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CN114548711A - 基于模糊综合评价法的梯级水库水文生态调度效果评估方法 - Google Patents

基于模糊综合评价法的梯级水库水文生态调度效果评估方法 Download PDF

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CN114548711A
CN114548711A CN202210119614.6A CN202210119614A CN114548711A CN 114548711 A CN114548711 A CN 114548711A CN 202210119614 A CN202210119614 A CN 202210119614A CN 114548711 A CN114548711 A CN 114548711A
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CN
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evaluation
ecological
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hydrological
reservoir
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Application number
CN202210119614.6A
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邓云
脱友才
王兴敏
杨颜菁
李永
王浩宇
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Sichuan University
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Abstract

本发明公开了一种基于模糊综合评价法的梯级水库水文生态调度效果评估方法，首先基于主成分分析法确定与漂流性鱼类产卵有关指标的权重，然后基于各指标的隶属度函数确定各指标不同适宜等级下的隶属度，并构建模糊关系综合评价矩阵，再依据有关指标的权重、模糊关系综合评价矩阵得到总评价向量，最后基于加权平均原则得到用于评价鱼类产卵生镜适宜性和水库生态调度效果的模糊综合评价值，由于综合考虑了流速、水温、水位日均涨水率和涨水持续时间等要素对鱼类产卵的影响，能够准确地对鱼类产卵生境适宜性和水库生态调度效果进行评价。

Description

基于模糊综合评价法的梯级水库水文生态调度效果评估方法
技术领域
本发明属于水库水资源管理技术领域，涉及梯级水库水文生态调度研究，尤其涉及一种模糊综合评价法的梯级水库水文生态调度效果评估技术。
背景技术
人类活动如水电工程的兴建和河流开发等使得河流生态系统的结构正逐步退化。鱼类作为水生生态系统的消费者，受水电开发建设的影响，其栖息地所需的水环境将发生改变，如电站下泄低温水、洪峰过程削弱、涨水条件难以充分满足、清水下泄等，均使保护区鱼类的繁殖生长受到不同程度的影响。
为了缓解水利水电工程开发对河流鱼类及生态系统的不利影响，水库需开展工程措施。传统的水库管理制度和调度运行模式主要是考虑如何处理、协调防洪和兴利的矛盾及利益，忽视了水库下游及库区的生态系统需求，对河流生态系统造成了严重影响。水库生态调度是一种降低大坝建设和运行对河流生态系统影响的措施，它可帮助改善传统的调度方式，使下泄流量、下泄水温与上下游河段水生态和环境的需求在时空上实现“匹配”，持续减少或消除对生态和环境不利影响，促进鱼类增殖和改善水生态系统。
开展水库生态调度需明确影响鱼类产卵繁殖的生态水力学特征指标，产漂流性卵鱼类的产卵活动一般伴随涨水过程进行，涨水持续时间越长，鱼类产卵持续时间延长，卵苗径流量与涨水持续时间和流量日上涨率等水文条件密切相关。尽管目前一些水库已结合鱼类产卵繁殖的生态水力学需求开展水库调度，但生态水力学需求对生态调度效果评价体系较为缺乏，实际水库调度效果并不理想。因此，设计水库生态调度效果评估方法对水库开展生态调度具有重大借鉴意义。
发明内容
针对目前缺少梯级水库生态调度效果技术的问题，本发明的目的旨在提供一种基于模糊综合评价法的梯级水库水文生态调度效果评估方法，可实现对梯级水库水文生态调度的效果进行有效评估，以对水库下游各江段鱼类产卵场的生境适宜性定量研究，进而评估分析出下游河段鱼类产卵繁殖对梯级水库生态调度的响应，并指导梯级水库的有效调度运行，对河流水生生态环境保护具有重要的促进作用。
为达到上述目的，本发明采取以下技术来实现。
本发明提供的基于模糊综合评价法的梯级水库水文生态调度效果评估方法，基于水库生态力学指标指数处理得到，所述水库生态力学指标数据包括水文指标数据和水温；
所述梯级水库水文生态调度效果评估方法包括以下步骤：
S1对水库历史水文指标数据进行主成分分析，确定水文评价指标权重；水文评价指标权重和水温评价指标权重得到生态水力学评价指标权重；
S2基于水库历史生态水力学指标数据，构建生态水力学评价指标隶属度函数；
S3依据当前水库生态水力学指标数据，确定生态水力学评价指标的隶属度，并构建相应的模糊关系综合评价矩阵；
S4将生态水力学评价指标权重和模糊关系综合评价矩阵进行模糊合成，确定总评价向量；再依据总评价向量，基于加权平均原则进行模糊评判得到模糊综合评价值，即可判定生境适宜性等级状态。
上述步骤S1中，以水库下游鱼类产卵江段涨水时间段的的流速、水位日均涨水率平均值及涨水持续时间等作为生态水力学水文指标数据。由于研究区水文站点布设量少，较多数据难以获取。主要是基于河道纵向一维水动力学-水温模型，获取与产漂流性鱼类产卵繁殖相关的生态水力学指标数据。经参数率定和模型验证结果均表明上述河道纵向一维水动力学-水温模型(这里以水流方向为x方向)可用于研究区河道纵向一维水力学和水温的模拟。该模型涉及到河道一维水动力学方程((1)～(2))和河道水流一维温度对流-扩散方程(3)。
河道一维水动力学方程为：
Figure BDA0003497905190000021
Figure BDA0003497905190000022
式中，Z表示水位，m；Q表示流量，m3/s；B表示河道的水面宽，m；A表示过水断面面积，m2；Lq表示单位河长的旁侧入流量，m2/s(水文站实际监测得到)；g表示重力加速度，m/s2；Sf表示水力比降。
河道水流一维温度对流-扩散方程为：
Figure BDA0003497905190000023
式中，Tw表示温度，DL表示纵向弥散系数，m2/s；ρ表示水的密度，kg/m3；Cp表示水的比热，cal/(kg*℃)；B表示河道的河面宽，m；S表示单位表面积净热交换通量，W/m2。
通过上述方程(1)-(3)联立，便可求解得到水库水力学等参数，进而对水库下游鱼类产卵江段涨水时间段内的流速、水温、水位日均涨水率(即为涨水时段内后一天与前一天水位差值的均值)求取平均值，便可得到水库下游鱼类产卵江段生态水力学指标数据。
上述河道纵向一维水动力学-水温模型涉及上游出库及支流的流量和水温边界、下游水位边界和研究区气象数据(具体包括气温、太阳辐射、风速、湿度、云量)。
步骤S1由于水文指标(流速、水位日均涨水率和涨水持续时间)及水温对漂流性鱼类产卵的影响均较大，在流速、水位日均涨水率和涨水持续时间均达到适宜水平，若水温低于漂流性鱼类产卵的水温阈值时，鱼类亦不发生产卵。将水温、水文指标的权重均事先给定(例如各定为0.5)；首先将水文3个指标组成的若干样本进行主成分分析，得出各主成分的特征值、方差贡献率及累积贡献率，提取特征值大于1的主成分进行荷载分析，基于荷载分析结果对各水文指标进行归一化处理便可得到各水文评价指标权重，具体包括以下分步骤：
S11采用标准化公式对水库历史水文指标数据进行标准化处理：
Figure BDA0003497905190000031
式中，
Figure BDA0003497905190000032
分别为标准化前后的第t′个样本第i个水文指标值，i＝1,2,…,m′；n′表示样本总数量；
S12由标准化处理数据构建特征参数矩阵U′：
Figure BDA0003497905190000033
式中，m′表示生态水力学评价指标中水文指标个数，这里m′＝3；n′表示样本总数量；
S13对特征参数矩阵U′进行奇异值分解，即U′＝S∑DT，其中S和D均为正交矩阵，Σ为对角矩阵，对角元素即为特征参数矩阵U′的奇异值，其表达式如下式(6)：
Figure BDA0003497905190000034
其中奇异值是从大到小排列的，即δ1﹥δ2﹥…﹥δk…﹥δm′≥0，将其作为主成分分析的特征值，并利用特征值计算各主成分的贡献率，依据特征值大于1确定主成分的个数M，各主成分贡献率vk计算公式如下式(7)，贡献率排名前M的主成分贡献率计算公式如下式(8)：
Figure BDA0003497905190000035
Figure BDA0003497905190000036
S14选取矩阵D的前M列作为降维矩阵D′，通过下式(9)计算得到各水文指标对应的各主成分荷载：
Figure BDA0003497905190000041
k＝1,2,…，m′；l＝1,2，…，M。
S15当M＝1时，对各水文指标的主成分荷载进行归一化处理得到各水文评价指标权重；当M≥2时，对各水文指标对应的M个主成分荷载绝对值进行加权平均得到各水文指标的主成分荷载加权平均结果，再对各水文指标的主成分荷载加权平均结果进行归一化处理得到各水文评价指标权重；各水文评价指标权重与水温评价指标权重一起构成生态水力学评价指标权重向量ω。
上述步骤S2中，首先，基于水库历史生态水力学指标数据及同时期产漂流性卵鱼类的卵苗径流量，构建产漂流性卵鱼类产卵的生境适宜性评价标准。这里，基于实测产卵及生态水力学评价指标数据，使用Sturge规则计算各生态水力学评价指标的最佳间隔，如下式所示：
Figure BDA0003497905190000042
Ibest＝Round(I) (11)
式中，I表示各生态水力学评价指标间隔，四舍五入取整得最佳间隔(式(11))；r表示各生态水力学评价指标的变动区间(最大值与最小值之差)；n′表示样本个数。
从而将各生态水力学指标进行分段。最佳间隔确定后，对各生态水力学评价指标与产漂流性卵鱼类的卵苗径流量进行频率分析，得出各生态水力学评价指标与产卵次数、产卵量的频率曲线，对各生态水力学评价指标进行分级(不适宜、基本适宜、较适宜及适宜)，得出不同生态水力学指标对应各级别的范围，即产漂流性卵鱼类产卵的生境适宜性评价标准。
然后，基于构建的产漂流性卵鱼类产卵的生境适宜性评价标准，构建生态水力学评价指标隶属度函数。各指标隶属度函数的构建至关重要。隶属度函数的定义是若对论域(研究的范围)U中的任一元素x，都有一个数μ(x)∈[0，1]与之对应，则称μ为U上的模糊集，μ(x)称为x对μ的隶属度。当x在U中变动时，μ(x)就是一个函数，称为μ的隶属函数。隶属度μ(x)越接近于1，表示x属于μ的程度越高，μ(x)越接近于0表示x属于μ的程度越低。
本发明构建的产漂流性卵鱼类产卵的生境适宜性评价标准，构建相应的三角隶属度函数。为避免相邻等级跃变时造成结果的不合理性，把三角隶属度函数分界点选为等级之间的中点，当指标落在区间中点时，针对该等级的隶属度选为1.0，落入相邻区间中点时，针对该等级的隶属度选为0，基于此确定各生态水力学指标的隶属度。
对于一定范围内指标值越大，生境的适宜程度越好的指标，每个指标对应的四个适宜等级的隶属度可以表示为μ＝{μA(X),μB(X),μC(X),μD(X)}，其隶属度函数分别为：
Figure BDA0003497905190000051
Figure BDA0003497905190000052
Figure BDA0003497905190000053
Figure BDA0003497905190000054
式中μA(X),μB(X),μC(X),μD(X)为分别对应各生态水力学评价指标对不适宜、基本适宜、较适宜及适宜不同适宜等级的隶属度值；X取各生态水力学评价指标的实际值；C1，C2，C3，C4为不同等级的标准值，取值为生境适宜性评价标准中不同适宜等级的分界点。
对于一定范围内指标值越小，生境的适宜程度越好的指标，对应生境适宜度评价4个等级的隶属度函数分别为：
Figure BDA0003497905190000055
Figure BDA0003497905190000061
Figure BDA0003497905190000062
Figure BDA0003497905190000063
式中μA(X),μB(X),μC(X),μD(X)为分别对应各生态水力学评价指标对不适宜、基本适宜、较适宜及适宜不同适宜等级的隶属度值；X取各生态水力学评价指标的实际值；C′1，3′2，3′3，3′4为不同等级的标准值，取值为生境适宜性评价标准中不同适宜等级的分界点。
上述步骤S3中，将当前水库生态水力学指标数据代入到步骤S2构建的生态水力学评价指标隶属度函数，得到相应的隶属度，并利用得到的隶属度构建相应的模糊关系综合评价矩阵R，其中，行表示生态水力学评价指标，列表示各指标对应不同适宜等级的隶属度。
上述步骤S4中，目的是基于加权评价原则得到模糊综合评价值，即可判定该涨水次数的生境适宜性的等级状态，据此，亦可计算水库生态调度下的下游产卵场的生境适宜性，从而评估水库生态调度效果。本步骤包括以下分步骤：
S41选用加权型方法对评价矩阵R和权重向量ω进行模糊合成，从而确定总评价向量
Figure BDA0003497905190000064
即
Figure BDA0003497905190000065
模糊数学中矩阵合成共2大类型，分别为主因素型(主因素决定型和主因素突出型)与加权型(加权平均型)。其中主因素型考虑主要因素在综合评价中起主导作用的情况，加权型对所有评价因素以权责大小均衡兼顾，适用于考虑各种因素起作用的情况，本发明结合各指标的权重向量ω(其中各指标顺序与R中各指标顺序相对应)，选用加权型方法对评价矩阵R和权重向量ω进行模糊合成，从而确定总评价向量
Figure BDA0003497905190000071
S42以评价等级
Figure BDA0003497905190000072
作为变量，以总评价向量
Figure BDA0003497905190000073
为权数，经加权平均得到模糊综合评价值，即：
Figure BDA0003497905190000074
式中，
Figure BDA0003497905190000075
表示第j个生态水力学评价指标权重，j＝1,2，…，N，N表示生态水力学评价指标数量。
模糊评判共两种判断方法，分别为最大隶属度原则和加权平均原则。最大隶属度原则即总评价向量中最大元素对应评语集位置即为被评价对象的评语。当总评价向量中各元素值差别不大时，选用最大隶属度原则已不适合进行模糊评判，因此可选用加权平均原则来进行模糊评判。加权平均原则的基本内容是：以评价等级
Figure BDA0003497905190000076
作为变量，如
Figure BDA0003497905190000077
Figure BDA0003497905190000078
以总评价向量
Figure BDA0003497905190000079
为权数，基于加权平均原则确定最终模糊综合评价值(模糊评价结果值为0～1之间)。
S43依据模糊综合评价标准，即可判定待测时间段的生境适宜性的等级状态。
待测时间段可以针对水库监测情况以及调度需求进行设定。例如可以按照上述步骤S1-S4得到涨水时间段的生境适宜性的等级状态，亦可按上述步骤S1-S4得到水库生态调度期内下游产卵场的生境适宜性，从而评估水库生态调度效果。模糊评价标准为：0～0.25、0.25～0.5、0.5～0.75和0.75～1.00间分别对应不适宜、基本适宜、较适宜及适宜。
与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：
1、本发明模糊综合评价方法，首先基于主成分分析法确定与漂流性鱼类产卵有关指标的权重，然后基于各指标的隶属度函数确定各指标不同适宜等级下的隶属度，并构建模糊关系综合评价矩阵，再依据有关指标的权重、模糊关系综合评价矩阵得到总评价向量，最后基于加权平均原则得到用于评价鱼类产卵生境适宜性和水库生态调度效果的模糊综合评价值，由于综合考虑了流速、水温、水位日均涨水率和涨水持续时间等要素对鱼类产卵的影响，能够准确地对鱼类产卵生境适宜性和水库生态调度效果进行评价；当然也可添加其他与漂流性鱼类产卵有关的要素数据进行分析。
2、本发明采用的模糊综合评价方法，是在历史生态水力学指标数据基础上构建的，后期只需要常规水力学测量数据，便可快速得到模糊综合评价值，来对鱼类产卵生境适宜性和水库生态调度效果进行评价，流程简易，计算便捷，从而做到对水库生态调度的快速评价。
3、本发明采用主成分分析法，综合全面地考虑各影响因素的相互作用，从而对水库生态调度效果评价更加准确、有效。
4、本发明可通过设置一维模型不同的边界条件，模拟出该工况下下游产卵场江段各指标值，从而快速对该工况下水库的调度效果进行预评估，对于水库管理提供新思路。
5、本发明不受地域限制，可构建不同区域的目标鱼类产卵的生境适宜性评价标准，采用相同流程获取产卵场的生境适宜性值，可应用于任何有出库流量和研究区气象数据的水库。
6、本发明的应用前景较好，可在水库水温管理、水库下游生态环境保护等方面进行，为水库运行调度方案提供技术支持，同时也可以进行可视化操作。
附图说明
图1为本发明基于模糊综合评价法的梯级水库水文生态调度效果评估方法流程示意图。
图2为本发明不同指标与产卵次数及卵苗径流量频率分布图；其中(a)对应流速与产卵次数及卵苗径流量频率分布图，(b)对应水温与产卵次数及卵苗径流量频率分布图，(c)对应水位日均涨水率与产卵次数及卵苗径流量频率分布图，(d)对应涨水持续时间与产卵次数及卵苗径流量频率分布图。
图3为本发明不同指标隶属度函数图；其中(a)对应流速隶属度函数图，(b)对应水温隶属度函数图，(c)对应水位日均涨水率隶属度函数图，(d)对应涨水持续时间隶属度函数图。
图4为使用本发明基于模糊综合评价法的梯级水库水文生态调度效果评估方法对2018～2020年研究区产卵场的生境适宜性评价效果图。
图5为2018～2020年水文调度期向家坝水库实际水文调度情况。
图6为使用本发明基于模糊综合评价法的梯级水库水文生态调度效果评估方法对2018～2020年生态调度期研究区产卵场的生境适宜性评价效果图。
具体实施方式
以下将结合附图对本发明实施例的技术方案进行清晰、完整的描述，显然，所描述实施例仅仅是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所得到的所有其它实施例，都属于本发明。
以下实施例中，所涉及的生态水力学指标数据包括水库下游鱼类产卵江段涨水时间段内的流速、水温、水位日均涨水率平均值及涨水持续时间，分别用X1、X2、X3和X4表示。其中流速、水位日均涨水率平均值及涨水持续时间为水位指标，且指定水文指标权重为0.5，水温指标权重为0.5。
实施例1
本实施例以向家坝水库在2018～2020年漂流性鱼类产卵期(5～7月)内采集的监测数据为例，对本发明提供的基于模糊综合评价法的梯级水库水文生态调度效果评估方法进行详细解释。
本实施例提供的基于模糊综合评价法的梯级水库水文生态调度效果评估方法，包括以下步骤：
S1对水库历史水文指标数据进行主成分分析，确定水文评价指标权重；水文评价指标权重和水温评价指标权重得到生态水力学评价指标权重。
通过上述方程(1)-(3)构成的河道纵向一维水动力学-水温模型进行求解得到水库水力学参数，进而对水库下游鱼类产卵江段涨水时间段内的流速、水温、水位日均涨水率求取平均值，便可得到水库下游鱼类产卵江段生态水力学指标数据(见表4)。
上述河道纵向一维水动力学-水温模型涉及上游出库及支流的流量和水温边界、下游水位边界和研究区气象数据(具体包括气温、太阳辐射、风速、湿度、云量等要素)。
上述各要素数据具体获取方法包括：
(1)气象数据均可通过实地监测或国家气象科学数据中心(http://data.cma.cn/)获取。
(2)水库出库流量和下泄水温、支流流量和水温、下游边界水位通过水库调度运行资料及下游水文站点获取。
通过上述河道纵向一维水动力学-水温模型，得到的向家坝水库下游2018～2020年漂流性鱼类产卵期(5～7月)内不同产卵场(宜宾、泸州、江津)的生态水力学指标数据。
以宜宾江段不同涨水时间的生态水力学指标数据为例，对本步骤进行详细解释。
本步骤包括以下分步骤：
S11采用标准化公式对水库历史水文指标数据进行标准化处理：
Figure BDA0003497905190000091
式中，
Figure BDA0003497905190000092
分别为标准化前后的第t′时刻样本第i个生态水力学指标值；
S12由标准化处理数据构建特征参数矩阵U′：
Figure BDA0003497905190000101
式中，m′表示生态水力学评价指标中水文指标个数，这里m′＝3；n′表示样本总数量；
S13对特征参数矩阵U′进行奇异值分解，即U′＝S∑DT，其中S和D均为正交矩阵，Σ为对角矩阵，对角元素即为特征参数矩阵U′的奇异值，其表达式如下式(6)：
Figure BDA0003497905190000102
其中奇异值是从大到小排列的，即δ1﹥δ2﹥…﹥δk…﹥δm′≥0，将其作为主成分分析的特征值，并利用特征值计算各主成分的贡献率，依据特征值大于1确定主成分的个数M，各主成分贡献率vk计算公式如下式(7)，贡献率排名前M的主成分贡献率计算公式如下式(8)：
Figure BDA0003497905190000103
Figure BDA0003497905190000104
表1给出了各主成分特征值、贡献率及累计贡献率。由表1可以确定本实施例前1个主成分特征值大于1，即M＝1。
表1各主成分贡献率及累积贡献率
主成分 特征值 各成分贡献率/％ 累积贡献率/％
1 1.18 39.29 39.29
2 0.97 32.24 71.53
3 0.85 28.47 100.00
S14选取矩阵D的前M列作为降维矩阵D′，通过下式(9)计算得到各主成分荷载：
Figure BDA0003497905190000105
k＝1,2,…，m′，m′＝3；l＝1。
本步骤提取主成分1来进行荷载分析，表2给出了荷载分析结果。
表2主成分荷载表
指标 成分1
流速X1(m/s) 0.56
水位日均涨水率X3(m/d) 0.60
涨水持续时间X4(d) 0.73
S15当M＝1时，对各水文指标的主成分荷载进行归一化处理得到各水文评价指标权重；当M≥2时，对各水文指标对应的M个主成分荷载绝对值进行加权平均得到各水文指标的主成分荷载加权平均结果，再对各水文指标的主成分荷载加权平均结果进行归一化处理得到各水文评价指标权重；各水文评价指标权重与水温评价指标权重一起构成生态水力学评价指标权重向量ω。
本实施例中，M＝1，对表2中X1、X3、X4的成分1进行归一化处理，结合水温指标权重0.5，便可得到生态水力学评价指标的权重向量ω1＝(0.15，0.50，0.15，0.20)。
S2基于水库历史生态水力学指标数据，构建生态水力学评价指标隶属度函数。
首先，基于实测产卵及步骤S1中模拟得到的生态水力学指标数据，按照公式(10)，使用Sturge规则计算各生态水力学指标的最佳间隔。
其次，对各生态水力学指标数据与产漂流性卵鱼类的卵苗径流量进行频率分析，得出各生态水力学指标与产卵次数、产卵量的频率曲线。
最后，依据各生态水力学指标与产卵次数、产卵量的频率曲线，对各生态水力学指标进行分级(不适宜、基本适宜、较适宜及适宜)，得出不同生态水力学指标对应各级别的适宜范围，即产漂流性卵鱼类产卵的生境适宜性评价标准。
构建的产漂流性卵鱼类产卵的生境适宜性评价标准如表3所示。
表3生境适宜性评价指标及标准汇总表
Figure BDA0003497905190000111
在产漂流性卵鱼类产卵的生境适宜性评价标准基础上，进一步构建生态水力学评价指标的三角隶属度函数，如图3所示。本实施例中，为避免相邻等级跃变时造成结果的不合理性，把三角隶属度函数分界点选为等级之间的中点，当指标落在区间中点时，针对该等级的隶属度选为1.0，落入相邻区间中点时，针对该等级的隶属度选为0，基于此确定各生态水力学指标的隶属度。
具体的，流速对应的四个适宜等级的隶属度可以表示为
μ＝{μA(X),μB(X),μC(X),μD(X)}，其隶属度函数分别为公式(12)-(19)，其中C1＝1.6，C2＝1.4，C3＝1.2，C4＝0.8，C′1＝1.4，C′2＝1.6，C′3＝1.8，C′4＝1.9。
水温对应的四个适宜等级的隶属度可以表示为μ＝{μA(X),μB(X),μC(X),μD(X)}，其隶属度函数分别为公式(12)-(15)，其中C1＝24，C2＝20，C3＝18，C4＝17。
水位日均涨水率对应的四个适宜等级的隶属度可以表示为
μ＝{μA(X),μB(X),μC(X),μD(X)}，其隶属度函数分别为公式(12)-(19)，其中C1＝0.3，C2＝0.2，C3＝0.1，C4＝0，C′1＝0.2，C′2＝0.3，C′3＝0.4，C′4＝0.5。
涨水持续时间对应的四个适宜等级的隶属度可以表示为
μ＝{μA(X),μB(X),μC(X),μD(X)}，其隶属度函数分别为公式(12)-(15)，其中C1＝5，C2＝3C3＝0，C4＝0。
S3依据当前水库生态水力学指标数据，确定生态水力学评价指标的隶属度，并构建相应的模糊关系综合评价矩阵。
基于步骤S2构建的各生态水力学评价指标，采用2018～2020年漂流性卵鱼类产卵期(5～7月)的涨水次数对应的各生态水力学评价指标值(表4)，分别计算各涨水次数对应的模糊关系综合评价矩阵R。
表4 2018～2020年漂流性鱼类产卵生态水力学指标数据
Figure BDA0003497905190000121
Figure BDA0003497905190000131
以2020年宜宾第1次涨水过程为例，其模糊关系综合评判矩阵为；
Figure BDA0003497905190000132
其中，行表示生态水力学评价指标，列表示各指标对应不同适宜等级的隶属度。
S4将生态水力学评价指标权重和模糊关系综合评价矩阵进行模糊合成，确定总评价向量；再依据总评价向量，基于加权平均原则进行模糊评判得到模糊综合评价值，即可判定生境适宜性等级状态。
本步骤包括以下分步骤：
S41选用加权型方法对评价矩阵R和权重向量ω进行模糊合成，从而确定总评价向量
Figure BDA0003497905190000139
本实施例中，2020年宜宾产卵场的生态水力学评价指标的权重向量ω1＝(0.15，0.50，0.15，0.20)，模糊关系综合评判矩阵为；
Figure BDA0003497905190000133
从而确定总评价向量：
Figure BDA0003497905190000134
S42以评价等级
Figure BDA0003497905190000135
作为变量，以总评价向量
Figure BDA0003497905190000136
为权数，经加权平均得到模糊综合评价值。
本实施例中，评价等级
Figure BDA0003497905190000137
以总评价向量
Figure BDA0003497905190000138
为权数，基于加权平均原则得到最终模糊综合评价值：
Figure BDA0003497905190000141
依据模糊评价标准0～0.25(不适宜)、0.25～0.5(基本适宜)、0.5～0.75(较适宜)和0.75～1.00(适宜)。
第1次涨水过程的生境适宜性计算结果为0.66，位于0.50～0.75区间，表明该次监测生境属于基本适宜状态。
按照上述步骤S1-S2分别获取不同产卵场的生态水力学评价指标权重向量和隶属度函数，然后按照步骤S3-S4，分别计算表4中给出的2018～2020年各产卵场的模糊综合评价值(并将其作为生境适宜性值)。图4给出了对应生境适宜性评价值，图中气泡越大，对应鱼类产卵量越大，其生境适宜性越大，反之亦成立。第30次和第13次产卵过程日均卵苗径流量分别为0.34亿粒·尾和0.29亿粒·尾，其生态水力学指标大多处于较适宜水平，模糊综合评价值分别为0.83和0.81，模糊综合评价得分较高的监测过程的日均产卵量较多。第2和第4次产卵过程日均卵苗径流量分别为0.004亿粒·尾和0.001亿粒·尾，其生态水力学指标均处于基本适宜和不适宜水平，模糊综合评价值分别为0.53和0.45。2018～2020年的平均生境适宜性值分别为0.66、0.64和0.65，5～7月平均生境适宜性值为0.66、0.65和0.70，表明蓄水对5月与6月水文和水温条件产生影响，导致其生境适宜性较低。宜宾、泸州和江津产卵场三年平均生境适宜性值分别为0.59、0.66和0.70，这表明水库蓄水对近坝河段的影响大于下游河段，与实际情况相符合。综上所述，本发明所提供的基于模糊综合评价法的梯级水库水文生态调度效果评估方法能够较好的评价鱼类产卵的生境适宜性。
水库生态调度效果评估
向家坝水库生态调度是在向家坝水库下游江段水温达到产漂流性卵鱼类产卵最低产卵水温以上，在产漂流性卵鱼类产卵期，通过持续增加向家坝水库出库流量，人工创造出适宜产漂流性卵鱼类产卵繁殖的持续涨水过程，即鱼类产卵期持续开展水温调度。
图5给出了2018～2020年水文调度期实际水文调度过程，图6为采用本实施例提供方法获得的对应模糊综合评价结果，2018～2020年向家坝下游河段鱼类产卵场生境适宜性评价结果分别为0.66、0.53和0.62，2018年生态调度期对应产卵场生境适宜性最高，2019年生态调度效果低，这均与下游产卵场江段实际产卵量相吻合。宜宾、泸州和江津产卵场生境适宜性评价值分别为0.56、0.68和0.57，适宜性评价结果显示三个产卵场的生境适宜程度均为基本适宜以上，且该数据表明水库蓄水对近坝河段的影响大于下游河段，以上评价结果均与实际情况符合，故以该模型作为水库生态调度效果评估模型。
上述基于模糊综合评价的鱼类产卵的生境适宜性评价和水库生态调度效果评估方法，可以通过office软件实现，操作简单，易于理解。
本领域的普通技术人员将会意识到，这里所述的实施例是为了帮助读者理解本发明的原理，应被理解为本发明的保护范围并不局限于这样的特别陈述和实施例。本领域的普通技术人员可以根据本发明公开的这些技术启示做出各种不脱离本发明实质的其它各种具体变形和组合，这些变形和组合仍然在本发明的保护范围内。

Claims (9)

1.一种基于模糊综合评价法的梯级水库水文生态调度效果评估方法，其特征在于，基于水库生态力学指标指数处理得到，所述水库生态力学指标数据包括水文指标数据和水温；
所述梯级水库水文生态调度效果评估方法包括以下步骤：
S1对水库历史水文指标数据进行主成分分析，确定水文评价指标权重；水文评价指标权重和水温评价指标权重得到生态水力学评价指标权重；
S2基于水库历史生态水力学指标数据，构建生态水力学评价指标隶属度函数；
S3依据当前水库生态水力学指标数据，确定生态水力学评价指标的隶属度，并构建相应的模糊关系综合评价矩阵；
S4将生态水力学评价指标权重和模糊关系综合评价矩阵进行模糊合成，确定总评价向量；再依据总评价向量，基于加权平均原则进行模糊评判得到模糊综合评价值，即可判定生境适宜性等级状态。
2.根据权利要求1所述的基于模糊综合评价法的梯级水库水文生态调度效果评估方法，其特征在于，所述生态水力学水文指标数据包括水库下游鱼类产卵江段涨水时间段的流速、水位日均涨水率平均值及涨水持续时间。
3.根据权利要求2所述的基于模糊综合评价法的梯级水库水文生态调度效果评估方法，其特征在于，基于河道纵向一维水动力学-水温模型，获取与产漂流性鱼类产卵繁殖相关的生态水力学指标数据；所述河道纵向一维水动力学-水温模型包括河道一维水动力学方程((1)～(2))和河道水流一维温度对流-扩散方程(3)：
河道一维水动力学方程为：
Figure FDA0003497905180000011
Figure FDA0003497905180000012
式中，Z表示水位，m；Q表示流量，m3/s；B表示河道的水面宽，m；A表示过水断面面积，m2；Lq表示单位河长的旁侧入流量，m2/s；g表示重力加速度，m/s2；Sf表示水力比降；
河道水流一维温度对流-扩散方程为：
Figure FDA0003497905180000013
式中，Tw表示温度，DL表示纵向弥散系数，m2/s；ρ表示水的密度，kg/m3；Cp表示水的比热，cal/(kg*℃)；B表示河道的水面宽，m；S表示单位表面积净热交换通量，W/m2。
4.根据权利要求1至3任一项所述的基于模糊综合评价法的梯级水库水文生态调度效果评估方法，其特征在于，步骤S1包括以下分步骤：
S11采用标准化公式对水库历史水文指标数据进行标准化处理：
Figure FDA0003497905180000021
式中，
Figure FDA0003497905180000022
分别为标准化前后的第t′个样本第i个水文指标值，i＝1,2,…,m′，n′表示样本总数量；
S12由标准化处理数据构建特征参数矩阵U′：
Figure FDA0003497905180000023
式中，m′表示生态水力学评价指标中水文指标个数；n′表示样本总数量；
S13对特征参数矩阵U′进行奇异值分解，即U′＝S∑DT，其中S和D均为正交矩阵，Σ为对角矩阵，对角元素即为特征参数矩阵U′的奇异值，其表达式如下式(6)：
Figure FDA0003497905180000024
其中奇异值是从大到小排列的，即δ1﹥δ2﹥…﹥δk…﹥δm′≥0，将其作为主成分分析的特征值，依据特征值大于1确定主成分的个数M；S14选取矩阵D的前M列作为降维矩阵D′，通过下式(9)计算得到各水文指标对应的主成分荷载：
Figure FDA0003497905180000025
k＝1,2,……，m′，l＝1,2，…，M；
S15当M＝1时，对各水文指标的主成分荷载进行归一化处理得到各水文评价指标权重；当M≥2时，对各水文指标对应的M个主成分荷载绝对值进行加权平均得到各水文指标的主成分荷载加权平均结果，再对各水文指标的主成分荷载加权平均结果进行归一化处理得到各水文评价指标权重；各水文评价指标权重与水温评价指标权重一起构成生态水力学评价指标权重向量ω。
5.根据权利要求1所述的基于模糊综合评价法的梯级水库水文生态调度效果评估方法，其特征在于，基于水库历史生态水力学指标数据及同时期产漂流性卵鱼类的卵苗径流量，构建产漂流性卵鱼类产卵的生境适宜性评价标准；然后基于产漂流性卵鱼类产卵的生境适宜性评价标准，构建生态水力学评价指标的三角隶属度函数。
6.根据权利要求5所述的基于模糊综合评价法的梯级水库水文生态调度效果评估方法，其特征在于，对于指标值越大，生境的适宜程度越好的指标，每个指标对应的四个适宜等级的隶属度可以表示为μ＝{μA(X),μB(X),μC(X),μD(X)}，其隶属度函数分别为：
Figure FDA0003497905180000031
Figure FDA0003497905180000032
Figure FDA0003497905180000033
Figure FDA0003497905180000034
式中μA(X),μB(X),μC(X),μD(X)为分别对应各生态水力学评价指标对不适宜、基本适宜、较适宜及适宜不同适宜等级的隶属度值；X取各生态水力学评价指标的实际值；C1，C2，C3，C4为不同等级的标准值，取值为生境适宜性评价标准中不同适宜等级的分界点；
对于指标值越小，生境的适宜程度越好的指标，对应生境适宜度评价4等级的隶属度函数分别为：
Figure FDA0003497905180000035
Figure FDA0003497905180000041
Figure FDA0003497905180000042
Figure FDA0003497905180000043
式中μA(X),μB(X),μC(X),μD(X)为分别对应各生态水力学评价指标对不适宜、基本适宜、较适宜及适宜不同适宜等级的隶属度值；X取各生态水力学评价指标的实际值；C′1，C′2，C′3，C′4为不同等级的标准值，取值为生境适宜性评价标准中不同适宜等级的分界点。
7.根据权利要求6所述的基于模糊综合评价法的梯级水库水文生态调度效果评估方法，其特征在于，将当前水库生态水力学指标数据代入到步骤S2构建的生态水力学评价指标隶属度函数，得到相应的隶属度，并利用得到的隶属度构建相应的模糊关系综合评价矩阵。
8.根据权利要求1所述的基于模糊综合评价法的梯级水库水文生态调度效果评估方法，其特征在于，步骤S4包括以下步骤：
S41选用加权型方法对评价矩阵R和生态水力学评价指标权重向量ω进行模糊合成，从而确定总评价向量
Figure FDA0003497905180000044
即
Figure FDA0003497905180000045
S42以评价等级
Figure FDA0003497905180000046
作为变量，以总评价向量
Figure FDA0003497905180000047
为权数，经加权平均得到模糊综合评价值，即：
Figure FDA0003497905180000051
式中，
Figure FDA0003497905180000052
表示第j个生态水力学评价指标权重，j＝1,2，…，N，N表示生态水力学评价指标数量；
S43依据模糊综合评价标准，即可判定待测时间段的生境适宜性的等级状态。
9.根据权利要求8所述的基于模糊综合评价法的梯级水库水文生态调度效果评估方法，其特征在于，模糊评价标准为：0～0.25、0.25～0.5、0.5～0.75和0.75～1.00间分别对应不适宜、基本适宜、较适宜及适宜。
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