CN111639421B - 内陆河流域人工与天然绿洲转化过程与适宜比例研究方法 - Google Patents

内陆河流域人工与天然绿洲转化过程与适宜比例研究方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了内陆河流域人工与天然绿洲转化过程与适宜比例研究方法，具体包括以下步骤：步骤1：绿洲分布及人工和天然绿洲面积提取，步骤2：典型流域人工与天然绿洲面积转化，步骤3：内陆河流域生态输水，步骤4：生态环境质量的量化评价，本发明涉及绿洲转化技术领域。该内陆河流域人工与天然绿洲转化过程与适宜比例研究方法，研究指出，绿洲规模较小，则未能充分利用绿洲的水土资源，从而限制了人类对生产和生活的需求，而规模过大，又会导致绿洲生态环境持续恶化，最终将危及绿洲的存在和发展。总之，绿洲的发展应控制在一定的范围之内，干流模式人工与天然绿洲适宜比例应严格控制在一定的比例范围内。

Description

内陆河流域人工与天然绿洲转化过程与适宜比例研究方法
技术领域
本发明涉及绿洲转化技术领域，具体为内陆河流域人工与天然绿洲转化过程与适宜比例研究方法。
背景技术
绿洲是干旱区特有的景观，是干旱区最为精华的部分，主要依靠外来水资源发展起来，是自然与人工相结合的综合体，根据其发生的机制，可划分为天然绿洲和人工绿洲。其中，天然绿洲分布在干旱区平原由荒漠河岸林和灌丛构成，依靠地下水或洪水漫溢维持生命；人工绿洲是在荒漠或天然绿洲的基础上，经过长期的人类活动发展起来，是人类生存和发展的核心区，包含人工水域、农田、人工园林、村镇和绿洲城市。在资源开发和经济发展的同时，生态环境发生了显著变化，流域上中游开荒引水造田的现象日益严重，“两扩大”和“四缩小”成为流域环境演变的基本模式，即绿洲和沙漠面积扩大，特别是人工绿洲扩张，天然草地、草场、野生动植物栖息地、自然水域减少。
在内陆河流域，社会经济的迅速发展导致人工绿洲急剧扩大，天然绿洲日益萎缩，水资源的消耗过多，天然植被消失过多，天然绿洲和人工绿洲的发展不协调，绿洲生态安全和经济社会的繁荣稳定得不到保障，急需内陆河流域人工与天然绿洲转化过程与适宜比例研究方法为内陆河流域的综合治理提供理论支撑与科学依据。
发明内容
(一)解决的技术问题
针对现有技术的不足，本发明提供了内陆河流域人工与天然绿洲转化过程与适宜比例研究方法，解决了在内陆河流域，社会经济的迅速发展导致人工绿洲急剧扩大，天然绿洲日益萎缩，水资源的消耗过多，天然植被消失过多，天然绿洲和人工绿洲的发展不协调，绿洲生态安全和经济社会繁荣稳定得不到保障的问题。
(二)技术方案
为实现以上目的，本发明通过以下技术方案予以实现：内陆河流域人工与天然绿洲转化过程与适宜比例研究方法，具体包括以下步骤：
步骤1：绿洲分布及人工和天然绿洲面积提取：绿洲提取的过程中将耕地、人工林地、建设用地、水库、人工渠系提取为人工绿洲，将人工绿洲周边的草地、天然林、湖泊、沼泽、滩涂湿地提取为天然绿洲；
步骤2：典型流域人工与天然绿洲面积转化：第一内陆河流域中的人工绿洲和天然绿洲变化，人工绿洲逐年增加，天然绿洲逐年较少；第二内陆河流域中的天然绿的变化，人工绿洲所占比例越来越大，而天然绿洲所占比例越来越小；
步骤3：内陆河流域生态输水：通过干流及支流河径流协调，共计向下游生态输水十四次，十二年间累计输送生态水，随着生态水的不断下泄，沿河一定范围的地下水位随之发生了明显抬升；
步骤4：生态环境质量的量化评价：生态环境现状及动态趋势的年度综合评价，其计算公式如下：EI＝0.25×生物丰富度指数+0.2×植被覆盖度指数+0.2×水网密度指数+0.2×(100-土地退化指数)+0.15×环境质量指数，生物丰富度指数＝Abio×(0.35×林地+0.21×草地+0.28×水域湿地+0.11×耕地+0.04×建设用地+0.01×未利用地)/区域面积，式中Abio为生物丰度指数的归一化系数；
植被覆盖度指数＝Aveg×(0.38×林地+0.34×草地+0.19×耕地+0.07×建设用地+0.02×未利用地)/区域面积，式中Aveg为植被覆盖指数的归一化系数；
水网密度指数＝Ariv×河流长度/区域面积+Alak×湖库(近海)面积/区域面积+Ares水资源量/区域面积，式中Ariv为河流长度的归一化系数，Alak为湖库面积的归一化系数，Ares为水资源量的归一化系数；
土地退化指数＝Aero×(0.05×轻度侵蚀面积+0.25×中度侵蚀面积+0.7×重度侵蚀面积)/区域面积，式中Aero为土地退化指数的归一化系数；
环境质量指数＝0.4×(100-Aso2×SO2排放量/区域面积)+0.4×(100-ACOD×COD排放量/区域年均降雨量)+0.2×(100-Asol×固体废物排放量/区域面积)，式中Aso2为SO2的归一化系数，ASO1为固体废物的归一化系数，ACOD为COD的归一化系数；
步骤5：构建潜水蒸发模型：W＝∑103AiWgikp，W为植被需水量，Ai为植被类型i的面积，Wgi为植被类型i在地下水某一地下水埋深时的潜水蒸发量；
步骤6：构建绿洲适宜规模计算模型：
Figure BSA0000209082540000031
AN为天然绿洲面积，AA为人工绿洲灌溉地面积，包括人工灌溉的农田、林地和草地，AW为人工水域面积，A0为人工绿洲其他土地利用类型面积，包括裸地及建设用地，W为流域可利用水资源总量，W0为流域内非植被耗水量，α、β分别为天然绿洲与人工绿洲灌溉地需水定额，Eφ20为研究区20cm直径蒸发皿睡眠蒸发量，Ep为潜水蒸发轻度，γ为水面蒸发折算系数，取值为0.61。
优选的，所述步骤3中，生态水在输水前必须经过基本过滤处理。
优选的，所述步骤4中，相关数据依靠遥感手段进行提取和更新。
优选的，所述步骤4中，归一系数为内陆河流域生态环境状况修改后适宜于干旱区的参数。
优选的，所述步骤5中，选择潜水蒸发法来间接估算天然植被需水量。
优选的，所述步骤5中，植被的面积通过遥感获得。
优选的，所述步骤6中，构建模型的基本理论为流域水量平衡理论。
(三)有益效果
本发明提供了内陆河流域人工与天然绿洲转化过程与适宜比例研究方法。与现有技术相比，具备以下有益效果：
(1)、该内陆河流域人工与天然绿洲转化过程与适宜比例研究方法，通过步骤1：绿洲分布及人工和天然绿洲面积提取：绿洲提取的过程中将耕地、人工林地、建设用地、水库、人工渠系提取为人工绿洲，将人工绿洲周边的草地、天然林、湖泊、沼泽、滩涂湿地提取为天然绿洲；步骤2：典型流域人工与天然绿洲面积转化：第一内陆河流域中的人工绿洲和天然绿洲变化，人工绿洲逐年增加，天然绿洲逐年较少；第二内陆河流域中的天然绿的变化，人工绿洲所占比例越来越大，而天然绿洲所占比例越来越小；步骤3：内陆河流域生态输水：通过干流及支流河径流协调，共计向下游生态输水十四次，十二年间累计输送生态水，随着生态水的不断下泄，沿河一定范围的地下水位随之发生了明显抬升，通过步骤1、步骤2和步骤3的联合设置，内陆河绿洲能够被划分为三种模式，主要研究对象的内陆河流域属于干流模式，三种模式下典型流域绿洲总面积在近几十年没有太大变化，人工与天然绿洲面积比例呈增加趋势，研究了耕地扩张与天然植枯死的问题，进一步探讨了导致更大面积天然植被逐渐衰败的问题。
(2)、该内陆河流域人工与天然绿洲转化过程与适宜比例研究方法，通过步骤4：生态环境质量的量化评价中生物丰富度指数、植被覆盖度指数、土地退化指数和环境质量指数，通过步骤4的设置，探究了通过遥感卫星获得相关数据的情况下，干旱地区的生态环境状况的发展问题，并且对相关生态环境变化趋势进行了公式级别的预判和综合评价。
(3)、该内陆河流域人工与天然绿洲转化过程与适宜比例研究方法，通过步骤5：构建潜水蒸发模型和步骤6：构建绿洲适宜规模计算模型，通过步骤5和步骤6设置，研究指出，绿洲规模较小，则未能充分利用绿洲的水土资源，从而限制了人类对生产和生活的需求，而规模过大，又会导致绿洲生态环境持续恶化，最终将危及绿洲的存在和发展。总之，绿洲的发展应控制在一定的范围之内，干流模式人工与天然绿洲适宜比例应严格控制在一定的比例范围内。
附图说明
图1为本发明的流程图；
图2为本发明土地利用类型图；
图3为本发明克里雅河流域人工与天然绿洲面积比例图；
图4为本发明渭干-库车河流域人工与天然绿洲面积比例图；
图5为本发明内陆河下游历次生态输水统计图；
图6为本发明英苏断面离河150m处地下水动态特征图；
图7为本发明耕地扩张挤占生态用水后地下水位分布图；
图8为本发明各个项指标归一化系数图；
图9为本发明不同地下水埋深下的系数值图；
图10为本发明河流域天然植被分布图；
图11为本发明河不同河段天然植被分布面积图；
图12为本发明河径流丰枯变化图；
图13为本发明河不同河段高覆盖和低覆盖植被生态需水量图；
图14为本发明河中游天然绿洲及总绿洲面积图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅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做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。
请参阅图1-14，本发明实施例提供技术方案：内陆河流域人工与天然绿洲转化过程与适宜比例研究方法，具体包括以下步骤：
步骤1：绿洲分布及人工和天然绿洲面积提取：绿洲提取的过程中将耕地、人工林地、建设用地、水库、人工渠系提取为人工绿洲，将人工绿洲周边的草地、天然林、湖泊、沼泽、滩涂湿地提取为天然绿洲；
步骤2：典型流域人工与天然绿洲面积转化：第一内陆河流域中的人工绿洲和天然绿洲变化，人工绿洲逐年增加，天然绿洲逐年较少；第二内陆河流域中的天然绿的变化，人工绿洲所占比例越来越大，而天然绿洲所占比例越来越小；
步骤3：内陆河流域生态输水：通过干流及支流河径流协调，共计向下游生态输水十四次，十二年间累计输送生态水，随着生态水的不断下泄，沿河一定范围的地下水位随之发生了明显抬升；
步骤4：生态环境质量的量化评价：生态环境现状及动态趋势的年度综合评价，其计算公式如下：EI＝0.25×生物丰富度指数+0.2×植被覆盖度指数+0.2×水网密度指数+0.2×(100-土地退化指数)+0.15×环境质量指数，生物丰富度指数＝Abio×(0.35×林地+0.21×草地+0.28×水域湿地+0.11×耕地+0.04×建设用地+0.01×未利用地)/区域面积，式中Abio为生物丰度指数的归一化系数；
植被覆盖度指数＝Aveg×(0.38×林地+0.34×草地+0.19×耕地+0.07×建设用地+0.02×未利用地)/区域面积，式中Aveg为植被覆盖指数的归一化系数；
水网密度指数＝Ariv×河流长度/区域面积+Alak×湖库(近海)面积/区域面积+Ares水资源量/区域面积，式中Ariv为河流长度的归一化系数，Alak为湖库面积的归一化系数，Ares为水资源量的归一化系数；
土地退化指数＝Aero×(0.05×轻度侵蚀面积+0.25×中度侵蚀面积+0.7×重度侵蚀面积)/区域面积，式中Aero为土地退化指数的归一化系数；
环境质量指数＝0.4×(100-Aso2×SO2排放量/区域面积)+0.4×(100-ACOD×COD排放量/区域年均降雨量)+0.2×(100-Asol×固体废物排放量/区域面积)，式中Aso2为SO2的归一化系数，ASO1为固体废物的归一化系数，ACOD为COD的归一化系数；
步骤5：构建潜水蒸发模型：W＝∑103AiWgikp，W为植被需水量，Ai为植被类型i的面积，Wgi为植被类型i在地下水某一地下水埋深时的潜水蒸发量；
步骤6：构建绿洲适宜规模计算模型：
Figure BSA0000209082540000071
AN为天然绿洲面积，AA为人工绿洲灌溉地面积，包括人工灌溉的农田、林地和草地，AW为人工水域面积，A0为人工绿洲其他土地利用类型面积，包括裸地及建设用地，W为流域可利用水资源总量，W0为流域内非植被耗水量，α、β分别为天然绿洲与人工绿洲灌溉地需水定额，Eφ20为研究区20cm直径蒸发皿睡眠蒸发量，Ep为潜水蒸发轻度，γ为水面蒸发折算系数，取值为0.61。
同时本说明书中未作详细描述的内容均属于本领域技术人员公知的现有技术。
通过步骤1、步骤2和步骤3的联合设置，内陆河绿洲能够被划分为三种模式，主要研究对象的内陆河流域属于干流模式，三种模式下典型流域绿洲总面积在近几十年没有太大变化，人工与天然绿洲面积比例呈增加趋势，研究了耕地扩张与天然植枯死的问题，进一步探讨了导致更大面积天然植被逐渐衰败的问题，通过步骤4的设置，探究了通过遥感卫星获得相关数据的情况下，干旱地区的生态环境状况的发展问题，并且对相关生态环境变化趋势进行了公式级别的预判和综合评价，通过步骤5和步骤6设置，研究指出，绿洲规模较小，则未能充分利用绿洲的水土资源，从而限制了人类对生产和生活的需求，而规模过大，又会导致绿洲生态环境持续恶化，最终将危及绿洲的存在和发展。总之，绿洲的发展应控制在一定的范围之内，干流模式人工与天然绿洲适宜比例应严格控制在一定的比例范围内。
需要说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。
尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定。

Claims (7)

1.内陆河流域人工与天然绿洲转化过程与适宜比例研究方法，其特征在于：具体包括以下步骤：
步骤1：绿洲分布及人工和天然绿洲面积提取：绿洲提取的过程中将耕地、人工林地、建设用地、水库、人工渠系提取为人工绿洲，将人工绿洲周边的草地、天然林、湖泊、沼泽、滩涂湿地提取为天然绿洲；
步骤2：典型流域人工与天然绿洲面积转化：第一内陆河流域中的人工绿洲和天然绿洲变化，人工绿洲逐年增加，天然绿洲逐年减少；第二内陆河流域中的天然绿洲的变化，人工绿洲所占比例越来越大，而天然绿洲所占比例越来越小；
步骤3：内陆河流域生态输水：通过干流及支流河径流协调，共计向下游生态输水十四次，十二年间累计输送生态水，随着生态水的不断下泄，沿河一定范围的地下水位随之发生了明显抬升；
步骤4：生态环境质量的量化评价：生态环境现状及动态趋势的年度综合评价，其计算公式如下：EI＝0.25×生物丰富度指数+0.2×植被覆盖度指数+0.2×水网密度指数+0.2×(100-土地退化指数)+0.15×环境质量指数，生物丰富度指数＝Abio×(0.35×林地+0.21×草地+0.28×水域湿地+0.11×耕地+0.04×建设用地+0.01×未利用地)/区域面积，式中Abio为生物丰富度指数的归一化系数；
植被覆盖度指数＝Aveg×(0.38×林地+0.34×草地+0.19×耕地+0.07×建设用地+0.02×未利用地)/区域面积，式中Aveg为植被覆盖指数的归一化系数；
水网密度指数＝Ariv×河流长度/区域面积+Alak×湖库近海面积/区域面积+Ares水资源量/区域面积，式中Ariv为河流长度的归一化系数，Alak为湖库面积的归一化系数，Ares为水资源量的归一化系数；
土地退化指数＝Aero×(0.05×轻度侵蚀面积+0.25×中度侵蚀面积+0.7×重度侵蚀面积)/区域面积，式中Aero为土地退化指数的归一化系数；
环境质量指数＝0.4×(100-Aso2×S02排放量/区域面积)+0.4×(100-ACOD×COD排放量/区域年均降雨量)+0.2×(100-Aso1×固体废物排放量/区域面积)，式中Aso2为S02的归一化系数，ASO1为固体废物的归一化系数，ACOD为COD的归一化系数；
步骤5：构建潜水蒸发模型：W＝∑103AiWgikp，W为植被需水量，Ai为植被类型i的面积，Wgi为植被类型i在地下水某一地下水埋深时的潜水蒸发量；
步骤6：构建绿洲适宜规模计算模型：
Figure QLYQS_1
AN为天然绿洲面积，AA为人工绿洲灌溉地面积，包括人工灌溉的农田、林地和草地，AW为人工水域面积，A0为人工绿洲其他土地利用类型面积，包括裸地及建设用地，W为流域可利用水资源总量，W0为流域内非植被耗水量，α、β分别为天然绿洲与人工绿洲灌溉地需水定额，Eφ20为研究区20cm直径蒸发皿睡眠蒸发量，Ep为潜水蒸发轻度，γ为水面蒸发折算系数，取值为0.61。
2.根据权利要求1所述的内陆河流域人工与天然绿洲转化过程与适宜比例研究方法，其特征在于：所述步骤3中，生态水在输水前必须经过过滤处理。
3.根据权利要求1所述的内陆河流域人工与天然绿洲转化过程与适宜比例研究方法，其特征在于：所述步骤4中，相关数据依靠遥感手段进行提取和更新。
4.根据权利要求1所述的内陆河流域人工与天然绿洲转化过程与适宜比例研究方法，其特征在于：所述步骤4中，归一系数为内陆河流域生态环境状况修改后适宜于干旱区的参数。
5.根据权利要求1所述的内陆河流域人工与天然绿洲转化过程与适宜比例研究方法，其特征在于：所述步骤5中，选择潜水蒸发法来间接估算天然植被需水量。
6.根据权利要求1所述的内陆河流域人工与天然绿洲转化过程与适宜比例研究方法，其特征在于：所述步骤5中，植被的面积通过遥感获得。
7.根据权利要求1所述的内陆河流域人工与天然绿洲转化过程与适宜比例研究方法，其特征在于：所述步骤6中，构建模型的基本理论为流域水量平衡理论。
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