【水文学法总结】河道内生态流量计算方法(含MATLAB实现代码)

生态流量(Ecological Flow, EF) 是指维持河道内生态环境所需要的水流流量。生态流量计算方法众多,主要分为水文学方法、栖息地模拟法、水力学方法、整体法等,各方法多用于计算维持河道生态平衡的最小生态流量(Minimum Ecological Flow, MEF)即生态基流。
水文学方法原理简单、计算快捷,适应于较长河流生态流量的确定。同时该算法也可以用于缺乏水文站点和详细水文数据的河流,应用较为广泛。

【水文学法总结】河道内生态流量计算方法

  • 1 Tennant法
    • 1.1 原理
    • 1.2 MATLAB计算代码
  • 2 最小月多年平均流量法(Minimum average monthly flux method, MAMFE)
    • 2.1 原理
    • 2.2 MATLAB计算代码
  • 3 年内展布计算法(Dynamic calculation method, DCM)
    • 3.1 原理
    • 3.2 MATLAB计算代码
  • 4 FDC法
    • 4.1 原理
    • 4.2 MATLAB计算代码
  • 5 多层次生境条件的改进Tennant法(MTMMHC法)
    • 5.1 原理
    • 5.2 MATLAB计算代码
  • 参考

1 Tennant法

1.1 原理

在这里插入图片描述

1.2 MATLAB计算代码

代码如下:

function [MEF, OEFmin] = getMEF_Tennant( Runoff )
%% 方法1:Tennant法
% 河道内生态流量:采用不同用水期(年/月尺度)相应天然径流量的多年平均同期径流量的百分比
% 输入变量
% Runoff   月均径流序列
% 输出变量
% MEF         最小生态流量
% OEFmin    最优生态流量下限值
% AAF         多年平均年径流量
% AMF        多年平均月径流量nMonth =12;
nYear = length(Runoff)/nMonth;MF = reshape( Runoff, nMonth , nYear );
AAF = mean( sum( MF,2 )  );
AMF = mean( MF ,2 );MEF  = 0.1* AMF;
OEFmin = 0.6* AMF;
end

2 最小月多年平均流量法(Minimum average monthly flux method, MAMFE)

2.1 原理

在这里插入图片描述

2.2 MATLAB计算代码

代码如下:

function MEF = getMEF_MAMFE( Runoff )
%% 方法2:最小月多年平均流量法
% 最小生态流量:河流每年最小月平均流量的多年平均值
% 输入变量
% Runoff   月均径流序列
% 输出变量
% MEF         最小生态流量
% AAFmin    多年最小平均年径流量
% MFmin    多年最小月均径流量
% MF         月均径流量nMonth =12;
nYear = length(Runoff)/nMonth;MF = reshape( Runoff, nMonth , nYear );
MFmin = min( MF ,[], 2 );
AAFmin = mean( MFmin );MEF = AAFmin; 
end

3 年内展布计算法(Dynamic calculation method, DCM)

3.1 原理

年内展布法基于历史流量资料,以年最小径流总量与多年平均径流总量二者之间的比值,得到各月生态流量与各月多年平均径流量之间的关系,以此确定生态流量。

3.2 MATLAB计算代码

代码如下:

function MEF = getMEF_DCM( Runoff )
%% 方法3:年内展布计算法
% 输入变量
% Runoff   月均径流序列‘
% MEF         最小生态流量
% AAFmin    多年最小平均年径流量
% MFmin    多年最小月均径流量
% MF         月均径流量nMonth =12;
nYear = length(Runoff)/nMonth;% 步骤1:根据长时间水文序列天然月均径流资料,分别计算多年平均年径流量和多年最小平均年径流量
MF = reshape( Runoff, nMonth , nYear );
AAF = mean( sum( MF,2 )  );
MFmin = min( MF ,[], 2 );
AAFmin = mean( MFmin );% 步骤2:计算多年最小年均径流量和多年平均年径流量的比值η
eta = AAFmin/AAF;% 步骤3:根据多年平均月径流量,计算各月最小生态流量
AMF = mean( MF , 2 ); 
MEF = AMF* eta;
end

4 FDC法

4.1 原理

4.2 MATLAB计算代码

代码如下:

function MEF = getMEF_FDC( Runoff )
%% 方法4:FDC法
% 取流量历时曲线,频率为90%时流量为河道内最小生态流量
% 输入变量
% Runoff   月均径流序列‘percent = 0.9;
flag = 0;
MEF = GetThreshold( Runoff , percent  , flag);
end% 调用函数
% -------------------------------------------------------------------------------
function Th = GetThreshold( X , percent , flag)
% GetThreshold函数可根据样本数据集X得到percent阈值下的临界值
% 输入参数 Input parameter
% X             数据(所有样本),可为降水Precipitation,为向量数据
% percent   阈值百分数,如90%95%,表示为小数,∈(01% flag          取值为0,表示取小值;取值为1,表示取大值
% 输出参数 Output parameter
% Th       相应阈值下数值X = reshape( X,[],1 );       % 确保输入序列X为行向量n = length( X );
I = zeros(n,1);
[Xsorted, ~] = sort( X, 'ascend');              % 按升序排列
for i=1:nI(i) = find( X(i)==Xsorted);
endif flag==0percent = 1-percent;
endP = (I-0.44)./(n+0.12);
[~, ThIndex] = min( abs(P-percent) );
Th = X(ThIndex);%{
figure(1)
hold on;box on;
h(1) = plot( X, P ,'k.','MarkerSize', 8);
h(2) = plot( Th,percent ,'rp','MarkerSize', 10,'MarkerFaceColor','r','MarkerEdgeColor','r');
h(3) = plot( [0 Th],[ percent percent],'k--','linewidth',1);
xlabel("X(P/T)");
ylabel("Percent");
set(gca,'FontSize',14,'Fontname', 'Times New Roman');
%}
end

5 多层次生境条件的改进Tennant法(MTMMHC法)

5.1 原理

在这里插入图片描述
在这里插入图片描述
生态流量采用MTMMHC法计算,其主要优势在于:
①同传统Tennant法以平均流量的单一百分比作为生态流量不同,它计算出不同月份不同水平年的生态流量,其中水平年的划分基于月平均流量序列的不同保证率,能充分考虑流量的年内变化和年际变化(时间变异性);
②它以不同水平年组不同月份的月中值流量代替Tennant法中年平均流量或月平均流量,考虑了极端年际流量及流量年内分布不均的影响(时间变异性);
③采用MTMMHC法计算流域内不同子流域的各级生态流量,即在不同河段采用不同的生态流量,能改进在整个流域采用同一个生态流量的情况(空间变异性)。

5.2 MATLAB计算代码

代码如下:

参考

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