流域湿地干旱延缓功能量化评估方法、系统、设备及终端

本发明属于湿地生态水文评估，尤其涉及一种流域湿地干旱延缓功能量化评估方法、系统、设备及终端。

背景技术：

1、目前，湿地是自然生态空间的重要组成部分，在减轻干旱灾害和应对气候变化等方面发挥极其重要的作用，支撑人类经济社会和生存环境的可持续发展。然而，由于人类活动和气候变化的共同作用，导致流域湿地水文功能下降乃至丧失的严重问题，极大影响和改变流域水文过程及水量平衡，增加干旱灾害的强度和风险，危及流域水安全与生态安全，引起国际社会和专家学者的普遍关注和高度重视。因此，亟需定量评估流域尺度湿地干旱缓解功能大小及其演变，对流域湿地恢复保护、水资源综合管控与应对气候变化具有极其重要意义。

2、借助于水文模型或者多源实测或遥感监测数据，学者们尝试从湿地对基流量和低流量的影响视角分析湿地对河道水文干旱的影响，对湿地干旱延缓功能进行了初步尝试研究。但由于研究方法的不统一，现有研究结果差异较大甚至相悖；仅仅基流量和低流量视角开展分析，缺乏从干旱的特征尤其是不同干旱类型之间的转化的考虑，无法应用于我国实际的干旱风险管理和应对中；现有研究多采用定性分析的方法，缺乏定量化的评估研究，无法回答湿地对干旱的缓解作用的大小及其时空变化等等一些国际前沿科学问题的研究。可见，目前尚缺乏较为科学和精细化的流域湿地洪水调蓄功能量化评估方法。

3、通过上述分析，现有技术存在的问题及缺陷为：

4、(1)由于分析方法的不统一，现有分析结果差异较大甚至相悖；现有技术仅仅基流量和低流量视角开展分析，缺乏从干旱的特征尤其是不同干旱类型之间的转化的考虑，无法应用于我国实际的干旱风险管理和应对之中。

5、(2)现有技术多采用定性分析的方法，缺乏定量化的评估分析，无法回答湿地对干旱的缓解作用的大小及其时空变化等等一些国际前沿科学问题的分析，目前尚缺乏较为科学和精细化的流域湿地洪水调蓄功能量化评估方法。

6、(3)现有评估方法主要在单个湿地尺度或者点尺度(如样方)，无法应用于流域尺度的湿地干旱延缓作用的定量评估研究。

技术实现思路

1、针对现有技术存在的问题，本发明提供了一种流域湿地干旱延缓功能量化评估方法、系统、设备及终端。

2、本发明是这样实现的，一种流域湿地干旱延缓功能量化评估方法，流域湿地干旱延缓功能量化评估方法包括：获取水文气象观测数据和地理空间资料并进行预处理，建立流域模型数据库；构建耦合湿地模块的流域水文模型，开展模型的率定和验证；采用physitel/hydrotel水文模型平台模拟湿地分布情景，获得河道径流量并提取流域干旱特征，最后利用数理统计法进行流域湿地干旱延缓功能定量评估。

3、进一步，流域湿地干旱延缓功能量化评估方法包括以下步骤：

4、步骤一，构建耦合湿地水循环过程的流域生态水文模型；

5、步骤二，根据流域水文模型开展不同湿地分布情境下的流域水文过程模拟，基于不同的流域水文过程模拟结果获得对应的河道径流量；

6、步骤三，对降雨数据、径流量数据进行正态标准化，得到不同时间尺度的气象干旱指数spi值序列(standardized precipitation index)和水文干旱指数sri值序列(standardized runoff index)；根据游程理论从spi值序列确定气象干旱事件，从sri值序列确定水文干旱事件，提取气象干旱和水文干旱特征；

7、步骤四，根据气象干旱指数spi值序列和水文干旱指数sri值序列，确定不同湿地分布情境下不同时间尺度两种干旱之间的相关性；对比分析有湿地和无湿地情境下的差异性，量化评估流域湿地干旱延缓功能。

8、进一步，步骤一中的耦合湿地水循环过程的流域生态水文模型构建包括：

9、(1)根据流域出口水文站逐日流量资料、流域内逐日气象观测资料以及地理空间资料建立流域模型数据库；

10、(2)基于土地利用类型分布图，physite平台从土地利用类型中识别湿地，基于连通度阈值划分孤立湿地和河滨湿地，计算每个湿地类型对应的参数；

11、(3)将physitel平台获得的湿地参数和水文参数直接导入到hydrotel水文模型以模拟不同湿地分布情境下的流域水文过程；

12、(4)基于地理空间资料、流域出口水文站逐日流量资料以及逐日气象观测数据，开展参数的敏感分析，得到hydrotel模型最为敏感的湿地和水文参数，并对最为敏感的参数进行率定和模拟结果验证。

13、进一步，步骤(1)中的地理空间资料包括流域内数字高程模型、土壤质地数据、数字化河网水系和土地利用数据。

14、进一步，步骤(2)中的hydrotel水文模型由8个模块组成，分别为气象模块、积雪模块、冻土模块、潜在蒸散发模块、垂向水量收支平衡模块、陆面产汇流模块、河道径流模块和湿地模块。

15、每个湿地类型对应的参数包括水文响应单元面积；水文响应单元内湿地面积、湿地率(湿地占区域或流域面积比率)；湿地正常/最大水位及对应的水域面积、湿地蒸散发折算系数、湿地土壤水力传导度；河床饱和水力传导度、湿地基底饱和水力传导度。

16、进一步，步骤(3)中的hydrotel水文模型参数包括蒸散发优化系数、积雪模块参数、气温和降水参数、土壤水文参数。积雪模块参数包括压实系数、最大积雪密度、落叶林积雪融化温度阈值、针叶林积雪融化温度阈值、开阔地积雪融化温度阈值、开阔地积雪融化率、落叶林积雪融化率、针叶林积雪融化率和积雪-土壤界面的积雪融化率；气温降水模块包括降雨-降雪临界温度、降水垂直递减率和气温垂直递减率；土壤水文参数包括不同土层深度、消光系数、退水系数和土壤湿度最大变异性。

17、进一步，步骤(3)中的模拟不同湿地分布情境下的流域水文过程包括：

18、①孤立湿地汇水区、孤立湿地和低地之间的产汇流过程；

19、②河滨湿地汇水区、河滨湿地和河道之间的水文交互过程。

20、进一步，步骤二中的不同湿地分布情境包括有湿地分布情景和无湿地分布情景。

21、进一步，步骤三中的水文干旱特征包括干旱次数、强度、持续时间、发展速度和恢复速度。

22、进一步，步骤三中，采用γ分布函数概率密度积分公式对降雨数据、径流量数据正态标准化，得到spi和sri值序列；

23、

24、式中，r，β分别为γ分布函数的形状和尺度参数，x是降雨数据和径流量数据样本值。

25、进一步，步骤四中的流域湿地干旱延缓功能的量化评估包括：

26、(1)采用以下指数量化湿地对水文干旱的影响：

27、diwet＝(rwet-r0)/r0×100％；

28、式中，diwet为湿地对水文干旱的影响程度指数，diwet为负值表明湿地对干旱的增强作用，diwet为正值则表明对干旱的缓解作用；diwet的绝对值越大，表明对干旱的影响程度越明显；rwet为有湿地分布情景下模拟得到的水文干旱特征；r0为无湿地分布情景下模拟得到的水文干旱特征。

29、(2)采用pearson相关性检验计算气象干旱和水文干旱的相关系数：

30、

31、式中，pcc为气象干旱和水文干旱的相关性，pcc为正值表明气象干旱和水文干旱呈正相关，pcc为负值表明呈负相关；基于pcc确定最相关的气象干旱指数spi值序列和水文干旱指数sri值序列；为气象干旱指数spi值序列；w为水文干旱指数sri值序列，包含不同湿地分布情景的结果。

32、(3)采用交叉小波分析，对最相关的气象干旱指数序列和水文干旱指数序列分解，确定气象干旱向水文干旱转化的周期，采用公式如下：

33、

34、式中，为的复共轭；交叉小波功率谱为的绝对值；σx、σy为年尺度spi值序列和水文干旱指数sri值序列的标准差；zv(p)为和概率p相关的置信度；v为自由度。

35、(4)采用转化率法计算气象干旱向水文干旱转化的概率：

36、tr＝mmete-hydro/mhydro；

37、sh-m＝mmete-hydro/mmeteo；

38、式中，mhydro代表水文干旱的次数，mmete-hydro和mmeteo分别代表引发水文干旱的气象干旱的次数和气象干旱的总次数；tr值越大，表明气象干旱和水文干旱之间的关系越敏感；sh-m值越大，表明从气象干旱转化为水文干旱的概率较高。

39、本发明的另一目的在于提供一种应用所述的流域湿地干旱延缓功能量化评估方法的流域湿地干旱延缓功能量化评估系统，流域湿地干旱延缓功能量化评估系统包括：

40、流域水文模拟模块，用于构建耦合湿地水循环过程的流域生态水文模型；根据流域水文模型开展不同湿地分布情境下的流域水文过程模拟，并基于不同的流域水文过程模拟结果获得对应的河道径流量；

41、干旱特征提取模块，用于对降雨数据、径流量数据正态标准化，得到不同时间尺度的气象干旱指数spi值序列和水文干旱指数sri值序列；根据游程理论从序列确定水文干旱事件和气象干旱事件，提取干旱特征；

42、量化评估模块，用于根据气象干旱指数spi值序列和水文干旱指数sri值序列，确定不同湿地分布情境下不同时间尺度两种干旱之间的相关性；对比分析有湿地和无湿地情境下的差异性，量化评估流域湿地干旱延缓功能。

43、本发明的另一目的在于提供一种计算机设备，计算机设备包括存储器和处理器，存储器存储有计算机程序，计算机程序被处理器执行时，使得处理器执行所述的流域湿地干旱延缓功能量化评估方法的步骤。

44、本发明的另一目的在于提供一种计算机可读存储介质，存储有计算机程序，计算机程序被处理器执行时，使得处理器执行所述的流域湿地干旱延缓功能量化评估方法的步骤。

45、本发明的另一目的在于提供一种信息数据处理终端，信息数据处理终端用于实现所述的流域湿地干旱延缓功能量化评估系统。

46、结合上述的技术方案和解决的技术问题，本发明所要保护的技术方案所具备的优点及积极效果为：

47、第一，本发明通过创建流域湿地干旱缓解功能的定量评估方法，可以定量揭示不同湿地面积和位置变化下流域水文干旱的演变特征。本发明可以为实际的湿地恢复和保护提供支撑，尤其是可以明确给出湿地面积恢复多大以及在哪里恢复湿地可以在多大程度上缓解水文干旱等湿地恢复和保护中面临的实际问题，更好的将湿地水文调蓄功能作为调控措施纳入到流域水资源综合管控中。

48、流域湿地干旱延缓功能评估是当前湿地生态水文学分析的前沿科学问题，本发明可以丰富和发展湿地生态水文学研究的理论方法与技术体系。其次，本发明可以从水文学视角为流域湿地的恢复与保护提供科学依据和决策支持，也可以为我国长江、黄河等大江大河流域湿地水文功能分析提供新思路。

49、第二，本发明通过“湿地”干旱缓解功能，首先开展耦合湿地水循环过程的流域生态水文模型的构建，可以在流域尺度实现湿地水文过程精细化模拟，量化评估流域湿地干旱延缓功能大小及其动态变化。

50、第三，作为本发明的权利要求的创造性辅助证据，还体现在以下4个重要方面：

51、(1)本发明的技术方案转化后的预期收益和商业价值为：

52、该技术方案可以实现流域湿地干旱延缓功能的量化评估，并应用于我国实际的干旱风险管理和应对中。此外，可以从水文学视角为流域湿地的恢复与保护提供科学依据和决策支持，也可以为我国长江、黄河等大江大河流域湿地水文功能分析提供新思路。

53、(2)现有研究多采用定性分析的方法，缺乏定量化的评估研究，无法回答湿地对干旱的缓解作用的大小及其时空变化问题。本发明的技术方案可以实现流域湿地干旱延缓功能的量化评估。

54、(3)本发明的技术方案是否解决了人们一直渴望解决、但始终未能获得成功的技术难题：

55、由于湿地生态系统水循环过程的复杂性，尤其是流域尺度湿地和其他土地利用类型的水文交互作用难以刻画，仅仅定性分析湿地和水文干旱之间的关系，难以在流域尺度实现湿地干旱延缓功能的量化评估。

56、(4)由于技术方法和评价指标的差异性，导致以往对湿地干旱延缓功能的认识存在偏见。该技术方案创新的包含了流域湿地水文过程精细化模拟的水文模型、湿地水文干旱延缓功能量化评估指标体系，可以系统的量化评估流域尺度不同时间和不同空间上湿地干旱延缓功能的大小。