專利名稱：：一種快速環(huán)境流量評(píng)估技術(shù)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
：本發(fā)明屬于水生態(tài)系統(tǒng)管理領(lǐng)域，尤其涉及一種快速環(huán)境流量評(píng)估技術(shù)。
背景技術(shù)：
：水是生命的載體，是維系自然界一切生命活動(dòng)與生態(tài)過(guò)程的基礎(chǔ)性自然資源。河流是水資源的首要輸運(yùn)通道，擔(dān)負(fù)著水資源從自然界向人類社會(huì)輸移和分配的重要任務(wù)。河流生態(tài)系統(tǒng)的健康與否不但影響以水貫穿其中的整個(gè)生態(tài)系統(tǒng)，還影響水資源輸運(yùn)通道的功能，并直接影響到人類可利用水資源的數(shù)量和質(zhì)量。河流環(huán)境流量研究是建立在對(duì)河流生態(tài)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)認(rèn)識(shí)的基礎(chǔ)上，在保證河流生態(tài)系統(tǒng)的完整性或者可允許程度上的退化前提下，分析河流生態(tài)系統(tǒng)的外部可供水量以及河流生態(tài)系統(tǒng)的需水量。簡(jiǎn)言之，河流環(huán)境流量也就是分析應(yīng)該為下游河道和河漫灘預(yù)留多少水，以維護(hù)河流生態(tài)系統(tǒng)的健康。環(huán)境流量量的界定、計(jì)算和分析是水資源管理中實(shí)現(xiàn)人與自然和諧發(fā)展的重要基礎(chǔ)因素.環(huán)境流量的研究始于20世紀(jì)40年代的美國(guó)西部，到了20世紀(jì)70年代，由于相關(guān)法律法規(guī)的頒布以及建壩高潮的到來(lái)，環(huán)境流量的研究也相應(yīng)的發(fā)展迅速。80年代，澳大利亞、英國(guó)、新西蘭和南非等國(guó)在該方面的研究開(kāi)始出現(xiàn)。而在東歐、拉美、非洲和亞洲，該方面的研究較少。目前，有將近50個(gè)國(guó)家開(kāi)展了環(huán)境流量量的研究，大概有200多種研究方法，這些方法可歸為四大類水文學(xué)法、水力學(xué)法、棲息地模擬法和整體法。水文學(xué)方法出現(xiàn)最早并且應(yīng)用最廣泛，幾乎上應(yīng)用到了世界上所有的地方，適合用于設(shè)定初級(jí)目標(biāo)和國(guó)家性戰(zhàn)略決策，至今仍然是應(yīng)用最為廣泛的方法；水力學(xué)法屬于中間方法，本身并沒(méi)有太大的發(fā)展前途，但可以為棲息地模擬法和整體法提供研究方法和手段，屬于向棲息地模擬法和整體法過(guò)渡的方法，終將融合到這兩種方法之中；棲息地模擬法強(qiáng)調(diào)水文、物理形態(tài)和生物信息的有機(jī)結(jié)合，并產(chǎn)生動(dòng)態(tài)的水文和棲息地時(shí)間序列數(shù)據(jù)，能夠用這些數(shù)據(jù)來(lái)驗(yàn)證不同的生態(tài)環(huán)境用水對(duì)目標(biāo)生物生命周期和聚集習(xí)性的影響，最具科學(xué)性，但對(duì)數(shù)據(jù)要求太高，不適用于我國(guó)；整體法將環(huán)境流量目標(biāo)生物從一種擴(kuò)展到多種生物和整個(gè)生態(tài)系統(tǒng)，強(qiáng)調(diào)流域系統(tǒng)的整體性，符合流域綜合管理的要求，是環(huán)境流量計(jì)算方法的巨大進(jìn)步，但該法對(duì)數(shù)據(jù)的要求依然很高，在我國(guó)運(yùn)用有一定的困難。因此，水文學(xué)方法成了我國(guó)環(huán)境流量計(jì)算的主要方法，并會(huì)在一定時(shí)期占據(jù)主導(dǎo)地位。但是一般的水文學(xué)方法僅僅計(jì)算出來(lái)一個(gè)最小值、最優(yōu)值或者一個(gè)簡(jiǎn)單的區(qū)間，在實(shí)際的水資源管理中，不能根據(jù)水資源情勢(shì)做出適當(dāng)調(diào)整，具體實(shí)施有很大困難。本文將月保證率法和水文指數(shù)法結(jié)合起來(lái)，用月保證率法計(jì)算出一個(gè)初始環(huán)境流量，而后使環(huán)境流量在這一值附近離散，生成系列值，再根據(jù)河流生態(tài)系統(tǒng)評(píng)價(jià)法的思想，評(píng)價(jià)系列值對(duì)生態(tài)系統(tǒng)的影響。這樣，計(jì)算出來(lái)的環(huán)境流量將是動(dòng)態(tài)的，而不是一個(gè)簡(jiǎn)單的值，更有利于實(shí)際的水資源管理。由此可見(jiàn)，建立快速環(huán)境流量評(píng)價(jià)模型，對(duì)于水生態(tài)系統(tǒng)管理具有非常重要的現(xiàn)實(shí)意義。
發(fā)明內(nèi)容動(dòng)態(tài)環(huán)境流量計(jì)算方法包括兩個(gè)部分啟動(dòng)部分和分析部分。其中，啟動(dòng)部分用月保證率法計(jì)算出來(lái)一個(gè)初始的環(huán)境流量，月保證率設(shè)定法，根據(jù)系列水文統(tǒng)計(jì)資料，以不同的月保證率下的天然年徑流量百分比作為河道環(huán)境流量量的等級(jí)，分別計(jì)算不同保證率、不同等級(jí)下的月河道環(huán)境流量量，用這一值確定一個(gè)環(huán)境流量的大致區(qū)間，最終環(huán)境流量的結(jié)果與此值并沒(méi)有直接關(guān)系。而后根據(jù)這一初始值，將環(huán)境流量在附近的區(qū)間上離散，構(gòu)成環(huán)境流量狀態(tài)空間。分析部分的核心是水文指數(shù)法，利用水文指數(shù)法逐一分析環(huán)境流量狀態(tài)空間中的需水系列值，并為每一個(gè)值確定一個(gè)評(píng)價(jià)因子，這樣就會(huì)構(gòu)成一個(gè)動(dòng)態(tài)的環(huán)境流量范圍。經(jīng)實(shí)踐驗(yàn)證AAPFD更能反映河流生態(tài)系統(tǒng)的健康狀況，對(duì)流量變化的生態(tài)環(huán)境效應(yīng)更敏感，所以，選用AAPFD來(lái)評(píng)價(jià)河流的狀況和計(jì)算環(huán)境流量。附圖給出了本環(huán)境流量評(píng)價(jià)的流程圖。具體實(shí)施例方式(i)初始環(huán)境流量初始環(huán)境流量根據(jù)月保證率法計(jì)算，然后推求出環(huán)境流量狀態(tài)空間。月保證率法是根據(jù)研究區(qū)實(shí)際情況及現(xiàn)有的水文資料，在參考Tennant法基礎(chǔ)上提出的一種計(jì)算河道環(huán)境流量的方法。月保證率設(shè)定法，根據(jù)系列水文統(tǒng)計(jì)資料，以不同的月保證率下的天然年徑流量百分比作為河道環(huán)境流量量的等級(jí)，分別計(jì)算不同保證率、不同等級(jí)下的月河道環(huán)境流量量，具體步驟如下1)根據(jù)系列水文資料，首先對(duì)各月天然徑流量按照從小到大的順序進(jìn)行排列；2)計(jì)算不同保證率(25%、50%、75%、95%)下所對(duì)應(yīng)的各月天然流量，以及各月的多年平均值；3)根據(jù)系列水文統(tǒng)計(jì)資料，在不同的月保證率前提下，以相對(duì)應(yīng)的年天然年徑流量百分比作為河道環(huán)境流量的等級(jí)，分別計(jì)算不同保證率、不同等級(jí)下的月河道環(huán)境流量環(huán)境流量狀態(tài)空間的初始點(diǎn)應(yīng)該建立在一個(gè)較為合理的狀態(tài)點(diǎn)上，根據(jù)月保證率設(shè)定法，這里將1956-2000年50%保證率條件下30%的月天然徑流量作為初始河道內(nèi)環(huán)境流量的一個(gè)因素，并計(jì)算出此條件下12個(gè)月環(huán)境流量占多年平均月天然徑流量的比例，分別為Pll，…，P121。將水資源配置目標(biāo)年份的實(shí)測(cè)流量與天然流量的比值作為初始河道內(nèi)環(huán)境流量的另一個(gè)因素，分別為P12，…，P122。初始環(huán)境流量為兩項(xiàng)之和的一半，各月初始環(huán)境流量分別為<formula>formulaseeoriginaldocumentpage4</formula>而后，構(gòu)造如表l所示的環(huán)境流量計(jì)算狀態(tài)空間，也可以根據(jù)實(shí)際情況向兩個(gè)方向擴(kuò)展?fàn)顟B(tài)空間。如果存在小于0的項(xiàng)，則變?yōu)?。表1環(huán)境流量計(jì)算狀態(tài)空間<table>tableseeoriginaldocumentpage5</column></row><table>注狀態(tài)5是計(jì)算空間的初始狀態(tài)。(2)水文特征和生態(tài)系統(tǒng)的關(guān)聯(lián)環(huán)境因子時(shí)空變化能夠影響河流生態(tài)系統(tǒng)中生物群落的結(jié)構(gòu)和連續(xù)性，河流的水溫、溶解氧、沉積物、有機(jī)質(zhì)和其它物質(zhì)的變化能夠改變水生棲息地的適宜度。徑流是上下游、地表水和地下水、河道和洪泛平原之間進(jìn)行物質(zhì)和能量交換的主要影響因素。水文事件是徑流狀況的表征因子，因此，河流的水文狀況是河流生態(tài)系統(tǒng)的重要驅(qū)動(dòng)因素。河流的水文狀況變化可通過(guò)流量的變化率和變化幅度等特征來(lái)反映。水文值的大小可以定義生境特征值，特殊水文事件的發(fā)生時(shí)間與特定生物的生命過(guò)程需求是否得到滿足有關(guān)，特殊水文事件的發(fā)生頻率與生物繁殖或死亡事件有關(guān)，并進(jìn)而影響種群動(dòng)態(tài)變化，特定水文事件的持續(xù)時(shí)間可決定特殊生命循環(huán)是否能完成，水文值的變化率與生物承受變化的能力有關(guān)。已有的研究表明，水文特征與洪泛平原、魚類、底棲動(dòng)物、河流物理形態(tài)和河岸帶植被等都存在相關(guān)關(guān)系。因此，可以用河流的水文特征來(lái)反映整個(gè)河流生態(tài)系統(tǒng)的健康狀況。(3)動(dòng)態(tài)水文指數(shù)法水文指數(shù)法就是在上述規(guī)律的基礎(chǔ)上，通過(guò)對(duì)流量、發(fā)生時(shí)間、頻率、持續(xù)時(shí)間和變化率等水文特征的分析來(lái)計(jì)算環(huán)境流量。目前，大概有ioo種左右的水文指數(shù)，主要用來(lái)評(píng)價(jià)河流的狀況和計(jì)算環(huán)境流量。表2是四種常用的水文指數(shù)計(jì)算方法。表2四種常用的水文指數(shù)計(jì)算方法方法水文偏差計(jì)算公式流量偏差值脅2一12S.xl00%(1)，其中，如果e汰。(2)說(shuō)明反映實(shí)測(cè)流量相對(duì)于自然流量的變化。對(duì)高流量和低流量都比較敏感，但是不能計(jì)算實(shí)測(cè)流量或者自然流量為O的狀態(tài)。修正全年流量偏差y>1u人為影響越嚴(yán)重。價(jià)年數(shù)，^-AIX.。(4)Cik為第k評(píng)價(jià)年第i月的流量，nij為第j年第i月的自然流量。澳大利亞自然資源和環(huán)境部在11條河流檢驗(yàn)了上述四個(gè)水文指標(biāo)，認(rèn)為AAPFD更能反映河流生態(tài)系統(tǒng)的健康狀況，對(duì)流量變化的生態(tài)環(huán)境效應(yīng)更敏感。Gehrke將AAPFD法應(yīng)用于澳大利亞的Murray-Darling河，發(fā)現(xiàn)AAPFD值與河流內(nèi)的魚類密度有較強(qiáng)相關(guān)性，能夠反映河流生態(tài)系統(tǒng)的變化。AAPFD法一般評(píng)價(jià)5年的流量，Marchan和Hehir(2002)將其評(píng)價(jià)年變?yōu)閘年，并用于評(píng)價(jià)修建大壩以后流量變化對(duì)河流生態(tài)系統(tǒng)的影響。經(jīng)實(shí)踐驗(yàn)證AAPFD更能反映河流生態(tài)系統(tǒng)的健康狀況，對(duì)流量變化的生態(tài)環(huán)境效應(yīng)更敏感。這里通過(guò)修改AAPFD法，將不同的環(huán)境流量狀態(tài)與歷史年水文狀態(tài)相比較，將對(duì)歷史年的評(píng)價(jià)轉(zhuǎn)換為對(duì)各個(gè)環(huán)境流量計(jì)算狀態(tài)空間的評(píng)價(jià)。表3AAPFD值和水文指數(shù)的關(guān)系A(chǔ)APFD水文指數(shù)<0.1100.1-0.29>0.2-0.38>0.3-0.57>0.5-1.06>1-1.55>1.5-24>2-33612C汰—甘出v頭對(duì)APFD的改良，該因子越大，說(shuō)明對(duì)河流生態(tài)系統(tǒng)的12》_y—i-1對(duì)季節(jié)變化比較敏感,與魚類的密度高度相關(guān)，但不適用于自然流量為o的狀態(tài)。>3-42>4-51>50_參考由Ladson等人在1995年開(kāi)發(fā)的ISC(IndexofStreamCondition)方法，確定AAPFD與水文指數(shù)遵循表3所示的關(guān)系。這樣便可以形成各個(gè)環(huán)境流量狀態(tài)空間的修正全年流量偏差(AAPFD)和相應(yīng)的水文指數(shù)。AAPFD的值越大，說(shuō)明流量變化對(duì)河流生態(tài)系統(tǒng)的影響越大，河流的健康狀況也就越差。水文指數(shù)可以給出一個(gè)直觀的量化參數(shù)，用其判斷河流生態(tài)系統(tǒng)的健康狀況，如果該值大于O，說(shuō)明河流的健康狀況是可以接受的；等于O則認(rèn)為河流生態(tài)系統(tǒng)受損。水文指數(shù)越大，說(shuō)明河流生態(tài)系統(tǒng)受人為改變流量模式的影響越小，河流生態(tài)系統(tǒng)也就越健康，當(dāng)水文指數(shù)等于10的時(shí)候，則河流生態(tài)系統(tǒng)完全處于自然狀態(tài)，沒(méi)有人類活動(dòng)對(duì)流量模式的擾動(dòng)。有了這兩項(xiàng)參數(shù)以后，對(duì)環(huán)境流量認(rèn)識(shí)將更深刻，在具體的水資源管理過(guò)程中，對(duì)環(huán)境流量管理的具體實(shí)施就會(huì)更容易操作。實(shí)施例利用某河1956-2000年水文資料，以2000年為目標(biāo)年，計(jì)算某河的各個(gè)環(huán)境流量方案下的修正全年流量偏差(AAPFD)和相應(yīng)的水文指數(shù)。2000年徑流量36億立方米，屬于偏豐年份，但枯季徑流低于平水年，雨季徑流高于平水年，屬于一般環(huán)境流量計(jì)算方法難于調(diào)節(jié)的的年份。利用初始環(huán)境流量計(jì)算方法，計(jì)算出如表4所示的環(huán)境流量計(jì)算狀態(tài)空間。表4各計(jì)算狀態(tài)占多年月平均徑流量的百分比(某控制站)<table>tableseeoriginaldocumentpage7</column></row><table>表5各計(jì)算狀態(tài)月徑流、AAPFD、水文指數(shù)(某控制站)月?tīng)顟B(tài)l狀態(tài)2狀態(tài)3狀態(tài)4狀態(tài)5狀態(tài)6狀態(tài)7狀態(tài)8狀態(tài)910,060.130.190.250,320.380.440.510.5720.050.110.160.210-270.320.370.430.4830.060.120.180.240.290.350.410.470.5340.040.080.120.150.190.230.270.310.3550.040.080,130.170.210.250.30.340.3860,080.170.250.330.420.50.580.670.7570.320.640.961.281.61.922.242.562.8880.490.981.471.972.462.953,443.934.3290.330.660.991.32L65l鄰2.312.642.93100.150.30-450.60.750.91.051.21.35110.090.180.270.360.450.540.630.720.81120.020.040,060.090.110.130.15o.n0.19AAPFD4.053.553.072.592.151.781.511.391-38水文指數(shù)122334455應(yīng)用式(4)，計(jì)算出表4所示各個(gè)環(huán)境流量計(jì)算狀態(tài)空間的修正全年流量偏差(AAPFD)和相應(yīng)的水文指數(shù)，列于表5中。表5是各種可能調(diào)控狀態(tài)下的環(huán)境流量，因?yàn)槟澈拥牧髁看嬖趪?yán)重的季節(jié)變異，干旱時(shí)期又難以避免對(duì)有限水資源的利用，因此各種狀態(tài)的AAPFD和水文指數(shù)并不是特別理想，但這些狀態(tài)為河流的水資源管理提供了可靠而實(shí)用的依據(jù)，可以根據(jù)表5種的各種狀態(tài)逐歩調(diào)整環(huán)境流量，最終使其達(dá)到滿意的水平。近期的環(huán)境流量調(diào)控目標(biāo)應(yīng)該是狀態(tài)3和狀態(tài)4。8權(quán)利要求一種快速環(huán)境流量評(píng)估技術(shù)，其特征在于針對(duì)傳統(tǒng)環(huán)境流量評(píng)估技術(shù)實(shí)用性和可操作性差的缺點(diǎn)，開(kāi)發(fā)出動(dòng)態(tài)環(huán)境流量評(píng)估技術(shù)，利用月保證率法計(jì)算出初始環(huán)境流量的狀態(tài)空間，再根據(jù)實(shí)際的水資源開(kāi)發(fā)利用形勢(shì)，將自然因素和社會(huì)因素綜合考慮，形成環(huán)境流量的狀態(tài)空間，然后用改進(jìn)的水文指數(shù)法評(píng)價(jià)各環(huán)境流量狀態(tài)，使環(huán)境流量的計(jì)算由靜態(tài)變?yōu)閯?dòng)態(tài)。全文摘要本發(fā)明針對(duì)傳統(tǒng)環(huán)境流量計(jì)算方法實(shí)用性和可操作性差的缺點(diǎn)，開(kāi)發(fā)出動(dòng)態(tài)環(huán)境流量計(jì)算方法，利用月保證率法計(jì)算出初始環(huán)境流量狀態(tài)空間，再根據(jù)實(shí)際的水資源開(kāi)發(fā)利用形勢(shì)，將自然因素和社會(huì)因素綜合考慮，形成環(huán)境流量的狀態(tài)空間，然后用改進(jìn)的水文指數(shù)法評(píng)價(jià)各環(huán)境流量狀態(tài)，使環(huán)境流量的計(jì)算由靜態(tài)變?yōu)閯?dòng)態(tài)。該方法具有環(huán)境流量評(píng)價(jià)快速的特點(diǎn)，能夠?yàn)樗Y源管理提供可靠依據(jù)。文檔編號(hào)G01C13/00GK101782389SQ201010130030公開(kāi)日2010年7月21日申請(qǐng)日期2010年3月23日優(yōu)先權(quán)日2010年3月23日發(fā)明者楊志峰,牛源,陳賀申請(qǐng)人:北京師范大學(xué)