CN101782388A - 一种多尺度河流健康表征与评价方法 - Google Patents

Abstract

本发明针对目前河流健康表征与评价大多集中于单一河流廊道尺度，忽略了河流与流域、栖息地内在联系的问题，提出了涵盖流域、河流廊道和栖息地三个尺度，点、线、面相结合的河流健康综合表征与评价体系，并应用多指标集成方法，分别确定河流综合健康等级及各尺度健康等级，识别出制约河流健康状态的主要因子。该方法充分考虑了河流多尺度融合及各尺度间联系密切的特性，充分考虑河流的干扰源与河流自身，在确定同一河流不同河段或同一生态区不同河流健康等级的同时，可快速、准确识别出河流健康的主要制约因子，具有结果表达直观，便于应用等优点，可为河流的综合管理提供明确的方法依据。

Description

一种多尺度河流健康表征与评价方法

技术领域

本发明属于水生态评价与管理领域，尤其涉及一种涵盖多尺度的河流健康综合表征与评价方法。该方法适用于受损河流的健康评价及健康制约因子的识别。

背景技术

河流具有供水、发电等多种社会经济功能及维持全球物质与水分循环、调节气候等生态功能。健康河流是人类社会可持续发展和生态服务功能正常发挥的重要保障。随着人类非理性活动强度的增加，工业与生活污染排放、水资源过度开采、防洪、堤坝等水利工程建设破坏了水生态系统的完整性，改变河流生态系统的结构，导致生物多样性的降低，严重损害河流健康。迫切需要提出适宜的河流健康表征与评价方法，为河流修复与管理提供方法依据。

指标体系法是目前广泛应用的河流健康表征与评价方法，一般选取反映河流水质、水量、生物等要素的指标进行表征与评价，如由与鱼类和大型底栖无脊椎动物相关一系列指标组成的F-IBI和B-IBI法；由河岸带结构、河流形态及生物状态指标组成的RCE法；由河流水文、水质、物理结构、水生生物和河岸带5个要素指标组成的ISC法；基于河道数据、沉积物特征、河岸侵蚀及河岸带特征等指标的RHS法，以及选用鱼类、无脊椎动物、河岸植被、水质、形态等指标的RHP法。但上述方法选取的表征指标大多集中于单一河流廊道尺度，忽略了河流本身与流域、栖息地的复杂联系，不能全面表征与评价河流健康状态。涵盖流域、河流廊道和栖息地三个尺度的健康表征与评价方法，充分考虑了河流作为流域人为干扰受体和生命载体的双重特性及其健康状况对流域和栖息地状态的依赖性。在应用指标集成方法融合多尺度指标确定河流整体健康状态的基础上，该方法还可通过分析流域、河流廊道和栖息地尺度的状态识别出导致河流健康受损的主要因子，但经广泛检索中国、欧盟、美国等专利机构均未发现从多尺度角度提出的河流健康表征与评价方法的专利。

由此可见，涵盖流域、河流廊道和栖息地三个尺度的河流健康表征与评价方法，有利于实现河流健康状态的全面评估，从而为退化河流的修复和管理提供更为准确的依据，现实意义突出。

发明内容

本发明针对目前河流健康表征与评价大多集中于单一的河流廊道尺度，忽略了河流多尺度性的问题，在充分考虑河流与流域、栖息地内在联系的基础上，提供了涵盖流域、河流廊道和栖息地三个尺度的河流健康综合表征与评价方法。该方法通过流域、河流廊道和栖息地指标的筛选实现河流健康状态的全面表征，并应用适宜的指标集成方法和分级标准，分别确定河流综合健康等级及各尺度下健康等级，对比各尺度健康等级识别出制约健康状态主要因子，具体表征与评价过程见附图1。

本发明的特征是在考虑河流与流域、栖息地尺度各生态要素相互联系与相互作用基础上，提出河流健康的综合表征与评价方法。应用流域、河流廊道和栖息地三个尺度指标表征与评价河流健康状态，可同时实现综合健康等级的确定和健康制约因子的识别。与现有河流健康表征与评价方法相比，本发明的优越性在于：

(1)河流健康的表征与评价涵盖流域、河流廊道和栖息地三个尺度，点、线、面相结合，综合考虑了河流干扰源和河流自身，可全面、综合表征河流健康状态；

(2)可对流域、河流廊道和栖息地三个尺度指标集成，以实现同一河流不同河段或同一生态区不同河流健康等级的确定和对比，结果表达直观，便于管理者应用；

(3)可计算各尺度河流健康等级与综合健康等级，并可通过对比快速、准确识别出河流健康的主要制约因子。

附图说明

图1是河流健康多尺度表征与评价过程示意图。

具体实施方式

本发明可通过下述技术方案实现：

(1)表征指标体系确定

河流健康状态表征应从流域整体入手，分析河流在人类活动作用下健康表征，同时考虑对河流物理环境与生物具有自然连接作用的生物栖息地，即从流域、河流廊道及栖息地三个尺度实现对河流健康的全面表征。指标筛选遵循层次性、科学性、可操作性、代表性及数据可得的原则。流域尺度指标主要涉及流域开发、用水水平、污染负荷、植被状态等，反映河流承载的干扰强度，间接表征河流健康状态；河流廊道尺度指标包括水质、水文、水生生物、河流形态等各要素，是对河流健康状态直接表征；栖息地尺度指标与生物状况密切相关，强调湖泊及湿地水质、生态需水保证、受扰程度、物理联系等，可潜在反映河流健康程度。

(2)综合健康等级确定

涵盖多尺度表征指标的河流健康评价属多指标评价问题，可通过集对分析实现多指标集成，进行综合健康等级确定。设河流健康评价问题Q＝{S，M，H}，其中S＝{s_k}(k＝1，2，...，n)为评价区域集，s_k为第k个评价区域；M＝{m_r}为指标集(r＝1，2，...，n)，通常M有不同类型指标，记M₁为正向型指标，M₂为负向型指标，m_r为第r个指标；则基于集对分析的关于问题Q的决策矩阵H＝(h_kr)_l×n，h_k×r为评价区域s_k关于指标m_r的属性值。

由各评价指标中最佳评价指标构成最优评价集为U＝{u₁，u₂，...u_n}，各评价指标中最劣评价指标构成最劣评价集为V＝{v₁，v₂，...v_n}。其中，u_r，v_r分别为指标m_r的最优值和最劣值。划分{很健康，健康，亚健康，不健康，病态}5个等级，并将5个级别的4个分级临界值{I，II，III，IV}作为情景评价区域引入到集对分析中，与评价区一同进行计算，并将其作为健康分级的临界点。最优评价集U和最劣评价集V分别通过各指标值的阈值设定(M₁型指标的上限和下限；M₂型指标的下限和上限，部分指标阈值根据研究区实际情况确定)。

对于m∈M₁，比较区间为[v_r，u_r]，则在论域X_r＝{h_kr，u_r，v_r}(k＝1，2，...，1)上定义集对{h_kr，u_r}的同一隶属度a_kr和对立隶属度c_kr：

$a_{\mathrm{kr}}=\frac{h_{\mathrm{kr}}}{u_r+v_r}---\left(1\right)$

$c_{\mathrm{kr}}=\frac{{h_{\mathrm{kr}}}^{-1}}{{u_r}^{-1}+{v_r}^{-1}}=\frac{u_r{v}_r}{(u_r+v_r)h_{\mathrm{kr}}}---\left(2\right)$

式中，a_kr和c_kr分别表示h_kr与u_r和v_r的接近程度。同理，对于m_r∈M₂在比较区间[v_r，u_r]得到集对同一隶属度a_kr和对立隶属度c_kr：

$a_{\mathrm{kr}}=\frac{{h_{\mathrm{kr}}}^{-1}}{{u_r}^{-1}+{v_r}^{-1}}=\frac{u_r{v}_r}{(u_r+v_r)h_{\mathrm{kr}}}---\left(3\right)$

$c_{\mathrm{kr}}=\frac{h_{\mathrm{kr}}}{u_r+v_r}---\left(4\right)$

在s_k的比较空间[U，V]中，结合各指标权重，计算平均同一隶属度a_k和对立隶属度c_k：

$a_k=\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{w}_i{a}_{\mathrm{kr}}---\left(5\right)$

$c_k=\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{w}_i{a}_{\mathrm{kr}}---\left(6\right)$

由于a_k和c_k是相对确定的，分别表示对s_k接近最优评价系统U的肯定和否定程度，那么在相对确定条件下可定义s_k与U的相对贴近度为：

$r_k=\frac{a_k}{a_k+c_k}---\left(7\right)$

r_k的大小决定了受评对象在某评价问题下的排序，r_k值越大者表示状况越佳。通过比较各评价对象与S_I、S_II、S_III和S_IV的r_k值，可确定各评价对象健康等级，具体如下：

若r_k＞r_I，评价区S_k处于很健康状态；

若r_II＜r_k＜r_I，评价区S_k处于健康状态；

若r_III＜r_k＜r_II，评价区S_k处于亚健康状态；

若r_IV＜r_k＜r_III，评价区S_k处于不健康状态；

若r_k＜r_IV，评价区S_k处于病态。

(3)健康制约因子识别

在对流域、河流廊道和栖息地三个尺度指标进行集成，并确定综合健康等级的基础上，应用同样的方法对流域、河流廊道和栖息地尺度指标分别进行集成，确定不同尺度下河流健康等级，并与综合健康等级对比，识别出河流健康的主要制约因子。

实施例1

选择北方地区极具代表性的某河流作为实例分析。在实例中以其四个水资源二级分区河流为对象，主要针对各分区内一级和二级河流及其附属湖泊、湿地进行表征与评价。依据“健康工作河流”内涵界定，参考国家生态建设相关标准，以此河流30年前历史调查值为基准，通过专家协商，确定各指标不同健康等级的标准值。指标权重采用客观赋权法中较为常用的熵权法确定。

采用本发明提供的多尺度河流健康表征与评价方法得到的健康评价结果为：

(1)表征指标体系的确定

遵循指标筛选的原则得到案例河流多尺度健康表征指标体系，见表1。

表1案例河流多尺度健康表征指标体系

(2)综合健康等级确定

采用基于集对分析的多指标集成方法，计算出各评价区河流健康状态与最优健康状态的同一隶属度a_kr、对立隶属度c_kr及贴近度r_k，确定各评价区的河流综合健康等级(表2)。

表2案例河流健康评价结果

(3)健康制约因子识别

流域、河流廊道和栖息地各尺度健康等级及各评价区河流健康主要制约因子见表3。

表3案例河流健康等级及主要制约因子

Claims (1)

1. FF-1.一种涵盖多尺度的河流健康表征与评价方法，其特征在于克服传统单一河流廊道尺度表征河流健康的片面性，在充分考虑河流廊道与流域、栖息地尺度各生态要素相互联系与相互作用基础上，采用流域、河流廊道和栖息地三个尺度指标用于河流健康全面表征，并根据各尺度健康等级和综合健康等级，识别出河流健康的主要制约因子，该方法适用于同一河流不同河段或同一生态区不同河流的综合表征与评价，可为河流的综合治理与管理提供方法依据。