CN109993440B - 一种清洁能源为退化湿地应急补水的方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种清洁能源为退化湿地应急补水的方法，具体包括以下步骤：1).根据当地水文条件确定补水水源；2).根据当地地形条件确定补水位置；3).根据湿地修复目标确定最小生态补水量和补水时机；4).根据当地风能太阳能水资源缺口确定风力提水机和太阳能风能一体化水泵的功率和规格；5).现场安装补水设备并根据现场检测数据确定补水方案，实施精准补水；6).跟踪检测评估补水效果。本发明能针对附近存在地表水源或者地下水水源的缺水湿地，耦合太阳能和风能提水设备，并根据优势植被和水鸟不同阶段对湿地水分需求的季节性差异，确定最佳补水时机和补水量，以达到精准、生态和高效补水的目的。

Description

一种清洁能源为退化湿地应急补水的方法

技术领域

本发明属于生态保护技术领域，尤其涉及一种清洁能源为退化湿地应急补水的方法。

背景技术

首先，随着城市化建设以及农业用水需求的增加，多数湿地的给水量已逐步降低，导致湿地面积缩减、功能退化。认识不同湿地在不同季节的供水需求、以及研究切实可行的补水方法是科学调控水资源、维护湿地的生态健康的关键因素。

从节能减排的角度看，太阳能、风能是“零”排放、“零”污染，具有良好的环境效益。目前已形成了光伏水利系列产品，比如光伏提水系统(或称光伏扬水系统)，广泛应用于光伏农林灌溉、光伏荒漠治理、光伏草原畜牧、光伏生活用水、光伏海水淡化、光伏城市水景等领域，但在生态保护方面的应用还很罕见。

其次，目前湿地生态补水一般采用重力漫灌的粗放方式，需水量大，效率较低。采用新建输水管线或燃油水泵就近抽取地表或地下水，或者靠兴建距离输水管渠漫灌补水，实现粗放漫灌方式生态补水，成本高、效率低且环境不友好。

漫灌对水资源的浪费尤其严重，需要较多的劳动力，并且容易造成地下水位抬高，导致土壤盐碱化。此外，漫灌也容易造成有的地方水多，有的地方水不足的现象。

最后，目前还没有将清洁能源用于湿地生态系统补水的方案，将相似的思路用于其它领域的案例见“一种基于太阳能与风能互补供电的净水设备(CN201710553865)”；但是这种设备只是利用清洁能源对水质进行净化，并未应用于生态补水。如“城市小型河流生态补水调度方法及系统(CN201410226487.5)”、“基于小波多尺度变换的湖泊生态补水方法(CN201010182787.X)”以上专利也只是对湖泊和河流进行补水，而利用清洁能源对湿地进行补水极为少见等。

发明内容

本发明的目的在于解决上述现有技术存在的缺陷，提供一种清洁能源为退化湿地应急补水的方法，针对附近存在地表水源或者地下水水源的缺水湿地，耦合太阳能和风能提水设备，并根据优势植被和水鸟不同阶段对湿地水分需求的季节性差异，确定最佳补水时机和补水量，以达到精准、正态和高效补水之目的。

本发明采用如下技术方案：

一种清洁能源为退化湿地应急补水的方法，包括

步骤1.根据当地水文条件确定补水水源，水源地可以是海拔低于补水目标湿地的地表水或者地下水；

步骤2.根据当地地形条件确定补水位置，根据水源地和补水目标湿地之间的直线距离，结合可搭建提水设备基座的地形确定设备安装位置和补水管线铺设路线，尽量减少输水过程中的损耗；

步骤3.根据湿地修复目标和历史水文气象数据，以现有植被生命周期和关键水鸟栖息地水深需求为依据确定最小生态补水量和补水时机；

补水目标湿地的最小生态补水量采用公式W＝E–P+H+G逐月计算，式中，W为植被最小生态需水量，E为湿地蒸散发量，P为降水量，H为满足关键水鸟不同繁殖觅食阶段对湿地积水深度要求的补水量，G为下渗量；计算面积边界以现有湿地边界为基础；

若前一个月发生了旱情，则当月的生态需水量必须将恢复多年平均淹水面积和水深的额外耗水量考虑进去；补水时机综合考虑用水缺口最大的月份和优势植被和关键水鸟生长生活阶段的季节性，在水源可保障的前提下三者重叠即为最佳补水时间段。

步骤4.根据补水湿地逐月用水量缺口，确定风力提水机和太阳能风能水泵的功率和规格；

步骤5.订购并现场安装补水设备，包括风力提水机和太阳能一体化水泵；

步骤6.根据补水目标湿地面积、地表水位和土壤水分的现场监测结果，确定补水方案，实施精准补水，并跟踪监测水文状况的改善和植被水鸟动态，评估补水效果。

本发明进一步的技术方案是，为减少蒸发，补水尽量在夜间进行。

本发明的有益效果：

本发明针对附近存在的地表水源或者地下水源的缺水湿地，耦合太阳能和风能提水设备，并根据植被和水鸟不同阶段对湿地水分需求的季节性差异，确定最佳补水时机和补水量，以达到精准、生态和高效补水的目的。

附图说明：

图1为芦苇补水前后株高、株密度、地上生物量对比图

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面对本发明中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，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作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

一种清洁能源为退化湿地应急补水的方法，包括

步骤1.根据当地水文条件确定补水水源，水源地可以是海拔低于补水目标湿地的地表水或地下水；

步骤2.根据当地地形条件确定补水位置，根据水源地和补水目标湿地之间的直线距离，结合可搭建提水设备基座的地形确定设备安装位置和补水管线铺设路线，尽量减少输水过程中的损害。

补水位置的确定：具体为通过卫星图像分析目标湿地的植物覆盖率，同时分析冬季积雪覆盖面积，根据积雪覆盖面积和植物覆盖率选择4个约1km²的退化湿地局部区域，并现场测量这些区域的地形、随后根据地形分析确定局部集水区边界和面积。在输水管线建设成本无显著差异的情况下，补水位置根据集水区与水源地之间的最小距离点确定。

局部集水区的可取水量拟通过简化水量平衡(降雨+降雪-升华-蒸发)来估算，由于采用提水设备提水，从湿地地表向下渗水的渗透量可忽略。

步骤3.根据湿地修复目标和历史水文气象数据，以现有植被生命周期和关键水鸟(关键水鸟主要是指受国家重点保护的湿地水鸟类，在不同的湿地其种类也可能不同)栖息地水深需求为依据确定最小生态补水量和补水时机；

补水目标湿地的最小生态补水量采用公式W＝E–P+H+G逐月计算，式中，W为植被最小生态需水量，E为湿地蒸散发量，P为降水量，H为满足关键水鸟不同繁衍觅食阶段对湿地集水深度要求的补水量，G为下渗量，计算面积边界以现有湿地边界为基础。

湿地蒸散发量E，降水量P，下渗量G，满足关键水鸟不同繁衍觅食阶段对湿地集水深度要求的补水量H的计算均会用到湿地面积，计算公式在上面已给出。

目标湿地面积，以下公式计算均会用到目标湿地面积，而在计算湿地面积时以现有湿地边界为基础。

E＝10×ΣA_i×E_i；此处A_i为目标湿地面积(km²)，E_i为目标湿地每年蒸散发量(mm)；

P＝10³×A×p；此处A为目标湿地面积(km²)，p为目标湿地每年降水量(mm)；

G＝10⁶×Σ(1+H/Zr)×k×A×T；H为平均积水深度(m)，Zr为潜水位埋深(m)，k为土壤饱和导水率(m/d)，A为目标湿地面积(km²)，T为时间间隔(d)；

H＝ε×A×h式中；ε为目标湿地水面面积百分比，根据不同分区和湿地特征来确定，A为目标湿地面积(km²)，h为湿地地表水平均水深(mm)；

如前一个月发生了旱情，则当月的生态需水量必须将恢复多年平均淹水面积和水深的额外耗水量考虑；补水时机综合考虑用水缺口最大的月份和优势植被和关键水鸟生长生活阶段的季节性，在水源可保障的前提下二者重叠即为最佳补水时机。

若未发生旱情，则补水正常进行；

若前一个月发生汛情，补水停止进行，当湿地出水量降至湿地最小生态需水量以下时，则开始向湿地进行补水。

步骤4.根据补水湿地逐月用水量缺口，确定风力提水机和太阳能或风能水泵的功率和规格。

用水量缺口即为每月需要的补水量，月补水量为补水总量除补水月份的数量所得到数值。结合当地风力强度、风车直径以及提水高度反推出所需要的风力提水装置的配置。

光伏提水主要是根据光照强度转化为电能，根据每日发电量决定提水量，反之，根据逐月用水量缺口可以得出光伏发电装置所需配置，而且它们的配置也决定了需要配置太阳能风能水泵的规格。

步骤5.订购并现场安装补水设备，包括风力提水机(如铁人风车)和太阳能风能一体化水泵。

步骤6.根据补水目标湿地面积、地表水位和土壤水分的现场检测结果，确定补水方案，实施精准补水，并跟踪检测水温状况的改善和植被水鸟动态，评估补水效果。

精准补水主要根据湿地面积，地表水位、土壤水分的监测结果确定补水量，除去降水汛期以封冻期不给予补水，其余月份补水正常进行，月补水量为补水总量除补水月份的数量所得到的数值。

补水量与补水时间预计将影响湿地植物覆盖率与生物量。每平方米的植物主茎数量、高度和根、茎、叶重量将在每年的3、7和10月测量，参照卫星图像分析验证生态补水对湿地植物量的影响效果。

本发明进一步的技术方案是，为减少蒸发，补水尽量在夜间进行。

实施例

本技术方案应用于吉林省大安市牛心套国家湿地公园，通过整合光伏发电泵水技术和风力机械提水技术，基于不同生命阶段/周期植物对土壤水分的需求，根据自动气象站对降水、蒸发和土壤分层水分的连续定位检测数据，从而确定最小补水量和最佳补水时机，开展风光互补的退化湿地精准补水技术示范，达到环境友好，节能、节水的目标。

牛心套国家湿地公园地处松嫩平原西部，植被主要以芦苇为主，太阳能达到三级水平(5048MJ/m²)以上，年平均日照2780h，此外风能资源也较为丰富，风功率密度达到4级以上；

步骤1.通过多次现场考察，决定采用地下水作为补水水源，为了改善地下水水质，先利用风力提水机和太阳能风能水泵通过地下水井提水到附近鱼塘，曝氧升温后再流向缺水湿地。

由于地下水含氧量偏低，曝氧升温可以向水中输送氧气并且还有加速将水中可挥发的物质带出水面的作用。并且由于夏天地下水的温度较低，升温以后再进入湿地不会危害湿地里的水生生物。

步骤2.根据初步的监测数据(表1)，实施结果表明，湿地逐月用水量季节差异显著，最佳补水时机为春汛结束夏汛到来之前和黑翅长脚鹬繁殖期(5-8月左右)。

表1牛心套保湿地水文监测数据/mm

步骤3.牛心套保国家湿地公园位于大安市西南部，是大安与通榆县、洮南市的交界处，北为著名的姜家甸草场。根据遥感影像所获取的植被分布图和国家湿地公园管理局湿地恢复规划，确定补水位置，地理坐标为北纬45°14’，东经123°21’，植被类型主要以芦苇群落为主。根据湿地逐月生态需水量缺口，逐月设置阶梯式补水流量如表2所示。

表2牛心套保国家湿地最小适宜生态环境需水量/10⁶m³

步骤4.根据最大需水量缺口和当地光照风力的季节变化，配置太阳能风能水泵：太阳能板3000W、配套电池、控逆一体机等，配置1000W水泵两台；

风力提水机(铁人风车)：高度20m，直径2.4m，最大扬程12m，出水流量受风力制约；

步骤5.订购并现场安装补水设备，包括风力提水机和太阳能一体化水泵；

步骤6.：2台水泵和铁人风车同时启动或部分启动，实现节能精准补水，在连续晴天无降雨的情况下通过集中连续补水，补水面积为3200hm²，补水月份为5、6、7、8月，补水完成以后，经过对芦苇的株高、株密度以及地上生物量进行单因素方差分析发现，补水前后芦苇生长状况显著具有显著差异，补水后芦苇生长状况显著优于补水前，并在补水后第三个月芦苇生长最佳，如图1所示。

最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。

Claims (2)

1.一种清洁能源为退化湿地应急补水的方法，其特征在于：包括

步骤1.根据当地水文条件确定补水水源；

水源地可以是海拔低于补水目标湿地的地表水或者地下水；

步骤2.根据当地地形条件确定补水位置，根据水源地和补水目标湿地之间的直线距离，结合可搭建提水设备基座的地形确定设备安装位置和补水管线铺设路线，尽量减少输水过程中的损耗；

补水位置为通过卫星图像分析目标湿地的植物覆盖率，同时分析冬季积雪覆盖面积，根据积雪覆盖面积和植物覆盖率选择4个约1km²的退化湿地局部区域，并现场测量这些区域的地形、随后根据地形分析确定局部集水区边界和面积；

局部集水区的可取水量拟通过简化水量平衡来估算，由于采用提水机的提水，从湿地地表向地下水的渗透量可忽略；

步骤3.根据湿地修复目标和历史水文气象数据，以现有植被生命周期和关键水鸟栖息地水深需求为依据确定最小生态补水量和补水时机；

补水目标湿地的最小生态补水量采用公式W＝E–P+S+G逐月计算，式中，W为植被最小生态需水量，E为湿地蒸散发量，P为降水量，S为满足关键水鸟不同繁殖觅食阶段对湿地积水深度要求的补水量，G为下渗量；计算面积边界以现有湿地边界为基础；

目标湿地面积，以下公式计算均会用到目标湿地面积，而在计算湿地面积时以现有湿地边界为基础：

E＝10×ΣA_i×E_i；此处A_i为目标湿地面积km²，E_i为目标湿地每年蒸散量mm；P＝10³×A×p；此处A为目标湿地面积km²，p为目标湿地每年降水量mm；

G＝10⁶×Σ(1+H/Zr)×k×A×T；H为平均积水深度m，Zr为潜水位埋深m，k为土壤饱和导水率m/d，A为目标湿地面积km²，T为时间间隔d；

H＝ε×A×h式中：ε为目标湿地水面面积百分比，根据不同分区和湿地特征来确定，A为目标湿地面积km²，h为湿地地表水平均水深mm；

若前一个月发生了旱情，则当月的生态需水量则考虑恢复多年平均淹水面积和水深的额外耗水量；补水时机综合考虑用水缺口最大的月份和优势植被和关键水鸟生长生活阶段的季节性，在水源可保障的前提下三者重叠即为最佳补水时间段；

若没有发生旱情，补水正常进行；

若前一个月发生了汛情，补水停止进行，当湿地出水量降至湿地最小生态需水量以下时，则开始向湿地进行补水；

步骤4.根据补水湿地逐月用水量缺口，确定风力提水机和太阳能风能水泵的功率和规格；

步骤5.订购并现场安装补水设备，包括风力提水机和太阳能一体化水泵；

步骤6.根据补水目标湿地面积、地表水位和土壤水分的现场监测结果，确定补水方案，实施精准补水，并跟踪监测水文状况的改善和植被水鸟动态，评估补水效果。

2.根据权利要求1所述的一种清洁能源为退化湿地应急补水的方法，其特征在于，步骤6中为减少蒸发，补水宜在夜间进行。

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