[發明專利]湖泊生態系統災變早期預警方法

有效

• 申請號: 201710083064.6
• 申請日: 2017-02-16
• 公開（公告）號: CN106846229B
• 公開（公告）日: 2018-03-09
• 發明（設計）人: 郭飛;胡艷;孫福紅;郄玉;廖海清;馮承蓮;王凡凡;吳豐昌
• 申請（專利權）人: 中國環境科學研究院
• 主分類號: G06Q50/26
• 分類號: G06Q50/26
• 代理公司: 北京精金石專利代理事務所(普通合伙)11470
• 代理人: 劉曄

技術領域

本發明屬于水生態系統預警領域，特別涉及一種湖泊生態系統突變早期預警方法。

背景技術

大型淺水湖泊作為一種復雜的、獨特的湖泊生態系統，水體受上邊界(水-氣界面)和下邊界(水-土界面)影響極大，泥水界面相互作用強烈，沉積較為緩慢，物質遷移受風浪影響較大，內源營養鹽爆發釋放風險高，水環境承載力較低，水生生態系統更脆弱，對污染響應比較敏感，是極易發生富營養化的水體之一。湖泊富營養化后會導致一系列的生態系統異常響應，包括微生物生物量與生產力增加、附著生物逐步增加，藍藻水華頻發、湖泊水質惡化等，當外界驅動條件超過某一閾值時，生態系統可能會由于其結構不穩定和功能退化而產生劇烈響應，發生生態系統災變。若生態系統發生災變，藻類生物量劇增，營養鹽循環速率加快，水生植物的急劇衰退，水體透明度下降，生物趨于小型化和更短生命周期的生物占優勢，整個湖泊生態系統也會出現生物多樣性下降、生態系統趨于不穩定的現象。湖泊生態系統災變的發生往往讓人始料未及，產生嚴重后果，并且難以恢復，人們無法確定湖泊生態系統是否在安全范圍內運行，更難以預料生態系統的未來發展方向，若能在生態系統發生災變前，通過提取生態系統發生災變的早期信號來預警生態系統狀態是否不斷接近災變閾值，并采取相應的措施阻止對人類社會產生不利影響的災變發生，將具有非常重要的現實意義。

生態系統重大突變的早期信號提取存在很大的困難，這主要是由于生態系統發生突變前，系統狀態可能只呈現微小的變化，很難察覺和監測。現有湖泊生態系統重大突變預警研究主要基于臨界放緩理論，通過測量系統恢復時間，計算系統狀態變量的自相關系數、方差、偏度，分析功率譜，觀察頻繁波動等突變檢測方法在時間維度上進行生態系統災變的早期預警。然而，基于臨界放緩理論的系統恢復時間的測量多是通過擾動模擬試驗實現，并結合相關模擬模型表征生態系統內部的壓力-響應關系，由此得到的結論難以在實際生態系統中得到驗證，這是因為現實生態系統的干擾因子遠較模擬實驗復雜。另一方面，在自相關系數、方差、偏度的計算和功率譜分析過程中，數據獲取困難和數據處理過程帶入的誤差和主觀性、外界干擾形態的不確定性等，都會成為造成生態系統突變早期預警方法局限性原因，使得預警信號經常出現誤報和漏報。長時間序列數據能夠顯示生態系統發展過程，有較強的連續性，能夠更詳細地反映生態系統對外界壓力的響應狀態。因此，獲取長期高分辨率的實際監測數據，將模型模擬、控制實驗和現實案例分析結合起來，從多個角度來提取生態系統災變的預警信號，可以對可能發生的災變進行更有效地預警。

發明內容

本發明利用長時間序列湖泊實際監測數據，基于能質理論，建立湖泊生態系統災變預警模型，獲得針對特定湖泊的生態系統災變預警閾值，解決實驗室擾動模擬實驗難以適用于實際湖泊環境的問題，為實現“一湖一策”的針對性管理提供依據

本發明的目的是基于長時間序列湖泊實際監測數據，提供一種進行亞熱帶大型淺水湖泊生態系統在災變預警的方法，該方法可用于湖泊流域戰略環境影響評價中支持累積性風險評價工作，也可以用于環境保護部門環境風險管理工作的決策支持。

本發明的技術方案，一種湖泊生態系統突變早期預警方法，包括以下步驟：

(1)步驟一、計算生態系統能質和結構能質：利用生態系統各類有機體或有機質的干重含量、信息含量計算生態系統能質和生態系統結構能質；

(2)步驟二、以總磷和總氮作為湖泊生態系統災變的預警指標，連續t檢驗得到的湖泊生態系統能質突變點為災變臨界值；

(3)步驟三、利用湖泊生態系統長時間序列總磷、總氮和能質數據進行多元非線性曲面擬合，構建湖泊生態系統災變預警模型，得到湖泊生態系統災變總磷濃度和總氮濃度的預警閾值；

通過生態系統能質突變結果獲取湖泊生態系統能質出現突變即災變的時間節點，由此選取生態系統能質突變臨界點，計算得到相應的總氮、總磷濃度即為湖泊生態系統預警閾值。

其中，能質是指能量使生態系統從有組織的、遠離平衡狀態達到相對于它所處環境的熱力學平衡狀態時所能做到的最大有用功；它代表了該系統目前狀態與熱力學平衡狀態之間的距離，表征湖泊生態系統所含的生物量及其所攜帶的信息量，是預示系統演化發展的一個目標函數。

進一步地，所述各類有機體或有機質包括：浮游植物、浮游動物、底棲動物和大型水生植物。

進一步地，采用公式a計算所述步驟一中生態系統能質：

其中，W_i為生態系統第i種有機體或有機物信息含量，即權重轉換因子，J/mg；