水资源及坡度双重限制下的生态修复潜力评价方法及系统

本发明涉及生态资源修复，更具体的说是涉及水资源及坡度双重限制下的生态修复潜力评价方法及系统。

背景技术：

1、在退化生态系统上进行大规模生态修复是保护生态安全最可行的解决方案之一。但在具有明显自然或社会经济限制的环境中进行生态修复的潜力或被高估，特别是水资源有限和地形复杂的地区。水资源是制约生态修复潜力的关键因素之一，特别是在干旱和半干旱地区。复杂的自然雕刻地形(如丘陵、斜坡、沟壑、高原等)和大规模的人工地貌(如坝系、梯田等)在很大程度上扰乱了当地的水文循环，造成水文空间分布不均，进而影响水资源可用性，并进一步影响生态修复潜力。

2、现有技术中基于通用水量平衡方程评估水资源限制下生态修复潜力，也有研究采用相关性分析方法调查了复杂地形对植被生态修复的影响，但很少有技术定量地评估地形因素对生态修复潜力的影响，更加缺乏水资源-地形因素双重限制下生态修复潜力定量评估技术，这可能引起对生态修复潜力过于乐观的高估，导致决策失误。

3、因此，如何提供水资源及坡度双重限制下的生态修复潜力评价方法及系统是本领域技术人员亟需解决的问题。

技术实现思路

1、有鉴于此，本发明提供了水资源及坡度双重限制下的生态修复潜力评价方法及系统，用以解决现有技术中存在的问题，为评估多因素限制下生态修复潜力提供技术支撑，以指导生态修复工程可持续开展。

2、为了实现上述目的，本发明提供如下技术方案：

3、一方面，本发明提供了一种水资源及坡度双重限制下的生态修复潜力评价方法，所述方法包括以下步骤：

4、步骤s100：计算水资源限制下生态修复阈值；

5、步骤s200：识别地形因素对生态修复潜力的制约机制，识别量化地形因素制约生态修复潜力的评估方法，获取坡度值的坡面径流截留系数；

6、步骤s300：将所述水资源限制下生态修复阈值乘以相应的坡面径流截留系数，得到水资源及坡度双重限制下的生态修复潜力，生成评价结果。

7、优选的，所述步骤s100：计算水资源限制下生态修复阈值包括：

8、步骤s110：计算水资源限制下区域生态修复阈值；

9、步骤s120：计算水资源限制下生态系统修复阈值。

10、优选的，所述步骤s110：识别水资源限制下区域生态修复阈值包括：

11、步骤s111：通过水量平衡方程计算蒸散量，具体公式如下：

12、et＝pr-(rout-rin)-δrw-δsw-δgw

13、式中，et表示年蒸散量；pr为年降水量；rout和rin分别为年流出和流入；δrw、δsw以及δgw分别是河流及水库蓄水量、土壤蓄水量以及用于植被生长的地下水抽取量的年度变化量；

14、本发明以中国为例，由于中国地下水灌溉面积约相当于其总面积的1.5％(mwrc，2019)，且目前全国21个省的平原正在经历地下水的过度开采。考虑到目前中国大部分地区地下水开采的不可持续性，本发明将δgw设为零。另外，中国土壤蓄水量的年变化也很小，约为0.002m3/yr(邴龙飞等，2012)，因此本发明将δsw也假设为零。基于此，上述水量平衡方程经过一次变换为：

15、et＝pr-(rout-rin)-δrw

16、当降水量给定时，et受年径流的流入流出量和河流水库蓄水年变化量的影响。考虑到本发明的目的，假设人类需水量(hwd)完全来自径流，即上述等式中的rout、rin和δrw，则水量平衡方程经过二次变换为：

17、et＝pr-hwd

18、其中，pr和hwd分别表示年降水量和人类需水量的平均值，可分别从统计资料中获取。人类需水量包括林业、畜牧业、渔业、工业、城市公共、生活和生态环境用水，但农田灌溉用水不包括在内，因为它被包括在农田净初级生产力的蒸散发里。此处的et即区域人类-自然耦合系统水资源允许的植被承载力或生态修复(用npp表示)阈值对应的蒸散发量。

19、步骤s112：建立蒸发量与净初级生产力的函数关系，具体关系如下：

20、npp＝f(et)

21、式中，et和npp为遥感监测获得的蒸散发和净初级生产力数据；

22、步骤s113：基于函数关系及水量平衡方程计算的区域水资源允许的生态修复阈值对应的蒸散发量，反推计算得到水资源限制下区域生态修复阈值。

23、优选的，所述步骤s120：计算水资源限制下生态系统修复阈值，包括：

24、步骤s121：获取gdp总值的栅格数据，根据所述gdp总值的栅格数据得到对应的用水量栅格数据；

25、步骤s122：获取实际降水量栅格数据，将所述实际降水量栅格数据减去所述用水量栅格数据得到蒸散量栅格数据；

26、步骤s123：根据步骤s112中建立的蒸发量与净初级生产力的函数关系，生成水资源允许的生态系统净初级生产力栅格数据；

27、步骤s124：利用arcgis工具输入水资源允许的生态系统净初级生产力栅格数据、土地利用类型栅格数据，获得水资源限制下生态系统修复阈值。

28、优选的，所述步骤s121：获取gdp总值的栅格数据，根据所述gdp总值的栅格数据得到对应的用水量栅格数据，包括：

29、步骤s11：获取近一期目标地区的gdp总值的栅格数据；

30、步骤s12：获取近一期目标地区用水量信息，将gdp总值的栅格数据乘以用水量得到用水量数据；

31、步骤s13：将所述用水量数据乘以单位转化系数k，得到对应的用水量栅格数据。

32、优选的，所述步骤s200：识别地形因素对生态修复潜力的制约机制，识别量化地形因素制约生态修复潜力的评估方法，获取坡度值的坡面径流截留系数，包括：

33、步骤s210：识别地形因素对生态修复潜力的制约机制通过坡度及坡向对太阳辐射、水资源、土壤以及植被的影响，得到影响结果；

34、步骤s220：基于影响结果得到对应的土地利用类型以及对应的坡度值；

35、步骤s230：根据所述对应的土地利用类型以及对应的坡度值获得坡度值的坡面径流截留系数。

36、优选的，所述步骤s300，将水资源限制下生态修复阈值乘以相应的坡面径流截留系数，得到水资源及坡度双重限制下的生态修复潜力，生成评价结果，包括：

37、步骤s310：计算人类需水量，得到用水量栅格数据；

38、步骤s320：获取目标地区降水资源及降水栅格数据，计算降水资源扣除人类需水量后可供生态系统的用水量及其对应的植被承载能力，得到水资源允许的净初级生产力，并利用arcgis中的栅格计算器生成净初级生产力的栅格数据；

39、步骤s330：获取实际净初级生产力，判断所述水资源允许的净初级生产力是否大于所述实际净初级生产力；

40、步骤s340：若是，则计算所述水资源允许的净初级生产力与所述实际npp的差值，并使用arcgis中的栅格计算器得到净初级生产力差值的栅格数据；

41、步骤s350：基于所述初级生产力差值对npp差值的图层、土地利用类型图层和坡度图层进行重采样使其分辨率一致；

42、步骤s360：识别净初级生产力差值对应的土地利用类型以及坡度值，得到代表δnpp、lulc和坡度组合数字；

43、步骤s370：基于组合数字识别水资源及坡度双重限制下的生态修复阈值，在excel中拆分结果，得到每个土地利用类型对应的净初级生产力差值以及坡度值；

44、步骤s380：基于每个土地利用类型对应的初级生产力差值以及坡度值，得到水资源及坡度双重限制下的生态修复潜力，生成评价结果。

45、优选的，所述步骤s330还包括：若否，则需要对目标地区的生态修复工程进行调整。

46、另一方面，本发明还提供了一种水资源及坡度双重限制下的生态修复潜力评价系统，包括：

47、第一计算模块：用于计算水资源限制下生态修复阈值；

48、第二计算模块：识别地形因素对生态修复潜力的制约机制，识别量化地形因素制约生态修复潜力的评估方法，获取坡度值的坡面径流截留系数；

49、评价模块：与所述第一计算模块以及所述第二计算模块连接，用于将所述水资源限制下生态修复阈值乘以相应的坡面径流截留系数，得到水资源及坡度双重限制下的生态修复潜力，生成评价结果。

50、经由上述的技术方案可知，与现有技术相比，本发明公开提供了水资源及坡度双重限制下的生态修复潜力评价方法及系统，能够更加准确地识别与量化多资源因素限制下生态修复潜力，有效减少对生态修复潜力的高估及因此导致的决策失误，可以因地制宜指导生态修复工程实施范围及强度的调整与优化，使其可持续开展，为目前正处于研究热点的多资源因素限制下生态修复潜力评估提供了技术支撑。