CN112990760A - 基于生态输水调整流域小气候和生态系统的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于生态输水调整流域小气候和生态系统的方法，其包括计算所有植物品种的总覆盖面积；当总覆盖面积小于预设值时，计算研究流域上一年度的标准化降水蒸散指数，并判断标准化降水蒸散指数是否位于表征干旱的数值区间；若是，基于单位土壤截留量和下一年度规划的植被覆盖总面积，计算土壤的总截流量和总生长需水量，并累加作为补给的包气带水量，并根据包气带水量及其在生态输水中的统计占比，计算得到研究流域下一年度的生态补水量；否则，根据下一年度规划新增面积，计算预计总截流量和预计生长需水量，并累加作为包气带补水量，采用包气带补水量和统计占比，计算得到研究流域下一年度的生态补水量。
Description
技术领域
本发明涉及生态修复技术领域，具体涉及基于生态输水调整流域小气候和生态系统的方法。
背景技术
塔里木河是我国最长的内陆河，从最长的源流叶尔羌河算起，全长2486公里，是中国乃至世界生态最为脆弱的流域之一。塔里木河流域的荒漠河岸胡杨林及各种树木和植物对稳定河道、维持流域生态平衡、防风固沙、调节绿洲气候和形成肥沃的森林土壤起到至关重要的作用，是保证绿洲发展的天然生态屏障。
但随着近年来经济社会对陆生生态系统的扰动加剧，导致流域胡杨林的景观格局及群落结构和功能发展发生一定的变化，各源流汇入的水量急剧减少，甚至断流，使得塔里木河流域的胡杨林及各种树木和植物的生态结构发生了萎缩，生态结构受到了严重的破坏，生态系统发生变化的同时使得周边的小气候(温度、湿度、光照、通风)也跟恶化。
发明内容
针对现有技术中的上述不足，本发明提供的基于生态输水调整流域小气候和生态系统的方法能够通过生态输水调整研究流域的小气候和生态系统。
为了达到上述发明目的，本发明采用的技术方案为：
提供一种基于生态输水调整流域小气候和生态系统的方法，其包括：
S1、获取研究流域的植物品种及其覆盖面积，并计算所有植物品种的总覆盖面积；
S2、当总覆盖面积小于预设值时，计算研究流域上一年度的标准化降水蒸散指数，并判断标准化降水蒸散指数是否位于表征干旱的数值区间；若是，进入步骤S3，否则，进入步骤S6；
S3、获取所有植物处于最佳生长状态时的单位土壤截留量，采用最大单位土壤截留量和下一年度规划的植被覆盖总面积，计算土壤的总截流量；
S4、根据每种植物的覆盖面积，计算植物一年的生长需水量，计算采用下一年度规划新增面积种植草本植物时的生长需水量，累加所有生长需水量得到总生长需水量；
S5、累加总截流量和总生长需水量作为补给的包气带水量，并根据包气带水量及其在生态输水中的统计占比，计算得到研究流域下一年度的生态补水量；
S6、根据最大单位土壤截留量和下一年度规划新增面积，计算预计总截流量和种植草本植物时的预计生长需水量；
S7、累加预计总截流量与预计生长需水量作为包气带补水量，采用包气带补水量和统计占比，计算得到研究流域下一年度需新增的生态补水量。
进一步地，当总覆盖面积大于等于于预设值时，执行如下步骤：
S8、计算研究流域上一年度的土壤干旱指数，并判断土壤干旱指数是否大于预设干旱指数；若是，进入步骤S9，否则，按照上一年度的生态补水量进行补给；
S9、采用最大单位土壤截留量计算的土壤截留量及所有植物生长需水量及统计占比，计算得到研究流域下一年度的生态补水量。
本发明的有益效果为：本方案通过研究流域植被的总覆盖面积进行判断，首先可以确定研究流域的生态系统是否处于良性发展；在非良性发展的情况下，通过标准化降水蒸散指数分析植被总覆盖面积不足时是否干旱造成的，还是植被规划面积不足造成的，然后根据具体情况进行生态补水量，以对研究流域的生态系统进行改善，以进一步改善研究流域的小气候。
本方案结合土壤干旱指数可以在总覆盖面积达到规划面积时，对目前的生态补水量是否能够满足植被良性生长进行确认，以准确对生态补水量进行调整，以避免流域的生态系统发生退化，影响流域的生态平衡。
附图说明
图1为基于生态输水调整流域小气候和生态系统的方法的流程图。
具体实施方式
下面对本发明的具体实施方式进行描述，以便于本技术领域的技术人员理解本发明，但应该清楚，本发明不限于具体实施方式的范围，对本技术领域的普通技术人员来讲，只要各种变化在所附的权利要求限定和确定的本发明的精神和范围内，这些变化是显而易见的，一切利用本发明构思的发明创造均在保护之列。
参考图1，图1示出了基于生态输水调整流域小气候和生态系统的方法的流程图；如图1所示，该方法包括步骤S1至步骤S9。
在步骤S1中，获取研究流域的植物品种及其覆盖面积，并计算所有植物品种的总覆盖面积；
在步骤S2中，当总覆盖面积小于预设值时，计算研究流域上一年度的标准化降水蒸散指数，并判断标准化降水蒸散指数是否位于表征干旱的数值区间；若是，进入步骤S3，否则，进入步骤S6；
在本发明的一个实施例中，所述标准化降水蒸散指数的计算方法包括：
S21、采用Thornthwaite方法计算逐月的潜在蒸散量：
其中，PETi为第i个月潜在蒸散量；K为根据维度计算的修正系数；Ti为第i个月的平均气温；I为年总加热指数；m为由I决定的系数；
S22、根据潜在蒸散量和月降水量，计算逐月降水与潜在蒸散的差值：
Di＝Pi-PETi
其中，Pi为第i个月降水量；Di为第i个月的降水量与潜在蒸散量的差值；
S23、采用三参数的Log-logistic分布对Di进行拟合，并求出累计函数：
其中，α为尺度参数，β为形状参数，γ为origin参数，f(x)为概率密度函数，F(x)为概率分布函数；x为自变量；
S24、对概率分布函数进行标准化正态处理，得到标准化降水蒸散指数：
其中，SPEI为上一年度的标准化降水蒸散指数；P为与概率分布函数相关的参数，当P≤0.5时，P＝F(x)，当P>0.5时，P＝1-F(x)；W为中间参数；常数C0、C1、C2、d1、d2分别为C0＝2.515 517，C1＝0.802 853，C2＝0.010 328，d1＝1.432 788，d2＝0.001 308；
S25、SPEI指数具有多时间尺度的特征，选取SPEI指数中12个月尺度的SPEI指数作为上一年度的标准化降水蒸散指数。
在步骤S3中，获取所有植物处于最佳生长状态时的单位土壤截留量，采用最大单位土壤截留量和下一年度规划的植被覆盖总面积，计算土壤的总截流量；其中，土壤截留量可以采用TDR土壤含水量监测器进行检测，之后再折算成单位面积的单位土壤截留量。
在步骤S4中，根据每种植物的覆盖面积，计算植物一年的生长需水量，计算采用下一年度规划新增面积种植草本植物时的生长需水量，累加所有生长需水量得到总生长需水量。
实施时，本法干优选根据植物的覆盖面积，计算植物一年的生长需水量的方法包括：
S41、在室内构建一块试验区域，将试验区域划分为若干试验田，并在每块试验田中分别种植上研究流域中存在的植物；
S42、调整试验区域的环境参数，使试验田中种植的植物处于最佳的生长状态，并根据试验区域的环境参数，采用彭曼公式计算每种植物的逐旬蒸散量：
其中，ET0为植物的逐旬蒸散量；Δ为饱和水汽压-温度曲线斜率；Rn为植物冠层的净辐射；G为增热土壤消耗的能量；γ为湿度计常数；T为平均气温；U2为2m高风速；ea为饱和水汽压；ed为实际观测水汽压；
S43、累加同一植物在一年内的所有逐旬蒸散量，得到同一植物在试验田中的年度蒸散量，并将年度蒸散量折算为单位面积内的年度蒸散量；
S44、称取每块试验田中植物在年初和年末的质量，得到两者的质量差，并将其折算成单位面积内的年度植物储水量；
S45、根据研究流域每种植物的覆盖面积及单位面积内的年度蒸散量和年度植物储水量，计算得到植物一年的生长需水量。
在步骤S5中，累加总截流量和总生长需水量作为补给的包气带水量，并根据包气带水量及其在生态输水中的统计占比，计算得到研究流域下一年度的生态补水量；
在步骤S6中，根据最大单位土壤截留量和下一年度规划新增面积，计算预计总截流量和种植草本植物时的预计生长需水量。
一般情况下，在流域中若是供水充足，首先生长的是一年生草本植物，若是连续几年存在供水较充足时，才会有较大的灌木生长，为了保证生态补水量的合理使用，本方案规划在新增面积上种植草本植物，先通过草本植物对水土进行改善后，再慢慢栽种灌木。
在步骤S7中，累加预计总截流量与预计生长需水量作为包气带补水量，采用包气带补水量和统计占比，计算得到研究流域下一年度需新增的生态补水量。
实施时，本方案优选所述统计占比的计算方法包括：
S71、获取研究流域临近下一年度的若干次输水过程中的流域来水量、流域出水量和包气带补给量。
河水在流动的过程中通过蒸发和渗流转化为大汽水、土壤水、地下水。若以河道流域为研究对象，可将流量的沿程损失称之为河道的耗水过程。河道耗水量取决于流量、河床岩性、河道形状及河道附近的植被状况等自然属性。通过对河道上各监测断面的数据分析，利用水量平衡的关系，则可以得出不同河段的耗水量特征，用以下关系式表达：
ΔW＝W1-W2＝W包+W蒸+W地，DW＝ΔW/L，k＝DW/W1
其中，W1为河道流域上断面的流域来水量；W2为河道流域下断面的流域流出量；ΔW为断面间的区间耗水量；W包为包气带水量；W蒸为河道流域的蒸发量；W地为补入地下水的水量；L为两断面间的河道长度；DW为单位河长耗水量；k为为单位河长耗水率。
S72、计算每次输水时，包气带补给量相对流域来水量和流域出水量间差值(相当于断面间的区间耗水量)的占比；并采用所有的占比的平均值作为统计占比。
当总覆盖面积大于等于于预设值时，执行如下步骤：
在步骤S8中，计算研究流域上一年度的土壤干旱指数，并判断土壤干旱指数是否大于预设干旱指数；若是，进入步骤S9，否则，按照上一年度的生态补水量进行补给；
其中，土壤干旱指数的计算方法包括：
S81、获取植被归一化指数NDVI、湿边拟合方程系数a1和b1及干边拟合方程系数a2和b2，计算陆面温度极低值TSmin和陆面温度极高值TSmax：
TSmin＝a1+b1NDVI
TSmax＝a2+b2NDVI
其中，ρ为反射率修正系数；
S82、根据陆面温度极低值TSmin和陆面温度极高值TSmax，计算土壤干旱指数：
其中，TVDI为土壤干旱指数，其值介于0～1之间，TVDI越接近0，表明土壤水分越接近土壤持水量，越接近1，表明土壤水分含量越接近萎蔫点；Ts表示陆面温度。
在步骤S9中，采用最大单位土壤截留量计算的土壤截留量及所有植物生长需水量及统计占比，计算得到研究流域下一年度的生态补水量。
步骤S9可以进一细化为：根据最大单位土壤截留量和总覆盖面积，分别计算土壤截留量和植物生长需水量，之后累加土壤截留量和植物生长需水量作为包气带水量，采用包气带水量及统计占比，计算得到研究流域下一年度的生态补水量(生态补水量＝包气带水量/统计占比)。
本方案的流域出水量通过在研究流域与下游交汇面修建大坝进行调控，通过大坝可以对新增的生态补水量进行拦截存储，以保证新增的生态补水量慢慢浸润或者漫溢至研究流域的生态系统处的土地中。
综上所述，本方案提供的基于生态输水调整流域小气候和生态系统的方法能够通过标准化降水蒸散指数和土壤干旱指数对研究流域的生态补水量进一调整，以使研究流域的的生态系统和小气候得以调整。
Claims (7)
1.基于生态输水调整流域小气候和生态系统的方法，其特征在于，包括：
S1、获取研究流域的植物品种及其覆盖面积，并计算所有植物品种的总覆盖面积；
S2、当总覆盖面积小于预设值时，计算研究流域上一年度的标准化降水蒸散指数，并判断标准化降水蒸散指数是否位于表征干旱的数值区间；若是，进入步骤S3，否则，进入步骤S6；
S3、获取所有植物处于最佳生长状态时的单位土壤截留量，采用最大单位土壤截留量和下一年度规划的植被覆盖总面积，计算土壤的总截流量；
S4、根据每种植物的覆盖面积，计算植物一年的生长需水量，计算采用下一年度规划新增面积种植草本植物时的生长需水量，累加所有生长需水量得到总生长需水量；
S5、累加总截流量和总生长需水量作为补给的包气带水量，并根据包气带水量及其在生态输水中的统计占比，计算得到研究流域下一年度的生态补水量；
S6、根据最大单位土壤截留量和下一年度规划新增面积，计算预计总截流量和种植草本植物时的预计生长需水量；
S7、累加预计总截流量与预计生长需水量作为包气带补水量，采用包气带补水量和统计占比，计算得到研究流域下一年度需新增的生态补水量。
2.根据权利要求1所述的基于生态输水调整流域小气候和生态系统的方法，其特征在于，当总覆盖面积大于等于于预设值时，执行如下步骤：
S8、计算研究流域上一年度的土壤干旱指数，并判断土壤干旱指数是否大于预设干旱指数；若是，进入步骤S9，否则，按照上一年度的生态补水量进行补给；
S9、采用最大单位土壤截留量计算的土壤截留量及所有植物生长需水量及统计占比，计算得到研究流域下一年度的生态补水量。
3.根据权利要求1所述的基于生态输水调整流域小气候和生态系统的方法，其特征在于，所述标准化降水蒸散指数的计算方法包括：
S21、采用Thornthwaite方法计算逐月的潜在蒸散量：
其中，PETi为第i个月潜在蒸散量；K为根据维度计算的修正系数；Ti为第i个月的平均气温；I为年总加热指数；m为由I决定的系数；
S22、根据潜在蒸散量和月降水量，计算逐月降水与潜在蒸散的差值：
Di＝Pi-PETi
其中，Pi为第i个月降水量；Di为第i个月的降水量与潜在蒸散量的差值；
S23、采用三参数的Log-logistic分布对Di进行拟合，并求出累计函数：
其中，α为尺度参数，β为形状参数，γ为origin参数，f(x)为概率密度函数，F(x)为概率分布函数；x为自变量；
S24、对概率分布函数进行标准化正态处理，得到标准化降水蒸散指数：
其中，SPEI为上一年度的标准化降水蒸散指数；P为与概率分布函数相关的参数，当P≤0.5时，P＝F(x)，当P>0.5时，P＝1-F(x)；W为中间参数；常数C0、C1、C2、d1、d2分别为C0＝2.515517，C1＝0.802 853，C2＝0.010 328，d1＝1.432 788，d2＝0.001 308；
S25、SPEI指数具有多时间尺度的特征，选取SPEI指数中12个月尺度的SPEI指数作为上一年度的标准化降水蒸散指数。
4.根据权利要求2所述的基于生态输水调整流域小气候和生态系统的方法，其特征在于，所述土壤干旱指数的计算方法包括：
S81、获取植被归一化指数NDVI、湿边拟合方程系数a1和b1及干边拟合方程系数a2和b2，计算陆面温度极低值TSmin和陆面温度极高值TSmax：
TSmin＝a1+b1NDVI
TSmax＝a2+b2NDVI
其中，ρ为反射率修正系数；
S82、根据陆面温度极低值TSmin和陆面温度极高值TSmax，计算土壤干旱指数：
其中，TVDI为土壤干旱指数，其值介于0～1之间，TVDI越接近0，表明土壤水分越接近土壤持水量，越接近1，表明土壤水分含量越接近萎蔫点；Ts表示陆面温度。
5.根据权利要求1所述的基于生态输水调整流域小气候和生态系统的方法，其特征在于，所述统计占比的计算方法包括：
获取研究流域临近下一年度的若干次输水过程中的流域来水量、流域出水量和包气带补给量；
计算每次输水时，包气带补给量相对流域来水量和流域出水量间差值的占比；并采用所有的占比的平均值作为统计占比。
6.根据权利要求5所述的基于生态输水调整流域小气候和生态系统的方法，其特征在于，所述流域出水量通过在研究流域与下游交汇面修建大坝进行调控。
7.根据权利要求1所述的基于生态输水调整流域小气候和生态系统的方法，其特征在于，根据植物的覆盖面积，计算植物一年的生长需水量的方法包括：
S41、在室内构建一块试验区域，将试验区域划分为若干试验田，并在每块试验田中分别种植上研究流域中存在的植物；
S42、调整试验区域的环境参数，使试验田中种植的植物处于最佳的生长状态，并根据试验区域的环境参数，采用彭曼公式计算每种植物的逐旬蒸散量：
其中，ET0为植物的逐旬蒸散量；Δ为饱和水汽压-温度曲线斜率；Rn为植物冠层的净辐射；G为增热土壤消耗的能量；γ为湿度计常数；T为平均气温；U2为2m高风速；ea为饱和水汽压；ed为实际观测水汽压；
S43、累加同一植物在一年内的所有逐旬蒸散量，得到同一植物在试验田中的年度蒸散量，并将年度蒸散量折算为单位面积内的年度蒸散量；
S44、称取每块试验田中植物在年初和年末的质量，得到两者的质量差，并将其折算成单位面积内的年度植物储水量；
S45、根据研究流域每种植物的覆盖面积及单位面积内的年度蒸散量和年度植物储水量，计算得到植物一年的生长需水量。
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