一种基于水资源高效利用的内陆湖泊水文节律优化设计方法与流程

本发明涉及生态补水方法研究，更具体的说是涉及一种基于水资源高效利用的内陆湖泊水文节律优化设计方法。

背景技术：

1、目前，随着人类经济社会活动大量挤占生态用水，加上全球变化影响，内陆湖泊的来水量逐年减少。现有的措施往往通过生态补水的手段维持湖泊的生态系统稳定。目前，已经有较多湖泊生态补水过程的确定方法，如从湖泊的水文或生态指标出发，维持固定水面、固定水位、固定水量、生物栖息数量和密度等量化补水目标，确定湖泊的生态补水量。其中，对于水量型缺水以维持一定的湖泊水面面积为生态管理目标的湖泊，一般通过水量损失法、最小水位法、水量平衡法、年保证率法、变化速率法对湖泊进行生态补水，确定湖泊水位或面积需要补充到的位置，而后通过损失水量与入湖水量进行相关计算，确定生态补水量。对于过程型缺水以维持系统的正常生态环境功能为管理目标的湖泊，一般通过生境分析法、生态水位法、系统扰动法、服务价值法和脆弱评估法进行生态补水，其中需考虑生境内生物需水量。对于水质型缺水的湖泊以改善湖泊水质为管理目标，一般量质耦合法、换水周期法和物质平衡法，计算湖泊的需水量进行生态补水，达到改善湖泊水质的目的。然而，内陆湖泊生态补水的最大限制性因素仍然是水资源量不足，上述方法对水资源的利用效率考虑不足。

2、因此，如何基于单位补水量损失系数最小定量化表征生态补水利用效率，进而提出一种基于水资源利用率最大的内陆湖泊水文节律优化设计方法，为内陆湖泊生态补水过程设计提供支撑是本领域技术人员亟需解决的问题。

技术实现思路

1、有鉴于此，本发明提供了一种基于水资源高效利用的内陆湖泊水文节律优化设计方法，以解决背景技术中存在的问题。

2、为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

3、一种基于水资源高效利用的内陆湖泊水文节律优化设计方法，包括：

4、收集内陆湖泊及其汇水区域水文气象数据；

5、对所述内陆湖泊及其汇水区域水文气象数据，进行水文频率分析，确定典型年；

6、确定典型年湖泊水面状况、周边水位埋深及冻融过程；

7、对湖泊水面期水位-蒸发关系分析，得出水面期单方补水量蒸发率变化曲线，确定水面期水位；

8、利用湖泊水面期与结冰期之间的过渡期水位-蒸发关系，得出过渡期单方补水量蒸发率变化曲线，确定过渡期水位；

9、根据湖泊结冰期水位-蒸发关系，得出结冰期单方补水量蒸发率曲线，确定结冰期水位；

10、基于水面期水位、过渡期水位、结冰期水位，确定内陆湖泊生态水文节律。

11、可选的，所述收集内陆湖泊的相关数据，包括水位-库容-面积曲线数据；通过当地的蒸发站点收集典型年的蒸发实测数据资料；通过国家气象数据网、当地气象站收集典型年的太阳辐射、气温、风速、空气湿度和降雨资料；通过自美国国家冰雪数据中心下载modis数据。

12、可选的，确定典型年包括选择内陆湖泊固定时间段内的降雨量数据系列，进行水文频率分析，选择丰、平、枯3种典型年，丰水年选取10％，平水年选取50％，枯水年选取90％。

13、可选的，所述分析典型年湖泊水面状况、周边水位埋深及冻融过程的具体过程为：

14、通过收集某地区的多年气象数据、水文数据与人类活动记录，结合水位-面积曲线，分析湖泊的水面状况；

15、通过政府或相关部门设立的水位观测井和监测站获取准确的水位埋深数据；

16、湖泊冻融过程根据气象数据、水文数据，分析湖泊的结冰期与融冰期，通过遥感获取历年的湖泊结冰期遥感影像，根据阈值法提取湖泊水面面积。

17、可选的，确定水面期水位的具体过程为：

18、基于水量损失法，在湖泊的水面期时，考虑补水量单方水的水资源利用效率最高，计算湖泊的水量损失量，计算水面期的补水量，将补水量与库容量的比值作为水资源利用效率系数，绘制水面期单方水补水量蒸发率变化曲线，找到湖泊水面期的水资源利用效率最高处的库容，利用水位-库容关系确定水面期的湖泊水位。

19、可选的，确定过渡期水位的具体过程为：

20、当湖泊的冰面与水面面积比大于1/10时，通过modis数据，对湖泊进行水面提取，通过阈值法提取湖泊的水面面积与冰面面积，利用蒸发公式，计算水面蒸发量与冰面蒸发量，在湖泊的过渡期时，考虑补水量单方水的水资源利用效率最高，计算湖泊的水量损失量，计算过渡期的补水量，将补水量与库容量的比值作为水资源利用效率系数，绘制过渡期单方水补水量蒸发率变化曲线，找到湖泊过渡期的水资源利用效率最高处的库容，利用水位-库容关系确定过渡期的湖泊水位。

21、可选的，确定结冰期水位的具体过程：

22、当湖泊的冰面与水面的面积比大于9/10时，在湖泊的结冰期时，考虑补水量单方水的水资源利用效率最高，计算湖泊的水量损失量，计算结冰期的补水量，将补水量与库容量的比值作为水资源利用效率系数，绘制结冰期单方水补水量蒸发率变化曲线，找到湖泊结冰期的水资源利用效率最高处的库容，利用水位-库容关系确定结冰期的湖泊水位。

23、可选的，确定内陆湖泊生态水文节律的具体过程为：

24、考虑湖泊的水面期、过渡期与结冰期，结合蒸发公式、水动力模型，计算湖泊在各个时期的补水量单方水的蒸发速率曲线，得到湖泊各个时期的水资源利用效率最高的库容，根据水位-库容曲线，得到各个时期的水位，确定水资源利用效率最高的内陆湖泊的生态水文节律。

25、可选的，所述计算湖泊的水量损失量的方法如下：

26、

27、式中，ew为蒸发强度，mm；为第n月份湖泊水面蒸发面积，m2；为第n月份湖泊冰面蒸发面积，m2；ep为湖泊周边植物的蒸腾速，mm；为第n月份植被蒸发面积，m2；w为湖泊渗漏量，m3。

28、可选的，湖泊的补水量的计算公式如下：

29、v＝q-p；

30、式中，q为湖泊的水量损失量，m3；p为湖泊的水面降雨量，m3；

31、其中，降雨量p的计算公式为：

32、

33、式中，k为单位换算系数；aw为选取的水面面积，m2；pn为第n月降水量，mm；为第n月份湖泊水面蒸发面积，m2；。

34、经由上述的技术方案可知，与现有技术相比，本发明公开提供了一种基于水资源高效利用的内陆湖泊水文节律优化设计方法，包括：收集内陆湖泊及其汇水区域水文气象数据；对所述内陆湖泊及其汇水区域水文气象数据，进行水文频率分析，确定典型年；分析典型年湖泊水面状况、周边水位埋深及冻融过程；湖泊水面期水位-蒸发关系分析，得出水面期单方补水量蒸发率变化曲线，确定水面期水位；湖泊水面期与结冰期之间的过渡期水位-蒸发关系分析，得出过渡期单方补水量蒸发率变化曲线，确定过渡期水位；湖泊结冰期水位-蒸发关系分析，得出结冰期单方补水量蒸发率曲线，确定结冰期水位；基于水面期水位、过渡期水位、结冰期水位，确定内陆湖泊生态水文节律。本发明充分发挥河湖生态系统自我调节功能，生态补水过程遵循生态水文过程，充分利用已有水资源，在符合生态水文过程满足生态需求的情况下，以补水后的单方水的蒸发量最小为目标，计算生态补水量，提高水资源的利用率，水资源利用效率提高，湖泊水量的损失率减少，得到内陆湖泊生态水文节律，进而便于湖泊的生态目标管理，既达到湖泊的生态效益，又可达到水资源的高效利用，并促进湖泊生态系统的可持续发展。

技术特征：

1.一种基于水资源高效利用的内陆湖泊水文节律优化设计方法，其特征在于，包括：

2.根据权利要求1所述的一种基于水资源高效利用的内陆湖泊水文节律优化设计方法，其特征在于，所述收集内陆湖泊数据，包括水位-库容-面积曲线数据；通过当地的蒸发站点收集典型年的蒸发实测数据资料；通过国家气象数据网、当地气象站收集典型年的太阳辐射、气温、风速、空气湿度和降雨资料；通过自美国国家冰雪数据中心下载modis数据。

3.根据权利要求1所述的一种基于水资源高效利用的内陆湖泊水文节律优化设计方法，其特征在于，确定典型年包括选择内陆湖泊固定时间段内的降雨量数据系列，进行水文频率分析，选择丰、平、枯3种典型年，丰水年选取10％，平水年选取50％，枯水年选取90％。

4.根据权利要求1所述的一种基于水资源高效利用的内陆湖泊水文节律优化设计方法，其特征在于，所述分析典型年湖泊水面状况、周边水位埋深及冻融过程的具体过程为：

5.根据权利要求1所述的一种基于水资源高效利用的内陆湖泊水文节律优化设计方法，其特征在于，确定水面期水位的具体过程为：

6.根据权利要求1所述的一种基于水资源高效利用的内陆湖泊水文节律优化设计方法，其特征在于，确定过渡期水位的具体过程为：

7.根据权利要求1所述的一种基于水资源高效利用的内陆湖泊水文节律优化设计方法，其特征在于，确定结冰期水位的具体过程：

8.根据权利要求1所述的一种基于水资源高效利用的内陆湖泊水文节律优化设计方法，其特征在于，确定内陆湖泊生态水文节律的具体过程为：

9.根据权利要求7所述的一种基于水资源高效利用的内陆湖泊水文节律优化设计方法，其特征在于，所述计算湖泊的水量损失量的方法如下：

10.根据权利要求8所述的一种基于水资源高效利用的内陆湖泊水文节律优化设计方法，其特征在于，湖泊的补水量的计算公式如下：

技术总结
本发明公开了一种基于水资源高效利用的内陆湖泊水文节律优化设计方法，涉及生态补水方法研究技术领域，包括：收集内陆湖泊及其汇水区域水文气象数据；对所述内陆湖泊及其汇水区域水文气象数据，进行水文频率分析，确定典型年；分析典型年湖泊水面状况、周边水位埋深及冻融过程；基于水面期水位、过渡期水位、结冰期水位，确定内陆湖泊生态水文节律。本发明在符合生态水文过程满足生态需求的情况下，以补水后的单方水的蒸发量最小为目标，计算生态补水量，提高水资源的利用率，水资源利用效率提高，湖泊水量的损失率减少，得到内陆湖泊生态水文节律，进而便于湖泊的生态目标管理，既达到湖泊的生态效益，又可达到水资源的高效利用，并促进湖泊生态系统的可持续发展。

技术研发人员：龚家国,叶惠强,常紫倩,尚毅梓,冶运涛,李泽林,赵建勋
受保护的技术使用者：中国水利水电科学研究院
技术研发日：
技术公布日：2024/12/5