一种基于对生态系统扰动程度评价的湿地生态需水量计算方法

摘要

一种基于对生态系统扰动程度评价的湿地适宜生态需水量计算方法。首先分析湿地形态特征，根据湿地水面面积随水位变化的变化率，得到影响湿地水面面积变化的关键水位，并根据关键水位和其离散结果构造出包括初始生态水位方案在内的多个生态水位方案。然后应用Mann-Kendall法分析水位时间序列值，找出水位变化的突变点以确定自然条件下的水位状态。在此基础上再对各生态水位方案进行修正水文指数评价，确定一系列达到生态系统健康状况要求的湿地适宜生态水位方案，最终确定适宜生态需水量方案。该发明能够提供一系列适用于不同供水条件的适宜生态需水量方案，保证不同时期生态系统不会因为缺水而剧烈退化，在水资源管理配置中可操作性更强。

说明书

技术领域

本发明属于环境保护技术领域，涉及一种基于生态系统扰动程度评价的计算湿地适宜生态需水量的方法。能够有效解决在当前数据缺乏的条件下，湿地生态需水分析技术难以从生态系统健康状况出发快速准确的确定适宜生态需水量的问题。 

背景技术

近年来，由于人类活动加剧，对湿地进行的引水、围垦等不合理的水土资源开发活动的加剧致使大量湿地的生态需水被挤占，造成湿地面积不断萎缩，生物多样性减少，水文循环过程发生深刻变化，水质污染严重。湿地的消退导致湿地生态功能、社会效益得不到正常发挥，严重制约了社会经济的可持续发展。因此通过核算湿地生态需水量为其科学配水提供依据，已成为维持湿地生态系统健康和社会经济可持续发展亟待解决的问题，具有深远的生态学意义和现实的社会意义。 

生态需水的研究开始于20世纪40年代，目前已有将近50个国家开展了相关方面的研究，产生了200多种研究方法，这些方法可以大体归纳为四个大类，即水文学法、水力学法、栖息地模拟法和整体法(Tharme，2003)。其中河流生态系统一直是生态需水研究的重点，相关方法较多(如发明“一种人为干扰河流生态需水阈值计算方法”，申请号201010130028.9；发明“一种生态环境需水阈值的计算方法”，申请号200910162568)。 

近年来以面域为特征的生态系统需水量研究也受到学者们的关注。针对面域生态系统开发的方法主要有：生态功能法，其思路是从生态系统功能的角度研究生态环境需水，将各个生态功能所需要的水量进行加和，从而得到总的生态环境需水量的。如发明“城市生态需水分析技术”(申请号200910169800.5)，发明“基于功能设定法的湖泊生态需水分析技术”(申请号200910170085.7)。这类方法虽然强调生态系统的各项功能性，理论性较强，但是生物和环境的需求极其复杂(如动植物生理需水牵涉到复杂的生理过程研究)，涉及到的方面也相当多，还要扣除重复计算的需水量。短时间内，在资料并不充分的情况下，细致而准确地计算出流域乃至全国范围内的湿地对水的各项生态需求是比较困难的。栖息地模拟法，主要思路是通过建立河流径流量与目标生物栖息地之间的关系来求得生态需水。如发明“基于生境模拟的河口生态需水计算方法”(申请号200910170101.2)，这类方法虽然物理意义明确，能够有效地评估生态需水量的增加对于生态系统的影响，但由于我国多年来生态保护意识较差，一些相关的生态资料比较缺乏在实际应用中还有局限，实现难度较大。生态水文方法，通过选取部分代表性生物作为指示生物，分析其与水位之间的联系，进而求得生态需水量。如衷平等(2005)提出的生态水位法，周林飞(2007)提出的生态水面法等。这类方法的缺点在于只是把筛选出的部分关键物种与水位水量等水文参数相联系，是建立在关键物种的生态需水等同于生态系统整体需水的前提下，不能得到维持生态系统完整性和维持生态系统整体健康的结果。水文学方法虽然需要的历史资料和实地调查工作都较少，比较适用于宏观规划和资料较为缺乏的地区使用，但通常只计算出最小生态需水量这一固定值，并且难以表征生态系统的健康水平与水资源之间的关系。如针对湖泊生态系统的水量平衡法、换水周期法(刘静玲，2002)，天然水位资料法等(徐志侠，2004)。 

如上所述，目前湿地生态需水分析技术主要针对湿地生态系统的部分特征或服务功能提出相应的需水量的要求，计算结果往往较为单一。在实际的水资源管理中，难以根据水资源情势进行适当调整。缺乏简便有效，对生物资料要求相对较低，并且能够反映生态系统健康状况的计算方法。不利于湿地生态系统的环境保护，生态恢复，以及水资源的科学规划管理。有必要开发一种既能维持生态系统健康的要求，又能够在现阶段水资源配置中利于操作，解决实际应用问题的生态需水评估方法。 

发明内容

本发明针对目前缺乏简单易行的能够将生态系统健康状况和水资源供给情势相联系的湿地生态需水计算方法的问题，提出一种基于对生态系统扰动程度评价的湿地生态需水分析技术。 

本发明的特征在于首先通过湿地形态分析确定影响水面面积变化的关键水位，并根据关键水位和其 离散结果构造出初始生态水位方案等多个生态水位方案。然后应用Mann-Kendall法分析水位时间序列值，找出水位变化的突变年份以确定自然条件下的水位。在此基础上再对各生态水位方案进行修正水文指数评价，确定生态系统健康状况可接受时的一系列湿地适宜生态水位方案，最后得出适用于不同供水条件的湿地适宜生态需水量方案。 

与现有技术相比本专利技术具有以下优点： 

1.能够直观反映出湿地生态系统的健康状况和湿地生态需水量之间的相互关系。在可接受的生态系统健康状况下，提供多种需水量方案，能够为水资源配置提供切实可行的科学依据，可操作性更强。 

2.计算方法简单易行，对数据资料的要求低。目前我国多数湿地的资料现状能够满足计算对数据的要求，便于在实际中推广应用。 

附图说明

附图1为湿地水位和湿地面积变化率关系示意图； 

附图2为实施例中湿地水位-水面面积关系图； 

附图3为实施例中湿地水位-水面面积变化率关系图。 

具体实施方式

1.湿地形态分析。 

湿地的生态服务功能均和湿地水面面积密切相关，因此可以用湿地面积作为湿地功能指标。采用实测湿地水位和面积资料，建立湿地水位(H)和湿地面积(A)变化率(dA/dH)的关系线，其示意图见图1。由于湿地水位和面积之间为非线性关系，随着湿地水位的下降湿地面积的减少量是不同的。由dA/dH和湿地水位关系曲线中得到水面面积变化率最大值时对应的水位，这个水位即为湿地水面面积变化的关键水位。 

根据关键水位构建初始生态水位方案。设初始生态水位方案各月水位分别为H1、H2、…、H12，将生态水位初始状态值向两个方向进行离散，得到一系列生态水位方案。 

表1.生态水位方案 

2.使用M-K(Mann-Kendall)法对湿地水位进行变化趋势检验，计算湿地水位发生突变的年代，将突变前的年份作为自然状态，以确定自然条件下的湿地水位。 

设湿地水位序列为x1，x2，…，xn，m_i表示第i个样本xi大于xj(1≤j≤i)的累计数。定义统计量： 

$d_k=\underset{i=1}{\overset{k}{\Sigma }}{m}_i---\left(1\right)$

在原序列随机独立假定下，d_k的均值、方差分别为： 

$E\left(d_k\right)=\frac{K(K-1)}{4}---\left(2\right)$

$\mathrm{Var}\left(d_{\text{k}}\right)=\frac{K(K-1)(2k+5)}{72}---\left(3\right)$

将d_k标准化： 

$u\left(d_k\right)=\frac{d_K-E\left(d_K\right)}{\sqrt{\mathrm{Var}\left(d_k\right)}}---\left(4\right)$

u(d_k)为标准正态分布，其曲线为C₁。给定显著性水平α，若|u(d_k)|＞u_α，则表明序列存在明显的趋势变化。把此方法引用到反序列中，得到曲线为C₂。若C₁和C₂在临界线内相交，则交点对应的时刻即为湿地水位发生突变的时间。 

3.根据M-K法分析结果将突变前的年份作为自然状态，对各生态水位方案进行AAPFD(Amended annual proportional flow deviation，修正全年偏差)指数评价，并认为AAPFD指数＞5时，生态系统的状况是可以接受的。AAPFD指数的计算公式如下： 

$\mathrm{AAPFD}=\frac{1}{n}\underset{j=1}{\overset{n}{\Sigma }}{\left[\underset{i=1}{\overset{12}{\Sigma }}{\left(\frac{H_i-h_{\mathrm{ij}}}{\overline{h_{\mathrm{ij}}}}\right)}^2\right]}^{\frac{1}{2}},(i=\mathrm{1,2},...,12;j=\mathrm{1,2},...,n)---\left(5\right)$

n：评价年数 

H_i：第i月生态水位 

h_ij：第j年第i月水位 

第j年平均水位 

表2.APPFD与水文指数关系 

AAPFD越大，说明生态系统受到的影响越大，生态系统的健康状况也越差。水文指数的使用使得评价结果更加直观：当水文指数大于0时，生态系统的状况是可以接受的；而水文指数越大，表明生态系统的健康状况越好，当水文指数等于10时，生态系统完全处于自然状态，没有人类活动的扰动。 

5.根据评价结果将水文指数大于6的生态水位范围确定为湿地适宜生态水位范围。 

6.计算湿地适宜生态需水量。通常湿地生态需水量包含两个方面；一部分是每个月的蒸散发、渗漏等水量损失扣除降水量后的净损失；另一部分是初始水位与目标水位之间的水量差值。 

生态需水量计算公式为： 

Q_i＝2f(h_i)-f(h_i-hh_i)-f(h_0i)                     (6) 

其中，Q_i为第i月生态需水量，h_i为第i月生态水位，hh_i为第i月消耗水深，h_0i为第i月月初水位，f为湿地的水量-水位关系。 

实施例 

采用我国某北方典型湿地的适宜生态需水计算实例具体说明本专利的实施步骤和效果。 

(1)根据某湿地水位和水面面积关系(见图2所示)，推算出水面面积随水位变化的变化率(见图3所示)。由水面面积变化率曲线可知，水面面积变化率最大值对应的水位为7.5m和8.3m，这两个水位为湿地水面面积变化的关键水位。 

(2)以7.5m作为非汛期(10月～5月)生态水位，8.3m为汛期(6月～9月)生态水位，构建初始生态水位方案。 

(3)使用M-K法对某湿地1950年～2000年年平均水位进行突变分析，结果表明1960～1968年该湿地水位发生了突变。 

(4)将生态水位初始状态值向两个方向进行离散，得到一系列生态水位方案(如表4所示)。其中，方案5是初始生态水位方案，设方案5各月水位分别为H1、H2、...、H12，则各方案对应的水位如下： 

(5)将突变前的年份作为自然状态，应用AAPFD指数对各生态水位方案进行评价。各方案生态水位值和AAPFD指数如表3所示。 

表3.各生态水位方案水位及AAPFD指数评价 

(6)进一步在方案2和方案3之间、方案4和方案5之间进一步进行离散化，确定水文指数大于6的生态水位范围为：非汛期(10月～5月)7.51～9.60m，汛期(6月～9月)8.31～10.62m，将此范围作为某湿地适宜生态水位。 

(7)某湿地生态需水量如图所示。 

表4生态需水量计算结果