[发明专利]基于小波多尺度变换的湖泊生态补水技术

说明书

技术领域

本发明涉及一种基于小波多尺度变换的湖泊生态补水技术，是由决定湖泊状态的关键水 文因子——水位通过小波变换转换后，进行大、小时间尺度重建，确定适宜水文阶段，提出 一个同时考虑不同尺度的生态水位及波动的湖泊补水的技术，为分析退化湿地水环境的状态， 确定适宜水文阶段标准，制定适合特定区域的补水方案，提高湖泊补水效率提供基础。

背景技术

生态补水目的是想要恢复原有生态水平或维持某种系统平衡所需要的水量，其方案的制 定需要考虑水环境的状态及水文因素的自然波动。最早的生态补水集中于河流生态系统的研 究，包括简单的快速评价Tennant法到后来的较为复杂的建立分区法、物理栖息地模拟法、 整体生态系统法等。直到近十多年，由于湖泊的大量的萎缩与消亡，湖泊的生态补水，退化 湖泊的恢复得到越来越多的重视。Sim和Tajrishy通过对历史的水面积序列进行分析，将研究 区的生态补水方案分为最好、适宜、最小3个水平，各自对应超越概率为90％、80％、60％ 的水面积值。2005年，最小生态水位法的湖泊补水技术开始在美国运用，其确定是通过平均 年水位的超越概率。衷平等人延伸了该补水法，通过对历史水位的频率直方图分析，结合生 态资料，确定了白洋淀地区的最小和理想生态水位。

基于生态水位确定的生态补水法主要从湖泊的水位出发，通过对主要时间尺度上的水文 阶段并进行分析，寻求该湿地较适宜的水文条件，然后与生态环境状况进行对照分析。如果 生态环境状况相应较好，则可认为该湿地已经适应了其水文条件，并形成了一个动态的生态 平衡，此时水文阶段可以近似认为是其湖区的理想水文阶段，水位则近似认为是其多年平均 理想生态水位；如果生态环境状况一般，并在水量减小的情况下有所恶化，则近似认为此时 为湖区的适宜水文阶段，水位是其最小生态水位。这里的好坏是相对概念，因此还需要较长 的研究年限中的其他水文和生态资料补充，进行定性和定量分析，从而确定湖泊的水文阶段。 在传统的湖泊最小生态水位方法中，忽略了水位的多尺度、非稳定特征，不能显示序列里所 隐含的大大小小不同时间尺度的串级过程，更不能辨别不同尺度下的波动情况，使得补水方 案的提出偏离水位的自然波动特征和生物已适应的水文条件，补水达不到应有的效果。

发明内容

本发明的目的是：针对现有补水技术水位波动特征的考虑不足，提供一种基于小波多尺 度变换分析的生态补水法，通过有效的反映水位在不同时间尺度上的变换与波动，深入分析 其波动的自然特征，增强生态水位确定的科学性和合理性，提高补水效率，指导湖泊的管理 及生态恢复。

为实现上述目的，本发明的技术方案是：通过小波分析确定水位的主要时间尺度及不同 尺度下的水位波动变化，进行小波系数主要尺度的因子重建，并结合其他水文及生态数据， 得出适宜的水文阶段和最小生态水位，确定该阶段年内水位波动特征及波动范围，制定湖泊 补水方案。

具体步骤如下：

(1)利用小波变换对描述地区水文状态的关键水文因子——水位的时间序列进行小波分 析，得到不同尺度上的小波系数及主要尺度因子；

(2)根据所提取的主要变量特征，分析主要的尺度因子内的其他水文及生态因子变化特 征，确定湖泊水文阶段；

(3)依据步骤(2)所划分的湖泊水文阶段，进行最小生态水位及水位波动特征及范围 确定；

(4)利用最小生态水位及适宜的水位波动，确定湖泊生态补水方案。

本发明的基本原理是：水位在一定的时间序列上呈现多尺度、非稳定的特征，而连续小 波变换分析的良好时频特性和多尺度多分辨分析特性，能很好反应水位此特性。因此，本发 明希望通过连续小波变换将水位长序列进行分解，得到主要时间尺度上的小波系数和波动的 正负值特征，结合水文和生态数据、资料的定性、定量分析，确定湖泊的包含丰枯水期的适 宜水文阶段，及在该阶段两个时期的最小生态水位、水位波动趋势及水位波动范围，从而得 到生态补水方案的制定基础。本发明与现在技术相比，更加深入探讨了水文的多尺度特征， 综合考虑大小尺度上水位的波动与变化，比传统补水的直接以水位的平均值或水位单尺度序 列，更加接近湖泊的自然水文状况，为湖泊补水效率的提高奠定基础。

附图说明

图1为湖泊生态水位补水技术的流程图

图2为a)Morlet小波变化的模的时频分布，模的值由红色至绿色逐渐变小；b)整体小 波方差图，虚线为90％置信水平