CN108876022A - 一种用于确定天然湿地恢复生态环境需水量的计算方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种用于确定天然湿地恢复生态环境需水量的计算方法，包括依据湿地生态水文格局模型将湿地划分出湿地核心区与湿地生态区，获取湿地数据并确定区域范围；依据临界水分条件计算湿地核心区的范围，利用保证生态系统完整性的面积进行表征确定湿地生态区的范围；将湿地恢复生态环境需水量划分为湿地最小生态环境需水量和湿地适宜生态环境需水量，并分区域进行计算，并将所述稀释净化污染物需水量与湿地生物栖息需水量进行比较，取较大的值计入湿地适宜生态环境需水量。本发明在湿地核心区和生态区采用不同的方法计算生态环境需水量，符合湿地最小和适宜生态环境需水量所代表的物理学和生态学意义，使得计算结果更加准确。
Description
技术领域
本发明涉及资源环境领域，具体涉及一种用于确定天然湿地生态环境需水量的计算方法，尤其是针对天然湿地恢复与开发的生态环境需水量的确定，以保障湿地的生态健康和环境稳定。
背景技术
湿地是水陆相互作用形成的独特生态系统，是自然界最富生物多样性的生态景观和人类最重要的生存环境之一。在气候变化和人类活动加剧的背景下，我国湿地面积大幅度减少，生态环境不断恶化，湿地的水文循环遭到严重破坏，湿地趋于干旱化，遭到退化的威胁。湿地是水陆系统相互作用形成的独特生态系统，处于陆地生态系统和水生生态系统之间的过渡带的自然综合体。水是湿地的“血液”，是导致湿地的形成、发展、演替、消亡与再生的关键，是湿地生态系统中潜育化土壤形成的关键，是维持给养湿生生物物种的关键。
湿地生态环境需水是维持其生态系统正常结构和功能的重要基础，合理确定湿地生态环境需水量，利用水文要素对湿地生境进行重塑是维护湿地生态系统健康的必要条件，也是水资源合理配置的必然要求。目前，在生态环境需水方面的研究多集中在河道生态需水方面，包括河道生态需水、河道环境需水以及河道最小生态环境需水量及其计算等。虽然多角度的河道生态环境需水量的计算可以为湿地生态需水研究提供借鉴，但是湿地生态系统与河道生态系统结构存在着显著差异。河道生态需水讨论较多的为河流径流量及断面水文循环特征，生态需水的计算也主要基于多年径流量的分析。而湿地生态需水则主要侧重于湿地植物、湿地土壤和湿地野生生物栖息地的需水规律，突出体现了湿地生态系统作为面域分布的特点。因此，在分析湿地生态需水时，必须从湿地面域特征进行综合考虑，不可以进行简单的套用。
目前湿地生态环境需水研究多停留在概念提出、定性分析上，具体估算方法多以水平衡原理为基础，利用经典的水文计算公式，结合湿地生态系统特征，来估算湿地生态环境需水量。目前此类方法以专利“一种干旱区湖泊湿地生态需水的定量计算方法(申请号201310531072.4)”为代表。大量科研与工程人员在此基础上对湿地生态环境需水量的确定方法进行了进一步的研究，例如专利“一种面向生态服务功能维持的湿地生态需水计算方法(申请号CN201110118182.9)”，将湿地生态系统的复杂特征概化为生态系统服务功能，同时将复杂水文要素简化为关键水文参数进行耦合计算满足生态服务功能的湿地水文要素的阈值范围。然而在计算中，过度重视生态服务价值的估算和关键水文要素的确定，尤其是，生态服务功能的评价是以生态对人类社会提供功能为前提，忽略了湿地生态系统各水文要素与生态要素的自然属性及其相互关系。此外，专利“一种湿地生态层次化需水量分析方法(申请号CN201711026921.5)”，利用遥感方法分离出湿地生态水文结构，分区域、分层次计算湿地生态环境需水量。但是其对湿地生态水文结构的划分简单的依赖遥感影像资料判断水域大小和湿地范围，其划分方法的不具备完整的物理意义，计算结果的生态学效果也不明显。
为保障湿地水文特征的合理稳定与湿地生态系统结构和功能，为天然湿地的恢复与开发提供数据支持，有必要寻找一种能较准确的确定湿地生态环境需水量的方法。
发明内容
本发明的目的是针对目前湿地生态环境需水量确定方法在精确度和实用性上的不足，提出一种用于确定天然湿地恢复生态环境需水量的计算方法，利用湿地水循环过程特点和湿地生态系统格局，建立湿地生态环境需水计算模型，确定天然湿地恢复与开发过程中的生态需水量。
为实现上述目的，本发明提供了一种用于确定天然湿地恢复生态环境需水量的计算方法，所述计算方法包括如下步骤：
步骤S101，构建湿地生态水文格局模型，并依据湿地生态水文格局模型将湿地划分出湿地核心区与湿地生态区；
步骤S102，获取湿地遥感影像数据、生物资料数据、DEM数据及水文气象数据，确定湿地核心区的范围即湿地最小范围与湿地生态区的范围即湿地最适宜范围；
步骤S103，利用最小生态水位和最小生态水位下相应的水面面积来表征确定维持湿地核心区水体存在且不发生劣变的临界水分条件，并依据临界水分条件计算湿地核心区的范围；同时，利用保证生态系统完整性的面积进行表征，确定湿地生态区的范围；
步骤S104，将湿地恢复生态环境需水量划分为湿地最小生态环境需水量即湿地核心区域需水量和湿地适宜生态环境需水量即湿地生态区需水量，并分区域进行计算；
步骤S105，计算稀释和净化湿地污染物的稀释净化污染物需水量，并将所述稀释净化污染物需水量与湿地生物栖息需水量进行比较，取较大的值计入湿地适宜生态环境需水量。
优选地，利用临界水分条件的计算湿地核心区的范围的步骤包括：
利用ArcGIS平台处理DEM数据与湿地水文气象数据，构建水位、水面面积及相应的水量变化过程关系；
计算水位—水面面积变化率曲线，并利用滑动T法或M-K检验法求证真突变点；
选择真突变点处的水位作为湿地最小生态水位，计算最小生态水位下相应的水面面积，并利用ArcGIS平台构建湿地核心区的边界范围即湿地最小范围。
优选地，利用保证生态系统完整性的面积进行表征确定湿地生态区的范围的步骤包括：
当湿地生态系统观测资料较丰富时，根据湿地顶级群落分布发生突变时的湿地面积作为维持湿地生态系统稳定与发展的湿地生态区即湿地最适宜范围；
当湿地生物资料不足以支撑寻求湿地生态系统突变点时，根据不同湿地的关键性物种所需求的最佳生态水位及最佳活动范围来确定湿地生态区的边界范围。
优选地，所述湿地最小生态环境需水量的计算式为：
Wm＝ΔQ+We-Wp-Wb，
式中：ΔQ为核心区水体地表净出水，单位为m3；Wm为湿地最小生态环境需水量，单位为m3；We为湿地水面蒸发耗水量，单位为m3；Wp为湿地水面降雨量，单位为m3；Wb为湿地水体与地下水转化量，单位为m3。
其中，We＝E0·A×103，Wp＝P·A×103，Wb＝k·I·Ab·T；E0为湿地水面蒸发量，单位为mm；P为湿地水面降雨量，单位为mm；A为湿地核心区的水体面积，单位为km2；k为湿地水体渗透系数，其中湿地渗漏入地下水则k为正，地下水补给湿地则k为负，单位为m/d；I为水力坡度；Ab为渗流剖面面积，单位为m2；T为计算时间长度，由湿地所处地区的年内降雨特征确定。
优选地，所述的湿地适宜生态环境需水量的计算式为：
Wf＝ΔQ’+Ww+Wv+Ws+Wa-Wb’，
式中：ΔQ’为湿地地表净出水，单位为m3；Wf为湿地适宜生态环境需水量，单位为m3；Ww为湿地水面耗水量，单位为m3；Wv为湿地植物需水量，单位为m3；Ws为湿地土壤需水量，单位为m3；Wa为湿地生物栖息需水量，单位为m3；Wb’为湿地水体与地下水转化量；
Ww＝Aw·(E0-P)×103，
Wv＝Av·(ET0-P)×103，
Ws＝λ·Hs·As×106，
Wa＝(Aw-A)·H；
其中Aw为湿地水面总面积，单位为km2；E0为湿地水面蒸发量，单位为mm；P为湿地水面降雨量，单位为mm；ET0为湿地植物蒸散发量，单位为mm，计算采用联合国粮农组织(FAO)的潜在蒸发量计算公式Penman-Monteith公式；λ为田间持水系数；Hs为土层厚度，单位为m；As为湿地非水面面积，单位为km2；H为湿地生态区的水面平均水深，单位为m。
优选地，所述稀释净化污染物需水量的计算式为：
Wj＝Σ(α·Qd+β·Qf)×σ，
式中，Wj为稀释净化污染物需水量，单位为m3；Qd为湿地受纳点源污染水量，单位为m3；Qf为湿地受纳点源污染水量，单位为m3；α和β分别为水质达标稀释系数，通过受纳污染水体主要污染物浓度与达标水质主要污染物浓度比值得出；σ为湿地水体稀释净化系数，根据湿地植物生长情况取值0.1～0.3。
优选地，在步骤S105中，考虑稀释净化污染物需水量后，所述的湿地适宜生态环境需水量的最终计算式为：
Wf’＝ΔQ’+Ww+Wv+Ws+Max(Wa，Wj)-Wb’。
基于上述技术方案，本发明的优点是：
本发明的用于确定天然湿地恢复生态环境需水量的计算方法是符合生态学和水文学规律的较准确的确定保障湿地存在和湿地生态系统稳定健康发展的生态环境需水量，其主要优点如下：
首先，本计算方法确定的是湿地生态环境需水量，而不仅仅是湿地补水量，在本计算方法实践中，可根据湿地实际水量及其周边水文、环境状况调整公式参数，使得本计算方法具有广泛适用性。
其次，根据湿地生态水文格局的不同，在核心区和生态区采用不同的方法计算生态环境需水量，符合湿地最小和适宜生态环境需水量所代表的物理学和生态学意义，使得计算结果更加准确。
最后，本计算方法的计算是利用湿地生态环境需水概念型模型将水文学方法和生态学方法耦合得到的，不仅考虑了湿地的水量平衡，还考虑了湿地生态系统本身维持并发挥一定生态环境功能的需求，可为今后湿地的恢复和开发提供一定的水量依据。
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为湿地生态环境需水量的计算思路示意图；
图2为用于确定天然湿地恢复生态环境需水量的计算方法的步骤图；
图3为湿地生态环境需水概念性模型的区域划分模型表。
具体实施方式
下面通过附图和实施例，对本发明的技术方案做进一步的详细描述。
本发明提供了一种基于湿地水循环过程及湿地生态系统格局演变的湿地生态环境需水量计算方法。其根据湿地水循环过程的水情要素变化情况及湿地生态水文结构格局，确定天然湿地径流场和生物多样性场并将其耦合分析，计算支撑湿地生态系统稳定的临界水分条件，从而得出湿地的生态环境需水。所谓径流场，是指湿地内水分运动的空间；而以湿地水源为中心，在具有不同生境的水域活动及影响范围内，形成一个生物多样性场，即湿地生物分布空间。在湿地中各种生物都在一个相对固定的范围生存繁衍，在适宜的生境条件下形成生物链。径流场与生物多样性场组成湿地独特的水文与生态结构，湿地生态系统的稳定、发展以及演替与湿地径流场和生物多样性场的长期相互作用直接相关。
根据上述理论背景，本发明的计算方法需首先建立天然湿地生态环境需水概念模型，然后再根据模型分区进行不同湿地区域的生态环境需水量确定。本发明的计算方法根据湿地水循环过程和湿地生态系统特征，将湿地分为湿地核心区及湿地生态区，进而得到湿地生态环境需水概念性模型即湿地生态水文格局模型，如图3所示。
如图1所示，本发明的湿地生态环境需水量的计算思路如下：
湿地核心区是水源的中心，是湿地水生及两栖动物的在恶劣水分条件下的生存的避难所，是支撑湿地存在的必要条件，也是维持目标水体存在且不发生劣变的临界水分条件。临界水分条件可以用最小生态水位和最小生态水位下相应的水面面积来表征，维持此临界水分条件所需要补充的水分为湿地的最小生态需水量。
湿地生态区是湿地生物的拓展空间，在水分条件的正扰动下，湿地的水域空间在生态区域内波动，促进陆地生态系统和水生态系统的物质能量交换，引起生物多样性的变化。支撑湿地生态区的水分条件为适宜生态需水，适宜生态需水也可以用适宜生态水位和适宜水面面积来表示，维持此适宜水分条件所需要补充的水量为适宜生态需水量。
具体地，根据上述天然湿地生态环境需水量计算的思路，可按以下的步骤方法进行湿地生态环境需水量的确定。如图2所示，用于确定天然湿地恢复生态环境需水量的计算方法包括如下步骤：
步骤S101，构建湿地生态水文格局模型，并依据湿地生态水文格局模型将湿地划分出湿地核心区与湿地生态区；
步骤S102，获取湿地遥感影像数据、生物资料数据、DEM数据及水文气象数据，确定湿地核心区的范围即湿地最小范围与湿地生态区的范围即湿地最适宜范围；
步骤S103，利用最小生态水位和最小生态水位下相应的水面面积来表征确定维持湿地核心区水体存在且不发生劣变的临界水分条件，并依据临界水分条件计算湿地核心区的范围；同时，利用保证生态系统完整性的面积进行表征，确定湿地生态区的范围；
步骤S104，将湿地恢复生态环境需水量划分为湿地最小生态环境需水量即湿地核心区域需水量和湿地适宜生态环境需水量即湿地生态区需水量，并分区域进行计算；
步骤S105，计算稀释和净化湿地污染物的稀释净化污染物需水量，并将所述稀释净化污染物需水量与湿地生物栖息需水量进行比较，取较大的值计入湿地适宜生态环境需水量。
湿地生态环境需水量计算模型构建：
湿地最小生态环境水量与湿地适宜生态环境需水量确定。湿地最小生态环境水量是指保证湿地生态系统处于健康状态而不存在劣变风险的临界水量，上述湿地状态可由湿地最小生态水位表征。湿地适宜生态环境需水量是指湿地能够实现其最优生态服务功能目标的需水量，上述湿地状态可由湿地典型物种适生水位表征。因此，针对湿地最小生态环境需水量和适宜生态环境需水量的计算应采取不同的方法分别计算。
资料准备与湿地范围划分。根据上述步骤，可将整个湿地范围划分为湿地核心区和湿地生态区。湿地核心区即湿地最小生态水位范围，湿地生态区即湿地最适宜范围。利用DEM数据、水文数据、水系数据和遥感数据分析湿地临界水分条件，并依据临界水分条件计算湿地核心区的范围；在此基础上，结合湿地生态系统调查数据确定湿地生态区，即湿地生态系统最适宜的范围。
之后，计算湿地核心区域需水量和湿地适宜生态环境需水量，即湿地最小生态环境需水量和湿地适宜生态环境需水量：
利用上述各类数据，分析湿地生态水文突变点，以湿地生态水文突变点所代表的湿地生态水位和湿地水面面积作为湿地核心区面积，计算湿地最小生态环境需水量。利用上述各类数据，分析湿地生态系统最优状态，以湿地生态系统处于最优状态时的面积作为湿地生态区面积，计算湿地适宜生态环境需水量。
之后，计算稀释和净化湿地污染物的稀释净化污染物需水量，并将所述稀释净化污染物需水量与湿地生物栖息需水量进行比较，取较大的值计入湿地适宜生态环境需水量。
根据湿地生态环境需水概念性模型，确定湿地的核心区和湿地生态区的范围是问题的关键。在确定湿地的核心区和生态区之后，才能准确的计算湿地整体的生态环境需水量。
对于确定的水体而言，其水体形态学特征与其水文学因子存在着较普遍的耦合关系。当湿地水体处于低水位状态时，形态学特征与水文学因子的关系出现突变时，意味着水体生存条件发生由正常到异常的改变，水体将处在濒临危险的临界状态。湿地核心区水体是维持目标水体存在且不发生劣变的临界水分条件。对于湿地而言，临界水分条件可以用最小生态水位和最小生态水位下相应的水面面积来表征，其最小生态环境需水量仅考虑维持湿地生态水位所需补充的水量。优选地，利用临界水分条件的计算湿地核心区的范围的步骤包括：
利用ArcGIS平台处理DEM数据与湿地水文气象数据，构建水位、水面面积及相应的水量变化过程关系；所述ArcGIS平台为ArcGIS Desktop软件，该软件为美国ESRI公司开发的GIS信息制作和使用的工具，可以执行专业的地理处理流程，从而发现数据的地理分布模式、相关性以及变化趋势等，为地理学、生态学、地理信息科学等相关学科常用的平台软件。所述DEM数据、遥感数据、生态系统调查数据及湿地水文气象数据可通过科研机构或政府相关部门免费或付费获得。
计算水位—水面面积变化率曲线，并利用滑动T法或M-K检验法求证真突变点。所述滑动T法是一种突变点的检测方法，可用来检验两组随机样本平均值的显著性差异，为此可将一组随机连续变量分成两个子样本序列。如果两端自序列的均值差超过了一定的显著性水平，则认为均值发生了质变，有突变发生。所述M-K检验法即Mann-Kendall突变检验，是由Mann-Kendall秩次相关检验在经过不断完善和改进之后而形成的非参数变点检验方法，具有检测范围宽、定量化程度高的特点，理论意义明确等特点。
选择真突变点处的水位作为湿地最小生态水位，计算最小生态水位下相应的水面面积，并利用ArcGIS平台构建湿地核心区的边界范围即湿地最小范围。
适宜的湿地生态区的特点表现在具备着完善的湿地生态系统，可从生态系统完整性的角度来推求湿地生态区范围。优选地，利用保证生态系统完整性的面积进行表征确定湿地生态区的范围的步骤包括：
当湿地生态系统观测资料较丰富时，根据湿地顶级群落分布发生突变时的湿地面积作为维持湿地生态系统稳定与发展的湿地生态区即湿地最适宜范围；此方法与湿地核心区范围划分所用到的突变检验在方法上是一致的，因而需要较长时间序列的生态、水文观测数据以构建具有长时间的数据序列，进而判断突变点。由于条件限制，生态观测数据的连续性和持续性获取需耗费较多人力物力，往往不易获得，仅在湿地生态系统观测资料较丰富时才能使用。
当湿地生物资料不足以支撑寻求湿地生态系统突变点时，根据不同湿地的关键性物种所需求的最佳生态水位及最佳活动范围来确定湿地生态区的边界范围。所述关键性物种即为生态系统或生物群落中，对维护生物多样性及其结构、功能及稳定性起关键作用，一旦消失或削弱，生态系统或生物群落就会发生根本性变化的物种。如我国吉林省西部的沼泽湿地，其代表性物种为鹤类；我国东南沿海的湿地，其代表性物种为红树林。
湿地核心区水文条件对湿地生态系统的发育演化具有决定性作用，其水位变化极其敏感，湿地核心区必须始终处在最小生态水位以上，才能保证湿地生态系统的稳定。基于此，湿地最小生态环境需水量可不考虑其核心区以外的生态系统状况，仅基于水量平衡原理进行计算。优选地，所述湿地最小生态环境需水量的计算式为：
Wm＝ΔQ+We-Wp-Wb，
式中：ΔQ为核心区水体地表净出水，单位为m3；Wm为湿地最小生态环境需水量，单位为m3；We为湿地水面蒸发耗水量，单位为m3；Wp为湿地水面降雨量，单位为m3；Wb为湿地水体与地下水转化量，单位为m3。
其中，We＝E0·A×103，Wp＝P·A×103，Wb＝k·I·Ab·T；E0为湿地水面蒸发量，单位为mm；P为湿地水面降雨量，单位为mm；A为湿地核心区的水体面积，单位为km2；k为湿地水体渗透系数，其中湿地渗漏入地下水则k为正，地下水补给湿地则k为负，单位为m/d；I为水力坡度；Ab为渗流剖面面积，单位为m2；T为计算时间长度，由湿地所处地区的年内降雨特征确定。
而所述的湿地适宜生态环境需水量的计算式为：
Wf＝ΔQ’+Ww+Wv+Ws+Wa-Wb’，
式中：ΔQ’为湿地地表净出水，单位为m3；Wf为湿地适宜生态环境需水量，单位为m3；Ww为湿地水面耗水量，单位为m3；Wv为湿地植物需水量，单位为m3；Ws为湿地土壤需水量，单位为m3；Wa为湿地生物栖息需水量，单位为m3；Wb’为湿地水体与地下水转化量；
其中，Ww＝Aw·(E0-P)×103，
Wv＝Av·(ET0-P)×103，
Ws＝λ·Hs·As×106，
Wa＝(Aw-A)·H；
其中Aw为湿地水面总面积，，单位为km2；E0为湿地水面蒸发量，单位为mm；P为湿地水面降雨量，单位为mm；ET0为湿地植物蒸散发量，单位为mm，计算采用联合国粮农组织(FAO)的潜在蒸发量计算公式Penman-Monteith公式；λ为田间持水系数；Hs为土层厚度，单位为m；As为湿地非水面面积，单位为km2；H为湿地生态区的水面平均水深，单位为m。
湿地生态系统的稳定和发展，除了需要保证一定量的生态补水之外，还需要有足够的水量来稀释和净化湿地污染物。优选地，所述稀释净化污染物需水量的计算式为：
Wj＝Σ(α·Qd+β·Qf)×σ，
式中，Wj为稀释净化污染物需水量，单位为m3；Qd为湿地受纳点源污染水量，单位为m3；Qf为湿地受纳点源污染水量，单位为m3；α和β分别为水质达标稀释系数，通过受纳污染水体主要污染物浓度与达标水质主要污染物浓度比值得出；σ为湿地水体稀释净化系数。由于湿地净化水质原理的特殊性，水对污染物的稀释净化过程只占污染物净化过程的一部分，还有其他的物理沉淀、化学反应和生物过程等，因而需要根据湿地土壤状况与湿地植物生长情况的不同而选取不同的值。根据相关湿地净化研究文献，通常该值与湿地及其周边范围的植被生长状况反相关，其取值范围一般为0.1～0.3；简单判断方法为，当植被覆盖度低于15％时取0.3，当植被覆盖度高于70％时取0.1，具体取值可采用该地区经验公式或经验数据确定。
需要说明的是，所述稀释净化污染物需水量不直接纳入湿地适宜生态环境需水量之中，而是需要与生物栖息地水体需水量进行比较，取较大的值计入生态环境需水量。优选地，在步骤S105中，考虑稀释净化污染物需水量后，所述的湿地适宜生态环境需水量的最终计算式为：
Wf’＝ΔQ’+Ww+Wv+Ws+Max(Wa，Wj)-Wb’，式中各个字母的含义与上述内容相同，单位也相同。
此时，可根据湿地最小生态环境需水量、湿地适宜生态环境需水量及天然湿地现有水量，根据不同湿地水量保证目标计算得出湿地恢复所需补充水量，或判断在特定补水量的条件下湿地的生态系统状态。
本发明的用于确定天然湿地恢复生态环境需水量的计算方法是符合生态学和水文学规律的较准确的确定保障湿地存在和湿地生态系统稳定健康发展的生态环境需水量，其主要优点如下：
首先，本计算方法确定的是湿地生态环境需水量，而不仅仅是湿地补水量，在本计算方法实践中，可根据湿地实际水量及其周边水文、环境状况调整公式参数，使得本计算方法具有广泛适用性。
其次，根据湿地生态水文格局的不同，在核心区和生态区采用不同的方法计算生态环境需水量，符合湿地最小和适宜生态环境需水量所代表的物理学和生态学意义，使得计算结果更加准确。
最后，本计算方法的计算是利用湿地生态环境需水概念型模型将水文学方法和生态学方法耦合得到的，不仅考虑了湿地的水量平衡，还考虑了湿地生态系统本身维持并发挥一定生态环境功能的需求，可为今后湿地的恢复和开发提供一定的水资源调配依据。
为进一步阐述本发明的用于确定天然湿地恢复生态环境需水量的计算方法，下面以我国东北某湖沼湿地为例，进一步说明本计算方法。
(1)根据湿地水文特征和生态系统格局进行湿地核心区与湿地生态区的划分。
1)利用湿地遥感影像数据、DEM数据及水文数据，基于ArcGIS平台进行运算，得出水位、水面面积及相应的水量变化曲线。利用滑动t检验法，得出当湿地水位处于141.5m时，湿地水位—水面面积变化率曲线出现突变；此时湿地水面面积为340km2，该值即为湿地核心区的面积。
2)根据湿地生态系统评估及生物观测数据可知，该湿地的敏感性指示物种为鹤类；资料分析显示，20世纪80年代中期是鸟类的骤变期，具体选取1986年作为典型年，根据湿地在该年的水位和水面状况确定相应的生态区的面积。根据遥感解译成果，计算得到1986年该湿地的适宜生态面积为1408km2，其中水面面积为751km2，沼泽湿地为657km2。利用ArcGIS平台计算可知，此时湿地生态区的湿地水面平均水深约为0.82m。
(2)湿地最小生态环境需水量计算；根据多年水文和气象资料，当湿地水位位于141.5m附近时，湿地几乎无入流及出流流量。利用公式可知，在湿地核心区的水面面积为340km2的条件下，湿地最小生态环境需水量约为1.06亿m3。
(3)湿地适宜生态环境需水量计算；根据多年水文和气象资料，在湿地的适宜生态面积为1408km2时，湿地入流与出流大致处于相同水平，因此湿地是适宜生态环境需水量根据湿地适宜生态环境需水量的计算公式可计算得出，具体数据为4.20亿m3。其中，湿地生物栖息需水量约为0.8亿m3。而根据湿地补水资料可知，污染物稀释净化需水量为0.2亿m3，取两者的较大者后，则可确定湿地的适宜生态环境需水量即为4.20亿m3。
需要说明的是，本方法计算的最小生态环境需水量和事宜生态环境需水量为保证湿地存在和湿地生态系统功能最优时应达到的多年平均水量。在具体的湿地恢复中，其补水量的确定还需要结合湿地生态水文现状进行计算。
最后应当说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对其限制；尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细的说明，所属领域的普通技术人员应当理解：依然可以对本发明的具体实施方式进行修改或者对部分技术特征进行等同替换；而不脱离本发明技术方案的精神，其均应涵盖在本发明请求保护的技术方案范围当中。
Claims (7)
1.一种用于确定天然湿地恢复生态环境需水量的计算方法，其特征在于：所述计算方法包括如下步骤：
步骤S101，构建湿地生态水文格局模型，并依据湿地生态水文格局模型将湿地划分出湿地核心区与湿地生态区；
步骤S102，获取湿地遥感影像数据、生物资料数据、DEM数据及水文气象数据，确定湿地核心区的范围即湿地最小范围与湿地生态区的范围即湿地最适宜范围；
步骤S103，利用最小生态水位和最小生态水位下相应的水面面积来表征确定维持湿地核心区水体存在且不发生劣变的临界水分条件，并依据临界水分条件计算湿地核心区的范围；同时，利用保证生态系统完整性的面积进行表征，确定湿地生态区的范围；
步骤S104，将湿地恢复生态环境需水量划分为湿地最小生态环境需水量即湿地核心区域需水量和湿地适宜生态环境需水量即湿地生态区需水量，并分区域进行计算；
步骤S105，计算稀释和净化湿地污染物的稀释净化污染物需水量，并将所述稀释净化污染物需水量与湿地生物栖息需水量进行比较，取较大的值计入湿地适宜生态环境需水量。
2.根据权利要求1所述的计算方法，其特征在于：利用临界水分条件的计算湿地核心区的范围的步骤包括：
利用ArcGIS平台处理DEM数据与湿地水文气象数据，构建水位、水面面积及相应的水量变化过程关系；
计算水位—水面面积变化率曲线，并利用滑动t法或M-K检验法求证真突变点；
选择真突变点处的水位作为湿地最小生态水位，计算最小生态水位下相应的水面面积，并利用ArcGIS平台构建湿地核心区的边界范围即湿地最小范围。
3.根据权利要求1所述的计算方法，其特征在于：利用保证生态系统完整性的面积进行表征确定湿地生态区的范围的步骤包括：
当湿地生态系统观测资料较丰富时，根据湿地顶级群落分布发生突变时的湿地面积作为维持湿地生态系统稳定与发展的湿地生态区即湿地最适宜范围；
当湿地生物资料不足以支撑寻求湿地生态系统突变点时，根据不同湿地的关键性物种所需求的最佳生态水位及最佳活动范围来确定湿地生态区的边界范围。
4.根据权利要求1所述的计算方法，其特征在于：所述湿地最小生态环境需水量的计算式为：
Wm＝ΔQ+We-Wp-Wb，
式中：ΔQ为核心区水体地表净出水，单位为m3；Wm为湿地最小生态环境需水量，单位为m3；We为湿地水面蒸发耗水量，单位为m3；Wp为湿地水面降雨量，单位为m3；Wb为湿地水体与地下水转化量，单位为m3。
其中，We＝E0·A×103，Wp＝P·A×103，Wb＝k·I·Ab·T；E0为湿地水面蒸发量，单位为mm；P为湿地水面降雨量，单位为mm；A为湿地核心区的水体面积，单位为km2；k为湿地水体渗透系数，其中湿地渗漏入地下水则k为正，地下水补给湿地则k为负，单位为m/d；I为水力坡度；Ab为渗流剖面面积，单位为m2；T为计算时间长度，由湿地所处地区的年内降雨特征确定。
5.根据权利要求1所述的计算方法，其特征在于：所述的湿地适宜生态环境需水量的计算式为：
Wf＝ΔQ’+Ww+Wv+Ws+Wa-Wb’，
式中：ΔQ’为湿地地表净出水，单位为m3；Wf为湿地适宜生态环境需水量，单位为m3；Ww为湿地水面耗水量，单位为m3；Wv为湿地植物需水量，单位为m3；Ws为湿地土壤需水量，单位为m3；Wa为湿地生物栖息需水量，单位为m3；Wb’为湿地水体与地下水转化量；
其中，Ww＝Aw·(E0-P)×103，
Wv＝Av·(ET0-P)×103，
Ws＝λ·Hs·As×106，
Wa＝(Aw-A)·H；
其中Aw为湿地水面总面积，单位为km2；E0为湿地水面蒸发量，单位为mm；P为湿地水面降雨量，单位为mm；ET0为湿地植物蒸散发量，单位为mm，计算采用联合国粮农组织(FAO)的潜在蒸发量计算公式Penman-Monteith公式；λ为田间持水系数；Hs为土层厚度，单位为m；As为湿地非水面面积，单位为km2；H为湿地生态区的水面平均水深，单位为m。
6.根据权利要求5所述的计算方法，其特征在于：所述稀释净化污染物需水量的计算式为：
Wj＝Σ(α·Qd+β·Qf)×σ，
式中，Wj为稀释净化污染物需水量，单位为m3；Qd为湿地受纳点源污染水量，单位为m3；Qf为湿地受纳点源污染水量，单位为m3；α和β分别为水质达标稀释系数，通过受纳污染水体主要污染物浓度与达标水质主要污染物浓度比值得出；σ为湿地水体净化系数，根据湿地植物生长情况取值0.1～0.3。
7.根据权利要求6所述的计算方法，其特征在于：在步骤S105中，考虑稀释净化污染物需水量后，所述的湿地适宜生态环境需水量的计算式为：
Wf＝ΔQ’+Ww+Wv+Ws+Max(Wa，Wj)-Wb’。
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| PB01 | Publication | ||
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| RJ01 | Rejection of invention patent application after publication | ||
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