CN117495632B - 一种闭流流域尾闾湖泊的萎缩预测方法及系统 - Google Patents
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Abstract
本发明公开一种闭流流域尾闾湖泊的萎缩预测方法及系统。所述方法包括：确定闭流流域的范围；所述闭流流域包括：陆域以及尾闾湖泊；基于闭流流域水平衡方程确定闭流流域在天然条件下的陆域蒸散发强度，并获取陆域蒸散发量；基于陆域蒸散发量确定水平衡敏感性指数，所述水平衡敏感性指数表征所述陆域蒸散发量导致闭流流域尾闾湖泊的湖面面积变化；基于所述水平衡敏感性指数确定所述闭流流域尾闾湖泊的萎缩情况。通过建立闭流流域尾闾湖泊的水平衡敏感型指数，可以量化受自然条件和人类活动影响下，流域蒸散发的改变量对尾闾湖淖的影响程度。
Description
技术领域
本发明涉及水生态环境技术领域，具体涉及一种闭流流域尾闾湖泊的萎缩预测方法及系统。
背景技术
我国北方农牧交错带因其独特的地形地貌和气候条件，多发育内陆尾闾湖泊。尾闾湖泊作为小流域地表和地下水的排泄点，其水平衡由复杂的气候变化和直接的人为干扰驱动，如降水、温度、陆面蒸发、地下水位以及流域土地利用变化等生态水文地质因素影响。
在流域尺度上量化湖域水平衡变化带来的尾闾湖泊面积变化，目前尚无可靠的理论。因此如何对北方农牧交错带闭流湖淖水的萎缩变化进行量化，最终了解流域蒸散发的改变量对尾闾湖淖的影响程度至关重要。
发明内容
为解决目前在流域尺度上量化湖域水平衡变化带来的湖泊面积变化，目前尚无可靠的理论的问题，本发明提供了一种闭流流域尾闾湖泊的萎缩预测方法及系统，可以量化受自然条件和人类活动影响下，流域蒸散发的改变量对尾闾湖淖的影响程度。
本发明中的闭流流域尾闾湖泊的萎缩预测方法，包括：
确定闭流流域的范围；所述闭流流域包括：陆域以及尾闾湖泊；
基于闭流流域水平衡方程确定闭流流域在天然条件下的陆域蒸散发强度，并获取陆域蒸散发量；
基于陆域蒸散发量确定水平衡敏感性指数，所述水平衡敏感性指数表征所述陆域蒸散发量导致闭流流域尾闾湖泊的湖面面积变化；
基于所述水平衡敏感性指数确定所述闭流流域尾闾湖泊的萎缩情况。
可选的，根据地表分水岭的封闭性和地下水流系统的封闭性确定所述闭流流域的范围。
可选的，所述方法还包括：获取第一资料，所述第一资料至少包括：水文地质资料、气象数据以及遥感影像；
基于所述第一资料确定多年平均状况下尾闾湖泊的湖面面积、陆域年均降水强度以及所述尾闾湖泊的平均蒸散发强度；
根据多年平均状况下尾闾湖泊的湖面面积、陆域年均降水强度以及所述尾闾湖泊的平均蒸散发强度构建基于闭流流域水平衡方程。
可选的，闭流流域水平衡方程为：
Pregion·Sregion＝ETregion·(Sregion-Slake)+ET0·Slake
其中，Pregion为陆域年均降水强度，Sregion为闭流流域的范围，ETregion为陆域蒸散发强度，Slake为多年平均状况下尾闾湖泊的湖面面积，ET0为尾闾湖泊的平均蒸散发强度。
可选的，基于下述方程获取陆域蒸散发量：
P＝ER+E0
其中，P为闭流流域降水量，ER为陆域蒸散发量，E0为尾闾湖泊的平均蒸散发量。
可选的，基于陆域蒸散发量确定水平衡敏感性指数包括：
基于所述陆域蒸散发量获取第一尾闾湖泊蓄水量；所述第一尾闾湖泊蓄水量表征陆域蒸散发量增加1％时的尾闾湖泊蓄水量；
基于第一尾闾湖泊蓄水量确定尾闾湖泊的湖面面积变化率；
基于所述湖面面积变化率确定水平衡敏感性指数。
可选的，根据下式获取尾闾湖泊减小的蓄水量：
E1＝P-ER(1+1％)
E1为第一尾闾湖泊蓄水量。
可选的，根据下式确定尾闾湖泊的湖面面积变化率λ：
Slake0和Slake1分别为尾闾湖泊蓄水量在E0和E1下的湖面面积。
本发明中的一种闭流流域尾闾湖泊的萎缩预测系统，包括：
第一获取单元，用于确定闭流流域的范围；所述闭流流域包括：陆域以及尾闾湖泊；
第二获取单元，用于基于闭流流域水平衡方程确定闭流流域在天然条件下的陆域蒸散发强度，并获取陆域蒸散发量；
第三获取单元，用于基于陆域蒸散发量确定水平衡敏感性指数，所述水平衡敏感性指数表征所述陆域蒸散发量导致闭流流域尾闾湖泊的湖面面积变化；
第四获取单元，用于基于所述水平衡敏感性指数确定所述闭流流域尾闾湖泊的萎缩情况。
本发明中的一种计算机可读存储介质，所述计算机可读存储介质存储有一个或者多个程序，所述一个或者多个程序可被一个或者多个处理器执行，以实现如上任意一项所述方法的步骤。
本发明以流域-湖泊相关的水平衡方程和水文传导模型为基础，建立北方农牧交错带闭流湖淖水平衡敏感型指数，可以量化受自然条件和人类活动影响下，流域蒸散发的改变量对尾闾湖淖的影响程度。对于湖泊的生态保护修复具有指导意义。
附图说明
图1是本发明中一种闭流流域尾闾湖泊的萎缩预测方法流程图；
图2是本发明中一种闭流流域尾闾湖泊的萎缩预测系统结构图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明作进一步的详细说明。可以理解的是，此处所描述的具体实施例仅仅用于解释本发明，而非对本发明的限定。另外还需要说明的是，为了便于描述，附图中仅示出了与本发明相关的部分而非全部结构。
本发明实施例提供一种闭流流域尾闾湖泊的萎缩预测方法，如图1所示，所述方法包括：
步骤100，确定闭流流域的范围；所述闭流流域包括：陆域以及尾闾湖泊。具体的，在本发明实施例中，闭流流域指的是封闭的流域，可以将闭流流域分为陆域和湖域两部分，在天然水平衡状态下，闭流流域的降水量和蒸散发量与陆域的水资源储变量保持平衡，尾闾湖泊的湖面面积变化基本为零。
步骤200，基于闭流流域水平衡方程确定闭流流域在天然条件下的陆域蒸散发强度，并获取陆域蒸散发量。具体的，闭流流域水平衡方程是通过天然状态下一般的流域水平衡方程推导获得，一般广义的水平衡是指在特定的水文单元和特定时间单元内，自然以及人为抽取和回归诱发的水循环各组成部分水量输入、输出和体积变化的数值计算。天然状态下一般流域的水平衡中，降水量、地表水流入量、地下水流入量、流域水资源储存量变化量之和等于蒸散发量、地表水流出量以及地下水流出量之和。但是在封闭流域，即不存在外来的地表径流，也没有向外部流出的河流，大气降水是唯一水资源来源。因此可以通过简化天然状态下一般流域的水平方程确定封闭流域所达到的水平衡，即封闭流域的降水量与封闭流域的蒸散发量等于封闭流域的水资源储量变化量。根据水力传导，又可以得出在封闭流域的中的闭流流域尾闾湖泊的水平衡要素以及水平衡方程，补给项包括湖域的降水量、流域的地表径流量和地下水径流量；排泄项包括湖面蒸散发量。因此，闭流流域尾闾湖泊的水平衡方程为：尾闾湖泊的降水量与闭流流域通过地表、地下汇入尾闾湖泊的水量，减去蒸散发量等于尾闾湖泊的水量变化量。其中，闭流流域通过地表、地下汇尾闾入湖泊的水量等于封闭流域的水资源储量变化量，即：
QSW+QGW＝ΔSregion
其中，QSW、QGW分别是通过地表、地下汇入尾闾湖泊的水量；ΔSregion是封闭流域的水资源储量变化量。尾闾湖泊的水量变化量由湖域降水量和蒸散发量、陆域降水量和蒸散发量决定。
步骤300，基于陆域蒸散发量确定水平衡敏感性指数，所述水平衡敏感性指数表征所述陆域蒸散发量导致闭流流域尾闾湖泊的湖面面积变化。具体的，在闭流流域降水量保持稳定的情况下，陆域蒸散发量增加，则会增加陆域水资源的储变量，通过陆域汇入尾闾湖泊的水量就会随之减少，从而使尾闾湖泊面积减小，即尾闾湖泊出现萎缩现象。为了定量的估计闭流流域尾闾湖泊的萎缩情况，本发明具体实施例中建立水平衡敏感性指数，该水平衡敏感性指数能够将陆域蒸散发量与闭流流域尾闾湖泊的湖面面积变化进行量化关联，从而可以更为科学以及客观的评估尾闾湖泊的萎缩情况。
步骤400，基于所述水平衡敏感性指数确定所述闭流流域尾闾湖泊的萎缩情况。具体的，水平衡敏感性指数的大小可以直接反应闭流流域尾闾湖泊的萎缩情况。在本发明一具体实施例中，当水平衡敏感性指数越小表示尾闾湖泊的萎缩越小，尾闾湖泊的面积基本稳定。相反的，当水平衡敏感性指数越大表示尾闾湖泊的萎缩越大，尾闾湖泊的面积减小过多，仅在强降雨期短暂蓄水。
本发明具体实施例以流域-湖泊相关的水平衡方程和水文传导模型为基础，建立北方农牧交错带闭流湖淖水平衡敏感型指数，可以量化受自然条件和人类活动影响下，流域蒸散发的改变量对尾闾湖淖的影响程度。对于湖泊的生态保护修复具有指导意义。
较佳的实施例中，将陆域蒸散发量增加1％导致的尾闾湖泊水面面积减小的比例定义为水平衡敏感性指数，并构建尾闾湖泊的水平衡敏感指数SAF分级表，如表1所示。
表1尾闾湖泊的水平衡敏感指数SAF分级表
| 分级 | SAF区间 | 特征 |
| 较稳定 | <0.1 | 尾闾湖泊面积基本稳定，呈自然平衡状态 |
| 较敏感 | 0.1-0.3 | 尾闾湖泊趋于萎缩，但尚能保持一定水面面积 |
| 很敏感 | 0.3-0.5 | 尾闾湖泊快速萎缩，面临干涸风险 |
| 极敏感 | >0.5 | 尾闾湖泊难以存续，仅在强降雨期短暂蓄水 |
本发明具体实施例所述的闭流流域尾闾湖泊的萎缩预测方法，较佳的，根据地表分水岭的封闭性和地下水流系统的封闭性确定所述闭流流域的范围。
本发明具体实施例所述的闭流流域尾闾湖泊的萎缩预测方法，较佳的，所述方法还包括：获取第一资料，所述第一资料至少包括：水文地质资料、气象数据以及遥感影像；
基于所述第一资料确定多年平均状况下尾闾湖泊的湖面面积、陆域年均降水强度以及所述尾闾湖泊的平均蒸散发强度；
根据多年平均状况下尾闾湖泊的湖面面积、陆域年均降水强度以及所述尾闾湖泊的平均蒸散发强度构建基于闭流流域水平衡方程。
本发明具体实施例所述的闭流流域尾闾湖泊的萎缩预测方法，较佳的，闭流流域水平衡方程为：
Pregion·Sregion＝ETregion·(Sregion-Slake)+ET0·Slake
其中，Pregion为陆域年均降水强度，Sregion为闭流流域的范围，ETregion为陆域蒸散发强度，Slake为多年平均状况下尾闾湖泊的湖面面积，ET0为尾闾湖泊的平均蒸散发强度。
本发明具体实施例所述的闭流流域尾闾湖泊的萎缩预测方法，较佳的，基于下述方程获取陆域蒸散发量：
P＝ER+E0
其中，P为闭流流域降水量，ER为陆域蒸散发量，E0为尾闾湖泊的平均蒸散发量。
具体的，陆域蒸散发强度的计算可以根据上述公式可以推导出：
本发明具体实施例所述的闭流流域尾闾湖泊的萎缩预测方法，较佳的，基于陆域蒸散发量确定水平衡敏感性指数包括：
基于所述陆域蒸散发量获取第一尾闾湖泊蓄水量；所述第一尾闾湖泊蓄水量表征陆域蒸散发量增加1％时的尾闾湖泊蓄水量；
基于第一尾闾湖泊蓄水量确定尾闾湖泊的湖面面积变化率；
基于所述湖面面积变化率确定水平衡敏感性指数。
本发明具体实施例所述的闭流流域尾闾湖泊的萎缩预测方法，较佳的，根据下式获取尾闾湖泊减小的蓄水量：
E1＝P-ER(1+1％)
E1为第一尾闾湖泊蓄水量。
本发明具体实施例所述的闭流流域尾闾湖泊的萎缩预测方法，较佳的，根据下式确定尾闾湖泊的湖面面积变化率λ：
Slake0和Slake1分别为尾闾湖泊蓄水量在E0和E1下的湖面面积。
较佳的实施例中，SAF＝λ，其中SAF即水平衡敏感指数。
本发明具体实施例还提供一种闭流流域尾闾湖泊的萎缩预测系统，如图2所示，包括：
第一获取单元201，用于确定闭流流域的范围；所述闭流流域包括：陆域以及尾闾湖泊；
第二获取单元202，用于基于闭流流域水平衡方程确定闭流流域在天然条件下的陆域蒸散发强度，并获取陆域蒸散发量；
第三获取单元203，用于基于陆域蒸散发量确定水平衡敏感性指数，所述水平衡敏感性指数表征所述陆域蒸散发量导致闭流流域尾闾湖泊的湖面面积变化；
第四获取单元204，用于基于所述水平衡敏感性指数确定所述闭流流域尾闾湖泊的萎缩情况。
本发明还提供两个具体的实施例，如表2所示。河北省张家口市境内的安固里淖，地处干旱半干旱地区，曾是华北地区最大的高原内陆湖。作为尾闾湖的安固里淖对气候变化与人为活动影响干扰极为敏感。
在第二个实施例中，位于内蒙古赤峰市境内的达里诺尔湖，是典型的高原内陆封闭湖泊。随着全球气候变暖及人类活动加剧,致使达里诺尔湖受到一定程度的影响,使得近些年来湖泊萎缩、湿地植被减少和鸟类数量下降成为难以逆转的事实。
采用本方法对安固里淖和达里诺尔湖进行了估算，得到安固里淖水平衡敏感指数为0.46，意味着流域蒸散发量增加1％对应湖淖面积变化率为0.46，由此可以得到当流域蒸散发量增加2-3％，会导致安固里淖干涸，属于很敏感型湖淖。对比分析了达里诺尔水平衡敏感指数为0.11，流域蒸发量增加9-10％会导致湖淖干涸，属于较稳定型湖淖。
表2安固里淖和达里诺尔湖水平衡敏感指数计算指标
| 安固里淖 | 达里诺尔 | |
| 流域面积km2 | 3507 | 4852 |
| 自然状态下湖淖水面面积km2 | 40-50 | 180-190 |
| 流域年均降水量mm | 380 | 330 |
| 湖面年均降水量mm | 360 | 330 |
| 湖水平均蒸发量mm | 1050 | 1050 |
| 湖面实际蒸发/降水比 | 2.9 | 3.2 |
| 自然状态下维持湖面水平衡的流域平均蒸散发强度mm | 372 | 302 |
| 维持湖泊水平衡的流域蒸发/降水比 | 0.98 | 0.92 |
| 湖淖敏感性：流域蒸发量增加1％对应的湖面积变化率 | 0.46 | 0.11 |
| 导致湖淖干涸的流域蒸散发增加比阈值％ | 2-3 | 9-10 |
本发明具体实施例还提供一种计算机可读存储介质，所述计算机可读存储介质存储有一个或者多个程序，所述一个或者多个程序可被一个或者多个处理器执行，以实现如上任意一项具体实施例所述步骤。
应理解，在本文的各种实施例中，上述各过程的序号的大小并不意味着执行顺序的先后，各过程的执行顺序应以其功能和内在逻辑确定，而不应对本文实施例的实施过程构成任何限定。
本领域内的技术人员应明白，本申请的实施例可提供为方法、系统、或计算机程序产品。因此，本申请可采用完全硬件实施例、完全软件实施例、或结合软件和硬件方面的实施例的形式。而且，本申请可采用在一个或多个其中包含有计算机可用程序代码的计算机可用存储介质(包括但不限于磁盘存储器、CD-ROM、光学存储器等)上实施的计算机程序产品的形式。
本申请是参照根据本申请实施例的方法、设备(系统)、和计算机程序产品的流程图和/或方框图来描述的。应理解可由计算机程序指令实现流程图和/或方框图中的每一流程和/或方框、以及流程图和/或方框图中的流程和/或方框的结合。可提供这些计算机程序指令到通用计算机、专用计算机、嵌入式处理机或其他可编程数据处理设备的处理器以产生一个机器，使得通过计算机或其他可编程数据处理设备的处理器执行的指令产生用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的装置。
这些计算机程序指令也可存储在能引导计算机或其他可编程数据处理设备以特定方式工作的计算机可读存储器中，使得存储在该计算机可读存储器中的指令产生包括指令装置的制造品，该指令装置实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能。
这些计算机程序指令也可装载到计算机或其他可编程数据处理设备上，使得在计算机或其他可编程设备上执行一系列操作步骤以产生计算机实现的处理，从而在计算机或其他可编程设备上执行的指令提供用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的步骤。
前述对本发明的具体示例性实施方案的描述是为了说明和例证的目的。这些描述并非想将本发明限定为所公开的精确形式，并且很显然，根据上述教导，可以进行很多改变和变化。对示例性实施例进行选择和描述的目的在于解释本发明的特定原理及其实际应用，从而使得本领域的技术人员能够实现并利用本发明的各种不同的示例性实施方案以及各种不同的选择和改变。本发明的范围意在由权利要求书及其等同形式所限定。
Claims (6)
1.一种闭流流域尾闾湖泊的萎缩预测方法，其特征在于，所述方法包括：
确定闭流流域的范围；所述闭流流域包括：陆域以及尾闾湖泊；
基于闭流流域水平衡方程确定闭流流域在天然条件下的陆域蒸散发强度，并获取陆域蒸散发量；其中，闭流流域水平衡方程为：
Pregion·Sregion＝ETregion·(Sregion-Slake)+ET0·Slake
Pregion为陆域年均降水强度，Sregion为闭流流域的范围，ETregion为陆域蒸散发强度，Slake为多年平均状况下尾闾湖泊的湖面面积，ET0为尾闾湖泊的平均蒸散发强度；
根据下式获取第一尾闾湖泊蓄水量E1；所述第一尾闾湖泊蓄水量表征陆域蒸散发量增加1％时的尾闾湖泊蓄水量；E1＝P-ER(1+1％)，P为闭流流域降水量，ER为陆域蒸散发量；
再根据下式确定尾闾湖泊的湖面面积变化率λ：
Slake0和Slake1分别为尾闾湖泊蓄水量在E0和E1下的湖面面积；E0为尾闾湖泊的平均蒸散发量；
基于所述湖面面积变化率确定水平衡敏感性指数SAF；所述水平衡敏感性指数表征所述陆域蒸散发量导致闭流流域尾闾湖泊的湖面面积变化；
其中，SAF＝λ；
基于所述水平衡敏感性指数确定所述闭流流域尾闾湖泊的萎缩情况。
2.根据权利要求1所述的闭流流域尾闾湖泊的萎缩预测方法，其特征在于，根据地表分水岭的封闭性和地下水流系统的封闭性确定所述闭流流域的范围。
3.根据权利要求1所述的闭流流域尾闾湖泊的萎缩预测方法，其特征在于，所述方法还包括：获取第一资料，所述第一资料至少包括：水文地质资料、气象数据以及遥感影像；
基于所述第一资料确定多年平均状况下尾闾湖泊的湖面面积、陆域年均降水强度以及所述尾闾湖泊的平均蒸散发强度；
根据多年平均状况下尾闾湖泊的湖面面积、陆域年均降水强度以及所述尾闾湖泊的平均蒸散发强度构建基于闭流流域水平衡方程。
4.根据权利要求1所述的闭流流域尾闾湖泊的萎缩预测方法，其特征在于，基于下述方程获取陆域蒸散发量：
P＝ER+E0。
5.一种闭流流域尾闾湖泊的萎缩预测系统，其特征在于，包括：
第一获取单元，用于确定闭流流域的范围；所述闭流流域包括：陆域以及尾闾湖泊；
第二获取单元，用于基于闭流流域水平衡方程确定闭流流域在天然条件下的陆域蒸散发强度，并获取陆域蒸散发量；其中，闭流流域水平衡方程为：
Pregion·Sregion＝ETregion·(Sregion-Slake)+ET0·Slake
其中，Pregion为陆域年均降水强度，Sregion为闭流流域的范围，ETregion为陆域蒸散发强度，Slake为多年平均状况下尾闾湖泊的湖面面积，ET0为尾闾湖泊的平均蒸散发强度；
第三获取单元，用于根据下式获取第一尾闾湖泊蓄水量E1；所述第一尾闾湖泊蓄水量表征陆域蒸散发量增加1％时的尾闾湖泊蓄水量；E1＝P-ER(1+1％)，P为闭流流域降水量，ER为陆域蒸散发量；
再根据下式确定尾闾湖泊的湖面面积变化率λ：
Slake0和Slake1分别为尾闾湖泊蓄水量在E0和E1下的湖面面积；E0为尾闾湖泊的平均蒸散发量；
基于所述湖面面积变化率确定水平衡敏感性指数SAF；所述水平衡敏感性指数表征所述陆域蒸散发量导致闭流流域尾闾湖泊的湖面面积变化；
其中，SAF＝λ；
第四获取单元，用于基于所述水平衡敏感性指数确定所述闭流流域尾闾湖泊的萎缩情况。
6.一种计算机可读存储介质，其特征在于，所述计算机可读存储介质存储有一个或者多个程序，所述一个或者多个程序可被一个或者多个处理器执行，以实现权利要求1至4任意一项所述方法的步骤。
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