專利名稱：：多目標(biāo)整合河口生態(tài)需水計(jì)算方法
技術(shù)領(lǐng)域：
：本發(fā)明屬于環(huán)境保護(hù)
技術(shù)領(lǐng)域：
，尤其涉及一種考慮河口生態(tài)系統(tǒng)不同類型生態(tài)需水目標(biāo)綜合要求的河口生態(tài)需水計(jì)算方法，解決從生態(tài)系統(tǒng)角度定量計(jì)算河口生態(tài)需水的問題。
背景技術(shù)：
：河口生態(tài)系統(tǒng)具有淡鹽水混合與營(yíng)養(yǎng)物富集等獨(dú)特的環(huán)境特征和調(diào)蓄洪水與維護(hù)生物多樣性等重要的生態(tài)服務(wù)功能。與此同時(shí)，世界上約60%的人口居住在河口沿海地區(qū)，河口已成為世界上人口最稠密和經(jīng)濟(jì)活動(dòng)最活躍的地帶之一。近30年來，我國(guó)主要流域均面臨著淡水入流量持續(xù)減少，多數(shù)河口生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能受損、水鹽平衡、水沙平衡被打破、河口濕地面積萎縮、生物多樣性降低等系列問題。生產(chǎn)、生活和生態(tài)需水矛盾造成的生態(tài)退化問題已十分突出，已經(jīng)嚴(yán)重制約了區(qū)域社會(huì)經(jīng)濟(jì)的可持續(xù)發(fā)展。定量計(jì)算河口生態(tài)系統(tǒng)需水量成為有效緩解生態(tài)環(huán)境保護(hù)與社會(huì)經(jīng)濟(jì)可持續(xù)發(fā)展矛盾的重要手段。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(jì)算方法一般針對(duì)河流、湖泊陸域生態(tài)系統(tǒng)特點(diǎn)展開。研究方法包括了Tennant法為代表的水文學(xué)方法，濕周法為代表的水力學(xué)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)。水文學(xué)方法是在河流多年水文數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上，根據(jù)水文指標(biāo)分析結(jié)果來確定河流生態(tài)系統(tǒng)需水量的方法。其中Tennant法通過設(shè)定一定比例的河流天然流量作為不同等級(jí)的生態(tài)需水量。水文學(xué)方法主要應(yīng)用于適用于水資源規(guī)劃階段對(duì)河流生態(tài)需水量的初步核算。水力學(xué)方法主要從保護(hù)河流水生生物棲息地水力學(xué)要素出發(fā)，通過建立流量與河道水力參數(shù)之間的關(guān)系，確定河流生態(tài)需水量。濕周法通過分析濕周隨流量增加所表現(xiàn)出的增長(zhǎng)變化點(diǎn)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(Gippeletal.，1998)。生境模擬法通過建立生物、生態(tài)及環(huán)境等要素與流量間的定量關(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(gè)適宜的物理生境(Scatena，2004)。生境模擬法著重考慮河流生物物種的保護(hù)。整體法最早由南非和澳大利亞的學(xué)者合作研究而建立(Kingetal.，2003)。該方法根據(jù)不同專業(yè)的專家意見綜合分析流量、泥沙運(yùn)輸、河床形狀與河岸帶群落之間的關(guān)系，使推薦的河道流量滿足生物保護(hù)、棲息地維持、泥沙沉積、污染控制和景觀維護(hù)等功能需水的要求。陸地徑流以及海洋潮汐共同作用下，河口生態(tài)系統(tǒng)具有動(dòng)力過程復(fù)雜、影響因素眾多的特點(diǎn)，相應(yīng)造成河流、湖泊淡水生態(tài)系統(tǒng)需水計(jì)算方法和需水規(guī)律難以直接應(yīng)用于河口生態(tài)系統(tǒng)。目前國(guó)內(nèi)外尚未能針對(duì)河口生態(tài)系統(tǒng)特點(diǎn)提出相應(yīng)生態(tài)需水標(biāo)準(zhǔn)。近20年來，河口生態(tài)需水相關(guān)技術(shù)主要集中于淡水入流管理措施等方面，關(guān)注于防止咸水入侵和泥沙輸運(yùn)平衡等特定生態(tài)保護(hù)目標(biāo)(倪晉仁等，2002)。SFWMD(SouthwestFloridaWatermanagementDistrict)假定河口上游取水量不超過10%情況下，淡水入流減少對(duì)生態(tài)系統(tǒng)的影響可以忽略，并由此確定了河口生態(tài)需水量(Flannery，2002)。舊金山灣河口淡水入流管理中提出了鹽度為2的等值線至金門大橋的距離作為研究鹽度空間分布的目標(biāo)參數(shù)，進(jìn)而根據(jù)系列歷史資料分析淡水徑流與鹽度空間分布的關(guān)系確定生態(tài)需水(Kimmerer，2002)。目前河口生態(tài)需水分析技術(shù)主要針對(duì)特定生態(tài)保護(hù)目標(biāo)計(jì)算相應(yīng)的需水量，計(jì)算方法存在難以綜合分析河口生態(tài)系統(tǒng)不同類型生態(tài)目標(biāo)綜合要求的不足。相應(yīng)造成目前河口生態(tài)需水計(jì)算結(jié)果將難以保障河口生態(tài)系統(tǒng)整體健康的要求。綜合考慮不同類型生態(tài)保護(hù)目標(biāo)需水要求，形成維護(hù)河口生態(tài)系統(tǒng)整體健康要求的需水計(jì)算方法具有顯著的實(shí)用意義。
發(fā)明內(nèi)容本發(fā)明針對(duì)當(dāng)前生態(tài)系統(tǒng)需水計(jì)算方法難以為多目標(biāo)綜合要求下的河口生態(tài)需水定量分析提供支持的不足，根據(jù)河口不同生態(tài)需水類型的特征，提供了一種多目標(biāo)整合河口生態(tài)需水計(jì)算方法，定量分析河口生態(tài)系統(tǒng)整體需水要求，為河口生態(tài)環(huán)境保護(hù)和修復(fù)提供關(guān)鍵技術(shù)支持。本發(fā)明的特征在于根據(jù)河口淡水入流功能差異，將河口生態(tài)需水劃分為消耗型需水量和非消耗型需水量?jī)煞N類型，提出以加和性原則計(jì)算消耗型需水，以最大值原則計(jì)算非消耗型需水，提供了一種綜合多目標(biāo)要求的河口生態(tài)需水計(jì)算方法。其中消耗型需水包括河口植被蒸散發(fā)消耗需水、淡水濕地需水；非消耗型需水包括水鹽平衡、泥沙輸運(yùn)、營(yíng)養(yǎng)鹽輸運(yùn)需水量。本發(fā)明的主要目的在于解決目前不同類型生態(tài)需水計(jì)算方法難以有效解決多目標(biāo)綜合要求下河口生態(tài)需水定量計(jì)算的問題，與現(xiàn)有技術(shù)相比本專利技術(shù)具有以下優(yōu)點(diǎn)1)針對(duì)性強(qiáng)，目前不同類型生態(tài)需水計(jì)算方法主要針對(duì)流域中河流、湖泊等生態(tài)系統(tǒng)特征提出。相關(guān)研究方法難以直接應(yīng)用于河口生態(tài)需水定量分析中。本發(fā)明專利綜合考慮河口生態(tài)系統(tǒng)特有的水鹽平衡需水要求，可為河口生態(tài)環(huán)境保護(hù)提供切實(shí)的技術(shù)支持，具有顯著的針對(duì)性。2)實(shí)用性強(qiáng)，本發(fā)明明確提出了河口多目標(biāo)綜合要求下的生態(tài)需水整合分析技術(shù)，計(jì)算方法簡(jiǎn)潔易實(shí)現(xiàn)，避免繁瑣的計(jì)算工作量，適用于我國(guó)河口生態(tài)需水定量分析。具體實(shí)施方式根據(jù)河口淡水入流不同生態(tài)服務(wù)功能，將河口生態(tài)需水劃分為消耗性和非消耗性兩類，其中蒸散發(fā)需水、淡水濕地需水屬于消耗型需水量，河口鹽度平衡，泥沙和營(yíng)養(yǎng)物輸運(yùn)需水量屬于非消耗型需水量，非消耗型需水量間相互兼容，共同構(gòu)成入海水量。河口生態(tài)需水年度總量^為河口消耗型需水和入海需水的總和。根據(jù)加和性和最大值原則計(jì)算綜合考慮不同生態(tài)目標(biāo)的河口生態(tài)需水量見下式(1):『"=^>,+廚(^,^2，...,)^,,,)(1)其中，R為河口生態(tài)需水量(m3)，M4X(fl,6)表示表示變量"6間的最大值，^為河口消耗型需水(m3)，^為非消耗型需水(m3)，n和m分別表示消耗和非消耗生態(tài)需水的類型。河口生態(tài)系統(tǒng)蒸發(fā)消耗需水的計(jì)算考慮水面、植被蒸發(fā)消耗扣除研究區(qū)降水量補(bǔ)充后的欠缺部分，計(jì)算見下式。，r(2)式中，^為河口蒸發(fā)消耗需水；^為河口地區(qū)蒸散量；尸為河口地區(qū)降雨量；^為河口區(qū)域面積。河口淡水濕地廣闊且相對(duì)平靜的水域使得其成為重要的生物遷徙、越冬及繁衍棲息地。河口地區(qū)淡水濕地需水(K)計(jì)算以保持淡水濕地水面面積及水深參數(shù)為目標(biāo)，計(jì)算見下式。(3)式中，^為濕地水面面積占濕地面積的百分比，隨不同區(qū)域和濕地型而不同；^為濕地面積；仏為濕地平均水深；/為河口淡水濕地水體置換頻率，7=0表示計(jì)算只考慮河口淡水濕地蒸發(fā)消耗需水，不考慮濕地水體置換。對(duì)于一般由河口生態(tài)系統(tǒng)基本特點(diǎn)在于淡水、鹽水的混和。河口鹽度平衡需水強(qiáng)調(diào)保持河口的淡水輸入，實(shí)現(xiàn)河口系統(tǒng)一定目標(biāo)的鹽度平衡。采用箱式模型建立河道流量與河口鹽度的相關(guān)聯(lián)系。一定河口鹽度目標(biāo)(&)下的鹽度平衡需水『,《.^=義《(4)式中，其中的外海鹽度S、假定為恒定值；^為河口口外海濱水體體積。根據(jù)河口鹽度目標(biāo)的不同確定鹽度平衡需水的等級(jí)。河口泥沙輸運(yùn)需水采用基本的水流挾沙能力概念計(jì)算，有(5)式中，^為泥沙輸運(yùn)需水；e,為泥沙年淤積量；C,為水流挾沙能力，一般采用斷面平均飽和含沙量表示。實(shí)例綜合考慮黃河口生態(tài)系統(tǒng)中蒸發(fā)消耗需水、淡水濕地生物棲息地、水體鹽度平衡以及泥沙輸運(yùn)需水要求，計(jì)算得到不同等級(jí)河口生態(tài)需水年度總量如表l所示。表l不同等級(jí)河口生態(tài)需水<table>tableseeoriginaldocumentpage7</column></row><table>考慮非消耗型需水間的兼容性，計(jì)算得到河口最小、適宜和理想等級(jí)年度生態(tài)需水分別為134.22x108，162.73xl08和274.88xl08m3。河口生態(tài)需水主要由流域天然徑流量保證，表2給出了不同等級(jí)生態(tài)需水年度總量占天然徑流量的比例。表2河口生態(tài)需水年度總量與天然徑流量的比例<table>tableseeoriginaldocumentpage8</column></row><table>計(jì)算結(jié)果表明，23.7%的大然徑流量是保護(hù)河口生態(tài)系統(tǒng)基本結(jié)構(gòu)和功能的基本需水量，流域生產(chǎn)、生活用水不應(yīng)超過天然徑流量的76.3%。在保證河口生態(tài)需水年內(nèi)時(shí)間變化目標(biāo)的條件下，48.5%的天然徑流量可以保證健康型河口生態(tài)系統(tǒng)對(duì)水量的要求。權(quán)利要求1.一種多目標(biāo)整合河口生態(tài)需水計(jì)算方法，其步驟為1)明確河口不同生態(tài)需水類型；2)根據(jù)累加值原則整合計(jì)算消耗型生態(tài)需水總量，以最大值原則計(jì)算非消耗型生態(tài)需水總量，根據(jù)多目標(biāo)整合河口生態(tài)需水計(jì)算方法確定河口生態(tài)需水總量。2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種多目標(biāo)整合河口生態(tài)需水計(jì)算方法，將河口不同類型生態(tài)需水劃分為消耗型需水和非消耗型需水兩種類型，其中消耗型需水量包括蒸散發(fā)消耗需水和淡水濕地生態(tài)需水非消耗型需水包括水鹽平衡、泥沙輸運(yùn)、營(yíng)養(yǎng)鹽輸運(yùn)需水量。3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的河口水鹽平衡生態(tài)需水計(jì)算方法，計(jì)算公式如下式(1)<formula>formulaseeoriginaldocumentpage2</formula>(1)式中，S。為河口鹽度目標(biāo)；義=(5，-其中的外海鹽度&假定為恒定值；R為河口口外海濱水體體積。4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的多目標(biāo)整合河口生態(tài)需水計(jì)算方法，其計(jì)算公式如下式(2)<formula>formulaseeoriginaldocumentpage2</formula>(2)其中，『。為河口生態(tài)需水量，M4X(",6)表示表示變量"、M司的最大值，『,為河口消耗型需水，K為非消耗型需水，n和m分別表示消耗和非消耗生態(tài)需水的類型。全文摘要本發(fā)明提供了一種綜合考慮多目標(biāo)要求的河口生態(tài)需水定量分析方法，針對(duì)目前生態(tài)需水計(jì)算結(jié)果將無法保障河口生態(tài)系統(tǒng)整體健康的不足。根據(jù)河口不同生態(tài)需水類型的特征，將河口生態(tài)需水劃分為消耗型需水量和非消耗型需水量?jī)煞N類型，其中消耗型需水包括河口植被蒸散發(fā)消耗需水、淡水濕地需水；非消耗型需水包括水鹽平衡、泥沙輸運(yùn)、營(yíng)養(yǎng)鹽輸運(yùn)需水量，提供了一種綜合多目標(biāo)要求的河口生態(tài)需水計(jì)算方法，以加和性原則計(jì)算消耗型需水并以最大值原則計(jì)算非消耗型需水。本發(fā)明可為河口生態(tài)環(huán)境保護(hù)提供切實(shí)的技術(shù)支持，計(jì)算方法簡(jiǎn)潔易實(shí)現(xiàn)，避免繁瑣的計(jì)算工作量，適用于我國(guó)河口生態(tài)需水定量分析。文檔編號(hào)G06F19/00GK101645113SQ200910169799公開日2010年2月10日申請(qǐng)日期2009年9月3日優(yōu)先權(quán)日2009年9月3日發(fā)明者濤孫,楊志峰申請(qǐng)人:北京師范大學(xué)