一种基于风沙滩地湖泊最小生态需水量的计算及评价方法

本发明属于生态水文领域，具体涉及一种基于风沙滩地湖泊最小生态需水量的计算及评价方法。

背景技术：

1、湖泊是陆地水圈和水循环的重要组成部分，特别是干旱区内陆湖泊，其独特的水文、水化学和水生态性质对维持当地湖泊生态系统和区域平衡起着重要作用。旱区湖泊生态系统是湖盆、湖水、水体性质和水生生物组成的综合体，又称水域生态系统中的净水生态系统。近年来，受气候变化和人类活动影响，毛乌素沙地湖泊不断干枯、萎缩，水质污染严重。湖泊生态环境危机和由此造成资源性缺水和水质性缺水的局面越来越严重，维护湖泊和水库的合理水位已经成为水资源科学配置和永续利用的基本保证。但是，如何确定湖泊合理的水位、保证湖泊生态系统最小生态需水量和平衡水资源供需矛盾是湖泊生态环境保护中亟待解决的问题。

2、目前，计算湖泊最小生态需水量的方法主要有：曲线相关法、功能法和最小水位法、换水周期法。以上方法均存在如下缺陷：功能法虽全面考虑了湖泊的水资源功能，但却忽略了水文条件的影响；曲线相关法充分反映了湖泊生态系统状况与水量的关系，而其局限在于需要大量的连续生态功能指标系列数据和相应的水文数据；最小水位法虽考虑了水文条件对湖泊系统的动态影响，但在具体应用中，建立动态模型需要采集大量的天然水位资料；换水周期法适用于人为干扰较小的闭流湖或水量充沛的吞吐湖且需要相对应的历史水文数据。

3、综上，针对水文资料短缺，长序列数据收集困难的如毛乌素沙地风沙滩地区，有必要提出一种风沙滩地典型湖泊最小生态需水量的计算及生态功能评价方法，以期维护湖泊的水资源配置和永续利用。

4、有鉴于此，本发明提供一种基于风沙滩地湖泊最小生态需水量的计算及评价方法，以克服现有技术的缺陷。

技术实现思路

1、本发明的目的在于克服上述现有技术的缺点，提供一种基于风沙滩地湖泊最小生态需水量的计算及评价方法，适用于参数获取困难、水文地质条件复杂的圆台体湖泊，如毛乌素沙地风沙滩地圆台体湖泊，也可将本发明的原理应用于其他湖泊形态中，同时本发明操作方法简便，便于推广和应用。

2、本发明的目的通过以下技术方案解决：

3、一种基于风沙滩地湖泊最小生态需水量的计算及评价方法，所述风沙滩地湖泊为圆台体湖泊，具体包括以下步骤：

4、步骤s1：采集研究区内的气象数据，基于遥感影像解译湖泊水域分布面积，与实测湖泊水位数据构建湖泊水位-面积关系函数；同时基于遥感解译的湖泊水面面积计算风沙滩地典型湖泊水体的体积；

5、步骤s2：根据步骤s1构建的湖泊水位-面积关系函数，绘制历年湖泊水位-面积关系图，在湖泊水位-面积关系图变化趋势的基础上，确定湖泊水面面积随湖泊水位变化的转折点，该转折点对应湖泊系统最低生态水位；

6、步骤s3：基于地下水位-湖泊水面面积构建地下水-湖泊交换量的数学方程，并判断地下水与湖泊的补排关系；

7、步骤s4：基于步骤s2-s3，结合水均衡原理，估算湖泊的最小生态需水量；

8、步骤s5：根据步骤s4确定的湖泊最小生态需水量计算湖泊最小生态水面面积，作为该湖泊生态系统生态环境评价的依据，评价湖泊生态功能是否达标。

9、进一步地，所述步骤s1中构建湖泊水位-面积关系函数的具体过程如下所示：

10、首先，对覆盖湖区的遥感影像进行归一化水体指数计算，公式为：ndwi＝(p(green)-p(nir))/(p(green)+p(nir))；其中，ndwi为归一化水体指数，p(green)与p(nir)分别为遥感影像的绿波段与近红外波段像元值；

11、然后，选择ndwi的合理阈值(如0<ndwi<1)提取湖泊水域范围，统计其总面积，并将其与遥感影像观测日期的湖泊水位数据一一对应，用湖泊水面面积作为功能指标建立湖泊水位-面积关系函数s(h)。

12、进一步地，所述步骤s1中湖泊水体体积为：

13、则ha为：

14、式中：v为湖泊水体体积，单位m3；a为遥感解译得到的当年湖泊水面面积；b为查阅历史资料得到的湖泊底面面积；r1为湖泊水面半径，单位m；r2为湖泊底面半径，单位m；ha为湖泊水位高程，单位m；hb为湖底到圆锥体的高，单位m。

15、进一步地，所述步骤s2中转折点对应水位每增加或降低一个单位，湖泊水面面积将发生显著变化，即湖泊生态功能也将发生显著改变，若该水位在湖泊多年平均水位附近，则认为此最大值就是湖泊最低生态水位hmin，所述湖泊最低生态水位hmin作为该湖泊生态系统生态功能预警水位。

16、进一步地，所述步骤s3具体过程如下所示：

17、以湖泊水面和湖底所构成的圆锥体顶部为(0,0)，垂直于湖泊水面的方向为纵坐标，平行于湖泊水面的方向为横坐标建立直角坐标系，并以此构建地下水-湖泊交换量的数学模型，即地下水与湖泊的补排关系方程：

18、其中，wq(t)为t年份湖泊与地下水的交换量，h(t)为t年份湖泊周围地下水位平均高程，单位m；m为湖底淤泥层平均厚度，单位m；ha(t)为t年份的湖泊水位高程，单位m；k为湖泊淤泥层垂向渗透系数，单位m/d；b(t)为t年份的湖泊底面面积。

19、进一步地，若地下水与湖泊的补排关系为：h>ha，地下水补给湖泊；若h≤ha，湖泊补给地下水；其中，ha为湖泊水位高程，h为湖周地下水位高程。

20、进一步地，所述s4中估算湖泊的最小生态需水量具体过程如下所示：

21、假设湖体水量变化量为零，此时湖泊生态系统的补给量等于消耗量，即恰好维持该湖泊正常生态功能的最小水量，天然状态下湖区生态需水量等于湖区蒸发量与地下水-湖泊交换量之和再减去湖区降水量，当遇到蒸发量大或降雨量较少时，近似取蒸发量和交换量作为湖泊的最小生态需水量，即公式为：wmin(t)＝wq(t)+a(t)e(t)；

22、其中，wmin(t)为t时刻湖泊的最小生态环境需水量，wq(t)为t年份湖泊与地下水的交换量，a(t)为t年湖泊的最小生态水面面积，e(t)为t年份的年蒸发量。

23、进一步地，所述步骤s5具体过程如下所示：

24、根据步骤s4估算的湖泊最小生态需水量以及维持湖泊生态系统各组成分和满足湖泊主要生态环境功能的最小水位确定湖泊的最小生态水面面积，即：

25、

26、其中，hmin为维持湖泊生态系统各组成分和满足湖泊主要生态环境功能的最小水位；wmin(t)为t时刻湖泊的最小生态环境需水量；a(t)为t年湖泊的最小生态水面面积；

27、评价湖泊生态功能是否达标的依据为：湖泊面积的实测值与最小生态水面面积的平均值f，若该比值f≥1，则认为该湖泊生态功能达标；若该比值0.5≤f＜1，则认为该湖泊生态功能较差；若该比值f＜0.5，则认为该湖泊生态功能差。

28、与现有技术相比，本发明具有如下有益效果如下：

29、本发明提供的一种基于风沙滩地湖泊最小生态需水量的计算及评价方法，主要针对水文资料短缺，长序列数据收集困难的毛乌素沙地风沙滩地区，基于遥感影像解译分别构建湖泊水位-面积关系函数以及计算湖泊水体的体积。最终估算湖泊的最小生态需水量以及由该最小生态需水量计算湖泊最小生态水面面积，作为该湖泊生态系统生态环境评价的依据，从而维护湖泊的水资源配置使其永续利用。该方法适用于参数获取困难、水文地质条件复杂的圆台体湖泊，同时操作方法简便，便于推广和应用。