一種河流型水功能區季節性設計流量計算方法
【專利摘要】本發明提供一種河流型水功能區季節性設計流量計算方法，包括：建立分布式水文模型并對待研究河流型水功能區所在流域水文過程進行模擬和驗證；建立待研究河流型水功能區與分布式水文模型內部各子流域間的對應關系；根據對應關系，輸出各待研究河流型水功能區下斷面所處子流域的長系列逐月徑流量模擬結果；根據待研究河流型水功能區設計流量核算規則，分別選取各待研究河流型水功能區對應月份的長系列徑流量模擬結果，并進行排序，選取一定保證率的流量作為待研究河流型水功能區的設計流量。本發明通過選取不同的時間段(如枯水期、平水期和汛期)，利用此種方法可以分別核定各個時期的水功能區設計流量，從而支撐水功能區的精細化管理。
【專利說明】
一種河流型水功能區季節性設計流量計算方法
【技術領域】
[0001]本發明屬于環保【技術領域】，涉及一種河流型水功能區季節性設計流量計算方法。
【背景技術】
[0002]水環境污染控制先后經過了濃度控制和目標總量控制階段，現已逐漸進入環境容量的總量控制階段。河道的水環境容量指在規定的環境目標下，保證水體使用功能不受破壞所能容納的污染物總量。通常將給定水域范圍、水質標準和設計水文條件下，水域允許的最大納污量稱為該水域的最大環境容量。各類水體能容納多少污染物取決于水體水量的多少及狀態，水量多少直接影響水體對污染物的稀釋自凈能力以及污染物在水中的時空分布，因此設計水量是計算水體最大允許納污量和水資源保護規劃的核心問題之一。
[0003]《水域納污能力計算規程》規定:計算河流水域納污能力，應采用90%保證率最枯月平均流量或近10年最枯月平均流量作為設計流量，河流、冰封河流，宜選取不為零的最小月平均流量作為樣本，但由于我國南、北方河流的差異較大，各地可根據實際情況，選擇不同水期(如豐、平、枯水期)或者其他保證率(如75%、95%等)下的設計水量條件計算水域納污能力。
[0004]采用歷史實測數據核算水功能區設計流量存在著以下幾方面的問題:(1)需要對每個水功能區單獨進行計算，導致在實際工作和科學研究中工作量較大；(2)完全通過實測數據推求，不利于變化環境下水功能區設計流量演變規律的研究；(3)水文實測資料不足或無資料的地區數據處理困難。而且，對于河流型水功能區來說，不同水文階段其流量過程有巨大差別，其入河污染來源與污染負荷也有較大差異。現有對于水功能區設計流量一般采取枯水期流量進行核定(比如按12月-次年3月份的日流量從大到小進行排列，取75%保證率流量作為水功能區的設計流量)，不能較好地支撐水功能區年內污染負荷的變化情況以及水質達標的精細化管理。
【發明內容】
[0005]針對上述現有計算河流型水功能區設計流量的問題和不足，本發明提供一種河流型水功能區季節性設計流量計算方法，包括:
[0006]建立分布式水文模型并對待研究河流型水功能區所在流域水文過程進行模擬和驗證，以實現對所述待研究河流型水功能區地表徑流過程的準確模擬；
[0007]建立所述待研究河流型水功能區與所述分布式水文模型內部各子流域間的對應關系；
[0008]根據所述對應關系，輸出各所述待研究河流型水功能區下斷面所處子流域的長系列逐月徑流量模擬結果；
[0009]根據所述待研究河流型水功能區設計流量核算規則，選定不同的時間段并分別選取各所述待研究河流型水功能區對應月份的長系列徑流量模擬結果，并進行排序，選取一定保證率的流量作為所述待研究河流型水功能區不同水文季節的設計流量。
[0010]具體地，在上述技術方案的基礎上，所述分布式水文模型為12？模型。
[0011]具體地，在上述技術方案的基礎上，所述建立分布式水文模型并對待研究河流型水功能區水文過程進行模擬和驗證之后還包括:
[0012]根據驗證結果，對分布式水文模型的下述至少一種參數進行調整:
[0013]不同土地利用類型地表截留深、土壤層厚度、下滲系數和河床材質系數。
[0014]可選地，在上述技術方案的基礎上，所述建立分布式水文模型對待研究河流型水功能區水文過程進行驗證時，包括:
[0015]利用實測流量數據對分布式水文模型進行參數率定和驗證。
[0016]可選地，在上述技術方案的基礎上，所述利用實測流量數據對分布式水文模型進行參數率定和驗證時，在全年徑流流和枯水期徑流量模擬的相對誤差均在5%以內的前提下，以月徑流過程他也效率系數的最大化為驗證判斷指數。
[0017]本發明通過建立分布式水文模型并實現對研究區水文過程特別是枯水期徑流量的準確模擬后，通過建立研究區河流型水功能區與分布式水文模型子流域之間的對應關系，利用分布式水文模型模擬結果，可以快速、準確地批量計算研究區河流型水功能區不同水文季節的設計流量，包括枯水期、平水期、汛期等，從而為計算水功能區不同季節最大允許納污量和水資源保護規劃提供更好的數據支撐。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0018]為了更清楚地說明本發明實施例或現有技術中的技術方案，下面將對實施例或現有技術描述中所需要使用的附圖作一簡單地介紹，顯而易見地，下面描述中的附圖是本發明的一些實施例，對于本領域普通技術人員來講，在不付出創造性勞動性的前提下，還可以根據這些附圖獲得其他的附圖。
[0019]圖1為本發明河流型水功能區季節性設計流量計算方法實施例一的流程圖；
[0020]圖2為本發明河流型水功能區季節性設計流量計算方法實施例二的流程圖。
【具體實施方式】
[0021]為使本發明實施例的目的、技術方案和優點更加清楚，下面將結合本發明實施例中的附圖，對本發明實施例中的技術方案進行清楚、完整地描述，顯然，所描述的實施例是本發明一部分實施例，而不是全部的實施例。基于本發明中的實施例，本領域普通技術人員在沒有作出創造性勞動前提下所獲得的所有其他實施例，都屬于本發明保護的范圍。
[0022]實施例一
[0023]圖1為本發明河流型水功能區季節性設計流量計算方法實施例一的流程圖，如圖1所示，本實施例的方法包括:
[0024]步驟101、建立分布式水文模型并對待研究河流型水功能區所在流域水文過程進行模擬和驗證，以實現對所述待研究河流型水功能區地表徑流過程的準確模擬；
[0025]本步驟中，具體地，所述分布式水文模型可以采用811(1
？1~00688 1110(161)模型。12？模型根據地表高程數據劃分子流域和子流域內部的等高帶計算單元，每個計算單元內采用“馬賽克”法將土地利用歸成數類，分別計算各類土地利用類型的地表水熱通量，取加權平均值作為整個計算單元的水熱通量。坡面匯流采用一維運動波法將坡面徑流由流域的最上游端追跡計算至最下游端。各條河道的匯流計算，根據有無下游邊界條件采用1維運動波法或動力波法由上游端至下游端追跡計算。地下水流動分山丘區和平原區分別進行數值解析，并考慮其與地表水、土壤水及河道水的水量交換。在社會水循環方面，呢？模型將各類用水展布到計算單元上，在水平衡中予以計算。
[0026]本步驟中，分布式水文模型尤其要實現對待研究河流型水功能區枯水期徑流量的準確模擬。
[0027]步驟102、建立所述待研究河流型水功能區與所述分布式水文模型內部各子流域間的對應關系；
[0028]本步驟中，可以利用地理信息系統軟件，將研究區河流型水功能區圖層與分布式水文模型子流域劃分圖層進行疊加，確定每個河流型水功能區上、下斷面所處的子流域代碼，并記錄下來，即建立起水功能區與分布式水文模型子流域之間的對應關系。
[0029]步驟103、根據所述對應關系，輸出各所述待研究河流型水功能區下斷面所處子流域的長系列逐月徑流量模擬結果；
[0030]本步驟中，利用調整后的分布式水文模型實現了對于研究區長系列(如1956?2010年)日徑流過程的模擬后，自動統計各個子流域長系列的逐月平均徑流量數據；然后根據需要，可選擇性輸出步驟102中記錄的各水功能區下斷面對應的子流域長系列枯水期、非汛期或汛期的逐月徑流量過程。
[0031]步驟104、根據所述待研究河流型水功能區設計流量核算規則，選定不同的時間段并分別選取各所述待研究河流型水功能區對應月份的長系列徑流量模擬結果，并進行排序，選取一定保證率的流量作為所述待研究河流型水功能區不同水文季節的設計流量。
[0032]上述步驟中，不同的時間段包括枯水期、平水期和汛期等；
[0033]本步驟中，將步驟103中得到的水功能區長系列枯水期、平水期或汛期的逐月徑流量數據按照從大到小順序進行排列，根據要求，選擇對應保證率的流量即可得到河流型水功能區不同季節的設計流量。例如待研究流域實際應用中水功能區設計流量的核算規則是:飲用水源區取長系列枯水期(12月至次年3月)月平均徑流的95%保證率流量，其它功能區取長系列枯水期月平均徑流的75%保證率流量。
[0034]相對于現有技術中采用歷史實測數據核算水功能區設計流量存在的問題，本發明通過建立分布式水文模型并實現對研究區水文過程特別是枯水期徑流量的準確模擬后，通過建立研究區河流型水功能區與分布式水文模型子流域之間的對應關系，利用分布式水文模型模擬結果，可以快速、準確地批量計算研究區河流型水功能區不同水文季節的設計流量，包括枯水期、平水期、汛期等，從而為計算水功能區不同季節最大允許納污量和水資源保護規劃提供更好的數據支撐。
[0035]實施例二
[0036]圖2為本發明計算河流型水功能區設計流量的方法實施例二的流程圖，實施例二在實施例一的基礎上進一步地增加驗證判斷指數，具體地，如圖2所示，該實施例方法包括:
[0037]步驟201、建立分布式水文模型并對待研究河流型水功能區所在流域水文過程進行模擬和驗證；
[0038]本步驟中，建立分布式水文模型并對待研究河流型水功能區所在流域水文過程進行驗證時，利用流域內水文站長系列實測月平均徑流量數據對分布式水文模型進行參數率定和驗證，具體驗證時可以采用在全年徑流量和枯水期徑流量模擬的相對誤差均在5%以內的前提下，以月徑流過程他也效率系數的最大化為驗證判斷指數:
[0039]步驟202、根據驗證結果，對分布式水文模型的下述至少一種參數進行調整以實現對所述待研究河流型水功能區地表徑流過程的準確模擬:不同土地利用類型地表截留深、土壤層厚度、下滲系數和河床材質系數；
[0040]本實施例中為了提高模擬精度，在參數調試過程中打破了傳統大型流域分布式水文模擬時按照水資源三級區作為參數分區的慣例，而采取了一種更為靈活的參數分區方式。比如，首先選取了待研究河流干流和各主要支流的控制水文站點，一共36個。然后根據各個子流域與水文站之間的匯流關系建立對應的參數分區，若某一支流有一個控制性水文站，則這條支流的所有匯入子流域構成一個參數分區，根據其控制性水文站模擬效果進行參數調試；對于干流上的水文站，則取相鄰兩個站點之間的所有匯入子流域作為一個參數分區，由下游的站點作為其控制性水文站。以此類推，全流域一共劃分了 37個參數分區進行模型率定和驗證。
[0041]步驟203、建立所述待研究河流型水功能區與所述分布式水文模型內部各子流域間的對應關系；
[0042]步驟204、根據所述對應關系，輸出各所述待研究河流型水功能區下斷面所處子流域的長系列逐月徑流量模擬結果；
[0043]步驟205、根據所述待研究河流型水功能區設計流量核算規則，選定不同的時間段并分別選取各所述待研究河流型水功能區對應月份的長系列徑流量模擬結果，并進行排序，選取一定保證率的流量作為所述待研究河流型水功能區不同水文季節的設計流量；
[0044]上述步驟中，不同的時間段包括枯水期、平水期和汛期等；
[0045]相對于現有流域水文模擬研究，其驗證一般采用長系列逐月平均徑流量的實測與模擬數據的相對誤差、他也效率系數等作為判別模擬效果的指數。由于一年之中汛期徑流量所占比重較大，所以汛期的模擬效果往往直接決定了全年的模擬效果。在水文模型率定和驗證完后，長系列逐月徑流量的模擬效果達到要求，但如果把所有年份枯水期(如12月至次年3月)的模擬結果單獨拿出來進行驗證，其模擬效果可能很差。基于枯水期徑流量在水功能區設計流量核定中的重要作用，本實施例在步驟201將各站點年均徑流模擬誤差限定在5 %以內，將枯水期徑流量模擬誤差可以限定在5 %以內的目標，在此條件下尋求月徑流過程他也效率系數的最大化，增強了參數率定的物理性和準確性，保證模型對于枯水期徑流量具有較好的模擬效果。
[0046]最后應說明的是:以上各實施例僅用以說明本發明的技術方案，而非對其限制；盡管參照前述各實施例對本發明進行了詳細的說明，本領域的普通技術人員應當理解:其依然可以對前述各實施例所記載的技術方案進行修改，或者對其中部分或者全部技術特征進行等同替換；而這些修改或者替換，并不使相應技術方案的本質脫離本發明各實施例技術方案的范圍。
【權利要求】
1.一種河流型水功能區季節性設計流量計算方法，其特征在于，包括: 建立分布式水文模型并對待研究河流型水功能區所在流域水文過程進行模擬和驗證，以實現對所述待研究河流型水功能區地表徑流過程的準確模擬； 建立所述待研究河流型水功能區與所述分布式水文模型內部各子流域間的對應關系; 根據所述對應關系，輸出各所述待研究河流型水功能區下斷面所處子流域的長系列逐月徑流量模擬結果； 根據所述待研究河流型水功能區設計流量核算規則，選定不同的時間段，并分別選取各所述待研究河流型水功能區對應月份的長系列徑流量模擬結果，并進行排序，選取一定保證率的流量作為所述待研究河流型水功能區不同水文季節的設計流量。
2.根據權利要求1所述的河流型水功能區季節性設計流量計算方法，其特征在于，所述分布式水文模型為WEP模型。
3.根據權利要求1所述的河流型水功能區季節性設計流量計算方法，其特征在于，所述建立分布式水文模型并對待研究河流型水功能區水文過程進行模擬和驗證之后還包括: 根據驗證結果，對分布式水文模型的下述至少一種參數進行調整: 不同土地利用類型地表截留深、土壤層厚度、下滲系數和河床材質系數。
4.根據權利要求1所述的河流型水功能區季節性設計流量計算方法，其特征在于，所述建立分布式水文模型對待研究河流型水功能區水文過程進行驗證時，包括: 利用實測流量數據對分布式水文模型進行參數率定和驗證。
5.根據權利要求4所述的河流型水功能區季節性設計流量計算方法，其特征在于，所述利用實測流量數據對分布式水文模型進行參數率定和驗證時，在全年徑流流和枯水期徑流量模擬的相對誤差均在5%以內的前提下，以月徑流過程Nash效率系數的最大化為驗證判斷指數。
【文檔編號】G06F19/00GK104408318SQ201410725524
【公開日】2015年3月11日 申請日期:2014年12月3日 優先權日:2014年12月3日
【發明者】胡鵬, 賈仰文, 周娜, 何凡, 王鵬, 劉盈斐, 李海紅, 牛存穩, 賀華翔 申請人:中國水利水電科學研究院