CN107609290A - 一种以底栖生物多样性为目标的河流生态流量确定方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种以底栖动物多样性为目标的河流生态流量确定方法，不仅丰富了生态需水的研究方法，同时也解决了以底栖动物为指示生物的生态流量确定方法。本发明操作步骤包括研究河段选择、研究河段底栖动物及生境要素现场实地调查、底栖动物栖息地类型及其栖息地特征参数阈值确定、维持底栖动物生多样的最适栖息地类型确定、研究河段河道地形测量、二维水力学模型构建、不同流量下研究河段底栖动物栖息地模拟、维持底栖动物多样的最适流量确定等。本发明的特点是能够非常准确的获得使底栖动物多样性最大化的生态流量，解决了一般生态流量确定方法结果不能反映水生生物实际需求的问题。
Description
技术领域
本发明属于生态水利学领域，涉及以底栖生物多样性为目标的河流生态流量确定方法。
背景技术
自然水流体制是河流生态系统健康和完整性的关键，它是河流-泛滥平原生态系统物种繁多、物产丰富的主要驱动因子。不同的生物类群在长期的进化过程中逐步形成了与自然水流体制相适应的生活史对策。然而，近代以来各种涉水工程的不断兴建、污染物的大量排放和城市化建设的加速等诸多人类活动改变了河流的自然水流体制，取而代之的是人工化的水流体制，虽然这种水流体制可能会满足人类发展所需的水电、灌溉、工农业和生活等方面的用水需求，但是其水文过程可能并不能满足河流中及河岸带各种生物及一系列生态过程的需求，最终结果就是栖息地环境质量变差，物种多样性下降，许多濒危物种甚至面临灭绝的危险。
生态需水也称为环境流、生态环境需水等。生态需水研究一定程度上可以从流量的恢复的角度缓解由于人类活动影响造成的河湖、湖泊水体生态环境退化的问题。目前，全世界关于生态需水的研究方法约有200余种，这些方法可大致分为水文学法、水力学法、栖息地模拟法和整体法和混合法等五大类。其中水文学方法应用最广，包括Tennant法、7Ql0法、RVA法等方法；水力学法包括是湿周法、R2-Cross法等；栖息地模拟法包括溪内流量递增法(IFIM)等；整体法包括积木法(BBM)法、流量恢复法等；混合方法包括水文变化的生态限制法(ELOHA)等。这些方法中仅有栖息地模拟法是根据水生生物类群的实际而确定生态需水量的。在考虑水生生物的生态需水研究中，最常用的指示生物是鱼类，但鱼类具有较强的移动能力，对水文情势变化的适应能力较强，用于生态需水研究时也有一定的局限性，底栖动物是长期生活在水体底部的一类生物，他们移动能力差，对水文情势的变化只能被动响应，因此，底栖动物是用于生态需水研究的理想指示生物。
目前关于河流生态需水的相关专利较多，如“基于分区贡献法的河流生态需水分析技术(申请号：2009101700876)”、“一种人为干扰河流生态需水阈值计算方法(申请号：2010101300289)”、“一种多目标权衡生态需水阈值分析方法(申请号：2012100749834)”等，上述专利中均未使用水生生物为指示生物，与本发明明显不同。发明专利“基于贝类耦合生物标志物响应的河口生态需水量估算方法(申请号：2014107271517)”，虽然以水生生物贝类为指示生物，但其属于河口生态需水量计算领域，计算方法与本发明也明显不同；发明专利“用于底栖动物保护目标的环境流量估算方法的水深测量仪”(申请号：201510350529)虽然提到了底栖动物生态需水，但实际上是一种水的测量仪器的专利，并不是关于生态需水研究方法的专利，与本发明完全不同。
因此，目前未见以底栖动物为指示生物进行河流生态需水量确定方法的相关专利。
发明内容
本发明提供一种以底栖生物多样性为目标的生态流量确定方法，以底栖动物为指示生物，不仅丰富了生态需水的研究方法，同时也解决了以底栖动物为指示生物的生态流量确定问题，该方法最大特点是以底栖动物多样性最高的栖息地类型的面积最大化为最适流量的确定标准，能够非常准确的获得使底栖动物多样性最大化的生态流量。
本发明提供一种以底栖生物多样性为目标的河流生态流量确定方法，包括如下步骤：
步骤一、选择研究河段
所述研究河段选择的原则在于一是研究河段的生境多样性要比较高，河面相对宽阔，属于非深V型河谷(深V型河槽不适于本方法)，二是最好附近有水位站，能够及时获取相关水文数据；三是研究河段的设置不易过长，5km以内为宜。
步骤二、获取研究河段的底栖动物、生境要素、底栖动物香农-维纳多样性指数，所述生境要素包括水深、流速、底质类型等。
在研究河段不同的生境条件下(如不同的水深、流速和底质类型)设置调查样点，注意要尽可能多的在不同生境中采集底栖动物，同时记录采集的面积大小，可涉水河流一般用D型网或索伯网采集，不可涉水河流可用彼得森采泥器采集，底栖动物现场挑取，保存，带回实验室鉴定，一般鉴定到属即可。采集底栖动物的同时记录每个采集样点的水深、流速、底质类型、常规水质参数等生境要素。
香农-维纳多样性指数计算公式为：
H’＝-ΣPilog2Pi
Hmax＝logS
式中Pi＝ni/N，ni为种i的个体数，N为样本总个体数，S为群落中的物种数目。
步骤三、根据所获取的生境要素确定研究河段底栖动物栖息地类型及不同类型栖息地特征参数阈值，所述栖息地特征参数包括水深、流速
所述栖息地类型及其栖息地特征参数阈值确定是指在现场调查之后，根据所调查的生境要素，如水深、流速、底质类型等，对研究河段的底栖动物栖息地进行划分，可划分为深潭(水深较大，但流速很小)、深流(水深较大，流速也较大)、浅滩(水深较小，流速也较小)、浅濑(水深较小，但流速较大)等类型。所述水深、流速具体大小根据研究河段实际情况确定。栖息地划分完毕后，对不同类型栖息地的水深、流速等阈值进行确定。
步骤四、根据不同栖息地类型中底栖动物香农-维纳多样性多样性指数确定研究河段底栖动物最适栖息地类型
所述最适栖息地是指在确定底栖动物不同栖息地类型及其栖息地特征参数阈值之后，分析不同类型栖息地中底栖动物的香农-维纳(Shannon－Weaver)多样性指数，根据分析结果确定最适栖息地类型。本发明实施例以底栖动物多样性最高的栖息地类型为最适栖息地。
步骤五、构建研究河段二维水动力学模型，模拟不同流量下研究河段的水深、流速
所述二维水动力模型的关键点在于需要实测的河道地形数据，该地形数据可以采用断面法进行测量(断面间距200-300m为宜)，也可用三维水下地形扫描仪进行测量。研究河段长度不易过长(主要考虑工作量太大)，以10km以内为宜。水动力模型一般采用MIKE等商业软件进行构建，模型构建后通过实测数据对模型进行率定和验证。
步骤六、根据步骤五模拟的不同流量下研究河段的水深、流速数据和栖息地特征参数阈值模拟计算不同流量下研究河段底栖动物栖息地面积大小
所述栖息地模拟其关键点在于首先要模拟每一组流量下研究河段水深、流速的分布，将上述数据导入ArcGIS中，以深潭、深流、浅滩、浅濑等不同的栖息地栖息地特征参数阈值为条件分别计算每一种栖息地类型的面积大小。如此计算多种流量条件下不同类型栖息地面积大小。
步骤七、确定研究河段维持底栖动物多样性的最适流量
所述最适流量其关键点在于通过分析的不同类型栖息地中底栖动物的多样性可得知底栖动物多样性最高的栖息地类型，进而通过模拟计算可得知这种栖息地类型面积最大化时的对应的流量，即为最适流量。
该方法属于交叉学科方法，需要研究者具备底栖动物分类技术、水力学数值模拟技术和丰富的现场调查经验。本发明不仅丰富了生态需水的研究方法，同时也解决了以底栖动物为指示生物的生态流量确定方法，能够非常准确的获得使底栖动物多样性最大化的生态流量，解决了一般生态流量确定方法结果不能反映水生生物实际需求的问题。
附图说明
图1是本发明以底栖生物多样性为目标的河流生态流量确定方法的流程图；
图2是研究河段示意图；
图3是不同栖息地类型底栖动物种类数；
图4(a)是流量为435m3/s时水深分布图，图4(b)是流量为435m3/s时流速分布图；
图5是流量为435m3/s时边滩的模拟过程，其中图5(a)为水深模拟示意图，图5(b)为流速模拟示意图，图5(c)为水深+流速模拟示意图；
图6(a)是流量为435m3/s时深潭的分布示意图，图6(b)为浅濑的分布示意图，图6(c)为深流的分布示意图；
图7是浅濑面积随流量的变化示意图；
图8是边滩面积随流量的变化示意图。
具体实施方式
下面将结合在黄河中下游花园口段的具体应用过程对本发明中具体流程和技术方案进行清楚、完整地描述。
本发明提供一种以底栖生物多样性为目标的生态流量确定方法，栖息地特征参数阈值如图1所示，所述方法
具体实施过程如下：
1)选择合适的研究河段
确定研究河流后，对该河流进行适当的查勘，选择适合进行生态流量研究的河段，一方面研究河段的生境多样性要比较高，河面相对宽阔(深V型河槽不适于本方法)，另一方面最好附近有水位站，能够及时获取相关水文数据。
本案例以黄河中下游花园口段为研究区域进行说明(图2)，该河段河道宽阔，生境异质性高，适合开展生态需水研究，在该河段附近有设有国家基本水文站花园口站，该站水位、流量数据可用于本方案中模拟结果的验证资料。
2)现场调查研究河段底栖动物及生境要素(包括水深、流速、底质类型等)
现场调查内容包括底栖动物及其生境要素，在研究河段不同的生境条件下(如不同的水深、流速和底质类型)设置调查样点，注意要尽可能多的在不同生境中采集底栖动物，同时记录采集的面积大小，可涉水河流一般用D型网或索伯网采集，不可涉水河流可用彼得森采泥器采集，底栖动物现场挑取，保存，带回实验室鉴定，一般鉴定到属即可。采集底栖动物的同时记录每个采集样点的水深、流速、底质类型等生境要素。
在本案例研究中共设置采样点35个，采集底栖动物共74种，底栖动物密度和生物量均值分别为299ind/m2和0.753g/m2。水生昆虫是该河段的的主要类群。同时对每个样点的水深、流速和底质类型进行了记录。
3)确定研究河段底栖动物栖息地类型及其栖息地特征参数阈值
在现场调查之后，根据所调查的生境要素如，水深、流速、底质类型等对研究河段的底栖动物栖息地进行划分，可划分为深潭(水深较大，但流速很小)、深流(水深较大，流速也较大)、浅滩(水深较小，流速也较小)、浅濑(水深较小，但流速较大)等类型。所述水深、流速具体大小根据研究河段实际调查结果确定。栖息地划分完毕后，对不同类型栖息地的水深、流速等阈值进行确定。
在本案例研究中，根据黄河花园口河段的的实际情况，按照物理栖息地分类方法，将底栖动物栖息地类型分为以下4种：(1)深潭(Pool)：深潭底质均为淤泥或泥沙，水深较大，流速几乎为零，部分深潭有沉水植物。底栖动物种类主要是寡毛类和水生昆虫，未见淡水贝类。(2)浅濑：浅濑一般底质为卵石、砾石等，流速较大，水深较小，一般无沉水植物。底栖动物主要以蜉蝣目和毛翅目等水生昆虫为主。寡毛类和软体动物都很少。(3)边滩：边滩指流速、水深都很小的区域，一般位于河道两边，底质以泥沙为主，一般有挺水植物分布。底栖动物种类较多，寡毛类、软体动物和水生昆虫都有分布。(4)深流：深流指流速、水深都很大的区域，底质一般为泥沙，分布于河道的中间，由于流速较大，一般底栖动物很少。
表1花园口底栖动物不同栖息地水深和流速阈值
4)确定研究河段底栖动最适栖息地类型
在确定底栖动物不同栖息地类型及其阈值之后，分析不同类型栖息地中底栖动物的种类组成、密度、生物量、多样性指数等参数，根据分析结果确定多样性指数或现存量最大的栖息地类型。
在本案例中，通过比较分析不同栖息地中底栖动物种类和现存量，可以看出，4种生境类型中，边滩的底栖动物香农-维纳多样性指数最高(图3)，其次为浅濑，深流最小。说明黄河花园口段底栖动物大部分种类出现在边滩和浅濑这两种生境下。可见，边滩和浅濑是底栖动物比较适合的栖息地类型。
5)构建研究河段二维水动力学模型，模拟不同流量下研究河段的水深、流速数据
首先对研究河段河道地形进行实测，实测时即可采用断面法(断面间距200-300m为宜)，也可采用水下地形扫描仪进行扫测。，进行河道地形测量的河段不易过长，10km以内为宜，太长数据处理工作量巨大。获得地形数据后，构建二维水动力学模型。模型构建后通过实测数据对模型进行率定和验证。二维水动力模型可以用River-2D、MIKE等软件。
本案例中采用多普勒测流仪(ADCP)配合RTK GPS对长约4.5km的河道地形进行了实地测量，表2显示了所有测量断面基本信息。所测河段两头水面较宽，中间窄。测量河段最大水深近9m，平均流速最大值为0.92m/s。
表2ADCP断面测量参数
本案例中二维水力学模拟采用River-2D软件，水力学模拟的目的是模拟水深和流速在不同流量下的分布状态，为下一步的栖息地模拟提供基础。本案例模拟了从1003/s到20003/s(100m3/s、200m3/s、300m3/s、400m3/s、435m3/s、500m3/s、600m3/s、700m3/s、800m3/s、900m3/s、1000m3/s、1200m3/s、1400m3/s、1600m3/s、1800m3/s和2000m3/s)的流量16种流量，获得了16种流量条件下水深分布和平均流速分布，如图4(a)和图4(b)所示。在流量为4353/s时，测量河段最大水深约为8-9m，最大流速约为1.6-1.8m/s。
6)模拟计算不同流量下研究河段底栖动物栖息地面积大小
将模拟的不同流量(根据河流流量实际情况设置流量间距)下研究河段的水深、流速数据导入ArcGIS中，以深潭、深流、浅滩、浅濑等不同的栖息地特征参数阈值为条件分别计算每一种栖息地类型的面积大小。如此计算多种流量条件下不同类型栖息地面积大小。
本案例将从River_2D中模拟的16种流量下流速、水深分布和坐标信息导入ArcGIS中。按照某一栖息地类型的水力条件(流速、水深)分别模拟每一流量下四种栖息地类型(深潭、深流、浅濑和边滩)面积的大小和分布，如图5显示了在流量为435m3/s时，边滩的模拟过程。首先按照边滩的水深条件(<0.6m)进行图层筛选(图5(a))，然后按照流速(<0.3m/s)进行图层筛选(图5(b))，最后将两个图层进行叠加就是同时满足水深和流速条件的栖息地类型(图5(c))。图6显示了深潭、浅濑和深流三种栖息地类型在流量为435m3/s时的分布情况。
深潭、浅濑和深流的模拟过程同边滩，图6显示了这三种栖息地类型的模拟结果。
最后根据所模拟的栖息地类型的图层栅格数和栅格大小来计算出该栖息地类型的面积大小及其分布范围。表3显示了16种流量下不同栖息地类型面积大小。
表3 16种流量下4种栖息地类型面积比例的变化
7)确定研究河段维持底栖动物多样性的最适流量
通过分析不同类型栖息地中底栖动物的多样性获得底栖动物多样性最高的栖息地类型，分析不同流量下不同栖息地类型的面积大小，就可得知底栖动物多样性最高的栖息地类型面积最大化时多对应的流量，即为维持底栖动物多样性的最适生态流量。
在本案例中，通过比较不同流量下各种栖息地面积可以看出(图7至图8)，浅濑在流量为400m3/s时，面积显著增加，流量为800m3/s时，浅濑面积最大化，之后随着流量的增加，其面积在减小；而从边滩来看，在流量为600m3/s时，其面积最大化，之后随着流量的增加，边滩的面积也在减小。根据前面对底栖动物的研究我们已经知道浅流和边滩2种栖息地类型底栖动物的多样性最高，因此，从模拟的结果来看，花园口段枯季最适的生态需水流量为400－600m3/s，水量为120－180亿m3左右。
经过上述7个步骤的实施，可以获得基于底栖动物多样性的生态需水量，且该流量能切实保障底栖动物的多样性需求。
Claims (5)
1.一种以底栖生物多样性为目标的河流生态流量确定方法，其特征在于包括：
步骤一、选择研究河段；
步骤二、获取研究河段的底栖动物、生境要素、底栖动物香农-维纳多样性指数，所述生境要素包括水深、流速、底质类型；
步骤三、根据所获取的生境要素确定研究河段底栖动物栖息地类型及不同类型栖息地特征参数阈值，所述栖息地特征参数包括水深、流速；
步骤四、根据不同栖息地类型中底栖动物香农-维纳多样性多样性指数确定研究河段底栖动物最适栖息地类型；
步骤五、构建研究河段二维水动力学模型，模拟不同流量下研究河段的水深、流速数据；
步骤六、根据步骤五模拟的不同流量下研究河段的水深、流速数据和栖息地特征参数阈值模拟计算不同流量下研究河段底栖动物栖息地面积大小；
步骤七、确定研究河段维持底栖动物多样性的最适流量。
2.如权利要求1所述的以底栖生物多样性为目标的河流生态流量确定方法，其特征在于：研究河段的选择原则为一是研究河段的生境多样性高，河面相对宽阔，属于非深V型河谷；二是附近有水位站，能及时获取相关水文数据；三是研究河段长度为5km以内。
3.如权利要求1所述的以底栖生物多样性为目标的河流生态流量确定方法，其特征在于：所述步骤六具体为：将模拟的不同流量下研究河段的水深、流速数据导入ArcGIS中，以不同的栖息地特征参数阈值为条件分别计算每一种栖息地类型的面积大小。
4.如权利要求1所述的以底栖生物多样性为目标的河流生态流量确定方法，其特征在于：所述步骤七具体为：通过分析不同类型栖息地中底栖动物的多样性获得底栖动物多样性最高的栖息地类型，分析不同流量下不同栖息地类型的面积大小，可得知底栖动物多样性最高的栖息地类型面积最大化时多对应的流量，即为维持底栖动物多样性的最适生态流量。
5.如权利要求1所述的以底栖生物多样性为目标的河流生态流量确定方法，其特征在于：步骤三确定研究河段底栖动物栖息地类型包括深潭、深流、浅滩、浅濑四种类型。
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