專利名稱：流域生態(tài)需水整合分析技術(shù)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于環(huán)境保護技術(shù)領(lǐng)域，尤其涉及一種流域尺度生態(tài)需水整合分析技術(shù)， 解決流域尺度生態(tài)需水總量定量分析問題。
背景技術(shù)：
水資源的不合理開發(fā)和利用已成為導致我國流域生態(tài)系統(tǒng)退化的重要原因。近年 來，隨著人口的增加、經(jīng)濟的發(fā)展，人類對水資源開采程度和破壞程度不斷增強，生態(tài)系統(tǒng) 退化加劇。區(qū)域社會經(jīng)濟長期持續(xù)發(fā)展已收到制約。目前，生態(tài)需水計算方法和技術(shù)通過 核算不同類型生態(tài)系統(tǒng)不同生態(tài)服務(wù)功能對水量的要求確定生態(tài)需水量，實現(xiàn)約束人類對 水生態(tài)系統(tǒng)水量的索取、保障生態(tài)系統(tǒng)健康的目標。保證生態(tài)系統(tǒng)生態(tài)需水已成為實現(xiàn)生 態(tài)保護和修復與社會經(jīng)濟協(xié)調(diào)發(fā)展的重要基礎(chǔ)。由于生態(tài)系統(tǒng)類型結(jié)構(gòu)和功能間的差異性，目前生態(tài)需水計算方法一般針對不 同類型、空間區(qū)域生態(tài)系統(tǒng)的特點分別展開。研究方法包括了 Termant法為代表的水文 學方法，濕周法為代表的水力學方法，IFIM為代表的生境模擬法以及以BBM為代表的整體 法(Tharme，2003)。不同類型生態(tài)需水計算方法分別從維護特定生態(tài)保護目標的角度分析 生態(tài)需水量。水文學方法是在自然狀態(tài)河流多年水文數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上，根據(jù)簡單的水文指標 (如占平均流量的百分比或天然流量頻率曲線上的保證率)來確定河流生態(tài)系統(tǒng)需水量的 方法。其中Termant法是以預先確定的年平均流量百分數(shù)作為河流推薦流量，其中10%是 最小生態(tài)需水量，而60% 100%則是最優(yōu)生態(tài)需水量，該方法是目前應用最為廣泛的水 文學方法。7Q10法采用90%保證率下最枯連續(xù)7天的平均水量，作為滿足污水稀釋功能 的河流所需流量。我國一般河流采用近10年最枯月平均流量或90%保證率最枯月平均流 量。水文學方法適用于水資源規(guī)劃的需要和水文數(shù)據(jù)相對缺乏的情況對生態(tài)需水量的初 步估算。水力學方法主要從保護河流水生生物棲息地水力學要素出發(fā)，通過建立流量與河 道水力參數(shù)(如寬度、深度、流速和濕周等)之間的關(guān)系，確定河流生態(tài)需水量。濕周法將 濕周作為某個河流棲息地質(zhì)量指標，通過濕周隨流量增加所表現(xiàn)出的增長變化點確定河流 推薦流量。濕周法適用于寬淺型和拋物線型河道，且要求河床形狀穩(wěn)定(Gippel et al., 1998)。水力學方法由于只考慮河道形態(tài)而忽視了生物的需求，目前應用較少。生境模擬法 將生物、生態(tài)及環(huán)境等要素與流量建立起定量關(guān)系，根據(jù)指示物種所需的水文、水力條件來 確定河流流量，目的是為水生生物提供一個適宜的物理生境。代表方法中的河道內(nèi)流量增 量法(IFIM)通過評價河道內(nèi)流量的變化對渠道結(jié)構(gòu)、水質(zhì)、溫度和所選物種適宜棲息地的 影響確定需水量(Scatena，2004)。棲息地模擬法通過分析不同流量體系下的目標物種或種 群(通常指魚類或無脊椎動物)所棲息的河道內(nèi)物理生境范圍、質(zhì)量，并綜合相應的水文、 水力及生態(tài)數(shù)據(jù)，明確生態(tài)需水量。生境模擬法著重考慮河流生物物種的保護，計算得到流 量范圍不能滿足整個河流的管理要求。整體法最早由南非和澳大利亞的學者合作研究而建 立(King et al.，2003)。該方法將流量可分為三個部分低流量、特殊目標流量、洪水流量， 通過專家小組對河流上不同水量和時段的水生態(tài)狀況做出判斷。根據(jù)專家意見綜合研究流量、泥沙運輸、河床形狀與河岸帶群落之間的關(guān)系，使推薦的河道流量強調(diào)區(qū)域內(nèi)不同生態(tài) 保護目標，如生物保護、棲息地維持、泥沙沉積、污染控制和景觀維護等功能需水的要求。目前不同生態(tài)需水計算方法主要針對流域內(nèi)不同類型生態(tài)系統(tǒng)需水要求分別展 開。由于流域尺度水文過程的連續(xù)性，使得不同類型生態(tài)系統(tǒng)需水量間存在顯著的兼容性， 流域尺度生態(tài)需水總量并非不同類型和不同空間位置生態(tài)系統(tǒng)需水量的總和。目前不同類 型生態(tài)需水分析技術(shù)和方法存在難以考慮流域不同空間位置生態(tài)需水間兼容性的不足，難 以為流域尺度生態(tài)需水分析以及相應水資源合理配置提供科學依據(jù)。面向流域尺度水資源 管理的要求，考慮流域不同類型生態(tài)需水間的相關(guān)關(guān)系，從流域整體角度開發(fā)生態(tài)需水分 析技術(shù)具有重要現(xiàn)實意義。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明針對當前生態(tài)系統(tǒng)需水計算方法難以為流域整體尺度生態(tài)需水定量分析 提供支持的不足，根據(jù)河流上下游間關(guān)系以及河流與湖泊間的聯(lián)通關(guān)系，提供了一種流域 生態(tài)需水整合分析技術(shù)，確定流域生態(tài)需水總量。本發(fā)明的特征在于特別考慮流域內(nèi)不同類型生態(tài)需水以及不同空間位置生態(tài)需 水間兼容性問題，通過將流域生態(tài)系統(tǒng)劃分為旱地、濕地以及河口生態(tài)系統(tǒng)三種類型，并將 不同生態(tài)需水劃分為消耗型和非消耗型需水兩種類型，根據(jù)河流上下游間關(guān)系以及河流與 湖泊間的聯(lián)通關(guān)系，提出簡單型，匯流型，分流型、組合型、交叉型和河口型六種流域生態(tài)需 水整合模式，以最大值原則與兼容性原則計算不同流域生態(tài)需水整合分析模式下的生態(tài)需 水總量。有效解決不同類型生態(tài)系統(tǒng)生態(tài)需水之間的重復計算問題。本發(fā)明的主要目的在于解決流域尺度不同空間位置和不同類型生態(tài)需水量間的 兼容性問題，與現(xiàn)有技術(shù)相比本專利技術(shù)具有以下優(yōu)點1)實用性強，本發(fā)明將流域內(nèi)不同類型生態(tài)需水劃分為消耗型和非消耗型需水 量，明確提出了不同情景下的生態(tài)需水整合模式，可以為流域尺度生態(tài)需水計算提供技術(shù) 支持，避免流域整體尺度生態(tài)需水定量分析的不足。2)提出了不同流域生態(tài)需水整合分析模式下的生態(tài)需水總量計算方法，計算方法 簡潔，避免繁瑣的計算工作量，更適用于流域生態(tài)需水分析。


附圖1為流域生態(tài)需水整合模式圖；附圖2為典型流域生態(tài)需水量；
具體實施例方式以下詳細說明本發(fā)明的工作原理和實施方式本專利流域生態(tài)需水按不同功能、類型、形態(tài)與位置、補給方式等分類標準，將流 域生態(tài)需水劃分為消耗型需水與非消耗型需水兩類(如表1所示)。表1流域生態(tài)需水分類及整合原則 本專利將蒸發(fā)、滲漏消耗需水等劃分為消耗型需水，將生態(tài)基流、輸沙需水等劃分 為非消耗型需水。計算單個分區(qū)或生態(tài)系統(tǒng)內(nèi)生態(tài)需水應考慮消耗型需水的累加及以最大 值為原則計算非消耗型需水。同一分區(qū)內(nèi)旱地與濕地生態(tài)需水間的整合以累加性為原則確 定。由于相互間聯(lián)系方式的不同，可將湖沼濕地劃分為通河湖沼濕地與非通河湖沼濕地，其 中非通河濕地主要指由于人為因素造成與河流天然聯(lián)系通道被破壞的濕地。河流濕地與通 河湖沼濕地中非消耗型需水間存在兼容性，相應需水以最大值原則為基礎(chǔ)整合。根據(jù)上下游關(guān)系將流域分區(qū)，并以此為基礎(chǔ)將河流分段。區(qū)間生態(tài)需水計算以河 段為對象進行，采用N表示河段個數(shù)。采用A表示第i河段計算結(jié)果(i = 1，2，…，N)。 計算中各河段有化=Wi(l+Wn，式中，Wi(l為消耗型需水(蒸發(fā)、滲漏消耗)；Wn為非消耗型需 水(生態(tài)基流等)。流域生態(tài)需水包括各河段消耗型需水Wi(l的總和及各分區(qū)非消耗需水的 最大值。流域生態(tài)需水整合分析技術(shù)將生態(tài)需水整合模式劃分為簡單型、匯流型、分流型、 組合型、交叉型和河口型六種類型。其中簡單型生態(tài)需水整合模式如圖1(a)所示，根據(jù)河流上下游關(guān)系，將區(qū)域分為 A-B區(qū)和B-C區(qū)。整合計算公式為， 式中，M為分區(qū)數(shù)；N表示河段數(shù)；Wi(l為消耗型需水；Wn為非消耗型需水。匯流型生態(tài)需水整合模式見圖1(b)所示，根據(jù)流域上下游關(guān)系，將流域分為A-B 區(qū)和B-C區(qū)，并將A-B區(qū)劃分為兩個區(qū)段，計算得到生態(tài)需水分別為W2和W3，B-C區(qū)內(nèi)區(qū)段 計算結(jié)果為A，整合計算公式為 式中，N表示區(qū)段數(shù)；Wi(l為消耗型需水In為非消耗型需水分流型生態(tài)需水整合模式見圖1 (c)所示，整合計算公式為 組合型生態(tài)需水整合模式見圖1 (d)所示，整合計算公式為 交叉型生態(tài)需水整合模式見圖1(e)所示，整合計算公式為

( 5 )河口型生態(tài)需水整合模式見圖1 (f)所示，將河口段劃分為河流A-B和河口 B-C兩 個分區(qū)，生態(tài)需水分別為Wi和w2，整合計算公式為 實例本發(fā)明提供的流域生態(tài)需水整合分析技術(shù)，將流域內(nèi)不同類型生態(tài)需水劃分為消 耗型和非消耗型需水量，明確提出了不同情景下的生態(tài)需水整合模式，可以為流域尺度生 態(tài)需水計算提供切實的技術(shù)支持。同時計算方法簡潔，避免繁瑣的計算工作量。本案例選擇北方地區(qū)極具代表性的海河流域作為實例分析。研究所涉及到的數(shù)據(jù) 主要來源于海河流域水資源公報。運用生態(tài)需水整合分析技術(shù)(式1 式6)對海河流域 各子系統(tǒng)生態(tài)需水進行整合計算。首先進行同一水系不同河段生態(tài)需水的整合，再進行同 一水系河流濕地、湖沼濕地和河口生態(tài)需水的整合，最后進行不同水系生態(tài)需水整合得到 全流域的年均和月均生態(tài)環(huán)境需水。根據(jù)海河流域典型河流濕地、湖沼濕地和河口空間位 置和相互關(guān)系，確定各水系所用的整合計算模式如下潮白河水系包括潮河、白河和潮白河段，運用式(1)進行整合計算。溧河水系包括溧河段和溧河河口，運用式(1)和式(6)進行整合。漳衛(wèi)河系包括漳河、衛(wèi)河、衛(wèi)運河、漳衛(wèi)新河和漳衛(wèi)新河口，運用式(2)、式(1)和 式(6)進行整合。唐河系包括白溝河、南拒馬河和唐河，運用式(2)和式(1)進行整合。計算不同水系上的湖沼濕地，可將其作為一個河段處理，運用不同河段的生態(tài)環(huán) 境需水整合模型，與水系上其他河段進行計算整合。這樣的湖沼濕地包括白洋淀、寧晉泊和 恩縣洼。其中，衛(wèi)運河和恩縣洼運用式(1)進行整合計算；滏陽河和寧晉泊也運用式(1)進 行整合計算，唐河、沙河和白洋淀運用式(2)進行整合計算。在各子系統(tǒng)生態(tài)需水計算基礎(chǔ)上，運用整合計算模型，得到了海河流域主要 水系生態(tài)需水。高、中、低方案(理想、適宜和最小等級)下的年度生態(tài)需水分別為 116. 79X 108m3、78. 88X 10V和33. 40X 10V (圖2)。不同月份所需保證的生態(tài)需水有很大 的差異，不同等級生態(tài)需水的最大值均在8月份，最小值均在2月份。本專利考慮流域中不同生態(tài)系統(tǒng)的關(guān)聯(lián)性與生態(tài)需水的兼容性，提出不同生態(tài)需 水整合模式及相應的生態(tài)需水整合計算公式，計算方法簡便，計算結(jié)果可直接應用于流域 尺度水資源配置，對我國水資源的綜合管理和生態(tài)環(huán)境恢復的目標確定具有重要意義，是 一種適合中國國情的生態(tài)需水的計算方法。
權(quán)利要求
一種流域生態(tài)需水整合分析技術(shù)，其步驟為1)明確流域不同生態(tài)需水類型；2)建立流域生態(tài)需水整合分析模式；3)根據(jù)累加值原則整合計算消耗型生態(tài)需水總量，以最大值原則計算非消耗型生態(tài)需水總量，在不同類型生態(tài)需水整合模式基礎(chǔ)上計算流域尺度生態(tài)需水總量。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種流域生態(tài)需水整合分析技術(shù)，按照水文過程類型的差 異，將流域劃分為旱地生態(tài)系統(tǒng)、濕地生態(tài)系統(tǒng)和河口生態(tài)系統(tǒng)，進而將不同類型生態(tài)需水 劃分為消耗型和非消耗型兩種類型，其中消耗型需水量包括植物蒸散發(fā)消耗需水，土壤、水 面蒸發(fā)消耗需水及滲漏需水非消耗型需水包括生態(tài)基流、自凈需水、水沙平衡需水、鹽度 平衡需水以及營養(yǎng)物平衡需水。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的流域生態(tài)需水整合模式，包括簡單型，匯流型，分流型、組合 型、交叉型和河口型流域生態(tài)需水整合模式。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的生態(tài)需水整合計算方法簡單型生態(tài)需水整合計算公式為 式中，M為河流 分區(qū)數(shù)；N表示河段數(shù)；Wi(l為消耗型需水；Wn為非消耗型需水。匯流型生態(tài)需水整合計算公式為 式中，N表示河段 數(shù)；wi(l為消耗型需水in為非消耗型需水。分流型生態(tài)需水整合計算公式為 式中，N表示河段 數(shù)；wi(l為消耗型需水In為非消耗型需水。組合型生態(tài)需水整合計算公式為妒 ，式中，N 表示河段數(shù)；wi(l為消耗型需水In為非消耗型需水。交叉型生態(tài)需水整合計算公式為 ，式中，N表 示河段數(shù)；Wi(l為消耗型需水In為非消耗型需水。河口型生態(tài)需水整合計算公式為 式中，N表示河段數(shù)；Wi(l 為消耗型需水In為非消耗型需水。
全文摘要
本發(fā)明提供了一種流域生態(tài)需水整合分析方法，針對流域中不同空間和不同類型生態(tài)系統(tǒng)需水間存在兼容性產(chǎn)生的流域尺度生態(tài)需水總量難以確定的問題，將不同生態(tài)需水劃分為消耗型和非消耗型需水兩種類型，根據(jù)河流上下游間關(guān)系以及河流與湖泊間的聯(lián)通關(guān)系，提出簡單型，匯流型，分流型、組合型、交叉型和河口型六種流域生態(tài)需水整合模式，以最大值原則與兼容性原則計算不同流域生態(tài)需水整合分析模式下的生態(tài)需水總量，計算結(jié)果可直接應用于流域尺度水資源配置，對我國水資源的綜合管理和生態(tài)環(huán)境恢復的目標確定具有重要意義，是一種適合中國國情的生態(tài)需水計算方法。
文檔編號G01C13/00GK101865687SQ200910162248
公開日2010年10月20日 申請日期2009年7月31日 優(yōu)先權(quán)日2009年7月31日
發(fā)明者劉靜玲, 孫濤, 崔保山, 楊志峰 申請人:北京師范大學