随机流量历时曲线及其在生态流量计算中的应用

河流生态流量是生态水文研究的重要部分,其相关理论和计算方法一直是当前国内外学者研究的热点。尝试基于随机流量历时曲线计算河流系统的生态流量,给出了维持河流生态系统健康各等级流量的历时或频率,并进而估算生态需水,为流域水资源的合理配置提供参考。以松花江干流8个断面为例,研究结果表明,在随机流量历时曲线上基于Q97,10估算得到的最小生态需水量与7Q10法所得到的需水量数值接近且相关性好,而基于保证率P=75%的随机流量历时曲线可求得河道的适宜生态需水量。研究区内嫩江流域大赉断面以上河段最小生态需水量、适宜生态需水量分别为4.6亿m3和99.1亿m3,约占总水资源量的2.6%和56.2%;松花江下游佳木斯控制断面以上河道最小生态需水量、适宜生态需水量分别为79.1亿m3和388.9亿m3,约占总水资源量的13.4%和65.7%。

利用区域流量历时曲线模拟东江流域无资料地区的日径流过程

根据流量值与流域空间特征值之间的相关关系来构建区域化流量历时曲线,以流量历时曲线取代常规的流量过程作为流域降雨径流模型参数优化的目标函数,分析该方法的可行性与模拟精度。由东江流域中的11个子流域所组成的研究区域能得到精度良好的区域化流量历时曲线,以TOPMODEL模型作为流域降雨径流模型,用区域化流量历时曲线作为优化目标函数,验证流域星丰和岳城的计算结果表明该方法是可行的,能得到较为满意的模拟精度,可以将该方法应用于广大的无资料地区推求日径流过程。

基于改进区域化流量历时曲线的无资料地区径流模拟

台湾成功大学游保杉教授等人创造性地采用区域化流量历时曲线率定法,利用所推求的区域化流量历时曲线作为水文模型的拟合目标,率定无资料地区的参数,实现了无资料地区径流模拟。作为该法应用的关键,区域化流量历时曲线精度直接关系到模型率定的精度。研究通过趋势拟合对推求的流量历时曲线在形态上进行校正且利用量级调整对曲线的量级大小进一步进行调整,逐步改进区域化流量历时曲线。以此,提高了区域化流量历时曲线率定法的精度,较好地实现了无资料地区日径流过程模拟。

流量历时曲线转移法在河流生态环境需水量计算中的应用

对于生态资料缺乏的河流可用水文学法计算其生态环境需水量,然而有关水文学法的研究主要集中在河流生态环境需水量总量的计算上,对河流生态环境需水量的分配计算不够深入且计算中都没有考虑河流的环境管理级别。为了解决这一问题,采用流量历时曲线转移法(FDCSM)对辽河干流铁岭站处不同环境管理级别下的生态环境需水量进行年内分配计算,并用Tennant法对FDCSM法的计算结果进行评价。结果表明:应用FDCSM法计算得到辽河干流铁岭站处六个不同环境管理级别(A、B、C、D、E、F)下河流的逐月生态环境流量,合计得到生态环境需水量,需水量由大到小分别为17.08×108m3·a-1、10.54×108m3·a-1、6.87×108m3·a-1(适宜)、4.50×108m3·a-1(最小)、2.89×108m3·a-1、1.83×108m3·a-1。Tennant法评价结果表明:FDCSM法与Tennant法对铁岭站河流生态环境需水量计算结果一致,证明该法可用于北方季节性河流的生态环境需水量计算。

基于熵理论流量历时曲线的生态流量变化分析--以1961-2012年黄河流域径流为例

对黄河流域流量和生态流量进行研究,可为黄河流域的水资源科学管理和可持续发展提供科学依据和理论基础。基于黄河流域10个主要水文站的流量观测数据(1961~2012年),利用基于经验的流量历时曲线和基于熵理论的流量历时曲线对径流变化进行了系统分析,进一步估算了生态流量的变化。结果表明:①52 a间黄河流域年径流呈下降趋势。②与基于经验的流量历时曲线相比,基于熵理论的流量历时曲线具有灵活性和一定的统计基础,能够较好地呈现该流域的流量历时及频率变化,进而估算生态流量。③20世纪90年代之后,黄河流域各水文站点生态流量呈现总体减少的趋势,该趋势会在一定程度导致各水文站地区生态环境的恶化,影响流域的生态功能。

金沙江下游梯级水库运行后水文情势变化分析—基于流量历时曲线的生态流量指标

为评价金沙江梯级水库联合调度对下游的影响,以屏山水文站1951~2011年的实测逐日流量序列为基础,通过梯级水库联合调度运行模拟得到模拟调度逐日流量数据,采用基于流量历时曲线的生态流量指标法(eco-flow metrics)对比调度前后水文情势变化特征,分析金沙江梯级水库联合调度在长系列、丰平枯典型年以及自然四季中对生态水文过程的影响。同时对比通过变动范围法(Range of Variability Approach, RVA)分析水文情势得到的结果,讨论生态流量指标法的适用性。结果表明,金沙江梯级水库运行会对水库下游水文情势的产生较为显著的影响,主要体现在低流量以及枯水期的变化之上;生态流量指标和RVA在水文情势分析结果上具有一定的相似性,两者结合一起可以更好地分析水文情势的变化。

流量历时曲线法在年径流计算中的应用

本文针对目前在设计年径流计算中,对从河道直接引水或调节能力较低的蓄水工程设计,采取通常的“典型年”分配方法进行计算已不适应的情况,提出了应采用“流量历时曲线法”。

无资料地区不同时间尺度下流量历时曲线推演及其规律分析

为发展流域水文相似与分类理论,提高无资料地区的水文预测水平,以渭河流域支流8个代表性水文站为研究对象,利用建模FDC参数比较(M-FDC-P)方法进行日径流序列模拟,通过均方根误差(RMSE)、纳什效率系数(NSE)确定最佳模型和模型的最优参数,分析不同时间尺度下经验流量历时曲线(FDC)的模型参数之间的相关关系。主要研究结果如下:①不同时间尺度下经验FDC随着时间尺度变大而趋于平坦,且当时间尺度在1 d到30 d时,经验FDC非常相似,当时间尺度大于90 d时,经验FDC会出现明显的差异;②基于RMSE和NSE量化值,当时间尺度在1 d到30 d时,Gamma分布拟合效果最好,其次是对数正态分布,最差的是指数分布,因此本文选择Gamma分布作为日径流模拟的最优概率分布;③Gamma分布的三个参数在1~30 d不同时间尺度上具有明显的相关性,且随着时间尺度的增大,相关性逐渐变差,其中参数c的相关性最好,参数a和b的相关性较弱。结果表明,采用特定概率分布进行大时间尺度FDC建模时,可以通过流量分布的内在联系得到日径流过程,用于估计无资料地区的日径流过程。研究成果可为无实测数据区域的水利工程规划提供参考,特别是渭河流域。

基于信息熵理论的大通水文站流量历时曲线计算

基于信息熵理论,计算了大通水文站的流量历时曲线。利用两个简单约束方程对流量历时曲线进行建模,运用概率总和与平均流量以及约束方程推导最大熵获得曲线参数,最终确定了流量历时曲线。通过对大通控制站观测到的流量数据进行验证,发现基于信息熵理论得到的流量历时曲线与观测到的曲线一致。自2003年三峡工程建设投运以来,大通水文站观测到的均值流量和最大流量趋势发生了变化,却未发现均值与最大值的比值存在显著差异。在此期间,其表征分布形态的熵参数也并未发生显著变化。

一种计算多属性生态流量的改进FDC法

为解决生态流量标准的空间移植性、逐月和年际变异性和分级性4个属性问题,提出了一种基于FDC的改进方法。该方法基于月均流量系列的特定保证率将所有年份逐月进行丰、平、枯水年分组,基于总历时法和逐年组、逐月份的日均流量系列构建FDC,取50%,90%历时点流量作为生态流量的最优上限值和最小值,最小到最优上限之间的各级生态流量根据改进的Tennant等差数量分级思想确定。以汉江为例,将计算结果与Tennant法、改进Tennant法、7Q10法、90%保证率最枯月流量法、近10 a最枯月平均流量法、逐月最小生态径流法、最小月平均法、Q_(90)法、改进Q_(90)法、Q_(97,10)法和生态监测成果进行了对比分析。结果表明,改进FDC法的生态流量标准优于传统水文学法且十分合理,其空间移植性、时间变异性和栖息地条件的分级性都得到了充分体现,同时也避免了极端流量事件和年内分配不均的影响。

负荷历时曲线在流域水质特征分析中的应用

介绍了负荷历时曲线(LDC)的概念和建立方法,以及针对不同水质标准时,LDC应用于水质评价、关键水质条件和主要污染机制判断、现状及允许负荷通量估算等问题的分析。结合国外已有案例,并以洱海弥苴河流域作为典型研究区域,分别探讨了不同水质限制要求下,运用LDC具体分析和解决各类水质问题的方法。结果表明,LDC包含众多水质特征信息,可以在较少数据信息条件下,合理分析各类水环境问题,从而为流域水环境管理提供可靠决策依据。

历时曲线法在TMDL计划中的应用

联系美国的TMDL计划，系统介绍了历时曲线法内容及其在TMDL计划中的具体应用，分析了历时曲线法的优缺点，指出历时曲线法是一种非常有用的水质管理工具，可以代替水质模型应用到水环境管理工作中。也可以与水质模型联用，适用于我国水环境总量控制工作。

基于改进FDC法的小水电生态流量计算与生态调度研究

中小河流上的小水电在蓄水发电发挥经济效益的同时也会对环境产生一定的影响。为避免下游出现减脱水情况,小水电的生态流量计算和生态调度研究显得尤为重要。选取杨溪河上的横溪引水式水电站为例,运用降雨-径流深关系计算径流量,同时应用改进的流量-历时曲线(FDC)法计算丰、平、枯水年的生态流量,并进行生态调度研究。结果表明:依据韶关站的降雨-径流深关系,能够较为准确地求得横溪水电站的径流量;无调度情况下,横溪水电站的来水量在不同来水年均不能完全满足根据改进FDC法计算得到的生态流量要求;改进FDC法具有一定的推广适用性和合理性;通过生态调度后,横溪水电站不同来水年的过坝流量均能满足水生生态需求,而且能够使发电效益最大。研究可为促进水能的可持续开发、高效平衡发电效益与生态效益以及中小河流的健康管理提供参考。

青海湖流域50年来(1956-2007年)河川径流量变化趋势——以布哈河和沙柳河为例

通过对青海湖流域布哈河和沙柳河50年来的河川径流量分析发现,布哈河和沙柳河年径流量50年来没有显著的变化趋势,这两条河流的河川径流量对青海湖水位下降所起的作用不明显;布哈河月平均流量的年际变化在1月、2月和3月有减少的趋势,沙柳河月平均流量的年际变化在1月、2月、4月和5月亦有减少的趋势;布哈河的径流量大于沙柳河的径流量,在55%-91%频率范围内,布哈河的径流量小于沙柳河的径流量,在其它频率范围内,布哈河的径流量显著大于沙柳河的径流量,在一年中,布哈河和沙柳河的月径流量具有显著的差异;布哈河来水丰沛期是20世纪60年代,贫乏期是90年代,70和80年代为平水期;沙柳河月径流量从20世纪60年代到90年代一直比较稳定,没有发生显著的变化.

厄瓜多尔流域综合规划适宜生态流量研究

在厄瓜多尔水资源管理工作中,生态流量管控尚未被应用于具体实践。为此,参考中国的水资源保护管理经验,将生态流量管控作为水资源保护的重要手段引入厄瓜多尔流域综合规划中。在对生态流量发展历史、计算方法和应用情况进行系统总结和分析的基础上,根据厄瓜多尔基础资料现状情况及管理要求,在制定水资源保护规划时,确定了212个生态流量控制断面,并应用Tennant法和流量历时曲线法计算了各控制断面的生态流量。

基于概率加权FDC法的河流生态需水量计算

基于河流流量过程的年内和年际变化特性,提出了一种计算河道内生态需水量的概率加权FDC(流量历时曲线)方法。该方法基于年均流量系列和逐月月均流量系列的特定频率,将年均流量系列和逐月月均流量系列划分为丰、平、枯组,通过建立年月丰枯遭遇的Copula联合分布函数,求得不同典型年下各月丰平枯的条件概率,将其作为概率权重,得到不同典型年生态需水过程的计算公式,改进了FDC法,计算出了丰、平、枯典型年的年内生态需水过程。以屏山站为例,将计算结果与Tennant法、逐月最小生态径流法、年内展布法和改进FDC法进行了对比分析。计算结果表明:由此方法得到的生态流量在Tennant法评价体系中,能很好的满足河道的生态需水要求,且较好地体现了河流径流的年内及年际变化过程,符合实际情况。

白洋淀上游河流生态流量确定研究

由于人类活动过度干扰,白洋淀上游河流出现下垫面条件改变、天然水量减少、水体污染等问题,采用环境流量历时转移曲线法,基于不同河段面临的胁迫程度,确定白洋淀上游河流的生态流量,提出生态流量的保障思路。研究表明:综合考虑流域内水功能区划、河流受胁迫程度等情况,将大清河上游河流分为5个胁迫类型区,其中中易水河和南拒马河目前受胁迫程度最大,需要更多生态流量来维持河流基本生态功能。

水文变异下湄公河河道生态流量评估

河流自然的水文情势是生态流量评估的重要参考,然而气候变化和人类活动影响下河流水文序列往往发生变异。因此,重点考虑湄公河径流年内分配变异,结合流量历时曲线移动法面向不同河流环境管理目标的生态流量进行评估。结果表明,湄公河干流清盛、琅勃拉邦站在2008年发生变异,廊开站于2012年发生变异,巴色、上丁站在2006年发生变异。维持最优生态条件管理目标所需生态流量占年均流量的72%~80%,实现保护河流生态系统基本功能目标所需生态流量占年均流量的33%~49%。水文变异后EMC-A、EMC-B等级生态流量满足率具有旱季增加、雨季下降的变化特征,EMC-C~EMC-F等级变化不明显。研究结果对于湄公河流域跨境水资源管理和生态保护具有参考价值。

区域流量历时曲线构建及其不确定性分析

根据流量值与流域空间特征的相关关系来构建区域流量历时曲线,对由东江流域中的13个子流域所组成的区域研究发现,各个指定相对历时下的流量值与流域面积和坡度的幂函数相关关系较好。运用Jack-knife检验方法验证所得到的区域流量历时曲线模拟结果,有9个站的确定性系数达0.95以上,尤其在非洪水和非枯水部分拟合精度较高。利用Bootstrap重抽样方法对所得到的区域流量历时曲线进行不确定性分析,发现其不确定性范围较小,且大多数区间对实测值和由系数均值得到的合成流量历时曲线包含得较好。表明采用本文所建议的方法可以得到精度良好的区域流量历时曲线,并可将其推广到广大的无实测流量资料地区。

贵州近50年来的径流过程时空演变特征及驱动因素诊断

本文以贵州10个径流站覆盖近50年的实测月径流资料（1956～2000）及19个气象站同期实测资料为基础，结合Mann-Kendall趋势分析和流量历时曲线FDCs等方法，分析了时间变异点（1986年）前后贵州8大主要流域的径流过程的年度和季节变化、洪枯水变化规律及其演变的空间特征。结果表明：（1）从时间规律上看，贵州主要江河近50年间径流变化大部分测站呈现小幅增加趋势，个别下游水文站径流呈明显增加趋势；（2）1987～2000年期间贵州的汛期径流和1956～1986年期间相比更加集中了；（3）贵州大多数水文站月径流洪水指标（Q5）在1986年后有不同幅度增加，而枯水指标（Q95）1986年后涨跌互现。与之对应的洪水指数（Q5／Q50）及枯水指数（Q95／Q50）也存在类似规律；（4）从空间规律上看，贵州西北部地区和东南部地区径流减少，其它地方（主要集中在乌江上游）增加。责州1986年前后近50年时期内的降水及蒸发的空间规律与其径流变化空间规律是基本吻合的，说明贵州过去近50年来的径流过程变化主要是由气候变化引起的。本文的研究结果对保证并促进贵州地区区域水资源、生态与环境和谐健康的可持续发展具有非常重要的战略意义和科学价值。