一种计算历史时期湖泊水位的技术制造技术

本发明专利技术针对湖泊历史水文数据短缺、不连续等问题，发明专利技术了一种以湖泊沉积物中孢粉组合带、典型理化指标为依据，运用主成分分析、灰色关联、回归的数学方法建立孢粉、环境指标与湖泊水位之间关系的技术，可以推算历史时期的湖泊水位，从而了解湖泊生态系统处于低人为干扰度下的物种状况和水文条件，对维持现代湖泊生态系统的健康起着重要作用。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术属于水生态系统监测领域，涉及一种以湖泊沉积物中孢粉组合带、典型理 化指标为依据，利用数学建模的方法计算历史时期湖泊水位的技术。
技术介绍
孢粉具有质轻量多，散布极远的特点。作为生物化石在各沉积层中均有保存，对恢 复古环境状况具有很高的参考价值，尤其在古气候研究中已被广泛应用。历史时期湖泊受 到的人为干扰因素较少，湖泊的水位水量与植物生长基本处于一种动态平衡状态，同时，生 物指标对水位水量的变化比较敏感，如生物量、多度、丰富度等。计算历史时期湖泊水位可 推测湖泊生态系统处于健康状况所需的水文条件，通过监测现代湖泊水位了解生物的生长 状况，及时调水补水，对维持湖泊生态系统的健康起着重要作用。近十几年来许多国内外学者利用孢粉组合带反演湖泊历史时期的环境状况。国 内，有学者利用封闭流域水量平衡原理，结合各降雨参数和孢粉组合带信息计算湖泊的古 降雨量，但该方法有一定的局限性，不适用于半封闭和开放流域降雨量时计算(邵兆刚等， 2004 ；吴敬禄等，1993)。有学者将孢粉组合带与沉积物的磁学指标相结合，定性分析湖泊面 积变化、湖水动力特征及气候状况，此种方法需要结合沉积物粒径、T0C、TN等常规指标综合 分析，同时需要有少量的湖泊历史监测资料做参考(曹希强等，2004)。有学者探索性地采 用有序聚类、回归、主成分分析等数学方法量化孢粉与沉积物理化指标的关系。这些方法需 要大量的样品原始统计数据，可以对湖泊流域环境变迁及人类活动记录等提供解释(张佳 华等，1997 ；王立新等，1995)。国外，在研究沉积物孢粉方面，有一套比较系统的方法，通过 常年监测建立了欧洲、北美、拉丁美洲、非洲、西伯利亚孢粉数据库，使用RCA、DCA、MAT等线 性或单峰模型建立相似集，运用WA、PLS、ANN等数学方法建立校正集，并进行误差估计，分 析物种的丰度、均度，种群结构、时间空间序列，从而建立与历史时期湖泊的气候、物种多样 性、降雨量、地表植被类型等的关系(H. S印pa，2007 ；S. Brewer et al.，2007 ；H. J. B. Birks, 2007 Joanna C. Ellison, 2008 ；N. John Anderson, 1995)，方法具有系统性和连贯性。检索发现预测河川水位的专利技术专利，中请号为03120092. 3，名称为河川水位预测 装置，公开号为CN1438386，它提供了一种能高精度预测河川水位的预测装置，包括三部分 计量并存储河川水位的水位计量部，计量并存储流域降雨量的降雨量计量部和根据这些计 量值预测河川水位的水位预测模型，水位预测模型包括自回归部分和FIR模型部分，两部 分的参数通过模型鉴别部计算得到。检索发现计算现代湖泊生态需水的专利技术专利，申请号为200910170085. 7，名称为 基于功能设定法的湖泊生态需水分析技术，公开号为CN101650762，它提供了一种综合考虑 湖泊生态系统不同生态服务功能对淡水输入要求的分析技术，将湖泊生态需水划分为蒸散 需水量、渗漏需水量、水生生物及其栖息地需水、湖泊出湖地表径流需水、湖泊出湖地下径 流需水、能源生产需水、自净需水、航运需水和景观娱乐需水等九种类型，根据最大值原则 和湖泊管理目标差异，确定水资源功能系数，最终确定多目标要求下的湖泊生态需水量。3由此可见，我们可以借助数学方法建立孢粉组合带和历史时期湖泊水位的关系， 了解湖泊在低干扰度下的植被类型和水文情况，对于湖泊生态系统健康的维持具有非常重 要的意义。
技术实现思路
历史时期湖泊水位的计算包括三部分筛选部分，分析部分和合成部分。筛选部分 是运用主成分分析法将相关环境因子转化为几个相互独立的综合指标，分析部分是运用灰 色关联法选取与湖泊水位相关性较大的水生植物作为指示生物，合成部分是将综合指标、 湖泊水位作为自变量，指示生物作为因变量用回归的方法拟合。以近代沉积物样品指标、湖 泊监测水位和孢粉组成数据为校正集，对拟合方程变量的系数进行调整，提高方程推算的 精度。附图说明历史时期湖泊水位计算流程图具体实施例方式(1)沉积物定年运用放射性元素21°Pb和137Cs，结合沉积模型对沉积物剖面进行定年，确定每层沉 积物对应的年代。①21°Pb定年模型At = A0e A关系式中At为在深度Z处21°Pbex的活度A0为在表层的21°Pbex的活度入是210Pb 的衰变常数(0. 693/22. 3a-1)②137Cs定年模型s = Z/(T0_Tz)关系式中Z为沉积柱深度I；为表层沉积时间Tz为深度Z处沉积时间(2)环境综合指标的构建运用实验方法测得各沉积剖面层的孢粉组成和物理化学指标，包括沉积物pH、盐 度、电导率、粒径、T0C、TN等。主成分分析法(PCA)，是将多个变量通过线性变换以选出较少个数重要信息的一 种多元统计分析方法，他们彼此之间相互独立，又能综合反映原来多个指标的大部分信息， 为使不同量纲数据可比，在计算过程中由软件对数据进行标准化，该计算过程由SPSS16. 0 实现。计算原理A、数据的标准化处理x*ij = Xij－Xj/Sj其中，i = 1，2，...，11，11为样本点数；」=l，2，...，p，p为样本原变量数目。B、计算数据的协方差矩阵RC、求R的前m个特征值人工彡A2 ^ A3 ^ ,彡Xm，以及对应的特征向量…，叫，Um D、求m个变量的因子载荷矩阵 A =MP121，122，MmpmU12"/^2 5 …，u U2l、f^, U22 -> …，UlmVAn 2m VAnUpl V^", Up2 V^",…’ Upm JKV p2' ”(3)指示生物的选取湖泊中植物的生长及生存状态与湖泊水位(水量)相关，由于湖泊生态系统的复 杂性和植物的多样性，分析所有的植物花粉特征是不现实的，只有选取部分指示生物作为 样本，指示生物的选取标准是生长状况(沉积层中的孢粉丰度)与湖泊水位的相关性较大。灰色系统理论是一种研究“少数据、贫信息”不确定性问题的新方法，以“小样本、 贫信息”的不确定系统为研究对象，主要通过对“部分”已知信息的生成、开发，提取有价值 的信息，实现对系统运行行为、演化规律的正确描述和有效监控。灰色关联分析是灰色系统 理论的重要内容，它通过计算系统特征序列和相关序列之间的灰色关联度来判断变量之间 关联的强弱，效果较好。本过程运用灰色关联法分析物种与湖泊水位之间的关系。计算原理①求各序列的初值像，即对数据进行标准化。现有数列Xi = (i = 1，2， ，1)初值像序列= (i = 1, 2, . . . , 1)幻为系统特征序列的初值像。 ③计算两极最大差M和最小差mM = max max Sl (k)m = min min (k)i k i k④求关联系数,,、 m + iM广側+讽式中，k=1，2，⑤计算关联度1 n7i，n;i = 1，2，...，1 ；分辨系数 I G (0,1)k=l(4)孢粉_水位_综合指标方程的建立运用多元回归的方法建立孢粉_水位_综合指标之间的关系Y = f (Z，&，X2，,Xn)，设定水位为主变量，该部分用非线性拟合，环境综合指标为协变量，该部分用线性拟1=1 o 多元变量回本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种利用沉积物孢粉组合带推算历史时期湖泊水位的技术，其特征在于：运用主成分分析法将相关环境因子转化为独立的环境综合指标，通过灰色关联分析选取与湖泊水位相关性较大的指示生物，利用回归方程建立指示生物－水位－综合指标间的关系。经近代沉积物指标验证，三次方程拟合值与监测值最接近，水位误差小于０．３ｍ。本技术还可以计算历史时期不同季节湖泊水位的变化，结合湖泊水力参数可以计算不同时期湖泊的面积。

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：杨志峰，郭通，陈贺，
申请(专利权)人：北京师范大学，
类型：发明
国别省市：11[中国|北京]