一種反映生態(tài)水文機(jī)理的平均河流模型和計(jì)算方法
【專利摘要】本發(fā)明涉及一種反映生態(tài)水文機(jī)理的平均河流模型和計(jì)算方法，包括：以多年平均流量對(duì)應(yīng)的河流規(guī)模作為平均河流，此時(shí)河流生態(tài)系統(tǒng)對(duì)應(yīng)的生物量也是多年平均值；建立流量和河流規(guī)模的變化函數(shù)關(guān)系以及無量綱的相對(duì)流量和河流相對(duì)規(guī)模的變化函數(shù)關(guān)系。本發(fā)明以多年平均流量和河道規(guī)模作為參照物，建立平均河流模型。由于河流生態(tài)安全最脆弱的狀況基本上都是在水文情勢(shì)低于平均水平之下發(fā)生，而平均河流包含的對(duì)應(yīng)關(guān)系描述了多年平均水平之下的所有變化過程，因此平均河流模型可以刻畫各種生態(tài)危機(jī)的形成與變化機(jī)理，并且將上述復(fù)雜關(guān)系概化為以河流水文情勢(shì)為自變量的函數(shù)關(guān)系?？陀^反映河流流量與河流規(guī)模的定量關(guān)系，計(jì)算方法系統(tǒng)、理性、客觀。
【專利說明】
-種反映生態(tài)水文機(jī)理的平均河流模型和計(jì)算方法
技術(shù)領(lǐng)域
[0001] 本發(fā)明根據(jù)河道水文形態(tài)特征W及水生物對(duì)流量變化的響應(yīng)特征，定義一種平均 河流，作為河流生態(tài)水文模型，由此推導(dǎo)了平均河流的數(shù)學(xué)描述，提出利用水文觀測(cè)資料生 成平均河流的計(jì)算方法。設(shè)及一種反映生態(tài)水文機(jī)理的平均河流模型和計(jì)算方法，是一種 河流生態(tài)水文模型和計(jì)算方法，可作為河流生態(tài)保護(hù)與修復(fù)治理的依據(jù)。
【背景技術(shù)】
[0002] 在流域規(guī)劃、河道管理、工程建設(shè)等各種活動(dòng)都設(shè)及到河流生態(tài)安全的需求，河流 生態(tài)安全管理的目的是控制河流不出現(xiàn)生態(tài)惡化，需要一個(gè)分析河流生態(tài)安全的技術(shù)平 臺(tái)。在低水(小于多年平均流量)情景下，從生態(tài)水文機(jī)理上建立水文情勢(shì)、河道規(guī)模、水生 物量聯(lián)系，既可W為不同生態(tài)安全目標(biāo)論證對(duì)應(yīng)的生態(tài)流量，也可W為保障河流生態(tài)安全 的河道整治提供建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0003] 本發(fā)明提出了一種反映生態(tài)水文機(jī)理的平均河流模型和計(jì)算方法。河流生態(tài)安全 與水文情勢(shì)密切相關(guān)，過水?dāng)嗝媪髁孔兓菦Q定性的因素。W多年平均參數(shù)為基準(zhǔn)，通過對(duì) 河流的水文情勢(shì)、河道、生物量進(jìn)行概化，形成=者的響應(yīng)關(guān)系，作為河流生態(tài)水文模型。該 模型W多年平均參數(shù)為最大控制量，描述水文~河道~生物的對(duì)應(yīng)關(guān)系。由于河流生態(tài)安 全最脆弱的狀況基本上都是在水文情勢(shì)低于平均水平之下發(fā)生，而平均河流包含的對(duì)應(yīng)關(guān) 系描述了多年平均水平之下的所有變化過程，因此平均河流模型可W刻畫各種生態(tài)危機(jī)的 形成與變化機(jī)理，并且將上述復(fù)雜關(guān)系概化為W河流水文情勢(shì)(如流量)為自變量的函數(shù)關(guān) 系。
[0004] 生態(tài)安全的標(biāo)志是控制河流不出現(xiàn)生態(tài)惡化，而平均河流可成為描述各種生態(tài)危 機(jī)事件的平臺(tái)。因此可W根據(jù)流域規(guī)劃、河道管理、工程建設(shè)等各種設(shè)及到河流生態(tài)安全的 需求，論證生態(tài)安全的相關(guān)指標(biāo)。既可W為不同生態(tài)安全目標(biāo)論證對(duì)應(yīng)的生態(tài)流量，也可W 為保障河流生態(tài)安全的河道整治提供建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)。
[0005] 本發(fā)明的目的是運(yùn)樣實(shí)現(xiàn)的：一種反映生態(tài)水文機(jī)理的平均河流模型，包括： W多年平均流量對(duì)應(yīng)的河流規(guī)模，稱為"平均河流"，設(shè)定此時(shí)河流生態(tài)系統(tǒng)對(duì)應(yīng)的生 物量也是多年平均值； 運(yùn)是根據(jù)河流水文情勢(shì)、河床演變、生物多樣性的多年變化，對(duì)其平均水平的綜合表 達(dá)。涵蓋了平均水平之下可能發(fā)生的所有生態(tài)安全隱患，從平均河流最大值逐步遞減直至 河底，從而反映了河流退化消亡過程的歷經(jīng)條件，為分析不同條件下的生態(tài)流量提供分析 工具。
[0006] 水文情勢(shì)W流量描述;河流規(guī)?？蒞是水面寬度、濕周、河深，或者其它可W刻畫 河道斷面尺度的代表性指標(biāo);生物量W漁業(yè)捕拱量代替，其多年平均相對(duì)量的變化可反映 河流生物量的變化趨勢(shì)。
[0007]河流多年平均規(guī)模心，：所述的河流多年平均規(guī)模是可W是刻畫河道斷面尺度的 代表性指標(biāo)： 定義河流規(guī)模集合J^=I 0，心}; 多年平均流量化： 定義河道流量集合片{ 0，化}; 多年平均生物量或生物多樣性豐富度將： 定義河流生物量集合r={ 0，將}; 則河流任一狀態(tài)為： (1，q，w)，lEL，qEQ，wEW 其中：厶g、切J河流任一狀態(tài)下的規(guī)模、流量、生物量； 建立無量綱的相對(duì)流量和河流相對(duì)規(guī)模的變化函數(shù)關(guān)系： 按平均河流定義，存在W下映射關(guān)系： 當(dāng)流量為9,有：0，化}; 對(duì)應(yīng)河流規(guī)模為J，有:JG { 0，心}; 同時(shí)有生物量0，將}; 模型記為：^ = / (g，>T); 將g、厶W W化、心、將模數(shù)化處理，記為昂，f，尿'; 建立的
無量綱的相對(duì)流量、相對(duì)生物量和河流相對(duì)規(guī)模一一對(duì)應(yīng)的函數(shù)關(guān)系： 一種使用上述模型的反映生態(tài)水文機(jī)理的平均河流計(jì)算方法，所述方法的步驟包括： 設(shè)河流斷面，多年平均流量為化，有的S實(shí)測(cè)水文資料； 對(duì)應(yīng)于多年平均流重化,斷面尺度為心1，心2 ,......,Lem; 同理，對(duì)任意一個(gè)流量為河道規(guī)模山J山……，hm ; 第J年平均河流樣本為：{…，（化;，山)，…，（化，心J) }， 其中：i= 1，2,…，打;J= 1，2,…，扭。
[000引求得平均河流如下：
模數(shù)化處理，則得到無量綱平均河流。
[0009] 本發(fā)明產(chǎn)生的有益效果是:本發(fā)明W多年平均流量和河道規(guī)模作為參照物，建立 平均河流模型和計(jì)算方法，將復(fù)雜的河床信息進(jìn)行綜合處理，客觀反映河流流量、生物量與 河流規(guī)模的定量關(guān)系。本發(fā)明可W方便地分析多沙河流和復(fù)雜斷面，方法規(guī)范。本發(fā)明所述 模型和計(jì)算方法物理過程與作用機(jī)制明確，對(duì)河流具有技術(shù)的通用性，為河流管理、保護(hù)、 規(guī)劃W及河道整治提供了有力的技術(shù)支撐。
【附圖說明】
[0010] 下面結(jié)合附圖和實(shí)施例對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步說明。
[0011] 圖1是本發(fā)明的實(shí)施例所述平均河流計(jì)算的黃河利津斷面平均河流斷面； 圖2是本發(fā)明實(shí)施例所述的W濕周表示的利津斷面平均河流； 圖3是本發(fā)明實(shí)施例所述使用實(shí)例中的表2利津站平均河流系列。
【具體實(shí)施方式】
[0012] 平均河流數(shù)學(xué)描述： 河流多年平均規(guī)模心，河流規(guī)?？蒞是水面寬度、濕周、河深，或者其它可W刻畫河道 斷面尺度的代表性指標(biāo)，定義河流規(guī)模集合J^=I 0,心};多年平均流量化，定義河道流量集 合0 ={ 0，化};多年平均生物量或生物多樣性豐富度將，定義河流生物集合r ={0，將};則 平均河流任一狀態(tài)為： Cl，q，w)，lEL，qEQ，wEW (I) 其中：厶g、切J河流任一狀態(tài)下的規(guī)模、流量、生物量； 按平均河流定義，存在W下映射關(guān)系： 當(dāng)流量為0，化}，對(duì)應(yīng)河流規(guī)模(尺度）為0，心}，同時(shí)有生物 0 #e}。模型記為： 1 二 f(q，w) (2) 將W化、心、
將模數(shù)化處理(無量綱化），仍記為蕾，f，鑛。則：
[0013] 具體建模過程包括： 1、 W多年平均流量對(duì)應(yīng)的河流規(guī)模，假定此時(shí)河流生態(tài)系統(tǒng)對(duì)應(yīng)的生物量也是多年平 均值作為"平均河流"： 河流多年平均規(guī)模心： 定義河流規(guī)模集合片{ 0，心}; 多年平均流量化： 定義河道流量集合片{ 0，化}; 多年平均生物量或生物多樣性豐富度將： 定義河流生物集合〇，將}; 則平均河流任一狀態(tài)為： (王，q，w)，Ie L, qE Q，wE W 2、 建立無量綱的相對(duì)流量和河流相對(duì)規(guī)模的變化函數(shù)關(guān)系： 按平均河流定義，存在W下映射關(guān)系： 當(dāng)流量為g，有：O，化}; 對(duì)應(yīng)河流規(guī)模為J，有:JG { O，心}; 同時(shí)有生物O，將}; 模型記為：^ =巧9，>^); 將9, J，W W化、心、將模數(shù)化處理，仍記為香，f，振； 3、集合中的任一流量和多年平均流量的關(guān)系：
O
[0014] 實(shí)施例： 本實(shí)施例一種使用實(shí)施例所述模型的反映生態(tài)水文機(jī)理的平均河流計(jì)算方法。設(shè)某河 流斷面，多年平均流量為化，有的S實(shí)測(cè)水文資料。由于沖渺影響，河床有變化，反映在大斷 面、水位流量關(guān)系有變化。對(duì)應(yīng)于多年平均流量化，斷面尺度為心j，心2，……，心》;因此，第J 年樣本為：{…/ <7"，J"),…，（化，么=/))，i =1，2,…，打，j=l ,2,….，m。求得平均河流如下：
(3) W化、;ig將系列(3)模數(shù)化處理，則得到無量綱平均河流。
[001引詳細(xì)計(jì)算過程如下： 1、設(shè)某河流斷面，多年平均流量為化，有的S實(shí)測(cè)水文資料。
[001 6] 2、對(duì)應(yīng)于多年平均流重化,斷面尺度為Zel ,心2 ,......,Lemo
[0017] 3、第J年平均河流樣本為：{ /徊，山），...，（化，心J'))， 其中：i= 1，2,…，打;J= 1，2,…，m。
[001引 4、求得平均河流如下：

5、W化、Ug將系列j
t模數(shù)化處理，則得到無量綱平均河流。
[0019]使用實(shí)例； 采用1965~1989年利津站的流量和大斷面資料，計(jì)算利津站的平均河流。采用河道斷面 濕周表示河流規(guī)模。利津站的多年平均流量為1840 ，其對(duì)應(yīng)的河道濕周在不同年份分 別如表1所示。
[0020] 表1:黃河利津斷面《年平均流量在不同年份的河道濕周
據(jù)此計(jì)算得到，利津站在多年平均流量下對(duì)應(yīng)的平均濕周為480 m，即（化、rp=(1840 m^s，685m)。
[0021] 采用上述公式所述的方法，W20mVs左右為間隔構(gòu)建流量、濕周的數(shù)據(jù)系列，W 化、ft,將該系列模數(shù)化處理，則得到無量綱平均河流，如表2所示。
[0022] 表2利津站平均河流系列(見圖3) 表中穿為相對(duì)流量J為相對(duì)流量對(duì)應(yīng)的相對(duì)濕周。表2列出了等步長(zhǎng)的相對(duì)流量及其 對(duì)應(yīng)的相對(duì)濕周系列，是平均河流的數(shù)據(jù)系列表達(dá)形式。
[0023] 結(jié)合大斷面河底高程測(cè)量數(shù)據(jù)，將平均河流河道規(guī)模數(shù)據(jù)進(jìn)行矢量化，得到平均 河流斷面如圖1所示。圖1中橫坐標(biāo)是起點(diǎn)距:表示河道斷面任一點(diǎn)與測(cè)量起點(diǎn)粧的距離，縱 坐標(biāo)為河底高程。起點(diǎn)粧通常設(shè)立在河岸某一固定位置。圖1中的曲線表示了河底的高程變 化，兩條平行的直線，上面一條表示的是多年平均流量下的河流規(guī)模參數(shù)(水位、水面寬度 和濕周）。下面一條表示的是某一低水流量下的河流規(guī)模參數(shù)。運(yùn)兩條直線說明了平均河流 和某一流量對(duì)應(yīng)的河流規(guī)模的空間形態(tài)，是進(jìn)行矢量化的過程。圖2是W濕周表達(dá)的平均河 流。
[0024] 最后應(yīng)說明的是，W上僅用W說明本發(fā)明的技術(shù)方案而非限制，盡管參照較佳布 置方案對(duì)本發(fā)明進(jìn)行了詳細(xì)說明，本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員應(yīng)當(dāng)理解，可W對(duì)本發(fā)明的技術(shù) 方案(比如模型的數(shù)學(xué)描述、公式的運(yùn)用、步驟的先后順序等)進(jìn)行修改或者等同替換，而不 脫離本發(fā)明技術(shù)方案的精神和范圍。
【主權(quán)項(xiàng)】
1. 一種反映生態(tài)水文機(jī)理的平均河流模型，其特征在于，包括： 以多年平均流量對(duì)應(yīng)的河流規(guī)模，稱為"平均河流"，設(shè)定此時(shí)河流生態(tài)系統(tǒng)對(duì)應(yīng)的生 物量也是多年平均值； 河流多年平均規(guī)模所述的河流多年平均規(guī)模是可以是刻畫河道斷面尺度的代表性 指標(biāo)，是水面寬度、濕周、河深之一： 定義河流規(guī)模集合I ={ O，; 多年平均流量α: 定義河道流量集合0 ={ O，α}; 多年平均生物量或生物多樣性豐富度I: 定義河流生物量集合r={ 〇，1}; 則河流任一狀態(tài)為： ( I, q,w), L, Q, W 其中：入^ r為河流任一狀態(tài)下的規(guī)模、流量、生物量； 建立無量綱的相對(duì)流量和河流相對(duì)規(guī)模的變化函數(shù)關(guān)系： 按平均河流定義，存在以下映射關(guān)系： 當(dāng)流量為％有：界{ 〇，α }; 對(duì)應(yīng)河流規(guī)模為Λ有de { 〇，; 同時(shí)有生物量 模型記為：2 = /X g1，r); 將r以&、Ze、Zfe模數(shù)化處理，仍記為f，f，設(shè)； 建立的無量綱的相對(duì)流量、相對(duì)生物量和河流相對(duì)規(guī)模--對(duì)應(yīng)的函數(shù)關(guān)系： E = f(q,w)〇2. -種使用權(quán)利要求1所述模型的反映生態(tài)水文機(jī)理的平均河流計(jì)算方法，其特征在 于，所述方法的步驟包括： 設(shè)河流斷面，多年平均流量為弘，有W實(shí)測(cè)水文資料； 對(duì)應(yīng)于多年平均流量弘，斷面尺度為hi，42,……,Lem' 同理，對(duì)任意一個(gè)流量〇?有河道規(guī)模Λ·1，Λ··?，......，Iim ; 第J年平均河流樣本為：{…，（叫，知)，…，（Hej)}， 其中：i = 1，2,…，/3; J = 1，2,; 求得平均河流如下：
【文檔編號(hào)】G06F19/00GK106021869SQ201610306297
【公開日】2016年10月12日
【申請(qǐng)日】2016年5月11日
【發(fā)明人】陳敏建, 馬靜, 王高旭, 李錦秀, 王立群, 豐華麗, 王小紅, 黃昌碩, 顧艷玲, 陳波
【申請(qǐng)人】中國水利水電科學(xué)研究院