基于区间可行域的河流生态流量多方法耦合模型研究

时间：2020年02月12日分类：农业论文次数：

摘要：河流生态流量的单一计算方法难以满足多功能河道的需求，首先采用生境模拟法、湿周法、Tennant法、Texas法、最小月平均实测净流量法、基于流域水文循环模型的河流生态流量计算方法等多种方法分别计算了西江梧州断面的生态流量，在综合上述几种方法计

　　摘要：河流生态流量的单一计算方法难以满足多功能河道的需求，首先采用生境模拟法、湿周法、Tennant法、Texas法、最小月平均实测净流量法、基于流域水文循环模型的河流生态流量计算方法等多种方法分别计算了西江梧州断面的生态流量，在综合上述几种方法计算结果的基础上，加入一个控制向量，提出了基于区间可行域的河流生态流量多方法耦合模型，计算出每个月基于区间可行域的生态流量。结果表明：耦合模型计算结果比较切合实际，既考虑了河道内基本生态流量的需求也考虑了下游三角洲压咸流量和汛期鱼类生长繁殖的需求，对珠江流域水资源总量控制、西江骨干水库群联合调度以及水资源优化配置等工作具有重要的实践意义和指导意义。

　　关键词：区间可行域;多方法;耦合模型;生态流量;梧州

生态环境

　　确保生态环境用水是从根本上保护或恢复和重建生态环境至关重要的问题[1]。随着全球气候变化及人类活动的影响，人类越来越关注水生态环境问题，体现在进行城市规划、区域规划、流域规划时都非常注重生态环境需水量的研究，特别是对维持河流基本生态功能的河流生态流量的研究显得尤为重视。全球约有207种计算河流生态流量的方法，可分为水文学方法、水力学方法、生物栖息地模拟法、整体法、综合方法及其他方法，并在世界范围内得到广泛应用[2]。中国对生态环境需水的研究始于20世纪80年代后期[3]，起初的研究多集中在水资源供需矛盾突出且生态环境相对脆弱的干旱半干旱地区和季节性干旱的半湿润地区[4-7]。目前，一些生态环境需水量计算方法和计算成果在全国范围内得到了广泛的应用，生态流量的概念和内涵也得到了深入的研究[1]，与水有关的生态理论问题也得到了深入的探讨[8-9]。

　　除了传统方法之外，一些学者也结合气候变化及人类活动的影响，提出了考虑水文变异下的河流生态流量计算方法[10-11]。然而，每种方法计算结果基本上都是单一数值，且有些方法计算结果没有反映全年的变化过程，而河流生态流量计算结果为区间值且能反映全年变化过程的显得更为合理。本文作者曾采用多种方法对珠江流域西江水系梧州断面的生态流量进行计算研究[12]，但综合各种方法的计算结果也不太理想。因此，本文在综合多种方法计算结果的基础上，考虑实际需求，加入了一个控制向量，提出了基于区间可行域的河流生态流量多方法耦合模型，对生境模拟法、湿周法、Tennant法、Texas法、最小月平均实测净流量法、基于流域水文循环模型的河流生态流量计算方法等多种方法进行耦合，以西江梧州断面为实例，计算出每个月基于区间可行域的生态流量，结果表明：耦合法计算结果比较切合西江梧州断面实际，既考虑了河道内基本生态流量的需求也考虑了下游三角洲压咸流量和汛期鱼类生长繁殖的需求，计算结果在Tennant法的评价标准里均处于“好”及以上标准。

　　1河道内生态流量方法研究

　　1.1生境模拟法

　　生境模拟法是将水文过程与水生生物生长阶段相结合，通过控制断面的流量～流速关系计算该断面的适宜生态流量。在生态资料充足的基础上，运用生境模拟法具有较高的精准度，该方法在我国长江、黄河、辽河、海河等流域得到较为普遍的应用[13]。

　　1.2湿周法

　　a)基本原理。河道湿周法是利用湿周作为栖息地质量的指标来估算期望的河道内流量值。在临界的栖息地区域(通常大部分是浅滩)现场搜集河道几何尺寸和流量数据基础上，以临界的栖息地类型作为河流的栖息地指标。该方法在实际应用中需要确定湿周与流量之间的关系，河道内流量推荐值可依据湿周～流量关系曲线中影响点的位置而确定。b)基于湿周法的河道最小生态需水量多目标评价模型。在传统湿周法的基础上，建立了以社会经济用水量最大(河道流量最小)和河道湿周最大为目标的多目标评价模型，并用理想点法对模型进行求解。该方法综合考虑了社会经济用水和栖息地保护对河流流量的需求，有效协调了经济用水与生态用水之间的矛盾[14]。

　　1.3Texas法由于Tennant法考虑的是需水目标主要需水时段的水量均值，其缺点是无法进一步提出各月的生态水量，近年来科学家在此基础上提出了Texas计算方法。Texas法主要是将50%保证率下的月流量也参照表1内容提出了水量的保障权重比例，作为各月生态水量的计算基础。

　　1.4最小月平均实测净流量法最小月平均实测净流量法是将河流最小月平均实测径流量的多年平均值作为河流最小生态需水量。

　　1.5基于流域水文循环模型的河流生态流量计算方法闭合流域水资源是保持平衡的，从水文循环的过程出发，采用水量平衡原理，进行流域生态需水量的估算。思路是将流域流入水量，跨流域调水量，内源降水补给量相加，再减去排泄水量，得到实际径流水资源总量，以此作为平衡分析的总控制量进行水量平衡计算。用总控制量减去国民经济用水量，得到天然生态直接用水量，再加上国民经济用水后的回归水量，最终得到生态系统可能实际利用的水资源量。

　　2生态流量耦合模型

　　由于上述各种方法的侧重点不同，各自的计算结果差异较大，本文在综合上述几种方法计算结果的基础上，加入一个控制向量B，得出符合实际需要的生态流量值，耦合模型表达式如下：A=[A(i，min)，A(i，max)](3)B=[b1，b2，…b12](4)Mi=[bi，A(i，max)](bi≥Ai，min)[A(i，min)，A(i，max)](bi

　　由于每一种生态流量的计算方法都有可能不适合某一断面的河道内生态流量需求，特别是年内各月份的需求，即使综合多种方法的计算结果也不能适应。如果根据河道的实际需求考虑加入一个控制向量，建立耦合其他各种方法计算结果的耦合模型，就能够准确地反映该河道的生态流量实际需求，耦合模型正是基于此提出来的一种生态流量计算方法，是理论联系实际的科学方法。

　　3西江梧州断面生态流量计算

　　3.1单一方法计算结果

　　根据以上介绍的6种单一方法，对西江梧州断面生态流量分别进行计算。计算用到的数据有梧州水文站实测大断面资料，实测流量和水位数据，长系列年、月流量数据。采用基于流域水文循环模型的河流生态流量计算方法时需要用到流域内各个计算分区的降雨量、径流量、蒸发量、用水量等数据，数据来源于《珠江流域综合规划(2012—2030年)》;生境模拟法主要参考有关文献[13]的计算结果;Tennant法是按照河道内生态流量达到“好”的水平时，依据多年平均流量计算的梧州断面生态流量;Texas法是在求出梧州水文站50%保证率下的各个月径流量后，按照表1中的“好”的水平计算梧州断面各个月的生态流量。综合以上几种计算方法，则每个月的计算结果都有其最大值和最小值。最小值范围在300～1600m3/s之间，最大值范围在4400～6600m3/s之间，最大最小值之间差别很大，其上限值是能够满足要求的，但下限值过于偏小，需要进行修正，因此，有必要对各种方法结果进行耦合，得出切合西江梧州断面实际的生态流量区间值。

　　3.2耦合模型法计算结果

　　由于不同时期河道生态流量的需求不同，对于西江梧州断面而言，枯水期主要考虑珠江三角洲压咸流量，而在丰水期则考虑鱼类繁殖的需求，显然上述综合几种方法的结果是不能满足实际需求的。根据《珠江流域综合规划(2012—2030年)》，西江流域梧州断面生态环境需水量为1800m3/s，压咸流量为2100m3/s(12、1、2月);而根据生境模拟法得出，西江梧州控制断面鱼类繁殖期适宜生态需水量为5200m3/s(6—8月)，其他月份要满足《珠江流域综合规划(2012—2030年)》，即满足1800m3/s的需求(3—5月和9—11月)。根据耦合方法，根据梧州断面实际加入控制向量B=[2100，2100，1800，1800，1800，5200，5200，5200，1800，1800，1800，2100]，通过式(5)的耦合模型可以得到梧州断面适宜生态流量的计算结果矩阵M。对耦合模型的计算结果采用Tennant法的评价标准进行评价。考虑控制性因素(枯水期主要考虑三角洲压咸需求，而在丰水期则考虑鱼类繁殖的需求)后的西江梧州断面生态流量耦合方法结果更符合实际。

　　3.3结果分析

　　生境模拟法主要是为了满足西江江段大部分鱼类生长繁衍期间(6—8月)需水而计算的适宜生态流量;湿周法是以湿周作为栖息地质量的指标来估算河道内生态流量，其基本假设是只要保护好临界区域水生生物栖息地的湿周，也就能基本满足非临界区域水生生物栖息地保护的基本要求;Tennant法是一种考核河道生态环境质量好坏的标准;Texas法是在Tennant法的基础上把河道内生态需水量分配到每个月份，在考虑生态质量处于“好”的水平下，相比Tennant法，其枯水期计算结果偏小，而丰水期计算结果偏大;基于流域水文循环模型的河流生态流量计算方法，由于其把弃水也加入到了河道内生态流量之中，然后平摊到全年。

　　因此，在非汛期(10月至次年3月)其计算结果偏大，而在汛期(4—9月)特别是在大部分鱼苗生长繁殖发育期的6—8月，其计算结果偏小;最小月平均实测径流量法计算结果为1600m3/s，按照Tennant法评价，在供水期处于“好”的水平，在鱼类产卵育繁殖期处于“中”以下水平;多方法耦合模型法对上述几种方法结果进行耦合，以《珠江流域综合规划(2012—2030年)》中西江梧州断面生态流量的需求和生境模拟法计算的鱼类繁殖期对河流流量的需求作为控制性指标，耦合模型法计算结果比较切合西江梧州断面实际，因为其既考虑了河道内基本流量需求也考虑了下游三角洲压咸流量和汛期鱼类生长繁殖的需求，在Tennant法的评价标准里均处于“好”及以上标准范围，计算结果合理。

　　4结语

　　a)河流生态流量计算方法众多，但每种方法侧重点不同，而同一河流往往具有多功能、多目标的需求，因此采用单一方法计算同一河道断面生态流量显然不太合理，需要综合多种方法进行分析研究。b)即使综合多种方法的计算结果也不能完全适应综合功能河道的生态流量需求，如果根据河道的实际需求考虑加入一个控制向量，建立耦合其他各种方法计算结果的耦合模型，就能够准确地反映该河道的生态流量实际需求，耦合模型正是基于此提出来的一种生态流量计算方法，是理论联系实际的科学方法。

　　c)本文提出了基于区间可行域的河流生态流量多方法耦合模型，以西江梧州断面为实例，对生境模拟法、湿周法、Tennant法、Texas法、最小月平均实测净流量法、基于流域水文循环模型的河流生态流量计算方法等多方法计算结果进行耦合，根据梧州断面实际情况加入了耦合控制变量，计算梧州断面全年每个月的河流生态流量，计算结果满足现实需求。d)本文实例的耦合模型以“枯水期主要考虑三角洲压咸流量需求，而在丰水期则考虑鱼类繁殖的需求”作为控制因素，计算结果相对于单一计算方法和多方法综合结果更切合西江梧州断面实际，结果更为合理，对珠江流域水资源总量控制、西江骨干水库群联合调度以及水资源优化配置等工作具有重要的现实指导意义。

　　参考文献：

　　[1]左其亭.论生态环境用水与生态环境需水的区别与计算问题[J].生态环境，2005，14(4)：611-615.

　　[2]王西琴.河流生态需水理论、方法与应用[M].中国水利水电出版社，北京，2007.

　　[3]赵西宁，吴普特，王万忠，等.生态环境需水研究进展[J].水科学进展，2005，16(4)：617-622.

　　[4]王珊琳，丛沛桐，王瑞兰，等.生态环境需水量研究进展与理论探析[J].生态学杂志，2004，23(6)：111-115.

　　生态环境论文投稿刊物：《三峡生态环境监测》Ecology and Environmental Monitoring of Three Gorges(季刊)2016年创刊，中文，大16开，出版地：重庆市，是面向国内外公开发行的环境科学类学术新刊，《三峡生态环境监测》旨在宣传党和国家有关环境保护和生态建设的方针政策，反映三峡库区生态环境动态，推广环境科学先进经验和技术，展示环境科学理论研究成果，搭建环境科学交流平台，为促进三峡库区及长江中上游生态环境保护和生态文明建设服务。

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