[發明專利]一種抑制河流水華的生態需水核算方法

有效

• 申請號: 201910566455.2
• 申請日: 2019-06-27
• 公開（公告）號: CN110414051B
• 公開（公告）日: 2023-04-18
• 發明（設計）人: 李建;尹煒;賈海燕;辛小康;王超;白鳳朋
• 申請（專利權）人: 長江水資源保護科學研究所
• 主分類號: G06F30/20
• 分類號: G06F30/20
• 代理公司: 武漢科皓知識產權代理事務所(特殊普通合伙) 42222
• 代理人: 魯力

1.一種抑制河流水華的生態需水核算方法，其特征在于，包含以下步驟：

步驟1，代表性環境因子選取與資料收集：氣象條件、水文條件和營養鹽條件是影響河流水華爆發的三大主要客觀因素，其中氣象條件指氣溫和天氣狀況，水文條件指河道內流量、流速、水溫，營養鹽條件指水體中總氮、總磷的濃度，選取天氣狀況、流量、水溫、總氮、總磷5項環境因子作為代表性環境因子；收集水華爆發河段浮游藻類組成和數量、流量、水溫、總氮、總磷等代表性環境因子的監測數據，根據浮游藻類的組成和數量確定水華的優勢藻種；

步驟2，建立優勢藻種生長適宜度與代表性環境因子的對應關系：統計分析藻密度與流量、流速、水溫、總氮、總磷、天氣狀況等環境因子的相關關系，采用藻類生長適宜度指數和適宜度曲線法，定量描述藻類生長適宜度與各單項環境因子之間的對應關系，具體包括：

步驟2.1、計算浮游藻類生長適宜度指數：浮游植物生長適宜度指數(Suitabilityindex，SI)是一種能夠量化環境因子與浮游藻類生長之間關系的參數，能夠有效把浮游藻類密度對環境變化的反應以一個量化的數值顯示出來，從而直觀反映浮游藻類對環境因子變化的喜好程度和耐受范圍；浮游藻類生長適宜度指數的定義如下：

式中，水華爆發的藻密度通常以10⁷個/L作為臨界值；浮游植物生長適宜度指數以0至1的范圍來表示，其中0代表完全不適合浮游藻類生長的環境因子條件，1代表最適合浮游藻類生長的環境因子條件，0和1之間的數值代表不同環境因子條件下的浮游藻類生長適宜度水平；

浮游藻類生長適宜度指數按照不同環境因子單獨計算：

(1)天氣狀況適宜度指數

天氣狀況包括晴、多云、陰、降水客觀描述，其中降水對浮游藻類的聚集擾動作用最大，降水天氣狀況下的藻類生長適宜度指數賦值為0.5，晴、多云、陰3種天氣狀況下的藻類生長適宜度指數賦值為1；采用最近4天的滑動平均值，計算河流水華藻種生長對天氣的適宜度指數：

(2)水溫適宜度指數

為了更好地反映水溫與浮游藻類生長的關系，引入水溫的有效積溫，采用歸一化正態分布函數，計算藻類生長對水溫的有效積溫適宜度指數：

(T_i＞B，當T_i≤B時，T_i-B以0計)

式中，A_ei為第i日水溫的有效積溫，n為統計天數，T_i為第i日平均水溫，B為浮游藻類活躍繁殖的生物學零度，河流水華多為硅藻水華，硅藻的生物學零度一般為6℃左右；

(3)總氮和總磷

根據歷年水華發生期間的總氮和總磷濃度范圍，濃度范圍內的適宜度指數賦值為1，具體按照上述浮游藻類生長適宜度指數的定義進行計算；

(4)流量

根據歷年水華發生期間的流量范圍，流量范圍內的適宜度指數賦值為1，具體按照上述浮游藻類生長適宜度指數的定義進行計算；

步驟2.2、建立浮游藻類生長適宜度曲線：浮游藻類生長適宜度曲線是在適宜度指數的基礎上建立的，結合閾值理論，利用以下公式計算：

統計歷史上水華發生時期藻密度超過10⁷個/L時環境因子的變化范圍，該范圍內的浮游藻類生長適宜度指數賦值為1，稱為最佳適宜范圍；同時，結合浮游藻類生長對環境因子變化的耐受閾值，確定最佳適宜范圍外不同環境因子值對應的藻類生長適宜度指數；

步驟3，建立優勢藻種生長適宜度指數與多項環境因子的耦合對應關系：采用乘積法對多個環境因子的適宜度指數進行耦合，得到水華爆發多因子適宜度指數耦合模型，也就是水華爆發概率判定模型，水華爆發多因子適宜度指數耦合模型構建如下：

CSF＝SI(W₄)_t·SI(A_e)_t·SI(TN)_t·SI(TP)_t·SI(Q)_t

式中：CSF為組合適宜度因子，combined?suitability?factor，取值范圍0～1，綜合反映生態需水滿足程度；SI(W₄)_t為t日水華爆發的最近連續4日滑動平均天氣適宜度指數，取值范圍0～1；該值采用最近連續4日天氣適宜度指數的滑動平均值；SI(TN)_t為t日水華爆發的總氮適宜度指數，取值范圍0～1；SI(TP)_t為t日水華爆發的總磷適宜度指數，取值范圍0～1；SI(Q)_t為t日水華爆發的流量適宜度指數，取值范圍0～1；SI(A_e)_t為t日水華爆發的水溫有效積溫適宜度指數，取值范圍0～1；

步驟4，水華爆發概率的現狀判定和預測：根據河段典型斷面的流量、水溫、總氮、總磷、區域天氣狀況等現狀和未來近期預報條件，查找步驟2建立的藻類生長適宜度曲線，獲得各環境因子對應的藻類生長適宜度指數，再根據水華爆發概率判定模型，得到現狀和預報條件下的水華爆發概率；具體步驟如下：

步驟4.1、根據已知的營養鹽和氣象條件，以及設定的水華爆發概率，水華爆發概率，等同于組合適宜度因子CSF，計算所需的流量適宜度指數：

式中，符號意義同前；

步驟4.2、根據流量適宜度指數計算值，查詢流量適宜度曲線，得到該指數對應的流量值，即為抑制水華爆發所需的最小生態流量；

步驟5，抑制水華爆發的生態需水核算：采用反推思路，設定可接受的水華爆發概率，將已知的營養鹽和氣象條件帶入步驟4.1中水華爆發多因子適宜度指數耦合模型，推求上述設定條件的流量適宜度指數，進而獲得河段內營養鹽和氣象等條件已知情況下抑制水華爆發的最小生態流量需求。