基于月尺度生态水文模拟的绿洲生态输水过程优化方法

本发明涉及地球物理下生态水文分支，特别是一种基于月尺度生态水文模拟的绿洲生态输水过程优化方法。

背景技术：

1、我国西北干旱区内陆河流域水资源稀缺、生态脆弱，生态输水保障绿洲生态需水是治理中下游河岸带及尾闾自然绿洲退化、复苏绿洲生态系统健康的有效工程措施。以塔里木河、黑河、石羊河等流域为典型代表的内陆河流域是我国生态文明建设的重要地带，国土面积占比达29％，流域生态环境复苏是当前经济社会高质量发展最为关键的问题之一。因此，有必要提出一种生态输水过程优化方法，提高生态输水复苏干旱区尾闾绿洲的生态效益，支撑内陆河流域生态脆弱区可持续发展。

2、在生态输水(生态补水)优化配置研究方面，为协调生态输水复苏干旱区尾闾绿洲生态效益与蒸散损耗之间的矛盾，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(申请/专利号：cn202010372702.8)”。为提升草型湖泊水质，最大程度发挥植物自身的水质净化功能，提出了“一种面向草型湖泊水质提升的生态补水优化方法(申请/专利号：cn202111577940.3)”。基于干旱区尾闾湖泊水量平衡模型，考虑不同气象条件对湖泊水量平衡的影响，提出了“不同气象条件下干旱区尾闾湖泊生态需水优化方法(申请/专利号：cn202210936777.3)”。将区域节水置换的水量优先用于本区域河段的生态水量的消耗，以此减少外调水对本区域的补水量，提出了“一种促进节水的河道生态补水优化方法(申请/专利号：cn202310931238.5)”。为解决如何利用有限的水资源达到河流污染的最佳改善问题，最大程度地增加水体的流动性，控制河道水质变幅，降低污染物浓度峰值，提出了“一种潮汐河流生态补水优化配置方法(申请/专利号：cn202311179802.9)”。

3、上述研究成果表明，围绕不同保护对象的生态输水(生态补水)评估已提出了一系列方法。但是，已有方法主要针对生态输水总水量开展了优化研究，尚未深入考虑生态输水总水量一定条件下、生态输水过程差异对生态复苏效益的影响，难以指导在不增加生态输水总水量条件下、通过优化生态输水过程提升生态复苏效益。因此，有必要构建月尺度概念性集总式生态水文模型，通过多工况生态水文模拟优选生态输水过程。综上所述，需要发展一种基于月尺度生态水文模拟的干旱区尾闾绿洲生态输水过程优化方法。

技术实现思路

1、本发明要解决的技术问题是针对上述现有技术的不足，而提供一种基于月尺度生态水文模拟的绿洲生态输水过程优化方法，该基于月尺度生态水文模拟的绿洲生态输水过程优化方法能弥补现有干旱区尾闾绿洲生态需水评估及保障研究中缺乏生态输水过程优化方法的不足，完善干旱区内陆河流域生态需水评估及保障方法体系，提高降水量、潜在蒸散发量、生态输水量、湖泊面积、地下水埋深、绿洲面积、植被覆盖度等气象、水文、生态观测资料的利用效率，为复苏干旱区尾闾绿洲生态系统结构与功能、发挥绿洲生态系统服务功能提供科技支撑。

2、为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是：

3、一种基于月尺度生态水文模拟的绿洲生态输水过程优化方法，包括如下步骤。

4、步骤1、构建月尺度生态水文模型方程组：月尺度生态水文模型方程组包括均随月度t变化的湖泊水量平衡方程、湖泊面积平衡方程、地下水埋深平衡方程、绿洲面积平衡方程和植被覆盖度平衡方程。

5、月尺度生态水文模型方程组具有3个输入量、5个未知变量和若干个方程未知系数；其中：

6、3个输入量分别为：生态输水量we、降水量p和潜在蒸散发量ep。

7、5个未知变量包括3个待求解中间未知量和2个待求解优化未知量；其中，3个待求解中间未知量分别为：湖泊水深hl、湖泊面积al和地下水埋深hg；2个待求解优化未知量分别为：绿洲面积av和植被覆盖度v。

8、步骤2、收集月尺度气象、水文和生态观测数据：针对干旱区的待优化绿洲，逐月收集整理其在生态输水期间连续n年的气象、水文和生态观测数据；其中，n≥5；每月的气象、水文和生态观测数据均包括步骤1中的3个输入量和5个未知变量。

9、步骤3、率定方程未知系数：使用步骤2中收集的月尺度气象、水文和生态观测数据，对步骤1构建的月尺度生态水文模型方程组中的所有方程未知系数进行率定。

10、步骤4、设计生态输水方案：使待优化绿洲在自然年度内的生态输水总量为定值we,d的情况下，设计如下三种过程差异化的生态输水方案，分别为：

11、方案一、植被生长季前期输水：将生态输水总量we,d均匀分配至植被生长季前期的a个月份，则植被生长季前期每个月份的生态输水量均为we,d/a。

12、方案二、植被生长季后期输水：将生态输水总量we,d均匀分配至植被生长季前期的b个月份，则植被生长季后期每个月份的生态输水量均为we,d/b。

13、方案三、植被生长季全期输水：将生态输水总量we,d均匀分配至植被生长季全期的a+b个月份，则植被生长季全期每个月份的生态输水量均为we,d/(a+b)。

14、步骤5、月尺度生态水文模拟，具体包括如下步骤。

15、步骤5-1、模型输入量模拟方案设计：将一般条件降水量p、一般条件潜在蒸散发量ep、以及生态输水量we，作为月尺度生态水文模型方程组的3个输入量；其中，生态输水量we采用步骤4设计的三种生态输水方案，因而对应三种输入量模拟方案。

16、步骤5-2、月尺度生态水文模拟：将步骤5-1设计的每种模型输入量模拟方案，分别输入至具有确定方程系数的月尺度生态水文模型方程组中，逐月进行为期k年的生态水文模拟，获得每种模型输入量模拟方案下每个月份的绿洲面积av和植被覆盖度v；其中，k≥5。

17、步骤6、选择最优生态输水方案，具体包括如下步骤：

18、步骤6-1、计算年平均值：对每种模型输入量模拟方案各个月份的绿洲面积av分别计算k年的平均值，记为对应月份的月度绿洲面积av年平均值；对每种模型输入量模拟方案各个月份的植被覆盖度v分别计算k年的平均值，记为对应月份的月度植被覆盖度v年平均值。

19、步骤6-2、获取最大年平均值：寻找并比较每种模型输入量模拟方案下的月度绿洲面积av年平均最大值和月度植被覆盖度v年平均最大值；以绿洲面积大、植被覆盖度高为评价依据，选取月度绿洲面积av年平均最大值大和月度植被覆盖度v年平均最大值高所对应的生态输水方案作为最优生态输水方案。

20、步骤1中，月尺度生态水文模型方程组具体构建方法，包括如下步骤：

21、步骤1-1、构建湖泊水量平衡方程：构建湖泊水深hl随月度t变化的微分方程其具有两个方程未知系数。

22、步骤1-2、构建湖泊面积平衡方程：构建湖泊面积al随月度t变化的微分方程其为关于和hl的函数，且具有一个方程未知系数。

23、步骤1-3、构建地下水埋深平衡方程：构建地下水埋深hg随月度t变化的微分方程其为关于al、绿洲面积av和植被覆盖度v的函数，且具有七个方程未知系数。

24、步骤1-4、构建绿洲面积平衡方程：构建绿洲面积av随月度t变化的微分方程其为关于hg的函数，且具有五个方程未知系数。

25、步骤1-5、构建植被覆盖度平衡方程：构建植被覆盖度v随月度t变化的微分方程其为关于hg的函数，且具有五个方程未知系数。

26、步骤1-1中，湖泊水量平衡方程的表达式为：

27、

28、其中：

29、

30、式中，hl的单位m，为待求解中间未知量。

31、sl为湖泊蓄水量，单位106m3。

32、we为生态输水量，单位106m3，为输入量。

33、p为降水量，单位mm，为输入量。

34、ep为潜在蒸散发量，单位mm，为输入量。

35、wr为湖泊下渗量，单位mm，为已知量。

36、为湖泊蓄水量与湖泊水深相关系数，为方程未知系数。

37、为湖泊下渗补给系数，为方程未知系数。

38、步骤1-2中，湖泊面积平衡方程的表达式为：

39、

40、式中，al的单位km2，为待求解中间未知量。

41、为湖泊面积与湖泊水深相关系数，为方程未知系数。

42、步骤1-3中，地下水埋深平衡方程的表达式为：

43、

44、其中：

45、

46、

47、

48、

49、式中，hg的单位m，为待求解中间未知量。

50、δsg为地下水蓄水量变化量，单位106m3。

51、ar为生态输水对绿洲地下水的补给范围，单位km2，为输入量。

52、av为生态输水复苏的绿洲面积，单位km2，为待求解的优化未知量。

53、ev为绿洲蒸散发量，单位mm。

54、eg为裸地潜水蒸发量，单位mm。

55、wg为地下水入流量和出流量的差值，表征地下水的流域自然补给量，单位mm，tm表示月份，取值为1、2、3、4、5、6、7、8、9、10、11、12。

56、θ为地下水补给相关系数，为方程未知系数。

57、为地下水流域自然补给量相关系数，为方程未知系数。

58、为地下水流域自然补给年内分配曲线峰值位置相关系数，为方程未知系数。为地下水流域自然补给年内分配曲线形状相关系数，为方程未知系数。hg,max为潜水蒸发极限埋深，单位m，已知量。

59、和均为与土壤质地有关、影响潜水蒸发的相关系数，为方程未知系数。

60、为植被覆盖度对ev影响的表征系数，为方程未知系数。

61、步骤1-4中，绿洲面积平衡方程的表达式为：

62、

63、其中：

64、

65、

66、式中，为绿洲面积变化率的表征系数，为方程未知系数。

67、ε为时间因子，表征绿洲面积和植被覆盖度承载力的年内变化。

68、aε为时间因子相关系数，为方程未知系数。

69、tm表示月份。

70、为时间因子曲线峰值位置相关系数，为方程未知系数。

71、为时间因子曲线形状相关系数，为方程未知系数。

72、av,gcc为地下水对绿洲面积的承载力，单位km2。

73、av,gcc,max为地下水对绿洲面积的最大承载力，即绿洲可恢复的最大面积，单位km2，已知量。

74、为绿洲面积达到0.5av,gcc,max时的地下水埋深，单位m，已知量。

75、为地下水对绿洲面积承载能力曲线倾斜程度的相关系数，为方程未知系数。

76、步骤1-5中，植被覆盖度平衡方程的表达式为：

77、

78、其中：

79、

80、

81、式中，v为植被覆盖度，单位％，为待求解的优化未知量。

82、βv为植被覆盖度变化率的表征系数，为方程未知系数。

83、ndvigcc为地下水对ndvi的承载力。

84、vgcc为地下水对植被覆盖度的承载力，单位％。

85、ndvigcc,max为地下水对ndvi的最大承载力，即ndvi可恢复达到的最大值，已知量；其中，ndvi表示归一化植被指数，已知量。

86、为ndvi达到0.5ndvigcc,max时的地下水埋深，单位m，已知量

87、是反映地下水对ndvi承载能力曲线倾斜程度的相关系数，为方程未知系数。

88、andvi、bndvi、cndvi均vgcc的拟合系数，均为方程未知系数。

89、n＝k＝10。

90、步骤5中，a＝b＝3，植被生长季前期的a个月份分别为5月、6月和7月；植被生长季前期的b个月份分别为8月、9月和10月；植被生长季全期的a+b个月份分别为5月～10月，共计6个月份。

91、步骤5-1中，一般条件降水量p和一般条件潜在蒸散发量ep，根据待优化绿洲待模拟年份的来水类型进行确定；当待模拟年份的来水类型为平水年时，一般条件降水量p和一般条件潜在蒸散发量ep，采用待优化绿洲在以往连续m个平水年的降水量p和潜在蒸散发量ep；依次类推。

92、本发明具有如下有益效果：

93、本发明是能弥补现有干旱区尾闾绿洲生态需水评估及保障研究中缺乏生态输水过程优化方法的不足，完善干旱区内陆河流域生态需水评估及保障方法体系，提高气象、水文、生态观测资料的利用效率，在不增加生态输水总水量的条件下，通过优化生态输水过程提高绿洲复苏生态效益，为复苏干旱区尾闾绿洲生态系统结构与功能、发挥绿洲生态系统服务功能提供科技支撑。