一种构造河流生态流量隶属度函数的方法与流程

本发明涉及环境保护与资源综合利用
技术领域：
，具体涉及一种构造河流生态流量隶属度函数的方法。
背景技术：
：河流是一个兼具自然、社会和经济功能的复合生态系统。人类对于河流不适当的开发利用会引起其理化性质、泥沙淤积规律、水系连通性等性质的改变，进而造成河道水质恶化、河漫滩植被衰退、生态系统生物多样性下降等问题。水库作为对河流影响最大的水工建筑物，其调度运行方式既可以为生态系统带来消极作用，也可以起到修复和保护生态系统的积极作用。目前，各国政府普遍要求各个水库泄放生态流量来保障河流生态功能。河道生态流量主要由以下四类方法确定：水文学法(1)tennant法，也称蒙大拿法。dontennant以美国内布拉斯加州、蒙大拿州和怀俄明州10多年现场观测资料为依据，分析栖息地生态环境与河道流量间的相关关系后，于1976年提出的生态流量确定方法[1]，具体见表1。表1tennant法(蒙大拿法)2011年，陈敏等人将tennant法应用于港口湾水库修建前后的水文情势变化分析及评价中，发现由于修建水库，下游径流量呈秋冬增加、春夏减少、年内分配更均匀的变化趋势，且部分月份的月平均流量小于适宜生态径流值[2]。2015年，秦民为突出个别年份和流量，以典型年径流代替多年平均流量，结合金沙江实际情况引入输沙影响因子对tennant法进行改进[3]。2019年，黄显峰等人将物元分析法与tennant法相结合提出me-tennant河流生态流量过程评价模型，并对湖南省刘家坪水电站生态流量过程进行计算及评价[4]。(2)逐月最小生态流量法，依据河流各月多年平均径流系列制定生态流量过程的方法[5]。2013年，潘扎荣等人在逐月最小生态流量法的基础上，以河流天然径流过程的特征变量量化同期均值比，结合多年月平均径流过程推求河道基本生态需水量的年内过程，提出年内展布法[6]。(3)7q10法，采用90％保证率下连续7日的最枯平均流量作为河流最小流量设计值。该方法在引入我国时，已根据我国的经济发展状况及径流地区分配不均的情况修改为：一般河流采用近10年或90％保证率的最枯月平均流量作为河流环境用水[7]。(4)texas法，是在tennant法基础上进一步考虑河流水文因素的季节变化规律，通过计算各月流量频率曲线，在50％保证率的月流量基础上，依据研究区典型植物、水生生物的水量需求设定特定百分率作为最小生态流量[8]。2018年，侯昕玥等人采用多种水文学方法对小清河济南段生态流量进行计算，经spss软件分析，认为texas法计算得出的生态流量适用性最好[9]。水力学法(1)湿周法，是以湿周为栖息地质量指标，绘制栖息地临界湿周与流量关系曲线，将曲线中的发生变化的转折处所对应的流量作为生态流量[10]。(2)r2-cross法，是一种以湿周率、平均水深、平均流速等水力参数，为保护河流栖息地，利用曼宁公式计算河流生态需水量及生态流量的方法[11]。r2-cross法确定最小栖息地流量的水力标准见表2。表2r2-cross法水力标准河流顶宽(m)平均水深(m)湿周率(％)平均流速(m/s)0.3-0.60.06500.30486.3-12.30.06-0.12500.304812.3-18.30.12-0.1850-600.304818.3-30.50.18-0.3≥700.3048生境模拟法(1)河道内流量增量法(instreamflowincrementalmethodology，ifim)，由i.w.johnson于1995年提出，该方法将鱼类作为指示物种，通过模拟不同流量水平下研究河段的水深和流速分布情况，结合指示物种在不同水深、流速的情况下适宜度曲线，计算指标物种的栖息地面积，获得栖息地面积与流量曲线后，拐点所对应的流量即为生态流量[12]。(2)phabsim法(physicalhabitatsimulation)，计算过程包含水力学模拟和栖息地模拟两个部分[13]。首先确定指标物种对水深、流速两主要水力学因素的适应度曲线，并推求出适应度指数，将其与研究断面的水域面积相乘，即可推算出该流量下的有效栖息地面积；接着计算组合适宜度利用phabsim模型对河流有效栖息地面积随流量的变化规律进行模拟。选取有效栖息地面积最大时所对应的流量为河流生态流量。整体分析法(1)iha-rva法，为定量评价流域水文情势改变度，richterb.d.从总量、时间、频率、延时和变化率五个方面提出32个指标，建立水文改变指标体系(indicatorsofhydrologicalteration，iha)。richterb.d.等人在iha的基础上，以保护水生生物多样性和流域生态功能为目标提出变动范围法(rangofvariabilityapproach，rva)，用于计算32个iha指标及整体变化程度[14]。综上所述，虽然水文学法、水力学法、生境模拟法、整体分析法等确定河道生态流量的主流方法，具有操作简单、水文、水力基础数据适用性较好的优点，但它们存在从基流角度确定生态流量，并将生态流量视为固定值的弊端。(1)从基流角度确定生态流量生态基流，即能保障河流基本生态功能的最小流量。河流具有生态功能(栖息地、通道、屏蔽和过滤、源汇)、社会经济功能(淡水供应、水能提供、物质生产、休闲娱乐)及水文、地质功能等[15]。如果水库只按照生态基流的标准泄放流量，则只有小部分功能的需求能得到满足，长此以往，同样会带来诸多生态问题。(2)将生态流量视为固定值研究表明，河流水位上升和下降过程中产生的脉冲是生态系统物质交换、信息传递的主要驱动力之一[16]。固定生态流量会对河流上游与下游、河岸与河漫滩之间营养物质交换、水文情势信息传递造成阻碍，引起水生生物生命周期错乱、生态系统多样性下降等问题，不利于河流的长期发展。此外，在水库调度运行方案制定时，以固定生态流量表示生态需求，只能作为一个约束条件，会削弱生态需求的约束力度，不利于水库资源的合理分配。技术实现要素：常用的生态流量确定方法不仅是从基流角度确定生态流量，而且将其视为固定值。这虽然能保障河流的基本生态功能、简化水库调度运行方案制定的复杂性，但会严重阻碍营养物质、水文情势信息在生态系统中的传递，不利于生态系统的长期发展。针对上述问题，本发明基于生态水力半径法[17]和模糊数法提出生态流量隶属度的概念及生态流量隶属度函数的构造方法。本发明可以解决以下技术问题：(1)改变从基流、固定值角度推求河道生态流量，不利于生态系统长期发展的弊端。(2)没有合适的方法可以将生态流速、河道断面形状和生态流量相结合，确定出河道任意过水断面能够起到修复或保护生态目标作用的生态流量范围。(3)无优化、评价生态流量是否为适宜值的依据。(4)在制定综合型水库调度运行方案时，生态流量只能作为优化力度小、没有弹性的约束条件，造成水库资源的不合理分配。为达到以上目的，本发明采取的技术方案是：河道内任意地点能够起到修复或保护生态目标作用的生态流量范围，可以根据生态目标试验测得生态流速和生态流量隶属度函数来确定。本发明基于生态水力半径法和模糊数法给出生态流量隶属度函数的构造方法，其中：生态水力半径法用于确定生态流速和生态流量的对应关系；模糊数法用于确定适宜生态流速范围。一种构造河流生态流量隶属度函数的方法，包括以下步骤：步骤1、假定河道流态为明渠均匀流，并且流速为河道过水断面的平均流速，采用生态水力半径法，依据过水断面水力参数与曼宁公式，确定出河道任意地点生态流速与生态流量间的关系函数，过水断面水力参数包括：水力半径、水力坡度、河道糙率、湿周等；步骤11、依据曼宁公式，计算水力半径，曼宁公式的表达式为：式中，r为水力半径；v为生态流速；n为河道糙率；j为水力坡度；步骤12、依据天然河道过水断面形状进行判断，选取合适的计算公式求出水力半径r与过水断面面积a的函数关系；步骤13、依据公式q＝a·v，计算生态流量值，式中，q为生态流量，计算多组生态流速v与生态流量值q，得到v～q关系曲线，再通过拟合求得v～q关系函数：q＝f(v)；步骤2、采用模糊数法得到生态流速的隶属度函数α(v))，在确定的河道过水断面，生态流量q与生态流速v是一一映射，则生态流速由v＝f(q)-1表示，则对应的河道过水断面生态流量隶属度函数为α(f(q)-1)。在上述方案的基础上，步骤12中不同的河道过水断面采用不同的抛物线方程，当抛物线的开口方向为向上型时，其表达式为：y＝ax2，a>0，a为抛物线方程椭圆长半轴，进一步得出最后得出水力半径r与过水断面面积a的函数关系为：当抛物线的开口方向为向下型时，其表达式为：y＝a|x|2+c|x|，a<0,c>0，a为抛物线方程椭圆长半轴，c为抛物线方程椭圆短半轴，进一步得出最后得出水力半径r与过水断面面积a的函数关系为：其中h为水深，b1为过水断面宽度，b为扩散系数，p为湿周，当h＝1时，b＝0.5×b1。在上述方案的基础上，步骤2中生态流速的隶属度函数包括生态流速三角隶属度函数和生态流速梯形隶属度函数，所述生态流速三角隶属度函数的表达式为：式中：v1,v2,v3分别为适宜生态流速的最小值、最佳值和最大值，最佳值对应的隶属度为1；所述生态流速梯形隶属度函数的表达式为：式中：v1,v21,v22,v3分别为适宜生态流速的最小值、最小佳值、最大佳值和最大值；最小佳值对应的隶属度为1，最大佳值对应的隶属度为1。附图说明本发明有如下附图：图1河道过水断面类型，图1(a)为向上型，图1(b)为向下型；图2为生态流速三角隶属度函数；图3为生态流速梯形隶属度函数；图4长江中游四大家鱼主要产卵场及监测断面位置；图5黄陵庙、宜都、清江口水面高程-水面宽度拟合曲线，图5(a)为黄陵庙水面高程-水面宽度拟合曲线，图5(b)为宜都水面高程-水面宽度拟合曲线，图5(c)为清江口水面高程-水面宽度拟合曲线；图6黄陵庙、宜都、清江口的生态流量隶属度函数图像，图6(a)为三角隶属度函数，图6(b)为梯形隶属度函数。具体实施方式以下结合附图1-6对本发明作进一步详细说明。河道内任意地点能够起到修复或保护生态目标作用的生态流量范围，可以根据生态目标试验测得生态流速和生态流量隶属度函数来确定。本发明基于生态水力半径法和模糊数法给出生态流量隶属度函数的构造方法，其中：生态水力半径法用于确定生态流速和生态流量的对应关系；模糊数法用于确定适宜生态流速范围。生态水力半径法由于过水断面形状的差异，同一流速在不同河道过水断面的影响下会产生不同的流量。生态水力半径法依据过水断面水力参数(水力半径、水力坡度、糙率、湿周等)与曼宁公式，可确定出河道任意地点生态流速与生态流量间的关系函数。该方法假定河道流态为明渠均匀流，并且流速为河道过水断面的平均流速。具体步骤如下：(1)依据曼宁公式：计算水力半径。式中，r为水力半径；v为生态流速；n为河道糙率；j为水力坡度。(2)依据天然河道过水断面形状(水面高程-水面宽度关系拟合曲线)进行判断，选取合适的计算公式求出水力半径与过水断面面积函数(r～a)；(3)依据公式q＝a·v计算出生态流量值。式中，q为生态流量。上述计算过程中，步骤(2)为关键步骤。天然河道过水断面可以由抛物线来描述，依据抛物线的开口方向可分为向上型和向下型两种情况，见图1。由图1可知，不同的河道过水断面应采用不同的抛物线方程及不同的r～a关系函数计算公式，见表3。表3不同过水断面的抛物线方程及r～a关系函数通过列举计算多组生态流速v与生态流量值q，重复上述步骤，即可得到v～q关系曲线，再通过拟合求得v～q关系函数(记为q＝f(v))。模糊数法设论域u(u∈r)中，对于任意α∈u都存在映射α(x)：u→[0，1]，则称α为论域u的模糊子集。α(x)为α的隶属度函数。当对于任意α1，α2∈u都有α(γα1+(1-γ)α2)≥min{α(α1)，α(α2)}时，α为u中的凸模糊子集，γ为(0，1)之间的任意实数。则α(x)为模糊数的条件为：(1)α为u中的凸模糊子集；(2)存在μ1，μ2∈u且μ1≤μ2，使得对于任意x∈[μ1，μ2]，α(x)＝1且当u＝{α1，α2，...，αn}为有限集时，其模糊数α(x)可以表示为：模糊数法可通过构造隶属度函数的方式计算出生态流速及生态流量在不同取值下的隶属度。使用者可依据生态目标适宜的生态流速，选取合适的模糊数构造生态流量隶属度函数，常用的模糊数有：(1)三角模糊数若生态目标的适宜生态流速包含三个值v三＝(v1，v2，v3)，分别为适宜生态流速的最小值、最佳值(隶属度为1)和最大值，则三角模糊数对应的隶属度函数为：使用α三角＝(v1,v2,v3)表示生态流速三角隶属度函数，其对应的图像如图2所示。(2)梯形模糊数若生态目标的适宜生态流速包含四个值v四＝(v1,v21,v22,v3)，分别为适宜生态流速的最小值、最小佳值(隶属度为1的起始值)、最大最佳值(隶属度为1的结束值)和最大值，则梯形模糊数对应的隶属度函数为：使用α梯形＝(v1,v21,v22,v3)表示生态流速梯形隶属度函数，其对应的图像如图3所示。生态流量隶属度函数构造方法通常，可以起到修复和保护生态目标的生态流速不是一个定值，而是一个范围，对应到河道不同过水断面会呈现出不同的生态流量范围。由生态水力半径法可以得到生态流速与生态流量的对应关系(q＝f(v))，又由模糊数法可以得到生态流速的隶属度函数(α(v))。在确定的河道过水断面，生态流量q与生态流速v是一一映射，则生态流速可由v＝f(q)-1表示，则对应的河道过水断面生态流量隶属度函数为α(f(q)-1)。基于上述技术方案，本发明以四大家鱼(青鱼、草鱼、鲢鱼、鳙鱼)为生态保护目标，使用生态流量隶属度函数确定适于四大家鱼生存、繁衍的生态流量范围，以此说明生态流量隶属度函数的构造方法与有益效果。长江上游和中游是四大家鱼主要的河流栖息地。受水利工程的影响，在重庆至彭泽约1695km的长江干流上，四大家鱼产卵场由36处(20世纪60年代)锐减至14处，年产卵规模由1184亿粒减少至9.77亿粒[18]。据统计，长江中游的四大家鱼产卵场主要分布在宜昌、宜都和枝城河段(见图4)。三个地点的合计产卵量为6.31亿粒，占长江干流总量的64.6％，属于主要产卵场，具体参数见表4。表4长江中游四大家鱼主要产卵场的分布及规模三峡水库-葛洲坝梯级水库(地理位置见图4)是长江流域关键的防洪、发电工程，也是长江中游最大的水利工程。它们的下泄流量会直接对宜昌、宜都、枝城产卵场水文及水力条件产生影响。为了向三峡-葛洲坝梯级水库提供能起到修复和保护宜昌、宜都、枝城三处四大家鱼产卵场作用的生态流量范围，本发明选取黄陵庙、宜都、清江口三个监测断面(简称三断面，地理位置信息见图4。黄陵庙、宜都、清江口三个监测断面的水力坡度j均为0.005，糙率n分别为0.04、0.04、0.016，。应用生态流量隶属度函数构造法确定三断面适宜于四大家鱼产卵、育幼的生态流量范围，可分为以下步骤：(1)确定三断面河道过水断面的形状，并选取合适的公式计算生态流速与生态流量关系函数(v～q)。三断面各自的水面高程与水面宽度实测数据拟合关系曲线见图5。由图5可以看出，黄陵庙属于向下型断面，而宜都和清江口都属于向上型断面。因此，在生态水力半径法(表3)中黄陵庙使用向上型计算公式，宜都和清江口则使用向下型。三断面各自的v～q关系函数见表5。表5黄陵庙、宜都、清江口v～o关系(2)依据适宜生态流速确定监测断面生态流速范围。经过活体试验测得适宜于四大家鱼产卵、育幼的生态流速为v三＝(0.6,0.9,1.5)[19-20]，则对应的生态流速三角隶属度函数α三(v)为：为检验梯形模糊数的实用性，假定适宜于四大家鱼繁育的生态流速为v四＝(0.6,0.9,1.2,1.5)，则对应的生态流速隶属度梯形隶属度函数α梯形(v)可以表示为：(3)推求监测断面的生态流量隶属度函数。将步骤(1)中求得的v～q关系反函数v＝f(q)-1代入步骤(2)的生态流速三角隶属度函数α三(v)或生态流速隶属度梯形隶属度函数α梯形(v)中，即可得到三断面生态流量隶属度函数如下，对应图像见图6：①三断面生态流量三角隶属度函数②三断面生态流量梯形隶属度函数上述即为依据适宜生态流速，使用生态流量隶属度函数法确定河道任意过水断面相应的生态流量范围的全部步骤。本发明主要有益效果如下：(1)提出生态流量隶属度的概念，改变长久以来将河道生态流量视为固定值的思路，保障生态系统可持续发展。(2)基于生态水力半径法及模糊数法给出生态流量隶属度函数的构造方法，可以根据修复或保护生态目标的生态流速确定出河道任意过水断面对应的生态流量范围，为水库调度、河道修复、流域管理提供参考。(3)生态流量隶属度可以作为评价生态流量合理性的依据。(4)在制定综合利用型水库调度运行方案时，生态流量隶属度函数可作为多目标优化模型的优化目标而不是单一的生态约束条件，能够有效提高生态需求优化力度与弹性，促进水库资源的合理分配。本发明的技术关键点和欲保护点：(1)基于生态水力半径法和模糊数法的生态流量隶属度函数的构造方法。参考文献：[1]李梅,黄强,张洪波,张俊华.基于生态水深-流速法的河段生态需水量计算方法[j].水利学报,2007,06,738-742.doi:10.13243/j.cnki.slxb.2007.06.015[2]陈敏,陈启慧,胡凤姣,郝嘉,董杰英.港口湾水库对下游河道生态径流的影响[j].水电能源科学,2011,08,7-9+41.[3]秦民.兼顾生态保护的水库调度方法研究[d].北京:华北电力大学,2015.[4]黄显峰,钟婧玮,方国华,贾永乐,戴灵辉.基于me-tennant法的河道生态流量过程评价模型研究[j].长江科学院院报,2019,02,20-26.[5]于龙娟,夏自强,杜晓舜.最小生态径流的内涵及计算方法研究[j].河海大学学报(自然科学版),2004,01,18-22.[6]潘扎荣,阮晓红,徐静.河道基本生态需水的年内展布计算法[j].水利学报,2013,01,119-126.doi:10.13243/j.cnki.slxb.2013.01.005[7]徐伟,董增川,罗晓丽,付晓花,谈娟娟.基于改进7q10法的滦河生态流量分析[j].河海大学学报(自然科学版),2016,05,454-457.[8]吴喜军,李怀恩,董颖,林启才.基于基流比例法的渭河生态基流计算[j].农业工程学报,2011,10,154-159.[9]侯昕玥,徐宗学,殷旭旺,武玮.小清河济南段生态基流估算研究[j].中国农村水利水电,2018,06,127-131+135.[10]郭文献,夏自强.长江中下游河道生态流量研究[j].水利学报,2007,01,619-623.[11]吴持恭.水力学[m].北京:高等教育出版社,1984.[12]张陵蕾,吴宇雷,张志广,李克锋.基于鱼类栖息地生态水文特征的生态流量过程研究[j].水电能源科学,2015,03,10-13.[13]姜海峰.基于phabsim模型的浑河干流封冻期生态流量计算[j].东北水利水电,2018,07,47-49.doi:10.14124/j.cnki.dbslsd22-1097.2018.07.017.[14]richterb.d.,baumgartnerj.v.,braund.p.,powellj.aspatialassessmentofhydrologicalterationwithinarivernetwork[j].regulatedrivers:research&management,1998,14(4),329-340.doi:10.1002/(sici)1099-1646(199807/08)14:4<329::aid-rrr505>3.3.co；2-5.[15]高永胜.河流健康生命评价与修复技术研究[d].北京:中国水利水电科学研究院,2006.[16]junk,w.j.thefloodpulseconceptoflargerivers:learningfromthetropics[j].largerivers,1999,11(3),261-280.doi:10.1127/lr/11/1999/261.[17]刘昌明,门宝辉,宋进喜.河道内生态需水量估算的生态水力半径法[j].自然科学进展,2007,01,42-48.[18]俞立雄.长江中游四大家鱼典型产卵场地形及水动力特征研究[d].重庆：西南大学,2018.[19]易雨君.长江水沙环境变化对鱼类的影响及栖息地数值模拟[d].北京：清华大学，2008.[20]chengl.,oppermanj.j.,ticknerd.,speedr.managingthethreegorgesdamtoimplementenvironmentalflowsintheyangtzeriver,j.policyandpracticereviewsarticle,2018,6,no.64.doi:10.3389/fenvs.2018.00064.本说明书中未作详细描述的内容属于本领域专业技术人员公知的现有技术。当前第1页12