一种适用于山区河流的流水景观需水量计算方法

摘要

本发明公开了一种适用于山区河流的流水景观需水量计算方法，旨在合理评估电站为维护河流景观所需要下泄的景观流量。该方法包括：提取反映河流景观质量的主要因素并选取相应指标；根据选取的指标，利用层次分析法分析这些指标与河流景观质量之间的关系，构建河流景观质量评价指标体系；对评价体系的指标进行分级取值，建立其与流量变化的关系，并确定相关权重取值，建立河流景观质量评价模型；利用建立的景观质量评价模型计算控制断面或控制河段不同减水情况下的景观质量，并计算较同期天然情况下的降幅程度；根据控制断面或河段的景观敏感程度制定景观需水的控制标准，根据控制标准计算最小满足该标准的河道内流量，即为该处推荐的景观需水量。

说明书

技术领域

本发明涉及山区河流的流水景观需水量计算方法，具体的说，是山区引水式电站 减水河段需要下泄的景观流量所采取的评估计算方法。

背景技术

山区引水式电站通过河道外山体隧洞引水至下游发电，因此河道内流量减少，造 成减水河段，河道内水位下落，水面积减少，流速减缓，边滩裸露；在开发较早的工程中，甚 至没有考虑为原河道保留下泄一定的流量而造成河道脱水，有些河段近乎干涸。因此，自然 的河流奔流状态转变为溪流状态或干涸河床状态，河流景观受到较大的不利影响，这就需 要电站首部下泄一定的流量，减缓河流景观的影响，称之为景观流量。

近年来，河流的生态功能逐步被认识而重视，引水式电站首要下泄一定的流量满 足生态功能，一般称之为生态流量。国内外研究者提出了很多生态流量的定义和计算方法， 但生态流量的计算方法主要从维持河流生态系统基本稳定的角度提出，据此确定的生态流 量不一定就满足河流景观需求。由于景观具有主观性和诸多不确定性，因此一直以来缺乏 科学系统的景观需水量计算方法，在实践中也不被重视。但在当前大量的山区引水式开发 过程中，河流景观遭受破坏，急需要一种有效的操作方法，合理评估计算电站为维护河流景 观所需要下泄的景观流量，协调景观保护与水电开发经济效益，指导工程实践。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是：提出了一种适用于山区河流的流水景观需水量计 算方法，合理评估计算电站为维护河流景观所需要下泄的景观流量。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：一种适用于山区河流的流水景观需 水量计算方法，包括以下步骤：

A、对研究河流的规模、景观现状及其功能进行分析，根据河段景观功能特点及景 观敏感性，判断河流景观的控制断面或区域，提取反映河流景观质量的主要因素，并选取相 应的指标反映这些因素对河流景观质量的影响或贡献情况；

B、根据选取的指标，利用层次分析法分析这些指标与河流景观质量之间的关系， 构建河流景观质量评价指标体系；

C、对评价体系的指标进行分级取值，建立其与流量变化的关系，并确定相关权重 取值，从而建立河流景观质量评价模型；

D、利用建立的景观质量评价模型计算控制断面或控制河段不同减水情况下的景 观质量，并计算较同期天然情况下的降幅程度；

E、根据控制断面或河段的景观敏感程度制定景观需水的控制标准，景观敏感程度 根据河段受关注的程度而定，景观需水控制标准为本河段满足景观要求应不低于多少降幅 的限值；最小满足该标准的河道内流量即为该处推荐的景观需水量。

进一步的，步骤B中，所述河流景观质量评价指标体系分为目标层、系统层、状态层 和变量层四个层次：

其中以水力开发河段景观质量作为目标层，对其进行分解获得系统层：

系统层包括河道内景观质量和河岸带景观质量；

对系统层进行再次分解获得状态层：

河道内景观质量包括：流动性、连续性和水体形式；河岸带景观质量包括：岸带形 式和岸带色彩；

对状态层进行再次分解获得变量层：

流动性具体指标为平均流速；连续性具体指标包括水面宽和平均水深；水体形式 具体指标包括湿周率、水体透明度和水色；岸带形式具体指标包括河岸河滩形态和河谷弯 曲度；岸带色彩具体指标为河岸带景观色彩。

进一步的，步骤C中，在对评价指标体系中的指标进行取值时，对平均流速、水面 宽、平均水深、湿周率和水体透明度这些指标，参照预设的分级标准及取值表采用定量方式 取值：

$\begin{array}{cc}{b}_i=\frac{2}{x_i-x_{i-1}}(x-x_{i-1})+t_{i-1}& x_{i-1}\le x<x_i\end{array}---(1-1)$

式中：b_i为定量化指标的取值，x_i表示定量化指标的实际数据，该实际数据根据测 定及水力学计算获得；t_i-1为x_i指标对应分级的下限值；

对水色、河岸带景观色彩、河岸河滩形态和河谷弯曲度这些指标参照分级标准及 去指标采用定性方式取值。

进一步的，步骤D中，利用建立的景观质量评价模型计算控制断面或控制河段不同 减水情况下的景观质量，具体计算方式如下：

$M_i=\underset{k=1}{\overset{K}{\Sigma }}{r}_k*\underset{s=1}{\overset{S}{\Sigma }}{r}_{ks}*\underset{t=1}{\overset{T}{\Sigma }}{r}_{kst}*M_{kst}---(1-2)$

$\bar{M}=\underset{i=1}{\overset{n}{\Sigma }}\frac{M_{i-1}+M_i}{2}*\frac{l_i}{L}---(1-3)$

式中：

M_i为i断面某一减水状态下景观质量值；

为减水河段总体景观质量值；

r_k，r_ks，r_kst分别为系统层、状态层和变量层对应指标权重，K，S，T为各层对应指标 的个数；

M_kst为变量层指标取值；

l_i为第i-1与i断面之间的间距，减水河段总共选取N个代表断面；

L为减水河段的长度。

进一步的，步骤D中，所述景观质量较同期天然情况下的降幅程度采用下式计算：

$P=(1-\frac{M_i-M_i^0}{M_i^1-M_i^0})*100\%---(1-4)$

Mi为i断面某一减水状态下景观质量值，分别为i断面或河段同期天然情 况下和断流时的景观质量值。

本发明的有益效果是：合理评估计算电站为维护河流景观所需要下泄的景观流 量，协调景观保护与水电开发经济效益，指导工程实践。

附图说明

图1为本发明中流水景观需水量计算方法流程图。

具体实施方式

如图1所示，本发明中的流水景观需水量计算方法包括以下步骤：

一、对研究河流的规模、景观现状及其功能等进行分析，根据河段景观功能特点及 景观敏感性，判断河流景观的控制断面或区域，提取反映河流景观质量的主要因素，选取合 适的指标反映这些因素对河流景观质量的影响或贡献情况，选取的指标尽量定量化，且能 与流量建立可实现的定量关系。

二、根据选取的指标，利用层次分析法分析这些指标与河流景观质量之间的关系， 构建河流景观质量评价指标体系。

三、根据研究河段河流状况及景观的一般原理，对评价体系的指标进行合理分级 取值，建立其与流量变化的关系，并确定有关计算的权重取值，从而建立一个较完整的河流 景观评价模型。

四、利用建立的景观质量评价模型，计算控制断面或控制河段不同减水情况下的 景观质量较同期天然情况下的降幅程度。降幅程度可根据同期天然状态与减水状态两种情 况下的景观质量值相比较而得到。

五、结合景观质量评价方法与标准，根据控制断面或河段的景观敏感程度制定景 观需水的控制标准，景观敏感程度根据河段受关注的程度而定，景观需水控制标准为本河 段满足景观要求应不低于多少降幅的限值。最小满足该标准的河道内流量即为该处推荐的 景观需水量。

在具体实施上，分为以下环节：

(1)评价指标：

评价体系共分为四个层次，第一层次为水力开发河段景观质量评价的最终目标— 河段景观状况，然后分解为能体现该项指标的亚指标，按此原则再次进行分解，直至最底层 的单项评价指标。水力开发河段景观是观赏者在减水河段的一个具体点，视觉感受范围内 的自然因素通过各种形式的组合直接呈现出的河流景观，它包括人们视觉、听觉、嗅觉等感 知的各种要素。归结为河道内景观特征和岸带景观特征，包括各种组分的形式、色彩及其协 调性。由于减水河段景观状况是以河流自然流动为基础，在河流连续性和流动性基础上，水 体与岸带等各要素得以布局、联系而形成河流景观，所以从河流主要特性及形式组分等方 面选择指标，分河道内和岸带两个系统构建水力开发河段景观质量评价指标体系，详见表 1。

表1：水力开发河段景观质量评价指标体系表

(2)具体指标取值说明：

上表的所有指标均是按照指标所反映的景观质量优劣分级取值，分级取值方法包 括定量和定性两种，定量的包括流速、水面宽、水深、湿周率、水体透明度，定性的包括水色、 河岸带景观色彩、河岸河滩形态、河谷弯曲度。指标分级标准及分级值详见表2。

表2：河道景观质量各指标分级标准及取值表

1)定量化指标：

表2中的流速、水面宽、水深、湿周率、水体透明度的实际数据根据测定及水力学计 算获得。计算获得的数据根据分级标准，通过式1-1进行定量计算，从而更好的量化该指标。

$\begin{array}{cc}{b}_i=\frac{2}{x_i-x_{i-1}}(x-x_{i-1})+t_{i-1}& x_{i-1}\le x<x_i\end{array}---(1-1)$

式中：b_i为定量化指标按照表2分级方法的取值，x_i表示定量化指标数据，t_i-1为x_i指标对应表2分级的下限值。

2)定性描述指标：

对于定性描述性景观要素指标，主要从形式美学的角度对其进行划分，形式美学 包括景观要素本身的形式、色彩及其协调性。主要从河谷、河岸带、河滩三方面来进行考察。 取值见表2。为方便操作，对应各级取值为一个定数，分别为9、7、5、3、1，即各级的中间值。

(3)景观质量计算：

根据所分析指标的特点和数据的可获取性，采用层次分析法(AHP)对表1中各个指 标的权重进行确定。采用综合评价方法，根据权重和变量层取值以式1-2进行计算，得到单 个断面，以式1-3计算，得到整个减水河段的景观质量值。

式中：

M_i—i断面某一减水状态下景观质量值；

—减水河段总体景观质量值；

r_k，r_ks，r_kst分别为系统层、状态层和变量层对应指标权重，K，S，T为各层对应指标 的个数；

M_kst—变量层指标取值；

l_i—第i-1与i断面之间的间距，减水河段总共选取N个代表断面；

L—减水河段的长度，即闸址与厂址之间的河段距离。

根据式1-2计算坝址下泄不同流量工况下单个控制断面的景观质量值，由多个控 制断面的景观质量值可根据1-3计算出整个减水河段的景观质量值。

(4)景观质量降幅计算：

根据同期天然状态下河流景观指标的调查，同(3)步骤计算同期天然情况下的景 观质量值，用式1-4计算同期代表断面或河段较同期天然状况下景观质量降幅(％)。

因为河流断流是不被允许的，因此，视河流流量为0时的景观质量为最小，景观质 量值的变幅以此为基础。

Mi为i断面某一减水状态下景观质量值，分别为i断面或河段同期天然情 况下和断流时的景观质量值。整个河段的景观质量值通过多个代表断面的景观质量值加权 得到。

(5)敏感性判断与景观质量降幅标准控制：

敏感性是用来衡量公众对某一风景点关心程度的一个概念。人们注意力越集中的 风景点，其敏感性程度就越高。敏感程度高的河段，人们对其景观质量期望越高，对其受影 响的可接受程度越低，反之，敏感程度越低的河段，人们对其景观质量的期望越低，可接受 的景观质量降幅越大。对于山区水力开发河段，一般无通航、划船、水上娱乐等功能规划及 需求，人与水体的直接接触很少，主要是通过视觉来感受。根据景观功能区域调查，景观敏 感度判断标准见表3。

表3：山区水力开发河段河流景观的敏感度表

表3将敏感程度划分为较高、一般、较低三种情况，即A、B、C三类。对于各类景观河 段的最低景观要求是不同的，以代表断面或河段较同期天然状况下景观质量降幅来衡量， 得到山区减水河段景观质量控制标准，见表4。即A类景观要求代表断面或河段较同期天然 状况下景观质量降幅不高于20％；B类景观要求代表断面或河段较同期天然状况下景观质 量降幅不高于35％；C类景观要求代表断面或河段较同期天然状况下景观质量降幅不高于 45％。

表4：山区减水河段景观质量控制标准

(6)控制断面或河段景观需水量计算

选定减水河段景观控制断面，可单个或多个。设定坝址下泄不同的流量工况，根据 (3)和(4)步骤计算不同流量工况下控制断面或整个减水河段的景观质量值和景观质量降 幅。可根据不同流量与景观质量降幅的对应数据画出流量－景观质量降幅关系曲线。

根据该曲线，以步骤(5)中的表4判断景观质量控制标准对照，判断满足景观最低 要求标准所对应的流量值即为推荐的景观需水量，即坝址需下泄的最小景观流量。