CN103778319B - 一种确定目标水域沉水植物恢复区域的方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种确定目标水域沉水植物恢复区域的方法，包括：1，针对目标水域确定取样点，测量以下数据：水体深度、烧失量、不同梯度水深光照强度；2，获取各个取样点光合有效辐射的衰减系数K；3，计算出各个采样点沉水植物种群光补偿深度H_C；4，确定沉水植物恢复的评估标准，LOI为烧失量，Q_i为沉水植物光补偿深度与水体深度的比值；5，制作LOI、Q_i矢量的专题图；6，利用地理信息系统的空间分析模块，将各专题图进行叠加，得到9种组合。采用本发明方法：沉水植物种群恢复的区域具有明确的边界，可操作性强；恢复区域具有阶梯性，可优先恢复“适宜区”，等透明度、底泥等条件允许后，再恢复“过渡区”。

Description

一种确定目标水域沉水植物恢复区域的方法

技术领域

本发明涉及环境保护技术领域，特别是涉及一种确定目标水域沉水植物恢复区域的方法。

背景技术

水体富营养化问题在我国日趋严重，水生态环境恢复和重建是治理湖泊富营养化的重要途径之一，而水生植物，特别是沉水植物的恢复和重建是水质改善与稳定的关键。沉水植物作为初级生产者，在水生态系统中起着重要作用，同时也是水生态系统的重要组成部分。当沉水植物丰富时，其构建的“水下森林”既能通过有效增加空间生态位、提供避难场所，抑制生物性和非生物性悬浮物，改善水下的光照和溶解氧条件，能缓冲营养循环速度和增加水体稳定性，能有效提高水环境质量，又能与挺水和浮水植物构成“挺水—浮水—沉水”立体式水体绿化结构，因此，恢复沉水植物对净化水质、抑制藻类生长和维护生态完整性与稳定性显得尤为重要。

恢复沉水植物并不是简单的“栽种水草”，已有的研究表明，影响水生植物生长的环境因子包括水质、光照强度和底质条件等，而水质不是影响沉水植物死亡的主要因素，底质和光照强度是影响沉水植物死亡的关键因素，并且认为沉水植物恢复可行性的关键是消除影响沉水植物恢复的限制因子。然而，并不是所有区域都适合和/或不适合沉水植物恢复，只有在适宜区域初步恢复沉水植物，形成先锋植物群落斑块，才能进一步改善水质和提高水体透明度，促进水生植物群落的恢复和重建。

关于沉水植物恢复工程区域的确定，国内外至今没有相关文献，仅有一些关于沉水植物生长条件的研究，如水体光补偿深度大于水体深度沉水植物才能生存，而国内至今没有发现综合判断沉水植物恢复工程实施区域的方法。由于湖泊生态修复项目的资金投入相对较高，对环境的人为干预相对较大，因此，投入是否合理正确，对环境产出是否满意，往往是决策者首先要考虑的问题。本发明结果可为浅水湖泊水体沉水植物恢复工程的区域选择及恢复对策提供技术支持。

发明内容

本发明的目的是提出一种确定目标水域沉水植物恢复区域的方法。

为了解决上述技术问题，本发明采用了如下技术方案：一种确定目标水域沉水植物恢复区域的方法，包括以下步骤：

步骤1，针对目标水域确定取样点，在每个取样点测量以下数据：水体深度、烧失量、不同梯度水深光照强度；

步骤2，对于某一取样点，根据该取样点不同梯度水深光照强度通过指数拟合建立光照强度与水深的关系模型，拟合曲线为y＝1521.4e^-3.041x；进而得到该取样点光合有效辐射的衰减系数K＝3.041；

步骤3，利用式(1)计算出该取样点沉水植物种群光补偿深度H_C；

重复步骤2～3，计算出所有取样点沉水植物种群光补偿深度H_C；

步骤4，沉水植物恢复的评估标准，LOI为烧失量的含量，Q_i为沉水植物光补偿深度与水体深度的比值；Q_i≥1为优，Q_i在0.75～1之间为中，Q_i≤0.75为差；LOI≤5％为优，LOI在5％～8％之间为中，LOI≥8％为差；

步骤5，利用地理信息系统的空间插值分析模块对Q_i、LOI进行空间插值使其覆盖到水域中未采样区域，制作LOI、Q_i矢量的专题图；

步骤6，利用地理信息系统的空间插值分析模块，将各专题图进行叠加，得到9种组合；选取Q_i≥1且LOI≤5％的区域定义为沉水植物种群恢复的“适宜区”；将Q_i≥1且5％<LOI<8％或者LOI≤5％且0.75<Q_i<1的区域定义为沉水植物种群恢复的“过渡区”，只有通过适当的工程措施改善后才能恢复沉水植物；将其它区域定义为“暂不适宜区”；其中，所述“适宜区”为优先恢复的区域。

进一步，所述空间插值方法为反距离加权平方。

本发明的另一种确定目标水域沉水植物恢复区域的方法，包括以下步骤：

步骤1，针对目标水域确定取样点，在每个取样点测量以下数据：水体深度、烧失量、不同梯度水深的光照强度；

步骤2，对于某一取样点，根据该取样点不同梯度水深光照强度通过指数拟合建立光照强度与水深的关系模型，拟合曲线为y＝1521.4e^-3.041x；进而得到该取样点光合有效辐射的衰减系数K＝3.041；

步骤3，利用式(1)计算出该取样点沉水植物种群光补偿深度H_C；

重复步骤2～3，计算得到对部分取样点的沉水植物种群光补偿深度，对部分取样点的透明度与沉水植物种群光补偿深度进行曲线拟合，拟合模型的通式为：H_C＝A×SD+B，式中，SD为透明度，H_C为沉水植物种群光补偿深度，得到A，B常数的具体数值；然后根据H_C＝A×SD+B和其它取样点的透明度求出其它取样点的沉水植物种群光补偿深度；

步骤4，沉水植物恢复的评估标准，LOI为烧失量，Q_i为沉水植物光补偿深度与水体深度的比值；Q_i≥1为优，Q_i在0.75～1之间为中，Q_i≤0.75为差；LOI≤5％为优，LOI在5％～8％之间为中，LOI≥8％为差；

步骤5，利用地理信息系统的空间插值分析模块对Q_i、LOI进行空间插值使其覆盖到水域中未采样区域，制作LOI、Q_i矢量的专题图；

步骤6，利用地理信息系统的空间插值分析模块，将各专题图进行叠加，得到9种组合；选取Q_i≥1且LOI≤5％的区域定义为沉水植物种群恢复的“适宜区”；将Q_i≥1且5％<LOI<8％或者LOI≤5％且0.75<Q_i<1的区域定义为沉水植物种群恢复的“过渡区”，只有通过适当的工程措施改善后才能恢复沉水植物；将其它区域定义为“暂不适宜区”；其中，所述“适宜区”为优先恢复的区域。

进一步，空间插值方法为反距离加权平方。

与现有技术相比，本发明的有益效果在于：沉水植物种群恢复的区域具有明确的边界，可操作性强；恢复区域具有阶梯性，可优先恢复“适宜区”，等透明度、底泥等条件允许后，再恢复“过渡区”，因此发明的指导性强；通过该方法体系可以科学、合理的确定不同种群沉水植物恢复范围，使生态恢复工程更具有针对性。本方法所获得结果具有恢复区域明确、边界清晰、指导性强等显著效果，并且此方法体系科学原理清晰、可进入标准化程序，便于在行业内推广，具有重要的现实意义。

附图说明

此处所说明的附图用来提供对本发明的进一步理解，构成本申请的一部分，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：

图1为本发明确定目标水域沉水植物恢复区域的方法的流程图；

图2为蠡湖采样点布设示意图；

图3为某一取样点水下光合有效辐射的拟合曲线；

图4为光补偿深度与透明度的相互关系；

图5为蠡湖光补偿深度与水体深度的比值的空间分布图；

图6为蠡湖烧失量的空间分布图；

图7为蠡湖沉水植物恢复分类图。

具体实施方式

下面结合具体实施例对本发明作进一步详细描述，但不作为对本发明的限定。

本发明提出的确定目标水域沉水植物恢复区域的方法，是从水体沉水植物恢复工程的实际需要出发，基于底泥有机质的空间分布特征，不同沉水植物的光补偿点，沉水植物光补偿深度与湖体水深比值，利用地理信息系统将点状实测数据通过插值获取空间上连续的矢量数据，并以此数据为基础，通过矢量数据的相互叠加，最终较为精确的确定拟开展不同沉水植物恢复工程的范围。

本发明的术语“沉积物”，也称为“底泥”，指黏土、泥沙、有机质及各种矿物的混合物，经过长时间物理、化学、生物等作用及水体传输而沉积于水体底部所形成。

本发明的术语“沉水植物种群光补偿深度(H_C)”，即光合作用与呼吸作用平衡时的水体深度，也是水柱净初级生产力刚好为零的深度。

本发明的术语“透明度”，是描述湖泊光学的一个重要参数，能直观反映湖水清澈和混浊程度，一般用塞氏盘(Secchi Disc)进行测量。

本发明的术语“烧失量(LOI)”，是反映沉积物中有机质含量多少的一个指标，一般采用在550℃高温下灼烧法来测定。

实施例

本实施例利用本发明的方法确定蠡湖沉水植物恢复区域。具体流程参见图1：

第1步，历史和现状资料调查。20世纪60年代及以前，蠡湖水草茂盛，清澈见底，沉水植物的优势种为菹草、狐尾藻、苦草等，而现状仅有零星的金鱼藻、菹草和黑藻分布。说明蠡湖沉水植物恢复在理论上是可行的，重点恢复到优势种为狐尾藻、伊乐藻、金鱼藻、黑藻、微齿子菜、苦草等。

第2步，设计取样方案并开展样品采集，主要包括采样点布设、采样频率和样品的采集和分析方法。

1)采样点布设。以系统布点中网格布点为主，同时在河口适当加密。共计在蠡湖布设64个采样点，如附图2所示。

2)采样频率。条件较好且沉水植物恢复工程还处于规划阶段，采用每月采样或者每季度采样，条件不允许或者急于实施沉水植物恢复工程的采用单次采样。本实施例为单次采样。

3)水体深度采用测杆法或者利用水深测定仪测定，透明度采用塞氏盘进行测量，烧失量采用550℃高温下灼烧法来测定；不同梯度水深的光照强度采用光照强度测试仪进行测量。

第3步，光补偿深度的确定。

1)光合有效辐射的衰减系数确定。梯度设计方案为距离水面：0m、0.05m、0.1m、0.2m、0.3m、0.4m、0.5m、0.6m、0.7m、0.8m、0.9m、1.0m、1.1m、1.2m、1.3m、1.4m、1.5m、1.6m、1.7m、1.8m、1.9m、2.0m。实测各采样点不同水深处的光合有效辐射，采用所测定的光合有效辐射对水深做指数拟合，得到该点位水体的光合有效辐射的衰减系数K，如图3所示。

通过曲线拟合，得到光合有效辐射对水深的拟合曲线为y＝1521.4e^-3.041x，式中，3.041为光合有效辐射的衰减系数，即K。

2)沉水植物种群光补偿深度的确定。通过公式计算光补偿深度(H_c)为1.51m。重复以上拟合和计算步骤，得到部分采样点的光合有效辐射的衰减系数和沉水植物种群光补偿深度。

3)由于沉水植物种群光补偿深度的测定步骤较为繁琐，而透明度的测定较为简单，可利用各监测点的透明度与求得的光补偿深度进行分析，建立光补偿深度与透明度的关系模型，用于计算某一时期内的平均值。对部分采样点的透明度与沉水植物种群光补偿深度进行曲线拟合，拟合模型的通式为：H_C＝A×SD+B，式中，SD为透明度，H_C为沉水植物种群光补偿深度，得到A，B常数的具体数值；然后根据H_C＝A×SD+B和其它采样点的透明度求出其它采样点的沉水植物种群光补偿深度；本次拟合结果为光补偿深度是透明度的3.145倍，如图4所示。H_C＝3.145×SD。

第4步，构建评估体系。

1)评价指标的确定，本专利主要考虑底泥污染特征指标、沉水植物种群光补偿深度与水体深度的比值指标，其中底泥污染特征指标主要考虑代表沉积物有机质的指标烧失量(LOI)，沉水植物光补偿深度与水体最深深度的比值定义为Q_i。

2)评价标准的确定。

评估标准见表1。

表1沉水植物恢复的评估标准

第5步，根据专题图，对恢复区域进行分类。

1)利用地理信息系统的空间插值分析对Q_i、LOI进行空间插值使其覆盖到水域中未采样区域，制作蠡湖的LOI、Q_i矢量专题图，如图6和图5所示；

2)对拟恢复区域进行分类。利用地理信息系统的空间分析模块，将各专题图进行叠加，得到9种组合；选取Q_i≥1且LOI≤5％的区域定义为沉水植物种群恢复的“适宜区”，该“适宜区”为优先恢复的区域；将Q_i≥1且5％<LOI<8％或者LOI≤5％且0.75<Q_i<1的区域定义为沉水植物种群恢复的“过渡区”，只有通过适当的工程措施改善透明度、底泥有机质含量等条件后才能恢复沉水植物；将其它区域定义为“暂不适宜区”，如图7所示。

以上实施例仅为本发明的示例性实施例，不用于限制本发明，本发明的保护范围由权利要求书限定。本领域技术人员可以在本发明的实质和保护范围内，对本发明做出各种修改或等同替换，这种修改或等同替换也应视为落在本发明的保护范围内。

Claims (4)

1.一种确定目标水域沉水植物恢复区域的方法，包括以下步骤：

步骤1，针对目标水域确定取样点，在每个取样点测量以下数据：水体深度、烧失量、不同梯度水深的光照强度；

步骤2，对于某一取样点，利用该取样点不同梯度水深光照强度通过指数拟合建立光照强度与水深的关系模型，拟合曲线为y＝1521.4e^-3.041x；进而得到该取样点光合有效辐射的衰减系数K＝3.041；

步骤3，利用式(1)计算出该取样点沉水植物种群光补偿深度H_C；

$H_C=\frac{4.605}{K}---\left(1\right)$

重复步骤2～3，计算出所有取样点沉水植物种群光补偿深度H_C；

步骤4，沉水植物恢复的评估标准，LOI为烧失量的含量，Q_i为沉水植物光补偿深度与水体深度的比值；Q_i≥1为优，Q_i在0.75～1之间为中，Q_i≤0.75为差；LOI≤5％为优，LOI在5％～8％之间为中，LOI≥8％为差；

步骤5，利用地理信息系统的空间插值分析模块对Q_i、LOI进行空间插值使其覆盖到水域中未采样区域，制作LOI、Q_i矢量的专题图；

步骤6，利用地理信息系统的空间插值分析模块，将各专题图进行叠加，得到9种组合；选取Q_i≥1且LOI≤5％的区域定义为沉水植物种群恢复的“适宜区”；将Q_i≥1且5％<LOI<8％或者LOI≤5％且0.75<Q_i<1的区域定义为沉水植物种群恢复的“过渡区”，只有通过适当的工程措施改善后才能恢复沉水植物；将其它区域定义为“暂不适宜区”；其中，所述“适宜区”为优先恢复的区域。

2.根据权利要求1所述确定目标水域沉水植物恢复区域的方法，其特征在于，空间插值方法为反距离加权平方。

3.一种确定目标水域沉水植物恢复区域的方法，包括以下步骤：

步骤1，针对目标水域确定取样点，在每个取样点测量以下数据：水体最深深度、烧失量、不同梯度水深光照强度；

步骤2，对于某一取样点，根据该取样点不同梯度水深光照强度通过指数拟合建立光照强度与水深的关系模型，拟合曲线为y＝1521.4e^-3.041x；进而得到该取样点光合有效辐射的衰减系数K＝3.041；

步骤3，利用式(1)计算出该取样点沉水植物种群光补偿深度H_C；

$H_C=\frac{4.605}{K}---\left(1\right)$

重复步骤2～3，计算得到部分取样点的沉水植物种群光补偿深度，对部分取样点的透明度与沉水植物种群光补偿深度进行曲线拟合，拟合模型的通式为：H_C＝A×SD+B，式中，SD为透明度，H_C为沉水植物种群光补偿深度，得到A，B常数的具体数值；然后根据H_C＝A×SD+B和其它取样点的透明度求出其它取样点的沉水植物种群光补偿深度；

步骤4，沉水植物恢复的评估标准，LOI为烧失量，Q_i为沉水植物光补偿深度与水体最深深度的比值；Q_i≥1为优，Q_i在0.75～1之间为中，Q_i≤0.75为差；LOI≤5％为优，LOI在5％～8％之间为中，LOI≥8％为差；

步骤5，利用地理信息系统的空间插值分析模块对Q_i、LOI进行空间插值使其覆盖到水域中未采样区域，制作LOI、Q_i矢量的专题图；

步骤6，利用地理信息系统的空间插值分析模块，将各专题图进行叠加，得到9种组合；选取Q_i≥1且LOI≤5％的区域定义为沉水植物种群恢复的“适宜区”；将Q_i≥1且5％<LOI<8％或者LOI≤5％且0.75<Q_i<1的区域定义为沉水植物种群恢复的“过渡区”，只有通过适当的工程措施改善其透明度、底泥有机质含量后才能恢复沉水植物；将其它区域定义为“暂不适宜区”；其中，所述“适宜区”为优先恢复的区域。

4.根据权利要求3所述确定目标水域沉水植物恢复区域的方法，其特征在于，空间插值方法为反距离加权平方。