一种研究河流汛期的滩区有机饵料入河补给量的计算方法

1.本发明涉及一种研究河流汛期的滩区有机饵料入河补给量的计算方法，属于水利工程和生态工程的交叉技术领域。


背景技术：

2.滩地是指陆地上同河水发生作用的凋落物区域，是河水
–
陆地交界处的两边，直至河水影响消失为止的地带，具有明显的边缘效应。由于滩地特殊的地理位置，它们兼具水域与陆地的双重属性，使其具有多种独特的生态功能。滩地生态圈中特别是滩地的植被有着异常丰富的生态功能，河岸的植被覆盖，可以有效降低洪水的影响，为水生食物链提供大量的有机质，有利于鱼类的生存。滩地植被群落一般呈现沿湿度梯度方向的分布格局，维管束植被种类较丰富，许多珍稀濒危凋落物集中分布在这个区域。滩地植被凋落物对邻近陆地以及水生生态系统都具有重要的作用，其中包括加强区域生物多样性，生产有机物，推动物质营养循环，净化水源，同时为动物提供栖息地。
3.国内外有机碎屑饵料的研究主要集中在海洋及河口生态系统，对滩地的有机碎屑饵料补给量相关研究十分欠缺。所以研究滩区土壤在汛期的有机碎屑饵料补给量，可以为保护流域生态平衡提供重要科学依据及理论支撑。


技术实现要素：

4.为了克服现有技术中的问题，本发明提供一种研究河流汛期的滩区有机饵料入河补给量的计算方法。
5.本发明解决上述技术问题所提供的技术方案是：一种研究河流汛期的滩区有机饵料入河补给量的计算方法，包括以下步骤：
6.步骤s1、将研究区域全河段依据断面变化差异划分为n个断面，并选取典型断面作为取样断面；
7.步骤s2、建立一维水动力学模型，并采用数值模拟方法对取样断面的河流进行水动模拟，获取取样断面的水文数据；
8.步骤s3、根据取样断面的水文数据将取样断面划分为部分淹没水位、淹没水位；
9.步骤s4、于不同时期，在取样断面的部分淹没水位的区域取不同大小和深度的土壤样品，并计算各土壤样品的土壤容重；
10.步骤s5、对各土壤样品进行有机饵料提取，获得大碎屑饵料和小碎屑饵料；
11.步骤s6、对各土壤样品的有机饵料含量进行对比分析；
12.步骤s7、计算有机饵料总量和不同大小土壤的有机饵料在汛期的入河补给量；
13.步骤s8、根据有机饵料总量和入河补给量评估碎屑饵料对滩地不同水文时期的补给规律。
14.进一步的技术方案，所述一维水动力学模型包括：
15.连续性方程：
[0016][0017]
式中：t为时间，s；x为纵向坐标，m；a为过水断面面积，m2；q为流量，m3/s；q
l
为单位河长的旁侧入流，m2/s；
[0018]
动量方程：
[0019][0020]
式中：h为水深，m；v为断面平均速度，m/s；z为断面平均水位，m；g为重力加速度，m2/s；sf为阻力项，1/ms。
[0021]
进一步的技术方案，所述步骤s3中将典型淹没时间占总天数的50％的水位划分为部分淹没水位；将超过部分淹没水位区域高程的水位划分为淹没水位，平均淹没水位为超过部分淹没水位区域高程水位的平均值。
[0022]
进一步的技术方案，所述步骤s4中不同时期为汛前时期和汛后时期。
[0023]
进一步的技术方案，所述土壤容重的计算公式为：
[0024]
ρs＝m
dry
/v
环刀
[0025]
式中：ρs为土壤容重，g/cm3；m
dry
为烘干土样质量，g；v
环刀
为环刀容积，cm3。
[0026]
进一步的技术方案，所述步骤s5中通过筛网筛分出大碎屑饵料和小碎屑饵料；其中筛网为孔径250μm和150μm的筛子上下叠置，顶部筛网中大于250μm的碎屑饵料称之为大碎屑饵料，顶部筛网大于150μm且小于250μm的碎屑饵料称之为小碎屑饵料。
[0027]
进一步的技术方案，所述步骤s7的具体步骤为：
[0028]
步骤s71、利用折线法分别计算全河段所有断面的湿周；
[0029]
步骤s72、分别计算汛期的平均淹没水位和部分淹没水位下的湿周，在计算汛期的单位河段淹没面积；
[0030]
步骤s73、根据单位河段淹没面积计算汛期河段碎屑饵料的总入河量；
[0031]
步骤s74、根据汛期河段碎屑饵料的总入河量计算不同颗粒大小、不同密度的饵料入河量。
[0032]
进一步的技术方案，所述湿周的计算公式为：
[0033][0034]
式中：p为湿周，m；xi、yi为实测点的起点距与高程，m；m为该断面的分段数。
[0035]
进一步的技术方案，所述单位河段淹没面积的计算公式为：
[0036][0037]
式中，a为全河段淹没面积，km2；n为全河段划分的断面数；为j断面平均淹没水位下的湿周，m；p
*
为j断面部分淹条件水位下的湿周，m；lj为第j个断面的长度，km。
[0038]
进一步的技术方案，所述总入河量的计算公式为：
[0039]mall
＝10αρsha[(i
10b-i
10a
) (i
20b-i
20a
)]
[0040]
式中：m
all
为饵料入河总量，t；α为饵料入河系数，取0.1；ρs为土壤容重，g/cm3；h为
土壤深度，cm；i
10b
为表层10cm汛前的土壤饵料含量，g/kg；i
10a
为表层10cm汛后的土壤饵料含量，g/kg；i
20b
为底层20cm汛前的土壤饵料含量，g/kg；i
20a
为底层20cm汛后的土壤饵料含量，g/kg；
[0041]
所述不同颗粒大小、不同密度的饵料入河量的计算公式为：
[0042]mbig
＝β
bigmall
[0043]msmall
＝β
smallmall
[0044]
式中：m
big
为单位公里大饵料入河量，t/km；β
big
为大饵料所占比例，％；m
samll
为单位公里小饵料入河量，t/km；β
small
为小饵料所占比例，％。
[0045]
本发明具有以下有益效果：本方法的提出可以探明滩地有机碎屑饵料在某一汛期的的入河补给量。为保护流域生态平衡提供重要科学依据及理论支撑。
附图说明
[0046]
图1是研究区域情况图；
[0047]
图2是研究河段断面划分及土壤取样点示意图；
[0048]
图3是第23断面高程(典型断面)；
[0049]
图4是第23个断面湿周随水位变化关系图(典型断面)；
[0050]
图5是2020年淹没平均水位与部分淹水位示意图(第23个断面)；
[0051]
图6是2021年淹没平均水位与部分淹水位示意图(第23个断面)；
[0052]
图7是2020年全河段淹没水位变化图；
[0053]
图8的2021年全河段淹没水位变化图；
[0054]
图9是2020与2021年淹没面积对比图。
具体实施方式
[0055]
下面将结合附图对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例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。
[0056]
本发明的一种研究河流汛期的滩区有机饵料入河补给量的计算方法，包括以下步骤：
[0057]
步骤s1、将研究区域全河段依据断面变化差异划分为n个断面，并选取典型断面作为取样断面；
[0058]
步骤s2、建立一维水动力学模型，并采用数值模拟方法对取样断面的河流进行水动模拟，获取取样断面的水文数据；
[0059]
其中一维水动力学模型包括：连续性方程：
[0060][0061]
式中：t为时间，s；x为纵向坐标，m；a为过水断面面积，m2；q为流量，m3/s；q
l
为单位河长的旁侧入流，m2/s；
[0062]
动量方程：
[0063][0064]
式中：h为水深，m；v为断面平均速度，m/s；z为断面平均水位，m；g为重力加速度，m2/s；sf为阻力项，1/ms；
[0065]
步骤s3、根据取样断面的水文数据将取样断面划分为部分淹没水位、淹没水位；其中将典型淹没时间占总天数的50％的水位划分为部分淹没水位；将超过部分淹没水位区域高程的水位划分为淹没水位，平均淹没水位为超过部分淹没水位区域高程水位的平均值；
[0066]
步骤s4、于不同时期(汛前和汛后)，在取样断面的部分淹没水位的区域取不同大小和深度(土壤表层10cm、土壤底层20cm)的土壤样品，并计算各土壤样品的土壤容重；
[0067]
ρs＝m
dry
/v
环刀
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(3)
[0068]
式中：ρs为土壤容重，g/cm3；m
dry
为烘干土样质量，g；v
环刀
为环刀容积，cm3；
[0069]
步骤s5、对各土壤样品进行有机饵料提取，获得大碎屑饵料和小碎屑饵料；
[0070]
步骤s6、对各土壤样品的有机饵料含量进行对比分析；
[0071]
步骤s7、计算有机饵料总量和不同大小土壤的有机饵料在汛期的入河补给量；
[0072]
步骤s71、分别计算全河段所有n个断面的湿周；其利用折线法对各断面的湿周进行计算；
[0073][0074]
式中：p为湿周，m；xi、yi为实测点的起点距与高程，m；m为该断面的分段数；
[0075]
步骤s72、分别计算汛期的平均淹没水位和部分淹没水位下的湿周，计算汛期的单位河段淹没面积，计算公式为：
[0076][0077]
式中：a为全河段淹没面积，km2；n为全河段划分的断面数；为j断面平均淹没水位下的湿周，m；p
*
为j断面部分淹条件水位下的湿周，m；lj为第j个断面的长度，km；
[0078]
步骤s73、可以换算出汛期河段碎屑饵料的总入河量为：
[0079]mall
＝10αρsha[(i
10b-i
10a
) (i
20b-i
20a
)]
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(6)
[0080]
式中：m
all
为饵料入河总量，t；α为饵料入河系数，取0.1；ρs为土壤容重，g/cm3；h为土壤深度，cm；ib为汛前的土壤饵料含量，g/kg；ia为汛后的土壤饵料含量，g/kg。
[0081]
步骤s74、进而换算出不同颗粒大小、不同密度的饵料入河量：
[0082]mbig
＝β
bigmall
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(7)
[0083]msmall
＝β
smallmall
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(8)
[0084]
式中：m
big
为单位公里大饵料入河量，t/km；β
big
为大饵料所占比例，％；m
samll
为单位公里小饵料入河量，t/km；β
small
为小饵料所占比例，％。
[0085]
步骤s8、根据有机饵料总量和入河补给量评估碎屑饵料对滩地不同水文时期的补给规律。
[0086]
实施例
[0087]
本实施例中，选择中国山区某河段的滩区研究汛期有机饵料入河补给量。详细说
明一种研究河流汛期的滩区有机饵料入河补给量的计算方法，步骤如下：
[0088]
(一)该河段的研究区域如图1所示。将研究区域全河段依据断面变化差异划分为100个断面，如图2所示。饵料取样断面为第23断面，断面情况如图3所示。根据近十年的水文数据，使用一维水动力学模拟，确定第23个断面的水位变化。近十年水文条件显示最大流量5200m3/s，最小为42m3/s。从第23个断面水位情况看，近十年水文条件下最高水位为1655.5m，最低水位为1642.4m，1646m高程水位淹没时间约占总天数的50％。
[0089]
(二)根据第23个断面的水文数据情况，将该断面1646m高程水位淹没时间认定为该断面的部分淹条件区域。将超过1646m高程的水位，称为淹没水位，平均淹没水位为超过1646m高程水位的平均值。分别采集该断面1646m高程点的土壤样品。
[0090]
(三)实验时间为2020年5月7日至2021年6月30日，总共420天的实验时间，期间含两个汛期。汛前定义为，1646m滩地淹没发生前；汛中定义为，1646m发生至本年度最后一次1646m淹没结束；汛后定义为，本年度1646m滩地最后一次淹没结束后的时间为汛后。时间分别为2020年5月7日(汛前)、2020年11月30日(汛后)、2021年4月24日(汛前)和2021年10月25日(汛后)。土壤碎屑饵料样品采集情况见表1。
[0091]
分别在每个高程点用环刀采集土壤表层10cm的样品(简称表层样品)和底层20cm的土壤样品(简称底层样品)，每种土壤深度采集三个样品进行混合。经烘干(105～110℃，24h)后得到干土重，利用公式(3)算出单位容积的干土质量。
[0092]
不同时刻土壤容重调查结果如表2所示。2020年汛前部分淹条件下表层10cm的土壤容重为1.48g/cm3，底层20cm的土壤容重为1.48g/cm3，汛后部分淹条件下表层10cm的土壤容重为1.36g/cm3，底层20cm的土壤容重为1.48g/cm3。土壤平均容重为1.45g/cm3。
[0093]
2021年汛前部分淹条件下表层10cm的土壤容重为1.46g/cm3，底层20cm的土壤容重为1.46g/cm3，汛后部分淹条件下表层10cm的土壤容重为1.29g/cm3，底层20cm的土壤容重为1.48g/cm3。汛前土壤平均容重为1.47g/cm3。土壤平均容重为1.42g/cm3。
[0094]
表1土壤碎屑饵料样品采集统计表
[0095]
序号频次编号采集时间采集深度备注1202005072020年5月7日10cm和20cm汛前2202011302020年11月30日10cm和20cm汛后3202104242021年4月24日10cm和20cm汛前4202110252021年10月25日10cm和20cm汛后
[0096]
表2土壤碎屑饵料样品容重
[0097][0098]
(四)使用筛网筛分大碎屑饵料和小碎屑饵料。
[0099]
碎屑饵料样品去除植物根系和残株。孔径250μm和150μm的筛子上下叠置。顶部筛网中大于250μm的碎屑饵料称之为大碎屑饵料，顶部筛网大于150μm小于250μm的碎屑饵料称之为小碎屑饵料。
[0100]
(五)研究不同深度和大小的土壤有机饵料的含量对比分析。
[0101]
①
不同深度土壤碎屑饵料含量对比分析；
[0102]
不同时期土壤中碎屑饵料含量如表3所示。可以看出，不同时期的饵料含量变化较大，第23个断面部分淹没条件(1646m)高程，2020年汛前部分淹条件下表层10cm的土壤饵料含量为15.8g/kg(汛前20200507)，汛后为2.6g/kg(汛后20201130)，较汛前减少13.2g/kg。汛前部分淹条件下底层20cm的土壤饵料含量为6.7g/kg(汛前20200507)，汛后为3.9g/kg(汛后20201130)，较汛前减少2.8g/kg。2021年汛前部分淹条件下表层10cm的土壤饵料含量为14.9g/kg(汛前20210424)，汛后为3.9g/kg(汛后20211025)，较汛前减少11.0g/kg。汛前部分淹条件下底层20cm的土壤饵料含量为7.0g/kg(汛前20210424)，汛后为4.8g/kg(汛后20211025)，较汛前减少2.2g/kg。
[0103]
表3土壤碎屑含量
[0104][0105]
②
不同大小的有机碎屑含量对比分析；
[0106]
对1646m高程不同大小颗粒的碎屑含量占比分析得到，汛前(20200506和20210424)两次取样的大颗粒碎屑占比分别为69％以及73％，汛后(20201130和20211025))为68％和70％。一年内大小颗粒占比无明显差别，表明河流对不同颗粒的冲刷作用相当。取均值为大颗粒和小颗粒碎屑的占比，大颗粒占比β
big
为70％，小颗粒占比β
big
为30％。
[0107]
(六)计算不同大小土壤有机饵料和总量的补给量。根据第23个断面地形图，结合水文资料计算出该断面不同水位条件下的湿周变化，如图4所示。将超过1646m高程的水位，称为淹没水位，平均淹没水位为超过1646m高程水位的平均值。部分淹水位为1646m。在碎屑饵料的采样时期，2020年中，汛前20200507和汛后20201130两次采样间隔期间的平均淹没水位为1648.6m，对应的湿周为116.4m，部分淹水位为1646.0m，对应的湿周为103.9m，如图5所示；汛前20210424和汛中20211025两次采样间隔期间的平均淹没水位为1647.6m，对应的湿周为111.5m，部分淹水位和湿周与2020年相同，为103.9m，如图6所示。
[0108]
根据湿周变化结果，利用公式(4)得到滩地淹没面积随水位变化关系图，如图8所示。在碎屑饵料的采样时期，2020年中，淹没平均水位对应的单位河段淹没面积为0.1164km2/km，部分淹水位对应的单位河段淹没面积为0.1039km2/km；2021年中，淹没平均水位对应的单位河段淹没面积为0.1115km2/km，部分淹水位与2020年一致，为0.1039km2/km。
[0109]
利用公式(5)计算得到2021年淹没平均水位的单位河段淹没面积为0.0125km2/km；2021上半年的单位河段淹没面积为0.0076km2/km；2021年较2020年淹没面积减少0.0049km2/km。减少幅度为39.2％。
[0110]
饵料采样断面河段为第23个断面，将超过1646m高程的水位定义为部分淹没水位，平均淹没水位为超过1646m高程水位的平均值。因此将第23个断面水位为1646m时其他断面的水位分别定义为其余99个断面的部分淹没水位。可以得到全河段2020年和2021年的部分
淹水位和平均淹没水位，分别如图7和图8所示。利用公式(4)和(5)可以计算得到全河段的2020与2021年淹没面积，2020年116km的大河湾河段对应的淹没面积为1.90km2，2021年116km的大河湾河段对应的淹没面积为0.46km2。所以大河湾河段的淹没面积在2021年减少幅度为76.0％。如图9所示。
[0111]
由公式(6)计算得到2020年汛期全河段116km碎屑饵料因为淹没而进入河段的入河总量为440.80t；2021年汛期全河段116km碎屑饵料因为淹没而进入河段的入河总量为86.20t。
[0112]
由公式(7)、(8)计算得到2020年汛期全河段116km碎屑大饵料的入河总量为308.56t，小饵料的入河量为132.24；2021年汛期全河段116km碎屑大饵料的入河总量为60.34t，小饵料的入河量为25.86t。
[0113]
(七)评估河段有机饵料的含量及生态学效益。
[0114]
土壤中的碎屑饵料在汛后较汛前普遍降低表明水流的频繁淹没和冲刷作用可以将滩地上的碎屑带入河槽内部，而碎屑饵料是包括鱼类等水生生物的重要食物来源。通过此方法，可以对汛期洪水过程中的饵料补给总量、大饵料和小饵料量进行计算。利用该方法可以探明碎屑饵料对滩地不同水文时期的补给规律，为保护流域生态平衡提供重要科学依据及理论支撑
[0115]
以上所述，并非对本发明作任何形式上的限制，虽然本发明已通过上述实施例揭示，然而并非用以限定本发明，任何熟悉本专业的技术人员，在不脱离本发明技术方案范围内，可利用上述揭示的技术内容作出些变动或修饰为等同变化的等效实施例，但凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与修饰，均仍属于本发明技术方案的范围内。