[发明专利]一种基于河流整体健康的生态环境需水阈值量化方法

权利要求书

1.一种基于河流整体健康的生态环境需水阈值量化方法，其特征在于，包括以下步骤：

1).构建评价模型，从河流生态系统功能的角度构建河流健康评价指标体系，确定评价标准，运用层次熵分析法确定指标权重，构建河流健康状况可变模糊集评价模型；

2).建立因果关系图，对河流健康评价指标进行归类，采用系统动力学模型，建立生态子系统、水文子系统、水环境子系统和社会经济子系统的影响河流健康状况的因果关系图，反映经济社会因素与水质水量的响应关系和生物多样性、生境条件与河流健康状况的耦合关系；

3).构建耦合模型，将可变模糊集评价模型嵌入常规系统动力学模型中，构建系统动力学-可变模糊集耦合模型，用于模拟预测河流健康状况各项评价指标的特征值对河流健康级别的相对隶属度及河流健综合指数；

4).模型应用，首先，对构建的系统动力学-可变模糊集耦合模型进行结构分析，验证模型包含的相关变量、方程能够用来描述流域“自然-经济-社会”复合系统的基本情况；然后以流域历史资料为依据，将模型涉及的各项指标的运行结果与历史资料进行比较，验证模型是否能够有效的代表实际情况；根据河流的流量对河流健康状况动态模拟，展示不同流量情景下河流健康动态变化过程，识别流量变化引起的连锁反应及对河流整体健康状况的影响，对耦合模型进行验证，是否能够有效的代表实际情况；

5).建立流量与河流健康综合指数之间的非线性函数关系，采用未知拐点阈值判定方法，测定基于河流整体健康的生态环境需水阈值的上限值与下限值，保障河流健康水平处于正常状态。

2.根据权利要求1所述的基于河流整体健康的生态环境需水阈值量化方法，其特征在于，所述的步骤1)中构建河流健康评价指标体系是，在收集国内外河流健康评价相关数据的基础上，理论和频度相结合，构建河流健康综合评价指标体系；在国内外各评价指标等级标准的基础上，综合确定指标等级标准，将指标的评价标准划分为五个等级，分别为“健康、亚健康、脆弱、病态和恶劣”；采用层次熵分析法来确定河流健康状况评价指标的权重，提高权重系数的准确性和客观性；选用可变模糊集，构建河流健康状况可变模糊集监测模型。

3.根据权利要求1所述的基于河流整体健康的生态环境需水阈值量化方法，其特征在于，所述的步骤2)建立因果关系图，对影响用水的因素进行测量，确定系统边界，将影响因素的状态变量、速率变量和辅助变量分类，对河流健康评价指标体系进行归纳分为水文、水环境、水生态及社会经济四个子系统，其中：(1)、社会经济子系统，是在“二元”水循环模式下，通过从地表或地下提取天然水，经过给水处理以后，经输配水工程输送到用水户，用水户包括农村生活用水部门、城镇生活用水部门、工业用水部门和农业用水部门，经用水户使用，农村生活污水和农业废水直接排入河道，工业废水及城镇生活污水经污水处理厂处理以后排入河道，对循环水量及污染物的核算进行处理，生活用水量由人口数及生活用水及生活用水定额联合确定，工业用水量由工业产值和工业用水定额联合确定，农业用水量由农田灌溉面积和灌溉用水联合定额确定，农村生活污水及农业废水入河量由对应的用水量及入河系数联合确定，城镇生活污水及工业废水入河量由对应的用水量、污水处理率及入河系数联合确定，污染物入河量由污水入河量及对应实测或达标的污染物浓度联合确定，水资源开发利用率则由社会经济用水总量及当地水资源总量联合确定；(2)、水文子系统，人类对水资源的开发利用改变了河流原有的水循环过程，人类从河流中过量地抽取水量，经社会水循环以后将回归水再次排入河道，河流非常规水源补给特性明显，河流流量由天然径流和回归污水组成：(3)、水环境子系统，生活污水、工业废水中含有污染物，农业废水中含有农药、化肥，造成水体的富营养化和水体污染，水体中的污染物浓度由河流水体污染物的本底值、回归水的污染物浓度及污染物综合削减系数联合确定；(4)、水生态子系统，人类社会经济大量取水、用水和耗水，导致河流生态系统自身预留的水量不断减少的同时，又给河流带来相应的污染物，对自然水循环造成很大的影响，产生强烈的环境效应，对水生生物的栖息环境造成严重的破坏，利用水质水量与水生生物多样性的响应关系，统计监测植被覆盖率及河岸带稳定性随时间的变化趋势，依据河流健康因素间因果关系及系统动力学流图，建立子系统各因素间的系统动力学方程，二元水循环驱动下的“自然-经济-社会”复合系统既包含常规社会经济系统的状态(L)方程、速率(R)方程和辅助(A)方程，二元水循环过程中的水资源、水环境、水生态的专业(M)方程；采用近似或简化的方法对数学表达式进行修正处理，将修正后的函数关系用数学方程表达出来，对于不能建立函数关系的，则采用表函数的形式表示变量随时间的不规则变化，方法是：

社会经济子系统：a.生活用水量计算：总人口

TP＝TPIV×(1+NRPG) 式(1)

式中，TP为总人口，人；TPIV为人口初始值，人；NRPG为人口自然增长率；

人口自然增长率

NRPG＝NRPG<Time> 式(2)

城镇人口＝总人口×城镇化率

UP＝TP×UR 式(3)

式中，UP为城镇人口，人；UR为城镇化率

城镇化率

UR＝UR<Time> 式(4)

农村人口

RP＝TP-UP 式(5)

城镇生活用水量

W_Cy＝UP×QUDWC 式(6)

式中，W_Cy为城镇生活用水量，m³；QUDWC为城镇生活用水定额，L/人·d，

农村生活用水量

W_Ns＝RP×NRDWC 式(7)

W_Ns为农村生活用水量，m³；NRDWC为农村生活用水定额，L/人·d；

b.农业用水量计算：

农业用水量

W_Ny＝EIAF×WQFI 式(8)

式中，W_Ny为农业用水量，m³；EIAF为农田有效灌溉面积，亩；WQFI为农田灌溉用水定额，单位为m³/亩；

c.工业用水量计算：

工业产值

IO＝IVIO×GRIVO 式(9)

式中，IO为工业产值，万元；IVIO为工业产值初始值，万元；GRIVO为工业产值增长率；

工业产值增长率

GRIVO＝GRIVO<Time> 式(10)

工业用水量

W_Gy＝IO×WQIVO 式(11)

式中，W_Gy为工业用水量，万元；WQIVO为工业产值用水定额，m³/万元；

d.水资源开发利用率：

WRDUR＝SEWC/YAWR 式(12)

式中，WRDUR为水资源开发利用率，SEWC为社会经济用水量，m³；YAWR为多年平均水资源量，m³；

社会经济用水量

SEWC＝W_Cy+W_Ns+W_Ny+W_Gy 式(13)

式中，SEWC为社会经济用水量；

亲水景观舒适度

HLC＝HLC<Time> 式(14)

式中，HLC为亲水景观舒适度；

水文子系统：

断面径流量：

根据水量平衡方程建立控制断面径流量计算方程：

Q_m＝Q_j+Q_w+Q₁-ξ(Q_j+Q_w+Q₁) 式(15)

式中，Q_m为控制断面径流量，m³/s；Q_j为天然径流量，m³/s；Q_w为本河段污水入河量，m³/s；Q₁为上游来水量，m³/s；ξ为水体水量消耗系数；

污水入河总量

W_m＝W_Sew+W_Arg+W_Rural 式(16)

式中，W_m为污水入河量，m³；W_Sew为污水处理厂出水入河量，m³；W_Arg为农业污水入河量，m³；W_Rural为农村生活污水入河量，m³；

农业污水入河量

W_Arg＝W_Nyμ_Arg 式(17)

式中，W_Ny为农业用水量，m³；μ_Arg为农业污水入河系数；其它

农村生活污水入河量

W_Rural＝W_Nsμ_Rural 式(18)

式中，W_Ns为农村生活用水量，m³；μ_Rural为农村生活污水入河系数；其它符号同上；

污水处理厂入河水量

W_Sew＝(W_Gy+W_Cy)ημ_Sew 式(19)

式中，W_Gy为工业用水量，m³；W_Cy为城镇生活用水量，m³；η为污水处理率，无量纲；μ_Sew为集中处理污水入河系数，根据污水处理厂污水排放口到入河排污口的距离，确定入河系数，取值范围为0.6～1.0；

e.污染物入河总量计算：

W_p＝W_p-Sew+W_p-Argμ_Arg+W_p-Ruralμ_Rural 式(20)

式中，W_p为污染物入河量，单位：吨；W_p-Sew为污水处理厂污染物入河量，单位：吨；W_p-Arg为农业面源污染物入河量，单位：吨；W_p-Rural为农村生活污染物入河量，单位：吨；

农业面源污染物入河量

基于农业非点源田间产污模型，可得农业非点源污染物入河量：

W_p-ArgCOD＝3.2899lnW_Ny-0.8397 式(21)

W_p-Arg氨氮＝1.0264lnW_Ny-0.2233 式(22)

W_p-ArgCOD和W_p-Arg氨氮分别为农业用水户COD和氨氮的污染物量，单位：吨；

农村生活污染物入河量

W_p-Rural＝W_NyC_Ny 式(23)

式中，C_Ny为农村生活污水污染物排放浓度，mg/L；

污水处理厂污染物入河量

W_p-Sew＝W_SewC_Sew 式(24)

式中，C_Sew为污水处理厂污染物出水浓度，mg/L；

水质水量耦合方程

根据物质平衡理论，建立零维水质模型，即：

Q_mC_m＝Q₁C₁+W_p-β(Q₁C₁+W_p) 式(25)

式中，C_m和C₁分别为河流控制断面污染物浓度和上游来水污染物浓度，mg/L；Q₁为上游来水量，m³/s；β为污染物综合削减系数，数值采用流量及监测点污染物浓度进行率定得出；

水生态子系统

河岸带植被覆盖率

VCPRZ＝VCPRZ<Time> 式(26)

式中，VCPRZ为河岸带植被覆盖率；

河岸稳定性

RS＝RS<Time> 式(27)

式中，RS为河岸稳定性；

水系连通性

DC＝DC<Time> 式(28)

式中,DC为水系连通性；

建立生物多样性与流量及水质之间的对数关系模型，即：

式中，a为底数，Y为生物多样性指数，b为常数，Q为流量，m³/s；c为流量系数，C_i为第i个水质因子浓度，mg/L；d_i为第i水质因子浓度系数；

以河流生物多样性的数据及河流水质水量的推导数据为基础，采用IBMSPSSStatistics21软件分别将水质因子COD、氨氮与径流量作为自变量，将生物多样性指数作为自变量输入进行回归分析和逐步回归分析，确定它们之间的相关性，得到生物多样性指数与水质水量因子之间的回归模型：

lnH_zoob＝0.266-0.697lnC_氨氮(R²＝0.814；P＝0.008) 式(30)

式中，H_zoob为底栖动物多样性指数，C_氨氮为氨氮浓度，mg/L，R为复相关系数，表示自变量与因变量之间的相关程度，R²越大表明自变量与因变量线性关系越密切；P为相伴概率，表示自变量与因变量之间线性关系的显著程度，当P＜0.01时，表明回归模型具有较高的显著性；

lgH_zoop＝-0.066+0.263lgC_氨氮(R²＝0.843；P＝0.004) 式(31)

式中，H_zoop为浮游动物多样性指数；

lnH_phy＝0.691+0.308lnQ+0.238lnC_氨氮(R²＝0.961；P＝0.000) 式(32)

式中，H_phy为浮游植物多样性指数；

由式30～32可知，三个回归模型R²介于0.814～0.961之间，P介于0.000～0.008之间，P＜0.001，表明自变量与因变量显著相关，模型有效，建模成功。