一种面向生态服务功能维持的湿地生态需水计算方法.pdf

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1、(10)申请公布号 CN 102184327 A (43)申请公布日 2011.09.14 CN 102184327 A *CN102184327A* (21)申请号 201110118182.9 (22)申请日 2011.05.09 G06F 19/00(2006.01) G06Q 50/00(2006.01) (71)申请人 北京师范大学 地址 100875 北京市海淀区新街口外大街 19 号 (72)发明人 杨志峰 杨薇 (54) 发明名称 一种面向生态服务功能维持的湿地生态需水 计算方法 (57) 摘要 本发明提供了一种面向生态服务功能维持的 湿地生态需水计算方法。首先对湿地生态服务功。

2、 能价值进行定量评估， 筛选可量化的湿地关键水 文要素 ； 然后对湿地生态服务功能与关键水文要 素进行灰色绝对关联分析与优势分析， 确定关键 水文要素的重要性排序 ； 最后采用样条函数对各 关键水文要素与湿地生态服务功能总价值进行插 值， 确定满足最优生态服务功能价值的湿地水文 要素的阈值范围。该技术可实现以维护特定生态 服务功能价值为目标的湿地关键水文要素的定量 评估， 同时克服了传统计算方法中仅以水量或水 位作为湿地生态需水计算成果的不足， 更加适应 湿地水文复杂的特征。 (51)Int.Cl. (19)中华人民共和国国家知识产权局 (12)发明专利申请 权利要求书 1 页 说明书 6 页。

3、 附图 1 页 CN 102184331 A1/1 页 2 1. 一种面向生态服务功能维持的湿地生态需水计算方法， 其计算步骤如下 ： (1) 湿地生态服务功能价值核算 根据湿地生态系统特征， 选取主导生态服务功能， 分别计算各类生态服务功能价值， 并 采用综合价格指数消除通胀的影响 ： ESV ESV /D (1) 式中， ESV 为标准化的湿地生态服务功能价值， ESV为计算得到的湿地生态服务功能 价值， D 为综合价格指数 ； (2) 湿地关键水文要素筛选 采用主成分分析法对湿地生态系统的水文状态指标与水文过程指标进行筛选， 确定湿 地关键水文要素 ； (3) 水文要素的重要性排序 采用。

4、灰色绝对关联分析计算标准化后的湿地生态服务功能价值与水文要素关系的密 切程度， 并进行优势分析， 对影响湿地生态服务功能价值的水文要素进行重要性排序 ； (4) 水文要素阈值范围的确定 应用三次样条插值函数对湿地生态服务功能总价值与关键水文要素进行插值， 并进行 曲线拟合， 获得满足生态服务价值最大化的湿地生态需水阈值范围。 权 利 要 求 书 CN 102184327 A CN 102184331 A1/6 页 3 一种面向生态服务功能维持的湿地生态需水计算方法 技术领域 0001 本发明属于资源环境保护领域， 涉及一种面向生态服务功能维持的湿地生态需水 计算方法。 背景技术 0002 湿地。

5、生态需水是维持其生态系统正常结构和功能的重要基础， 合理确定湿地生态 需水量， 利用水文要素对湿地生境进行重塑是维护湿地生态系统健康的必要条件， 也是水 资源合理配置的必然要求。 目前湿地生态需水研究多停留在概念提出、 定性分析上， 具体估 算方法多以水平衡原理为基础， 根据经典的水文计算公式来估算湿地生态需水量， 主要有 湿地分级计算法、 生态水文分析法等。 在湿地分级计算方法中， 湿地生态需水包括植被需水 量、 蒸发需水量、 土壤需水量、 动物需水量、 野生生物栖息地需水量以及景观建设需水量等， 根据湿地生态需水量的阈值性理论， 划分面向不同湿地管理目标的最大、 适宜、 最小生态需 水量等。

6、级 ； 生态水文分析法土要借助于统计学方法对湿地生物数据与水文数据的相关性进 行分析， 进而确定湿地生态需水量， 其中水文数据多为水量、 水面或水位等单一要素。湿地 多为水文条件复杂的生态系统， 上述方法所获得的湿地生态需水量研究成果 ( 年需水量或 年均水位 ) 难以指导湿地水资源管理， 且常常因结果过于单一导致湿地系统修复与维护的 片面性。国外近些年也有专家学者提出面向近自然流态的湿地生态需水， 该方法倾向于湿 地原始状态的重塑， 而忽略了人类因素， 因过于理想化而缺乏湿地管理决策的实践基础。 为 维护湿地生态系统合理的结构和功能， 有必要建立一种能解决上述问题的湿地生态需水定 量估算方法。

7、。 发明内容 0003 本发明从湿地生态服务功能及其价值维护的角度入手， 提出一种面向生态服务功 能维持的湿地生态需水计算方法， 该技术可实现以维护特定生态服务功能价值为目标的湿 地关键水文要素的定量评估， 不仅可以克服传统计算方法中仅以水量或水位作为湿地生态 需水计算成果的不足， 更加适应湿地水文复杂的特征 ； 同时也可增强人们对湿地生态需水 调控的认同感与归属感， 降低湿地生态需水调控管理的难度。本发明解决该技术问题所采 用的技术方案如下 ： 首先， 对湿地生态服务功能价值进行定量评估， 筛选可量化的湿地关键 水文要素 ； 然后， 对湿地生态服务功能与关键水文要素进行灰色绝对关联分析与优势。

8、分析， 确定水文要素的重要性排序 ； 最后， 采用三次样条函数对各关键水文要素与湿地生态服务 功能总价值进行插值， 确定满足最优生态服务功能价值的湿地水文要的素阈值范围。其具 体的步骤如下 ： 0004 (1) 湿地生态服务功能价值核算 0005 湿地生态服务功能主要包括物质生产、 休闲娱乐、 科学研究、 调蓄洪水、 涵养水 源、 固碳释氧、 生物栖息地、 营养循环等， 其价值估算可分别采用市场价值法、 旅行费用法、 Costanza 系数法、 影子工程法、 影子价格法、 碳税法、 替代费用法、 成果参照法等。特定湿地 说 明 书 CN 102184327 A CN 102184331 A2/。

9、6 页 4 生态系统具有其相应的主导生态服务功能， 可采用上述方法分别计算各类生态服务功能价 值。 0006 在此基础上， 本技术中采用综合价格指数消除通胀的影响， 见公式 (1) ： 0007 ESV ESV /D (1) 0008 式中， ESV 为标准化的湿地生态服务功能价值， ESV为计算得到的湿地生态服务 功能价值， D 为综合价格指标。 0009 (2) 湿地关键水文要素筛选 0010 湿地水文要素复杂， 其生态需水要素包含水面面积、 水位 ( 水深 )、 水文连接度等 水文状态指标和水位波动、 来水大小、 频率、 持续时间、 换水周期等水文过程指标。 采用主成 份分析法对湿地关键。

10、水文要素进行筛选。 0011 首先， 取n年统计数据， 每年均有p个水文要素， 形成数学矩阵X。 先对变量进行标 准化， 使每一个变量的数学期望为零， 得到标准化数据矩阵 Z。 0012 0013 0014 然后， 对标准化数据进行处理， 求解协方差矩阵， 即为原始变量的相关系数矩阵 R。从特征方程 R-I O 解出 1 2 3p O 及其相应的特征向量 ui(i 1， 2， p)， 得到特征向量矩阵 U。 0015 0016 根据主因子分析， Y U Z， 式中 Y 是一组新的彼此之间不相关但又是由原始变 量 X1， X2， .， Xp组合的新变量矩阵。 0017 0018 令 0019 所。

11、以 说 明 书 CN 102184327 A CN 102184331 A3/6 页 5 0020 0021 根据实际问题， 选取 q 个主因子， q 需要满足 0022 0023 一般令 Q 85 95。 0024 取则有 Z AF+， 式中 ： 0025 0026 0027 0028 最后， 通过主因子旋转和主因子得分， 获得主因子 F 关于变量 X 的线性组合， 并选 择对主因子贡献比较大的若干个变量作为该湿地的关键水文要素。 0029 Fij b1xi1+b2xi2+bpxip(i 1， 2， n ； j 1， 2， m) (10) 0030 (3) 水文要素的重要性排序 0031 采。

12、用灰色绝对关联分析计算湿地生态服务功能价值与水文要素关系的密切程度， 进而采用优势分析， 对影响湿地生态服务功能价值的水文因子进行重要性排序， 识别出需 优先满足的关键水文要素。具体可按如下过程进行计算 ： 0032 设初始水文参数为 Xi (xi(1)， xi(2)， xi(k)， xi(n)， 生态服务功能序列 为 Yj (yj(1)， yj(2)， yj(k)， yj(n)， 则 ： 0033 1) 生成处理数据序列 0034 a)、 将数据序列样本值无量纲化 ： 如果数据序列的样本值单位不统一， 通过均值化 算子 P1的作用生成处理数据序列和使得序列样本值无量纲化。 0035 0036。

13、 0037 式中， 0038 b)将数据系列样本值始点零化。 对经过和均值化算子作用而得到的系统数据序列 说 明 书 CN 102184327 A CN 102184331 A4/6 页 6 和分别经过初始点零化算子 P0作用得到其相应的零化数据序列， 即 ： 0039 0040 0041 式中， 0042 2) 计算灰色绝对关联度矩阵 0043 水文要素 i 与生态服务功能价值 j 之间的灰色绝对关联度 ji可按如下公式计 算 ： 0044 0045 式中， 0046 0047 因此， 由灰色绝对关联度 ji构成的灰色绝对关联矩阵为 Asm： 0048 0049 3) 优势分析计算 0050。

14、 对于灰色绝对关联度矩阵 Asm， 若存在满足 0051 0052 则称水文要素 xl对湿地生态服务功能价值的影响大于水文要素 xi对湿地生态服 务功能价值的影响。 0053 (4) 水文要素阈值范围的确定 0054 采用 Matlab 平台的三次样条插值函数对湿地生态服务功能价值与水文要素进行 插值， 并进行曲线拟合， 获得满足生态服务价值最大化的湿地生态需水阈值范围。 附图说明 0055 附图为面向生态服务功能维持的湿地生态需水计算方法流程图。 具体实施方式 0056 下面以某湿地为实施例对本发明进一步说明。 0057 (1) 湿地生态服务功能价值核算 0058 该湿地主要功能为物质生产、。

15、 水资源保护、 休闲娱乐、 科学研究、 生物栖息地、 固 碳释氧、 水质净化。其湿地生态服务价值估算方法如下表 1 所示。运用多年数据资料 (1980-2005 年 ) 计算其各类生态服务价值， 并利用综合价格指数对其进行标准化。 0059 表 1 湿地生态服务功能价值 说 明 书 CN 102184327 A CN 102184331 A5/6 页 7 0060 0061 (2) 湿地关键水文要素的初步筛选 0062 通过主成分分析， 得到如下四个关键水文要素 ： 年入流水量、 年均水位、 连续 7 日 最低水位、 高水位持续天数 ( 高水位即为统计年份中每年的最高水位 )。 0063 (3。

16、) 关键水文要素筛选 0064 选取1980年-2005年统计数据， 对标准化后的湿地生态服务功能价值序列与水文 要素序列进行灰色绝对关联分析， 得到灰色关联矩阵 A74， 并进行优势分析， 得到表 2。 0065 0066 表 2 关键水文要素优势分析 0067 0068 注 ： 0069 从表 2 可以看出， r2 r3 r1 r4， 故其重要性序列为 r2， r3， r1， r4， 在这四个 关键水文要素中， 年均水位是最重要的水文要素， 其次为连续 7 日最低水位、 年入流水量及 高水位持续天数。 0070 (4) 湿地生态需水阈值范围 0071 对上述四种关键水文要素与湿地生态服务功能总价值分别进行三次样条插值得 出， 要获得最佳湿地生态服务功能价值需满足如下水文要素条件。 0072 表 3 生态需水推荐值 0073 说 明 书 CN 102184327 A CN 102184331 A6/6 页 8 说 明 书 CN 102184327 A CN 102184331 A1/1 页 9 说 明 书 附 图 CN 102184327 A 。