技术领域
[0001] 本发明属于河流生态的技术领域，具体涉及一种河流干流生态需水量估算方法。
相关背景技术
[0002] 河流生态需水是指人类生产和生活中对水资源的需求，包括饮用、农业、工业、城市用水等各个领域。随着人口的增长和经济的快速发展，河流生态需水的需求量越来越大，同时也给河流生态系统带来了巨大的压力。因此，开发新的技术和方法来保护和改善河流生态系统成为了一个紧迫的问题。
[0003] 在过去的几十年里，人们采取了许多措施来保护和改善河流生态系统，例如修建水坝和水电站、开展河道整治和河湖清淤、加强水质监测和管理等等。然而，这些措施并没有完全解决河流生态需水所带来的问题，河流生态系统仍然面临着许多挑战。
[0004] 合理界定生态需水的概念并明确生态系统需水项是计算生态需水量的基础。生态需水量计算基于特定的研究区域，与该生态系统的组成、水资源结构和利用方式相统一。对于干旱流域，比如西北干旱区流域而言，由于水资源严重短缺，河道多出现断流，天然植被大面积衰退，如何保证河道水文过程完整的最小生态径流需水和生态系统中生产者天然植被生态需水，是目前亟需接近的问题。
具体实施方式
[0057] 下面对本发明的具体实施方式进行描述，以便于本技术领域的技术人员理解本发明，但应该清楚，本发明不限于具体实施方式的范围，对本技术领域的普通技术人员来讲，只要各种变化在所附的权利要求限定和确定的本发明的精神和范围内，这些变化是显而易见的，一切利用本发明构思的发明创造均在保护之列。
[0058] 实施例1
[0059] 本实施例提供一种河流干流生态需水量估算方法，并以塔里木河干流流域为例，参考图1，其具体包括以下步骤：
[0060] 步骤S1、获取目标河流干流河道的历史水文数据；
[0061] 本实施例的水文数据包括收集塔里木河三源流阿克苏河协合拉和沙里桂兰克，叶尔羌河玉孜门勒克和瓦群，和田河乌鲁瓦提和同古孜洛克6个出山口水文站1957—2006年的年径流量数据，上述6个水文站径流量均未经分流和人为引流，可以看作天然径流量。同时收集了分别位于干流源头阿拉尔，干流上游段新渠满，上、中游分界点英巴扎，中游段乌斯满以及中、下游分界点恰拉的5个干流水文站1957—2006年逐月径流量监测资料。
[0062] 步骤S2、采用有序聚类分析法进行人类活动对径流量显著干扰点的判别，以筛选步骤S1中的历史水文数据，其具体包括：
[0063] 按照初始序列的秩序进行聚类称为有序聚类。有序聚类分析法可用来推求可能的干扰点tm，实质即推求最优分割点。其原理是利用离差平方和进行分割，同类之间的离差平方和较小，类与类之间离差平方和较大。若水文序列为Rt(t＝1,2,……,n)，以tm作为可能分割点(m＝1,2,……,n)，将原序列分成两个序列：
[0064]
[0065] 总离差平方和：
[0066] Sn(t)＝Vtm+Vn‑tm
[0067] 最优分割点
[0068]
[0069] 式中，tm为可能分割点，m＝1,2,……,n；Vtm为一个水文序列的离差平方和，Vn‑tm为另一个剩下的水文序列的离差平方和；Rt为水文序列，t＝1,2,……,n。
[0070] 基于上述有序聚类分析法进行如下分析：
[0071] 近半个世纪以来，人类活动对塔里木河水资源时空分配格局影响显而易见，反映自然界水文循环演变和河流水文周期的固有规律受到人类活动的干扰，造成流域相关水文统计资料的不一致，而不受人类活动干扰(或扰动较小)的径流资料是水文学方法求算河道内生态需水量的前提。因此，需要对人类活动影响对干流径流序列显著干扰点进行判别。
[0072] 流域各河段区间耗水量在不受人类活动影响情况下，短时间尺度内基本为恒定值，主要包括蒸发、下渗和河道外植被耗水等。人类生产和生活用水大大加剧了河段区间耗水。因此，可以通过河段区间耗水量的大小反映人类活动干扰的强弱。本实施例依托有实测径流资料的源流协合拉、沙里桂兰克、玉孜门勒克、瓦群、乌鲁瓦提和同古孜洛克6个出山口水文站和干流阿拉尔、新渠满、英巴扎乌斯满和恰拉4个水文站，根据三源流出山口‑阿拉尔、阿拉尔‑新渠满、新渠满‑乌斯满和乌斯满‑恰拉4个河段1957—2006年区间耗水量(两断面年径流量差值)序列，采用有序聚类分析法推求人类活动对径流量干扰的最优分割点如图2所示，分割点前可以认为是受人类影响较小的近似天然径流量。
[0073] 通过塔里木河源流和干流1957—2006年4个河段区间耗水量序列，求算各区段人类活动干扰的突变点。结果表明，近50年来三源流出山口‑阿拉尔段受人类活动显著干扰点为1993年，干流阿拉尔‑新渠满段受人类活动显著干扰点为1976年，新渠满‑乌斯满段和乌斯满‑恰拉段分别为1993年和1984年。
[0074] 上游河段径流量变化趋势受到人类活动影响发生变化，必然导致下游河段径流序列固有规律发生变化。图2表明，干流上游段阿拉尔‑新渠满区间耗水量受人类活动影响最早发生突变(1976年)，源流区和干流中、下游区段相对滞后。因此，本实施例以1976年作为干流径流的人类活动的干扰突变点，将1957—1976年这20年的径流序列作为求算河道内生态需水量的依据。
[0075] 步骤S3、根据筛选后的历史水文数据，采用湿周法建立湿周与流量的关系曲线，并通过关系曲线上的临界点确定河道内最小生态需水量，其具体包括以下内容：
[0076] 河道内生态需水量的计算通常需要有足够多的大断面几何形状作为支撑，同时需要相应径流、水位等基础水文资料。近十几年来塔里木河下游生态输水工程的实施，为下游河道内生态需水量计算提供了可能。由于受人类活动影响量的增加，下游段在上世纪70年代以后，多年断流，缺乏连续的、受人为影响较小的径流资料，水文学方法使用受到限制，基于此，本实施例选取水力学方法中的湿周法对下游段河道基流生态需水量进行计算。
[0077] 湿周法(wetted perimeter method)是利用湿周(过水断面上，河槽被水流浸湿部分的周长)作为衡量栖息指标的质量来估算河道内流量的最小值。湿周通常随着河流流量的增大而增加，当湿周超过某一临界值后，河流流量的大幅度增加也只能导致湿周的微小变化，即河流湿周存在一个临界值。保护好临界湿周区域，也就满足河道需水的最低要求。
[0078] 湿周法通过建立湿周与流量的关系曲线，通过曲线上的临界点确定河道内最小生态需水量，河道断面的湿周P计算公式如下：
[0079]
[0080] 式中，xi、yi分别为第i段实测点的起点距和高程，N为分段数，xi‑1、yi‑1分别为第i‑1段实测点的起点距和高程。
[0081] 参考图3，选择下游英苏、阿拉干和依干不及麻三个有实测径流资料的典型断面，通过典型断面最小生态流量计算间接确定河道基流生态需水量。
[0082] 针对不同的河道断面形状，推导出相应流量与湿周的关系。发现三角形断面、U形断面和抛物线形断面符合幂函数变化规律,梯形和矩形断面符合对数变化规律。英苏、阿拉干和喀尔达依3个典型断面形状见图4。图中可知，英苏和依干不及麻断面为近似三角形断面，阿拉干断面为宽浅的近似梯形断面。
[0083] 获取2003—2005年大西海子以下英苏、阿拉干和依干不及麻3个典型水文断面河宽、高程和起点距等资料，断面位置见图3。获取2003年3—11月以及2005年4—11月两次生态输水时3个断面的逐日水位、流量、水深等监测资料，这两次生态输水均为双河道过水，输水均到达尾闾台特玛湖。
[0084] 以下游生态输水作为契机，采用2003年第五次和2005年第七次的生态输水时测定的湿周和流量数据(第五次和第七次生态输水均为双河道过水，且水量均达到台特玛湖)，对英苏和依干不及麻2个断面的湿周—流量采用幂函数曲线模拟，阿拉干断面采用对数曲线模拟，如图5所示，可知拟合曲线的可决系数均在0.8以上，说明拟合效果较好。在对各断面湿周—流量曲线模拟的基础上确定流量变化的临界点。
[0085] 如图5所示，将湿周P作为纵坐标，河道断面流量作为横坐标绘制湿周与流量的关系曲线；
[0086] 计算关系曲线的曲率，其表达式为：
[0087]
[0088] 式中，K曲为关系曲线的曲率；对曲率表达式的等号右侧进行求导，得到曲率对流量的导数关系，令曲率对流量的导数为0，则导数为0的点对应的流量值即为河道内最小生态需水量。
[0089] 通过湿周法计算结果表明，大西海子水库以下英苏、阿拉干和依干不及麻3个断面3 3 3
的过水流量分别为1.125m/s、4.586m/s和1.463m/s。
[0090] 就塔里木河下游而言，水流从上而下呈纯耗散状态，河道上段的过水流量应该大于河道下段，通过英苏、阿拉干和依干不及麻河道生态流量计算，中间断面阿拉干过水流量在3个断面中值最大，而上游英苏断面流量最小。其原因主要是，本实施例采用的是2005年—2006年第五次和第六次输水所测定资料进行计算的结果，而这两次输水均为其文阔尔河和老塔河双河道输水，造成阿拉干和依干不及麻的最小生态径流量均大于英苏。
[0091] 近年来，考虑到下游均实行双河道输水措施，本实施例采用三个断面的最大值阿拉干的最小径流量作为下游河道生态流量下限值，假设下游河道全年过水，则大西海子以8 3
下河道基流生态需水为1.455×10m 。另外，考虑到塔里木河来水量具有明显的季节性特征，干流在每年的3—6月为枯水期，假定枯水期下游河道不过水，仅每年7月—翌年2月河道
8 3
过水，则下游大西海子以下河道生态需水量为0.965×10m。
[0092] 步骤S4、采用潜水蒸发法和面积定额法计算河道外天然植被生态需水量，其具体包括以下内容：
[0093] 具体的，塔里木河干流两岸分布的自然植被，主要是非地带性的隐域植被，它不依赖于大气降水，而是靠地下水供给其蒸腾和蒸发，因此，自然植被的实际蒸散量是由潜水向上输送供给的。而影响植被生长的土壤水分状况取决于潜水蒸发量的大小，从较大的空间尺度而言，当土壤处于稳定蒸发时，不仅地表的蒸发强度保持稳定，土壤含水量也不随时间而变化，即潜水蒸发量、土壤水分通量和土壤蒸散强度三者相等。因此，干旱区依靠潜水生长的天然植被的实际蒸散近似地等于潜水蒸发量，因此，天然植被的生态需水可通过潜水蒸发来估算。
[0094] 塔里木河干流沿岸自然植被的水分利用方式包括洪水漫溢灌溉和地下水渗漏补给灌溉，与农业生产中按农作物定额灌溉存在显著区别。一次洪水既可以淹灌乔灌木林地，也可淹灌草地，因此，林地和草地得到的灌水量是一样的。另外，在地下水位相同的地方可能同时生长着乔灌木林地和草地。根据自然植被吸收利用地下水的特点，生态需水按植被蒸散耗水即潜水蒸发计算是符合实际的。
[0095] 基于潜水蒸发法的天然植被生态需水量估算：
[0096]
[0097] Wgi＝a(1‑hi/hmax)bEΦ20
[0098] 其中，W为植被生态需水量；Ai为植被类型i的面积；Wgi为植被类型i在地下水某一地下水埋深时的潜水蒸发量；a、b为经验系数，hi为植被类型i的地下水埋深，hmax为潜水蒸发极限埋深， 为常规蒸发皿蒸发量；将塔里木潜水蒸发的极限埋深(hmax)确定为5.0m。公式中a、b是与土壤类型有关的经验系数，将a取值为0.62，b取值为2.8。不同河段蒸发量利用干流阿克苏、阿拉尔、库车、轮台、库尔勒和铁干里克6个气象观测站点1992—2001年不同河段的年均蒸发量取值如表1。
[0099] 表1不同河段蒸发量取值(1992‑2001年)单位：mm
[0100]
[0101] 结合干流中游段2006—2009年地下水埋深实际监测资料和观测井附近植被样方调查，确定疏林地、有林地、低覆盖度草地和高覆盖度草地4种植被类型下地下水埋深，如表2。
[0102] 表2不同植被类型地下潜水埋深
[0103]
[0104] 还需考虑不同潜水埋深的植被影响系数，不同埋深时的植物蒸腾对潜水相应系数，如表3。
[0105] 表3不同地下水埋深的植被系数
[0106]
[0107] 通过阿维利扬诺夫公式计算不同植被类型的潜水蒸发量(Wgi)如表4：
[0108] 表4干流上、中游各河段不同植被类型潜水蒸发量单位：m3/hm2
[0109]
[0110] 通过提取研究区范围内疏林地、有林地、低覆盖度草地和高覆盖度草地的面积(Ai)。采用阿维利扬诺夫公式计算4种植被类型(本实施例以四种植物代表河道外天然植被)下的潜水蒸发量(Wgi)，并通过潜水蒸发公式计算相应植被类型的生态需水量(W)，在此基础上考虑到不同潜水埋深下的植被系数，结果见表5。干流上、中游疏林地、有林地、低覆8 3 8 3 8 3
盖度草地和高覆盖度草地的生态需水量分别为0.06×10 m 、7.28×10 m 、0.55×10 m 和
8 3 8 3
12.72×10m，总计为20.61×10m，如表5所示。
[0111] 表5潜水蒸发法估算天然植被生态需水量单位：108m3
[0112]
[0113] 基于面积定额法的天然植被生态需水量估算：
[0114]
[0115] 其中，W1为植被生态需水量；Wi为植被类型i的生态需水量；Ai为植被类型i的面积；ri为植被类型i的生态需水定额。
[0116] 基于面积定额法，确定塔里木河干流不同植被类型的单位面积生态需水定额，如表6所示：
[0117] 表6单位面积植被需水量单位：m3·hm‑2
[0118]
[0119] 表7面积定额法估算天然植被生态需水量单位：108m3
[0120]
[0121] 通过表6可知，塔里木河干流上、中游疏林地，有林地，高覆盖度草地与低覆盖度草3 ‑2 3 ‑2 3 ‑2
地4种植被类型生态需水定额分别为444.70m·hm 、3042.65m·hm 、2343.80m·hm 和
3 ‑2
629.70m·hm 。4种植被类型面积(Ai)通过遥感影像分类结果获得，根据面积定额公式计算得到塔里木河流域干流上、中游阿拉尔‑新渠满、新渠满‑英巴扎、英巴扎‑乌斯满、乌斯满‑‑阿其克和阿其克‑恰拉5个河段南、北岸天然植被生态需水量，如表7所示。
[0122] 统计结果显示，面积下确定的塔里木河干流阿拉尔‑新渠满、新渠满‑英巴扎、英巴扎‑乌斯满、乌斯满‑‑阿其克和阿其克‑恰拉5个河段天然植被生态需水量分别为6.36×8 3 8 3 8 3 8 3 8 3 8 3
10m、7.02×10m、5.18×10m、3.29×10m和0.17×10m，总计22.015×10m。
[0123] 本实施例为避免单一方法误差过大，对两种方法的计算结果进行平均，如表7所8 3
示，确定塔里木河干流上、中游天然植被生态需水量为21.31×10m，如表8所示。
[0124] 表8面积定额法估算天然植被生态需水量单位：108m3
[0125]
[0126]
[0127] 步骤S5、计算干流河道内与河道外生态需水量计算结果的重复量；
[0128] 本实施例将河道的侧渗量作为干流河道内与河道外生态需水量计算结果的重复量，其计算具体如下：
[0129] 阿拉尔‑新渠满：
[0130] 河道宽，Bal＝3.6965Q0.7992；
[0131] 蒸发量：W＝E(Bal+0.0006Bal1.9156)(L/2)，L＝189km；
[0132] 侧渗量：W＝0.18ln(Q)‑0.5528。
[0133] 新渠满‑英巴扎：
[0134] 河道宽：Bxq＝0.0228Q1.3439；
[0135] 蒸发量：W＝E(Bxq+15.22ln(Bxq)+67.68)(L/2)，L＝258km；
[0136] 侧渗量：W＝0.0793ln(Q)+0.0166。
[0137] 英巴扎‑乌斯曼‑恰拉：
[0138] 河道宽，Byb＝21.64lnQ+15.88；
[0139] 蒸发量：W＝0.8EBybL，英巴扎‑乌斯曼，L＝189km，乌斯曼‑恰拉，L＝170km，侧渗量：W＝7×10‑9(21.64lnQ+15.88)4.0031。
[0140] 根据以上各断面流量与侧渗量的关系，计算得：在重点保护带、基本保护带和影响8 3 8 3 8 3
保护带下，重复水量分别为5.61×10m、5.77×10m和5.83×10m。
[0141] 步骤S6、根据水位变动带的饱和差和潜水水位上升幅度计算地下水恢复量，其包括：
[0142] ΔW＝M·ΔH·F·n
[0143] 其中，ΔW为地下水恢复量；ΔH为潜水水位上升幅度；M为水位变动带的饱和差，F为计算面积，n为土壤容重。
[0144] 步骤S7、根据河道内最小生态需水量、河道外天然植被生态需水量、河道内与河道外生态需水量计算结果的重复量和地下水恢复量，估算目标河流干流生态需水量，包括：
[0145] Q总＝Q内+Q外‑Q重+Q地
[0146] 其中，Q总为目标河流干流生态需水量；Q内为河道内最小生态需水量；Q外为河道外天然植被生态需水量；Q重为河道内与河道外生态需水量计算结果的重复量；Q地为地下水恢复量。
[0147] 表9干流各河段不同天然植被保护等级下的生态需水总量单位：108m3
[0148]
[0149] 由表9可知，塔里木河干流在影响保护带、基本保护带和重点保护带下，生态需水8 3 8 3 8 3
量分别为28.60×10m、34.63×10m和37.42×10m。
[0150] 根据塔里木河下游大西海子以下的生态需水量要求确定为3种规划，(1)保护大西8 3 8 3
海子水库以下生态范围，0.9×10m ；(2)近10年来塔河输水的平均水量，2.3×10m；(3)塔
8 3
河总体规划目标，3.5×10m。塔里木河下游恰拉至大西海子的生态需水量采用本实施例的
8 3
1.348×10m，分别对本实施例结果与塔里木河干流实际水文状况及规划目标进行对比，由
8 3
于本实施例计算得塔里木河下游大西海子以下生态需水量为3.587×10m ，与塔河总体规划目标相一致，同时也证明了本实施例的可信性，如表9所示。
[0151] 表9干流生态需水量的对比单位：108m3
[0152]
[0153] 虽然结合附图对发明的具体实施方式进行了详细地描述，但不应理解为对本专利的保护范围的限定。在权利要求书所描述的范围内，本领域技术人员不经创造性劳动即可做出的各种修改和变形仍属本专利的保护范围。
