一种基于淹水频率的河湖湿地植物修复区域优选方法与流程

1.本发明涉及河湖湿地植物修复技术领域，具体涉及一种基于淹水频率的河湖湿地植物修复区域优选方法。


背景技术：

2.湿地植物是河湖水生态系统的重要组成部分，湿地植物修复重建是河湖水生态系统保护的关键措施。湿地植物生长繁殖受到水文情势的显著影响，尤其是对于鄱阳湖、洞庭湖等水文情势剧烈波动的大型湖泊，其湿地植物往往表现为沿水文情势梯度的条带状分布特征。不同类型的湿地植物有其适宜的水文情势条件，基于水文情势条件优选出适宜不同类型湿地植物种植和生长的修复区域，是河湖湿地植物修复重建的关键研究内容。
3.淹水频率是指一定时间内某区域被水淹没的时间占总时间的比例。淹水频率作为重要的河湖水文情势指标，不仅可以表征干湿交替变化的程度，更是影响河湖湿地植物生长繁殖和群落结构演替的重要指标，例如苦草所需的淹水频率明显高于狗牙根，因此淹水频率是影响河湖湿地植物修复区域选取的关键因素。目前，由于实测水文站点有限，河湖水深实测数据的时空精度不足，难以实现整个河湖淹水频率的定量化分析，导致湿地植物修复区域的选取不合理，严重影响了湿地植物的成活率。


技术实现要素：

4.针对现有技术中的上述不足，本发明提供的一种基于淹水频率的河湖湿地植物修复区域优选方法解决了现有缺乏一种对河湖湿地植物修复区域进行定量化优选的方法的问题。
5.为了达到上述发明目的，本发明采用的技术方案为：一种基于淹水频率的河湖湿地植物修复区域优选方法，包括以下步骤：
6.s1、根据河湖支流流量等数据，建立河湖水动力数学模型；
7.s2、采用河湖水动力数学模型，计算各个网格的淹水频率；
8.s3、根据各个网格的淹水频率，对河湖水域和河湖湿地植物修复区域分别进行分区，得到各个网格的河湖水文分区和湿地植物修复分区类型；
9.s4、根据各个网格的河湖水文分区和湿地植物修复分区类型，绘制基于淹水频率的河湖湿地植物修复分区图；
10.s5、根据河湖湿地植物修复分区图，在不同修复分区种植相应的河湖湿地植物。
11.进一步地，所述步骤s1包括以下分步骤：
12.s11、建立河湖水动力数学模型的控制方程；
13.s12、设定控制方程的边界条件和初始条件，初步构建河湖水动力数学模型；
14.s13、根据控制方程、边界条件和初始条件，调整河湖糙率，模拟得到水位模拟值；
15.s14、根据水位模拟值与水位实测值的拟合情况，对初步构建的河湖水动力数学模型进行验证和修正，得到构建完成的河湖水动力数学模型。
16.进一步地，所述步骤s11中河湖水动力数学模型的控制方程为：
[0017][0018][0019][0020]
其中，h为总水深，h＝h ζ，h为底床高程，ζ为自由水面高程，u为流速在x方向上的分量，v为流速在y方向上的分量，w为流速在z方向上的分量，qu和qv为水平扩散项，av为垂向紊流粘性系数，m
x
和my分别为x和y方向坐标变换因子，m＝m
xmy
，m为坐标变换因子之积，z为转换后的高程，p为静水压力，f为科氏力系数，g为重力加速度，为对时间t求偏导，为对x方向求偏导，为对y方向求偏导，为对z方向求偏导。
[0021]
进一步地，所述步骤s12中边界条件包括：河湖支流流量数据、河湖气象数据和河湖风场数据；
[0022]
所述初始条件包括：河湖初始水位和河湖初始流速。
[0023]
进一步地，所述步骤s2包括以下分步骤：
[0024]
s21、设定模拟时段，采用河湖水动力数学模型模拟各个网格在模拟时段的各个时间的水深模拟值；
[0025]
s22、根据各个网格在模拟时段的各个时间的水深模拟值，计算各个网格的淹水频率。
[0026]
进一步地，所述步骤s22中各个网格的淹水频率的计算公式为：
[0027][0028]
其中，sfi为网格i的淹水频率，t为模拟时段，ti为网格i在模拟时段内被淹没的时间之和，单个网格在某个时间的水深模拟值大于0，则该网格在该时间被淹没。
[0029]
进一步地，所述步骤s3包括以下分步骤：
[0030]
s31、根据各个网格的淹水频率，对河湖水域进行水文分区，得到河湖水文分区；
[0031]
s32、根据河湖水文分区和湿地植物生长对淹水的需求，对河湖湿地植物修复区域进行分区，得到河湖湿地植物修复分区；
[0032]
s33、根据河湖水文分区、河湖湿地植物修复分区和各个网格的淹水频率，得到各个网格的河湖水文分区和湿地植物修复分区类型。
[0033]
进一步地，所述步骤s31中河湖水文分区包括5类区域，分别为：长期淹没区、高频淹没区、干湿平衡区、高频出露区和长期出露区；
[0034]
所述步骤s32中河湖湿地植物修复分区包括5类区域，分别为：耐长期水淹植物区、耐高频水淹植物区、干湿平衡植物区、耐高频出露植物区和耐长期出露植物区。
[0035]
综上，本发明的有益效果为：
[0036]
(1)、本发明通过河湖水动力数学模型构建、淹水频率计算、河湖水文分区划分，定
量化优选出了不同类型湿地植物适宜的修复区域，共计耐长期水淹植物区、耐高频水淹植物区、干湿平衡植物区、耐高频出露植物区和耐长期出露植物区5个分区。通过该方法可有效提高湿地植物成活率，提升湿地植物修复效果，为河湖水生态系统保护与修复提供定量化的技术支撑手段。
[0037]
(2)、本发明通过构建河湖水动力数学模型，模拟得到各个网格的水深数据，据此计算淹水频率，最后根据淹水频率将河湖分为长期淹没区、高频淹没区、干湿平衡区、高频出露区和长期出露区，实现了针对河湖水文特征的定量化分区，可为河湖水文水资源精细化管理提供技术支撑。
附图说明
[0038]
图1为一种基于淹水频率的河湖湿地植物修复区域优选方法的流程图；
[0039]
图2为鄱阳湖湿地植物修复分区图。
具体实施方式
[0040]
下面对本发明的具体实施方式进行描述，以便于本技术领域的技术人员理解本发明，但应该清楚，本发明不限于具体实施方式的范围，对本技术领域的普通技术人员来讲，只要各种变化在所附的权利要求限定和确定的本发明的精神和范围内，这些变化是显而易见的，一切利用本发明构思的发明创造均在保护之列。
[0041]
如图1所示，一种基于淹水频率的河湖湿地植物修复区域优选方法，包括以下步骤：
[0042]
s1、根据河湖支流流量数据，建立河湖水动力数学模型；
[0043]
步骤s1包括以下分步骤：
[0044]
s11、建立河湖水动力数学模型的控制方程；
[0045]
步骤s11中河湖水动力数学模型的控制方程为：
[0046][0047][0048][0049]
其中，h为总水深，h＝h ζ，h为底床高程，ζ为自由水面高程，u为流速在x方向上的分量，v为流速在y方向上的分量，w为流速在z方向上的分量，qu和qv为水平扩散项，av为垂向紊流粘性系数，m
x
和my分别为x和y方向坐标变换因子，m＝m
xmy
，m为坐标变换因子之积，z为转换后的高程，p为静水压力，f为科氏力系数，g为重力加速度，为对时间t求偏导，为对x方向求偏导，为对y方向求偏导，为对z方向求偏导。
[0050]
s12、设定控制方程的边界条件和初始条件，初步构建河湖水动力数学模型；
[0051]
骤s12中边界条件包括：河湖支流流量数据、河湖气象数据和河湖风场数据；
[0052]
初始条件包括：河湖初始水位和河湖初始流速。
[0053]
s13、根据控制方程、边界条件和初始条件，调整河湖糙率，模拟得到水位模拟值；
[0054]
s14、根据水位模拟值与水位实测值的拟合情况，对初步构建的河湖水动力数学模型进行验证和修正，得到构建完成的河湖水动力数学模型。
[0055]
s2、采用河湖水动力数学模型，计算各个网格的淹水频率；
[0056]
步骤s2包括以下分步骤：
[0057]
s21、设定模拟时段，采用河湖水动力数学模型模拟各个网格在模拟时段的各个时间的水深模拟值；
[0058]
s22、根据各个网格在模拟时段的各个时间的水深模拟值，计算各个网格的淹水频率。
[0059]
步骤s22中各个网格的淹水频率的计算公式为：
[0060][0061]
其中，sfi为网格i的淹水频率，t为模拟时段，ti为网格i在模拟时段内被淹没的时间之和，单个网格在某个时间的水深模拟值大于0，则该网格在该时间被淹没。
[0062]
s3、根据各个网格的淹水频率，对河湖水域和河湖湿地植物修复区域分别进行分区，得到各个网格的河湖水文分区和湿地植物修复分区类型；
[0063]
步骤s3包括以下分步骤：
[0064]
s31、根据各个网格的淹水频率，对河湖水域进行水文分区，得到河湖水文分区；
[0065]
步骤s31中河湖水文分区包括5类区域，分别为：长期淹没区、高频淹没区、干湿平衡区、高频出露区和长期出露区。
[0066]
s32、根据河湖水文分区和湿地植物生长对淹水的需求，对河湖湿地植物修复区域进行分区，得到河湖湿地植物修复分区；
[0067]
所述步骤s32中河湖湿地植物修复分区包括5类区域，分别为：耐长期水淹植物区、耐高频水淹植物区、干湿平衡植物区、耐高频出露植物区和耐长期出露植物区。
[0068]
不同修复分区适宜种植不同类型的湿地植物，例如耐长期水淹植物区适宜种植可耐受长期水淹的苦草等植物。
[0069]
s33、根据河湖水文分区、河湖湿地植物修复分区和各个网格的淹水频率，得到各个网格的河湖水文分区和湿地植物修复分区类型。
[0070]
河湖水文分区、河湖湿地植物修复分区和各个网格的淹水频率3者间的关系如表1：
[0071]
表1
[0072][0073]
s4、根据各个网格的河湖水文分区和湿地植物修复分区类型，绘制基于淹水频率的河湖湿地植物修复分区图；
[0074]
绘制时可采用arcgis等软件。
[0075]
s5、根据河湖湿地植物修复分区图，在不同修复分区种植相应的河湖湿地植物。
[0076]
实验：
[0077]
鄱阳湖作为我国最大的淡水河湖，流域面积为16.22万km2，湖区面积达到50km2。鄱阳湖是长江中下游大型通江河湖，也是国际重要湿地，其水资源、水环境和水生态地位非常重要。由于湖区地形、江湖关系等影响，鄱阳湖水文特征呈现明显的空间异质性，主河道常年被水淹没，洲滩则处于干湿交替状态。
[0078]
本实验计算了2003-2018年多年平均边界条件下的鄱阳湖全年淹水频率，绘制了鄱阳湖湿地植物修复分区图，见图2。从图可知，鄱阳湖存在耐长期水淹植物区、耐高频水淹植物区、干湿平衡植物区、耐高频出露植物区、耐长期出露植物区等修复分区，分别占整个湖区面积的47％、12％、19％、13％、9％。鄱阳湖湖区以耐长期水淹植物区为主，所占面积约为整个鄱阳湖的一半；其次为干湿平衡植物区，耐长期出露植物区所占面积最小。