一种闸控的湖泊与河流水文连通度计算方法、系统及介质

本技术涉及水利工程领域，具体设计一种适用于通过水闸连通的河流-湖泊水文连通度定量计算方法、系统及介质。

背景技术：

1、河流与湖泊之间的水文连通直接表征河湖之间水体交换程度与湖泊水位变化特征，也是河湖之间物质、能量及生物体进行交换的主要途径。出于防洪、蓄引水、发电、通航、生态调节等目的，大量与河流连通湖泊的连通水道上修建了节制闸，控制了河流与湖泊之间的水力联系与物质、能量交换通道，进而导致湖泊水文情势、水生态系统完整性发生改变。长江中下游历史上有近百个通江湖泊，目前仅洞庭湖、鄱阳湖及石臼湖保持自然连通，其余均直接或间接被涵闸控制。对湖泊与河流的水文连通量化评价的研究一直是河湖生态、水资源管理及水环境修复等领域的热点问题，但是对于经由水闸控制的河流-湖泊水文连通的研究尚不完善，尤其是量化评估。

2、在水文连通评价方法层面，水系、河网、流域等大中尺度水文连通评估方法被大量研究，基于图论、gis、景观分析等方法的水网系统水文连通评估日趋完善。这些方法可以较好地解决区域水网内景观斑块、水文连续性问题，但是局限于反映河流水系的水文结构连通特征。在微观上，经水闸控制的河湖连通度往往通过加权方法，在水网连通性评价中被考虑为不连通或部分时长连通，闸门调度与功能连通尚未被考虑。从水流交换与物质输移角度分析水文连通结构及功能特征是闸控湖泊水文连通量化评估的可行途径，对于特定闸控河湖系统，可以综合反映其结构及功能连通度。

3、在应用层面，大尺度河网水系的结构连通评估已经被广泛应用，微观尺度的湿地水文连通评估也有成熟的应用案例。然而，对于中尺度河湖系统的水文连通定量评估、长时间序列演化、不同河湖系统连通度对比方面的计算方法尚不完善，尤其是闸控河湖水文连通，在综合反映结构及功能连通的量化评估方面尚未有效应用。亟需从闸门调度与功能连通的角度对中尺度闸控河流-湖泊水文连通度进行定量评估，进而实现对闸控湖泊连通状况进行监测与实时计算，分析闸控湖泊与河流水文连通的演变规律及趋势。该连通度指数还可以直接作为闸控湖泊生态环境变化的关键因子，这对于分析闸控对湖泊演化的影响及湖泊保护与治理等具有重要的意义。

技术实现思路

1、本技术实施例的目的在于提供一种闸控的湖泊与河流水文连通度计算方法、系统及介质，不需要精细的地形资料与复杂的数值模拟，可以较为全面地反映闸控湖泊与河流的连通特征及程度，使用该方法可以方便地对不同区域闸控湖泊与河流水文连通的横向比较，可以较为恰当地反映闸控湖泊与河流水文连通的演变规律。

2、为实现上述目的，本技术提供如下技术方案：

3、第一方面，本技术实施例提供一种闸控的湖泊与河流水文连通度计算方法，包括以下具体步骤：

4、步骤1)确定闸控湖泊和与之连通河流的水文要素；

5、步骤2)确定闸控湖泊与河流连通水道上水闸的设计及运行参数；

6、步骤3)提取研究湖泊的形态信息以及湖泊与所连通河道的位置关系；

7、步骤4)分别计算每条连通水道的湖泊与河流的水文连通度指数；

8、步骤5)确定每条通江水道的计算权重，计算河流-湖泊综合水文连通度。

9、所述步骤1)中，需要确定的湖泊及河流的水文参数包括计算时段内湖泊日均水位、月平均水位、湖泊的湖容-水位关系vl＝fv(h)、河流的日均水位，

10、对于没有水文或水位站记录水位的，湖泊日均水位与河流的日均水位用闸前水位与闸后水位代替，

11、对于有实测地形资料的湖泊，直接利用arcgis系列软件提供的面积-体积统计模块工具进行计算，

12、对于没有实测地形资料的湖泊，通过遥感影像分析，提取不同水位下的湖泊水域面积，构建湖泊水域面积与水位之间的函数关系，通过分割求和方法计算水位差与体积差之间函数关系；通过部分实测散点水深或历史资料，估算湖泊最低高程，进而估算出湖泊容积-水位关系。

13、所述步骤2)中，需要获取每条出入湖连通水道的水闸设计及运行参数，包括水闸的底板高程，闸孔数量，单个闸孔宽度及高度；运行参数包括评价时间尺度内第j日每日开启时长,开启的孔数和高度。

14、所述步骤3)中基于遥感影像提取所研究湖泊及其与河流的连通水道的形态信息，选择谷歌gee平台既有的水体信息数据库或者利用归一化差异指数，

15、提取湖泊、连通水道及河道水体信息后，确定月平均水位条件下湖泊水域的形心位置g、面积alake、与连通水道连接点ai，i为连通水道编号；确定通江水道长度ri及其与河道的连接点bi。

16、所述步骤4)中每条连通水道的过流能力取决于闸控断面尺寸、闸门开启高度和闸前后水深，第i条通江水道第j天的过流能力通过下式计算：

17、

18、式中σij为淹没系数，μij为流量系数，eij为闸门开启高度，bgi为闸孔宽度，g为重力系数，ngij为开启的闸控孔数，h0i为底板高程，hij为计算水位，取闸前与闸后水位高的一侧。

19、淹没系数与闸前后水位差|hgr-hgl|及闸门开度密切相关，对于宽顶堰及平底堰，淹没系数根据经验系数图进行查找；对于曲线型实用堰，淹没系数可用下式计算：

20、

21、式中，β为堰顶急变流势能修正系数，h为紧靠闸门出口处堰顶水深，

22、对于宽顶堰及平底堰，流量系数用下式计算：

23、

24、对于曲线型实用堰，流量系数可用下式计算：

25、

26、在评价时段内，每条通江水道的水文连通度通过下式计算：

27、

28、式中tgj为第j日闸门开启的时长，vl为评价时段内湖泊容积，一般取月平均水位对应的湖泊容积(fv(hlm))，若hij-h0ij≤0或者egij＝0，则hci＝0。

29、所述步骤5)中每条通江水道进行水体交换对湖泊的影响效率与该通江水道的长度li、通江水道与湖泊中心位置的关系密切相关，

30、计算通过遥感所得湖泊水体面积数据的等效圆半径rlake

31、

32、每条连通水道对河流-湖泊连通度的贡献的权重wi，由通江水道长度及其与湖泊连接点到湖泊形心距离di的乘积，与湖泊等效圆半径的平方之比来确定，

33、

34、因此，闸控湖泊与河流的综合水文连通度可通过下式计算：

35、

36、第二方面，本技术实施例提供一种闸控的湖泊与河流水文连通度计算系统，包括，

37、水文要素确定模块，用以确定闸控湖泊和与之连通河流的水文要素；

38、水闸参数确定模块，用以确定闸控湖泊与河流连通水道上水闸的设计及运行参数；

39、信息提取模块，提取研究湖泊的形态信息以及湖泊与所连通河道的位置关系；

40、计算模块，分别计算每条连通水道的湖泊与河流的水文连通度指数；

41、水文连通度确定模块，确定每条通江水道的计算权重，计算河流-湖泊综合水文连通度。

42、第三方面，本技术实施例提供一种计算机可读存储介质，所述计算机可读存储介质存储有程序代码，所述程序代码被处理器执行时，实现如上所述的水文连通度计算方法的步骤。

43、与现有技术相比，本技术的有益效果是：本发明提供一种考虑闸门调度及功能连通的闸控湖泊与河流水文连通的计算方法及主要参数的选择建议。首先给出了需要收集的闸控湖泊及与之连通的河流的水文参数，给出了各水文参数的取值或计算方法，包括湖泊水位-容积关系、湖泊日/月均水位、河流日均水位等。然后，给出了计算所需的每条连通水道水闸的设计及运行参数，包括水闸孔数、宽度、底板高程、高度，日内开启孔数、高度、时长等。之后，给出了计算所需的湖泊的形态信息以及湖泊与所连通河道的位置关系，包括湖泊面积与形心、连通水道长度及连接点等。再之，给出了常用类型水闸(宽顶堰、平底堰、曲线型实用堰)节制(闸门开启高度、孔数及时长)下，不同连通水道水文连通度的计算方法。最后，在考虑连通水道长度、湖泊形态及其与连通水道空间位置的基础上，给出了各连通水道权重的计算方法，在此基础上，给出了闸控湖泊与河流综合水文连通的计算公式。该方法使用较为简单，不需要精细的地形资料与复杂的数值模拟，可以较为全面地反映闸控湖泊与河流的连通特征及程度，使用该方法可以方便地对不同区域闸控湖泊与河流水文连通的横向比较，可以较为恰当地反映闸控湖泊与河流水文连通的演变规律。该方法也可以作为单体闸控湖泊与河流水文连通的量化表征，引入到水系、水网及流域等大中尺度的水文连通性评估中。该方法可以为定量分析闸控湖泊水文连通提供参考。