專利名稱：一種兼顧人類和生態需求的水庫興利庫容確定方法
技術領域：
本發明屬于水庫規劃設計技術領域，涉及一種兼顧人類和生態需求的水庫興利庫容確定方法。
背景技術：
水庫興利庫容的確定是水庫規劃設計的一項基本工作。合理的水庫興利庫容的制 定有利于提高水庫的興利效益(比如供水、發電)，同時有利于維持河流生態系統的健康。 現有的水庫興利庫容確定方法主要有逆時推算法和連續尖峰演算法等。其中，逆時推算法 在我國應用較多，在運用逆時推算法時，假定年末水庫為空，逆時序向前計算，遇缺水(入 流小于人類需水)相加，遇余水(入流大于人類需水)相減，減后若小于零即取為零，這樣 便可求得各時刻所需要的需水量，取其最大者，即為所需興利庫容；連續尖峰演算法廣泛應 用于美國及世界其他各地，它具有多種并列的形式，其中一種形式是首先計算入流量和需 水量(人類需水量和下滲蒸發等損失)之差的累加值，并將各時刻的累加值繪制成圖，找出 第一尖峰(局部最大值)與其他尖峰(局部最大值且數值大于前一個尖峰)以及相鄰兩個 尖峰間的最低凹谷值，求出相鄰兩個尖峰中的前一個尖峰值與這相鄰兩個尖峰間的凹谷值 的差，這些差中的最大值即為所需興利庫容；連續尖峰演算法的另一種形式假設水庫的最 大庫容為0、各個時刻庫容非正、且起始庫容為0，通過水庫的入流和出流模擬確定各個時 刻水庫的庫容，并計算初始庫容和各個時刻庫容的差值，最大的差值即為所需的興利庫容。 以上方法都能較方便的計算出提供某一規劃的供水量所需要的水庫興利庫容(供水保證 率100% )，但是它們都只面向了水庫向人類供水的需求，但并沒有同時面向水庫向河流提 供生態流量和向人類供水的雙需求，得出的水庫庫容難以同時滿足人類和河流生態系統的 需求。
發明內容
針對現有水庫興利庫容確定方法的不足只面向了人類供水需求，而未同時面向 為河流提供生態流量的需求，本發明要解決的技術問題是建立一種新的水庫興利庫容確定 方法，基于該技術確定的水庫庫容能提供人類需要的水量，并滿足河流生態系統所需的生 態流量，從而實現人類需水的滿足和河流生態系統的保護。本發明解決該技術問題所采用 的技術方案如下首先，確定出河流生態流量的關鍵參數值，并根據水庫入流量的大小將入 流分為四個區間，當流量位于不同區間時采取不同的生態流量過程，以滿足不同的流量時 期的不同的生態流量需求；然后，通過模擬計算，確定出在滿足制定的生態流量過程的情況 下，所能提供給人類的最大供水量；最后在可供水范圍內選定規劃供水量，并與制定的生態 流量過程相結合，通過人類和生態供水兼顧的連續尖峰演算法得出同時滿足規劃的供水量 和生態流量所需的水庫興利庫容。其具體的步驟如下(1)河流平灘流量、最小生態需水和高脈沖流量的下限閾值的確定河流平灘流量可通過河流實地監測、水力學模擬和水文統計等方法確定，其中，可運用對數-皮爾遜III型概率分布函數得出重現期為1. 5年的洪水的洪峰流量作為平灘流 量的初步估算；河流最小生態流量的確定可采用水文學、水力學和生態模擬等多種方法，其 中，可采用Termant法或Q95法初步估算河流最小生態需水；通過水文統計，確定多年自然 日流量的第75百分位數，將其作為河流高脈沖流量的下限閾值。(2)河流生態流量過程確定在河流平灘流量和歷史最大日流量之間，選定一個流量，作為洪水期的河流生態 流量(I1),該流量越大越有利于維持河流的洪泛區的生態系統健康，對于人類用水短缺的 地區可將該數值(I1)設置為平灘流量，以增加可供給人類的水量；在高脈沖流量的下限閾 值(多年自然日流量的第75百分位數)和平灘流量之間，選定一個流量，作為高脈沖期生 態流量過程的起點(I2)，該流量越小越有利于河流的河道內的生態系統健康，推薦該流量 等于高脈沖流量的下限閾值(多年自然日流量的第75百分位數)，以保證河道內生態系統 健康。
在選定了洪水期的河流生態流量(I1)和高脈沖期生態流量過程的起點(I2)的基 礎上，確定以下的河流生態流量過程 當水庫的入流量(INi)大于水庫規劃供水量(Q)和I1之和時，河流的生態流量 (Ei)設為 I1 ； 當水庫的入流量(INi)大于I2并且不小于水庫規劃供水量(Q)和I1之和時，河 流的生態流量設為水庫的入流量與規劃供水量(Q)之差； 當水庫的入流量位于河流最小生態需水(MEi)和I2之間時，河流的生態流量設 為河流最小生態需水(MEi)； 當水庫的入流量小于河流最小生態需水(MEi)時，河流的生態流量等于水庫的 入流量；以上的生態流量過程可用下式表示當INi > Q+Ui = I1(1)當Q+I!彡 INi > I2, Ei = INi-Q(2)當 I2 彡 INi 彡 MEi, Ei = MEi(3)當 INi < MEi, Ei = INi(4)其中=INi為水庫的第i日的入流量(m3/s) ；Q為水庫的規劃供水量(m3/s) 為 第i日河流的生態流量(m3/s) ；I1為洪水期規劃的生態流量(m3/s) ；I2為高脈沖期生態流 量過程的起點(m3/s) ；MEi為第i日河流的最小生態需水量(m3/s)。(3)河流可供水量閾值確定河流的水量不能全部供用于人類，即水庫規劃的供水量(Q)應小于河流年平均徑 流量(AIN)。在0和河流年平均徑流量(AIN)之間，以某一較小數值(比如0. OOlmVs)為 步長，逐漸增加規劃供水量(Q)，采用多年(N年)徑流歷史數據，按照上一步確定的生態流 量過程，對各個規劃供水量下的實際供水量和生態流量進行模擬計算。能使這N年的實際 供水量和生態流量之和不大于這N年的總徑流量之和的最大的規劃供水量(Q)，即為河流 可供水量的上限值(MQ)。其可用下式表示MQ = max (Q)(5)<formula>formula see original document page 5</formula>其中T為所用的多年流量數據的總天數。(4)水庫興利庫容的確定根據社會經濟的需水狀況，在0和河流可供水量的上限值(MQ)之間，選定出規劃 的供水量(Q)。建立人類和生態供水兼顧的連續尖峰演算法，求出保證規劃的供水量和生態 流量所需的水庫興利庫容。人類和生態供水兼顧的連續尖峰演算法的計算公式如下
<formula>formula see original document page 5</formula>
其中=Si為第i日的水庫庫容量(m3)，其中S。= 0 ;SC為保證規劃的供水量和生態 流量所需的水庫興利庫容(m3)。公式(7)和(8)是傳統的人類供水導向的連續尖峰演算法 的一種升級，區別在于人類供水導向的連續尖峰演算法未考慮河流的生態需水，即未包括 河流的生態流量Ei。本發明的優點在于針對河流流量所屬的時期的不同，分別確定出不同的生態流 量，以維持河流生態系統健康，并將生態流量與水庫的供水相結合，確定出可以同時保證規 劃的供水量和生態流量的水庫興利庫容，從而實現了水庫興利庫容設計的人類和生態需求 的兼顧。
圖1為兼顧人類和生態需求的水庫興利庫容確定方法流程圖；
具體實施例方式下面以某流域的一個水庫為實施例進一步說明本發明。(1)河流平灘流量、最小生態需水和高脈沖流量的下限閾值的確定運用多年日徑流數據，采用對數-皮爾遜III型概率分布函數得出重現期為1.5 年的洪水的洪峰流量為42. 38m7s，將其作為平灘流量；采用Q95法確定河流最小生態需水 (MEi)為0. 57m3/s ；并統計出多年自然日流量的第75百分位數對應的流量為6. 43m3/S，其為 高脈沖流量的下限閾值。(2)河流生態流量過程確定該水庫所在區域用水緊張，將平灘流量42. 38m7s，作為洪水期的河流生態流量 (I1)；將第75百分位數對應的流量6. 43m7s作為高脈沖期生態流量過程的起點(I2)，以保 證河道內生態系統健康。河流的生態流量過程為·當水庫的入流量大于水庫規劃供水量(Q)和42. 38m3/s之和時，河流的生態流 量(Ei)為 42. 38m3/s ；·當水庫的入流量(INi)大于6. 43m3/s并不小于水庫規劃供水量(Q)和42. 38m3/ s之和時，河流的生態流量為水庫的入流量與規劃供水量(Q)之差；·當水庫的入流量位于河流最小生態需水0. 57m3/s和6. 43m3/S之間時，河流的生 態流量設為河流最小生態需水0. 57m3/s ；·當水庫的入流量小于河流最小生態需水0. 57m3/s時，河流的生態流量等于水庫的入流量；(3)河流可供水量閾值確定河流年平均徑流量(AIN)為6. 85m7s。在0和6. 85m3/s之間，以0. 00 Im3/s為步 長，逐漸增加規劃供水量(Q)，按照上一步中制定的生態流量過程，對各個規劃供水量下的 實際供水量和生態流量進行模擬計算。得出能使實際供水量和生態流量之和不大于總徑流 量的最大的可供水量為2. 06m3/S。(4)水庫興利庫容的確定為提供最多的水給人類，這里選用2. 06m3/s作為規劃供水量(Q)。將確定的Q值 2. (^!^八，“值斗〗.281113/8，12值6. 43m3/s ；1^值0. 57m3/s 帶入式(1)-⑷、式(7)和式(8)， 即可得出所需的水庫興利庫容為2. 16X108m3。
權利要求
一種兼顧人類和生態需求的水庫興利庫容確定方法，其確定步驟如下(1)河流平灘流量、最小生態需水和高脈沖流量的下限閾值的確定河流平灘流量可通過河流實地監測、水力學模擬和水文統計等方法確定，其中，可運用對數-皮爾遜III型概率分布函數得出重現期為1.5年的洪水的洪峰流量，作為平灘流量的初步估算；河流最小生態流量的確定可采用水文學、水力學和生態模擬等多種方法，其中，可采用Tennant法或Q95法初步估算河流最小生態需水；通過水文統計，確定多年自然日流量的第75百分位數，將其作為河流高脈沖流量的下限閾值；(2)河流生態流量過程確定在河流平灘流量和歷史最大日流量之間，選定一個流量，作為洪水期的河流生態流量(I1)；在高脈沖流量的下限閾值(多年自然日流量的第75百分位數)和平灘流量之間，選定一個流量，作為高脈沖期生態流量過程的起點(I2)；在選定了洪水期的河流生態流量(I1)和高脈沖期生態流量過程的起點(I2)的基礎上，確定以下的河流生態流量過程●當水庫的入流量大于水庫規劃供水量和I1之和時，河流的生態流量設為I1；●當水庫的入流量大于I2并且不小于水庫規劃供水量和I1之和時，河流的生態流量設為水庫的入流量與規劃供水量之差；●當水庫的入流量位于河流最小生態需水和I2之間時，河流的生態流量設為河流最小生態需水；●當水庫的入流量小于河流最小生態需水時，河流的生態流量等于水庫的入流量；(3)河流可供水量閾值確定在0和河流年平均徑流量之間，以某一較小數值為步長，逐漸增加規劃供水量，采用多年(N年)徑流歷史數據，按照上一步確定的生態流量過程，對各個規劃供水量下的實際供水量和生態流量進行模擬計算；能使這N年的實際供水量和生態流量之和不大于這N年的總徑流量之和的最大的規劃供水量，即為河流可供水量的上限值；(4)水庫興利庫容的確定根據社會經濟的需水狀況，在0和河流可供水量的上限值之間，選定出規劃的供水量；同時保證規劃的供水量和生態流量所需的水庫興利庫容可用下式確定Si＝min(0，Si-1+INi-Ei-Q)(1)SC＝-min(Si) i＝1，2，...，2T (2)其中Si為第i日的水庫庫容量(m3)，其中S0＝0；INi為水庫的第i日的入流量(m3/s)；Ei為第i日河流的生態流量(m3/s)；Q為水庫的規劃供水量(m3/s)；SC為保證規劃的供水量和生態流量所需的水庫興利庫容；T為所用的多年流量數據的總天數。
全文摘要
一種兼顧人類和生態需求的水庫興利庫容確定方法，首先，確定出河流所需的生態流量的關鍵參數值(洪水期規劃生態流量，高脈沖流量起點，最小生態需水量)，并根據水庫入流量的大小將入流分為四個區間，當流量位于不同區間時采取不同的生態流量過程，以滿足不同的流量時期的不同的生態流量需求；然后，通過模擬計算，確定出在滿足制定的生態流量過程的情況下，所能提供給人類的最大可供水量；最后在可供水范圍內選定規劃供水量，并與制定的生態流量過程相結合，通過采用人類和生態供水兼顧的連續尖峰演算法，得出同時滿足規劃的供水量和生態流量的所需的水庫興利庫容。該水庫興利庫容確定方法同時考慮人類需水和生態需水，能向人類提供規劃的供水量，并能提供河流生態系統所需的生態流量，有效的保護河流生態系統健康。
文檔編號E02B1/00GK101831887SQ201010127110
公開日2010年9月15日 申請日期2010年3月18日 優先權日2010年3月18日
發明者尹心安, 楊志峰, 楊薇, 陳賀 申請人:北京師范大學