一种河道分级分期旱限水位或流量的计算方法

技术领域

本发明涉及水资源调度技术领域，尤其涉及一种河道分级分期旱限水位或流量的计算方法。

背景技术

干旱发生最直接的原因是区域内工农业生产生活及生态环境用水需求得不到满足，缺水程度越重，干旱灾害危害就越大，抗旱减灾的关键就是通过抗旱应急调水、科学分配水量、强化节约用水等措施，最大程度地缓解旱区缺水矛盾，减轻旱灾损失，因此，及时掌握及合理判断区域内水资源布局和供需缺口、影响程度就成为抗旱指挥决策的基本前提。一般而言，区域内工农业生产、生活及生态环境用水需求相对明确，江河来水、水库蓄水等水源可供水量往往成为抗旱应急水量调度最为关注的指标之一。江河湖库水位下降或者水量减少到某一临界值，区域内将会发生缺水，持续下降到某种程度，将会对城乡居民生活、工农业生产、航运及生态环境等各种用水需求造成影响，这些指标都是做好抗旱应急工作必须研究的重要课题。

河流是所在流域内自然地理背景下的产物，是以不同形态和经过不同转化途径的降水为补给来源的。河流对于人类社会的发展具有重要意义，干旱则会对沿岸工农业生产、城市供水、居民生活、航运交通和自然生态的安全产生巨大影响。开展江河断面旱限水位(流量)确定方法及试点应用研究，能够为各级决策部门和社会大众及时提供干旱预警，对全国抗旱应急管理工作将是一个有力的推动，具有重要的现实意义。

目前，在防汛领域，我国江河断面已经建立了较为完善的警戒水位、保证水位等防汛指标体系，在防洪减灾中发挥了重要作用，但在抗旱领域，我国至今尚未建立可以用于抗旱应急管理工作的水位(流量)等干旱特征指标，水文报旱、旱情预警、抗旱会商、应急响应、水量调度等抗旱应急管理工作往往缺乏科学依据，存在抗旱减灾指挥决策时机把握不准或应急响应过度的现象，一定程度上影响了抗旱工作科学有序地开展。因此，迫切需要建立河道水位(流量)等干旱特征指标体系，为抗旱指挥决策提供科学依据和技术支撑。

发明内容

本发明的目的在于提供一种河道分级分期旱限水位或流量的计算方法，从而解决现有技术中存在的前述问题。

为了实现上述目的，本发明采用的技术方案如下：

一种河道分级分期旱限水位或流量的计算方法，包括如下步骤，

S1、根据江河的多种功能和干旱期江河断面的保障目标，具体分析河道的供水保障目标；

S2、根据河道的供水保障目标，计算河道内需水量和河道外需水量；

S3、综合河道内、河道外保障目标，由于年内不同时期江河断面水位或流量存在差异，应针对性设置不同的旱限水位或流量，即分期设置旱限水位或流量；在年内同一时期，江河断面水位或流量不同时，保障未来供水能力不同，应设置不同预警级别的旱限水位或流量，对旱限水位或流量进行分级分期控制，即分级设置旱限水位或流量，具体分为旱警水位或流量和旱保水位或流量；

S4、江河断面划分有多个干旱预警分期，在同一预警分期内存在多个不同的旱限水位或流量，取同一预警分期中所有旱限水位或流量中的最大值作为该预警分期的分期旱限水位或流量；

S5、通过重现期分析法分析旱限水位或流量的合理性，当重现期结果与历史上旱情出现的重现期吻合，则表示确定的旱限水位或流量合理。

优选的，河道的供水保障目标包括社会经济供水保障目标、生态环境保障目标和航运保障目标；步骤S1具体包括如下内容，

S11、通过调查收集江河取水口及供水信息，分析确定旱限期需要重点保障的社会经济供水保障目标；所述江河取水口及供水信息包括取水口位置、取水口高程以及各取水口的受水区范围、用水行业、用水时段和用水量；

S12、通过调查收集江河生态环境信息，分析确定旱限期需要重点保障的相关生态环境保障目标；所述江河生态环境信息包括水生栖息及洄游物种的生态需水量、冲沙和污染物输移需水量以及环境容量；

S13、通过调查收集江河航运信息，分析确定旱限期需要重点保障的航运保障目标；所述江河航运信息包括通航水域、航道等级、通航时间、通航水位和航运调度。

优选的，所述河道外需水量为社会经济需水量；所述河道内需水量包括生态需水量和航运需水量；所述生态需水量包括基本生态环境需水量和适宜生态环境需水量；步骤S2具体包括如下内容，

S21、利用用水量调查统计法或定额计算法计算社会经济需水量；

S22、以当地供水规则为准，对比采用7Q10法、最小连续30d平均流量法、流量百分数法和Tennant法的计算结果，或采用近10年最枯月平均流量法确定基本生态环境需水量；以当地供水规则为准利用Tennant法确定适宜生态环境需水量；

S23、利用保障率频率法计算航运需水量。

优选的，利用用水量调查统计法计算社会经济需水量的具体过程为，

调查统计断面下游10年分行业用水统计数据；

依据用水类型及方式，重点调查统计城乡供水、企业生产、农业灌溉及环境生态用水数据；

选取来水频率为75％的多个年份作为一般枯水年组，对各个行业，计算一般枯水年组中逐月平均用水量，作为该行业在一般干旱年份社会经济需水量；同时，选取来水频率为95％的多个年份作特枯水年组，对各个行业，计算特枯水年组中逐月平均用水量，作为该行业在特大干旱年份社会经济需水量。

优选的，利用定额计算法计算社会经济需水量的具体过程为，

根据规划水平年居民生活用水定额和人口发展预测成果计算生活需水量；

根据规划水平年工业用水定额及工业生产总值计算工业需水量；

根据规划水平年灌溉面积、种植结构、灌溉制度和灌溉利用系数计算灌溉需水量；

综合生活需水量、工业需水量和灌溉需水量，获取社会经济需水量。

优选的，在计算基本生态环境需水量时，对于长系列水文资料河流控制断面，采用流量历时曲线法、7Q10法或Qp法计算基本生态环境需水量，通过对比计算结果合理确定基本生态环境需水量；对于缺乏长系列水文资料的河流控制断面，采用近10年最枯月平均流量法计算基本生态环境需水量。

优选的，利用Tennant法计算适宜生态环境需水量具体为，

其中，W

优选的，步骤S3中利用外包线法以及逐级控制、逐级叠加旱限水位或流量法，计算各分期各级别的江河旱限水位或流量；具体过程为，

S31、利用外包线法取生态需水量和航运需水量各分期的最大值；

W

其中，W

S32、利用获取的生态需水量和航运需水量各分期的最大值，使用逐级控制、逐级叠加旱限水位或流量法，获取各分期各级别的江河旱限水位或流量；

Q

其中，W

Z

其中，Z

优选的，步骤S4中旱警/旱保水位或流量分期的计算方式分别如下，

Q

Z

其中，Q

优选的，步骤S5具体包括如下内容，

S51、明确旱限流量分期(T1,T2…)，获得各分期的旱限流量；

S52、从长系列数据第一年开始遍历所有年份分期内的月流量，统计分期内流量低于旱限流量的年数n；

S53、获得分期实际流量低于河道旱限流量的重现期R；

其中，N为长系列流量资料的年数；旱限水位重现期与旱限流量重现期计算方法相同；

S54、判断获取的重现期R与历史上旱情出现的重现期是否吻合，若是，则表示确定的旱限水位或流量合理；否则，则表示确定的旱限水位或流量不合理。

本发明的有益效果是：综合考虑江河断面的社会经济供水保障目标、生态环境保障目标和航运保障目标等主要用水需求，结合河道一定的设计来水过程，通过逐级控制、逐级叠加旱限水位(流量)法及外包线法，对旱限水位(流量)进行分期，建立可以用于抗旱应急管理工作的水位等干旱特征指标，有效的解决了抗旱减灾指挥决策时机把握不准或应急响应过度的现象，建立河道水位等干旱特征指标体系，为抗旱指挥决策提供科学依据和技术支撑。

附图说明

图1是本发明实施例中计算方法的流程示意图；

图2是本发明实施例中水文站A干旱预警分期示意图；

图3是本发明实施例中外包线、逐级叠加和逐级控制的示意图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施方式仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

实施例一

如图所示，本实施例中，提供了一种河道分级分期旱限水位或流量的计算方法，包括如下步骤，

S1、根据江河的多种功能和干旱期江河断面的保障目标，具体分析河道的供水保障目标；

S2、根据河道的供水保障目标，计算河道内需水量和河道外需水量；

S3、综合河道内、河道外保障目标，由于年内不同时期江河断面水位(流量)存在差异，应针对性设置不同的旱限水位(流量)，即分期设置旱限水位(流量)；在年内同一时期，江河断面水位(流量)不同时，保障未来供水能力不同，应设置不同预警级别的旱限水位(流量)，对旱限水位(流量)进行分级分期控制，即分级设置旱限水位(流量)，具体分为旱警水位(流量)和旱保水位(流量)；

S4、江河断面划分有多个干旱预警分期，在同一预警分期内存在多个不同的旱限水位(流量)，取同一预警分期中所有旱限水位(流量)中的最大值作为该预警分期的分期旱限水位(流量)；

S5、通过重现期分析法分析旱限水位或流量的合理性，当重现期结果与历史上旱情出现的重现期吻合，则表示确定的旱限水位或流量合理。

本实施例中，所述计算方法具体包括五部分内容，分别为分析供水保障目标、计算河道内及河道外用水需水量、计算各分期各级别的旱限水位(流量)、计算各个预警分期的旱限水位(流量)、判断计算获取的旱限水位(流量)的合理性。下面分别针对这五部分内容进行详细的解释说明。

一、分析供水保障目标

该部分对应上述步骤S1的内容，河道的供水保障目标包括社会经济供水保障目标、生态环境保障目标和航运保障目标；步骤S1具体包括如下内容，

S11、社会经济供水保障目标；通过调查收集江河取水口及供水信息，分析确定旱限期需要重点保障的社会经济供水保障目标；所述江河取水口及供水信息包括取水口位置、取水口高程以及各取水口的受水区范围、用水行业、用水时段和用水量等资料；

S12、生态环境保障目标；通过调查收集江河生态环境信息，分析确定旱限期需要重点保障的相关生态环境保障目标；所述江河生态环境信息包括水生栖息及洄游物种的生态需水量、冲沙和污染物输移需水量以及环境容量等资料；

S13、航运保障目标；通过调查收集江河航运信息，分析确定旱限期需要重点保障的航运保障目标；所述江河航运信息包括通航水域、航道等级、通航时间、通航水位和航运调度等资料。

二、计算河道内及河道外用水需求量

该部分对应步骤S2的内容，所述河道外需水量为社会经济需水量；所述河道内需水量包括生态需水量和航运需水量；所述生态需水量包括基本生态环境需水量和适宜生态环境需水量；步骤S2具体包括如下内容，

S21、利用用水量调查统计法或定额计算法计算社会经济需水量；

S22、以当地供水规则为准，对比采用7Q10法、最小连续30d平均流量法、流量百分数法和Tennant法的计算结果，或采用近10年最枯月平均流量法确定基本生态环境需水量；以当地供水规则为准利用Tennant法确定适宜生态环境需水量；

S23、利用保障率频率法计算航运需水量。

本实施例中，计算社会经济需水量包括两种方式，分别为：

1、利用用水量调查统计法计算社会经济需水量的具体过程为，

调查统计断面下游近10年分行业用水统计数据；

依据用水类型及方式，重点调查统计城乡供水、企业生产、农业灌溉及环境生态用水数据；

选取来水频率为75％的多个年份作为一般枯水年组，对各个行业，计算一般枯水年组中逐月平均用水量，作为该行业在一般干旱年份社会经济需水量；同时，选取来水频率为95％的多个年份作特枯水年组，对各个行业，计算特枯水年组中逐月平均用水量，作为该行业在特大干旱年份社会经济需水量。

2、利用定额计算法计算社会经济需水量的具体过程为，(采用定额计算法时，社会经济需水量计算参考GBT 51051-2014《水资源规划规范》)

根据规划水平年居民生活用水定额和人口发展预测成果计算生活需水量；

根据规划水平年工业用水定额及工业生产总值计算工业需水量；

根据规划水平年灌溉面积、种植结构、灌溉制度和灌溉利用系数计算灌溉需水量；

综合生活需水量、工业需水量和灌溉需水量，获取社会经济需水量。

生态需水量尽量以当地供水规则为准，参考《河湖生态环境需水计算规范(SL/Z712-2014)》，所述生态需水量包括基本生态环境需水量和适宜生态环境需水量。

本实施例中，在计算基本生态环境需水量时，可在7Q10法、最小连续30d平均流量法、流量百分数法、Tennant法等基础上，比较多种方法计算结果，合理确定基本生态环境需水量。应按下列规定执行：

1、对于长系列(n>30年)水文资料河流控制断面，采用流量历时曲线法、7Q10法或Qp法计算基本生态环境需水量；

2、对于缺乏长系列水文资料的河流控制断面，采用近10年最枯月平均流量法计算基本生态环境需水量。

3、应比较分析多种方法计算结果，合理确定基本生态环境需水量最小值。

本实施例中，适宜生态环境需水量可按照保护目标对应的生态环境功能维持在正常水平的需水量要求采取Tennant法进行计算；

利用Tennant法计算适宜生态环境需水量具体为，

其中，W

表1在河道内不同生境情况下推荐的河道流量百分比

本实施例中，航运需水量的计算参考《内河通航标准》(GB 40139-2014)，在不受潮汐影响和湖汐影响不明显的河段，采用保证率频率法计算确定通航水位。

三、计算各分期各级别的江河旱限水位(流量)

该部分对应步骤S3的内容，步骤S3中利用外包线法以及逐级控制、逐级叠加旱限水位(流量)法，计算各分期各级别的江河旱限水位(流量)；具体过程为，

S31、利用外包线法取生态需水量和航运需水量各分期(各月)的最大值；

W

其中，W

S32、利用获取的生态需水量和航运需水量各分期的最大值，使用逐级控制、逐级叠加旱限水位(流量)法，获取各分期各级别的江河旱限水位(流量)；

Q

其中，W

Z

其中，Z

四、计算各个预警分期的旱限水位(流量)

该部分对应步骤S4的内容，步骤S4中旱警(旱保)的水位(流量)分期的计算方式分别如下，

Q

Z

其中，Q

江河断面一般会划分为几个干旱预警分期，在同一预警分期内可能会有几个不同的旱限水位(流量)，此时取这些旱限水位中的最大值作为该分期的旱限水位(流量)。

五、判断计算获取的旱限水位(流量)的合理性

该部分对应步骤S5的内容，步骤S5具体包括如下内容，

S51、明确旱限水位(流量)分期(T1,T2…)，获得各分期的旱限水位(流量)；

S52、从长系列数据第一年开始遍历所有年份分期内的月流量，统计分期内流量低于旱限水位(流量)的年数n；

S53、获得分期实际流量低于河道旱限水位(流量)的重现期R；

其中，N为长系列流量资料的年数；旱限水位重现期与旱限流量重现期计算方法相同；

S54、判断获取的重现期R与历史上旱情出现的重现期是否吻合，若是，则表示确定的旱限水位(流量)合理；否则，则表示确定的旱限水位(流量)不合理。

通过重现期分析法以及历史干旱一致性分析法判断旱限水位(流量)的合理性，其中重现期分析法建议南方地区旱警水位(流量)10年一遇，旱保水位(流量)20年一遇；北方地区旱警水位(流量)5年一遇，旱保水位(流量)10年一遇。

实施例二

本实施例中，具体举例说明本发明的计算方法的实施过程。如图1所示，某水文站A下游沿河取水用户为一大型灌区，取水口位于河床底部，对断面水位没有要求。

结合河道特点，参考步骤S1的内容，本实施例中计算主要考虑河道的社会经济需水量、生态需水量和航运需水量。

结合步骤S2的内容，本实施例中，社会经济需水量的计算分别采用用水量调查统计法和定额法计算法得到灌区一般枯水年和特枯水年的逐月需水过程。从偏安全的角度考虑，对两种方法得到的用水量逐月取最大值得到综合需水量，作为旱限水位(流量)计算的基础。这两种方法计算获取的各月份的灌区抽水量如下表2。

表2灌区抽水量(m

生态需水量中以Tennant法计算河道适宜生态流量，20.1m

表3河道生态需水量(m

航运需水量的计算需要参考《内河通航标准》(GB 40139-2014)，不受潮汐影响和湖汐影响不明显的河段，采用保证率频率法计算确定通航水位。获取的各月份的河道航运需水量如下表4所示。

表4河道航运需水量(m

根据步骤S3，采用逐月累计的方法计算逐月旱警水位和逐月旱保水位，计算结果如下表5所示。

表5水文站A逐月旱警、旱保流量(m

根据步骤S4，综合考虑水文站A多年月平均降水量、径流量、水位，以及灌区用水量规律，对该水文站进行干旱预警分期，将一个水文年分为4个时期，3-5月为农业灌溉期，6-8月为主汛期，9-10月为汛末，11～次年2月为非汛期。采用分期内各月旱警(保)流量最大值作为分期旱警流量和分期旱保流量，结果如下表6所示。

表6水文站A分期旱警、旱保流量(m

根据步骤S5，采用重现期法进行旱限水位(流量)合理性分析。根据1961～2018年58年逐月流量资料统计，旱警流量中枯水期共有14年流量低于旱警流量，灌溉期有9年流量低于旱警流量，汛期有9年流量低于旱警流量，重现期在4-6年以内；旱保流量中枯水期共有7年流量低于旱保流量，灌溉期有6年流量低于旱保流量，汛期有6年流量低于旱保流量，重现期在8-10年以内。合理性验证的结果如下表7所示。

表7水文站A旱限流量合理性检验

通过采用本发明公开的上述技术方案，得到了如下有益的效果：

本发明提供了一种河道分级分期旱限水位或流量的计算方法，综合考虑江河断面的社会经济供水保障目标、生态环境保障目标和航运保障目标等主要用水需求，结合河道一定的设计来水过程，通过逐级控制、逐级叠加旱限水位(流量)及外包线法，对旱限水位(流量)进行分期，建立可以用于抗旱应急管理工作的水位等干旱特征指标，有效的解决了抗旱减灾指挥决策时机把握不准或应急响应过度的现象，建立河道水位等干旱特征指标体系，为抗旱指挥决策提供科学依据和技术支撑。

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，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视本发明的保护范围。