本發(fā)明涉及一種保持河道規(guī)模的臨界流量計(jì)算方法，是一種生態(tài)水文分析計(jì)算方法，是一種適用于枯水期河流生態(tài)安全，以保持河道規(guī)模對(duì)應(yīng)河流生態(tài)水文條件為參考指標(biāo)的計(jì)算方法。

背景技術(shù)：
生態(tài)水文季節(jié)的概念表明：河流生態(tài)系統(tǒng)一年內(nèi)隨水文情脈動(dòng)，由汛前期、汛期、汛后枯水期構(gòu)成一個(gè)完整的生理變化周期。每一個(gè)季節(jié)的生態(tài)保護(hù)目標(biāo)不同。對(duì)于持續(xù)時(shí)間較長(zhǎng)的汛后枯水期，河流處于低水流量，必須保持一種臨界流量，以維持河流的一定規(guī)模，當(dāng)流量小于這個(gè)數(shù)值時(shí)，河流將迅速消退直至干涸。保持河道規(guī)模的臨界流量，其最基本的功能是要維持目標(biāo)水體的基本形態(tài)，保證其成為一個(gè)連續(xù)體，并且以最小的水分條件，獲得盡可能大的水域活動(dòng)空間。本項(xiàng)技術(shù)主要適用于枯水季節(jié)的生態(tài)流量分析計(jì)算，與較為流行的計(jì)算最小生態(tài)流量分析方法不同之處在于：一是方法規(guī)范無計(jì)算者個(gè)人偏好，二是物理意義明確，計(jì)算出的臨界流量有對(duì)應(yīng)的河流規(guī)模物理參數(shù)支持。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：
本發(fā)明提出了一種保持河道規(guī)模的臨界流量計(jì)算方法。所述的方法通過水文觀測(cè)記錄數(shù)據(jù)，通過模型計(jì)算，在獲取保持河道規(guī)模的臨界流量的同時(shí)，還包含描述河道規(guī)模的物理參數(shù)。本發(fā)明的目的是這樣實(shí)現(xiàn)的：一種保持河道規(guī)模的臨界流量計(jì)算方法，其特征在于，所述的方法包括如下步驟：收集資料的步驟：用于收集至少一個(gè)河段觀測(cè)站點(diǎn)的多年資料，包括：各種不同水文情勢(shì)的流量及其對(duì)應(yīng)的河流規(guī)模的數(shù)據(jù)；建立數(shù)值分析模型的步驟：用于首先設(shè)相對(duì)流量的初始值為q0，以相對(duì)流量的數(shù)值取整數(shù)為相對(duì)流量等步長(zhǎng)：Δq=qi－qi－1等步長(zhǎng)，其中：qi為斷面流量系列中第i個(gè)流量，qi－1為第i－1個(gè)流量；則通過公式：計(jì)算各個(gè)與相對(duì)流量等步長(zhǎng)Δq對(duì)應(yīng)的各個(gè)相對(duì)河流規(guī)模平均值的變化量，其中：Δl為相對(duì)河流規(guī)模變化系列，為以Δq為步長(zhǎng)時(shí)第i個(gè)相對(duì)河流規(guī)模變化；建立流量與規(guī)模曲線的步驟：用于以相對(duì)流量為橫坐標(biāo)，相對(duì)河流規(guī)模變化量為縱坐標(biāo)，將q以Δq為步長(zhǎng)變化時(shí)，其相對(duì)應(yīng)的繪制相對(duì)流量和相對(duì)河流規(guī)模變化量的曲線；獲取臨界點(diǎn)的步驟：用于取相對(duì)河流規(guī)模變化量最大的點(diǎn)為保持河道臨界流量的臨界點(diǎn)E，E可表達(dá)為：E≈q0＋kmaxΔq，其中：kmax為最大處計(jì)算的步數(shù)；計(jì)算河流規(guī)模的步驟：用于通過公式計(jì)算與E對(duì)應(yīng)的河流規(guī)模平均值LE：，其中：n為系列中的樣本數(shù)，為正整數(shù)；計(jì)算動(dòng)態(tài)變化范圍的步驟：用于通過公式計(jì)算河流規(guī)模動(dòng)態(tài)變化范圍[B，A]：式中B為最小動(dòng)態(tài)范圍，A為最大動(dòng)態(tài)范圍，lj為與臨界點(diǎn)對(duì)應(yīng)的河流規(guī)模。本發(fā)明產(chǎn)生的有益效果是：本發(fā)明以多年平均流量和河流規(guī)模作為參照，針對(duì)低水情景（小于多年平均流量）進(jìn)行無量綱處理，計(jì)算方法系統(tǒng)、規(guī)范，無個(gè)人偏好?？梢苑奖愕胤治龆嗌澈恿骱蛷?fù)雜斷面，消除了個(gè)人偏好等主觀因素的影響，成果客觀性和適用性。所述計(jì)算方法物理過程與作用機(jī)制明確，臨界流量包含了河流規(guī)模的物理參數(shù)，可為河流生態(tài)安全管理、保護(hù)、規(guī)劃以及河道整治提供技術(shù)支撐。附圖說明下面結(jié)合附圖和實(shí)施例對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步說明。圖1是本發(fā)明的實(shí)施例所述q~l關(guān)系圖；圖2是本發(fā)明的實(shí)施例所述實(shí)際舉例的利津站相對(duì)流量—河道規(guī)模關(guān)系圖；圖3是本發(fā)明的實(shí)施例所述實(shí)際舉例的利津站相對(duì)流量—河道規(guī)模曲線的變化率曲線示意圖。具體實(shí)施方式實(shí)施例：本實(shí)施例是一種保持河道規(guī)模的臨界流量計(jì)算方法。本實(shí)施例所指臨界流量，是以最少的水量保持河流盡可能大的規(guī)模。這是一種臨界狀態(tài)：當(dāng)流量大于此臨界流量時(shí)，河流規(guī)模沒有顯著變化；當(dāng)流量小于此臨界流量時(shí)，河流規(guī)模迅速衰減幾近消失。因此臨界流量可以認(rèn)為是河道最小生態(tài)需水。河流生存條件由兩類基本要素決定：一是水，沒有水不成為河流，可以用水文學(xué)因素概括；二是河道空間特性，這些約束水的運(yùn)動(dòng)空間的條件，可以用形態(tài)學(xué)因素概括。臨界流量取決于流量Q與河流規(guī)模L（河流規(guī)?？梢允撬鎸挾然驖裰埽┳兓P(guān)系。建立無量綱的相對(duì)流量（q，低水流量占多年平均流量比重Qi/）和河流相對(duì)規(guī)模（，低水流量時(shí)的河流規(guī)模占平均河流規(guī)模比重Li/）的變化關(guān)系。通過對(duì)長(zhǎng)系列多相位的河道（大斷面觀測(cè)資料）、水位流量關(guān)系等實(shí)測(cè)水文資料進(jìn)行計(jì)算分析，繪制出相對(duì)流量—相對(duì)河道規(guī)模即q-l關(guān)系圖，集中進(jìn)行綜合分析，如圖1。大量的計(jì)算點(diǎn)據(jù)顯示，在相對(duì)流量E處，相對(duì)流量－相對(duì)河道規(guī)模關(guān)系出現(xiàn)明顯轉(zhuǎn)折。盡管由于河道沖淤，各不同年份轉(zhuǎn)折點(diǎn)對(duì)應(yīng)的河道規(guī)模有所不同（變化范圍在A和B之間），但相對(duì)流量基本不變。因此，可以判定流量E處是河流生存的臨界點(diǎn)，當(dāng)流量大于E時(shí)，河流規(guī)模變化不大，而當(dāng)流量小于E時(shí)，河流規(guī)模迅速衰減，直至消失。由此，確定E為該斷面的保持河道規(guī)模穩(wěn)定的臨界點(diǎn)：Qmin=E。其對(duì)應(yīng)河流規(guī)模在A和B之間。對(duì)以上內(nèi)容進(jìn)行數(shù)學(xué)描述。觀察q-l曲線，在臨界流量E左右，即曲線斜率即其一階導(dǎo)數(shù)發(fā)生劇變，求曲線一階導(dǎo)數(shù)，則有：（1）在E左右發(fā)生劇變：，流量E處曲線斜率最大，則其二階導(dǎo)數(shù)等于零，也即：（2）在實(shí)際中以數(shù)值分析處理找到q-l關(guān)系曲線，利用河流大斷面觀測(cè)水文資料進(jìn)行數(shù)值分析，通過差分插值求解導(dǎo)數(shù)，計(jì)算臨界流量。對(duì)于實(shí)測(cè)河流，以n年資料，建立數(shù)值模擬模型。采用數(shù)值插值差分，式（1）變?yōu)椋海?）對(duì)n年求和平均：（4）近似處理為：（5）設(shè)q初始值為q0取Δq=qi－qi－1等步長(zhǎng)，其中：qi為斷面流量系列中第i個(gè)流量，qi－1為第i－1個(gè)流量。上式簡(jiǎn)化為：（6）利用式（6）進(jìn)行計(jì)算，點(diǎn)繪關(guān)系曲線。其頂點(diǎn)處i=kmax，此時(shí)q=E，或：E≈q0＋kmaxΔq（7）E對(duì)應(yīng)的河流平均規(guī)模LE：（8）其變化范圍[B，A]：（9）根據(jù)以上描述，本實(shí)施例所述的方法的具體步驟如下：收集資料的步驟：用于收集至少一個(gè)河段觀測(cè)站點(diǎn)的多年河段資料，包括：各年的流量和河流規(guī)模的數(shù)值；建立數(shù)值模擬模型的步驟：用于首先設(shè)相對(duì)流量的初始值為q0，以相對(duì)流量的數(shù)值取整數(shù)為相對(duì)流量等步長(zhǎng)：Δq=qi－qi－1等步長(zhǎng)，則通過公式：計(jì)算各個(gè)與相對(duì)流量等步長(zhǎng)Δq對(duì)應(yīng)的各個(gè)相對(duì)河流規(guī)模平均值的變化量，其中：Δl為相對(duì)河流規(guī)模變化系列，為以Δq為步長(zhǎng)時(shí)第i個(gè)相對(duì)河流規(guī)模變化；建立流量與規(guī)模曲線的步驟：用于以相對(duì)流量為橫坐標(biāo)，相對(duì)河流規(guī)模變化為縱坐標(biāo)，將q，及相對(duì)應(yīng)的繪制曲線；獲取臨界點(diǎn)的步驟：用于取關(guān)系曲線中相對(duì)河流規(guī)模變化量最大的點(diǎn)為保持河道臨界流量的臨界點(diǎn)E，E可表達(dá)為：E≈q0＋kmaxΔq，其中：kmax為相對(duì)河流規(guī)模變化量最大處計(jì)算的步數(shù)。計(jì)算河流規(guī)模的步驟：用于通過公式計(jì)算與E對(duì)應(yīng)的河流規(guī)模平均值LE：，其中：n為系列中的樣本數(shù)，為正整數(shù)。計(jì)算動(dòng)態(tài)變化范圍為的步驟：用于通過公式計(jì)算河流規(guī)模動(dòng)態(tài)變化范圍[B，A]：式中B為最小動(dòng)態(tài)范圍，A為最大動(dòng)態(tài)范圍，lj為與臨界點(diǎn)對(duì)于的河流規(guī)模。實(shí)際舉例：利津站是黃河最下游的一個(gè)水文站，位于山東省東營(yíng)市利津縣利津鎮(zhèn)劉家夾河村，距離黃河入?？?04km，控制斷面泥沙多，沖淤嚴(yán)重。以利津站資料為例，說明臨界流量計(jì)算過程。（1）相對(duì)流量～相對(duì)河道規(guī)模關(guān)系圖采用1966~1989年利津站資料，繪制低水期利津站相對(duì)流量～相對(duì)河道規(guī)模關(guān)系圖，見圖2。從圖中可以看出，雖然利津站沖淤頻繁，但在相對(duì)流量約9.0%處，相對(duì)流量～相對(duì)河流規(guī)模關(guān)系出現(xiàn)明顯轉(zhuǎn)折。因此確定利津站保持河道規(guī)模的臨界流量百分比為9.0%，相應(yīng)的臨界流量為166m3/s。不同年份臨界流量維持的河流規(guī)模范圍為40.0％～91.8%。（2）計(jì)算臨界流量采用1966~1989年利津站資料，取初始點(diǎn)=1（即多年平均徑流量的1%），步長(zhǎng)Δq=0.1。利用式（6）進(jìn)行計(jì)算，點(diǎn)繪利津站相對(duì)河流規(guī)模與相對(duì)流量曲變化量線一階導(dǎo)數(shù)變化，見圖3。kmax=73時(shí)，相對(duì)流量的變化量最大，因此E=q0+kmaxΔq=8.3。由此確定利津站臨界相對(duì)流量為8.3%。利津多年平均流量為1840m3/s，因此，利津站最小生態(tài)流量為153m3/s。以式（8）、（9）計(jì)算對(duì)應(yīng)的河流規(guī)模為68%，變化范圍50%~86%。最后應(yīng)說明的是，以上僅用以說明本發(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，可以對(duì)本發(fā)明的技術(shù)方案（比如曲線的擬合方式、E的求解方式等）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。