技术摘要：
本发明公开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，属于地球物理下生态水文分支技术领域。基于生态水文模拟与优化评估干旱区绿洲输水量的方法，构建概念性集总式生态水文模型，通过情境模拟分析不同生态输水量下的生态效益和蒸散损耗，采用理想情境距离  全部
背景技术：
我国西北干旱地区水资源稀缺、生态脆弱、用水矛盾突出，流域水资源开发利用程 度高，且在一定程度上挤占了生态用水，导致地表水量减少、地下水位降低、自然绿洲生态 退化。生态输水是干旱区河岸带及尾闾自然绿洲生态系统修复及保护的重要工程措施之 一，已在塔里木河、黑河、石羊河等流域开展了有益的探索实践，并取得了较为显著的成效。 生态输水量是生态输水工程决策需考虑的重要指标之一。 目前，在干旱区生态输水恢复绿洲生态系统的相关研究及工程实践中，评估生态 输水量时往往基于预期设定的生态恢复目标，通过生态水文模拟分析达到该生态恢复目标 的生态需水量，从而评估生态输水量。这类生态输水量评估方法所采用的生态水文模型，大 多为半物理机制的分布式模型，模型结构较为复杂、计算成本较高；虽然分析了绿洲恢复对 生态输水的生态水文响应过程，但未深入分析该生态水文响应过程所伴生的生态效益与蒸 散损耗，以及两者在不同生态输水量下的相关关系，未能反映生态恢复目标及其对应的生 态输水量的优选性。由于干旱区水资源稀缺，需统筹优化生态输水的蒸散发水量损失和绿 洲恢复生态效益，采用最小的蒸散损耗获取最大的生态效益，以此确定生态输水量。 为此，发展、融合了概念性集总式生态水文模型与多目标优化方法，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。
技术实现要素：
发明目的：本发明的目的在于提供基于生态水文模拟与优化评估干旱区绿洲输水 量的方法，克服现有生态水文模型结构复杂、运算费时的不足，以及采用生态水文模拟评估 生态输水量未体现生态恢复目标与生态输水量优选性的不足，提高生态输水量、地下水埋 深、绿洲面积、植被指数观测资料的利用效率，提高生态输水恢复绿洲生态系统结构与功能 的水资源利用效率，提升干旱区水资源管理、生态恢复与保护的合理性和科学性。 技术方案：为实现上述目的，本发明提供如下技术方案： 进一步地，基于生态水文模拟与优化评估干旱区绿洲输水量的方法，构建概念性 集总式生态水文模型，通过情境模拟分析不同生态输水量下的生态效益和蒸散损耗，采用 理想情境距离分析法进行多目标优化，确定绿洲恢复最优目标及其对应的生态输水量，包 括如下步骤： (1)收集整理研究区生态输水以来历年的基础数据资料，包括年生态输水总量、年 均地下水埋深、绿洲面积、绿洲NDVI空间均值； (2)基于生态输水实践及流域水资源特征，预设生态输水情境，用于模拟评价不同 生态输水情境下的绿洲恢复效果； 5 CN 111597696 A 说　明　书 2/8 页 (3)构建概念性集总式生态水文模型，采用基础数据资料率定模型参数，针对预设 的生态输水情境开展生态水文模拟分析；概念性集总式生态水文模型以生态输水量作为模 型输入，以地下水埋深、绿洲面积、绿洲NDVI作为模型输出； (4)基于步骤(3)中不同生态输水情境下的生态水文模拟数据，包括绿洲地下水埋 深、绿洲面积、绿洲NDVI，分析不同生态输水情境下的生态效益和蒸散损耗；针对生态效益 和蒸散损耗，采用理想情境距离分析法开展多目标优化分析，进而评估生态输水量。 进一步地，所述的步骤(2)中，预设生态输水情境i，其中，i＝1,...,24，各生态输 水情境的生态输水量W 依次为W ＝5×106m3、W ＝10×106m3、W ＝15×106m3E,i E,1 E,2 E,3 、WE,4＝20 ×106m3、W ＝25×106m3、W ＝30×106m3、W ＝35×106m3、W ＝40×106E ,5 E ,6 E ,7 E ,8 m3、WE ,9＝45× 106m3、W ＝50×106m3、W ＝55×106 3E ,10 E,11 m 、WE,12＝60×106m3、W 6 3E,13＝65×10 m 、WE,14＝70× 106m3、W ＝75×106m3、W ＝80×106m3E ,15 E,16 、WE,17＝85×106m3、W ＝90×106 3E,18 m 、WE,19＝95× 106m3、W 6 3E,20＝100×10 m 、WE,21＝105×106m3、WE,22＝110×106m3、WE,23＝115×106m3、WE,24＝ 120×106m3。 进一步地，所述的步骤(3)中，概念性集总式生态水文模型以生态输水量作为模型 输入，以地下水埋深、绿洲面积、绿洲NDVI作为模型输出；具体地： ①概念性集总式生态水文模型的核心方程为： 其中，H为地下水埋深，单位m；A为生态输水恢复的绿洲面积，单位km2；V反映植被 长势，采用绿洲NDVI的空间均值表征；t表示模拟的时间步长，设为1年；WE为年生态输水总 量，单位106m3；WG为地下水的流域自然补给量，单位mm；ET为绿洲的蒸散发量，单位mm；EG为裸 地的潜水蒸发量，单位mm；AR为地下水受生态输水补给的区域的面积，单位km2；θ为与地下水 补给有关的经验系数；βA表征绿洲面积变化率，单位1/year；βV表征绿洲NDVI变化率，单位1/ year；AGCC为地下水对绿洲面积的承载能力，单位km2；VGCC为地下水对绿洲NDVI的承载能力； ②采用阿维里扬诺夫公式估算潜水蒸发量EG，在此基础上采用经验公式估算绿洲 蒸散发量ET： EG＝a(1-H/H bmax) EP； ET＝(1 kEV)EG； 其中，Hmax为地下水蒸发极限埋深，单位m；a、b为与土壤质地有关的经验系数；EP为 常规气象蒸发皿蒸发值，反映蒸发能力，单位mm；kE为经验系数，反映植被长势对ET的影响； ③采用Sigmoid方程描述地下水对绿洲面积的承载能力，采用Sigmoid方程描述地 下水对绿洲NDVI的承载能力： 6 CN 111597696 A 说　明　书 3/8 页 Amax＝αAR； 其中，Amax为绿洲恢复的最大面积，单位km2；Amax占AR的一定比例，α为占比系数；Vmax 为绿洲恢复的最大NDVI；hA为绿洲面积达到0.5Amax时的地下水埋深，单位m；hV为NDVI达到 0.5Vmax时的地下水埋深，单位m；sA、sV为经验系数，反映地下水承载能力曲线的倾斜程度； ④采用步骤(1)中的基础数据资料率定模型参数，以步骤(2)中预设情境的生态输 水量作为模型输入，模拟时长为20年，绿洲恢复达到稳定状态，分析不同生态输水情境下绿 洲恢复达到稳定状态时的绿洲恢复效果，包括绿洲地下水埋深、绿洲面积、绿洲NDVI。 进一步地，所述的步骤(4)中，具体地： ①生态效益WB、蒸散损耗WC的定义分别为： WB＝AV； 绿洲地下水埋深越浅、绿洲面积越大、绿洲NDVI越大，生态输水的生态效益越大， 相应的蒸散损耗也越大； ②采用步骤(3)④中不同生态输水情境下的生态水文模拟数据，包括绿洲地下水 埋深、绿洲面积、绿洲NDVI，分析不同生态输水情境i下的生态效益WB,i和蒸散损耗WC,i； ③基于生态效益的理论最大值WB-max、蒸散损耗的理论最大值WC-max，对生态效益和 蒸散损耗进行归一化处理，得归一化生态效益NWB,i、归一化蒸散损耗NWC,i： NWB,i＝WB,i/WB-max； NWC,i＝WC,i/WC-max； ④干旱地区水资源稀缺，对于生态输水工程，需提高水资源利用效率、提高单位输 水量的生态效益，使生态输水的生态效益最大化而绿洲的蒸散损耗最小化，即多目标优化 的目标为： ⑤生态效益与蒸散损耗之间呈非线性正相关关系，即生态效益随蒸散损耗的增加 而增大；理论上，假定生态输水恢复绿洲的理想情境为： 在理想情境下，生态效益达到其理论最大值，此时归一化生态效益取值为1；而蒸 散损耗为其理论最小值，此时归一化蒸散损耗取值为0；以理想情境为基准，开展多目标优 7 CN 111597696 A 说　明　书 4/8 页 化分析，选取实际生态输水情境i中与理想情境最为接近的情境作为优化结果。 进一步地，基于不同生态输水情境下的归一化生态效益NWB ,i和归一化蒸散损耗 NWC,i，分析不同生态输水情境至理想情境的距离Di： Di最小值所对应的情境即为生态效益、蒸散损耗与理想情境最为接近的情境，该 情境下实现生态输水的生态效益最大化，而蒸散损耗最小化；Di最小值所对应情境的绿洲 恢复效果，即绿洲恢复所达到的地下水埋深、绿洲面积、绿洲NDVI，作为推荐的绿洲恢复目 标；Di最小值所对应情境的生态输水量，作为推荐的生态输水量，为生态输水工程决策提供 依据。 有益效果：与现有技术相比，本发明的基于生态水文模拟与优化评估干旱区绿洲 输水量的方法，克服现有生态水文模型结构复杂、运算费时的不足，以及采用生态水文模拟 评估生态输水量未体现生态恢复目标与生态输水量优选性的不足，提高生态输水量、地下 水埋深、绿洲面积、植被指数观测资料的利用效率，提高生态输水恢复绿洲生态系统结构与 功能的水资源利用效率，提升干旱区水资源管理、生态恢复与保护的合理性和科学性。 附图说明 图1为基于生态水文模拟与优化评估干旱区绿洲输水量的方法的流程图； 图2为实施例的甘肃省石羊河流域尾闾青土湖绿洲位置示意图； 图3为实施例的青土湖绿洲生态输水情境模拟分析成果图； 图4为实施例青土湖绿洲生态输水情境优化分析成果图。