基于植被生态响应的地下水生态水位确定方法及系统与流程

本发明涉及地下水生态水位确定，具体是基于植被生态响应的地下水生态水位确定方法及系统。

背景技术：

1、地下水生态水位是指能够维持区域天然植被正常生长、保障生态系统稳定的临界地下水埋深阈值，其准确确定对于干旱半干旱地区及内陆盐渍化区域的生态保护、地下水资源合理开发与调控具有重要意义。

2、然而，地下水中通常含有多种盐分组分，各盐分组分的溶解度存在差异，使包气带盐分沿深度方向呈现不均匀分布，且该分布形态会随地下水埋深的升降而动态改变；与此同时，植被根系沿深度方向的分布密度同样存在差异。地下水埋深所反映的仅是包气带整体水盐状况的外部指标，而植被根系实际所承受的生长胁迫程度，取决于其所在深度的盐分浓度与该深度根系分布密度二者的耦合作用，且这一耦合关系会随地下水埋深的变化而不断改变。由此，同一地下水埋深所对应的根系生长胁迫程度并不固定，使地下水埋深与植被根系实际承受的生长胁迫水平之间的对应关系难以被准确表征，导致所确定的地下水生态水位阈值难以真实反映植被根系的耐受状态。

技术实现思路

1、（1）要解决的技术问题

2、本发明的目的在于提供基于植被生态响应的地下水生态水位确定方法及系统，以解决地下水中各类盐分因溶解度差异沿剖面呈现不均匀分布、且该分布随地下水埋深变化，使地下水埋深与植被根系实际承受的渗透胁迫水平之间的对应关系难以被准确表征，导致确定的地下水生态水位阈值难以反映植被根系实际耐受状态的问题。

3、（2）技术方案

4、为实现上述目的，一方面，本发明提供了基于植被生态响应的地下水生态水位确定方法，所述方法包括：

5、在目标区域的观测时段内，于各观测时刻采集地下水埋深；在各观测时刻，对包气带分层采集土壤样品并测定盐分浓度，同步观测植被生长状态，得到与各个地下水埋深分别对应的包气带盐分浓度剖面和植被生长状态观测数据；获取植被根系沿深度方向的分布密度。

6、将各个地下水埋深对应的包气带盐分浓度剖面换算为渗透压剖面；将渗透压剖面与植被根系沿深度方向的分布密度按相同深度逐点相乘，得到与各个地下水埋深分别对应的根系胁迫强度剖面；识别根系胁迫强度剖面中的峰值；将峰值确定为对应地下水埋深下的根系渗透胁迫水平，得到与观测时刻对应的根系渗透胁迫水平时间序列。

7、将根系渗透胁迫水平时间序列按照数值由小到大排序划分为若干区间，逐区间统计对应的植被生长状态观测数据中受抑制状态所占比例，得到受抑制比例序列；识别受抑制比例序列中比例增长速率由增大转为减小的位置，将位置对应的根系渗透胁迫水平确定为渗透胁迫阈值。

8、将各观测时刻对应的地下水埋深中，根系渗透胁迫水平达到渗透胁迫阈值时对应的地下水埋深，输出为地下水生态水位。

9、进一步地，所述在各观测时刻，对包气带分层采集土壤样品并测定盐分浓度，同步观测植被生长状态，得到与各个地下水埋深分别对应的包气带盐分浓度剖面和植被生长状态观测数据的方法包括：

10、对包气带沿深度方向进行初步盐分浓度测定，得到初步盐分浓度分布。

11、根据初步盐分浓度分布确定采样层厚度。

12、按照采样层厚度将包气带划分为采样层，逐层采集土壤样品并测定盐分浓度，得到与各个地下水埋深分别对应的包气带盐分浓度剖面。

13、在采集土壤样品的同一观测时刻，测定植被的蒸腾速率，得到与各个地下水埋深分别对应的植被生长状态观测数据。

14、进一步地，所述根据初步盐分浓度分布确定采样层厚度的方法包括：

15、将地下水中各盐分组分对应的溶解度与初步盐分浓度分布中各深度采样点对应的盐分浓度作差，得到各深度采样点对应的浓度差值。

16、将浓度差值最小的深度采样点对应的深度，确定为加密深度。

17、将加密深度作为中心，向地下水面一侧和地表一侧分别按照等比数列确定采样层厚度。

18、进一步地，所述将地下水中各盐分组分对应的溶解度，与初步盐分浓度分布中各深度采样点对应的盐分浓度作差，得到各深度采样点对应的浓度差值的方法包括：

19、获取地下水中各盐分组分对应的溶解度。

20、将各盐分组分对应的溶解度，分别与初步盐分浓度分布中各深度采样点对应的盐分浓度作差，得到各深度采样点分别对应各盐分组分的浓度差值。

21、将各深度采样点对应各盐分组分的浓度差值中的最小值，确定为对应深度采样点的浓度差值。

22、进一步地，所述将加密深度作为中心，向地下水面一侧和地表一侧分别按照等比数列确定采样层厚度的方法包括：

23、获取加密深度邻近深度范围内植被根系分布密度的最大值与最小值之差，得到根系分布密度变化幅度。

24、将根系分布密度变化幅度与预设变化幅度基准值的比值，确定为等比数列的公比。

25、将预设初始采样层厚度与公比逐层相乘，得到向地下水面一侧和地表一侧分别扩展的采样层厚度。

26、进一步地，所述预设变化幅度基准值的确定方法包括：

27、沿深度方向，将变化幅度首次低于预设浓度变化阈值的深度采样点对应的深度，确定为盐分浓度不再随深度变化的起始深度。

28、将所述起始深度与包气带底部之间的深度范围，确定为参照深度范围。

29、获取所述参照深度范围内植被根系分布密度的最大值与最小值之差，将差值确定为预设变化幅度基准值。

30、进一步地，所述在采集土壤样品的同一观测时刻，测定植被的蒸腾速率，得到与各个地下水埋深分别对应的植被生长状态观测数据的方法包括：

31、获取与蒸腾速率测定的同一观测时刻对应的气象数据；根据气象数据计算潜在蒸腾速率；将蒸腾速率除以潜在蒸腾速率，得到蒸腾速率比值。

32、将蒸腾速率比值低于预设蒸腾速率比值的观测时刻确定为受抑制状态，将蒸腾速率比值不低于预设蒸腾速率比值的观测时刻确定为正常状态，得到与各个地下水埋深分别对应的植被生长状态观测数据。

33、进一步地，所述将各个地下水埋深对应的包气带盐分浓度剖面换算为渗透压剖面的方法包括：

34、获取包气带沿深度方向的含水率剖面、地下水中各盐分组分对应的溶解度和地下水中各盐分组分的初始浓度占比。

35、根据包气带盐分浓度剖面与含水率剖面，逐深度将盐分浓度换算为孔隙水盐分浓度。

36、根据地下水中各盐分组分的初始浓度占比，将孔隙水盐分浓度分摊为各盐分组分对应的分摊浓度。

37、将各盐分组分对应的分摊浓度与对应盐分组分的溶解度中的较小值，确定为对应盐分组分的溶解态浓度。

38、将各盐分组分对应的溶解态浓度和溶解度分别除以对应的摩尔质量，得到各盐分组分的摩尔浓度；将各盐分组分对应的摩尔浓度，逐深度计算渗透压并求和，得到渗透压剖面，各盐分组分对应的渗透压计算公式为：

39、。

40、其中，为第个盐分组分对应的渗透压；为第个盐分组分对应的范特霍夫系数；为第个盐分组分对应的溶解态浓度的摩尔浓度；为气体常数；为水温对应的热力学温度；为第个盐分组分对应的溶解度的摩尔浓度；为预设浓度修正系数。

41、进一步地，所述识别根系胁迫强度剖面中的峰值的方法包括：

42、对渗透压剖面进行线性插值，得到插值渗透压剖面。

43、对植被根系沿深度方向的分布密度进行三次样条插值，得到插值根系分布密度剖面。

44、将插值渗透压剖面与插值根系分布密度剖面按相同深度逐点相乘，得到插值根系胁迫强度剖面。

45、识别插值根系胁迫强度剖面中的峰值。

46、基于同一发明构思，另一方面，本发明还提供了基于植被生态响应的地下水生态水位确定系统，所述系统包括：

47、多源观测数据获取模块，用于在目标区域的观测时段内，于各观测时刻采集地下水埋深；在各观测时刻，对包气带分层采集土壤样品并测定盐分浓度，同步观测植被生长状态，得到与各个地下水埋深分别对应的包气带盐分浓度剖面和植被生长状态观测数据；获取植被根系沿深度方向的分布密度。

48、渗透胁迫水平计算模块，用于将各个地下水埋深对应的包气带盐分浓度剖面换算为渗透压剖面；将渗透压剖面与植被根系沿深度方向的分布密度按相同深度逐点相乘，得到与各个地下水埋深分别对应的根系胁迫强度剖面；识别根系胁迫强度剖面中的峰值；将峰值确定为对应地下水埋深下的根系渗透胁迫水平，得到与观测时刻对应的根系渗透胁迫水平时间序列。

49、渗透胁迫阈值辨识模块，用于将根系渗透胁迫水平时间序列按照数值由小到大排序划分为若干区间，逐区间统计对应的植被生长状态观测数据中受抑制状态所占比例，得到受抑制比例序列；识别受抑制比例序列中比例增长速率由增大转为减小的位置，将位置对应的根系渗透胁迫水平确定为渗透胁迫阈值。

50、生态水位判定输出模块，用于将各观测时刻对应的地下水埋深中，根系渗透胁迫水平达到渗透胁迫阈值时对应的地下水埋深，输出为地下水生态水位。

51、（3）有益效果

52、与现有技术相比，本发明的有益效果是：

53、1.通过将包气带盐分浓度剖面换算为渗透压剖面，并与植被根系沿深度方向的分布密度逐点相乘识别峰值，得到根系渗透胁迫水平，结合受抑制比例增长速率转折点确定渗透胁迫阈值，实现了地下水埋深与植被根系实际渗透胁迫水平对应关系的准确表征，使确定的地下水生态水位能够真实反映植被根系的耐受状态。

54、2.通过初步盐分浓度测定确定加密深度，并根据根系分布密度变化幅度确定的公比，以等比数列扩展采样层厚度，实现关键区域加密采样、其余区域稀疏采样，在保证关键深度处盐分浓度测定精度的同时降低采样工作量，进一步提升地下水生态水位确定结果的准确性。