CN108830489A - 一种区域生态系统水源涵养功能评估方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种区域生态系统水源涵养功能评估方法，包括以下步骤：确定待评估区域的生态系统水源涵养量重要性等级；确定待评估区域的流域区位重要性等级；确定待评估区域的水质控制断面重要性等级；根据所述水源涵养量重要性等级、流域区位重要性等级、水质控制断面重要性等级建立水源涵养功能重要性综合指数，评估区域生态系统水源涵养功能重要性。本发明构建了水源涵养功能评估指标体系，得到了水源涵养功能重要性分级的空间分布，为缓解水资源供需矛盾、划定生态保护红线、制定生态保护政策等提供决策参考。
Description
技术领域
本发明涉及生态技术领域，尤其是一种区域生态系统水源涵养功能评估方法。
背景技术
近年来，随着人口的迅速增长和工业与经济的迅猛发展，人类对自然资源的需求和开发愿望日趋强烈，促使自然资源的不合理利用日益严重，造成了自然生态系统的破坏和服务能力的退化。生态环境不断恶化，出现了水土流失严重、地下水位下降、水源枯竭、水质污染和水资源危机等一系列问题，干旱、洪涝等自然灾害频发，大江大河源头的生态环境恶化呈加速趋势，沿江沿河的重要湖泊、湿地日趋萎缩，威胁到人类的生活安全和社会的经济发展，并逐渐成为影响区域可持续发展的主要障碍和限制因素。
陆地生态系统的水源涵养功能至今尚未形成一个公认的定义，不同的研究学者有不同的认识和界定。由于学者对于水源涵养功能的内涵理解不同，采用的核算方法多种多样，主要包括林冠截留剩余量法、土壤蓄水能力法、综合蓄水能力法、降水贮存量法、水量平衡法、多因子回归法、多模型集成法等。国内外对于水源涵养功能研究已取得了重要进展，但是在评估指标、评估方法、数据获取、尺度扩展等方面仍存在一些不足，主要表现在水源涵养量的估算缺乏可靠的理论基础；评估结果差异较大，且缺乏可比性等。因此,如何根据生态系统水源涵养的功能内涵优化评估水源涵养能力的空间分布成为目前的难点。
发明内容
鉴于上述的分析，本发明旨在提供一种区域生态系统水源涵养功能评估方法，解决目前水源涵养功能评估的结果差异较大，且缺乏可比性问题。
本发明的目的主要是通过以下技术方案实现的：
一种区域生态系统水源涵养功能评估方法，包括以下步骤：
确定待评估区域的生态系统水源涵养量重要性等级；
确定待评估区域的流域区位重要性等级；
确定待评估区域的水质控制断面重要性等级；
根据所述水源涵养量重要性等级、流域区位重要性等级、水质控制断面重要性等级得到待评估区域的水源涵养功能重要性综合指数，用于评估水源涵养功能重要性。
进一步地，所述生态系统水源涵养量采用水量平衡法估算，包括：
按类型对待评估区域的生态系统进行划分；
获取区域降水量、蒸发量、地表径流量；
计算待评估区域的各类生态系统水源涵养量。
进一步地，所述地表径流量R由式R＝P*α获得，其中，P为降水量数据；α为生态系统地表径流系数。
进一步地，所述水源涵养量根据公式TQ＝P-R-ET确定，式中，TQ为水源涵养量，P为降水量，R为地表径流量，ET为蒸散发量。
进一步地，确定所述水源涵养量重要性等级，包括：
根据计算得到的所述各类生态系统水源涵养量，计算待评估区域的水源涵养量累加服务值；
按照预设服务值比例，确定水源涵养量重要性分级的分界点，将水源涵养量划分为极重要、重要、一般重要3个等级；
根据上述划分方式，确定待评估区域的水源涵养量重要性等级。
进一步地，计算所述水源涵养量累加服务值，包括：
对所述各类水源涵养量进行栅格化，得到水源涵养量栅格值，取整后得到服务值value；
计算每服务值value对应的栅格单元个数count；
将所述服务值进行从高到低排序，依次计算具有相同服务值value的服务值总量Vc＝value*count，再依次累加得到累加服务值Vm＝∑Vc。
进一步地，确定所述分界点，包括：将水源涵养量累加服务值占水源涵养总量比例的50％与80％对应的栅格值，作为水源涵养量重要性分级的分界点。
进一步地，根据待评估区域所处的流域为上游、中游或下游，确定待评估区域的流域区位重要性等级；其中，上游、中游、下游分别对应为极重要、重要、一般重要3个等级；
根据待评估区域的水质控制断面类型，确定待评估区域的水质控制断面重要性等级；其中，Ⅰ类、Ⅱ类、其他类水质控制断面分别对应为极重要、重要、一般重要3个等级。
进一步地，所述待评估区域的水源涵养功能重要性综合指数根据E＝∑Ci×Wi，i＝1、2、3计算得到，式中，C1为水源涵养量重要性等级值，对所述水源涵养量重要性等级赋值得到；C2为流域区位重要性等级值，对所述流域区位重要性等级赋值得到；C3为水质控制断面重要性等级值，对所述水质控制断面重要性等级赋值得到；W1为生态系统水源涵养量的权重，W2为流域区位重要性权重，W3为水质控制断面重要性权重。
进一步地，采用重分类工具，将所述综合指数划分为极重要、重要、一般重要3个等级并进行赋值；并根据赋值对评估区域的水源涵养功能重要性进行评估。
本发明有益效果如下：
本发明根据生态系统水源涵养功能的调节水量与净化水质两大主要表现,以生态系统水源涵养量为基础，结合流域区位重要性、控制断面水质要求，构建水源涵养功能评估指标体系，根据各指标权重估算水源涵养功能重要性综合指数，开展区域尺度生态系统水源涵养功能综合评估，得到水源涵养功能重要性分级的空间分布，为缓解水资源供需矛盾、划定生态保护红线、制定生态保护政策等提供决策参考。
附图说明
附图仅用于示出具体实施例的目的，而并不认为是对本发明的限制，在整个附图中，相同的参考符号表示相同的部件。
图1为本发明实施例的方法流程图。
具体实施方式
下面结合附图来具体描述本发明的优选实施例，其中，附图构成本申请一部分，并与本发明的实施例一起用于阐释本发明的原理。
本发明实施例提供了一种区域生态系统水源涵养功能评估方法。
在本实施例中的评估方法中，构建了水源涵养功能评估指标体系，确定评估水源涵养功能的评价因子。
具体的，选取生态系统水源涵养量、流域区位重要性、水质控制断面重要性3个因子作为影响水源涵养功能重要性评估的主要因子。综合上述3个因子，能够客观体现出水源涵养功能。
其中，
生态系统水源涵养量，与区域的降水量、蒸散发、地表径流量和植被覆盖类型等因素密切相关，是分析水源涵养功能重要性的指标之一。
流域区位，包括上、中、下游区位，由于不同流域区位的地理区位、植被覆盖和水资源丰富程度不同，流域的生态屏障功能不同，起到的作用也不同，上游地区地理区位重要、植被覆盖优良、水资源丰富，成为流域重要的生态屏障；中、下游次之。
水质控制断面：水功能区划是根据流域或区域的水资源自然属性和社会属性，依据其水域定为具有某种应用功能和作用而划分的区域。Ⅰ类：主要适用于源头水、国家自然保护区；Ⅱ类：主要适用于集中式生活饮用水地表水源地一级保护区、珍稀水生生物栖息地、鱼虾类产卵场、仔稚幼鱼的索饵场等。因此，监控断面水质要求亦可作为分析水源涵养功能重要性的指标之一。
如图1所示，区域生态系统水源涵养功能评估方法，包括以下步骤：
步骤S1、确定待评估区域的生态系统水源涵养量重要性等级；
在本实施例中，待评估区域的生态系统水源涵养量采用水量平衡法估算，具体包括：
1)按类型对待评估区域的生态系统进行划分；
用于划分生态系统类型的数据集(栅格)可采用全国生态状况遥感调查与评估成果中的数据；
2)获取区域降水量、蒸发量、地表径流量；
降水量数据P(栅格)可采用中国科学院资源环境科学数据中心公布的数据；
蒸散发数据ET(栅格)可采用NASA MOD16产品数据集；
地表径流量R由式R＝P*α获得，其中α为生态系统地表径流系数，具体为森林、灌丛、草地、湿地生态系统的二级类型平均地表径流系数。
3)根据所获取的区域降水量、蒸发量、地表径流量计算得到各类生态系统的水源涵养量；
具体的，水源涵养量计算模型根据公式：TQ＝P-R-ET确定，式中，TQ为水源涵养量(mm)，P为降水量(mm)，R为地表径流量(mm)，ET为蒸散发量(mm)。
可选的，使用地理信息系统软件(如ArcGIS)，运用栅格计算器(RasterCalculator)，将上述模型计算得到区域生态系统水源涵养量的栅格化，得到栅格图。
水源涵养量等级确定方法包括：
1)计算待评估区域的水源涵养量累加服务值；
在地理信息系统软件(如ArcGIS)中，运用栅格计算器(Raster Calculator)，输入公式“Int(水源涵养量栅格数据)”，将水源涵养量数据取整；
导出栅格数据属性表，记录每一个栅格单元的服务值value及对应个数count；
将服务值value进行从高到低排序，依次计算具有相同服务值value的服务值总量Vc＝value*count，计算累加服务值Vm＝∑Vc。
2)按照预设服务值比例作为生态系统水源涵养量评估分级的分界点，将水源涵养量划分为极重要、重要、一般重要3个等级；
特殊的，将累加服务值占水源涵养总量比例的50％与80％对应的栅格值，作为生态系统水源涵养功能评估分级的分界点，将水源涵养量划分为极重要、重要、一般重要3个等级。
3)对水源涵养量的等级进行相应的赋值；
根据等级进行相应的赋值，所赋的值越大，表明水源涵养功能重要性越高，具体的水源涵养量评估分级，如表1所示，根据赋值大小得到水源涵养量重要性栅格数据。
表1水源涵养量评估分级
步骤S2、确定待评估区域的流域区位重要性等级；
具体的划分方法包括：
收集区域三级流域矢量数据；所述流域数据可采用国家地球系统科学数据共享服务平台公布的数据。各流域上、中、下游的分界点可采用公开的流域文献资料中公认的分界点；
将上、中、下游区域依次划分为极重要、重要、一般重要3个等级。
在此基础上，对各个等级进行相应的赋值；赋值越大，则表明水源涵养功能重要性越高，如表2所述。在地理信息系统软件(如ArcGIS)中，根据赋值大小将矢量数据转化为流域区位重要性栅格数据。
表2流域区位重要性评估分级
| 重要性等级 | 极重要 | 重要 | 一般重要 |
| 指标 | 上游 | 中游 | 下游 |
| 分级赋值 | 5 | 3 | 1 |
步骤S3、确定待评估区域的水质控制断面重要性等级；
具体的划分方法包括：
从各地水利部门收集区域水功能区划矢量数据；根据数据的属性值确定每个控制断面的水质是否符合Ⅰ类、Ⅱ类、其他类要求。
将Ⅰ类、Ⅱ类、其他类水质控制断面依次划分为极重要、重要、一般重要3个等级。
在此基础上，对各个等级进行相应的赋值；赋值越大，则表明水源涵养功能重要性越高，如表3所示。在地理信息系统软件(如ArcGIS)中，根据赋值大小将矢量数据转化为水质控制断面重要性栅格数据。
表3水质控制断面重要性评估分级
| 重要性等级 | 极重要 | 重要 | 一般重要 |
| 指标 | Ⅰ类 | Ⅱ类 | 其他类 |
| 分级赋值 | 5 | 3 | 1 |
步骤S4、根据所述水源涵养量重要性等级、流域区位重要性等级、水质控制断面重要性等级建立水源涵养功能重要性综合指数，评估水源涵养功能重要性；
具体包括：
步骤S41、设定包括生态系统水源涵养量、流域区位重要性和水质控制断面重要性在内的每个评价因子的权重，结合重要性等级确定结果，建立水源涵养功能重要性综合指数；
其中，每个评价因子对生态系统水源涵养功能的影响大小，即权重Wi，i＝1、2、3，如表4所示；
表4水源涵养功能重要性评估指标及权重
| 指标 | 权重 |
| 生态系统水源涵养量W1 | 0.5 |
| 流域区位重要性W2 | 0.2 |
| 水质控制断面重要性W3 | 0.3 |
运用加权求和法估算水源涵养功能重要性综合指数，综合评估区域尺度生态系统水源涵养功能重要性，公式如下：E＝∑Ci×Wi，i＝1、2、3，Ci为各评价因子重要性等级值，Wi为各因子权重。
步骤S42、依据上述综合指数，对区域的水源涵养功能重要性进行划分，得到水源涵养功能重要性评估结果。
利用地理信息系统软件的重分类工具，将水源涵养功能重要性综合指数划分为极重要、重要、一般重要3个等级，分级标准见表5，并根据赋值对评估区域的水源涵养功能重要性进行评估。
表5水源涵养功能重要性评估分级
| 重要性等级 | 一般重要 | 重要 | 极重要 |
| 分级标准 | <2 | 2-4 | >4 |
| 分级赋值 | 1 | 3 | 5 |
综上所述，本发明的区域生态系统水源涵养功能评估方法，根据生态系统水源涵养功能的调节水量与净化水质两大主要表现,以生态系统水源涵养量为基础，结合流域区位重要性、控制断面水质要求，构建水源涵养功能评估指标体系，根据各指标权重估算水源涵养功能重要性综合指数，开展区域尺度生态系统水源涵养功能综合评估，得到水源涵养功能重要性分级的空间分布，为缓解水资源供需矛盾、划定生态保护红线、制定生态保护政策等提供决策参考。
本领域技术人员可以理解，实现上述实施例方法的全部或部分流程，可以通过计算机程序来指令相关的硬件来完成，所述的程序可存储于计算机可读存储介质中。其中，所述计算机可读存储介质为磁盘、光盘、只读存储记忆体或随机存储记忆体等。
以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种区域生态系统水源涵养功能评估方法，其特征在于，包括以下步骤：
确定待评估区域的生态系统水源涵养量重要性等级；
确定待评估区域的流域区位重要性等级；
确定待评估区域的水质控制断面重要性等级；
根据所述水源涵养量重要性等级、流域区位重要性等级、水质控制断面重要性等级得到待评估区域的水源涵养功能重要性综合指数，用于评估水源涵养功能重要性。
2.根据权利要求1所述的水源涵养功能评估方法，其特征在于，所述水源涵养量采用水量平衡法估算，包括：
按类型对待评估区域的生态系统进行划分；
获取区域降水量、蒸发量、地表径流量；
计算待评估区域的各类生态系统水源涵养量。
3.根据权利要求2所述的水源涵养功能评估方法，其特征在于，
所述地表径流量R由式R＝P*α获得，其中，P为降水量数据；α为生态系统地表径流系数。
4.根据权利要求3所述的水源涵养功能评估方法，其特征在于，
所述水源涵养量根据公式TQ＝P-R-ET确定，式中，TQ为水源涵养量，P为降水量，R为地表径流量，ET为蒸散发量。
5.根据权利要求2所述的水源涵养功能评估方法，其特征在于，
确定所述水源涵养量重要性等级，包括：
根据计算得到的所述各类生态系统水源涵养量，计算待评估区域的水源涵养量累加服务值；
按照预设服务值比例，确定水源涵养量重要性分级的分界点，将水源涵养量划分为极重要、重要、一般重要3个等级；
根据上述划分方式，确定待评估区域的水源涵养量重要性等级。
6.根据权利要求5所述的水源涵养功能评估方法，其特征在于，
计算所述水源涵养量累加服务值，包括：
对所述各类水源涵养量进行栅格化，得到水源涵养量栅格值，取整后得到服务值value；
计算每服务值value对应的栅格单元个数count；
将所述服务值进行从高到低排序，依次计算具有相同服务值value的服务值总量Vc＝value*count，再依次累加得到累加服务值Vm＝∑Vc。
7.根据权利要求5所述的水源涵养功能评估方法，其特征在于，确定所述分界点，包括：将水源涵养量累加服务值占水源涵养总量比例的50％与80％对应的栅格值，作为水源涵养量重要性分级的分界点。
8.根据权利要求1所述的水源涵养功能评估方法，其特征在于，
根据待评估区域所处的流域为上游、中游或下游，确定待评估区域的流域区位重要性等级；其中，上游、中游、下游分别对应为极重要、重要、一般重要3个等级；
根据待评估区域的水质控制断面类型，确定待评估区域的水质控制断面重要性等级；其中，Ⅰ类、Ⅱ类、其他类水质控制断面分别对应为极重要、重要、一般重要3个等级。
9.根据权利要求1所述的水源涵养功能评估方法，其特征在于，所述待评估区域的水源涵养功能重要性综合指数根据E＝∑Ci×Wi，i＝1、2、3计算得到，式中，C1为水源涵养量重要性等级值，对所述水源涵养量重要性等级赋值得到；C2为流域区位重要性等级值，对所述流域区位重要性等级赋值得到；C3为水质控制断面重要性等级值，对所述水质控制断面重要性等级赋值得到；W1为生态系统水源涵养量的权重，W2为流域区位重要性权重，W3为水质控制断面重要性权重。
10.根据权利要求9所述的水源涵养功能评估方法，其特征在于，采用重分类工具，将所述综合指数划分为极重要、重要、一般重要3个等级并进行赋值；并根据赋值对评估区域的水源涵养功能重要性进行评估。
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