【技术实现步骤摘要】
本专利技术涉及水生态修复领域，尤其涉及一种基于遥感解译-野外调查-模型构建-多情景模拟预测-水质目标可达性评估的城市河湖沉水植物定量管控方法。
技术介绍
1、城市河湖是居民生产、生活的重要水资源，具有自然和社会双重属性。近年来，快速城市化进程改变了河道的自然水文规律、地貌特征以及生物特性，导致水体黑臭、水体富营养化、水生态系统丧失等一系列生态环境问题。沉水植物对维护和提高河湖生态系统的生物多样性和稳定性，控制河湖富营养化具有重要生态价值。在城市滞留型河道治理过程中，人工水草技术因具有低投资、见效快、不受水体透明度、悬浮杂质及污染负荷等限制等特点而被广泛应用。然而，在一些浅水区域，由于富营养化程度加重，沉水植物逐步扩张、生物量过大，导致某些物种由伴生种逐渐演变为绝对优势种，并在水面附近形成致密的冠层，阻碍水体流动，在一定时期不仅没有发挥其吸收营养盐、净化水质的作用，反而成为氮、磷的内污染源，导致水质下降和水体发黑、发臭等恶性水体感官状态，影响河湖景观休闲功能。因此，合理地收割沉水植物既有利于植物的恢复和生长，增加生物多样性，提高群落稳定性，还能转移出植物中的营养物质，避免沉水植物过量生长而带来的负面作用，达到河湖氮、磷收支平衡或减轻河湖污染负荷目的。目前关于沉水植物生长衰亡过程对水环境的影响机制认识不足、沉水植物暴发的生态环境效应不清晰，且大部分研究以室内模拟实验为主，缺乏对野外水体的长期现场监测结果。同时，大部分城市河湖沉水植物不进行收割或者收割过于随机，而收割强度不够时沉水植物容易产生断枝并且整株上浮，收割过度时可能会导致沉水
2、沉水植物模型可以模拟沉水植物在生长旺盛期和衰亡期体内营养盐含量的动态变化规律、及不同沉水植物管控方案下河湖水质的响应方式，因此，对于提出沉水植物暴发防控的优化方案，制定城市河湖的水环境治理、保护与管理的科学决策具有支撑作用。目前，已经开发的多种水环境模型，从简单的输出系数模型、统计模型到复杂的机理模型(例如mike和efdc)，并没有考虑影响沉水植物对河湖生态系统中复杂的营养盐去除过程的多种因素(例如来水营养盐浓度、水力停留时间、温度、植物种类和覆盖度等)。尤其在现有的基于过程的模型中，温度调整是不必要的，然而，当温度从10℃到35℃时，植物生长速率会相应增加，低温会抑制植物对营养盐的吸收。此外，植物的生物量增长会受到氮和磷有效性的双重限制。因此，考虑温度变化和植物生长衰亡过程中对氮磷的养分利用，构建沉水植物生长衰亡-氮磷吸收释放模型，对城市河湖沉水植物定量化收割具有重要意义。
技术实现思路
1、专利技术目的：针对上述现有技术的不足，本专利技术目的是提供一种基于植物生长衰亡-氮磷吸收释放模拟的城市河湖沉水植物定量管控方法，以更科学的有效克服了城市河湖水生态修复过程中沉水植物治理随机性强、需进行大量野外采样与室内培养的问题，通过自主构建沉水植物生长衰亡-氮磷吸收释放模型，实现城市河湖沉水植物定量化管理。
2、技术方案：为实现上述专利技术目的，本专利技术采用如下技术方案：
3、基于植物生长衰亡-氮磷吸收释放模拟的城市河湖沉水植物定量管控方法，包括如下步骤：
4、(1)利用多光谱遥感影像获取具有沉水植物反射波谱特性的绿光波段，分析沉水植物面积及其空间分布特征；将绿光波段反射率作为主变量，与岸边距离、水深作为协变量，以平均回归克里格估计方差最少为准则，通过空间模拟退火算法选取最少的监测网格；
5、(2)于沉水植物不同生长期，在选取的监测网格中开展样方调查，采用功效分析法，建立监测网格内采样频次与单位面积沉水植物生物量之间的关系，以最少采样频次获取不同区域的沉水植物单位面积生物量及生长率；
6、(3)选取优势种带回实验室监测构建沉水植物模型所需的参数，包括形态参数和氮磷吸收、释放速率；构建沉水植物生长衰亡-氮磷吸收释放模型，模拟生物量及植物体内氮磷净含量的动态变化过程；
7、(4)将沉水植物模型耦合河湖水动力-水质模型，模拟沉水植物覆盖的城市河湖其氮磷浓度时空变化过程，根据河湖氮磷水质目标，确定通过收割沉水植物预期削减的氮磷通量；
8、(5)设置不同区域、不同收割强度及收割时间情景，模拟河湖在不同情景下的氮磷浓度，分析氮磷水质目标可达性，比选后确定沉水植物最佳收割方案。
9、作为优选，所述步骤(1)中包括如下步骤：
10、(1-1)利用多光谱遥感影像，提取其中绿光波段，重分类将沉水植物敏感的像素数值赋值为1，非沉水植物敏感的像素数值赋值为0；目视选择影像中沉水植物分布高、中、低的多个区域，生成对应矢量图层；以矢量图层为边界提取重分类后的绿光波段影像，并进行重采样，计算像素值为1的占整个样方像素的比例，分析沉水植物面积及其空间分布特征；
11、(1-2)将重分类后的绿光波段反射率作为主变量，与岸边距离、水深作为协变量，使用空间模拟退火算法寻找平均估计方差全局最少的监测网格。
12、作为优选，所述空间模拟退火算法具体步骤为：将研究区按照预设样方大小离散成若干网格，从原始样点集中随机选择一组样点作为最优解，用最优解对主变量及协变量进行插值预测，计算初始解的平均回归克里格估计方差；在初始解外的余集中随机选择一个点替换初始解中的点产生新解，对新解继续进行插值预测，并计算相应的平均回归克里格估计方差；以平均回归克里格估计方差最少为准则，选取最少的监测网格。
13、作为优选，所述步骤(2)中包括如下步骤：
14、在预设样方大小的水面上连续采集沉水植物地上生物量，依据功效分析法，当取样次数达到n次后、前n次单位面积生物量总和的均值与该监测网格所有数据的均值在预设的误差范围内时，取该采样频次(最少采样频次)估算沉水植物生物量；分别于沉水植物发芽期、幼苗期、生长期、成熟期开展生物量调查，计算沉水植物生长率。
15、作为优选，所述步骤(3)中，选取优势种带回实验室，将新鲜植物自然风干，称量计算根茎比，采用微量凯氏定氮法测定植物总氮含量，硫酸-双氧水消煮法测定植物总磷含量。
16、作为优选，所述步骤(3)中自主构建沉水植物生长衰亡-氮磷吸收释放模型，模拟生物量及植物体内氮磷净含量的动态变化过程，其中：
17、沉水植物模型的植物生长方程为：
18、bsht＝bsht-δt+((1-kstr)kshootgrowfuptfplt-kshootdecfshootdect)bsht
19、brot＝brot-δt+kstrkshootgrowfuptfpltbsht-krootdecfrootdectbrot
20、
21、
22、
23、
24、式中，上标t表示时刻，δt表示时间步长，bsht和brot分别代表t时刻沉水植物的茎部和根系生物量；kstr代表沉水植物茎部转移到根系的比例；kshootgrow代表最佳条件下沉水植物茎部的最大生本文档来自技高网...
【技术保护点】
1.基于植物生长衰亡-氮磷吸收释放模拟的城市河湖沉水植物定量管控方法，其特征在于，该方法包括如下步骤：
2.根据权利要求1所述的基于植物生长衰亡-氮磷吸收释放模拟的城市河湖沉水植物定量管控方法，其特征在于，所述步骤(1)中包括如下步骤：
3.根据权利要求1所述的基于植物生长衰亡-氮磷吸收释放模拟的城市河湖沉水植物定量管控方法，其特征在于，所述空间模拟退火算法具体步骤为：将研究区按照预设大小离散成若干网格，从原始样点集中随机选择一组样点作为最优解，用最优解对主变量及协变量进行插值预测，计算初始解的平均回归克里格估计方差；在初始解外的余集中随机选择一个点替换初始解中的点产生新解，对新解继续进行插值预测，并计算相应的平均回归克里格估计方差；以平均回归克里格估计方差最少为准则，选取最少的监测网格。
4.根据权利要求1所述的基于植物生长衰亡-氮磷吸收释放模拟的城市河湖沉水植物定量管控方法，其特征在于，所述步骤(2)中包括如下步骤：
5.根据权利要求1所述的基于植物生长衰亡-氮磷吸收释放模拟的城市河湖沉水植物定量管控方法，其特征在于，所述步骤(
6.根据权利要求1所述的基于植物生长衰亡-氮磷吸收释放模拟的城市河湖沉水植物定量管控方法，其特征在于，所述步骤(3)中自主构建沉水植物生长衰亡-氮磷吸收释放模型，模拟生物量及植物体内氮磷净含量的动态变化过程，其中：
7.根据权利要求1所述的基于植物生长衰亡-氮磷吸收释放模拟的城市河湖沉水植物定量管控方法，其特征在于，所述步骤(4)中包括如下步骤：
8.根据权利要求1所述的基于植物生长衰亡-氮磷吸收释放模拟的城市河湖沉水植物定量管控方法，其特征在于，所述步骤(5)中，设计不同沉水植物收割情景，包括不同收割区域、不同收割强度和收割时间，模拟沉水植物收割对水体氮磷浓度的影响，根据氮磷水质目标约束，确定沉水植物收割方案，收割时间建议控制在沉水植物对氮磷的吸收量大于释放量之前。
9.基于植物生长衰亡-氮磷吸收释放模拟的城市河湖沉水植物定量管控系统，其特征在于，包括：
10.根据权利要求9所述的基于植物生长衰亡-氮磷吸收释放模拟的城市河湖沉水植物定量管控系统，其特征在于，构建的沉水植物生长衰亡-氮磷吸收释放模型中：
...【技术特征摘要】
1.基于植物生长衰亡-氮磷吸收释放模拟的城市河湖沉水植物定量管控方法，其特征在于，该方法包括如下步骤：
2.根据权利要求1所述的基于植物生长衰亡-氮磷吸收释放模拟的城市河湖沉水植物定量管控方法，其特征在于，所述步骤(1)中包括如下步骤：
3.根据权利要求1所述的基于植物生长衰亡-氮磷吸收释放模拟的城市河湖沉水植物定量管控方法，其特征在于，所述空间模拟退火算法具体步骤为：将研究区按照预设大小离散成若干网格，从原始样点集中随机选择一组样点作为最优解，用最优解对主变量及协变量进行插值预测，计算初始解的平均回归克里格估计方差；在初始解外的余集中随机选择一个点替换初始解中的点产生新解，对新解继续进行插值预测，并计算相应的平均回归克里格估计方差；以平均回归克里格估计方差最少为准则，选取最少的监测网格。
4.根据权利要求1所述的基于植物生长衰亡-氮磷吸收释放模拟的城市河湖沉水植物定量管控方法，其特征在于，所述步骤(2)中包括如下步骤：
5.根据权利要求1所述的基于植物生长衰亡-氮磷吸收释放模拟的城市河湖沉水植物定量管控方法，其特征在于，所述步骤(3)中，选取优势种带回实验室，将新鲜植物自然风干，称量计算根茎...
【专利技术属性】
技术研发人员：陈求稳，崔桢，陈诚，周正荣，金小伟，何梦男，范雯霆，莫康乐，韩依霖，
申请(专利权)人：水利部交通运输部国家能源局南京水利科学研究院，
类型：发明
国别省市：
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