一种基于降雨条件的生态流量分析方法技术

本发明专利技术公开了一种基于降雨条件的生态流量分析方法，包括以下步骤：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；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；根据降雨边缘分布和流量边缘分布得到流量

【技术实现步骤摘要】
一种基于降雨条件的生态流量分析方法


[0001]本专利技术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


技术介绍

[0002]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。
[0003]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。

技术实现思路

[0004]本专利技术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。
[0005]为解决上述技术问题，本专利技术是采用下述方案实现的：
[0006]本专利技术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：
[0007]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；
[0008]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；
[0009]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；
[0010]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；
[0011]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。
[0012]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；
[0013]以R表示雨量大小，单位为mm：
[0014]当R＝0时，对应无雨等级；
[0015]当0＜R≤10时，对应小雨等级；
[0016]当10＜R≤25时，对应中雨等级；
[0017]当25＜R≤50时，对应大雨等级；
[0018]当50＜R≤100时，对应暴雨等级；
[0019]当100＜R≤200时，对应大暴雨等级；
[0020]当R＞200时，对应特大暴雨等级。
[0021]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。
[0022]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：
[0023]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；
[0024]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本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于降雨条件的生态流量分析方法，其特征在于：包括以下步骤：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；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；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；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；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。2.根据权利要求1所述的基于降雨条件的生态流量分析方法，其特征在于：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；以R表示雨量大小，单位为mm：当R＝0时，对应无雨等级；当0＜R≤10时，对应小雨等级；当10＜R≤25时，对应中雨等级；当25＜R≤50时，对应大雨等级；当50＜R≤100时，对应暴雨等级；当100＜R≤200时，对应大暴雨等级；当R＞200时，对应特大暴雨等级。3.根据权利要求2所述的基于降雨条件的生态流量分析方法，其特征在于：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。4.根据权利要求3所述的基于降雨条件的生态流量分析方法，其特征在于：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：
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；
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降雨二维联合概率分布函数式中，为中雨等级降雨对应流量与中雨等级降雨的Clayton Copula函数；
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：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)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；
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。5.根据权利要求3所述的基于降雨条件的生态流量分析方法，其特征在于：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：
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；
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降雨二维联合概率分布函数式中，为大雨等级降雨对应流量与大雨等级降雨的Clayton Copula函数；
③
对...

【专利技术属性】
技术研发人员：黄峰，李梓钰，郑骞，柳丹霞，
申请(专利权)人：衢州市农村水利管理中心，
类型：发明
国别省市：