CN114662038A - 基于汊渗轮灌调控地下水储量的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于汊渗轮灌调控地下水储量的方法,S1将研究区域航拍图像划分为若干图像区块;S2确定每个图像区块的植物种群;S3获取图像区块的最优地下水储量;S4采集图像区块在当前时间段的实时地下水埋深;S5判断实时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S8;否则进入S6;S6采用汊渗轮灌的方式浇灌图像区块的植被,之后进入S7;S7判断汊渗轮灌的执行次数是否大于预设次数,若是,则停止地下水储量调整,否则认为地下水储量充足,进入S8;S8判断当前时间距离图像区块上一次地下水储量充足的时间是否大于预设天数,若是,进入S4,否则继续执行S8。
Description
技术领域
本发明涉及西北荒漠生态修复技术领域,具体涉及一种基于汊渗轮灌调控地下水储量的方法。
背景技术
塔里木河是中国最长的内陆河,其下游地处“丝绸之路”南道途径要塞,是新疆第二条大通道(包括:若羌-伊宁218国道、库尔勒-格尔木铁路、库尔勒-若羌高速公路)的必经之地,地理位置独特,位置重要。下游由荒漠河岸胡杨林构成的绿色走廊,是阻隔塔克拉玛干与库姆塔格两大沙漠合拢的天然生态屏障,生态地位不可替代。然而,20世纪50年代以来,受气候变化和人类活动干扰加剧,特别在1972年大西海子水库修建以后,导致下游350km河道断流,尾闾罗布泊及台特玛湖相继干涸,土地荒漠化加剧,荒漠河岸胡杨林面积日趋萎缩,生态破坏严重。
发明内容
针对现有技术中的上述不足,本发明提供的基于汊渗轮灌调控地下水储量的方法能够将研究区域的地下出储水量保持在植物最佳生长状态。
为了达到上述发明目的,本发明采用的技术方案为:
提供一种基于汊渗轮灌调控地下水储量的方法,其包括步骤:
S1、获取研究区域植被的航拍图像,并将航拍图像划分为若干图像区块;
S2、提取图像区块中每种植物的种植面积,并将种植面积最大的植物作为图像区块的植物种群;
S3、获取植物种群在多个研究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对应图像区块的最优地下水储量;
S4、采集图像区块在当前时间段的实时地下水埋深;
S5、判断实时地下水埋深是否位于图像区块的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S8;否则,进入步骤S6;
S6、采用汊渗轮灌的方式对图像区块的植被浇灌第一预设时长,之后进入步骤S7;
S7、判断汊渗轮灌的执行次数是否大于预设次数,若是,则停止地下水储量调整,否则认为地下水储量充足,进入步骤S8;
S8、判断当前时间距离图像区块上一次地下水储量充足的时间是否大于预设天数,若是,进入步骤S4,否则继续执行步骤S8。
进一步地,所述水分利用率的计算方法包括:
S31、统计研究区域生长的所有植物,并筛选生长面积大于预设面积的植物品种作为研究植物;
S32、选取与多个研究地下水埋深段面积数量相等的试验田,并在每块试验田中种植上所有的研究植物;
S33、当所有研究植物根系生长成熟后,采用汊渗轮灌的方式对试验田进行浇灌,直至每块试验田的地下水埋深对应于一个研究地下水埋深段;
S34、当每块试验田在对应的研究地下水埋深段保持第二预设时长时,采用稳定同位素质谱仪测定每块试验田中每种研究植物的δ13C比率;
S35、根据研究植物的δ13C比率,采用稳定碳同位素方法计算每块试验田中每种研究植物的水分利用率。
进一步地,每块试验田中每种研究植物的δ13C比率的计算公式为:
δ13Cpjk=δ13Caj-ajk-(bjk-ajk)Cijk/Gaj
其中,δ13Cpjk为第j块试验田中第k种研究植物组织中δ13C比率;δ13Caj为第j块试验田空气中δ13C比率;ajk为CO2在第j块试验田中第k种研究植物叶片扩散过程中的分馏;bjk为第j块试验田中第k种研究植物羧化过程中碳同位素分馏;Cijk为第j块试验田中第k种研究植物叶片细胞间CO2浓度;Gaj为第j 块试验田大气的CO2浓度。
进一步地,所述步骤S35进一步包括:
计算第j块试验田中第k种研究植物的叶片内外水汽压差VPDij:
VPDij=E-e
其中,E为同温度下的饱和水汽压;e为实际水汽压;
根据VPDij和δ13Cpjk,计算第j块试验田中第k种研究植物的水分利用率 WUEjk:
进一步地,所述同温度下的饱和水汽压E的计算公式为:
E=0.611×1017.502T/(240.97+T)
其中,T为空气温度。
进一步地,所述同温度下的饱和水汽压E的计算公式为:
E=e/RH
其中,e为实际水汽压;RH为空气相对湿度。
进一步地,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。
进一步地,将航拍图像划分为若干图像区块的方法包括:
获取研究区域的汊渗轮灌系统,并确定汊渗轮灌系统对应的浇灌单元;
将航拍图像的比例调整至等于汊渗轮灌系统平面布置图,对航拍图像进行划分,并使每个图像区块涵盖至少一个完整的浇灌单元。
本发明的有益效果为:本方案将研究区域划分成若干图像区块,之后确定出每个区块生长面积最大的植物,并基于植物最佳的水分利用率确定每个图像区块的最佳地下水储量,以针对性的对每个区块进行供水,以此保证每个区块的植物处于最佳的生长状态,从而促进待研究区植物的快速生长,以达到研究区域的生态恢复。
附图说明
图1为基于汊渗轮灌调控地下水储量的方法的流程图。
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。
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。
参考图1,图1示出了基于汊渗轮灌调控地下水储量的方法的流程图,如图 1所示,该方法S包括步骤S1至步骤S8。
在步骤S1中,获取研究区域植被的航拍图像,并将航拍图像划分为若干图像区块;其中,航拍图像的获取方法包括:
步骤S11、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S12、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,根据所述标志物寻找到相邻的两幅图像;
步骤S13、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S14、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S15、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。
航拍图像获取过程中,通过研究区域上空设置的标志物能够快速地找到相邻两张航拍图像,缩短航拍图像的拼接时间;基于前景图像对相邻两幅图像进行拼接,可以提高图像拼接对位的准确性,保证拼接得到的航拍图像更接近于真实的研究区域。
实施时,本方案优选将航拍图像划分为若干图像区块的方法包括:
获取研究区域的汊渗轮灌系统,并确定汊渗轮灌系统对应的浇灌单元;
将航拍图像的比例调整至等于汊渗轮灌系统平面布置图,对航拍图像进行划分,并使每个图像区块涵盖至少一个完整的浇灌单元。
本方案采用上述方式对图像区块进行划分,可以方便后续汊渗轮灌时针对每个区块的准确控制。
在步骤S2中,提取图像区块中每种植物的种植面积,并将种植面积最大的植物作为图像区块的植物种群;
在步骤S3中,获取植物种群在多个研究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对应图像区块的最优地下水储量;每块试验田的地下水埋深位于不同的研究地下水埋深段。
在本发明的一个实施例中,水分利用率计算方法进一步包括:
S31、统计研究区域生长的所有植物,并筛选生长面积大于预设面积的植物品种作为研究植物;
S32、选取与多个研究地下水埋深段面积数量相等的试验田,并在每块试验田中种植上所有的研究植物;
S33、当所有研究植物根系生长成熟后,采用汊渗轮灌的方式对试验田进行浇灌,直至每块试验田的地下水埋深对应于一个研究地下水埋深段;
S34、当每块试验田在对应的研究地下水埋深段保持第二预设时长时,采用稳定同位素质谱仪测定每块试验田中每种研究植物的δ13C比率:
δ13Cpjk=δ13Caj-ajk-(bjk-ajk)Cijk/Gaj
其中,δ13Cpjk为第j块试验田中第k种研究植物组织中δ13C比率;δ13Caj为第j块试验田空气中δ13C比率;ajk为CO2在第j块试验田中第k种研究植物叶片扩散过程中的分馏;bjk为第j块试验田中第k种研究植物羧化过程中碳同位素分馏;Cijk为第j块试验田中第k种研究植物叶片细胞间CO2浓度;Gaj为第j 块试验田大气的CO2浓度。
S35、根据研究植物的δ13C比率,采用稳定碳同位素方法计算每块试验田中每种研究植物的水分利用率。
本方案采用试验田的方式有针对性的去模拟每个研究地下水埋深段植物对水分的利用情况,可以便于后续生态调控时对有针对性地对每个图像块对应的区域进行浇灌,以保证生态系统的快速恢复。
实施时,本方案优选步骤S35进一步包括:
计算第j块试验田中第k种研究植物的叶片内外水汽压差VPDij:
VPDij=E-e
其中,E为同温度下的饱和水汽压;e为实际水汽压;
根据VPDij和δ13Cpjk,计算第j块试验田中第k种研究植物的水分利用率 WUEjk:
在本方案中,提供了两种同温度下的饱和水汽压E的计算方式,第一种方式为:E=0.611×1017.502T/(240.97T),T为空气温度。
第二种实现方式为:E=e/RH,e为实际水汽压;RH为空气相对湿度。
在步骤S4中,采集图像区块在当前时间段的实时地下水埋深;实时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。
在步骤S5中,判断实时地下水埋深是否位于图像区块的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S8;否则,进入步骤S6;
在步骤S6中,采用汊渗轮灌的方式对图像区块的植被浇灌第一预设时长,之后进入步骤S7;
在步骤S7中,判断汊渗轮灌的执行次数是否大于预设次数,若是,则停止地下水储量调整,否则认为地下水储量充足,进入步骤S8;
在浇灌时,部分水被植被吸收、部分水会浸入土壤中进行存储,以改变地下水埋深,多次汊渗轮灌后,会有大量的水进入到土壤中,使地下水埋深相对比较稳定。
在步骤S8中,判断当前时间距离图像区块上一次地下水储量充足的时间是否大于预设天数,若是,进入步骤S4,否则继续执行步骤S8。
在步骤S8中进一步判断,可以避免长时间不浇灌部分被蒸发和植物吸收利用,地下水埋深被改变,而影响植物快速生长,即通过预设天数判断可以提高生态系统的修复速度。
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,进而保证汊渗轮灌的准确性。
综上所述,本方案通过植物水分利用率去调整汊渗轮灌的浇灌方式,以此保证研究区域的植物所在土地处于植物生长时最佳的地下水埋深,从而保证了生态系统的快速修复。
Claims (9)
1.基于汊渗轮灌调控地下水储量的方法,其特征在于,包括步骤:
S1、获取研究区域植被的航拍图像,并将航拍图像划分为若干图像区块;
S2、提取图像区块中每种植物的种植面积,并将种植面积最大的植物作为图像区块的植物种群;
S3、获取植物种群在多个研究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对应图像区块的最优地下水储量;
S4、采集图像区块在当前时间段的实时地下水埋深;
S5、判断实时地下水埋深是否位于图像区块的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S8;否则,进入步骤S6;
S6、采用汊渗轮灌的方式对图像区块的植被浇灌第一预设时长,之后进入步骤S7;
S7、判断汊渗轮灌的执行次数是否大于预设次数,若是,则停止地下水储量调整,否则认为地下水储量充足,进入步骤S8;
S8、判断当前时间距离图像区块上一次地下水储量充足的时间是否大于预设天数,若是,进入步骤S4,否则继续执行步骤S8。
2.根据权利要求1所述的基于汊渗轮灌调控地下水储量的方法,其特征在于,所述水分利用率的计算方法包括:
S31、统计研究区域生长的所有植物,并筛选生长面积大于预设面积的植物品种作为研究植物;
S32、选取与多个研究地下水埋深段面积数量相等的试验田,并在每块试验田中种植上所有的研究植物;
S33、当所有研究植物根系生长成熟后,采用汊渗轮灌的方式对试验田进行浇灌,直至每块试验田的地下水埋深对应于一个研究地下水埋深段;
S34、当每块试验田在对应的研究地下水埋深段保持第二预设时长时,采用稳定同位素质谱仪测定每块试验田中每种研究植物的δ13C比率;
S35、根据研究植物的δ13C比率,采用稳定碳同位素方法计算每块试验田中每种研究植物的水分利用率。
3.根据权利要求2所述的基于汊渗轮灌调控地下水储量的方法,其特征在于,每块试验田中每种研究植物的δ13C比率的计算公式为:
δ13Cpjk=13Caj-ajk-(bjk-ajk)Cijk/Gaj
其中,δ13Cpjk为第j块试验田中第k种研究植物组织中δ13C比率;δ13Caj为第j块试验田空气中δ13C比率;ajk为CO2在第j块试验田中第k种研究植物叶片扩散过程中的分馏;bjk为第j块试验田中第k种研究植物羧化过程中碳同位素分馏;Cijk为第j块试验田中第k种研究植物叶片细胞间CO2浓度;Gaj为第j块试验田大气的CO2浓度。
5.根据权利要求4所述的基于汊渗轮灌调控地下水储量的方法,其特征在于,所述同温度下的饱和水汽压E的计算公式为:
E=0.611×1017.502T/(240.97+T)
其中,T为空气温度。
6.根据权利要求4所述的基于汊渗轮灌调控地下水储量的方法,其特征在于,所述同温度下的饱和水汽压E的计算公式为:
E=e/RH
其中,e为实际水汽压;RH为空气相对湿度。
7.根据权利要求4所述的基于汊渗轮灌调控地下水储量的方法,其特征在于,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。
8.根据权利要求1所述的基于汊渗轮灌调控地下水储量的方法,其特征在于,将航拍图像划分为若干图像区块的方法包括:
获取研究区域的汊渗轮灌系统,并确定汊渗轮灌系统对应的浇灌单元;
将航拍图像的比例调整至等于汊渗轮灌系统平面布置图,对航拍图像进行划分,并使每个图像区块涵盖至少一个完整的浇灌单元。
9.根据权利要求1所述的基于汊渗轮灌调控地下水储量的方法,其特征在于,所述航拍图像的获取方法包括:
S11、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;
S12、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;
S13、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;
S14、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;
S15、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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