一种江河源区生态保护修复的水资源效应定量评估方法技术

本发明专利技术提供了一种江河源区生态保护修复的水资源效应定量评估方法，包括以下步骤：通过原型生态水文观测试验获取土壤水文特性参数；构建研究区分布式生态水文模拟；最后根据前期获得的水文特性参数以及构建的分布式生态水文模型设定情景方案，将各情景方案模拟得到的生态水文过程与采取措施之前进行对比，定量分析不同生态保护措施后的水资源效应。该方法解决了现有生态水文模型在解决大尺度、高寒高海拔江河源头区对生态水文过程模拟中面临的适用性问题，同时将试验观测数据与模型参数进行直接对比，对于定量分析大规模的生态保护与修复措施产生的水源涵养及河川径流效应提供科学依据。

A quantitative assessment method for water resources effect of ecological restoration in Heyuan river area

The invention provides a quantitative evaluation method for water resources effect of ecological protection and restoration in source areas of rivers and rivers, which comprises the following steps: obtaining soil hydrological characteristics parameters through prototype eco-hydrological observation test; constructing distributed eco-hydrological simulation in research areas; finally, according to the hydrological characteristics parameters obtained in the earlier stage and the constructed distribution pattern. The scenario scheme was set up in the eco-hydrological model, and the simulated eco-hydrological processes were compared with those before the measures were taken to quantitatively analyze the water resources effects after different ecological protection measures. This method solves the problem of applicability of existing eco-hydrological models in simulating eco-hydrological processes in the headwaters of large-scale and high-altitude rivers at high and cold altitudes. At the same time, the experimental data are directly compared with the model parameters for quantitative analysis of water conservation and river caused by large-scale ecological protection and restoration measures. Sichuan runoff effect provides scientific basis.

【技术实现步骤摘要】
一种江河源区生态保护修复的水资源效应定量评估方法
本专利技术属于生态环境保护与修复
，具体涉及一种江河源区生态保护修复的水资源效应定量评估方法。
技术介绍
生态环境保护与修复已成为我国生态文明建设的核心内容之一，是实现“绿水青山”基础保障，尤其是江河的源头区、上中游地区，开展实施了大规模的水土保持、生态修复、退耕还林还草、荒漠化治理等一系列保护措施。但是对保护的效果监测评价还面临很大的困难，主要在于原型观测网受经费、人力、自然条件等限制，只能在点尺度、小范围实施，对大尺度的保护效果监测评估难以实现；其次，水系统与气候、生态、人类活动等诸多要素密切相关，仅靠原型观测难以区分和定量评估保护措施带来的水资源效应。目前，关于生态保护、土地利用等下垫面变化条件下的水资源效应评价，主要有以下几种途径：一是建立分布式水文模型，模拟下垫面变化对径流深、径流量等水文特征的影响。比较常见的是利用SWAT模型，在不同的土地利用类型下，模拟汛期、非汛期等不同时间尺度的水文要素的变化，并分析水文要素变化与主要景观类型的响应关系；二是基于某一个或者几个植被生长要素，利用统计分析方法比较生态保护措施的效果。例如基于植被盖度、叶面积指数、流速等指标，根据Mann-Kendall法、Mann-Whitney法、聚类分析法、Pettitt法、秩和检验法等统计方法对指标进行趋势、突变等特征进行分析检验；三是构建评价指标体系，评估生态水文过程的变化。较为常见的是先基于水文变化指标法(IHA)，从水文情势的量、时间、频率、延时和变化率5种基本特征出发，构建生态水文评估指标体系，然后在此基础上利用变化范围法(RVA)，确定生态保护措施实施前后指标的改变程度，进而评估其生态水文效应。以上三种评估方法都存在一定的局限与不足。基于水文模型模拟的方法从区域水文特征出发，注重分析流量、流速等要素的变化，从而体现河川径流的水文响应特征，但比较依赖模型本身的适用能力，常见的模型(如SWAT模型)由于缺乏能够模拟高寒江河源区积雪融雪、土壤冻融等过程的模块，加上水文过程参数的不确定性，难以适用江河源区的生态水文过程模拟及生态效应评价预测。基于植被生长要素变化的统计评价方法只能从定性角度描述生态保护措施的基本效应，缺乏定量化、空间化的精确分析，而且针对未来生态保护措施的制定与管理不能给出定量预测结果。基于构建生态水文指标体系的评价大多用于河流，由于筑坝、气候变化、引水、地下水超采等原因导致的生态水文情势变化的统计评价，而河流生态水文特征与大尺度、高寒地区生态水文特征存在较大差异，生态指标体系对于后者有较大局限性，尤其是对江河源区生态保护水资源效应定量评估方面还缺乏有效工具。
技术实现思路
针对现有技术中存在的上述问题，本专利技术提供一种江河源区生态保护修复的水资源效应定量评估方法，该方法具有在高寒江河源区模拟大尺度生态水文过程演变的能力，并能够对大规模生态保护与修复措施实施后产生的水资源效应进行模拟评估及预测，指导生态保护规划措施的制定与实施。为实现上述目的，本专利技术解决其技术问题所采用的技术方案是：一种江河源区生态保护修复的水资源效应定量评估方法，具体包括以下步骤：(1)基于江河源区原型生态水文观测试验，获取土壤水文特性参数；(2)采集流域空间地理信息库信息，根据该信息构建分布式水文模型，该模型对地表积雪融雪过程、土壤水冻融过程和植被生长过程进行分布式模拟；该信息包括土地利用信息、土壤类型信息、气象站点的空间分布信息；(3)根据所述分布式生态水文模型，以生态保护与修复措施为基础设定情景方案，根据所述土壤水文特性参数设定基准方案，将各情景方案模拟得到的生态水文过程与基准方案进行对比，评估生态保护与修复措施的水资源效应。进一步地，步骤(2)中采用分布式水文模型对地表积雪融雪过程进行模拟的具体方法为能量和质量平衡计算积雪和融雪过程，计算公式为：式中，Cs是冰的比热，J/(kg·℃)；ρw是水的密度，103kg/m3；W是表层积雪的雪水当量，m；Ts是表层温度，℃；Qr是净辐射，KJ/(m2·day)；Qs是感热通量，KJ/(m2·day)；Qe是潜热通量，KJ/(m2·day)；Qp是经由降雨和降雪提供给积雪层的能量，KJ/(m2·day)；Qm是液态水结冰时向积雪层释放的能量或融化时从积雪层吸收的能量，KJ/(m2·day)。进一步地，步骤(2)中采用分布式水文模型对土壤水冻融过程进行模拟的具体方法为通过以下公式来进行模拟：式中：FSi为第i层土壤水冻结量，mm；θi为第i层土壤的含水量；θstat,i为当层土壤饱和含水量。进一步地，步骤(2)中采用分布式水文模型对植被生长过程进行模拟的具体方法为对光合作用和呼吸作用进行模拟，光合作用通过公式(1)进行模拟，呼吸作用通过公式(2)进行模拟：式中：GPP为植被总初级生产力，g·C/(m2·d)；ε为光转化因子，无量纲；PAR为大气上界的光合有效辐射，MJ/(m2·d)；FPAR为植被对入射光合有效辐射的吸收比例；a，b为经验系数；DL为理论日照时长，h；n为实际日照时数，h；为T0温度时的光呼吸系数；Tday为日平均气温，℃；RG为植物生长呼吸消耗量，kgC/(m2·d)；Rg为生长呼吸系数；RM为维持呼吸消耗量，gC/(m2·d)；T0为作物呼吸的最适温度，℃；为T0温度时的维持呼吸系数；Q10为呼吸作用的温度系数。进一步地，步骤(3)中水资源效应包括水源涵养效应、径流调节效应，径流包括汛期径流和枯水期径流；当水源涵养量增加，汛期洪峰径流量减少，枯水期径流量增加时，生态保护与修复措施产生正面效应。本专利技术提供的江河源区生态保护修复的水资源效应定量评估方法，具有以下有益效果：(1)本专利技术是针对江河源区采取的生态保护修复措施实施后，对其水资源提供的一种效果定量评价方法，该方法通过原型生态水文观测试验获取土壤关键参数，根据所获取的信息构建研究区分布式生态水文模型，主要是针对大区域、高寒高海拔江河源头区的生态水文系统中地面积雪融雪过程、土壤水冻融过程、植物生长过程的模拟，然后定量评估及预测研究区生态保护修复后产生的水资源效应，该水资源效应包括陆面水源涵养效应和冰川径流变化过程效应。该方法通过构建大区域分布式生态水文模型，模拟设定生态保护措施中的多种情景方案，对比分析不同保护措施情景下的水资源要素变化，通过与基准情景的比较分析，分离出单一保护修复措施或组合措施对江河源区生态水文过程的影响程度及贡献度，最后将模拟得到的水资源效应值与试验观测及实测统计结果的相关部分进行对比验证，从而给出能够反映区域生态保护措施水资源效果的客观结论，为生态保护及补偿机制研究提供技术支撑。(2)该方法具有在高寒江河源区模拟大尺度生态水文过程演变的能力，解决了现有生态水文模型在解决大尺度、高寒高海拔江河源头区对生态水文过程模拟中面临的适用性问题；同时该方法能够对大规模生态保护与修复措施实施后产生的水资源效应进行模拟评估及预测，指导生态保护规划措施的制定与实施，其局限性小，易于推广。附图说明图1为江河源区生态保护水资源效应定量评估方法的主要流程图。图2三江源区河网水系提取结果图。图3三江源区子流域划分图。图4积雪融雪过程验证(沱沱河)结果图。图5水源本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种江河源区生态保护修复的水资源效应定量评估方法，其特征在于，包括以下步骤：(1)基于江河源区原型生态水文观测试验，获取土壤水文特性参数；(2)采集流域空间地理信息库信息，根据所述信息构建分布式水文模型，该模型对地表积雪融雪过程、土壤水冻融过程和植被生长过程进行分布式模拟；所述信息包括土地利用信息、土壤类型信息、气象站点的空间分布信息；(3)根据所述分布式生态水文模型，以生态保护与修复措施为基础设定情景方案，根据所述土壤水文特性参数设定基准方案，将各情景方案模拟得到的生态水文过程与基准方案进行对比，评估生态保护与修复措施的水资源效应。

【技术特征摘要】
1.一种江河源区生态保护修复的水资源效应定量评估方法，其特征在于，包括以下步骤：(1)基于江河源区原型生态水文观测试验，获取土壤水文特性参数；(2)采集流域空间地理信息库信息，根据所述信息构建分布式水文模型，该模型对地表积雪融雪过程、土壤水冻融过程和植被生长过程进行分布式模拟；所述信息包括土地利用信息、土壤类型信息、气象站点的空间分布信息；(3)根据所述分布式生态水文模型，以生态保护与修复措施为基础设定情景方案，根据所述土壤水文特性参数设定基准方案，将各情景方案模拟得到的生态水文过程与基准方案进行对比，评估生态保护与修复措施的水资源效应。2.根据权利要求1所述的江河源区生态保护修复的水资源效应定量评估方法，其特征在于，步骤(2)中采用分布式水文模型对地表积雪融雪过程进行模拟的具体方法为能量和质量平衡计算积雪和融雪过程，表层积雪的雪水当量计算公式为：式中，Cs是冰的比热，J/(kg·℃)；ρw是水的密度，103kg/m3；W是表层积雪的雪水当量，m；Ts是表层温度，℃；Qr是净辐射，KJ/(m2·day)；Qs是感热通量，KJ/(m2·day)；Qe是潜热通量，KJ/(m2·day)；Qp是经由降雨和降雪提供给积雪层的能量，KJ/(m2·day)；Qm是液态水结冰时向积雪层释放的能量或融化时从积雪层吸收的能量，KJ/(m2·day)。3.根据权利要求1所述的江河源区生态保护修复的水资源...

【专利技术属性】
技术研发人员：翟家齐，赵勇，王建华，李海红，付雯琪，王庆明，王丽珍，朱永楠，何凡，胡鹏，姜珊，桂云鹏，
申请(专利权)人：中国水利水电科学研究院，
类型：发明
国别省市：北京,11