一种评价湖泊生态补水效果的方法与流程

本发明属于生态环境保护，尤其涉及一种评价湖泊生态补水效果的方法。

背景技术：

1、湖泊是全球生态系统中极为关键的组分，具有重要的生态和社会价值。由于受到人类活动和气候变化等多方面的压力，很多湖泊面临着水面萎缩、水质恶化、富营养化等生态环境问题。生态补水是应对上述湖泊问题的重要工程手段，目前国外内已经建设了大量的湖泊生态补水工程，例如巢湖生态补水工程、引江济太工程、引黄入冀补淀工程等。不同的湖泊生态补水方案将产生不同的补水效果，比选湖泊生态补水方案是湖泊生态补水研究的关键内容，对湖泊生态补水工程运行管理、水生态环境改善等具有重要意义。

2、评价湖泊生态补水效果是比选湖泊生态补水方案的关键技术手段。湖泊生态补水效果评价指标包括流速、氨氮浓度、总磷浓度、综合营养状态指数等。目前，湖泊生态补水效果评价方法往往为单指标评价法，即对比不同生态补水方案之间的某项评价指标的优劣，指标最优的方案即为最优生态补水方案。然而，单一评价指标并不能科学而全面的反映生态补水效果，有些评价指标之间甚至会出现相反的评价结果，例如某补水方案的流速改善程度更优，但综合营养状态指数改善程度可能更劣。因此，亟需一种适用于湖泊生态补水效果评价的综合性评价方法，以准确评价不同湖泊生态补水方案之间的优劣。

技术实现思路

1、本发明的目的在于提供一种评价湖泊生态补水效果的方法，以解决上述技术问题。

2、为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：

3、本发明公开一种评价湖泊生态补水效果的方法，所述方法包括以下步骤：

4、步骤1、设计湖泊生态补水方案：针对湖泊的生态补水需求，考虑补水工程的补水位置、补水流量、补水时段、补水时长方面，设计多种不同的湖泊生态补水方案；

5、步骤2、获取基础数据：构建湖泊富营养化模型，从湖泊富营养化模型模拟结果中获取基础数据，所述基础数据包括湖泊的流速、水质参数的浓度、叶绿素a的浓度；所述水质参数包括溶解氧、高锰酸盐指数、氨氮、总磷和总氮；

6、步骤3、计算湖泊生态补水效果评价指标：综合考虑生态补水对湖泊水动力、水质、营养状态三方面的影响，分别计算水动力效果指数hei、水质效果指数wqei、综合营养状态指数tli三种湖泊生态补水效果评价指标，建立湖泊生态补水效果评价指标体系；

7、具体计算过程包括以下步骤：

8、步骤31、计算水动力效果指数hei：

9、水动力效果指数hei为物质从入湖口处输移到湖泊某点所花费的时间，所述物质为水流或污染物，其计算公式为：

10、

11、式中，c为物质浓度；x,y,z为空间坐标；t为时间；u,v,w分别为湖泊在x,y,z方向的流速；kh,kv分别表示水平扩散系数和垂向扩散系数；

12、

13、式中，μ为考虑权重后的物质浓度；

14、

15、式中，hei为水动力效果指数；

16、步骤32、计算水质效果指数wqei：

17、水质效果指数wqei计算公式为：

18、

19、式中，wqei为水质效果指数；n为水质参数的个数；qi和pi分别为水质参数i的标准化值和权重；其中，权重pi的取值范围为1～4；

20、溶解氧的标准化值qi采用公式(5)计算：

21、

22、其余水质参数包括高锰酸盐指数、氨氮、总磷和总氮的标准化值qi采用公式(6)计算：

23、

24、式中，ti为水质参数i的浓度；si,k和si,k+1分别表示水质参数i在水质类别为k和水质类别为k+1时的临界浓度；ik为水质参数i在水质类别为k时的临界浓度所对应的标准化值；

25、步骤33、计算综合营养状态指数tli：

26、综合营养状态指数tli，是反映湖泊营养状况的关键指标，其计算公式为：

27、

28、式中，tli为综合营养状态指数；tli(b)为第b种评价参数的营养状态指数；fb为第b种评价参数的营养状态指数的权重；d为评价参数的个数；评价参数包括叶绿素a、总磷、总氮以及高锰酸盐指数；

29、以叶绿素a为基准参数，则第b种参数的权重fb的计算公式为：

30、

31、式中，hb表示第b种评价参数与基准参数叶绿素a的相关关系；

32、各评价参数的营养状态指数计算公式分别为：

33、tli(chla)＝10·(2.5+1.086·ln(chla))

34、tli(tp)＝10·(9.436+1.624·ln(tp))

35、tli(tn)＝10·(5.453+1.694·ln(tn))               (9)

36、tli(codmn)＝10·(0.109+2.661·ln(codmn))

37、式中，chla、tp、tn、codmn分别为叶绿素a、总磷、总氮和高锰酸盐指数的浓度；

38、步骤4、计算湖泊生态补水效果指数：基于湖泊生态补水效果评价指标，计算湖泊生态补水效果指数ewcei，以评价不同湖泊生态补水方案的补水效果；湖泊生态补水效果指数ewcei值越大，则补水效果越好，其计算公式如下：

39、

40、式中，ej是湖泊生态补水效果评价指标j的标准化值；wj是湖泊生态补水效果评价指标j的权重；

41、

42、式中，vj是湖泊生态补水效果评价指标j的数值；rj,g和rj,g+1分别表示湖泊生态补水效果评价指标j在补水效果等级为g和补水效果等级为g+1时的临界数值；mg是湖泊生态补水效果评价指标j在补水效果等级为g时的临界数值所对应的标准化值；

43、步骤5、评价不同湖泊生态补水方案的补水效果：

44、对于不同的湖泊生态补水方案，根据从构建的湖泊富营养化模型模拟结果中获取的基础数据，分别计算得到不同湖泊生态补水方案的补水效果评价指标值，进而计算得到不同湖泊生态补水方案的补水效果指数ewcei值，然后对比不同湖泊生态补水方案的ewcei值，ewcei值最高的湖泊生态补水方案即为最优生态补水方案。

45、进一步的是，步骤1中所述湖泊生态补水方案包括单个或者多个补水位置补水方案、大流量或小流量补水方案、春季或夏季补水方案、全年或季节性补水方案。

46、进一步的是，步骤2中所述湖泊富营养化模型的构建包括边界条件和初始条件给定、控制方程求解、模型率定和验证步骤。

47、进一步的是，步骤3中所述水质类别用于反映水质的好坏，类别越高则水质越差，根据《地表水环境质量标准gb3838-2002》，水质类别总共分为ⅰ～ⅴ共五类，ⅰ类水水质最好，ⅴ类水水质最差。

48、进一步的是，步骤4中所述补水效果等级分为1～5共5个等级，分别为非常好、好、一般、不好、非常不好。

49、本发明的有益效果是：本发明所述方法综合考虑了生态补水对湖泊水动力、水质、营养状态等方面的影响，提出了hei、wqei、tli等评价指标，建立了综合性的生态补水效果指数ewcei。水动力方面，hei能够反映湖泊换水能力和污染物输移条件，比流速和水位等常规评价指标更能反映生态补水对湖泊水动力的影响；水质方面，wqei具备充分利用水质参数信息、以明确的数值有效地表征整体水质状况的优点，比氨氮、总磷浓度等常规评价指标更能反映生态补水对湖泊水质的影响，上述指标的提出，可为生态补水工程对湖泊水动力和水质的影响评价提供有力支撑。本发明所述方法解决了当前评价方法存在的评价指标单一、评价结果不合理等问题，实现了对湖泊生态补水效果的科学评价，可指导最优湖泊生态补水方案的比选，为湖泊生态补水工程运行管理、水生态环境改善等提供技术支撑。

50、下面结合附图及具体实施方式对本发明作进一步详细说明。