一种梯级水库开发累积生态水文效应的分析方法、生态修复方法及装置

1.本发明涉及一种梯级水库开发累积生态水文效应的分析方法、生态修复方法及装置，属于长江流域生态环境及生态调度技术领域。


背景技术：

2.人类为了满足社会经济发展的需要，不断加大对河流的开发利用和改造力度，引发了河流自身和周边环境的一系列问题。我国近几十年来以空前的速度和规模进行水利建设，虽取得了巨大效益，但也在一定程度上影响了河流的自然功能和永续利用。水库大坝的修建割裂了河流天然连续性，改变了下游河道天然的流量、水温和泥沙过程，一定程度上破坏了水生生物特别是鱼类栖息地环境，降低了生境质量，进而影响流域生态安全。目前长江上游干支流已进入全面开发阶段，如梯级开发在全面运行的有溪洛渡、向家坝、乌东德和白鹤滩水电站等大型水电站，支流雅砻江的锦屏梯级水电站等。
3.这种大规模的梯级开发导致的多个水利工程组合效应远比单个水利工程造成的影响更复杂。我国大江大河水电梯级开发已深入开展，特别是长江上游干支流水电站梯级建设日益加剧。梯级开发导致的环境影响受到了广泛的关注，对河流生境影响的研究日益加强。水电梯级开发割裂了河流原有纵向连续性，使河流水文情势、水温等水生态要素规律发生显著改变。因此要全面了解梯级水库对流域生态系统的累积影响。但是从见诸文献来看，尚未见到关于评价大型梯级水库累积生态水文效应影响的评价指标及相应的计算方法。
4.因此，在大规模的梯级水电开发背景下，有必要提出并建立一种流域梯级水库开发累积生态水文效应的评价指标，该指标不仅具有较好的实用价值，并且具有较高的普适性。


技术实现要素：

5.本发明的目的在于克服现有技术中的不足，提供一种梯级水库开发累积生态水文效应的分析方法、生态修复方法及装置，提出并建立一种流域梯级水库开发累积生态水文效应的评价指标，该指标不仅具有较好的实用价值，并且具有较高的普适性。
6.为达到上述目的，本发明是采用下述技术方案实现的：
7.第一方面，本发明提供了一种梯级水库开发累积生态水文效应的分析方法，其特征在于，包括以下步骤：
8.计算单座水库运行后对目标河段每个水文参数的改变度，并计算目标河段受单座水库干扰后的水文变化总改变度；
9.获取并根据水库对流域出口水文情势影响的关键因子，计算每座水库对流域出口断面水文情势的影响权重，将每座水库的权重与目标河段受对应水库干扰后的总改变度相乘，得到各水库对流域出口断面生态水文情势的影响程度；
10.基于各水库对流域出口断面生态水文情势的影响程度进行加和，求得流域水库群运行引起的生态水文情势累积影响程度。
11.进一步的，计算每座水库运行后对目标河段每个水文参数的改变度，包括：
12.基于逐日流量数据，采用水文变化指标法及变动范围法，计算每座水库运行后对目标河段每个水文参数的改变度，记为水库第i个水文参数的改变度di,i为水文参数序数；
13.所述水文参数包括各月份流量中值或平均值、年最大、最小1、3、7、30、90日流量、断流天数、基流指数、年最大、最小流量发生时间、每年发生高低脉冲流量的次数、高低脉冲流量平均延时、流量平均上升率、下降率以及每年流量逆转次数。
14.进一步的，计算目标河段受每座水库干扰后的水文变化总改变度，包括：
15.以下式计算目标河段受每座水库干扰后的水文变化总改变度d0作为流域上游第j个水库对流域出口断面生态水文情势改变程度dj，其中j＝1,2,
…
n；n为上游流域水库总数；
[0016][0017]
式中，di为水库第i个水文参数的改变度。
[0018]
进一步的，水库对流域出口水文情势影响的关键因子包括水库库容、水库与流域出口的距离、水库与流域出口的集水面积。
[0019]
进一步的，根据水库对流域出口水文情势影响的关键因子，计算每个水库对流域出口断面水文情势的影响权重，将每座水库的权重与目标河段受对应水库干扰后的总改变度相乘，得到各水库对流域出口断面生态水文情势的影响程度，包括：
[0020]
每个水库对流域出口断面水文情势的影响权重为：
[0021]cj
/((a-aj)lj)
[0022]
式中：cj为流域上游第j个水库的水库库容，a为流域出口断面以上集水面积，aj为第j个水库以上集水面积，lj为第j个水库距离流域出口断面的距离，其中j＝1,2,
…
n；n为上游流域水库总数；
[0023]
每个水库对流域出口断面生态水文情势改变程度的计算表达式为：
[0024]dj’＝d
o,j
*cj/((a-aj)lj)
[0025]
其中，d
j’为流域上游第j个水库对流域出口断面生态水文情势改变程度，d
o,j
为流域上游第j个水库的水文变化总改变度。
[0026]
进一步的，基于各水库对流域出口断面生态水文情势的影响程度d
j’，加和流域内所有水库对流域出口断面的影响程度值，求得流域水库群运行引起的生态水文情势累积影响程度d，包括：
[0027]
流域水库群运行引起的生态水文情势累积影响程度d＝d1’
d2’

…
d
n’，其中j＝1,2,
…
n；n为上游流域水库总数；
[0028]
d取值范围为0～1，越接近1，说明水库群运行对流域出口的累积生态水文效应就越大，反之，影响越小。
[0029]
第二方面，本发明提供一种生态修复方法，包括：
[0030]
执行如第一方面所述的梯级水库开发累积生态水文效应的分析方法，得到流域水库群运行引起的生态水文情势累积影响程度d；
[0031]
当d≥0.75时，为高累积影响，此时停止修建大型水利工程，并进行全面生态修复；
[0032]
当0.75＞d＞0.25，为中累积影响，此时控制大型水利工程数量和规模，并进行区域性生态修复；
[0033]
当d≤0.25时，为低累积影响，不做生态修复。
[0034]
第三方面，本发明提供一种梯级水库开发累积生态水文效应的分析装置，所述装置包括：
[0035]
水文计算模块：
[0036]
用于计算单座水库运行后对目标河段每个水文参数的改变度di，并计算目标河段受该座水库干扰后的水文总改变度do；
[0037]
各水库计算模块：用于获取并根据水库对流域出口水文情势影响的关键因子，计算每个水库对流域出口断面水文情势的影响权重，将该权重与各水库的水文改变度do相乘，得到各水库对流域出口断面生态水文情势的影响程度d
j’；
[0038]
累加模块：用于基于各水库对流域出口断面生态水文情势的影响程度d
j’，加和流域内所有水库对流域出口断面的影响程度值，求得流域水库群运行引起的生态水文情势累积影响程度d。
[0039]
第四方面，本发明提供一种梯级水库开发累积生态水文效应的分析装置，包括处理器及存储介质；
[0040]
所述存储介质用于存储指令；
[0041]
所述处理器用于根据所述指令进行操作以执行根据第一方面所述方法的步骤。
[0042]
有益效果：
[0043]
本发明提供的一种梯级水库开发累积生态水文效应的分析方法，建立一种流域梯级水库开发累积生态水文效应的评价指标，该指标不仅具有较好的实用价值，并且具有较高的普适性。
[0044]
本技术揭示水库群运行对流域累积生态水文影响的主要因子，首次提出具有普适性流域梯级水库开发累积生态水文效应的评价指标及具体操作方法。
[0045]
本发明丰富了流域梯级水库开发累积影响评价体系的相关研究，该方法物理意义清晰，可操作性强，所需资料相对较少，具有较高的实用性和可推广性。该发明为长江流域水资源管理及生态环境保护协调发展提供重要参考。
[0046]
本技术的生态修复方法有利于根据生态环境状态进行精准修复，避免生态环境破坏的同时，支持水库建设，取得人与自然发展的平衡。
附图说明
[0047]
图1是本技术的研究区域示意图。
具体实施方式
[0048]
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。
[0049]
实施例一：
[0050]
如图1所示，本实施例提供一种梯级水库开发累积生态水文效应的分析方法，具体
实施步骤如下：
[0051]
本发明实施例以图1所示流域为例进行说明。本实例中共有4个水库，分别为水库1、水库2、水库3和水库4。
[0052]
步骤1：基于逐日流量数据，采用水文变化指标法(iha)及变动范围法(rva)，计算单座水库运行后对目标河段每个水文参数的改变度di，并计算目标河段受该座水库干扰后的水文变化总改变度do；
[0053]
基于逐日流量数据，采用水文变化指标法(iha)及变动范围法(rva)，计算每座水库运行后对目标河段每个水文参数的改变度(水文参数如下表)，记为di,i为水文参数个数,i＝1，2，...，m，m为水文参数总数。
[0054][0055]
总水文改变度计算公式为：
[0056][0057]
其中n为指标总数。以水库1为例。根据iha和rva法，基于流量q1时间序列，计算出建坝后目标河段每个水文参数的的改变度分别为d
i,1
。
[0058]
因此河段1受水库1干扰后的水文情势总改变度为：
[0059][0060]di
为该座水库每个水文参数的改变度。
[0061]
以此类推，分别计算水库2、水库3和水库4对相应河段的水文改变度d
o,2、do,3
、d
o,4
。
[0062]
步骤2：基于水库库容、水库与流域出口的距离、水库与流域出口的集水面积，计算每个水库对流域出口断面水文情势的影响权重，将该权重与该水库的水文改变度d
oj
相乘，得到该水库对流域出口断面生态水文情势的影响程度d
j’；
[0063]
以水库1为例。水库1库容为c1，水库1以上集水面积为a1，水库1坝下距离流域出口断面距离l1。水库1对流域出口断面生态水文情势改变程度的计算表达式为d1’
＝d
o,1
*c1/((a-a1)l1)。
[0064]
其中，d
j’为流域上游第j个水库对流域出口断面生态水文情势改变程度，d
o,j
为流域上游第j个水库的水文变化总改变度，cj为流域上游第j个水库的水库库容，a为流域出口断面以上集水面积，aj为第j个水库以上集水面积，lj为第j个水库距离流域出口断面的距离。
[0065]
以此类推，分别计算出水库2、水库3和水库4对流域出口的影响程度d2’
、d3’
、d4’
。
[0066]
步骤3：加和流域内所有水库对流域出口断面的影响程度值，最终求得流域水库群运行引起的生态水文情势累积影响程度d’＝d1’
d2’
d3’
d4’
。
[0067]
d取值范围为0～1，越接近1，说明水库群运行对流域出口的累积生态水文效应就越大，反之，影响越小。
[0068]
实施例二：
[0069]
本实施例提供一种生态修复方法，包括：
[0070]
执行如第一方面所述的梯级水库开发累积生态水文效应的分析方法，得到流域水库群运行引起的生态水文情势累积影响程度d；
[0071]
当d≥0.75时，为高累积影响，此时停止修建大型水利工程，并进行全面生态修复；
[0072]
当0.75＞d＞0.25，为中累积影响，此时控制大型水利工程数量和规模，并进行区域性生态修复；
[0073]
当d≤0.25时，为低累积影响，不做生态修复。
[0074]
实施例三：
[0075]
本实施例提供一种梯级水库开发累积生态水文效应的分析装置，所述装置包括：
[0076]
水文计算模块：计算单座水库运行后对目标河段每个水文参数的改变度di，在此基础上，计算目标河段受该座水库干扰后的水文变化总改变度do；
[0077]
各水库计算模块：用于获取并根据水库对流域出口水文情势影响的关键因子，计算每个水库对流域出口断面水文情势的影响权重，将该权重与各水库的水文改变度d
o,j
相乘，得到各水库对流域出口断面生态水文情势的影响程度d
j’；
[0078]
累加模块：用于基于各水库对流域出口断面生态水文情势的影响程度d
j’，加和流域内所有水库对流域出口断面的影响程度值，求得流域水库群运行引起的生态水文情势累积影响程度d。
[0079]
本实施例的装置可以用于实现实施例一所述的方法。
[0080]
实施例四：
[0081]
本实施例提供一种梯级水库开发累积生态水文效应的分析装置，包括处理器及存储介质；
[0082]
所述存储介质用于存储指令；
[0083]
所述处理器用于根据所述指令进行操作以执行根据第一方面所述方法的步骤。
[0084]
本领域内的技术人员应明白，本技术的实施例可提供为方法、系统、或计算机程序产品。因此，本技术可采用完全硬件实施例、完全软件实施例、或结合软件和硬件方面的实施例的形式。而且，本技术可采用在一个或多个其中包含有计算机可用程序代码的计算机可用存储介质(包括但不限于磁盘存储器、cd-rom、光学存储器等)上实施的计算机程序产品的形式。
[0085]
本技术是参照根据本技术实施例的方法、设备(系统)、和计算机程序产品的流程图和/或方框图来描述的。应理解可由计算机程序指令实现流程图和/或方框图中的每一流程和/或方框、以及流程图和/或方框图中的流程和/或方框的结合。可提供这些计算机程序指令到通用计算机、专用计算机、嵌入式处理机或其他可编程数据处理设备的处理器以产生一个机器，使得通过计算机或其他可编程数据处理设备的处理器执行的指令产生用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的装置。
[0086]
这些计算机程序指令也可存储在能引导计算机或其他可编程数据处理设备以特定方式工作的计算机可读存储器中，使得存储在该计算机可读存储器中的指令产生包括指
令装置的制造品，该指令装置实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能。
[0087]
这些计算机程序指令也可装载到计算机或其他可编程数据处理设备上，使得在计算机或其他可编程设备上执行一系列操作步骤以产生计算机实现的处理，从而在计算机或其他可编程设备上执行的指令提供用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的步骤。
[0088]
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和变形，这些改进和变形也应视为本发明的保护范围。