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城市河流水文情势分析及生态调度研究

刘阳  
【摘要】:良好的水文情势是河流恢复生态健康的基础保障。但随着人类社会的发展,不论自然河流还是城市内的河流,其水文情势都受到了不同程度的破坏。区别于自然河流由于粗犷开发、过度开发导致径流减少等问题,城市河流则由于特殊的地理位置,被人们过度“保护”和过度“利用”,从而导致径流过程均匀化、径流组分单一化,洪水过程猛涨猛落和受纳城市再生水等问题。针对这些问题,本文以识别扰动因素---调控扰动过程(生态调度)为主线,利用CA-Markov模型和copula函数分析了城市河流水文过程的突变情况;提出了一套从整体到流量分级再到考虑指标分布规律的水文情势识别方法,对突变前后的水文情势进行了分析,识别出了扰动组分和指标;针对各扰动组分和指标,通过动态规划与水文模型相结合、贝叶斯网络与多变量联合概率分布相结合的手段构建了各自的生态调度模型,对各类扰动组分进行了生态调度,同时将水质也纳入径流过程的调控范围,形成了调度方案。通过在济南市小清河流域内的应用,结果表明:本文提出的方法识别了城市河流水文情势的扰动因素,并对扰动因素进行了合理有效的生态调度,从而为类似河流的生态治理提供技术支持。主要研究成果如下:(1)针对河流水文情势变化,结合流量历时曲线(FDC)和生态径流指标,提出了 FDC均匀度概念,评价了河流整体水文情势变化情况,然后利用生态环境流量分析法(EFCs)解构各流量组分的水文情势变化,并分析了整体情势变化与流量分级的情势变化之间的相关关系,识别出了扰动剧烈的组分为高流量、小洪水组分和低流量组分;利用最大熵原理分析了水文情势指标的分布规律,结合OWA算子和香农指数(Shannon's Diversity Index)评价了各指标的变异情况,识别出了扰动剧烈的指标;根据水文情势的分析结果,计算了不同流量组分的生态流量阈值。(2)针对中小洪水,明确了定义及范围,提出了行洪期间的河道生态流量阈值的概念。以河道行洪期间的生态流量阈值为约束条件,以主要河道行洪流量与生态流量差值最小为目标,构建了城市河流中小洪水的生态调度模型。将各子流域内典型场次进行组合,提出了中小洪水模拟场次,利用MIKE 11 HD-NAM模型模拟了城市河流在典型降雨组合下的洪水过程,并结合动态规划理论,计算了各控制闸门的调度过程,形成了中小洪水调度方案。(3)针对径流过程,提出了“总量控制,过程分配”调控思路。定义了径流过程调度是指对除中小洪水和大洪水组分外的径流过程进行生态调度,并针对过程调度的特点,采取了调水与减排相结合的方式恢复其水文情势。根据小清河良好期的水文情势,对扰动剧烈的指标进行了月调度,实现了调水总量的月分配。利用多维联合分布函数和基于机理模型的贝叶斯网络,计算分析了减排前后水量水质联合分布规律,找到了水质改善与调度用水量之间的平衡点,为逐次调度提供理论依据。在此基础上,构建了水质模型,对补水点位的补水次序、补水间隔和补水流量进行了正交实验验证,筛选出了效果较好的逐次生态补水方案,实现了调水总量月分配基础上的过程调度。


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