本发明公开了一种基于水利工程生态系统服务价值的流域生态修复方法，包括当环境可持续性指数小于预设值时，计算多个年份每种作物的生态系统服务价值；计算多个年份的作物年服务价值的平均值作为总服务价值；判断总服务价值与多个年份的平均种植总投入间的差异是否大于预设阈值，若是，则无需进行流域修复；否则计算林区年产水量；判断地市区域当年总用水量与年产水量的差异是否小于预设水量，若是，则制定非农业用水节水方案，否则，计算归一化植被指数大于其预设植被指数的植物总覆盖面积；判断林区覆盖面积与总覆盖面积间的差异是否大于预设面积，若是，则增大植物种植面积；否则(56)对比文件Jian Zhang et al.Interactiveinfluences of ecosystem services andsocioeconomic factors on watershed eco-compensation standard “popularization”based on natural based solutions.《Heliyon》.2022,第8卷(第12期),第1-23页.
1.基于水利工程生态系统服务价值的流域生态修复方法，其特征在于，包括步骤：S1、获取研究流域对应的地市区域可再生资源、不可再生资源、环境友好型生产的经济投入，并计算环境可持续性指数；
S2、当环境可持续性指数小于预设值时，获取地市区域内水利工程生态系统在多个年份服务的农田和林区覆盖面积，根据农田中每种作物的种植面积和服务系数，计算多个年份每种作物的生态系统服务价值；
S3、累加每种作物的生态系统服务价值，得到每个年份农田所有作物的年服务价值，之后计算多个年份的年服务价值的平均值作为总服务价值；
S4、判断总服务价值与多个年份的平均种植总投入间的差异是否大于预设阈值，若是，则保持农田种植面积，且无需进行流域修复；否则进入步骤S5；
S5、将林区当年对应的遥感影像输入深度卷积神经网络，得到林区中每种植物的种植面积，并基于每种植物种植面积，计算林区的年产水量；
S6、判断地市区域当年总用水量与年产水量的差异是否小于预设水量，若是，则制定地市区域非农业用水节水方案，否则，进入步骤S7；
S7、计算林区每种植物的归一化植被指数，计算归一化植被指数大于预设植被指数的所有植物的总覆盖面积；
S8、判断林区覆盖面积与总覆盖面积之间的差异是否大于预设面积，若是，则增大植物种植面积以促进流域生态修复；否则进入步骤S9；
S9、对林区中归一化植被指数小于预设植被指数的区域，制定植物生态修复方案；
其中，Y为能值总输出；R为可再生资源；N为不可再生资源；F为环境友好型生产的经济投入；
计算多个年份每种作物的生态系统服务价值的方法包括：A1、根据农田中每种作物的种植面积和价值系数，计算标准等效因子值：其中， 为标准等效因子值；n为水利工程生态系统服务的农田中种植的作物种类数；
mi为第i种作物的种植面积；pi为第i种作物的单价；qi为第i种作物的单产；M为水利工程生态系统服务的农田的总面积；
其中，l和 分别为社会发展指数的理论值和真实值；L为常数，取值为1；e为自然常数；
根据修正后的标准等效因子值，计算生态系统服务价值：其中，VCi为第i种作物的生态系统服务系数；ECi为第i种作物的等效因子；ESVs为生态系统服务价值；
其中， 为林区第j种植物单位面积上的年产水量； 为林区第j种植物单位面积上的年平均蒸散发量； 为林区第j种植物单位面积上的年均降雨量；Z为季节性因子；
为潜在蒸散发量； 为最大土壤深度； 为林区第j种植物的平均根系深度；
为林区第j种植物可利用的水容量； 、 和 均为中间系数；Q为林区的年产水量；
其中， 为归一化植被指数； 、 和 分别为近红外波段、红光波段和蓝光波段的反射率； 为归一化植被指数预测值； 为归一化植被指数观测值；F为年渗透量；P为年降水量；T为年均气温；R为年均蒸发量；S为常数；a、b、c和d均为回归系数。
2.根据权利要求1所述的流域生态修复方法，其特征在于，所述步骤S9进一步包括：S91、判断植物的归一化植被指数是否小于二分之一预设植被指数，若是，进入步骤S92，否则进入步骤S93；
S92、对植物所在区域进行植物补种，并选取树龄大于预设树龄的植物采用断根萌蘖方式促进植物生态恢复，并每隔预设时长进行浇灌；
S93、对植物采用汊渗轮灌方式促进生态修复，每次轮灌时间不小于24h。
3.根据权利要求1所述的流域生态修复方法，其特征在于，获取地市区域内水利工程生态系统在多个年份服务的农田和林区覆盖面积的方法包括：S21、获取地市区域每个年份的遥感影像，并采用ENVI 5.3软件对遥感影像进行预处理；
S22、将预处理的遥感影像输入已训练的BP神经网络，提取遥感影像中的农田和林区。
4.根据权利要求1所述的流域生态修复方法，其特征在于，制定地市区域非农业用水节水方案包括：对于商业用水，通过提高白天8：00 6:00间的水价，促进节水；对于城镇用户，~提高白天8：00 9:00、11:30 13：30及晚间6:00 9:00间的水价，促进节水；对于郊区及农村~ ~ ~用户，采取定期限供的策略促进节水。
基于水利工程生态系统服务价值的流域生态修复方法
技术领域
[0001] 本发明涉及生态修复技术，具体涉及一种基于水利工程生态系统服务价值的流域生态修复方法。
背景技术
[0002] 水利工程的建设不仅在防洪、发电、灌溉及水运等方面为人类带来了极大的益处，而且随着引调水工程的兴起，区域内、区域外的引调水也极大的满足了人类对水资源的需求。水在区域生态平衡及结构稳定性维持方面发挥着重要作用，而多样化水利工程的建设是实现这一过程的重要举措。伴随着各类水利工程的兴建，人类活动对地球自然水文循环过程、水环境安全、生态系统的健康等方面带来影响。
[0003] 生态系统服务价值核算是量化生态系统服务功能及增进人类福祉的重要手段，其可以保证人类社会持续稳定发展，促进生态环境的健康发展，根据生态系统服务价值，可以在生态环境系统需要修复时做出及时的生态修复策略。现有技术在对流域生态系统进行修复时，大多基于遥感影像获取植物的覆盖度，当覆盖度不足时，就进行植被的种植，而大规模的植被种植实现生态修复，进而提高流域的产水量，进而减少流域对应的地市区域的外调用水。
[0004] 现有技术通过覆盖度种植植被，虽然能够对流域的生态系统进行修复，但是会大幅增大用地面积，势必会影响到可耕种的土地面积，从而影响到农田生态系统，进而影响到农田生态系统的产量（产量与提供的需水量相关度较大）和服务价值（产量与单价的乘积）。
发明内容
[0005] 针对现有技术中的上述不足，本发明提供的基于水利工程生态系统服务价值的流域生态修复方法解决了现有生态修复方法会影响可耕种的土地面积的问题。
[0006] 为了达到上述发明目的，本发明采用的技术方案为：
[0007] 提供一种基于水利工程生态系统服务价值的流域生态修复方法，其包括步骤：
[0008] S1、获取研究流域对应的地市区域可再生资源、不可再生资源、环境友好型生产的经济投入，并计算环境可持续性指数；
[0009] S2、当环境可持续性指数小于预设值时，获取地市区域内水利工程生态系统在多个年份服务的农田和林区覆盖面积，根据农田中每种作物的种植面积和服务系数，计算多个年份每种作物的生态系统服务价值；
[0010] S3、累加每种作物的生态系统服务价值，得到每个年份农田所有作物的年服务价值，之后计算多个年份的年服务价值的平均值作为总服务价值；
[0011] S4、判断总服务价值与多个年份的平均种植总投入间的差异是否大于预设阈值，若是，则保持农田种植面积，且无需进行流域修复；否则进入步骤S5；
[0012] S5、将林区当年对应的遥感影像输入深度卷积神经网络，得到林区中每种植物的种植面积，并基于每种植物种植面积，计算林区的年产水量；
[0013] S6、判断地市区域当年总用水量与年产水量的差异是否小于预设水量，若是，则制定地市区域非农业用水节水方案，否则，进入步骤S7；
[0014] S7、计算林区每种植物的归一化植被指数，计算归一化植被指数大于预设植被指数的所有植物的总覆盖面积；
[0015] S8、判断林区覆盖面积与总覆盖面积之间的差异是否大于预设面积，若是，则增大植物种植面积促进流域生态修复；否则进入步骤S9；
[0016] S9、对林区中归一化植被指数小于预设植被指数的区域，制定植物生态修复方案。
[0017] 进一步地，所述步骤S9进一步包括：
[0018] S91、判断植物的归一化植被指数是否小于二分之一预设植被指数，若是，进入步骤S92，否则进入步骤S93；
[0019] S92、对植物所在区域进行植物补种，并选取树龄大于预设树龄的植物采用断根萌蘖方式促进植物生态恢复，并每隔预设时长进行浇灌；
[0020] S93、对植物采用汊渗轮灌方式促进生态修复，每次轮灌时间不小于24h。
[0021] 进一步地，所述环境可持续性指数的计算公式为：
[0022] ，Y=N+R+F
[0023] 其中，Y为能值总输出；R为可再生资源；N为不可再生资源；F为环境友好型生产的经济投入。
[0024] 进一步地，获取地市区域内水利工程生态系统在多个年份服务的农田和林区覆盖面积的方法包括：
[0025] S21、获取地市区域每个年份的遥感影像，并采用ENVI 5.3软件对遥感影像进行预处理；
[0026] S22、将预处理的遥感影像输入已训练的BP神经网络，提取遥感影像中的农田和林区。
[0027] 进一步地，计算多个年份每种作物的生态系统服务价值的方法包括：
[0028] A1、根据农田中每种作物的种植面积和价值系数，计算标准等效因子值：
[0029]
[0030] 其中， 为标准等效因子值；n为水利工程生态系统服务的农田中种植的作物种类数；mi为第i种作物的种植面积；pi为第i种作物的单价；qi为第i种作物的单产；M为水利工程生态系统服务的农田的总面积；
[0031] 计算标准等效因子值的修正系数：
[0032]
[0033] 其中，l和 分别为社会发展指数的理论值和真实值；L为常数，取值为1；e为自然常数；En为恩格尔系数；
[0034] 根据修正系数，对标准等效因子值进行修正：
[0035]
[0036] 其中， 为修正后的标准等效因子值；
[0037] 根据修正后的标准等效因子值，计算生态系统服务价值：
[0038]
[0039] 其中，VCi为第i种作物的生态系统服务系数；ECi为第i种作物的等效因子；ESVs为生态系统服务价值。
[0040] 进一步地，计算林区的年产水量的计算公式为：
[0041]
[0042]
[0043]
[0044] 其中， 为林区第j种植物单位面积上的年产水量； 为林区第j种植物单位面积上的年平均蒸散发量； 为林区第j种植物单位面积上的年均降雨量；Z为季节性因子； 为潜在蒸散发量； 为最大土壤深度； 为林区第j种植物的平均根系深度； 为林区第j种植物可利用的水容量； 、 和 均为中间系数；Q为林区
的年产水量； 为林区第j种植物的总面积；N为林区植物种类数。
[0045] 进一步地，所述归一化植被指数的计算公式为：
[0046]
[0047]
[0048]
[0049] 其中， 为归一化植被指数； 、 和 分别为近红外波段、红光波段和蓝光波段的反射率； 为归一化植被指数预测值； 为归一化植被指数
观测值；F为年渗透量；P为年降水量；T为年均气温；R为年均蒸发量；S为常数；a、b、c和d均为回归系数。
[0050] 本发明的有益效果为：本方案基于农田的服务价值结合种植总投入的相结合，可以初步判定地市区域本区可用水量可能不足，之后再结合林区的年产水量和地市区域当年总用水量进一步相对准确地确定地市区域本区可用水量是否充足，再在此基础上结合植物的归一化植被指数确定是否需要对流域生态系统进行修复。
[0051] 本方案采用这种方式进行生态修复，相对现有技术直接基于覆盖度进行修复而言，充分考虑了流域对应片区的实际用水量和产水量，以此能够相对准确地判断当地已有的植物生态系统能否较大程度地支撑当地的用水量，以此相对准确地进行流域生态系统的修复，同时还可以避免过度植树造林，影响到可耕种的土地面积。
附图说明
[0052] 图1为基于水利工程生态系统服务价值的流域生态修复方法的流程图。
具体实施方式
[0053] 下面对本发明的具体实施方式进行描述，以便于本技术领域的技术人员理解本发明，但应该清楚，本发明不限于具体实施方式的范围，对本技术领域的普通技术人员来讲，只要各种变化在所附的权利要求限定和确定的本发明的精神和范围内，这些变化是显而易见的，一切利用本发明构思的发明创造均在保护之列。
[0054] 由于林区的植被对当地的产水量及当地的小气候影响较大，对当地的生态调控起着至关重要的地位；而地市区域用水中，城镇用水相对比较控制，受气候影响较小；而农田种植的作物的需水量收气候（尤其是稳定）影响极大，当浇水不足时会严重影响其产量，从而导致农田服务价值严重下滑。本方案在此基础上提出了一种基于水利工程生态系统服务价值的流域生态修复方法，参考图1，本方案的流域生态修复方法S包括步骤S1 步骤S9。~
[0055] 在步骤S1中，获取研究流域对应的地市区域可再生资源、不可再生资源、环境友好型生产的经济投入，并计算环境可持续性指数；
[0056] 在步骤S2中，当环境可持续性指数小于预设值（本方案优选预设值为1）时，获取地市区域内水利工程生态系统在多个年份服务的农田和林区覆盖面积：
[0057] S21、获取地市区域每个年份的遥感影像，并采用ENVI 5.3软件对遥感影像进行预处理；
[0058] S22、将预处理的遥感影像输入已训练的BP神经网络，提取遥感影像中的农田和林区。
[0059] 之后根据农田中每种作物的种植面积和服务系数，计算多个年份每种作物的生态系统服务价值；
[0060] 实施时，本方案优选所述环境可持续性指数的计算公式为：
[0061] ，Y=N+R+F
[0062] 其中，Y为能值总输出；R为可再生资源；N为不可再生资源；F为环境友好型生产的经济投入。
[0063] 在步骤S3中，累加每种作物的生态系统服务价值，得到每个年份农田所有作物的年服务价值，之后计算多个年份的年服务价值的平均值作为总服务价值；本方案优选选取2012、2015、2018和2021的农田和林区覆盖面积。
[0064] 在步骤S4中，判断总服务价值与多个年份的平均种植总投入间的差异是否大于预设阈值，若是，则保持农田种植面积，且无需进行流域修复；否则进入步骤S5；
[0065] 在本发明的一个实施例中，计算多个年份每种作物的生态系统服务价值的方法包括：
[0066] A1、根据农田中每种作物的种植面积和价值系数，计算标准等效因子值：
[0067]
[0068] 其中， 为标准等效因子值；n为水利工程生态系统服务的农田中种植的作物种类数；mi为第i种作物的种植面积；pi为第i种作物的单价；qi为第i种作物的单产；M为水利工程生态系统服务的农田的总面积；
[0069] 计算标准等效因子值的修正系数：
[0070]
[0071] 其中，l和 分别为社会发展指数的理论值和真实值；L为常数，取值为1；e为自然常数；En为恩格尔系数；
[0072] 根据修正系数，对标准等效因子值进行修正：
[0073]
[0074] 其中， 为修正后的标准等效因子值；
[0075] 根据修正后的标准等效因子值，计算生态系统服务价值：
[0076]
[0077] 其中，VCi为第i种作物的生态系统服务系数；ECi为第i种作物的等效因子；ESVs为生态系统服务价值。
[0078] 在步骤S5中，将林区当年对应的遥感影像输入深度卷积神经网络，得到林区中每种植物的种植面积，并基于每种植物种植面积，计算林区的年产水量；本方案的深度卷积神经网络的训练方法可以采用神经网络的通用训练方法。
[0079] 实施时，本方案优选计算林区的年产水量的计算公式为：
[0080]
[0081]
[0082]
[0083] 其中， 为林区第j种植物单位面积上的年产水量； 为林区第j种植物单位面积上的年平均蒸散发量； 为林区第j种植物单位面积上的年均降雨量；Z为季节性因子； 为潜在蒸散发量； 为最大土壤深度； 为林区第j种植物的平均根系深度； 为林区第j种植物可利用的水容量； 、 和 均为中间系数；Q为林区
的年产水量； 为林区第j种植物的总面积；N为林区植物种类数。
[0084] 在步骤S6中，判断地市区域当年总用水量与年产水量的差异是否小于预设水量，若是，则制定地市区域非农业用水节水方案，否则，进入步骤S7；
[0085] 制定地市区域非农业用水节水方案包括：对于商业用水，通过提高白天8：00 6:00~间的水价，促进节水；对于城镇用户，提高白天8：00 9:00，11:30 13：30及晚间6:00 9:00间~ ~ ~
的水价，促进节水；对于郊区及农村用户，采取定期限供的策略促进节水。
[0086] 在步骤S7中，计算林区每种植物的归一化植被指数，计算归一化植被指数大于预设植被指数的所有植物的总覆盖面积；
[0087] 实施时，本方案优选所述归一化植被指数的计算公式为：
[0088]
[0089]
[0090]
[0091] 其中， 为归一化植被指数； 、 和 分别为近红外波段、红光波段和蓝光波段的反射率； 为归一化植被指数预测值； 为归一化植被指数
观测值；F为年渗透量；P为年降水量；T为年均气温；R为年均蒸发量；S为常数；a、b、c和d均为回归系数。
[0092] 在步骤S8中，判断林区覆盖面积与总覆盖面积之间的差异是否大于预设面积，若是，则增大植物种植面积促进流域生态修复；否则进入步骤S9；
[0093] 在步骤S9中，对林区中归一化植被指数小于预设植被指数的区域，制定植物生态修复方案。
[0094] 进一步地，所述步骤S9进一步包括：
[0095] S91、判断植物的归一化植被指数是否小于二分之一预设植被指数，若是，进入步骤S92，否则进入步骤S93；
[0096] S92、对植物所在区域进行植物补种，并选取树龄大于预设树龄的植物采用断根萌蘖方式促进植物生态恢复，并每隔预设时长进行浇灌；
[0097] S93、对植物采用汊渗轮灌方式促进生态修复，每次轮灌时间不小于24h。
[0098] 综上所述，本方案通过农田的服务价值、林区的年产水量和植物的归一化植被指数等多个参数的相互结合，可以相对准确地进行流域生态系统的修复，同时还可以避免过度植树造林，影响到可耕种的土地面积。
