[發明專利]人工干擾無水文資料地區河流環境流量分區界定計算方法有效
| 申請號: | 201611139996.X | 申請日: | 2016-12-12 |
| 公開(公告)號: | CN106777959B | 公開(公告)日: | 2019-02-01 |
| 發明(設計)人: | 于魯冀;王惠英;呂曉燕;梁亦欣 | 申請(專利權)人: | 鄭州大學 |
| 主分類號: | G06F17/50 | 分類號: | G06F17/50;G06Q50/26 |
| 代理公司: | 鄭州天陽專利事務所(普通合伙) 41113 | 代理人: | 聶孟民 |
| 地址: | 450001 河南*** | 國省代碼: | 河南;41 |
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| 摘要: | |||
| 搜索關鍵詞: | 人工 干擾 水文 資料 地區 河流 環境 流量 分區 界定 計算方法 | ||
1.一種人工干擾無水文資料地區河流環境流量分區界定計算方法,其特征在于,以流域水生態功能分區為前提,界定環境流量的構成,然后采用水文比擬法和參數等值線法來推求無水文資料地區河流多年平均徑流量及年內分配,以此為基礎流量數據,對不同分區環境流量計算,確定河流不同節點的環境流量,包括以下步驟:
(1)確定流域范圍,進行水生態功能分區:
進行水生態功能區二級分區,一級分區包括能夠反映流域氣候、地勢、土壤、植被自然環境要素指標的平均降水量、平均高程、地表粗糙度、土地利用強度;在一級分區基礎上,進行二級分區,二級分區包括能夠反映河段尺度上的棲息地環境以及人工干擾影響指標的小流域坡度、河道彎曲度、水網密度、水利工程密度和小流域污染負荷,利用GIS系統(地理信息系統軟件)采用空間插值法及賦值來確定各參數值,用權重賦值分析方法確定分區;
(2)以水生態功能分區為基礎,確定不同分區的環境流量組成及不同類別環境流量的計算方法:
水生態功能分區為城市人工高度干擾區和自然河道區,所述的城市人工高度干擾區包括維持稀釋自凈、景觀娛樂、蒸發和地下水位的流量;所述的自然河道區包括維持水生生物棲息、蒸發和地下水位的流量;
維持稀釋自凈功能所需流量采用水質水量平衡模型,同時考慮水功能區納污能力核算中的設計流量綜合確定;景觀娛樂所需流量用水深和水面面積方法來確定,景觀娛樂用水水深為0.7~1.5m;維持水生生物棲息所需最小流量采用Tennant方法和濕周法確定,Tennant法計算時,每年10月~翌年3月用水期的流量采用30年以上的平均月流量的10%作為河道內的維持水生生物棲息最小環境流量,每年4~9月魚類產卵育幼期采用30年以上的平均月流量的30%作為河道內維持魚類產卵育幼期的最小環境流量;濕周法采用斜率求法來確定臨界點;維持河流地下水位需水流量根據達西定律來確定;蒸發需水流量采用水面面積、水面蒸發深以及降雨量的參數進行計算;
(3)確定參證流域,計算無水文資料流域不同節點的基礎流量數據,采用水文比擬法和參數等值線法來推求多年平均徑流量及年內分配:
以參證流域近30年的天然流量數據為基礎,利用GIS劃分流域不同匯水區域,計算閉合匯水區域面積,以此為基礎采用水文比擬法計算不同匯水區域節點流量;參數等值線法是依據多年平均徑流深等值線圖來計算年平均徑流量,采用水文比擬法和參數等值線法計算結果平均值作為最終節點流量數據;
(4)建立河段環境流量計算模型及河流環境流量整合模型:
上游河段環境流量為非消耗性流量的最大值與消耗性流量之和,河流下游河段環境流量采用匯流式整合模型計算公式計算,分別是:
城市人工高度干擾區域上游河段環境流量計算公式:
自然河道區域上游河段環境流量計算公式:
其中:分別為第n河段稀釋自凈流量、景觀娛樂流量、水生生物棲息地流量、維持地下水位流量、水面蒸發流量、城市人工高度干擾區域上游河段環境流量、自然河道區域上游河段環境流量;為非消耗性需水流量,即稀釋自凈和景觀娛樂所需流量的最大值;
同一水系下游河段匯流整合模型公式為:
式中:Q為下游河段的環境流量,Qifxh為上游河不同河段的消耗性流量,Q11、Q21、Q31為上游不同河段非消耗性流量,通過上述所有數學公式的計算,從而實現人工干擾無水文資料地區河流環境流量分區界定的計算。
2.根據權利要求1所述的人工干擾無水文資料地區河流環境流量分區界定計算方法,其特征在于,包括以下步驟:
(1)確定流域范圍,進行水生態功能分區:
進行水生態功能區二級分區,一級分區包括能夠反映流域的氣候、地勢、土壤、植被自然環境要素指標的平均降水量、平均高程、地表粗糙度、土地利用強度;在一級分區基礎上,進行二級分區,二級分區包括能夠反映河段尺度上的棲息地環境以及人工干擾影響指標的小流域坡度、河道彎曲度、水網密度、水利工程密度和小流域污染負荷,利用GIS系統采用空間插值法及賦值確定一級分區、二級分區的指標,用權重賦值分析方法確定分區;
(2)以水生態功能分區為基礎,確定不同分區的環境流量構成及不同類別環境流量的計算方法:
控制河段的水生態功能分區為城市人工高度干擾區和自然河道區,所述的城市人工高度干擾區包括維持稀釋自凈、景觀娛樂、蒸發和地下水位流量,其中維持稀釋自凈功能所需流量采用水質水量平衡模型,同時結合水功能區納污能力核算中的設計流量綜合確定,水質水量平衡模型構建時結合河段上游來水流量Q1、單位m3/s和污染物量P1、單位t/a;工業點源排入控制河段的排入量Q2、單位為m3/s和污染物排入量P2、單位為t/a;污水處理廠排入控制河段的排入量Q3、單位m3/s和污染物排入量P3、單位為t/a;為河段直排生活污水流量Q4、單位m3/s和污染物量P4、單位t/a;河段已有生態補水流量Q5、單位m3/s和污染物量P5、單位t/a;河段區間降雨徑流的流量Q6、單位m3/s和污染物量P6、單位t/a;河段支流匯入的流量Q7、單位m3/s和污染物量P7、單位t/a;河段下游流量Q8、單位m3/s和污染物量P8、單位t/a;河段蒸發耗水流量Q耗、單位m3/s和污染物量P耗、單位t/a;河段自凈削減污染物量Pzj、單位t/a;河段取水/滲漏平衡流量ΔQ、單位m3/s和污染物量ΔP、單位t/a;
上述自凈削減量采用綜合衰減系數法來確定,其余采用實際監測數據;
區段污染物的綜合削減系數ksj計算公式為:
式中:Q1,C1—分別為河段上游來水的流量、單位m3/s和污染物濃度、單位mg/L;
qi,ci—分別為排污口或支流的流量、單位m3/s和污染物濃度、單位mg/L;
Q8,C8—分別為河段下游的流量、單位m3/s和污染物濃度、單位mg/L;
ksj—污染物綜合削減系數;
其中河流蒸發需水量采用水面面積、水面蒸發深計算,公式如下:
當E≥P:蒸發需水量WE=A(E-P)×10-3
當E<P:蒸發需水量WE=0 式(5)
式中:WE為蒸發需水量,單位m3;A為水面面積、單位m2;H為多年水面蒸發深,單位mm;
景觀娛樂所需流量用水深和水面面積方法來確定,景觀娛樂用水水深為0.7~1.5m,維持河流地下水位需水流量根據達西定律來確定,公式如下:
Q河補=10-4·Ks·I·A·L·t 式(6)
Q河補為單側河道滲漏量,單位:萬m3/a;Ks為剖面位置不同巖性的滲透系數,單位m/d;I為垂直于剖面的水力坡降;A為單位長度河道垂直于地下水流向的剖面面積,單位m2/m;L為河道或河段長度,單位m;t為河道或河段過水滲漏時間,單位d;
所述的自然河道區包括維持水生生物棲息、蒸發和地下水位流量,維持水生生物棲息所需最小流量采用Tennant方法和濕周法確定,Tennant法計算時,每年10月~翌年3月用水期的流量采用30年平均月流量的10%作為河道內的維持水生生物棲息最小環境流量,每年4~9月魚類產卵育幼期采用30年平均月流量的30%作為河道內維持魚類產卵育幼期的最小環境流量;濕周法采用斜率求法來確定臨界點;
(3)采用水文比擬法和參數等值線法計算無水文資料流域的不同節點的基礎流量數據:
水文比擬法是將參證流域的徑流資料特征參數、分析按要求有選擇地移置到設計流域上來的一種方法,公式如下:
Q設=k1k2Q參 式(7)
其中Q設、Q參分別為設計流域和參證流域的30年平均徑流量,m3/s;k1、k2分別為流域面積和年降水量的修正系數;A設、A參分別為設計流域和參證流域的流域面積,km2;P設、P參分別為設計流域和參證流域的30年平均降水量,單位mm;
參數等值線法通過水文特征值的參數等值線圖來進行計算,以30年平均徑流深值線圖來計算年平均徑流量:
首先利用GIS系統找出各控制單元的形心,根據每個控制單元形心附近的兩條等值線按比例內插計算各形心處的多年平均徑流深,再乘以對應控制單元的流域面積,得到各控制單元的30年平均徑流量:
Q設=mRA 式(9)
式中Q設為30年平均徑流量,單位m3;R為30年平均徑流深,單位mm;A為流域面積,單位km2;m為單位換算系數,m為1000;
為保證流量計算結果更為準確,采用兩種方法計算結果的平均值作為無水文資料地區不同節點的30年平均徑流量;
根據計算所得的30年平均徑流量,采用水文比擬法來推求年徑流量的年內分配,直接移用參證流域各種設計代表年的月徑流量分配比,乘以研究流域的年徑流量即得到年徑流量的年內分配;
(4)上述流量都為河道內所需流量存在交叉重疊的現象,在進行環境流量整合時,不能簡單的加和:
上游河段河流非消耗性需水流量取各個分項的最大值,河流環境流量等于河流非消耗性需水流量與消耗性需水流量之和,其中河流消耗性需水為蒸發及維持地下水位所需流量:
城市人工高度干擾區域上游河段流量根據式(1)計算,自然河道區域河流環境流量根據式(2)計算,根據計算結果,由式(3)進行計算,得到下游河段所需環境流量,從而實現人工干擾無水文資料地區河流環境流量分區界定的計算。
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