專利名稱：一種計算歷史時期湖泊水位的技術的制作方法
技術領域：
本發(fā)明屬于水生態(tài)系統(tǒng)監(jiān)測領域，涉及一種以湖泊沉積物中孢粉組合帶、典型理 化指標為依據(jù)，利用數(shù)學建模的方法計算歷史時期湖泊水位的技術。
背景技術：
孢粉具有質(zhì)輕量多，散布極遠的特點。作為生物化石在各沉積層中均有保存，對恢 復古環(huán)境狀況具有很高的參考價值，尤其在古氣候研究中已被廣泛應用。歷史時期湖泊受 到的人為干擾因素較少，湖泊的水位水量與植物生長基本處于一種動態(tài)平衡狀態(tài)，同時，生 物指標對水位水量的變化比較敏感，如生物量、多度、豐富度等。計算歷史時期湖泊水位可 推測湖泊生態(tài)系統(tǒng)處于健康狀況所需的水文條件，通過監(jiān)測現(xiàn)代湖泊水位了解生物的生長 狀況，及時調(diào)水補水，對維持湖泊生態(tài)系統(tǒng)的健康起著重要作用。近十幾年來許多國內(nèi)外學者利用孢粉組合帶反演湖泊歷史時期的環(huán)境狀況。國 內(nèi)，有學者利用封閉流域水量平衡原理，結(jié)合各降雨參數(shù)和孢粉組合帶信息計算湖泊的古 降雨量，但該方法有一定的局限性，不適用于半封閉和開放流域降雨量時計算(邵兆剛等， 2004 ；吳敬祿等，1993)。有學者將孢粉組合帶與沉積物的磁學指標相結(jié)合，定性分析湖泊面 積變化、湖水動力特征及氣候狀況，此種方法需要結(jié)合沉積物粒徑、T0C、TN等常規(guī)指標綜合 分析，同時需要有少量的湖泊歷史監(jiān)測資料做參考(曹希強等，2004)。有學者探索性地采 用有序聚類、回歸、主成分分析等數(shù)學方法量化孢粉與沉積物理化指標的關系。這些方法需 要大量的樣品原始統(tǒng)計數(shù)據(jù)，可以對湖泊流域環(huán)境變遷及人類活動記錄等提供解釋(張佳 華等，1997 ；王立新等，1995)。國外，在研究沉積物孢粉方面，有一套比較系統(tǒng)的方法，通過 常年監(jiān)測建立了歐洲、北美、拉丁美洲、非洲、西伯利亞孢粉數(shù)據(jù)庫，使用RCA、DCA、MAT等線 性或單峰模型建立相似集，運用WA、PLS、ANN等數(shù)學方法建立校正集，并進行誤差估計，分 析物種的豐度、均度，種群結(jié)構(gòu)、時間空間序列，從而建立與歷史時期湖泊的氣候、物種多樣 性、降雨量、地表植被類型等的關系(H. S印pa，2007 ；S. Brewer et al.，2007 ；H. J. B. Birks, 2007 Joanna C. Ellison, 2008 ；N. John Anderson, 1995)，方法具有系統(tǒng)性和連貫性。檢索發(fā)現(xiàn)預測河川水位的發(fā)明專利，中請?zhí)枮?3120092. 3，名稱為河川水位預測 裝置，公開號為CN1438386，它提供了一種能高精度預測河川水位的預測裝置，包括三部分 計量并存儲河川水位的水位計量部，計量并存儲流域降雨量的降雨量計量部和根據(jù)這些計 量值預測河川水位的水位預測模型，水位預測模型包括自回歸部分和FIR模型部分，兩部 分的參數(shù)通過模型鑒別部計算得到。檢索發(fā)現(xiàn)計算現(xiàn)代湖泊生態(tài)需水的發(fā)明專利，申請?zhí)枮?00910170085. 7，名稱為 基于功能設定法的湖泊生態(tài)需水分析技術，公開號為CN101650762，它提供了一種綜合考慮 湖泊生態(tài)系統(tǒng)不同生態(tài)服務功能對淡水輸入要求的分析技術，將湖泊生態(tài)需水劃分為蒸散 需水量、滲漏需水量、水生生物及其棲息地需水、湖泊出湖地表徑流需水、湖泊出湖地下徑 流需水、能源生產(chǎn)需水、自凈需水、航運需水和景觀娛樂需水等九種類型，根據(jù)最大值原則 和湖泊管理目標差異，確定水資源功能系數(shù)，最終確定多目標要求下的湖泊生態(tài)需水量。
3
由此可見，我們可以借助數(shù)學方法建立孢粉組合帶和歷史時期湖泊水位的關系， 了解湖泊在低干擾度下的植被類型和水文情況，對于湖泊生態(tài)系統(tǒng)健康的維持具有非常重 要的意義。

發(fā)明內(nèi)容
歷史時期湖泊水位的計算包括三部分篩選部分，分析部分和合成部分。篩選部分 是運用主成分分析法將相關環(huán)境因子轉(zhuǎn)化為幾個相互獨立的綜合指標，分析部分是運用灰 色關聯(lián)法選取與湖泊水位相關性較大的水生植物作為指示生物，合成部分是將綜合指標、 湖泊水位作為自變量，指示生物作為因變量用回歸的方法擬合。以近代沉積物樣品指標、湖 泊監(jiān)測水位和孢粉組成數(shù)據(jù)為校正集，對擬合方程變量的系數(shù)進行調(diào)整，提高方程推算的 精度。


歷史時期湖泊水位計算流程圖
具體實施例方式(1)沉積物定年運用放射性元素21°Pb和137Cs，結(jié)合沉積模型對沉積物剖面進行定年，確定每層沉 積物對應的年代。①21°Pb定年模型At = A0e A關系式中At為在深度Z處21°Pbex的活度A0為在表層的21°Pbex的活度入是210Pb 的衰變常數(shù)(0. 693/22. 3a-1)②137Cs定年模型s = Z/(T0_Tz)關系式中Z為沉積柱深度I；為表層沉積時間Tz為深度Z處沉積時間(2)環(huán)境綜合指標的構(gòu)建運用實驗方法測得各沉積剖面層的孢粉組成和物理化學指標，包括沉積物pH、鹽 度、電導率、粒徑、T0C、TN等。主成分分析法(PCA)，是將多個變量通過線性變換以選出較少個數(shù)重要信息的一 種多元統(tǒng)計分析方法，他們彼此之間相互獨立，又能綜合反映原來多個指標的大部分信息， 為使不同量綱數(shù)據(jù)可比，在計算過程中由軟件對數(shù)據(jù)進行標準化，該計算過程由SPSS16. 0 實現(xiàn)。計算原理A、數(shù)據(jù)的標準化處理x*ij = Xij－Xj/Sj
其中，i = 1，2，...，11，11為樣本點數(shù)；」=l，2，...，p，p為樣本原變量數(shù)目。B、計算數(shù)據(jù)的協(xié)方差矩陣RC、求R的前m個特征值人工彡A2 ^ A3 ^ ,
彡Xm，以及對應的特征向量…，
叫，
Um D、求m個變量的因子載荷矩陣 A =
MP
121，
122，
Mm
pm
U12"/^2 5 …，u U2l、f^, U22 -> …，U
lmVAn 2m VAn
Upl V^", Up2 V^",…’ Upm JK
V p2' ”(3)指示生物的選取湖泊中植物的生長及生存狀態(tài)與湖泊水位(水量)相關，由于湖泊生態(tài)系統(tǒng)的復 雜性和植物的多樣性，分析所有的植物花粉特征是不現(xiàn)實的，只有選取部分指示生物作為 樣本，指示生物的選取標準是生長狀況(沉積層中的孢粉豐度)與湖泊水位的相關性較大?；疑到y(tǒng)理論是一種研究“少數(shù)據(jù)、貧信息”不確定性問題的新方法，以“小樣本、 貧信息”的不確定系統(tǒng)為研究對象，主要通過對“部分”已知信息的生成、開發(fā)，提取有價值 的信息，實現(xiàn)對系統(tǒng)運行行為、演化規(guī)律的正確描述和有效監(jiān)控?；疑P聯(lián)分析是灰色系統(tǒng) 理論的重要內(nèi)容，它通過計算系統(tǒng)特征序列和相關序列之間的灰色關聯(lián)度來判斷變量之間 關聯(lián)的強弱，效果較好。本過程運用灰色關聯(lián)法分析物種與湖泊水位之間的關系。計算原理①求各序列的初值像，即對數(shù)據(jù)進行標準化?，F(xiàn)有數(shù)列Xi = [x“l(fā))，x“2)， ，Xi(n)] (i = 1，2， ，1)初值像序列= [x； (1), x: (2), ...,x； ( )J，初值像‘ (k) = xt (k) / Xi ⑴1為系統(tǒng)相關序列的個數(shù)，n為各序列的數(shù)值。②求初值像的差序列== [6,(1), 6,(2),... , 6 , (n) ] (i = 1, 2, . . . , 1)幻為系統(tǒng)特征序列的初值像。
③計算兩極最大差M和最小差mM = max max Sl (k)m = min min (k)
i k i k④求關聯(lián)系數(shù)
,,、 m + iM廣側(cè)+諷式中，k=1，2，⑤計算關聯(lián)度
1 n7i
，n;i = 1，2，...，1 ；分辨系數(shù) I G (0,1)
k=l
(4)孢粉_水位_綜合指標方程的建立
運用多元回歸的方法建立孢粉_水位_綜合指標之間的關系Y = f (Z，&，X2，,
Xn)，設定水位為主變量，該部分用非線性擬合，環(huán)境綜合指標為協(xié)變量，該部分用線性擬
1=1 o 多元變量回歸
①指數(shù)擬合Y = b0+b1Zn+b2X1+b3X2+. . . +bpXp，Y為孢粉組合帶數(shù)據(jù)，X為環(huán)境綜合指標，Z為水 位。②對數(shù)擬合Y = bo+log^+b^^b^^. . . +bpXp，Y為孢粉組合帶數(shù)據(jù)，X為環(huán)境綜合指標，Z為水 位。(5)方程的驗證將湖泊近代沉積物樣品的物理化學指標，孢粉組合帶數(shù)據(jù)代到方程中計算湖泊水 位，與湖泊監(jiān)測水位對比計算誤差，一定條件下對方程的變量系數(shù)進行調(diào)整，提高方程的精 度和準確性。實施例將本文的湖泊水位計算方法應用于中國北方某湖泊，利用21°Pb和137Cs測定沉積 物的年代范圍是1830年-2006年。①應用主成分分析法對沉積物的pH、T0C、T0N、鹽度、電導率、土壤濕度、燃燒值、黏 粒和沙粒構(gòu)成作相關性分析，該過程借助SPSS16. 0實現(xiàn)。表1 KM0 和 Bartlett 檢驗 根據(jù)統(tǒng)計學家Kaiser給出的標準，KM0取值大于0. 6，適合因子分析，本例中KM0 為0. 63，符合標準，Bartlett球度檢驗給出的相伴概率為0. 000，小于顯著性水平0. 05，認 為適合于因子分析。根據(jù)方差極大法對因子載荷矩陣旋轉(zhuǎn)后，第一因子主要由TOC、TON、LOI、M0S解 釋，主要反映土壤中有機質(zhì)的含量，第二因子由鹽度、電導率解釋，主要反映了土壤中的無 機鹽情況，第三部分主要由黏土、沙土比例和PH解釋，反映了土壤所處的水力狀況。得到的新因子函數(shù)為Fi = 0. 209x^0. 239x2_0. 195x3_0. 018x4_0. 078x5+0. 239x6+0. 2287+0. 076x8+0. 017
x9F2 = -0. OQSXi-O. 016x2_0. 025x3+0. 484x4+0. 516x5_0. 021x6_0. 028x7_0. 100x8+0. 05
7x9F3 = -0. 084x^0. 044x2_0. 028x3_0. 014x4_0. 034x5+0. 141x6_0. 027x7+0. 550x8+0. 53
5x9將F2，F(xiàn)3作為反映沉積物環(huán)境特征的綜合指標。②孢粉是植物散落的花粉，植物開花期是孢粉形成的主要時期，3-9月是植物生長 和繁殖最旺盛的季節(jié)，選擇該時間段的月均水位作為研究對象。同時孢粉有兩個來源水域 和陸地，陸生植物主要靠風力把花粉吹到水面上，再通過擴散沉降作用進入到沉積物中，受 湖泊水位影響較小。因此，本文主要考慮水生植物孢粉與湖泊水位的關系，從所有檢測的孢
6粉中選取人工禾本、自然禾本、香蒲、莎草科、狐尾藻屬、蕨類孢子作為研究對象。運用灰色關聯(lián)法選取與該湖泊水位相關性較大的孢粉作為指示生物。湖泊水位采 用1924年-1974年的記錄水位。由于沉積層反映的是年代范圍，需要對水位數(shù)據(jù)進行處理。處理方法第i年的水位
，代表3-9月的平均水位 第p層沉積剖面對應的年數(shù)為k年，該沉積層對應的水位為 取分辨系數(shù)I =0.8，得到灰色關聯(lián)計算結(jié)果
表2灰色關聯(lián)計算結(jié)果 根據(jù)灰色關聯(lián)的結(jié)果，將關聯(lián)系數(shù)大于0. 75的物種作為指示生物，依次為香蒲、 狐尾藻屬、蕨類孢子、自然禾本。四種孢粉組成新的物種函數(shù)，關聯(lián)系數(shù)作為孢粉變量的系 數(shù)，函數(shù)式為Y = 0. 975Xl+0. 845x2+0. 792x3+0. 783x4式中Y為不同孢粉組合量，x為各沉積層不同孢粉的含量(豐度表示)③用多元回歸的方法建立孢粉_水位_綜合指標方程根據(jù)F” F2，F(xiàn)3，Y，湖泊水位值X，通過多元回歸得到最終方程，本過程通過 Origins. 0實現(xiàn)，二次、三次、指數(shù)方程均為自己定義。(1)指數(shù)擬合一次方程為Y =22: 72x-31,.95卩「15. 48F2-■21. 85F3-122.66
二次方程為Y =1.32x2-22.62F「3. 74F2-9..04F3-40.,26
三次方程為Y =0.11x3-13.81FA7. 54F2+3..54F3-21.,99
(2)對數(shù)擬合
自然對數(shù)擬合Y=194. 651nx-41. 82Ff27.59F2-34.89F3-330. 07
5為底對數(shù)擬合Y ==313. 281og5x-41. 82Ff-27. 59F2--34.89Fs-33010 為底對數(shù)擬合:Y = 448. 211gx_41. 82F「27. 59F2_34. 89Fs-330. 07當用對數(shù)擬合時，孢粉組合帶結(jié)果主要取決于非線性部(水位)，線性部(環(huán)境綜 合指標)對結(jié)果影響不大。④方程的驗證將2個近代沉積物樣品環(huán)境綜合指標、孢粉組合帶數(shù)據(jù)代入到方程中，計算湖泊 水位，與監(jiān)測水位對比表3計算水位與監(jiān)測水位的對比單位米
經(jīng)比較，三次方程擬合值與監(jiān)測值最接近，誤差不超過0.3米。當然，方程還需要 更多的數(shù)據(jù)進行驗證，一定條件下需要對變量的系數(shù)進行調(diào)整。
權利要求
一種利用沉積物孢粉組合帶推算歷史時期湖泊水位的技術，其特征在于運用主成分分析法將相關環(huán)境因子轉(zhuǎn)化為獨立的環(huán)境綜合指標，通過灰色關聯(lián)分析選取與湖泊水位相關性較大的指示生物，利用回歸方程建立指示生物 水位 綜合指標間的關系。經(jīng)近代沉積物指標驗證，三次方程擬合值與監(jiān)測值最接近，水位誤差小于0.3m。本技術還可以計算歷史時期不同季節(jié)湖泊水位的變化，結(jié)合湖泊水力參數(shù)可以計算不同時期湖泊的面積 。
全文摘要
本發(fā)明針對湖泊歷史水文數(shù)據(jù)短缺、不連續(xù)等問題，發(fā)明了一種以湖泊沉積物中孢粉組合帶、典型理化指標為依據(jù)，運用主成分分析、灰色關聯(lián)、回歸的數(shù)學方法建立孢粉、環(huán)境指標與湖泊水位之間關系的技術，可以推算歷史時期的湖泊水位，從而了解湖泊生態(tài)系統(tǒng)處于低人為干擾度下的物種狀況和水文條件，對維持現(xiàn)代湖泊生態(tài)系統(tǒng)的健康起著重要作用。
文檔編號G06F19/00GK101908104SQ20101027150
公開日2010年12月8日 申請日期2010年9月3日 優(yōu)先權日2010年9月3日
發(fā)明者楊志峰, 郭通, 陳賀 申請人:北京師范大學