[发明专利]一种抑制河流水华的生态需水核算方法

摘要

本发明涉及一种抑制河流水华的生态需水核算方法，是利用适宜度指数和适宜度曲线反映营养盐、气象、水文环境因子与浮游藻类生长适宜度之间的相关关系，并采用乘积法对多个代表性环境因子的适宜度指数进行耦合，构建河流水华爆发多因子适宜度指数耦合模型，基于对水华爆发概率的判定逆向推求抑制水华爆发的生态流量需求，解决了目前水华预测方式对环境因子的影响考虑不足以及对河流生态调度的支撑作用不足等问题。本发明能够仅依靠氮磷营养盐、水温、流量、天气常规监测指标较快速准确地预测河流水华爆发的概率，同时可准确推算当前和近期环境条件下抑制水华爆发所需的河道最小生态流量，为面向抑制水华爆发的河流生态调度提供精准的流量调控需求。

主权项

1.一种抑制河流水华的生态需水核算方法，其特征在于，包含以下步骤：步骤1，代表性环境因子选取与资料收集：气象条件、水文条件和营养盐条件是影响河流水华爆发的三大主要客观因素，其中气象条件指气温和天气状况，水文条件指河道内流量、流速、水温，营养盐条件指水体中总氮、总磷的浓度，选取天气状况、流量、水温、总氮、总磷5项环境因子作为代表性环境因子；收集水华爆发河段浮游藻类组成和数量、流量、水温、总氮、总磷等代表性环境因子的监测数据，根据浮游藻类的组成和数量确定水华的优势藻种；步骤2，建立优势藻种生长适宜度与代表性环境因子的对应关系：统计分析藻密度与流量、流速、水温、总氮、总磷、天气状况等环境因子的相关关系，采用藻类生长适宜度指数和适宜度曲线法，定量描述藻类生长适宜度与各单项环境因子之间的对应关系，具体包括：步骤2.1、计算浮游藻类生长适宜度指数：浮游植物生长适宜度指数(Suitability index，SI)是一种能够量化环境因子与浮游藻类生长之间关系的参数，能够有效把浮游藻类密度对环境变化的反应以一个量化的数值显示出来，从而直观反映浮游藻类对环境因子变化的喜好程度和耐受范围；浮游藻类生长适宜度指数的定义如下：式中，水华爆发的藻密度通常以10⁷个/L作为临界值；浮游植物生长适宜度指数以0至1的范围来表示，其中0代表完全不适合浮游藻类生长的环境因子条件，1代表最适合浮游藻类生长的环境因子条件，0和1之间的数值代表不同环境因子条件下的浮游藻类生长适宜度水平；浮游藻类生长适宜度指数按照不同环境因子单独计算：(1)天气状况适宜度指数天气状况包括晴、多云、阴、降水客观描述，其中降水对浮游藻类的聚集扰动作用最大，降水天气状况下的藻类生长适宜度指数赋值为0.5，晴、多云、阴3种天气状况下的藻类生长适宜度指数赋值为1；采用最近4天的滑动平均值，计算河流水华藻种生长对天气的适宜度指数：(2)水温适宜度指数为了更好地反映水温与浮游藻类生长的关系，引入水温的有效积温，采用归一化正态分布函数，计算藻类生长对水温的有效积温适宜度指数：(T_i＞B，当T_i≤B时，T_i‑B以0计)式中，A_ei为第i日水温的有效积温，n为统计天数，T_i为第i日平均水温，B为浮游藻类活跃繁殖的生物学零度，河流水华多为硅藻水华，硅藻的生物学零度一般为6℃左右；(3)总氮和总磷根据历年水华发生期间的总氮和总磷浓度范围，浓度范围内的适宜度指数赋值为1，具体按照上述浮游藻类生长适宜度指数的定义进行计算；(4)流量根据历年水华发生期间的流量范围，流量范围内的适宜度指数赋值为1，具体按照上述浮游藻类生长适宜度指数的定义进行计算；步骤2.2、建立浮游藻类生长适宜度曲线：浮游藻类生长适宜度曲线是在适宜度指数的基础上建立的，结合阈值理论，利用以下公式计算：统计历史上水华发生时期藻密度超过10⁷个/L时环境因子的变化范围，该范围内的浮游藻类生长适宜度指数赋值为1，称为最佳适宜范围；同时，结合浮游藻类生长对环境因子变化的耐受阈值，确定最佳适宜范围外不同环境因子值对应的藻类生长适宜度指数；步骤3，建立优势藻种生长适宜度指数与多项环境因子的耦合对应关系：采用乘积法对多个环境因子的适宜度指数进行耦合，得到水华爆发多因子适宜度指数耦合模型，也就是水华爆发概率判定模型，水华爆发多因子适宜度指数耦合模型构建如下：CSF＝SI(W₄)_t·SI(A_e)_t·SI(TN)_t·SI(TP)_t·SI(Q)_t式中：CSF为组合适宜度因子，combined suitability factor，取值范围0～1，综合反映生态需水满足程度；SI(W₄)_t为t日水华爆发的最近连续4日滑动平均天气适宜度指数，取值范围0～1；该值采用最近连续4日天气适宜度指数的滑动平均值；SI(TN)_t为t日水华爆发的总氮适宜度指数，取值范围0～1；SI(TP)_t为t日水华爆发的总磷适宜度指数，取值范围0～1；SI(Q)_t为t日水华爆发的流量适宜度指数，取值范围0～1；SI(A_e)_t为t日水华爆发的水温有效积温适宜度指数，取值范围0～1；步骤4，水华爆发概率的现状判定和预测：根据河段典型断面的流量、水温、总氮、总磷、区域天气状况等现状和未来近期预报条件，查找步骤2建立的藻类生长适宜度曲线，获得各环境因子对应的藻类生长适宜度指数，再根据水华爆发概率判定模型，得到现状和预报条件下的水华爆发概率；具体步骤如下：步骤4.1、根据已知的营养盐和气象条件，以及设定的水华爆发概率(等同于组合适宜度因子CSF)，计算所需的流量适宜度指数：式中，符号意义同前；步骤4.2、根据流量适宜度指数计算值，查询流量适宜度曲线，得到该指数对应的流量值，即为抑制水华爆发所需的最小生态流量；步骤5，抑制水华爆发的生态需水核算：采用反推思路，设定可接受的水华爆发概率，将已知的营养盐和气象条件带入步骤4.1中水华爆发多因子适宜度指数耦合模型，推求上述设定条件的流量适宜度指数，进而获得河段内营养盐和气象等条件已知情况下抑制水华爆发的最小生态流量需求。