[发明专利]人工干扰无水文资料地区河流环境流量分区界定计算方法

权利要求书

1.一种人工干扰无水文资料地区河流环境流量分区界定计算方法，其特征在于，以流域水生态功能分区为前提，界定环境流量的构成，然后采用水文比拟法和参数等值线法来推求无水文资料地区河流多年平均径流量及年内分配，以此为基础流量数据，对不同分区环境流量计算，确定河流不同节点的环境流量，包括以下步骤：

(1)确定流域范围，进行水生态功能分区：

进行水生态功能区二级分区，一级分区包括能够反映流域气候、地势、土壤、植被自然环境要素指标的平均降水量、平均高程、地表粗糙度、土地利用强度；在一级分区基础上，进行二级分区，二级分区包括能够反映河段尺度上的栖息地环境以及人工干扰影响指标的小流域坡度、河道弯曲度、水网密度、水利工程密度和小流域污染负荷，利用GIS系统(地理信息系统软件)采用空间插值法及赋值来确定各参数值，用权重赋值分析方法确定分区；

(2)以水生态功能分区为基础，确定不同分区的环境流量组成及不同类别环境流量的计算方法：

水生态功能分区为城市人工高度干扰区和自然河道区，所述的城市人工高度干扰区包括维持稀释自净、景观娱乐、蒸发和地下水位的流量；所述的自然河道区包括维持水生生物栖息、蒸发和地下水位的流量；

维持稀释自净功能所需流量采用水质水量平衡模型，同时考虑水功能区纳污能力核算中的设计流量综合确定；景观娱乐所需流量用水深和水面面积方法来确定，景观娱乐用水水深为0.7～1.5m；维持水生生物栖息所需最小流量采用Tennant方法和湿周法确定，Tennant法计算时，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％作为河道内的维持水生生物栖息最小环境流量，每年4～9月鱼类产卵育幼期采用30年以上的平均月流量的30％作为河道内维持鱼类产卵育幼期的最小环境流量；湿周法采用斜率求法来确定临界点；维持河流地下水位需水流量根据达西定律来确定；蒸发需水流量采用水面面积、水面蒸发深以及降雨量的参数进行计算；

(3)确定参证流域，计算无水文资料流域不同节点的基础流量数据，采用水文比拟法和参数等值线法来推求多年平均径流量及年内分配：

以参证流域近30年的天然流量数据为基础，利用GIS划分流域不同汇水区域，计算闭合汇水区域面积，以此为基础采用水文比拟法计算不同汇水区域节点流量；参数等值线法是依据多年平均径流深等值线图来计算年平均径流量，采用水文比拟法和参数等值线法计算结果平均值作为最终节点流量数据；

(4)建立河段环境流量计算模型及河流环境流量整合模型：

上游河段环境流量为非消耗性流量的最大值与消耗性流量之和，河流下游河段环境流量采用汇流式整合模型计算公式计算，分别是：

城市人工高度干扰区域上游河段环境流量计算公式：

自然河道区域上游河段环境流量计算公式：

其中：分别为第n河段稀释自净流量、景观娱乐流量、水生生物栖息地流量、维持地下水位流量、水面蒸发流量、城市人工高度干扰区域上游河段环境流量、自然河道区域上游河段环境流量；为非消耗性需水流量，即稀释自净和景观娱乐所需流量的最大值；

同一水系下游河段汇流整合模型公式为：

式中：Q为下游河段的环境流量，Q_ifxh为上游河不同河段的消耗性流量，Q₁₁、Q₂₁、Q₃₁为上游不同河段非消耗性流量，通过上述所有数学公式的计算，从而实现人工干扰无水文资料地区河流环境流量分区界定的计算。

2.根据权利要求1所述的人工干扰无水文资料地区河流环境流量分区界定计算方法，其特征在于，包括以下步骤：

(1)确定流域范围，进行水生态功能分区：

进行水生态功能区二级分区，一级分区包括能够反映流域的气候、地势、土壤、植被自然环境要素指标的平均降水量、平均高程、地表粗糙度、土地利用强度；在一级分区基础上，进行二级分区，二级分区包括能够反映河段尺度上的栖息地环境以及人工干扰影响指标的小流域坡度、河道弯曲度、水网密度、水利工程密度和小流域污染负荷，利用GIS系统采用空间插值法及赋值确定一级分区、二级分区的指标，用权重赋值分析方法确定分区；

(2)以水生态功能分区为基础，确定不同分区的环境流量构成及不同类别环境流量的计算方法：

控制河段的水生态功能分区为城市人工高度干扰区和自然河道区，所述的城市人工高度干扰区包括维持稀释自净、景观娱乐、蒸发和地下水位流量，其中维持稀释自净功能所需流量采用水质水量平衡模型，同时结合水功能区纳污能力核算中的设计流量综合确定，水质水量平衡模型构建时结合河段上游来水流量Q₁、单位m³/s和污染物量P₁、单位t/a；工业点源排入控制河段的排入量Q₂、单位为m³/s和污染物排入量P₂、单位为t/a；污水处理厂排入控制河段的排入量Q₃、单位m³/s和污染物排入量P₃、单位为t/a；为河段直排生活污水流量Q₄、单位m³/s和污染物量P₄、单位t/a；河段已有生态补水流量Q₅、单位m³/s和污染物量P₅、单位t/a；河段区间降雨径流的流量Q₆、单位m³/s和污染物量P₆、单位t/a；河段支流汇入的流量Q₇、单位m³/s和污染物量P₇、单位t/a；河段下游流量Q₈、单位m³/s和污染物量P₈、单位t/a；河段蒸发耗水流量Q_耗、单位m³/s和污染物量P_耗、单位t/a；河段自净削减污染物量P_zj、单位t/a；河段取水/渗漏平衡流量ΔQ、单位m³/s和污染物量ΔP、单位t/a；

上述自净削减量采用综合衰减系数法来确定，其余采用实际监测数据；

区段污染物的综合削减系数k_sj计算公式为：

式中：Q₁，C₁—分别为河段上游来水的流量、单位m³/s和污染物浓度、单位mg/L；

q_i，c_i—分别为排污口或支流的流量、单位m³/s和污染物浓度、单位mg/L；

Q₈，C₈—分别为河段下游的流量、单位m³/s和污染物浓度、单位mg/L；

k_sj—污染物综合削减系数；

其中河流蒸发需水量采用水面面积、水面蒸发深计算，公式如下：

当E≥P：蒸发需水量W_E＝A(E-P)×10^-3

当E＜P：蒸发需水量W_E＝0 式(5)

式中：W_E为蒸发需水量，单位m³；A为水面面积、单位m²；H为多年水面蒸发深，单位mm；

景观娱乐所需流量用水深和水面面积方法来确定，景观娱乐用水水深为0.7～1.5m，维持河流地下水位需水流量根据达西定律来确定，公式如下：

Q_河补＝10^-4·K_s·I·A·L·t 式(6)

Q_河补为单侧河道渗漏量，单位：万m³/a；K_s为剖面位置不同岩性的渗透系数，单位m/d；I为垂直于剖面的水力坡降；A为单位长度河道垂直于地下水流向的剖面面积，单位m²/m；L为河道或河段长度，单位m；t为河道或河段过水渗漏时间，单位d；

所述的自然河道区包括维持水生生物栖息、蒸发和地下水位流量，维持水生生物栖息所需最小流量采用Tennant方法和湿周法确定，Tennant法计算时，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％作为河道内的维持水生生物栖息最小环境流量，每年4～9月鱼类产卵育幼期采用30年平均月流量的30％作为河道内维持鱼类产卵育幼期的最小环境流量；湿周法采用斜率求法来确定临界点；

(3)采用水文比拟法和参数等值线法计算无水文资料流域的不同节点的基础流量数据：

水文比拟法是将参证流域的径流资料特征参数、分析按要求有选择地移置到设计流域上来的一种方法，公式如下：

Q_设＝k₁k₂Q_参 式(7)

其中Q_设、Q_参分别为设计流域和参证流域的30年平均径流量，m³/s；k₁、k₂分别为流域面积和年降水量的修正系数；A_设、A_参分别为设计流域和参证流域的流域面积，km²；P_设、P_参分别为设计流域和参证流域的30年平均降水量，单位mm；

参数等值线法通过水文特征值的参数等值线图来进行计算，以30年平均径流深值线图来计算年平均径流量：

首先利用GIS系统找出各控制单元的形心，根据每个控制单元形心附近的两条等值线按比例内插计算各形心处的多年平均径流深，再乘以对应控制单元的流域面积，得到各控制单元的30年平均径流量：

Q_设＝mRA 式(9)

式中Q_设为30年平均径流量，单位m³；R为30年平均径流深，单位mm；A为流域面积，单位km²；m为单位换算系数，m为1000；

为保证流量计算结果更为准确，采用两种方法计算结果的平均值作为无水文资料地区不同节点的30年平均径流量；

根据计算所得的30年平均径流量，采用水文比拟法来推求年径流量的年内分配，直接移用参证流域各种设计代表年的月径流量分配比，乘以研究流域的年径流量即得到年径流量的年内分配；

(4)上述流量都为河道内所需流量存在交叉重叠的现象，在进行环境流量整合时，不能简单的加和：

上游河段河流非消耗性需水流量取各个分项的最大值，河流环境流量等于河流非消耗性需水流量与消耗性需水流量之和，其中河流消耗性需水为蒸发及维持地下水位所需流量：

城市人工高度干扰区域上游河段流量根据式(1)计算，自然河道区域河流环境流量根据式(2)计算，根据计算结果，由式(3)进行计算，得到下游河段所需环境流量，从而实现人工干扰无水文资料地区河流环境流量分区界定的计算。