流量频率曲线上的保证率)来确定河流生态系统需水量的方法。其中Tennant法是以预先确定的年平均流量百分数作为河流推荐流量，其中10％是最小生态需水量，而60％～100％则是最优生态需水量，该方法是目前应用最为广泛的水文学方法。7Q10法采用90％保证率下最枯连续7天的平均水量，作为满足污水稀释功能的河流所需流量。我国一般河流采用近10年最枯月平均流量或90％保证率最枯月平均流量。水文学方法适用于水资源规划的需要和水文数据相对缺乏的情况对生态需水量的初步估算。水力学方法主要从保护河流水生生物栖息地水力学要素出发，通过建立流量与河道水力参数(如宽度、深度、流速和湿周等)之间的关系，确定河流生态需水量。湿周法将湿周作为某个河流栖息地质量指标，通过湿周随流量增加所表现出的增长变化点确定河流推荐流量。湿周法适用于宽浅型和抛物线型河道，且要求河床形状稳定(Gippel et al.，1998)。水力学方法由于只考虑河道形态而忽视了生物的需求，目前应用较少。生境模拟法将生物、生态及环境等要素与流量建立起定量关系，根据指示物种所需的水文、水力条件来确定河流流量，目的是为水生生物提供一个适宜的物理生境。代表方法中的河道内流量增量法(IFIM)通过评价河道内流量的变化对渠道结构、水质、温度和所选物种适宜栖息地的影响确定需水量(Scatena，2004)。栖息地模拟法通过分析不同流量体系下的目标物种或种群(通常指鱼类或无脊椎动物)所栖息的河道内物理生境范围、质量，并综合相应的水文、水力及生态数据，明确生态需水量。生境模拟法着重考虑河流生物物种的保护，计算得到流量范围不能满足整个河流的管理要求。整体法最早由南非和澳大利亚的学者合作研究而建立(King et al.，2003)。该方法将流量可分为三个部分：低流量、特殊目标流量、洪水流量，通过专家小组对河流上不同水量和时段的水生态状况做出判断。根据专家意见综合研究流量、泥沙运输、河床形状与河岸带群落之间的关系，使推荐的河道流量强调区域内不同生态保护目标，如生物保护、栖息地维持、泥沙沉积、污染控制和景观维护等功能需水的要求。

目前不同生态需水计算方法主要针对流域内不同类型生态系统需水要求分别展开。由于流域尺度水文过程的连续性，使得不同类型生态系统需水量间存在显著的兼容性，流域尺度生态需水总量并非不同类型和不同空间位置生态系统需水量的总和。目前不同类型生态需水分析技术和方法存在难以考虑流域不同空间位置生态需水间兼容性的不足，难以为流域尺度生态需水分析以及相应水资源合理配置提供科学依据。面向流域尺度水资源管理的要求，考虑流域不同类型生态需水间的相关关系，从流域整体角度开发生态需水分析技术具有重要现实意义。

发明内容

本发明针对当前生态系统需水计算方法难以为流域整体尺度生态需水定量分析提供支持的不足，根据河流上下游间关系以及河流与湖泊间的联通关系，提供了一种流域生态需水整合分析技术，确定流域生态需水总量。

本发明的特征在于特别考虑流域内不同类型生态需水以及不同空间位置生态需水间兼容性问题，通过将流域生态系统划分为旱地、湿地以及河口生态系统三种类型，并将不同生态需水划分为消耗型和非消耗型需水两种类型，根据河流上下游间关系以及河流与湖泊间的联通关系，提出简单型，汇流型，分流型、组合型、交叉型和河口型六种流域生态需水整合模式，以最大值原则与兼容性原则计算不同流域生态需水整合分析模式下的生态需水总量。有效解决不同类型生态系统生态需水之间的重复计算问题。

本发明的主要目的在于解决流域尺度不同空间位置和不同类型生态需水量间的兼容性问题，与现有技术相比本专利技术具有以下优点：

1)实用性强，本发明将流域内不同类型生态需水划分为消耗型和非消耗型需水量，明确提出了不同情景下的生态需水整合模式，可以为流域尺度生态需水计算提供技术支持，避免流域整体尺度生态需水定量分析的不足。

2)提出了不同流域生态需水整合分析模式下的生态需水总量计算方法，计算方法简洁，避免繁琐的计算工作量，更适用于流域生态需水分析。

附图说明

附图1为流域生态需水整合模式图；

附图2为典型流域生态需水量；

具体实施方式

以下详细说明本发明的工作原理和实施方式：

本专利流域生态需水按不同功能、类型、形态与位置、补给方式等分类标准，将流域生态需水划分为消耗型需水与非消耗型需水两类(如表1所示)。

表1 流域生态需水分类及整合原则

本专利将蒸发、渗漏消耗需水等划分为消耗型需水，将生态基流、输沙需水等划分为非消耗型需水。计算单个分区或生态系统内生态需水应考虑消耗型需水的累加及以最大值为原则计算非消耗型需水。同一分区内旱地与湿地生态需水间的整合以累加性为原则确定。由于相互间联系方式的不同，可将湖沼湿地划分为通河湖沼湿地与非通河湖沼湿地，其中非通河湿地主要指由于人为因素造成与河流天然联系通道被破坏的湿地。河流湿地与通河湖沼湿地中非消耗型需水间存在兼容性，相应需水以最大值原则为基础整合。

根据上下游关系将流域分区，并以此为基础将河流分段。区间生态需水计算以河段为对象进行，采用N表示河段个数。采用Wi表示第i河段计算结果(i＝1，2，…，N)。计算中各河段有Wi＝Wi0+Wi1，式中，Wi0为消耗型需水(蒸发、渗漏消耗)；Wi1为非消耗型需水(生态基流等)。流域生态需水包括各河段消耗型需水Wi0的总和及各分区非消耗需水的最大值。流域生态需水整合分析技术将生态需水整合模式划分为简单型、汇流型、分流型、组合型、交叉型和河口型六种类型。

其中简单型生态需水整合模式如图1(a)所示，根据河流上下游关系，将区域分为A-B区和B-C区。整合计算公式为，

W=Σi=1NWi0+Max(W11,W21,···,WM1)---(1)]]>

式中，M为分区数；N表示河段数；Wi0为消耗型需水；Wi1为非消耗型需水。

汇流型生态需水整合模式见图1(b)所示，根据流域上下游关系，将流域分为A-B区和B-C区，并将A-B区划分为两个区段，计算得到生态需水分别为W2和W3，B-C区内区段计算结果为W1，整合计算公式为

W=Σi=1NWi0+Max[W11,(W21+W31)]---(2)]]>

式中，N表示区段数；Wi0为消耗型需水；Wi1为非消耗型需水。

分流型生态需水整合模式见图1(c)所示，整合计算公式为

W=Σi=1NWi0+Max[W11,(W21+W31)]---(3)]]>

组合型生态需水整合模式见图1(d)所示，整合计算公式为

W=Σi=1NWi0+Max[(W21+W31),W11,(W41+W51)]---(4)]]>

交叉型生态需水整合模式见图1(e)所示，整合计算公式为

W=Σi=1NWi0+Max[(W21+W31),(W41+W51)]---(5)]]>

河口型生态需水整合模式见图1(f)所示，将河口段划分为河流A-B和河口B-C两个分区，生态需水分别为W1和W2，整合计算公式为

W=Σi=1NWi0+Max(W11,W21)---(6)]]>

实例

本发明提供的流域生态需水整合分析技术，将流域内不同类型生态需水划分为消耗型和非消耗型需水量，明确提出了不同情景下的生态需水整合模式，可以为流域尺度生态需水计算提供切实的技术支持。同时计算方法简洁，避免繁琐的计算工作量。

本案例选择北方地区极具代表性的海河流域作为实例分析。研究所涉及到的数据主要来源于海河流域水资源公报。运用生态需水整合分析技术(式1～式6)对海河流域各子系统生态需水进行整合计算。首先进行同一水系不同河段生态需水的整合，再进行同一水系河流湿地、湖沼湿地和河口生态需水的整合，最后进行不同水系生态需水整合得到全流域的年均和月均生态环境需水。根据海河流域典型河流湿地、湖沼湿地和河口空间位置和相互关系，确定各水系所用的整合计算模式如下：

潮白河水系包括潮河、白河和潮白河段，运用式(1)进行整合计算。

滦河水系包括滦河段和滦河河口，运用式(1)和式(6)进行整合。

漳卫河系包括漳河、卫河、卫运河、漳卫新河和漳卫新河口，运用式(2)、式(1)和式(6)进行整合。

唐河系包括白沟河、南拒马河和唐河，运用式(2)和式(1)进行整合。

计算不同水系上的湖沼湿地，可将其作为一个河段处理，运用不同河段的生态环境需水整合模型，与水系上其他河段进行计算整合。这样的湖沼湿地包括白洋淀、宁晋泊和恩县洼。

其中，卫运河和恩县洼运用式(1)进行整合计算；滏阳河和宁晋泊也运用式(1)进行整合计算，唐河、沙河和白洋淀运用式(2)进行整合计算。

在各子系统生态需水计算基础上，运用整合计算模型，得到了海河流域主要水系生态需水。高、中、低方案(理想、适宜和最小等级)下的年度生态需水分别为116.79×108m3、78.88×108m3和33.40×108m3(图2)。不同月份所需保证的生态需水有很大的差异，不同等级生态需水的最大值均在8月份，最小值均在2月份。

本专利考虑流域中不同生态系统的关联性与生态需水的兼容性，提出不同生态需水整合模式及相应的生态需水整合计算公式，计算方法简便，计算结果可直接应用于流域尺度水资源配置，对我国水资源的综合管理和生态环境恢复的目标确定具有重要意义，是一种适合中国国情的生态需水的计算方法。