專利名稱：一種多尺度河流健康表征與評價方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于水生態(tài)評價與管理領(lǐng)域，尤其涉及一種涵蓋多尺度的河流健康綜合表征與評價方法。該方法適用于受損河流的健康評價及健康制約因子的識別。

背景技術(shù)：
河流具有供水、發(fā)電等多種社會經(jīng)濟(jì)功能及維持全球物質(zhì)與水分循環(huán)、調(diào)節(jié)氣候等生態(tài)功能。健康河流是人類社會可持續(xù)發(fā)展和生態(tài)服務(wù)功能正常發(fā)揮的重要保障。隨著人類非理性活動強(qiáng)度的增加，工業(yè)與生活污染排放、水資源過度開采、防洪、堤壩等水利工程建設(shè)破壞了水生態(tài)系統(tǒng)的完整性，改變河流生態(tài)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)，導(dǎo)致生物多樣性的降低，嚴(yán)重?fù)p害河流健康。迫切需要提出適宜的河流健康表征與評價方法，為河流修復(fù)與管理提供方法依據(jù)。
指標(biāo)體系法是目前廣泛應(yīng)用的河流健康表征與評價方法，一般選取反映河流水質(zhì)、水量、生物等要素的指標(biāo)進(jìn)行表征與評價，如由與魚類和大型底棲無脊椎動物相關(guān)一系列指標(biāo)組成的F-IBI和B-IBI法；由河岸帶結(jié)構(gòu)、河流形態(tài)及生物狀態(tài)指標(biāo)組成的RCE法；由河流水文、水質(zhì)、物理結(jié)構(gòu)、水生生物和河岸帶5個要素指標(biāo)組成的ISC法；基于河道數(shù)據(jù)、沉積物特征、河岸侵蝕及河岸帶特征等指標(biāo)的RHS法，以及選用魚類、無脊椎動物、河岸植被、水質(zhì)、形態(tài)等指標(biāo)的RHP法。但上述方法選取的表征指標(biāo)大多集中于單一河流廊道尺度，忽略了河流本身與流域、棲息地的復(fù)雜聯(lián)系，不能全面表征與評價河流健康狀態(tài)。涵蓋流域、河流廊道和棲息地三個尺度的健康表征與評價方法，充分考慮了河流作為流域人為干擾受體和生命載體的雙重特性及其健康狀況對流域和棲息地狀態(tài)的依賴性。在應(yīng)用指標(biāo)集成方法融合多尺度指標(biāo)確定河流整體健康狀態(tài)的基礎(chǔ)上，該方法還可通過分析流域、河流廊道和棲息地尺度的狀態(tài)識別出導(dǎo)致河流健康受損的主要因子，但經(jīng)廣泛檢索中國、歐盟、美國等專利機(jī)構(gòu)均未發(fā)現(xiàn)從多尺度角度提出的河流健康表征與評價方法的專利。
由此可見，涵蓋流域、河流廊道和棲息地三個尺度的河流健康表征與評價方法，有利于實(shí)現(xiàn)河流健康狀態(tài)的全面評估，從而為退化河流的修復(fù)和管理提供更為準(zhǔn)確的依據(jù)，現(xiàn)實(shí)意義突出。


發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明針對目前河流健康表征與評價大多集中于單一的河流廊道尺度，忽略了河流多尺度性的問題，在充分考慮河流與流域、棲息地內(nèi)在聯(lián)系的基礎(chǔ)上，提供了涵蓋流域、河流廊道和棲息地三個尺度的河流健康綜合表征與評價方法。該方法通過流域、河流廊道和棲息地指標(biāo)的篩選實(shí)現(xiàn)河流健康狀態(tài)的全面表征，并應(yīng)用適宜的指標(biāo)集成方法和分級標(biāo)準(zhǔn)，分別確定河流綜合健康等級及各尺度下健康等級，對比各尺度健康等級識別出制約健康狀態(tài)主要因子，具體表征與評價過程見附圖1。
本發(fā)明的特征是在考慮河流與流域、棲息地尺度各生態(tài)要素相互聯(lián)系與相互作用基礎(chǔ)上，提出河流健康的綜合表征與評價方法。應(yīng)用流域、河流廊道和棲息地三個尺度指標(biāo)表征與評價河流健康狀態(tài)，可同時實(shí)現(xiàn)綜合健康等級的確定和健康制約因子的識別。與現(xiàn)有河流健康表征與評價方法相比，本發(fā)明的優(yōu)越性在于 (1)河流健康的表征與評價涵蓋流域、河流廊道和棲息地三個尺度，點(diǎn)、線、面相結(jié)合，綜合考慮了河流干擾源和河流自身，可全面、綜合表征河流健康狀態(tài)； (2)可對流域、河流廊道和棲息地三個尺度指標(biāo)集成，以實(shí)現(xiàn)同一河流不同河段或同一生態(tài)區(qū)不同河流健康等級的確定和對比，結(jié)果表達(dá)直觀，便于管理者應(yīng)用； (3)可計算各尺度河流健康等級與綜合健康等級，并可通過對比快速、準(zhǔn)確識別出河流健康的主要制約因子。



圖1是河流健康多尺度表征與評價過程示意圖。

具體實(shí)施例方式 本發(fā)明可通過下述技術(shù)方案實(shí)現(xiàn) (1)表征指標(biāo)體系確定 河流健康狀態(tài)表征應(yīng)從流域整體入手，分析河流在人類活動作用下健康表征，同時考慮對河流物理環(huán)境與生物具有自然連接作用的生物棲息地，即從流域、河流廊道及棲息地三個尺度實(shí)現(xiàn)對河流健康的全面表征。指標(biāo)篩選遵循層次性、科學(xué)性、可操作性、代表性及數(shù)據(jù)可得的原則。流域尺度指標(biāo)主要涉及流域開發(fā)、用水水平、污染負(fù)荷、植被狀態(tài)等，反映河流承載的干擾強(qiáng)度，間接表征河流健康狀態(tài)；河流廊道尺度指標(biāo)包括水質(zhì)、水文、水生生物、河流形態(tài)等各要素，是對河流健康狀態(tài)直接表征；棲息地尺度指標(biāo)與生物狀況密切相關(guān)，強(qiáng)調(diào)湖泊及濕地水質(zhì)、生態(tài)需水保證、受擾程度、物理聯(lián)系等，可潛在反映河流健康程度。
(2)綜合健康等級確定 涵蓋多尺度表征指標(biāo)的河流健康評價屬多指標(biāo)評價問題，可通過集對分析實(shí)現(xiàn)多指標(biāo)集成，進(jìn)行綜合健康等級確定。設(shè)河流健康評價問題Q＝{S，M，H}，其中S＝{sk}(k＝1，2，...，n)為評價區(qū)域集，sk為第k個評價區(qū)域；M＝{mr}為指標(biāo)集(r＝1，2，...，n)，通常M有不同類型指標(biāo)，記M1為正向型指標(biāo)，M2為負(fù)向型指標(biāo)，mr為第r個指標(biāo)；則基于集對分析的關(guān)于問題Q的決策矩陣H＝(hkr)l×n，hk×r為評價區(qū)域sk關(guān)于指標(biāo)mr的屬性值。
由各評價指標(biāo)中最佳評價指標(biāo)構(gòu)成最優(yōu)評價集為U＝{u1，u2，...un}，各評價指標(biāo)中最劣評價指標(biāo)構(gòu)成最劣評價集為V＝{v1，v2，...vn}。其中，ur，vr分別為指標(biāo)mr的最優(yōu)值和最劣值。劃分{很健康，健康，亞健康，不健康，病態(tài)}5個等級，并將5個級別的4個分級臨界值{I，II，III，IV}作為情景評價區(qū)域引入到集對分析中，與評價區(qū)一同進(jìn)行計算，并將其作為健康分級的臨界點(diǎn)。最優(yōu)評價集U和最劣評價集V分別通過各指標(biāo)值的閾值設(shè)定(M1型指標(biāo)的上限和下限；M2型指標(biāo)的下限和上限，部分指標(biāo)閾值根據(jù)研究區(qū)實(shí)際情況確定)。
對于m∈M1，比較區(qū)間為[vr，ur]，則在論域Xr＝{hkr，ur，vr}(k＝1，2，...，1)上定義集對{hkr，ur}的同一隸屬度akr和對立隸屬度ckr 式中，akr和ckr分別表示hkr與ur和vr的接近程度。同理，對于mr∈M2在比較區(qū)間[vr，ur]得到集對同一隸屬度akr和對立隸屬度ckr 在sk的比較空間[U，V]中，結(jié)合各指標(biāo)權(quán)重，計算平均同一隸屬度ak和對立隸屬度ck 由于ak和ck是相對確定的，分別表示對sk接近最優(yōu)評價系統(tǒng)U的肯定和否定程度，那么在相對確定條件下可定義sk與U的相對貼近度為 rk的大小決定了受評對象在某評價問題下的排序，rk值越大者表示狀況越佳。通過比較各評價對象與SI、SII、SIII和SIV的rk值，可確定各評價對象健康等級，具體如下 若rk＞rI，評價區(qū)Sk處于很健康狀態(tài)； 若rII＜rk＜rI，評價區(qū)Sk處于健康狀態(tài)； 若rIII＜rk＜rII，評價區(qū)Sk處于亞健康狀態(tài)； 若rIV＜rk＜rIII，評價區(qū)Sk處于不健康狀態(tài)； 若rk＜rIV，評價區(qū)Sk處于病態(tài)。
(3)健康制約因子識別 在對流域、河流廊道和棲息地三個尺度指標(biāo)進(jìn)行集成，并確定綜合健康等級的基礎(chǔ)上，應(yīng)用同樣的方法對流域、河流廊道和棲息地尺度指標(biāo)分別進(jìn)行集成，確定不同尺度下河流健康等級，并與綜合健康等級對比，識別出河流健康的主要制約因子。
實(shí)施例1 選擇北方地區(qū)極具代表性的某河流作為實(shí)例分析。在實(shí)例中以其四個水資源二級分區(qū)河流為對象，主要針對各分區(qū)內(nèi)一級和二級河流及其附屬湖泊、濕地進(jìn)行表征與評價。依據(jù)“健康工作河流”內(nèi)涵界定，參考國家生態(tài)建設(shè)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，以此河流30年前歷史調(diào)查值為基準(zhǔn)，通過專家協(xié)商，確定各指標(biāo)不同健康等級的標(biāo)準(zhǔn)值。指標(biāo)權(quán)重采用客觀賦權(quán)法中較為常用的熵權(quán)法確定。
采用本發(fā)明提供的多尺度河流健康表征與評價方法得到的健康評價結(jié)果為 (1)表征指標(biāo)體系的確定 遵循指標(biāo)篩選的原則得到案例河流多尺度健康表征指標(biāo)體系，見表1。
表1案例河流多尺度健康表征指標(biāo)體系
(2)綜合健康等級確定 采用基于集對分析的多指標(biāo)集成方法，計算出各評價區(qū)河流健康狀態(tài)與最優(yōu)健康狀態(tài)的同一隸屬度akr、對立隸屬度ckr及貼近度rk，確定各評價區(qū)的河流綜合健康等級(表2)。
表2案例河流健康評價結(jié)果
(3)健康制約因子識別 流域、河流廊道和棲息地各尺度健康等級及各評價區(qū)河流健康主要制約因子見表3。
表3案例河流健康等級及主要制約因子


權(quán)利要求
FF-1.一種涵蓋多尺度的河流健康表征與評價方法，其特征在于克服傳統(tǒng)單一河流廊道尺度表征河流健康的片面性，在充分考慮河流廊道與流域、棲息地尺度各生態(tài)要素相互聯(lián)系與相互作用基礎(chǔ)上，采用流域、河流廊道和棲息地三個尺度指標(biāo)用于河流健康全面表征，并根據(jù)各尺度健康等級和綜合健康等級，識別出河流健康的主要制約因子，該方法適用于同一河流不同河段或同一生態(tài)區(qū)不同河流的綜合表征與評價，可為河流的綜合治理與管理提供方法依據(jù)。
全文摘要
本發(fā)明針對目前河流健康表征與評價大多集中于單一河流廊道尺度，忽略了河流與流域、棲息地內(nèi)在聯(lián)系的問題，提出了涵蓋流域、河流廊道和棲息地三個尺度，點(diǎn)、線、面相結(jié)合的河流健康綜合表征與評價體系，并應(yīng)用多指標(biāo)集成方法，分別確定河流綜合健康等級及各尺度健康等級，識別出制約河流健康狀態(tài)的主要因子。該方法充分考慮了河流多尺度融合及各尺度間聯(lián)系密切的特性，充分考慮河流的干擾源與河流自身，在確定同一河流不同河段或同一生態(tài)區(qū)不同河流健康等級的同時，可快速、準(zhǔn)確識別出河流健康的主要制約因子，具有結(jié)果表達(dá)直觀，便于應(yīng)用等優(yōu)點(diǎn)，可為河流的綜合管理提供明確的方法依據(jù)。
文檔編號G01C13/00GK101782388SQ20101012879
公開日2010年7月21日 申請日期2010年3月22日 優(yōu)先權(quán)日2010年3月22日
發(fā)明者趙彥偉, 徐菲 申請人:北京師范大學(xué)