一种基于降雨条件的生态流量分析方法与流程

1.本发明涉及一种基于降雨条件的生态流量分析方法，属于地球物理下生态水文分支技术领域。


背景技术：

2.依据《水电工程生态流量计算规范》(nb/t 35091
‑
2016)，生态流量指满足水电工程下游河段保护目标生态需水基本要求的流量及过程；水生生态基流(简称生态基流)指维持水电工程下游河段水生生物栖息地基本质量的最小流量。水文情势是河流生态系统最为重要的驱动因子，是形成河流生态系统空间结构特征、物质结构特征、能量结构特征及时间结构特征的必要因子。天然条件下，水文情势受降雨过程影响，形成丰枯变化特征鲜明的汛期、枯水期。生态基流是在任何降水条件下，即汛期、枯水期均需保障的流量过程。在汛期雨量丰沛的条件下，还需考虑保障洪水脉冲过程。洪水脉冲是河流
‑
洪泛滩区系统生物生存、生产力和交互作用的主要驱动力，可提高主河道
‑
洪泛滩区的动态连通性，促进水生物种与陆生物种之间的能量交换和物质循环，完善食物网结构，促进鱼类等生物量的提高，提高生物群落多样性。洪水脉冲还具有信息流功能，可引发不同的生物行为，例如鸟类迁徙、鱼类洄游、涉禽的繁殖以及陆生无脊椎动物的繁殖和迁徙等。根据雨量大小、降雨等级的不同，天然水文情势涵盖不同流量、不同等级的洪水脉冲过程，即低洪水脉冲、中洪水脉冲、高洪水脉冲。从维系天然水文情势完整性的角度考虑，生态流量不仅涵盖生态基流，还需涵盖低洪水脉冲、中洪水脉冲、高洪水脉冲。
3.国内外学者已研究提出了上百种生态流量的分析方法，按方法类别属性大致可分为水文学法、水力学法、栖息地模拟法和整体分析法等。针对河流特定的生态环境特征或功能，提出了相应的生态流量分析方法。例如，“一种生态需水季节差异快速分析方法(cn101650763a)”考虑了生态系统在不同季节的用水需求，“一种基于输沙需水的生态需水月尺度直观分析方法(cn105808947a)”侧重考虑河流输沙、维持河床稳定的用水需求，“一种感潮河段生态环境需水量计算方法(cn107908888a)”、“一种考虑生态系统净生产力的河口生态需水计算方法(cn108830033a)”分别针对感潮河段、河口分析生态需水，“一种抑制河流水华的生态需水核算方法(cn110414051a)”分析抑制河流水华爆发、维系水环境健康的生态需水量。然而，已有方法均未针对性考虑不同降雨条件下的洪水脉冲，不利于维系天然水文情势完整性以及河流生态系统结构与功能完整性。对于生态基流，《河湖生态环境需水计算规范》(sl/z 712
‑
2014)推荐可采用流量历时曲线法分析。在分析生态流量过程时，除了确定生态基流，还需考虑洪水脉冲过程，明确不同降雨条件下不同等级的洪水脉冲流量，而目前的生态流量分析方法体系中尚缺乏考虑降雨条件的洪水脉冲设计方法。为此需要发展基于降雨条件的生态流量分析方法。


技术实现要素：

4.本发明的目的在于克服现有技术中的不足，提供一种基于降雨条件的生态流量分
析方法，以解决现有技术中生态流量分析方法体系缺乏基于降雨条件的不同等级洪水脉冲设计方法的技术问题。
5.为解决上述技术问题，本发明是采用下述方案实现的：
6.本发明提供了一种基于降雨条件的生态流量分析方法，包括以下步骤：
7.收集长系列逐日降雨资料，根据长系列逐日降雨资料划分降雨等级，形成降雨边缘分布；
8.收集长系列逐日流量资料，根据长系列逐日流量资料和降雨等级得到不同等级降雨对应流量，形成流量边缘分布；
9.根据降雨边缘分布和流量边缘分布得到流量
‑
降雨联合分布，形成不同等级洪水脉冲流量；
10.根据长系列逐日流量资料，构建各个月份逐日流量，形成各月的流量历时曲线，基于各月的流量历时曲线，以90％保证率对应流量作为生态基流流量；
11.根据生态基流流量和不同等级洪水脉冲流量得到基于降雨条件的生态流量分析结果。
12.进一步的，所述降雨等级按照逐日雨量大小划分为无雨、小雨、中雨、大雨、暴雨、大暴雨、特大暴雨；
13.以r表示雨量大小，单位为mm：
14.当r＝0时，对应无雨等级；
15.当0＜r≤10时，对应小雨等级；
16.当10＜r≤25时，对应中雨等级；
17.当25＜r≤50时，对应大雨等级；
18.当50＜r≤100时，对应暴雨等级；
19.当100＜r≤200时，对应大暴雨等级；
20.当r＞200时，对应特大暴雨等级。
21.进一步的，所述流量
‑
降雨联合分布包括中雨等级的流量
‑
降雨组对系列、大雨等级的流量
‑
降雨组对系列、暴雨以上等级的流量
‑
降雨组对系列；所述暴雨以上等级包括暴雨、大暴雨、特大暴雨等级。
22.进一步的，在中雨条件下，采用低洪水脉冲流量，低洪水脉冲流量包括以下分析步骤：
23.①
基于中雨等级的流量
‑
降雨组对系列，采用皮尔逊ⅲ型分布函数，确定中雨等级降雨对应流量的边缘分布函数以及中雨等级降雨的边缘分布函数其中，q
中雨
表示中雨等级降雨对应流量，单位m3/s，r
中雨
表示中雨等级降雨，单位mm；
24.②
基于边缘分布函数采用clayton copula函数，构造中雨等级的流量
‑
降雨二维联合概率分布函数
[0025][0026]
式中，为中雨等级降雨对应流量与中雨等级降雨的clayton copula函数；
[0027]
③
对于中雨等级降雨的降雨量r
中雨,0.5
，p(r
中雨
≤r
中雨,0.5
)＝0.5，建立低洪水脉冲流量的条件概率与流量
‑
降雨联合概率的相关关系：
[0028]
p(q
中雨
≤q
低洪水脉冲
,r
中雨
≤r
中雨,0.5
)＝p(q
中雨
≤q
低洪水脉冲
|r
中雨
≤r
中雨,0.5
)p(r
中雨
≤r
中雨,0.5
)
ꢀꢀꢀ
(2)
[0029]
式中，p(q
中雨
≤q
低洪水脉冲
,r
中雨
≤r
中雨,0.5
)为中雨等级降雨对应流量q
中雨
≤q
低洪水脉冲
与中雨等级降雨r
中雨
≤r
中雨,0.5
同时发生的联合概率，p(q
中雨
≤q
低洪水脉冲
|r
中雨
≤r
中雨,0.5
)为中雨等级降雨r
中雨
≤r
中雨,0.5
发生条件下流量q
中雨
≤q
低洪水脉冲
发生的条件概率；
[0030]
④
取条件概率p(q
中雨
≤q
低洪水脉冲
|r
中雨
≤r
中雨,0.5
)＝0.5，由公式(2)求解p(q
中雨
≤q
低洪水脉冲
,r
中雨
≤r
中雨,0.5
)；由公式(1)求解p(q
中雨
≤q
低洪水脉冲
,r
中雨
≤r
中雨,0.5
)中低洪水脉冲对应的频率p(q
中雨
≤q
低洪水脉冲
)；由流量的边缘分布函数，求解p(q
中雨
≤q
低洪水脉冲
)中低洪水脉冲流量，即q
低洪水脉冲
为中雨条件下所采用的低洪水脉冲流量，单位m3/s。
[0031]
进一步的，在大雨条件下，采用中洪水脉冲流量，中洪水脉冲流量包括以下分析步骤：
[0032]
①
基于大雨等级的流量
‑
降雨组对系列，采用皮尔逊ⅲ型分布函数，确定大雨等级降雨对应流量的边缘分布函数以及大雨等级降雨的边缘分布函数其中，q
大雨
表示大雨等级降雨对应流量，单位m3/s，r
大雨
表示大雨等级降雨，单位mm；
[0033]
②
基于边缘分布函数采用clayton copula函数，构造大雨等级的流量
‑
降雨二维联合概率分布函数
[0034][0035]
式中，为大雨等级降雨对应流量与大雨等级降雨的clayton copula函数；
[0036]
③
对于大雨等级降雨的降雨量r
大雨,0.5
，p(r
大雨
≤r
大雨,0.5
)＝0.5，建立中洪水脉冲流量的条件概率与流量
‑
降雨联合概率的相关关系：
[0037]
p(q
大雨
≤q
中洪水脉冲
,r
大雨
≤r
大雨,0.5
)＝p(q
大雨
≤q
中洪水脉冲
|r
大雨
≤r
大雨,0.5
)p(r
大雨
≤r
大雨,0.5
)
ꢀꢀꢀ
(4)
[0038]
式中，p(q
大雨
≤q
中洪水脉冲
,r
大雨
≤r
大雨,0.5
)为大雨等级降雨对应流量q
大雨
≤q
中洪水脉冲
与大雨等级降雨r
大雨
≤r
大雨,0.5
同时发生的联合概率，p(q
大雨
≤q
中洪水脉冲
|r
大雨
≤r
大雨,0.5
)为大雨等级降雨r
大雨
≤r
大雨,0.5
发生条件下流量q
大雨
≤q
中洪水脉冲
发生的条件概率；
[0039]
④
取条件概率p(q
大雨
≤q
中洪水脉冲
|r
大雨
≤r
大雨,0.5
)＝0.5，由公式(4)求解p(q
大雨
≤q
中洪水脉冲
,r
大雨
≤r
大雨,0.5
)；由公式(3)求解p(q
大雨
≤q
中洪水脉冲
,r
大雨
≤r
大雨,0.5
)里中洪水脉冲对应的频率p(q
大雨
≤q
中洪水脉冲
)；由流量边缘分布函数，求解p(q
大雨
≤q
中洪水脉冲
)里中洪水脉冲流量，即q
中洪水脉冲
为大雨条件下所采用的中洪水脉冲流量，单位m3/s。
[0040]
进一步的，在暴雨以上条件下，采用保障高洪水脉冲流量，记作q
高洪水脉冲
，单位m3/s，高洪水脉冲流量包括以下分析步骤：
[0041]
①
基于暴雨以上等级的流量
‑
降雨组对系列，采用皮尔逊ⅲ型分布函数，确定暴雨以上等级降雨对应流量的边缘分布函数f
q暴雨以上
(q
暴雨以上
)，以及暴雨以上等级降雨的边缘分布函数其中，q
暴雨
表示暴雨以上等级降雨对应流量，单位m3/s，r
暴雨
表示暴雨
以上等级降雨，单位mm；
[0042]
②
基于边缘分布函数f
r暴雨以上
(r
暴雨以上
)、f
q暴雨以上
(q
暴雨以上
)，采用clayton copula函数，构造暴雨以上等级的流量
‑
降雨二维联合概率分布函数
[0043][0044]
式中，为暴雨以上等级降雨对应流量与暴雨以上等级降雨的clayton copula函数；
[0045]
③
对于暴雨以上等级降雨的降雨量r
暴雨以上,0.5
，p(r
暴雨以上
≤r
暴雨以上,0.5
)＝0.5，建立高洪水脉冲流量的条件概率与流量
‑
降雨联合概率的相关关系：
[0046][0047]
式中，p(q
暴雨以上
≤q
高洪水脉冲
,r
暴雨以上
≤r
暴雨以上,0.5
)为暴雨以上等级降雨对应流量q
暴雨以上
≤q
高洪水脉冲
与暴雨以上等级降雨r
暴雨以上
≤r
暴雨以上,0.5
同时发生的联合概率，p(q
暴雨以上
≤q
高洪水脉冲
|r
暴雨以上
≤r
暴雨以上,0.5
)为暴雨以上等级降雨r
暴雨以上
≤r
暴雨以上,0.5
发生条件下流量q
暴雨以上
≤q
高洪水脉冲
发生的条件概率；
[0048]
④
取条件概率p(q
暴雨以上
≤q
高洪水脉冲
|r
暴雨以上
≤r
暴雨以上,0.5
)＝0.5，由公式(6)求解p(q
暴雨以上
≤q
高洪水脉冲
,r
暴雨以上
≤r
暴雨以上,0.5
)；由公式(5)求解p(q
暴雨以上
≤q
高洪水脉冲
,r
暴雨以上
≤r
暴雨以上,0.5
)中高洪水脉冲对应的频率p(q
暴雨以上
≤q
高洪水脉冲
)；由流量边缘分布函数，求解p(q
暴雨以上
≤q
高洪水脉冲
)中高洪水脉冲流量q
高洪水脉冲
，即为暴雨以上条件下所推荐的高洪水脉冲流量。
[0049]
与现有技术相比，本发明所达到的有益效果是：
[0050]
本发明是一种基于降雨条件的生态流量分析方法，弥补现有生态流量分析方法体系缺乏基于降雨条件的不同等级洪水脉冲设计方法的不足，提高气象观测资料、水文观测资料的利用效率，提升生态流量分析成果合理性及河流生态系统修复与保护能力。
附图说明
[0051]
图1为本发明的一种基于降雨条件的生态流量分析方法的流程图；
[0052]
图2为本发明实例的衢江衢州水文站逐月流量历时曲线；
[0053]
图3为本发明实例的衢江衢州水文站控制断面处生态基流；
[0054]
图4为本发明实例的衢江衢州水文站中雨等级的流量
‑
降雨联合分布；
[0055]
图5为本发明实例的衢江衢州水文站大雨等级的流量
‑
降雨联合分布；
[0056]
图6为本发明实例的衢江衢州水文站暴雨以上等级的流量
‑
降雨联合分布。
具体实施方式
[0057]
下面结合附图对本发明作进一步描述。以下实施例仅用于更加清楚地说明本发明的技术方案，而不能以此来限制本发明的保护范围。
[0058]
实施例：
[0059]
图1为本发明的一种基于降雨条件的生态流量分析方法的流程图。衢州市位于钱塘江流域上游，山地丘陵居多，河流水系呈羽枝状分布汇集衢江，不仅水质良好，而且水资
源丰富。钱塘江是浙江省第一大河，源头从马金溪至常山港再至衢江，下游入金华兰江。马金溪发源于开化县齐溪镇海拔1144m的莲花尖，流至西坑口，与安徽省休宁县龙田乡流入境内的龙溪汇聚成河，全长102.2km，河道比降7.1
‰
，流域面积1011.3km2。马金溪自北向南，逶迤而下纳何田溪、村头溪、中村溪、金村溪、桃坑溪等河流，至华埠镇北汇池淮溪入常山港，常山港主河道长175.9km，总流域面积3384.9km2。常山港与江山港在衢州市区西南双港口汇合后称衢江。衢江由西向东横贯衢州市的柯城区、衢江区、龙游县，流入兰溪市境内，在兰溪市溪西乡横山下金华江汇入后称兰江。衢江干流全长82.0km，全流域面积11477.2km2，河道平均比降3.1
‰
；衢州市出境断面以上的衢江流域面积为10677.7km2，干流长59.2km，河道平均比降0.5
‰
。衢州水文站为衢江干流重要监测站，位于衢州市柯城区西安门外，集水面积5424km2。
[0060]
第一步：收集整理衢江干流衢州水文站1956
‑
1990年共35年的长系列逐日平均流量(m3/s)资料。对照流量序列，收集整理衢州水文站1956
‑
1990年的长系列逐日降雨资料。降雨等级按照逐日雨量大小划分为无雨、小雨、中雨、大雨、暴雨、大暴雨、特大暴雨。
[0061]
第二步：在无雨、小雨、中雨、大雨、暴雨、大暴雨、特大暴雨条件下，衢江干流衢州水文站控制断面处均需保障生态基流。利用衢州水文站1956
‑
1990年的长系列逐日流量资料，按1月、2月、3月、4月、5月、6月、7月、8月、9月、10月、11月、12月各个月份分别分析，构建各月的流量历时曲线。图2为本发明实例的衢江衢州水文站逐月流量历时曲线。基于各月的流量历时曲线，以90％保证率对应流量作为生态基流流量。图3为本发明实例的衢江衢州水文站控制断面处生态基流。
[0062]
第三步：按照降雨等级，将衢州水文站长系列逐日降雨资料分等级整理，同时整理不同等级降雨对应的衢州水文站逐日流量，形成中雨等级的流量
‑
降雨组对系列、大雨等级的流量
‑
降雨组对系列、暴雨/大暴雨/特大暴雨等级的流量
‑
降雨组对系列。
[0063]
第四步：在中雨条件下，衢江干流衢州水文站控制断面处推荐保障低洪水脉冲。低洪水脉冲流量的分析步骤为：
[0064]
①
基于衢州水文站中雨等级的流量
‑
降雨组对系列，采用皮尔逊ⅲ型(p
‑ⅲ
)分布函数，确定中雨等级降雨对应流量的边缘分布函数以及中雨等级降雨的边缘分布函数
[0065]
②
基于第四步
①
的边缘分布函数，采用clayton copula函数，构造衢州水文站中雨等级的流量
‑
降雨二维联合概率分布函数图4为本发明实例的衢江衢州水文站中雨等级的流量
‑
降雨联合分布。
[0066]
③
对于中雨等级降雨的降雨量r
中雨,0.5
，p(r
中雨
≤r
中雨,0.5
)＝0.5。建立低洪水脉冲流量的条件概率与流量
‑
降雨联合概率的相关关系：
[0067]
p(q
中雨
≤q
低洪水脉冲
,r
中雨
≤r
中雨,0.5
)＝p(q
中雨
≤q
低洪水脉冲
|r
中雨
≤r
中雨,0.5
)p(r
中雨
≤r
中雨,0.5
)
[0068]
④
取条件概率p(q
中雨
≤q
低洪水脉冲
|r
中雨
≤r
中雨,0.5
)＝0.5，由第四步
③
中的公式，求解p(q
中雨
≤q
低洪水脉冲
,r
中雨
≤r
中雨,0.5
)；由第四步
②
中的clayton copula联合分布函数，求解p(q
中雨
≤q
低洪水脉冲
,r
中雨
≤r
中雨,0.5
)中低洪水脉冲对应的频率p(q
中雨
≤q
低洪水脉冲
)；由第四步
①
中的流量边缘分布函数，求解p(q
中雨
≤q
低洪水脉冲
)中低洪水脉冲流量，得q
低洪水脉冲
＝159m3/s，即为中雨条件下衢江干流衢州水文站控制断面处所推荐的低洪水脉冲流量。
[0069]
第五步：在大雨条件下，衢江干流衢州水文站控制断面处推荐保障中洪水脉冲。中洪水脉冲流量的分析步骤为：
[0070]
①
基于衢州水文站大雨等级的流量
‑
降雨组对系列，采用皮尔逊ⅲ型(p
‑ⅲ
)分布函数，确定大雨等级降雨对应流量的边缘分布函数以及大雨等级降雨的边缘分布函数
[0071]
②
基于第五步
①
的边缘分布函数，采用clayton copula函数，构造衢州水文站大雨等级的流量
‑
降雨二维联合概率分布函数图5为本发明实例的衢江衢州水文站大雨等级的流量
‑
降雨联合分布。
[0072]
③
对于大雨等级降雨的降雨量r
大雨,0.5
，p(r
大雨
≤r
大雨,0.5
)＝0.5。建立中洪水脉冲流量的条件概率与流量
‑
降雨联合概率的相关关系：
[0073]
p(q
大雨
≤q
中洪水脉冲
,r
大雨
≤r
大雨,0.5
)＝p(q
大雨
≤q
中洪水脉冲
|r
大雨
≤r
大雨,0.5
)p(r
大雨
≤r
大雨,0.5
)
[0074]
④
取条件概率p(q
大雨
≤q
中洪水脉冲
|r
大雨
≤r
大雨,0.5
)＝0.5，由第五步
③
中的公式，求解p(q
大雨
≤q
中洪水脉冲
,r
大雨
≤r
大雨,0.5
)；由第五步
②
中的clayton copula联合分布函数，求解p(q
大雨
≤q
中洪水脉冲
,r
大雨
≤r
大雨,0.5
)里中洪水脉冲对应的频率p(q
大雨
≤q
中洪水脉冲
)；由第五步
①
中的流量边缘分布函数，求解p(q
大雨
≤q
中洪水脉冲
)里中洪水脉冲流量，得q
中洪水脉冲
＝216m3/s，即为大雨条件下衢江干流衢州水文站控制断面处所推荐的中洪水脉冲流量。
[0075]
第六步：在暴雨以上条件下，衢江干流衢州水文站控制断面处推荐保障高洪水脉冲。高洪水脉冲流量的分析步骤为：
[0076]
①
基于衢州水文站暴雨以上等级的流量
‑
降雨组对系列，采用皮尔逊ⅲ型(p
‑ⅲ
)分布函数，确定暴雨以上等级降雨对应流量的边缘分布函数f
q暴雨以上
(q
暴雨以上
)，以及暴雨以上等级降雨的边缘分布函数
[0077]
②
基于第六步
①
的边缘分布函数，采用clayton copula函数，构造衢州水文站暴雨以上等级的流量
‑
降雨二维联合概率分布函数图6为本发明实例的衢江衢州水文站暴雨以上等级的流量
‑
降雨联合分布。
[0078]
③
对于暴雨以上等级降雨的降雨量r
暴雨以上,0.5
，p(r
暴雨以上
≤r
暴雨以上,0.5
)＝0.5。建立高洪水脉冲流量的条件概率与流量
‑
降雨联合概率的相关关系：
[0079]
p(q
暴雨以上
≤q
高洪水脉冲
,r
暴雨以上
≤r
暴雨以上,0.5
)
[0080]
＝p(q
暴雨以上
≤q
高洪水脉冲
|r
暴雨以上
≤r
暴雨以上,0.5
)p(r
暴雨以上
≤r
暴雨以上,0.5
)
[0081]
④
取条件概率p(q
暴雨以上
≤q
高洪水脉冲
|r
暴雨以上
≤r
暴雨以上,0.5
)＝0.5，由第六步
③
中的公式，求解p(q
暴雨以上
≤q
高洪水脉冲
,r
暴雨以上
≤r
暴雨以上,0.5
)；由第六步
②
中的clayton copula联合分布函数，求解p(q
暴雨以上
≤q
高洪水脉冲
,r
暴雨以上
≤r
暴雨以上,0.5
)中高洪水脉冲对应的频率p(q
暴雨以上
≤q
高洪水脉冲
)；由第六步
①
中的流量边缘分布函数，求解p(q
暴雨以上
≤q
高洪水脉冲
)中高洪水脉冲流量，得q
高洪水脉冲
＝256m3/s，即为暴雨以上条件下衢江干流衢州水文站控制断面处所推荐的高洪水脉冲流量。
[0082]
本发明基于降雨条件的生态流量分析方法的应用是：可以用于分析不同降雨条件下的生态流量，提供生态基流流量、低洪水脉冲流量、中洪水脉冲流量、高洪水脉冲流量。生态基流流量是河道生态需水管理的下限值，在无雨、小雨、中雨、大雨、暴雨、大暴雨、特大暴
雨条件下，河道均需保障生态基流。洪水脉冲流量是河道生态需水管理的推荐值，不同降雨条件下的来水条件不同，相应推荐的洪水脉冲流量也有所差异：在中雨条件下，推荐河道内维持一定的低洪水脉冲流量；在大雨条件下，推荐河道内维持一定的中洪水脉冲流量；在暴雨、大暴雨、特大暴雨条件下，推荐河道内维持一定的高洪水脉冲流量。本发明可细化并丰富河流生态需水的分析成果，为不同降雨所致的不同来水条件下生态需水管理提供科学参考，支撑水库生态调度、水资源优化配置以及幸福河流建设。
[0083]
需要说明的是，以上说明仅是本发明的优选实施方式，应当理解，对于本领域技术人员来说，在不脱离本发明技术构思的前提下还可以做出若干改变和改进，这些都包括在本发明的保护范围内。