基于生态-生境-流量分组响应机制的生态流量量化方法与流程

基于生态
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生境
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流量分组响应机制的生态流量量化方法
技术领域
1.本发明涉及河流生态环境技术领域，具体为基于生态
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生境
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流量分组响应机制的生态流量量化方法。


背景技术：

2.尽管水资源具有可再生性，但在一定程度上也具有有限性。随着河流水生态系统破坏与河流物理栖息地退化问题的日益凸显，人们逐渐意识到河流开发与保护并存的重要性，生态保护意识逐渐加强。生态文明、生态保护成为全球性话语，加强水生态保护，促进水资源的可持续利用，对于建设人与自然和谐共生的现代化尤为重要。在水资源开发利用率较高的地区，河道外生产生活用水严重挤占河道内生态系统用水，由此产生了一系列水环境、水生态问题。
3.为了保持自然生态系统的持续性，重建被过度采水和不当管理危害过的河流以及为后代保护生物多样性，生态流量的研究成了一个关键问题。在生态环境需水研究之初，人们认为决定河流水生态系统内水生物种生存繁衍的最根本因素是河流低流量，因此各国学者对生态环境需水的定义多聚焦于河流最小流量。随着人们对水生物种研究的不断深入，新的生态模式被逐渐开发出来。该模式指出河流需要多种水流条件来维持河流生态系统的健康运行及水生物种的良性循环，生态环境需水不能只用一个最小值来表示，而应该是一个流量过程。
4.国内外关于生态流量的计算方法大致可以分为四大类：水文学法、水力学法、栖息地模拟法、整体分析法。其中，水文学法易于操作，适用性强，但仅仅考虑水文因素；水力学法虽然考虑了水力学因素，但无法体现河流水生态系统中生物对流量的需求。栖息地模拟法与整体分析法制定的生态流量针对性与代表性较强，但其需要多方面数据与监测工作的支撑。
5.目前，生态流量多为河流特定时期的固定值，不能体现生物对栖息地生境的需求差异。本发明尝试将基于栖息地模拟理论的生态
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生境
‑
流量响应机制进一步深入，综合考虑水文情势、地理特征、水力条件、水环境质量等生境因子，构建生态
‑
生境
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流量模块化模拟模型，推求一组考虑生物生态过程的生态流量组合。


技术实现要素：

6.针对现有技术的不足，本发明提供了基于生态
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生境
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流量分组响应机制的生态流量量化方法，本发明是以鱼类作为保护目标，基于栖息地模拟理论，通过流量过程与鱼类生态过程涉及到的关键栖息地生境因子，研究流量过程与鱼类生态过程之间的响应关系，揭示生态
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生境
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流量分组响应机制。研究栖息地生境因子水文情势、地理特征、水力条件、水环境质量对鱼类生态需求的影响效应。综合考虑鱼类生态学特性、环境流量组份、动态最佳栖息地、适宜性水力条件与区域水环境质量约束，建立鱼类生态过程、关键栖息地生境因子、流量过程之间的连接关系，构建生态
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生境
‑
流量模块化模拟模型，推荐对应于鱼类生态
过程不同阶段的时空动态性适宜生态流量整体形式(量值、过程与特性)，并采用水文学法补充空缺部分的基本生态流量值。
7.为实现以上目的，本发明通过以下技术方案予以实现：基于生态
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生境
‑
流量分组响应机制的生态流量量化方法，包括如下步骤：
8.收集所需的生态资料数据；
9.通过流量过程与鱼类生态过程涉及到的关键栖息地生境因子，研究流量过程与鱼类生态过程之间的响应关系，揭示生态
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生境
‑
流量分组响应机制；
10.研究鱼类生态过程与栖息地生境因子之间的影响效应，确定鱼类生态过程不同时空模块下的环境流量组份、动态最佳栖息地、适宜性水力参数、水环境质量约束。
11.进一步的，所述生态资料数据至少需包括流量数据、断面数据、河道地形图以及研究河段鱼类的种类和多样性；
12.所述栖息地生境因子至少需包括水文情势、地理特征、水力条件以及水环境质量对鱼类生态需求。
13.进一步的，在所述研究鱼类生态过程与栖息地生境因子之间的影响效应，确定鱼类生态过程不同时空模块下的环境流量组份、动态最佳栖息地、适宜性水力参数、水环境质量约束步骤之后，还包括：
14.构建生态
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生境
‑
流量模块化模拟模型，推荐对应于鱼类生态过程不同阶段的时空动态性生态流量整体形式。
15.进一步的，在所述构建生态
‑
生境
‑
流量模块化模拟模型，推荐对应于鱼类生态过程不同阶段的时空动态性生态流量整体形式步骤之后，还包括：
16.采用水文学法补充鱼类生态过程个别阶段空缺的生态流量下限值，获得鱼类生活史完整的生态流量组合。
17.进一步的，所述鱼类生态过程与栖息地生境因子之间的影响效应包括：
18.水文
‑
生态影响效应；
19.地理
‑
生态影响效应；
20.水力
‑
生态影响效应；
21.水质
‑
生态影响效应。
22.进一步的，所述生态
‑
生境
‑
流量模块化模拟模型，包括：
23.水文
‑
生态模块；
24.地理
‑
生态模块；
25.水力
‑
生态模块；
26.水环境
‑
生态模块。
27.进一步的，所述水文
‑
生态模块，水文情势年内周期性的动态变化过程会引起鱼类生活史分阶段不同的生态效应，采用水文变异诊断技术，将水文序列分为两个变动水文序列，具体通过m
‑
k法和pettitt法；
28.所述m
‑
k法，建立序列u
k
如下：
29.30.式中：
31.定义统计量：
32.式中：
33.将时间序列x逆序排列，并按照以上流程得到序列ub
k
。若曲线uf和ub有交点，则交点对应时刻即为水文变异出现的时间；
34.所述pettitt法，在t时刻，若时间序列遵循式(5)条件，则该点即为水文变异点。
35.k
t
＝max|c
k
|(k＝2,3
…
,n)
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(5)
36.式中：c
k
是i时刻数值大于或小于j时刻数值个数的累计数，(j＝1,2
…
，i)。
37.进一步的，所述水力
‑
生态模块,选用mike11软件进行模拟,以流速、水位等指标度量水力条件；
38.所述mike11软件内置有圣维南方程组，所述方程组包括连续方程和动量方程；
39.所述连续方程为：
40.所述动量方程为：
41.式中：a为过水断面面积，m2；q为径流量，m3/s；t为时间，s；x为沿水流方向的距离，m；q为单位河长的旁侧入流量，m3/s；g为重力加速度，m3/s；h为水位，m；r为水力半径，m；c为动量分布系数。
42.进一步的，所述水环境
‑
生态模块，选用mike11软件进行模拟，mike11水质计算采用对流扩散模块，它能够模拟水体运动和水体污染物作用下，物质迁移扩散运动中的分布状况，一维对流
‑
扩散方程如下：
[0043][0044]
式中：c为物质浓度，mg/l；d为河道纵向扩散系数，m/s；k表示污染物线性衰减系数，l/d；c2表示污染物浓度，mg/l。
[0045]
进一步的，所述采用水文学法补充鱼类生态过程个别阶段空缺的生态流量下限值，获得鱼类生活史完整的生态流量组合步骤中，采用年内展布法和rva法补充生态流量组合中的空缺值，具体计算方法如下展示：
[0046]
年内展布法：首先根据断面长系列月径流资料，分别计算多年平均径流量和最小年平均径流量，计算公式如下：
[0047]
[0048][0049]
式中：为第i月的多年月均径流量；q
min(t)
为第i月的多年最小月均径流量；q
ij
为第j年第i月的月均径流量；n为统计数；
[0050]
同期均值比为：
[0051][0052]
结合多年月平均流量的年内过程，计算各月的河道生态流量，即：
[0053][0054]
rva法：rva阈值即为自然河流生态系统能够承受的浮动上下限，在生态流量计算过程中可以借鉴其变动范围，参考现有生态流量计算方法，以rva阈值下限流量作为适宜生态流量，计算如下：
[0055][0056]
式中，q
l
为rva阈值下限；q
med
为多年月平均流量；q
sd
为方差；α取17％；b取1；q
min
为各月流量多年最小值。
[0057]
有益效果
[0058]
本发明提供了基于生态
‑
生境
‑
流量分组响应机制的生态流量量化方法。与现有技术相比具备以下有益效果：
[0059]
基于生态
‑
生境
‑
流量分组响应机制的生态流量量化方法，以鱼类作为保护目标，基于栖息地模拟理论，通过流量过程与鱼类生态过程涉及到的关键栖息地生境因子，研究流量过程与鱼类生态过程之间的响应关系，揭示生态
‑
生境
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流量分组响应机制。研究栖息地生境因子水文情势、地理特征、水力条件、水环境质量对鱼类生态需求的影响效应。综合考虑鱼类生态学特性、环境流量组份、动态最佳栖息地、适宜性水力条件与区域水环境质量约束，建立鱼类生态过程、关键栖息地生境因子、流量过程之间的连接关系，构建生态
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生境
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流量模块化模拟模型，推荐对应于鱼类生态过程不同阶段的时空动态性适宜生态流量整体形式(量值、过程与特性)，并采用水文学法补充空缺部分的基本生态流量值。
附图说明
[0060]
图1为本发明的流程示意框图；
[0061]
图2为本发明的技术路线框图；
[0062]
图3为本发明的生态
‑
生境
‑
流量时空分组响应机制概念性模型图；
[0063]
图4为本发明的生态
‑
生境
‑
流量模块化模拟模型图；
[0064]
图5为鲁台子径流系列突变检验图；
[0065]
图6为丰(a)、平(b)、枯(c)水年内环境流量组分划分图；
[0066]
图7为鲁台子至淮南淮河干流段示意图；
[0067]
图8为研究河段关键断面形态图；
[0068]
图9为鲁台子与淮南断面相关水质指标统计图；
[0069]
图10为鲁台子2009
‑
2010年鱼类生活史不同阶段水位过程图；
[0070]
图11为淮南断面溶解氧模拟值与实测值对比图；
[0071]
图12为部分断面流速
‑
流量关系曲线图；
[0072]
图13为断面18流速
‑
流量关系曲线；
[0073]
图14为断面18水位
‑
流量关系曲线。
具体实施方式
[0074]
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
[0075]
请参阅图1
‑
2，本发明提供一种技术方案：基于生态
‑
生境
‑
流量分组响应机制的生态流量量化方法，包括以下步骤：
[0076]
(1)收集各种所需的资料和数据，包括流量数据、断面数据、河道地形图、研究河段鱼类的种类、多样性等；
[0077]
(2)通过流量过程与鱼类生态过程涉及到的关键栖息地生境因子，研究流量过程与鱼类生态过程之间的响应关系，揭示生态
‑
生境
‑
流量分组响应机制；本发明将生态流量定义为：从河流水生态系统自身的需求出发，在现状和未来特定目标下，为维持河流水生态系统正常的生态结构和功能所必须保持的河道内的水量。由于生态演变过程对生境时空的需求差异，生态流量应该呈现多阶段多特性的组合形式，为合理估算生态流量，对河流生态
‑
生境
‑
流量时空分组响应机制展开研究。本发明以鱼类作为保护目标，分析鱼类生态过程对栖息地与流量整体性需求的响应机制：将鱼类年内生活史阶段划分为上溯期、产卵繁殖期、幼鱼索饵期、生长期、越冬期。环境流量组分与鱼类生态过程之间的基本响应关系如图3所示。
[0078]
其中，低流量可以维持河流纵向连通性，维持深潭与淹没浅滩，为鱼类提供越冬环境与洄游条件；高流量带来的涨水过程可以作为产卵信号，促使鱼类产卵，而且可以维持河流横向连通性，冲刷河道，为鱼类的繁殖生长提供丰富的营养物质。在小洪水与大洪水中又包含了平滩流与漫滩流。小洪水期间，河流的流量与含沙量较高脉冲流量更大，河流淹没范围更广，为水生生物提供更加广泛的觅食场与提供更丰富的营养资源。大洪水事件可以重塑河流与泛洪平原的物理结构，并重排河流水生态系统的生物群落结构，对于选择优势物种以及水生态系统的演变具有重要意义。
[0079]
流量是河流生态系统的关键驱动力，而且是最重要的水文参数之一。河流通过流量的变化影响栖息地生境，从而作用于水生生物生态过程。生态流量是河流水生态系统生命繁衍与功能保障的基本条件，根据河流水生态系统的需求而定，与河流水文情势、地理条件、水力特征、水环境质量等河流生境情况息息相关。水文情势年内周期性的动态变化过程会引起鱼类生活史分阶段不同的生态效应；鱼类生活史不同阶段的生态需求、以及水文情势变化对河槽、河漫滩的影响决定了适宜栖息地的动态模式；水力条件与水环境质量能够
直观描述鱼类生长繁殖不同时期对栖息地的适宜性需求。
[0080]
(3)研究鱼类生态过程与栖息地生境因子之间的影响效应，确定鱼类生态过程不同时空模块下的环境流量组份、动态最佳栖息地、适宜性水力参数、水环境质量约束；
[0081]
1)水文
‑
生态影响效应
[0082]
水文情势的变化特征可以用五类水文要素(iha指标)进行描述与量化。iha是用以评估河流生态水文变化的一系列指标体系，它以表征河流水文情势的基本特征(量、时间、频率、延时和变化率)为基础，将水文序列统计参数分为5组，32个与河流生态系统相互关联的指标。在后来的研究中，考虑到河流水资源开发利用程度的显著增强，断流现象逐渐增多，在结合实际情况的同时，对所选取的iha有所增减，最终成为现在常用的33个指标，如表1所示。
[0083]
表1 iha指标及生态影响
[0084][0085][0086]
2)地理
‑
生态影响效应
[0087]
河流地形地貌的塑造是水径流长期作用的过程。河道在水流尤其是高流量的作用下，形成了各种各样的地理形态，为水生物种尤其是鱼类的生存繁殖提供大量的营养物质及适宜的栖息地条件。由于河道地形特征是水流的边界条件，因此河道的地形特征决定了断面尺度内河流的水力参数，如水位、流速等。此外，河流地理形态也直接或间接地作用于与水生物种相关联的水文效应。
[0088]
河流形态的多样性决定了栖息地的有效性、总量及栖息地的复杂性。河流的生物群落多样性对于栖息地异质性存在着正相关效应。这种关系反映了生命系统与非生命系统之间的依存于耦合关系。某一群落的栖息地空间异质性和复杂程度越高，就表明着产生了多种小生境，在一定程度上可以容纳更多的生物栖息繁衍。此外，栖息地生境在一定程度上决定了鱼类的丰度、数量及其水域食物网。
[0089]
3)水力
‑
生态影响效应
[0090]
水力条件能够直观反映鱼类生长时期对栖息地生境的适宜需求，如流速、水深、水温等。鱼类的生长时期可以分为多个不同的生长阶段，包括上溯期、产卵繁殖期、幼鱼索饵期、、生长期、越冬期。各生长阶段在外形特征、生活习性及与栖息地生境的联系方面均有所不同。
[0091]
在产卵繁殖期，鱼类最易受到水温的影响，如果水温适宜且能满足鱼类达到性成熟所需热量，鱼类就可以进行产卵繁殖及洄游等生命活动。水温决定了鱼类的代谢反应速率，从而成为影响鱼类活动和生长的重要环境变量。在急流中，水体含氧量几乎饱和。在不同的水流条件下，鱼类的数量、丰度的变化较为显著。此外，水位的消涨对于鱼类的产卵繁殖和迁移具有很大作用，水位上涨可以刺激鱼类产卵并可以把鱼类和它们的卵及幼体远距离传送。
[0092]
4)水质
‑
生态影响效应
[0093]
水是水生生物赖以生存的最主要生境环境，水环境破坏将对诸如鱼类的水生生物产生最直接影响，严重时会导致物种大量死亡，水质优劣直接影响着鱼类物种多样性的维持与河流生境的保护。鱼类成功产卵后，需要一定适宜水环境状态用以支持其健康发育和生长，水体溶解氧浓度、水体的ph值、重金属等水环境要素，均能够对鱼类的胚胎发育产生影响。
[0094]
从生物代谢角度而言，溶氧通过鱼鳃经血液循环运送到鱼体各个组织，保证鱼类的正常生理活动。高溶解氧水平可提高鱼类的生长速度、调节鱼类的生理平衡。在弱酸性水质中，鱼类的载氧功能会显著降低。因此，在各种鱼类产卵繁殖后，鱼卵的发育期间应该严格控制水体水质达标，保证鱼类健康生长。
[0095]
(4)构建生态
‑
生境
‑
流量模块化模拟模型，推荐对应于鱼类生态过程不同阶段的时空动态性生态流量整体形式；生态流量应当依据鱼类生态过程随时间与空间的变化而制定不同的适宜值，在鱼类生态过程与流量过程的连接中还要综合考虑栖息地多类生境因子的影响效应。基于生态
‑
生境
‑
流量时空分组响应机制与栖息地生境因子对鱼类生态过程的影响效应研究，建立生态
‑
生境
‑
流量模型支撑模块，从而构建生态
‑
生境
‑
流量模块化模拟模型。
[0096]
生态
‑
生境
‑
流量模块化模拟模型由主体结构与水文
‑
生态、地理
‑
生态、水力
‑
生态、水环境
‑
生态四个支撑模块构成。首先，选取研究河段并进行生态调查，通过实地调查、监测与资料收集，确定鱼类保护目标，并研究其生态过程各阶段的生物学特性，划分时空组份。其次，启动水文
‑
生态与地理
‑
生态模块。前者用于分割环境流量组份，并选定鱼类生活史分阶段的支撑环境流量序列；后者用于选定鱼类生活史分时期对应的最佳栖息地。然后，分析不同环境流量组份对鱼类生活史各阶段内可能产生的影响，应用水力
‑
生态模块，结合鱼类生态学特性，依次确定每个时空分组内保护目标的适宜性水力参数要求。此外，通过水
质
‑
生态模块，添加每个时空分组的水环境质量约束范围。最后，针对各个时空分组，分别选取组份内的支撑环境流量的典型过程，采用水质水动力数值模拟技术模拟流量与栖息地生境之间的变化过程，建立鱼类生态过程
‑
生境因子
‑
流量之间的连接关系，推求各时空分组内的生态流量整体形式。模型的总体框架如图4所示。
[0097]
1)水文
‑
生态模块
[0098]
水文情势年内周期性的动态变化过程会引起鱼类生活史分阶段不同的生态效应。采用水文变异诊断技术，将水文序列分为两个变动水文序列，方法如下：
[0099]
①
m
‑
k法：m
‑
k法是一种非参数检验方法，能够确定水文序列的变异时间，建立序列u
k
如下：
[0100][0101]
式中：
[0102]
定义统计量：
[0103]
式中：
[0104]
将时间序列x逆序排列，并按照以上流程得到序列ub
k
。若曲线uf和ub有交点，则交点对应时刻即为水文变异出现的时间。
[0105]
②
pettitt法：在t时刻，若时间序列遵循式(5)条件，则该点即为水文变异点。
[0106]
k
t
＝max|c
k
|(k＝2,3
…
,n)
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(5)
[0107]
式中：c
k
是i时刻数值大于或小于j时刻数值个数的累计数，(j＝1,2
…
，i)
[0108]
基于iha指标，分析水文变异下环境流量组成，为推求生态流量整体形式提供水文分析基础。水生物种的生长繁殖与流量事件的发生时间、频率、量、持续时间及其变化率密切相关，包含5组34个指标，称为环境流量指标。这些指标代表了河流的水文状态，反映了河流水文情势在日间、季节间及年际间的变化。五种流量事件如下：
[0109]
①
低流量：在枯水期，地下水对这些枯水流量进行补给，低流量决定着年内水生生境的变化，其季节性的变化严重影响河流的水生群落。
[0110]
②
极端低流：极端低流下水中的溶解氧浓度降低，水体受到破坏，会对一些物种的生存及栖息环境产生不利影响，从而影响整个生态系统的正常运转。
[0111]
③
高脉冲流量：低流量和极端低流这两种流量事件往往会给生态环境带来压力，高脉冲流量形式下的河流流量会大于低流量水平，对于缓解生态压力和水资源分配具有积极作用。
[0112]
④
小洪水：包括鱼类在内的多种水生生物在汛期寻找合适的栖息地环境，小洪水事件有利于鱼类的产卵，为鱼类和其他水生生物的生存和健康发展提供有利的条件。
[0113]
⑤
大洪水：大洪水往往有巨大的冲击力，可以塑造河床形态，改变水生生物的栖息地环境，同时也能改变生态系统内的物种分布，对维持生态环境循环具有重要意义。
[0114]
2)地理
‑
生态模块
[0115]
宏观来看，河流的地理环境和鱼类群落的分布在纵向上具有显著的梯度。对洄游鱼类而言，河流的纵向是到达产卵地的基本途径，如鲟形目和鲑、鳟科的鱼类。在微观尺度上，上世纪80年代各国学者就着手对河流生物栖息地的微观尺度进行研究，提出以生态学定义的功能性栖息地和以水力学定义的水力栖息地的基本概念。
[0116]
鱼类生活史不同阶段的生态需求、以及水文情势变化对河槽、河漫滩的影响决定了适宜栖息地的动态模式。在研究河段内进行河道测量，获取每个河道断面若干点的起点距和高程数据，并结合gis技术分析河道纵向和垂向地形变化特征。鱼类较喜欢在弯曲、分汊的断面中生长繁衍，以及在河床较深处进行越冬洄游。根据鱼类生活史各阶段对栖息地形态的生态需求，划分鱼类产卵场、越冬场、洄游河段、幼鱼索饵场等区域，从而获取适宜生态流量组合所对应的最佳动态栖息地。
[0117]
3)水力
‑
生态模块
[0118]
水力条件能够直观描述鱼类生长繁殖不同时期对栖息地的适宜性需求。在栖息地生境模拟中，需要构建研究目标生态需求对应的水力参数和流量之间的关系，本发明采用一维水动力学模型实现这一过程，选用mike11软件进行模拟，以流速、水位等指标度量水力条件。在急流中，水体含氧量几乎饱和，在不同的水流条件下，鱼类的丰度、数量等会出现显著变化。水位的消涨对于鱼类的产卵繁殖和迁移具有很大作用，水位上涨可以刺激鱼类产卵并可以把鱼类和它们的卵及幼体远距离传送。
[0119]
mike11中的一维水动力模块是一款以圣维南方程组作为理论基础的水动力学软件，可用于模拟一维河道河网水流，从而建立流量与其他水力参数之间的联系。其控制方程如下所示：
[0120]
连续方程：
[0121]
动量方程：
[0122]
式中：a为过水断面面积，m2；q为径流量，m3/s；t为时间，s；x为沿水流方向的距离，m；q为单位河长的旁侧入流量，m3/s；g为重力加速度，m3/s；h为水位，m；r为水力半径，m；c为动量分布系数。
[0123]
4)水质
‑
生态模块
[0124]
根据鱼类对水环境质量的生态需求、以及国家与地区相关的水环境质量标准，选取水质浓度指标，结合水质浓度监测数据，对各约束指标进行数据统计分析。借鉴变动范围法(rva)，确定水环境质量约束的上下限值。缺乏实测资料的河段，选用mike11软件进行模拟。
[0125]
mike11水质计算采用对流扩散模块，它能够模拟水体运动和水体污染物作用下，物质迁移扩散运动中的分布状况。一维对流
‑
扩散方程如下：
[0126][0127]
式中：c为物质浓度，mg/l；d为河道纵向扩散系数，m/s；k表示污染物线性衰减系数，l/d；c2表示污染物浓度，mg/l。
[0128]
(5)采用水文学法补充鱼类生态过程个别阶段空缺的生态流量下限值，获得鱼类
生活史完整的生态流量组合；基于生态
‑
生境
‑
流量模块化模拟模型推荐的生态流量为一组时空组合值，对应鱼类生态过程不同时空组份内对生境与流量整体形式的需求。但是，不同时空组份内对生境要求的严格程度不一，因此，会出现在某个时空组份内历史流量序列均能满足鱼类生态过程的情况，出现生态流量上、下限值的空缺。为了保证河流水生态系统的健康，防止河道萎缩与栖息地不可逆的破坏，以长系列历史流量数据为基础，采用年内展布法和rva法补充生态流量组合中的空缺值。
[0129]
①
年内展布法
[0130]
首先根据断面长系列月径流资料，分别计算多年平均径流量和最小年平均径流量计算公式如下：
[0131][0132][0133]
式中：为第i月的多年月均径流量；q
min(t)
为第i月的多年最小月均径流量；q
ij
为第j年第i月的月均径流量；n为统计数。
[0134]
同期均值比为：
[0135][0136]
结合多年月平均流量的年内过程，计算各月的河道生态流量，即：
[0137][0138]
②
rva法
[0139]
rva阈值即为自然河流生态系统能够承受的浮动上下限，在生态流量计算过程中可以借鉴其变动范围。参考现有生态流量计算方法，本研究以rva阈值下限流量作为适宜生态流量。计算如下：
[0140][0141]
式中，q
l
为rva阈值下限；q
med
为多年月平均流量；q
sd
为方差；α取17％；b取1；q
min
为各月流量多年最小值。
[0142]
(6)实例应用，以淮河流域为研究区，分析了淮河干流鲁台子断面水文变异后典型年的生态流量过程，并对模拟结果进行验证；
[0143]
生态
‑
生境
‑
流量模块化模拟模型建立过程被展示如下：
[0144]
1、研究目标选取及其生态需求
[0145]
四大家鱼是青鱼、草鱼、鲢鱼及鳙鱼的总称，淮河流域是中国主要的淡水鱼区，青、草、鲢、鳙鱼是淮河重要的经济鱼类。本发明选取四大家鱼为研究目标，针对其生态需求，研究其在不同生长繁殖时期的适宜生态流量组合。查阅以往对四大家鱼产卵、越冬、养殖等研究成果，统计家鱼年内不同时期的生态需求如表2所示。其中，产卵繁殖期对于水温、涨水过
程、溶解氧浓度均要求较高。
[0146]
表2家鱼年内不同时期的生态需求
[0147][0148]
2、水文情势分析
[0149]
①
突变检验与生态水文特征分析
[0150]
选取淮南市淮河干流河段控制断面鲁台子作为研究断面，首先，对鲁台子站1956～2018年的年平均径流系列进行突变检验，突变检验结果如图5所示。从图中可以看出两条曲线在1957年、1973年、1983年、1991年、1998年出现交点，突变时间不明确。因此采用pettitt法进一步检验突变点，根据相关计算理论获取序列c
k
的极值，对应时刻即为水文突变发生的年份。通过计算分析表明：由鲁台子断面年径流量构造的序列c
k
在1983年取得极值，与m
‑
k法突变检验的结果相同。因此可以认为鲁台子断面历史流量序列的水文变异年份为1983年。
[0151]
由于生态流量是为了维护河流生态系统所应保持的最小流量，能够为维持河流生态系统健康运行和良性循环提供保证。在对鲁台子断面进行突变检验的基础上，若水文序列统计参数未落入rva阈值内，则意味着生态水文特征变化较大，将对河流河道地貌和水生生物栖息地的构建、鱼类的洄游产卵等产生影响。突变前后鲁台子水文变化情况如表3所示。
[0152]
表3鲁台子站水文变化情况
[0153][0154][0155]
注：单位：流量/m3/s；持续时间/日；出现时间/日；次数/次；变化率/％。
[0156]
计算结果表明，突变之前的水文变化指标全部落入rva阈值范围内，径流序列更贴近与天然径流状态，突变之后的5月平均水量、最小流量与最大流量出现时间、流量频率逆
转次数4个指标未落入rva阈值范围内，直接或间接地会影响河流生态系统的健康运行以及水生物种的产卵繁殖。
[0157]
②
环境流量组成分析
[0158]
通过鲁台子站突变后流量资料p
‑ⅲ
型曲线，确定丰水年(a)、平水年(b)、枯水年(c)分别为1998年、2008年、2009年，绘制典型年的环境流量组分如图6所示。统计鲁台子断面突变前后环境流量指标参数如表4所示。突变后逐月低流量变化较为明显，除3月和6月流量值略有增加外，其余各月流量有明显的下降趋势，且高脉冲流量、小洪水、大洪水的极值均有不同程度地下降。除高脉冲流量事件外，极端低流、小洪水、大洪水事件的出现时间均有延时。突变前后受影响较大的环境流量指标包括5月流量、极端低流持续时间、高脉冲流量持续时间、小洪水上升率四个指标。离散系数突变前后数据表明，突变后各流量形式的中值较为集中，以极端低流和小洪水事件变化最为明显，其相关环境流量变化将对河流生态环境及水生生物产生显著影响。
[0159]
表4突变前后环境流量主要参数统计
[0160]
[0161][0162]
注：单位：流量/m3/s；持续时间/日；出现时间/日；次数/次；变化率/％。
[0163]
3、典型断面选取与适宜性栖息地确定
[0164]
在研究河段内进行河道测量，分析河道地形变化特征，研究鱼类生活史各阶段对栖息地形态的生态需求，选取鱼类生活史各阶段的最佳栖息地。本发明选取的河段为淮南市鲁台子至淮南断面间的淮河干流河段，研究河段全长67km，以鲁台子为起始断面，淮南为结束断面，期间共不等间距测量了50个断面的断面地形，其具体位置如图7所示。
[0165]
基于家鱼产卵繁殖的场地在河道的地形特征，通常可以分为顺直型、弯曲型、分汊型和矶头型4种。这些河段的流向和流速多变，流态较为紊乱，有回流、缓流和急流，易于形
成家鱼产卵所需的流速变化刺激。宏观尺度上，四大家鱼更偏爱在弯曲、分汊和矶头等具有特殊形态的河道水流环境中产卵繁殖。弯曲型河段左岸和右岸的水流条件比较复杂，河道的右岸一般会有深槽，在水位上涨时，便成为家鱼的产卵繁殖提供场地。综合考虑河段地形、水流条件以及家鱼产卵繁殖的生态需求，最终选择断面18作为家鱼产卵繁殖的最佳栖息地。在每年秋末冬初河流流量减小时，成熟的家鱼开始从河床浅处游到水位较深处进行越冬洄游，在家鱼的产卵繁殖期，下游断面的家鱼又通过洄游到产卵场进行产卵繁殖。最终选择位于家鱼适宜产卵场之后且河道较深的断面40作为家鱼越冬的最佳栖息地。研究河段四个关键断面形态如图8所示。
[0166]
4、适宜性水力参数选取
[0167]
鱼道是恢复鱼类洄游通道的一种过鱼建筑物，而鱼道过鱼孔口适宜流速值的选定是建筑鱼道成败的关键。鱼类克服流速能力的相关试验表明，草鱼和鲢鱼的适应流速在0.3
‑
0.6m/s之间。体长18
‑
20cm的草鱼和体长23
‑
25cm的鲢鱼极限克游流速分别为0.8m/s、0.9m/s。四大家鱼大多在水位上涨时产卵繁殖，在产卵繁殖期，当产卵场能够满足家鱼产卵所需的水温条件时，一定的涨水过程刺激就可能使四大家鱼进行产卵。调查认为家鱼会在河水起涨后大约0.5
‑
2d开始产卵，当水位下降，流速减小，产卵即行停止。除此之外，家鱼产卵还需要一定的流速刺激，相关研究表明，家鱼产卵时的流速范围较大，一般认为在0.33
‑
1.50m/s。
[0168]
高脉冲流量和小洪水具有相似的生态作用，都可以作为鱼类的生命指示信号。在幼鱼生长期，高脉冲流量或小洪水事件的发生会使水面淹没范围扩大，为幼鱼和其他生物带来有机物质，提供更加广泛的觅食场与提供更丰富的营养资源。每年秋季，河流水温逐渐下降，河道内水量也减少，水位随之下降，在水文、气候等因素的作用下，家鱼开始洄游至水位较深处活动。越冬场深水区水温较表层高而恒定，一般底层温度较表层高0.5
‑
1℃，较好的越冬场水深都在10m以上。
[0169]
水力参数能够直观描述鱼类生长繁殖不同时期对栖息地的适宜性需求。参考鱼类生态学特性、养殖科学技术、克流实验、模拟计算等相关研究成果，量化鱼类生态过程各阶段对应的适宜性水力参数。统计四大家鱼年内生长时期的水力参数需求如表5所示。
[0170]
表5四大家鱼年内生长时期水力条件需求
[0171][0172]
5、水环境控制目标确定
[0173]
根据鱼类对水环境质量的生态需求、以及国家与地区相关的水环境质量标准，选取水质浓度指标，结合水质浓度监测数据，对各约束指标进行数据统计分析。借鉴变动范围
法(rva)，确定水环境质量约束的上下限值。
[0174]
我国制定的涉及河流水体质量以及鱼类需求相关标准主要有《地表水环境质量标准》(gb3838
‑
2002)、《渔业水质标准》(gb11607－89)。《地表水环境质量标准》(gb3838
‑
2002)根据地表水的环境功能及保护目标，从高到低分为
ⅰ‑ⅴ
五个类别，按照不同类别给定了水质指标的标准限值。其中，
ⅰ‑ⅲ
类均适宜于鱼类的生活。《渔业水质标准》(gb11607－89)适用鱼虾类的产卵场、索饵、越冬场、洄游通道和水产增养殖区等海、淡水的渔业水域。由于生态调查数据有限，考虑鱼类生态需求，统计鱼类保护区水环境质量相关指标标准限值如表6所示。
[0175]
表6鱼类保护区水环境质量标准限值
[0176][0177]
根据淮河流域水资源保护局水质监测数据，绘制鲁台子和淮南2006
‑
2010年相关水质指标如图9所示。结合地表水环境质量标准限值，可知鲁台子断面水质明显优于淮南断面。鲁台子断面溶解氧平均浓度为7.6mg/l，ph为7.71，均达到地表ⅰ类水质标准，氨氮、化学需氧量符合ⅲ类、
ⅴ
类水质标准；淮南断面四项水质指标则符合ⅱ类、ⅰ类、
ⅴ
类、ⅲ类水质标准。为此，以rva法作为借鉴，将4项对鱼类影响较明显的水质项目均值
±
标准差看作适宜的水环境范围值，计算结果如表7。由表可知溶解氧和ph的适宜范围均满足渔业水质标准，且适宜鱼类生存；氨氮和化学需氧量的适宜范围也达到地表ⅲ类水质标准，能够满足鱼类的生态需求。
[0178]
表7鲁台子与淮南断面适宜水环境范围
[0179][0180]
基于生态
‑
生境
‑
流量模型的生态流量组合推求过程被展示如下：
[0181]
1、水动力模拟
[0182]
建立河段水动力模型是建立水质模型的基础。采用mike11中的一维水动力模块求取鲁台子至淮南断面淮河干流河段的流量过程，获取典型断面的流量、水位过程，从而建立流量与其他水力参数之间的关系。建立一维水动力模拟模型包含以下数据文件：模拟文件(.sim11)、河网文件(.nwk11)、断面文件(.xns11)、边界条件(.bnd11)、水动力参数(糙率)文件(.hd11)。其中，边界条件包括上下边界水位、流量等时间序列文件(.dfs0)。
[0183]
①
河网概化与断面设定
[0184]
河网水系复杂，河道数量多，若将大小不一的所有河道作为单一河道参与计算，工作量会很大，甚至无法满足计算机硬件及运算时间的要求。本次模拟中淮南市内淮河干流河段主要以上游干流来水为主，由于缺乏支流来水情况，且支流流量较干流偏小很多，故不考虑区间来水。因此，模型概化为1条干流，上下边界分别为鲁台子和淮南断面。截取淮河干流鲁台子
‑
淮南段的gis数值地图并结合实地调查，确定研究河段长为67km。断面形状文件采用实测断面数据资料，起始断面为鲁台子断面，结束断面为淮南断面，具体如图7所示。
[0185]
②
初始条件与边界条件
[0186]
水动力模型计算的初始条件包括各计算断面水位和流量初始条件。本发明水动力模拟时间序列选取偏枯年份汛期的流量水位资料，鲁台子断面作为上边界，采用2009
‑
2010年实测流量资料作为流量边界；淮南断面作为下边界，采用2009
‑
2010年实测水位资料作为水位边界，分时期进行一维水动力模拟。考虑模型计算稳定性与计算时间的要求，模型计算的时间步长越小，则模型后期计算成果的精度值越高，但考虑到输入的流量与水位序列的是时间单位为每天，故模型模拟时设置的时间步长为10分钟。
[0187]
③
参数文件建立
[0188]
参数文件主要是定义模拟的初始条件和河床糙率。初始条件设定的一个重要目的是让模型平稳启动，在实践中，初始流量往往可以设定为接近于0的值，而初始水位的设定必须不能高于或低于河床，否则可能导致模型不能顺利起算。因此将初始流量设定为5m3/s，初始水位根据研究河段河床高度设定为28.2m。河床糙率n是衡量河床边壁粗糙程度对水流运动影响并进行相应水文分析的一个重要系数，其取值是河道一维数值模拟的关键。根据淮河流域的实际情况，该河段相对顺直、水流通畅，初始河床糙率设定为0.02。
[0189]
④
模拟结果验证
[0190]
由于实测资料不足，以鲁台子断面的水位数据对水动力模拟结果进行验证，鲁台子断面水位模拟值与实测值对比结果如图10所示。由图可以看出，鲁台子断面水位条件验证中大部分水位实测点与模拟水位曲线吻合，最大误差为10.56％，平均误差在2％以内。汛期闸坝泄水时，由于下泄径流受到上溯潮水的顶托作用，水情变化大，导致模型计算精度略有降低。整体来看，采用mike11一维水动力模型模拟结果较好，大部分水位模拟值与实测点较为吻合。验证结果表明所建水动力模型具有良好的重现性，基本能复演淮河干流鲁台子至淮南段的水流运动情况，可用于实际分析。
[0191]
2、水质模拟
[0192]
河流水质模型是描述河流中污染物随时间和空间迁移转化规律的数学方法。水质模型的建立可以为河流中污染物排放与河水水质提供定量关系，从而为评价、预测和选择污染控制方案以及制定水质标准和排污规定提供依据。采用mike11水质模块模拟物质在水体中的对流和扩散过程，在水动力模拟的基础上，求取淮河干流鲁台子至淮南段相关水质指标浓度值。
[0193]
①
扩散系数确定
[0194]
扩散系数是反映河流纵向混合特性的重要参数，主要受水流条件、断面特征及河道形态等因素的影响。科学家们对扩散系数d进行了大量研究，提出了不同的估算扩散系数d的方法和经验公式。本文采用fischer于1975年提出的公式来近似估算d值。
[0195]
d＝0.01u2b2/hv
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(14)
[0196]
式中：u为断面平均流速，m/s；为摩阻流速，m/s；j为水力坡降；b为河流宽度，m；h为平均水深，m。根据水动力模拟结果，鲁台子断面平均流速为0.263m/s，平均水深为6.29m。计算鲁台子
‑
淮南河段扩散系数结果如表8所示。
[0197]
表8鲁台子
‑
淮南河段扩散系数计算结果
[0198][0199]
②
衰减系数确定
[0200]
衰减系数是反映污染物随河流长度变化的综合指标，是计算污染负荷的一项重要参数，与水质污染程度、水温、河流低质、河床糙率、水生生物等因素有关，不同河段、不同流速、不同季节，甚至是不同的污染物浓度，其降解系数值是不同的。基于一维稳态水质模型，建立综合衰减系数与流量(流速)之间的关系，是研究污染负荷并进行动态纳污能力评价的关键。淮河干流鲁台子
‑
淮南段衰减系数k值(d
‑1)与断面流速u的关系可以描述为：
[0201]
k＝au b
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(15)
[0202]
式中a、b对应不同河段取不同常数值，a的取值范围为0.4
‑
0.8，b的取值范围为0.04
‑
0.08。《淮河流域纳污能力及限值排污总量意见》采用淮河流域50个河段的k值实测结果，通过相关分析得到淮河流域污染物衰减系数氨氮的k值计算式为：k＝0.551u 0.061；化学需氧量的计算式为：k＝0.68u 0.05。根据《安徽省地市水环境容量验收技术要求与说明》，溶解氧的衰减系数为0.1d
‑1。
[0203]
③
模型验证
[0204]
在确定扩散系数和衰减系数的基础上，采用鲁台子2008
‑
2010年实测水质数据(溶解氧、ph、氨氮、化学需氧量四项指标的逐月实测资料)，计算研究河段的污染物浓度。以淮南断面的溶解氧模拟结果与实测数据作为对比，对比结果如图11。可知研究河段实测值与模拟值较为接近，最大误差在25％以内，平均误差为11.5％。总体而言，通过实测及计算结果比较，可认为模拟值与实测值拟合较好，模型基本能够描述研究河段的水质时空演变规律，可用于后续基于生态
‑
生境
‑
流量模块化模拟模型的生态流量组合推求。
[0205]
3、生态流量组合推求
[0206]
根据一维水动力及水质模拟结果，并考虑鱼类生态过程不同时空模块下的环境流量组份、动态最佳栖息地、适宜性水力参数、水环境质量约束，推求家鱼不同生长时期对生态流量的需求。
[0207]
①
上溯期
[0208]
通过鱼类克服流速能力的相关试验，确定家鱼的极限克游流速为0.9m/s，当河流流速超过极限克游流速时，家鱼无法逆流游动。分析一维水动力模拟结果得知断面24至断面39出现过流速大于0.9m/s的情况，绘制断面24至断面39的流速
‑
流量关系曲线如图12所示。由图12可知，断面24是0.9m/s流速对应流量最低的断面，为保证家鱼能够顺利洄游，选取该断面对应的流量值为上溯期最高流量要求，根据其流速
‑
流量关系曲线，家鱼上溯期的流量需小于893m3/s。
[0209]
②
产卵繁殖期
[0210]
根据家鱼产卵繁殖期生态需求，家鱼产卵需要超过2天的涨水过程刺激，其产卵适宜流速一般认为在0.33
‑
1.50m/s之间。从典型断面选取来看，在研究河段内，最适宜家鱼产卵繁殖的断面为断面18，绘制断面18的流速
‑
流量关系曲线如图13所示。由流速
‑
流量关系曲线可知，当流速为0.31m/s时对应的流量为617m3/s，当流速为0.35m/s时对应的流量为691m3/s，通过插值确定0.33m/s流速对应的流量为654m3/s。由于断面18未出现1.50m/s流速过程，因此，以0.33m/s流速对应的流量作为家鱼产卵繁殖期的生态流量，且其持续时间应大于2d。
[0211]
③
幼鱼索饵期
[0212]
在幼鱼生长期，高脉冲流量或小洪水事件的发生会冲刷河漫滩，为幼鱼和其他生物带来有机物质，提供更加广泛的觅食场与提供更丰富的营养资源。在实际应用中，以小洪水和高脉冲流量能够完全覆没河漫滩为准。最适宜家鱼产卵繁殖的断面18浅滩高程为18.86m，绘制断面18水位
‑
流量关系曲线如图14所示，由水位
‑
流量关系曲线可知，18.86m水位对应的流量为899m3/s。因此，家鱼幼鱼索饵期应出现至少一次的高脉冲流量或小洪水事件，其量值应大于899m3/s。
[0213]
④
越冬期
[0214]
在秋末冬初水位下降时，成鱼开始从较浅的河段游到河床深处进行越冬洄游。统计鲁台子站1983
‑
2018年家鱼越冬期(11
‑
2月)流量资料，发现11月平均流量最小值为80.8m3/s，出现在2002年，12
‑
2月平均流量最小值分别为53.5m3/s、39.5m3/s、55m3/s，均出现在1979年。根据适宜性栖息地及水力参数选取，家鱼适宜越冬场为断面40，其河底最低高程为0.03m，家鱼越冬期需要河槽深度大于10m，相应水位为10.03m。对鲁台子站1979年和2002年越冬期流量系列进行一维水动力模拟，发现越冬期水位均超过10.03m，家鱼越冬的生态需求都能得到满足。
[0215]
⑤
分时期水质指标推求
[0216]
通过家鱼年内不同生长时期适宜性断面选取以及一维水质模拟结果，推求研究河段适宜性动态栖息地的相应水质指标，并依据制定的水环境控制目标，确定其水质达标情况。根据鲁台子、淮南断面水环境质量控制目标以及地表水水质标准限值，并考虑研究河段鱼类水质需求，确定研究河段水环境适宜范围。适宜断面水质指标计算结果及研究河段水环境控制目标如表9所示。
[0217]
表9适宜断面水质指标计算结果及水环境控制目标
[0218][0219][0220]
由表9可知，家鱼上溯期、产卵期和幼鱼索饵期的溶解氧浓度均处于水环境适宜范围内，且达到地表水ⅱ类标准，家鱼越冬期的溶解氧浓度部分高于水环境适宜范围内，此时鱼类栖息于深潭越冬，对氧气的需求降低；年内各时期的ph值与化学需氧量均处于水环境适宜范围，其中ph值达到地表水类标准，而年内大多数时期的化学需氧量超出v类水标准；产卵繁殖期和越冬期的氨氮浓度部分超出水环境适宜范围，达到地表水ⅲ类标准。总体来看，除化学需氧量浓度较高，会对鱼类生长繁殖造成一定影响，家鱼生活史各时期的其余水质需求都能得到满足。溶解氧水平可提高鱼类的生长速度、调节鱼类的生理平衡，且处于弱碱性水体中，鱼体的载氧能力明显上升，生存能力增强。
[0221]
4、生态流量边界补充
[0222]
本发明认为只要鲁台子站有足够的来水量，假设研究河段中间不被过度取用水的情况下，即可维持鲁台子站至淮南断面淮河干流河段内的水生态系统的正常运行。采用栖息地模拟理论和水质水动力模拟推求出的家鱼分时期生态流量组合中，上溯期只推荐了生态流量上限值，越冬期的生态流量下限值未能得出，产卵繁殖期和幼鱼索饵期只推求出了典型生态流量值。在实际应用中，河道需要保持一定的流量以维持河流生态系统正常运行，因此采用年内展布法求取的最小生态流量和rva法求取的适宜生态流量来补充家鱼生态流量组合的空缺部分，以鲁台子站1983
‑
2018年的流量资料计算多年生态流量如表10所示。
[0223]
表10鲁台子站多年生态流量计算结果 单位：m3/s
[0224][0225]
鲁台子站3、4月适宜生态流量分别为131m3/s、110m3/s，考虑河流水生态系统的完整性以及家鱼的生存繁殖需求，因此，以rva法求得的3
‑
4适宜生态流量作为上溯期的生态流量下限值。在家鱼产卵繁殖期，需要流量大于654m3/s的涨水过程刺激，且涨水持续时间应大于2d，幼鱼索饵期应出现至少一次的高脉冲流量或小洪水事件，其量值应大于899m3/
s。在这两个时期内已经考虑鱼类的适宜生态需求，因此，以年内展布法计算得出的最小生态流量作为5
‑
9月的一般生态流量。由于栖息地模拟理论未能给出越冬期的生态流量下限值，但河道内需要保持一定的流量以维持河流生态系统正常运行，因此，采用rva法得出的11
‑
2月适宜生态流量作为越冬期的基本生态流量。
[0226]
以四大家鱼为研究目标，采用栖息地模拟理论和一维水动力水质模拟技术求取家鱼年内不同生活时期的生态流量值，并采用rva法和年内展布法对部分时期的生态流量空缺值进行补充，得到淮河干流鲁台子至淮南段的生态流量组合如表11所示。
[0227]
表11考虑家鱼年内生活各时期生态需求的生态流量组合
[0228][0229]
需要说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。
[0230]
尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定。