專利名稱：一種生態需水季節差異快速分析方法
技術領域：
本發明屬于環境保護技術領域，尤其涉及一種快速分析生態需水量季節差 異的方法，解決不同季節生態需水計算資料需求和工作量大，難以直接應用于不 同季節的水資源配置和生態環境修復問題。
背景技術：
社會經濟快速發展過程中，由于不合理地開發和利用水資源，河流、湖泊、 河口等濕地生態系統需水短缺，造成生態退化的問題日益嚴重。近些年來，生 態退化在對不同尺度生態系統平衡造成嚴重負面影響的同時，己成為區域社會 經濟可持續發展的關鍵制約因素。面向生產、生活及生態用水協調配置的生態 需水定量分析技術成為當前實現生態環境保護與社會經濟可持續發展面臨的重 要問題。
目前不同類型生態需水計算方法主要針對生態系統類型結構和功能間的差 異，提出針對不同類型生態保護目標的定量分析方法。其中計算方法主要包括
了 Tennant法為代表的水文學方法，濕周法為代表的水力學方法，IFIM為代表 的生境模擬法以及以BBM為代表的整體法(Tharme， 2003)。水文學方法是根 據基于河道徑流對生態系統重要的基礎性作用，根據水文學指標對河道流量進 行設定，假定恢復、保持河道內一定規模的來流即可實現生態系統對徑流的需 求。Tennant方法即是一種典型的水文學方法，方法采用一定經驗百分比的年均 流量作為相應的生態需水量。在對徑流與生物種群分布關系缺乏足夠認識的情 況下，水文學方法中流量經驗百分比的確定具有較大的經驗性，方法的應用需經過驗證。水力學方法主要從保護河流水生生物棲息地水力學要素出發，通過 建立流量與河道水力參數之間的關系，確定河流生態需水量。濕周法將濕周作 為某個河流棲息地質量指標，通過濕周隨流量增加所表現出的增長變化點確定
河流推薦流量(Gippdetal.， 1998)。生境模擬法通過建立生物、生態及環境等 要素與流量間的定量關系，根據指示物種所需的水文、水力條件來確定河流流 量，目的是為水生生物提供一個適宜的物理生境(Scaterm， 2004)。整體法根據 不同專業專家意見綜合分析流量、泥沙運輸、河床形狀與河岸帶群落之間的關 系，使推薦的河道流量滿足不同生態保護目標，如生物保護、棲息地維持、泥 沙沉積、污染控制和景觀維護等功能需水的要求，整體法的工作量相對較大。
不同類型生態需水計算方法主要針對水文、水力、棲息地環境要素以及生 物量等不同類型生態目標要求確定相應的需水量。由于生態系統中水文過程以 及生物過程間存在的季節性差異，生態目標以及相應的生態需水量具有顯著的 季節差異性。然而，目前不同類型生態需水計算方法均存在不能快速分析生態 需水時間差異性的不足。針對不同季節間生態需水差異性問題，目前生態需水 計算方法只能通過篩選各季節指示性生態目標，分別分析不同季節生態目標對 徑流水文過程的響應關系，進而才能計算出不同季節生態需水量，相應計算過 程對生態水文資料需求量大而且計算工作量大，難以直接應用于考慮年內季節 間生態系統差異的水資源配置和生態環境保護技術中。
發明內容
本發明針對目前我國生態系統生態學資料缺乏，特別是與水文過程相對應 的生態學資料非常匱乏情況下，不同類型生態需水計算方法難以快速分析生態 需水年內季節間差異的不足，提供了一種生態需水季節差異快速分析方法，通
過將年內不同季節生態需水計算劃分為關鍵期生態需水計算和年內時間變化計算兩部分，避免了針對不同季節生態系統差異分別分析需水量時，數據量要求 大且計算工作量大的難題。
本發明的特征在于將生態系統隨時間變化的生態目標劃分為關鍵期生態目 標和需水量時間變化目標2部分。其中，以生態、生產需水矛盾最突出的生物 繁殖期對棲息地環境要素的要求作為關鍵期生態目標，根據關鍵期生態目標與 徑流間的關系確定關鍵期生態需水量，進而采用多年平均天然徑流量年內時間 變化率作為生態需水量年內時間變化目標確定生態需水季節差異，實現快速分 析生態需水季節差異要求，有效解決考慮季節差異生態需水計算工作量大的問 題。
本發明的主要目的在于解決不同季節生態需水定量計算資料需求量和計算 工作量大，目前生態需水計算方法難以為考慮年內季節間生態系統差異的水資 源配置和生態環境保護技術提供支持的難題。與現有技術相比本專利技術具有 以下優點
(1) 資料需求小，本發明將不同季節生態需水目標計算生態需水年內季節 的差異劃分為計算關鍵期生態需水量和生態需水年內時間變化規律兩部分，在 保障計算結果科學合理的基礎上，資料需求量有限，有效實現生態需水季節差 異快速分析的目的。
(2) 實用性強，選擇生物繁殖期對棲息地的要求確定關鍵期生態需水量， 考慮天然條件下水文過程與生物過程間的對應關系，采用多年平均天然徑流量 年內時間變化率作為生態需水量年內時間變化目標，計算方法科學合理且簡單 易操作，避免了繁瑣的計算工作量，實用性強。
(3) 可直接應用于考慮生態系統季節差異的水資源配置和生態修復技術中。
附圖為本發明計算得到典型河口生態需水年內季節差異。
具體實施例方式
以下詳細說明本發明的工作原理和實施方式
首先確定關鍵生態目標，通過建立生態目標參數與徑流間的關系，確定生 態需水量。本發明將生態目標劃分為關鍵期生態目標和時間變化目標兩部分。
1) 關鍵期生態需水量計算
生態系統典型生物對棲息地生態目標主要體現在流速、水深2方面。流速、 水深與河道徑流量間的關系可采用典型河道流速與過流斷面及水深間相關關系 實測資料確定。對于斷面相對規則的河道可采用曼寧公式建立流速、水深與河 道徑流量間的關系，進而確定相應關鍵期生態環境需水量，得到一定生態目標 條件下的生態需水量K，計算見式(1)
^=^ = /^(//." (1)
其中2為流量(m3^1)， ^為時間，計算關鍵期以月份為單位。
2) 生態需水時間變化目標
考慮自然狀況下天然徑流量變化與生物種群分布間具有密切的對應關系。 以保持生態系統自然狀況為基礎，根據天然徑流量多年平均時間變化率確定生 態需水量年內季節間時間變化目標，采用式(2)計算
^le,/》 (2)
式中凡表示各月生態需水占年度總量的比例，下標!'為月份；a表示不同y年度 天然徑流總量，《,表示第/年/月河道天然徑流量，w為天然徑流量統計年數。3)年度生態需水總量以及季節間的差異
根據年內關鍵期生態需水量K以及關鍵期生態需水量占年度總量的比例， 確定生態需水年度總量，計算見式(3)
『=& (3)
式中&為關鍵期生態需水量占年度總量的比例，『為生態需水年度總量。
根據生態需水年度總量及年內不同季節生態需水占年度總量比例，計算年
內不同季節生態需水量，計算見式(4)
f^=『《 (4) 式中，K為第i個月生態需水量。 實例l
以我國北方典型河道年內不同季節生態需水計算為例說明本發明的具體實 施方式。根據河流多年平均天然徑流量年內時間分布和計算公式(2)計算得到 各月生態需水占年度總量的比例。其中8月和3月分別出現兩個峰值。選擇生 態系統需水矛盾最突出的4月生物繁殖初始時期對棲息地環境的要求作為關鍵 期生態目標。根據產卵場物理環境的不同對水流流速的要求確定生物對水體流 速的目標參數選定為0.15m.s" 0.7nvs—、根據典型河道流速與過流斷面及水深 間相關關系計算關鍵期河道生態需水量如下表1所示，
表1關鍵期河道生態需水量
等級流速目標/m-s'1斷面面積/m24月生態需水量/108 m3
最小0.1531.004.650.12
適宜0.4539.5717.810.46
咼0.7046.7132.700.85
根據表1計算得到關鍵期生態需水量及河道天然徑流量年內時間變化目標，
采用式(3)和(4)計算得到河道全年及各月生態需水量見表2。表2河道各月不同等級生態需水量(10KmO
等級3月101112
l月2月4月5月6月7月8月9月月月月總量
最小0.050.060.170.120.070.110.250.330.160.120.080.051.56
適宜0.190.220.640.460.280.400.971.250.600.450.290.205.97
咼0.350.411.190.850.520.751.792.311.110.840.540.3711.02
實例2
選擇河口典型底棲生物及中華鱘為指示物種，確定河口關鍵期生態需水目 標，同時將天然徑流量時間變化規律作為生態需水的時間變化目標以維持生態 水文過程的天然節律。計算得到理想、適宜、最小等級年生態需水分別為 919.1x109、 705.9><109和593.3xl09m3。附圖為計算得到的年內不同季節生態需水 變化情況。5 10月生態需水所占比例偏高，占年度總量的70%以上。
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權利要求
1.一種生態需水季節差異快速分析方法，其步驟為1)計算關鍵期生態需水量；2)明確生態需水年內季節間時間變化目標；3)計算年度生態需水總量以及年內各月季節間的差異。
2. 根據權利要求1所述的一種生態需水季節差異快速分析方法，根據天然 徑流量多年平均吋間變化率確定生態需水量年內季節間時間變化目標，采用式(1)計算<formula>formula see original document page 2</formula>式中/ ,表示各月生態需水占年度總量的比例，下標Z'為月份；A表示不同/年度 天然徑流總量，仏表示第/年/月河道天然徑流量，"為天然徑流量統計年數。 根據年內關鍵期生態需水量R以及關鍵期生態需水量占年度總量的比例， 確定生態需水年度總量，計算見式(2)<formula>formula see original document page 2</formula>式中A為關鍵期生態需水量占年度總量的比例，w為生態需水年度總量。根據 生態需水年度總量及年內不同季節生態需水占年度總量比例，計算年內不同季節生態需水量，計算見式(3)(3)<formula>formula see original document page 2</formula>式中，^為第i個月生態需水量。
全文摘要
本發明提供了一種快速分析生態需水季節差異的方法，針對目前生態系統生態水文相關關系資料非常匱乏情況下，不同類型生態需水計算方法均存在不能快速分析生態需水時間差異的不足，將生態系統隨時間變化的生態目標劃分為關鍵期生態目標和需水量時間變化目標兩部分。以生態、生產需水矛盾最突出的生物繁殖期對棲息地環境要素的要求作為關鍵期生態目標，并確定關鍵期生態需水量，采用多年平均天然徑流量年內時間變化率作為生態需水量年內時間變化目標，最終確定生態需水季節差異，實現快速分析生態需水季節差異要求。本發明避免繁瑣的計算工作量和資料需求量，有效實現生態需水季節差異快速分析的目的。
文檔編號G06F19/00GK101650763SQ20091017008
公開日2010年2月17日 申請日期2009年9月3日 優先權日2009年9月3日
發明者濤 孫, 楊志峰 申請人:北京師范大學