CN114557269B - 基于汊渗轮灌调整荒漠河岸系统的方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了基于汊渗轮灌调整荒漠河岸系统的方法，包括S1确定目标研究区，S2建立汊渗轮灌系统，S3获取目标研究区植被覆盖面积，S4计算出目标研究区当前的植被覆盖度，S5判断目标研究区植被覆盖度是否大于规划植被覆盖度，S6计算出最优地下水储量范围，S7判断当前的地下水埋深是否位于最优地下水储量范围内，S8抬升地下水位，S9目标研究区生长后的植被覆盖面积，S10计算最优生闸放水量；通过汊渗轮灌系统进行输水，改变了水资源的改变调度方式和输水模式，替代了传统只采用主河道输水的方式，将生态水量最大限度的用于植被修复，能够有效解决荒漠河岸灌溉用水问题，有效节约合理利用水资源，满足植被生长需要，可获得最佳的生态保护和修复效果。

Description

基于汊渗轮灌调整荒漠河岸系统的方法

技术领域

本发明涉及水资源调度技术领域，特别是涉及基于汊渗轮灌调整荒漠河岸系统的方法。

背景技术

荒漠河岸的流量、水位等随季节变化显著，河流水量十分不稳定，不能满足用水的需要，且丰水期洪涝灾害频发，枯水期断流严重，荒漠河岸生态系统极为脆弱。

对于地处干旱区的域流而言，荒漠河岸周围的外陆生植被的灌溉方式决定了灌溉耗水过程，是衔接植被需水过程和生态调度供水过程的核心因素。如果仅仅是采用主河道输水，荒漠河岸周围地下水影响宽度有限，灌溉范围仅集中在河道两岸的低洼滩地和生态渠道延伸的有限地带，而远离干流河道、地势高的绝大部分区域无法得到有效灌溉，严重威胁陆生植被的孕育、出芽和生长，更不利于远离主河道区域的植被修复和恢复。

发明内容

针对现有技术中的上述问题，本发明旨在提供基于汊渗轮灌调整荒漠河岸系统的方法，利用汊渗轮灌技术恢复荒漠河岸周围植被，减少干旱地区宝贵水资源的无效蒸发，解决了传统的采用主河道输水，无法对远离干流河道、地势高的绝大部分区域进行有效灌溉，导致不利于远离主河道区域的植被修复和恢复的问题。

为了达到上述发明目的，本发明采用的技术方案如下：提供了基于汊渗轮灌调整荒漠河岸系统的方法，其包括步骤：

S1：确定目标研究区，并确定规划植被覆盖度；

S2：建立汊渗轮灌系统，汊渗轮灌系统包括主河道、沟道、汊河和抽水泵；

主河道内设置有生态闸、阻水堤、雍水坝，生态闸设置在主河道与沟道的汇流处；沟道内设置有分水闸和节制闸；汊河与目标研究区连通；若目标研究区处于地势高位区域，目标研究区通过抽水泵与主河道连通；

S3：获取目标研究区植被覆盖面积，将植被覆盖区域内面积最大的植物作为植物种群；

S4：根据目标研究区植被覆盖面积计算出目标研究区当前的植被覆盖度；

S5：判断目标研究区植被覆盖度是否大于规划植被覆盖度，若是，则植被不需要恢复，否则进入步骤S6；

S6：获取植物种群在多个地下水埋深段的水分利用率，并将最大水分利用率对应的研究地下水埋深段作为最优地下水储量范围；

S7：获取目标研究区当前的地下水埋深，并判断当前的地下水埋深是否位于最优地下水储量范围内，若是，则认为地下水储量充足，进入步骤S10，否则进入步骤S8；

S8：沟道和汊河对目标研究区进行渗灌至预设时间，抬升地下水位至最优地下水储量范围，目标研究区植被生长至预设天数；

S9：判断目标研究区生长后的植被覆盖面积是否大于规划植被覆盖度，若是，则植被不需要恢复，否则进入步骤S10；

S10：根据规划植被覆盖度，计算规划植被归一化指数，根据植被归一化指数和最优地下水储量范围计算最优生态闸放水量；汊渗轮灌系统向目标研究区下泄最优生态闸放水量；目标研究区植被生长至预设天数；

S11：判断当前植被覆盖面积是否大于规划植被覆盖度，若是，则植被不需要恢复，否则进入步骤S3。

进一步地，在步骤S1中，选取植被分布均匀、长势较为良好且主河道畅通、自然沟道、汊河分布均匀的河段作为目标研究区。

进一步地，在步骤S3中，通过航拍获取目标研究区植被覆盖的航拍图像，提取航拍图像中每种植物的种植面积，将植被覆盖区域内面积最大的植物作为植物种群。

进一步地，在步骤S4中，目标研究区当前的植被覆盖度的计算方法为：

S41：计算目标研究区当前的植被归一化指数NI_当前：

其中，x₁为目标研究区上一年的地下水埋深平均值；y₁为目标研究区上一年的生态闸放水量；

S42：根据目标研究区的植被归一化指数NI_当前，计算目标研究区植被覆盖度VC_当前：

VC_当前＝(NI_当前-NDVIsail)/(NDVIveg-NDVIsail)

其中，NDVIsail为目标研究区无植被覆盖的裸土地像元NDVI值；NDVIveg为目标研究区全植被覆盖像元NDVI值。

进一步地，在步骤S6中，水分利用率的计算方法为：

步骤S61：采用稳定同位素质谱仪测定研究区域中植物种群的δ¹³C比率；

步骤S62：根据δ¹³C比率，采用稳定碳同位素方法计算植物的水分利用率WUE；

其中，δ¹³C_a为研究区域空气中δ¹³C比率；h为CO₂在叶片扩散过程中的分馏；b为植物羧化过程中碳同位素分馏；δ¹³C_p为植物组织中δ¹³C比率；VPD为叶片内外水汽压差；E为同温度下的饱和水汽压；e为实际水汽压。

进一步地，在步骤S10中，最优生态闸放水量的计算方法为：

NI_规划＝VC_规划·(NDVIveg-NDVIsail)+NDVIsail

其中，NI_规划为目标研究区的规划植被归一化指数；VC_规划为目标研究区的规划植被覆盖度；x₂为最优地下水储量范围的中间值；y₂为最优生态闸放水量。

进一步地，航拍获取目标研究区植被覆盖的航拍图像的方法包括：

步骤A1：在研究区域的上空设置若干标志物，控制搭载有相机的无人机悬停在研究区域上空，距离控制在10～20米；

步骤A2：控制无人机按预设速度、且采用S型规划路径采集研究区域的图像，之后根据所述标志物寻找到相邻的两幅图像；

步骤A3：对相邻的两幅图像中的前景图像进行取交集处理，得到相邻两幅图像的前景图像对应的重叠区域；

步骤A4：对重叠区域进行特征点匹配处理，得到相邻两幅图像之间的目标相对位移，基于目标相对位移对相邻两幅拼接图像进行拼接；

步骤A5：当所有相邻图像拼接完成后，采用拼接得到的整体图像作为研究区域最终的航拍图像。

本发明的有益效果为：本发明中的基于汊渗轮灌调整荒漠河岸系统的方法，通过汊渗轮灌系统进行输水，改变了水资源的改变调度方式和输水模式，替代了传统只采用主河道输水的方式，将生态水量最大限度的用于植被修复，能够有效解决西北荒漠区灌溉用水问题，既能有效节约合理利用水资源，又能满足植被生长需要，可获得最佳的生态保护和修复效果。

附图说明

图1为本发明中流域下游多目标生态输水量的计算方法的流程图。

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。

如图1所示，本发明提供了基于汊渗轮灌调整荒漠河岸系统的方法，其包括步骤：

S1：确定目标研究区，并确定规划植被覆盖度；在选取目标研究区时，需要选取植被分布均匀、长势较为良好且主河道畅通、自然沟道、汊河分布均匀的河段作为目标研究区，避免受其他因素影响较大而导致研究结果不具有代表性，提高研究结果的准确性。

S2：建立汊渗轮灌系统，汊渗轮灌系统包括主河道、沟道、汊河和抽水泵；

主河道内设置有生态闸、阻水堤、雍水坝，生态闸设置在主河道与沟道的汇流处；沟道内设置有分水闸和节制闸；汊河与目标研究区连通；若目标研究区处于地势高位区域，目标研究区通过抽水泵与主河道连通。在本方案中，汊渗轮灌基本内涵主要体现在“引、漫、渗、储、轮”五个方面。

(1)“引”表示生态引水，即通过水库、河道、生态闸、沟道、汊河、低水头可移动式泵站等方式，实现远离干流河道、地势较高区域的生态引水，扩大灌溉控制和辐射的面积。

(2)“漫”指大水漫溢，在主河道、沟汊内形成大水漫溢的灌溉方式，催生种子的着床、萌发。

(3)“渗”指生态输水过程中由沟道和河汊的面状生态输水方式，地表水通过沟道、汊河渗入地表，维持植被良好的生存条件，提高生态系统的质量和稳定性。

(4)“储”指储水于地下，即生态输水过程中通过沟道、汊河的补充地下水，抬高地下水位，储水于地下，减少无效的水面蒸发，提高生态水的利用效率。

(5)“轮”指植被的轮灌，体现在输水期间，对汊渗轮灌区进行逐级分区，依据耐旱性植被的物候特征和区域地下水位情况，计算各级生态分区的需水量，按照保护与修复的优先顺序排出各分区的灌溉顺序。原则上从最缺水的分区依次进行轮灌，反馈调整生态闸的放水次序、流速、持续时间等指标，逐步实现多个调度周期内“靶向灌溉、靶区灌溉、应灌尽灌”的生态保护与修复目标。

S3：获取目标研究区植被覆盖面积，将植被覆盖区域内面积最大的植物作为植物种群；在步骤S3中，通过航拍获取目标研究区植被覆盖的航拍图像，提取航拍图像中每种植物的种植面积，将植被覆盖区域内面积最大的植物作为植物种群。植物种群可以代表目标研究区的植被覆盖情况。

S4：根据目标研究区植被覆盖面积计算出目标研究区当前的植被覆盖度；具体的计算过程为：S41：计算目标研究区当前的植被归一化指数NI_当前：

其中，x₁为目标研究区上一年的地下水埋深平均值；y₁为目标研究区上一年的生态闸放水量；

S42：根据目标研究区的植被归一化指数NI_当前，计算目标研究区植被覆盖度VC_当前：

VC_当前＝(NI_当前-NDVIsail)/(NDVIveg-NDVIsail)

其中，NDVIsail为目标研究区无植被覆盖的裸土地像元NDVI值；NDVIveg为目标研究区全植被覆盖像元NDVI值。

S5：判断目标研究区植被覆盖度是否大于规划植被覆盖度，若是，则植被不需要恢复，否则进入步骤S6；

S6：获取植物种群在多个地下水埋深段的水分利用率，并将最大水分利用率对应的研究地下水埋深段作为最优地下水储量范围；水分利用率的计算方法为：步骤S61：采用稳定同位素质谱仪测定研究区域中植物种群的δ¹³C比率；

步骤S62：根据δ¹³C比率，采用稳定碳同位素方法计算植物的水分利用率WUE；

其中，δ¹³C_a为研究区域空气中δ¹³C比率；h为CO₂在叶片扩散过程中的分馏；b为植物羧化过程中碳同位素分馏；δ¹³C_p为植物组织中δ¹³C比率；VPD为叶片内外水汽压差；E为同温度下的饱和水汽压；e为实际水汽压。

在本发明的一个实施例中，所述δ¹³C比率测定过程中，研究植物叶片样品采集及处理方法包括：

于上午10～12点采集研究植物向阳面处的成熟叶片，每棵树采集10～20个叶片，单一植株重复取样3次；

叶片样品采集后，采用蒸馏水漂洗，然后105℃条件下杀青15min，晾干装入采样瓶，密封带回实验室；

在室内用60℃烘箱内烘至恒重，然后用植物样品粉碎机将叶片粉碎过0.25mm筛，处理后样品送同位素测定。

本方案通过上述方式进行植物δ¹³C比率测定，可以采集到植物一天生长状态最佳的植物δ¹³C，以此可以提高计算的植物水分利用率的准确性，水分利用率WUE可以对应出最优地下水储量范围，获得了最优地下水储量范围后，可以保证汊渗轮灌系统抬升地下水位的准确性。

S7：获取目标研究区当前的地下水埋深，地下水埋深可以采用埋在土壤不同深度处的湿度传感器进行监测，也可以采用市面上比较成熟的地下水监测装置进行监测；判断当前的地下水埋深是否位于最优地下水储量范围内，若是，则认为地下水储量充足，进入步骤S10，否则进入步骤S8；

S8：沟道和汊河对目标研究区进行渗灌至预设时间，抬升地下水位至最优地下水储量范围，目标研究区植被生长至预设天数；

S9：判断目标研究区生长后的植被覆盖面积是否大于规划植被覆盖度，若是，则植被不需要恢复，否则进入步骤S10；

S10：根据规划植被覆盖度，计算规划植被归一化指数，根据植被归一化指数和最优地下水储量范围计算最优生态闸放水量；汊渗轮灌系统向目标研究区下泄最优生态闸放水量；目标研究区植被生长至预设天数；最优生态闸放水量的计算方法为：

NI_规划＝VC_规划·(NDVIveg-NDVIsail)+NDVIsail

其中，NI_规划为目标研究区的规划植被归一化指数；VC_规划为目标研究区的规划植被覆盖度；x₂为最优地下水储量范围的中间值；y₂为最优生态闸放水量。

S11：判断当前植被覆盖面积是否大于规划植被覆盖度，若是，则植被不需要恢复，否则进入步骤S3。

综上所述，本发明中的基于汊渗轮灌调整荒漠河岸系统的方法，通过汊渗轮灌系统进行输水，改变了水资源的改变调度方式和输水模式，替代了传统只采用主河道输水的方式，将生态水量最大限度的用于植被修复，能够有效解决西北荒漠区灌溉用水问题，既能有效节约合理利用水资源，又能满足植被生长需要，可获得最佳的生态保护和修复效果。

Claims (4)

1.基于汊渗轮灌调整荒漠河岸系统的方法，其特征在于，包括步骤：

S1：确定目标研究区，并确定规划植被覆盖度；

S2：建立汊渗轮灌系统，汊渗轮灌系统包括主河道、沟道、汊河和抽水泵；

主河道内设置有生态闸、阻水堤、雍水坝，生态闸设置在主河道与沟道的汇流处；沟道内设置有分水闸和节制闸；汊河与目标研究区连通；若目标研究区处于地势高位区域，目标研究区通过抽水泵与主河道连通；

S3：获取目标研究区植被覆盖面积，将植被覆盖区域内面积最大的植物作为植物种群；

S4：根据目标研究区植被覆盖面积计算出目标研究区当前的植被覆盖度；在步骤S4中，目标研究区当前的植被覆盖度的计算方法为：

S41：计算目标研究区当前的植被归一化指数NI_当前：

R²＝0.96

其中，x₁为目标研究区上一年的地下水埋深平均值；y₁为目标研究区上一年的生态闸放水量；

S42：根据目标研究区的植被归一化指数NI_当前，计算目标研究区植被覆盖度VC_当前：

VC_当前＝(NI_当前-NDVIsail)/(NDVIveg-NDVIsail)

其中，NDVIsail为目标研究区无植被覆盖的裸土地像元NDVI值；NDVIveg为目标研究区全植被覆盖像元NDVI值；

S5：判断目标研究区植被覆盖度是否大于规划植被覆盖度，若是，则植被不需要恢复，否则进入步骤S6；

S6：获取植物种群在多个地下水埋深段的水分利用率，并将最大水分利用率对应的研究地下水埋深段作为最优地下水储量范围；

在步骤S6中，水分利用率的计算方法为：

步骤S61：采用稳定同位素质谱仪测定研究区域中植物种群的δ¹³C比率；

步骤S62：根据δ¹³C比率，采用稳定碳同位素方法计算植物的水分利用率WUE；

VPD＝E-e

其中，δ¹³C_a为研究区域空气中δ¹³C比率；h为CO₂在叶片扩散过程中的分馏；b为植物羧化过程中碳同位素分馏；δ¹³C_p为植物组织中δ¹³C比率；VPD为叶片内外水汽压差；E为同温度下的饱和水汽压；e为实际水汽压；

S7：获取目标研究区当前的地下水埋深，并判断当前的地下水埋深是否位于最优地下水储量范围内，若是，则认为地下水储量充足，进入步骤S10，否则进入步骤S8；

S8：沟道和汊河对目标研究区进行渗灌至预设时间，抬升地下水位至最优地下水储量范围，目标研究区植被生长至预设天数；

S9：判断目标研究区生长后的植被覆盖面积是否大于规划植被覆盖度，若是，则植被不需要恢复，否则进入步骤S10；

S10：根据规划植被覆盖度，计算规划植被归一化指数，根据植被归一化指数和最优地下水储量范围计算最优生态闸放水量；汊渗轮灌系统向目标研究区下泄最优生态闸放水量；目标研究区植被生长至预设天数；

在步骤S10中，最优生态闸放水量的计算方法为：

NI_规划＝VC_规划·(NDVIveg-NDVIsail)+NDVIsail

R²＝0.96

其中，NI_规划为目标研究区的规划植被归一化指数；VC_规划为目标研究区的规划植被覆盖度；x₂为最优地下水储量范围的中间值；y₂为最优生态闸放水量；

S11：判断当前植被覆盖面积是否大于规划植被覆盖度，若是，则植被不需要恢复，否则进入步骤S3。

2.根据权利要求1所述的基于汊渗轮灌调整荒漠河岸系统的方法，其特征在于，在步骤S1中，选取植被分布均匀、长势良好且主河道畅通、自然沟道、汊河分布均匀的河段作为目标研究区。

3.根据权利要求2所述的基于汊渗轮灌调整荒漠河岸系统的方法，其特征在于，在步骤S3中，通过航拍获取目标研究区植被覆盖的航拍图像，提取航拍图像中每种植物的种植面积，将植被覆盖区域内面积最大的植物作为植物种群。

4.根据权利要求3所述的基于汊渗轮灌调整荒漠河岸系统的方法，其特征在于，航拍获取目标研究区植被覆盖的航拍图像的方法包括：

步骤A1：在研究区域的上空设置若干标志物，控制搭载有相机的无人机悬停在研究区域上空，距离控制在10～20米；

步骤A2：控制无人机按预设速度、且采用S型规划路径采集研究区域的图像，之后根据所述标志物寻找到相邻的两幅图像；

步骤A3：对相邻的两幅图像中的前景图像进行取交集处理，得到相邻两幅图像的前景图像对应的重叠区域；

步骤A4：对重叠区域进行特征点匹配处理，得到相邻两幅图像之间的目标相对位移，基于目标相对位移对相邻两幅拼接图像进行拼接；

步骤A5：当所有相邻图像拼接完成后，采用拼接得到的整体图像作为研究区域最终的航拍图像。

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