基于生态水文模拟与优化评估干旱区绿洲输水量的方法技术

本发明专利技术公开了基于生态水文模拟与优化评估干旱区绿洲输水量的方法，属于地球物理下生态水文分支技术领域。基于生态水文模拟与优化评估干旱区绿洲输水量的方法，构建概念性集总式生态水文模型，通过情境模拟分析不同生态输水量下的生态效益和蒸散损耗，采用理想情境距离分析法进行多目标优化，确定绿洲恢复最优目标及其对应的生态输水量；本发明专利技术提高生态输水量、地下水埋深、绿洲面积、植被指数观测资料的利用效率，提高生态输水恢复绿洲生态系统结构与功能的水资源利用效率，提升干旱区水资源管理、生态恢复与保护的合理性和科学性。

【技术实现步骤摘要】
基于生态水文模拟与优化评估干旱区绿洲输水量的方法
本专利技术属于地球物理下生态水文分支
，具体涉及基于生态水文模拟与优化评估干旱区绿洲输水量的方法。
技术介绍
我国西北干旱地区水资源稀缺、生态脆弱、用水矛盾突出，流域水资源开发利用程度高，且在一定程度上挤占了生态用水，导致地表水量减少、地下水位降低、自然绿洲生态退化。生态输水是干旱区河岸带及尾闾自然绿洲生态系统修复及保护的重要工程措施之一，已在塔里木河、黑河、石羊河等流域开展了有益的探索实践，并取得了较为显著的成效。生态输水量是生态输水工程决策需考虑的重要指标之一。目前，在干旱区生态输水恢复绿洲生态系统的相关研究及工程实践中，评估生态输水量时往往基于预期设定的生态恢复目标，通过生态水文模拟分析达到该生态恢复目标的生态需水量，从而评估生态输水量。这类生态输水量评估方法所采用的生态水文模型，大多为半物理机制的分布式模型，模型结构较为复杂、计算成本较高；虽然分析了绿洲恢复对生态输水的生态水文响应过程，但未深入分析该生态水文响应过程所伴生的生态效益与蒸散损耗，以及两者在不同生态输水量下的相关关系，未能反映生态恢复目标及其对应的生态输水量的优选性。由于干旱区水资源稀缺，需统筹优化生态输水的蒸散发水量损失和绿洲恢复生态效益，采用最小的蒸散损耗获取最大的生态效益，以此确定生态输水量。为此，发展、融合了概念性集总式生态水文模型与多目标优化方法，提出了基于生态水文模拟与优化评估干旱区绿洲输水量的方法。
技术实现思路
专利技术目的：本专利技术的目的在于提供基于生态水文模拟与优化评估干旱区绿洲输水量的方法，克服现有生态水文模型结构复杂、运算费时的不足，以及采用生态水文模拟评估生态输水量未体现生态恢复目标与生态输水量优选性的不足，提高生态输水量、地下水埋深、绿洲面积、植被指数观测资料的利用效率，提高生态输水恢复绿洲生态系统结构与功能的水资源利用效率，提升干旱区水资源管理、生态恢复与保护的合理性和科学性。技术方案：为实现上述目的，本专利技术提供如下技术方案：进一步地，基于生态水文模拟与优化评估干旱区绿洲输水量的方法，构建概念性集总式生态水文模型，通过情境模拟分析不同生态输水量下的生态效益和蒸散损耗，采用理想情境距离分析法进行多目标优化，确定绿洲恢复最优目标及其对应的生态输水量，包括如下步骤：(1)收集整理研究区生态输水以来历年的基础数据资料，包括年生态输水总量、年均地下水埋深、绿洲面积、绿洲NDVI空间均值；(2)基于生态输水实践及流域水资源特征，预设生态输水情境，用于模拟评价不同生态输水情境下的绿洲恢复效果；(3)构建概念性集总式生态水文模型，采用基础数据资料率定模型参数，针对预设的生态输水情境开展生态水文模拟分析；概念性集总式生态水文模型以生态输水量作为模型输入，以地下水埋深、绿洲面积、绿洲NDVI作为模型输出；(4)基于步骤(3)中不同生态输水情境下的生态水文模拟数据，包括绿洲地下水埋深、绿洲面积、绿洲NDVI，分析不同生态输水情境下的生态效益和蒸散损耗；针对生态效益和蒸散损耗，采用理想情境距离分析法开展多目标优化分析，进而评估生态输水量。进一步地，所述的步骤(2)中，预设生态输水情境i，其中，i＝1,...,24，各生态输水情境的生态输水量WE,i依次为WE,1＝5×106m3、WE,2＝10×106m3、WE,3＝15×106m3、WE,4＝20×106m3、WE,5＝25×106m3、WE,6＝30×106m3、WE,7＝35×106m3、WE,8＝40×106m3、WE,9＝45×106m3、WE,10＝50×106m3、WE,11＝55×106m3、WE,12＝60×106m3、WE,13＝65×106m3、WE,14＝70×106m3、WE,15＝75×106m3、WE,16＝80×106m3、WE,17＝85×106m3、WE,18＝90×106m3、WE,19＝95×106m3、WE,20＝100×106m3、WE,21＝105×106m3、WE,22＝110×106m3、WE,23＝115×106m3、WE,24＝120×106m3。进一步地，所述的步骤(3)中，概念性集总式生态水文模型以生态输水量作为模型输入，以地下水埋深、绿洲面积、绿洲NDVI作为模型输出；具体地：①概念性集总式生态水文模型的核心方程为：其中，H为地下水埋深，单位m；A为生态输水恢复的绿洲面积，单位km2；V反映植被长势，采用绿洲NDVI的空间均值表征；t表示模拟的时间步长，设为1年；WE为年生态输水总量，单位106m3；WG为地下水的流域自然补给量，单位mm；ET为绿洲的蒸散发量，单位mm；EG为裸地的潜水蒸发量，单位mm；AR为地下水受生态输水补给的区域的面积，单位km2；θ为与地下水补给有关的经验系数；βA表征绿洲面积变化率，单位1/year；βV表征绿洲NDVI变化率，单位1/year；AGCC为地下水对绿洲面积的承载能力，单位km2；VGCC为地下水对绿洲NDVI的承载能力；②采用阿维里扬诺夫公式估算潜水蒸发量EG，在此基础上采用经验公式估算绿洲蒸散发量ET：EG＝a(1-H/Hmax)bEP；ET＝(1+kEV)EG；其中，Hmax为地下水蒸发极限埋深，单位m；a、b为与土壤质地有关的经验系数；EP为常规气象蒸发皿蒸发值，反映蒸发能力，单位mm；kE为经验系数，反映植被长势对ET的影响；③采用Sigmoid方程描述地下水对绿洲面积的承载能力，采用Sigmoid方程描述地下水对绿洲NDVI的承载能力：Amax＝αAR；其中，Amax为绿洲恢复的最大面积，单位km2；Amax占AR的一定比例，α为占比系数；Vmax为绿洲恢复的最大NDVI；hA为绿洲面积达到0.5Amax时的地下水埋深，单位m；hV为NDVI达到0.5Vmax时的地下水埋深，单位m；sA、sV为经验系数，反映地下水承载能力曲线的倾斜程度；④采用步骤(1)中的基础数据资料率定模型参数，以步骤(2)中预设情境的生态输水量作为模型输入，模拟时长为20年，绿洲恢复达到稳定状态，分析不同生态输水情境下绿洲恢复达到稳定状态时的绿洲恢复效果，包括绿洲地下水埋深、绿洲面积、绿洲NDVI。进一步地，所述的步骤(4)中，具体地：①生态效益WB、蒸散损耗WC的定义分别为：WB＝AV；绿洲地下水埋深越浅、绿洲面积越大、绿洲NDVI越大，生态输水的生态效益越大，相应的蒸散损耗也越大；②采用步骤(3)④中不同生态输水情境下的生态水文模拟数据，包括绿洲地下水埋深、绿洲面积、绿洲NDVI，分析不同生态输水情境i下的生态效益WB,i和蒸散损耗WC,i；③基于生态效益的理论最大值WB-max、蒸散损耗的理论最大值WC-max，对生态效益和蒸散损耗进行归一化处理，得归一化生态效益NWB,i、归一化蒸散损耗NWC,i：本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.基于生态水文模拟与优化评估干旱区绿洲输水量的方法，其特征在于：构建概念性集总式生态水文模型，通过情境模拟分析不同生态输水量下的生态效益和蒸散损耗，采用理想情境距离分析法进行多目标优化，确定绿洲恢复最优目标及其对应的生态输水量，包括如下步骤：/n(1)收集整理研究区生态输水以来历年的基础数据资料，包括年生态输水总量、年均地下水埋深、绿洲面积、绿洲NDVI空间均值；/n(2)基于生态输水实践及流域水资源特征，预设生态输水情境，用于模拟评价不同生态输水情境下的绿洲恢复效果；/n(3)构建概念性集总式生态水文模型，采用基础数据资料率定模型参数，针对预设的生态输水情境开展生态水文模拟分析；概念性集总式生态水文模型以生态输水量作为模型输入，以地下水埋深、绿洲面积、绿洲NDVI作为模型输出；/n(4)基于步骤(3)中不同生态输水情境下的生态水文模拟数据，包括绿洲地下水埋深、绿洲面积、绿洲NDVI，分析不同生态输水情境下的生态效益和蒸散损耗；针对生态效益和蒸散损耗，采用理想情境距离分析法开展多目标优化分析，进而评估生态输水量。/n

【技术特征摘要】
1.基于生态水文模拟与优化评估干旱区绿洲输水量的方法，其特征在于：构建概念性集总式生态水文模型，通过情境模拟分析不同生态输水量下的生态效益和蒸散损耗，采用理想情境距离分析法进行多目标优化，确定绿洲恢复最优目标及其对应的生态输水量，包括如下步骤：
(1)收集整理研究区生态输水以来历年的基础数据资料，包括年生态输水总量、年均地下水埋深、绿洲面积、绿洲NDVI空间均值；
(2)基于生态输水实践及流域水资源特征，预设生态输水情境，用于模拟评价不同生态输水情境下的绿洲恢复效果；
(3)构建概念性集总式生态水文模型，采用基础数据资料率定模型参数，针对预设的生态输水情境开展生态水文模拟分析；概念性集总式生态水文模型以生态输水量作为模型输入，以地下水埋深、绿洲面积、绿洲NDVI作为模型输出；
(4)基于步骤(3)中不同生态输水情境下的生态水文模拟数据，包括绿洲地下水埋深、绿洲面积、绿洲NDVI，分析不同生态输水情境下的生态效益和蒸散损耗；针对生态效益和蒸散损耗，采用理想情境距离分析法开展多目标优化分析，进而评估生态输水量。


2.根据权利要求1所述的基于生态水文模拟与优化评估干旱区绿洲输水量的方法，其特征在于：所述的步骤(2)中，预设生态输水情境i，其中，i＝1,...,24，各生态输水情境的生态输水量WE,i依次为WE,1＝5×106m3、WE,2＝10×106m3、WE,3＝15×106m3、WE,4＝20×106m3、WE,5＝25×106m3、WE,6＝30×106m3、WE,7＝35×106m3、WE,8＝40×106m3、WE,9＝45×106m3、WE,10＝50×106m3、WE,11＝55×106m3、WE,12＝60×106m3、WE,13＝65×106m3、WE,14＝70×106m3、WE,15＝75×106m3、WE,16＝80×106m3、WE,17＝85×106m3、WE,18＝90×106m3、WE,19＝95×106m3、WE,20＝100×106m3、WE,21＝105×106m3、WE,22＝110×106m3、WE,23＝115×106m3、WE,24＝120×106m3。


3.根据权利要求2所述的基于生态水文模拟与优化评估干旱区绿洲输水量的方法，其特征在于：所述的步骤(3)中，概念性集总式生态水文模型以生态输水量作为模型输入，以地下水埋深、绿洲面积、绿洲NDVI作为模型输出；具体地：
①概念性集总式生态水文模型的核心方程为：









其中，H为地下水埋深，单位m；A为生态输水恢复的绿洲面积，单位km2；V反映植被长势，采用绿洲NDVI的空间均值表征；t表示模拟的时间步长，设为1年；WE为年生态输水总量，单位106m3；WG为地下水的流域自然补给量，单位mm；ET为绿洲的蒸散发量，单位mm；EG为裸地的潜水蒸发量，单位mm；AR为地下水受生态输水补给的区域的面积，单位km2；θ为与地下水补给有关的经验系数；βA表征绿洲面积变化率，单位1/year；βV表征绿洲NDVI变化率，单位1/year；AGCC为地下水对绿洲面积的承载能力，单位km2；VGCC为地下水对绿洲NDVI的承载能力；
②采用阿维里扬诺夫公式估算潜水蒸发量EG，在此基础上采用经验公式估算绿洲蒸散发量ET：
EG＝a(...

【专利技术属性】
技术研发人员：黄峰，张丹蓉，陈喜，
申请(专利权)人：河海大学，
类型：发明
国别省市：江苏;32