基于生境模拟的河口生态需水计算方法 【技术领域】
本发明属于环境保护技术领域，尤其涉及基于生境模拟的河口生态需水计算方法，解决目前河口生态需水计算方法难以广泛应用的问题。
背景技术
河口生态系统因受海陆间的交互作用，具有淡盐水混合与营养物富集等独特的环境特征和调蓄洪水与维护生物多样性的生态服务功能，成为水生生物产卵和育肥的重要栖息地。与此同时，径流通过河口不断地向海洋汇集的同时，水资源不合理利用、水污染等流域生态系统面临的问题在河口生态系统得到集中体现。大量河口生态系统均面临着生态服务功能严重退化的威胁。淡水入流量短缺对河口生态系统平衡的负面影响是河口生态系统退化的重要原因，维持河口生态需水要求已成为保护河口生态系统健康以及流域水资源管理中关注的重点。
目前生态需水研究分别从水文学、水力学、栖息地模拟和整体分析等不同角度分析河流、湖泊生态需水规律(Tharme，2003)。河口生态系统受到径流和潮流共同作用的特点，造成河流、湖泊淡水生态系统需水计算方法和需水规律难以直接应用于河口生态系统。美国西南佛罗里达水资源管理部门假定河口上游取水量不超过10％情况下，淡水入流减少对生态系统的影响可以忽略，并由此确定了河口生态需水量，该方法应用相对简单，但由于其中忽略了对生态系统生物过程间对物理过程响应关系的认识，计算方法和标准难以广泛推广应用。旧金山湾河口淡水入流管理中提出了盐度为2的等值线至金门大桥的距离作为研究盐度空间分布的目标参数，进而根据历史系列资料分析淡水入流与盐度空间分布的关系以确定生态需水(Kimmerer，2002)。郑建平等(2005)通过建立入海径流量与盐度的回归关系，以20世纪80年代中期以前的多年平均盐度值为标准确定了海河流域主要河口生态需水量。这些方法均未考虑河口生物过程对径流输入的需求，计算结果缺乏针对性。近些年来，考虑指示性物种或普遍关注的经济鱼类和濒危生物种群分布对河口生态系统健康的重要作用，在分析典型生物种群分布与淡水输入之间相互作用关系基础上确定生态需水量成为相关技术研发的重点。王新功等(2007)将芦苇、丹顶鹤、黑嘴鸥、大鸨等作为黄河河口淡水湿地的指示性物种研究生态需水。崔保山等(2006)根据芦苇高度、径粗、密度、盖度等指标与水深梯度的关系确定了黄河三角洲芦苇生长适宜水深。拾兵等(2005)建立了以水位、流量、含沙量、叶绿素浓度为输入变量的神经网络模型，分析了黄河口典型年份生态最小需水量。
目前考虑河口生物过程的生态需水计算方法主要利用历史资料或野外实地监测资料相关关系分析的方法确定河口典型生物对水量的要求。计算方法的应用需要有足够野外生物过程及水文过程数据量的支持。由于目前河口野外监测数据的欠缺，造成目前河口生态需水计算方法难以广泛应用。在有限的野外监测资料支持下，综合考虑河口陆海交互作用的特点，提出河口生态需水计算方法具有重要的应用价值。
【发明内容】
本发明针对目前河口生态需水计算方法资料需求量大，方法难以广泛应用的不足，在明确河口典型生物对生物栖息地盐度需求的基础上，建立河口盐度时空分布对径流输入的响应关系，提出基于生境模拟的河口生态需水计算方法，为河口生态需水保障及生态修复提供关键技术支持。
本发明的特征在于考虑生物栖息地环境质量对生物过程的支持作用，通过模拟河口指示生物栖息地水体盐度目标对径流输入的响应关系，避免建立生物过程与水文过程间的直接相关关系，从而实现有限野外资料支持条件下计算河口生态需水量。本发明将河口生态需水计算划分为三部分，首先根据河口指示生物对关键生物栖息地盐度指标的要求确定河口生态需水目标；其次建立径流和潮流工作作用下河口水体盐度时空分布模型，模拟栖息地盐度对径流输入变化的响应关系；最后基于河口生境模拟和生态需水目标确定河口生态需水量。由于生境指标相对生物种群分布指标更容易测量和量化，同时计算方法避免了不同类型生物需水目标差异对河口生态需水计算造成的难题，使得本发明实现径流、潮流对河口生态系统共同作用模拟的同时，可依据有限的野外监测资料定量计算河口生态需水量。
本发明的主要目的在于解决目前河口生态需水计算方法资料需求量大，技术方法难以广泛应用的难题，与现有技术相比本专利技术具有以下优点：
1)实用性强，将河口生物过程对径流输入响应关系分析划分为河口关键生物对栖息地水体盐度的需求，以及建立河口盐度对径流输入的响应关系模型及生态需水计算三部分，计算方法对野外实际监测数据量的需求显著降低，计算方法实用性更强。
2)针对性强，本发明在明确河口典型生物对栖息地关键盐度目标需求的基础上，建立径流、潮流共同作用下的环境要素对径流输入的响应关系，综合体现了河口陆海间交互作用对生物过程地影响，实现对河口生态系统陆、海交互作用的模拟，针对性更强。
3)本发明可直接应用于不同类型的河口生态系统，定量分析河口生态系统需水量。
【附图说明】
附图1为典型河口生态需水时间变化目标；附图2为实例计算得到的河口生态需水时间变化规律。
【具体实施方式】
将河口生态需水计算过程划分为三步，首先根据河口关键生物对栖息地水体盐度的要求确定河口生态需水目标；其次建立径流潮流共同作用下环境要素时空分布模型，模拟栖息地环境要素对径流输入的响应关系；最后基于河口生态需水目标以及生境模拟计算河口生态需水量。
(1)明确生态需水目标
河口生态系统是迁徙生物的关键生物栖息地，本发明选择典型生物繁殖期对生物栖息地的盐度目标要求作为河口生态系统年内关键期生态需水目标。同时考虑淡水入流的时间变化影响河口生态系统健康状况，将天然径流量的时间变化作为生态需水时间变化目标以维持天然节律，计算见式(1)所示，
Ri=Σj=1nWji/Σj=1nWj---(1)]]>
式中，Ri是第i月径流量占年径流量的比例；Wj是第j年的径流量；Wji是第j年中的第i个月径流量。
(2)构建河口径流输入响应模型
通过建立河口水体盐度对径流输入的响应关系模型，模拟河口生物栖息地盐度时空分布对径流过程的响应关系。建立河口水位和流速对径流响应关系的水动力方程，如式(2)，式(3)和式(4)所示，
∂ζ∂t+∂∂x(Hu)+∂∂y(Hv)=0---(2)]]>
∂u∂t+∂uu∂x+∂vu∂y]]>
=fv+g∂ζ∂x+guu2+v2HC2+∂∂x(ϵ∂u∂x)+∂∂y(ϵ∂u∂y)---(3)]]>
∂u∂t+∂uv∂x+∂vv∂y]]>
=fu+g∂ζ∂y+gvu2+v2HC2+∂∂x(ϵ∂v∂x)+∂∂y(ϵ∂v∂y)---(4)]]>
式中，u，v分别是x，y方向上的水流速度分量；f是科氏力常数，由纬度确定；C为薛齐系数；H为水位，H＝ζ+d，d为某点水位深，ζ为平均海平面高度；ε为离散系数；g为重力加速度。
在水动力方程基础上，建立河口盐度对流扩散方程见式(5)所示，联合式(2)～式(5)实现河口盐度时空分布对径流输入响应关系的模拟。
∂(HS)∂t+∂(HuS)∂x+∂(HvS)∂y=∂∂x(KxxH∂S∂x)+∂∂x(KxyH∂S∂y)]]>
+∂∂y(KyxH∂S∂x)+∂∂y(KyyH∂S∂y)+Sm---(5)]]>
式中，s是盐度；u，v是x，y方向的速度；H为水位；sm是源汇项；Kij是平均离散系数。
(3)基于生境模拟的河口生态需水计算
在系统模拟河口盐度时空分布对径流输入响应关系的基础上，建立径流输入与河口关键生物栖息地盐度目标对应关系，结合典型生物繁殖期对生物栖息地盐度目标以及河口生态需水年度时间变化目标的要求确定河口关键期生态需水量及年度生态需水总量，最终确定满足河口关键生物栖息地盐度目标的生态需水阈值及时间变化规律。
实例
选择河口典型底栖生物牡蛎和蟹为关键物种，把牡蛎繁殖期(5～6月)以及蟹10～11月份繁殖期对盐度的要求作为生态需水的生态目标(表1)。
表1河口关键期关键区域的盐度目标
生态需水目标的时间变化用占天然径流量的月径流量比例来表示。典型河口生态需水时间变化目标如附图1所示。根据构建河口径流输入响应模型，模拟分析得到不同栖息地水体盐度与径流淡水入流的关系，进而根据表1中所示生物栖息地不同等级盐度目标计算理想、适宜、最小等级河口栖息地关键期生态需水量为3.82×104，2.61×104和1.90×104m3/s。根据附图1给出河口多年平均径流量年内时间变化规律确定不同等级年生态需水分别为919.1×109，705.9×109和593.3×109m3。河口年内不同季节生态需水量计算结果见附图2。