CN109615195B - 一种山区河流水文地貌分级评价方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种山区河流水文地貌分级评价方法，包括步骤：第一，监测或搜集所述山区河流的相关信息，并综合利用遥感、GIS和GPS技术对河流信息进行初步解析，包括河流的位置、地貌特征及结构；第二，根据步骤一的解析结果,对山区河流进行监测单元的划分：第三，对各监测单元的水文地貌因子进行监测并记录，其中，水文地貌因子包括河床、河岸、河漫滩以及外界胁迫因子，其中，河床因子包括几何形态、底质、水文、植被以及人为影响下的河流连续性；河岸因子包括河岸的改造，河岸的改造分为保持自然、受宽型护堤工程的束窄以及受窄型护堤工程的束窄；第四，根据步骤三的监测结果，对各监测单元进行水文地貌分级。
Description
技术领域
本发明涉及河流环境技术领域，具体的说涉及一种山区河流水文地貌分级评价方法。
背景技术
河流水文地貌特征是在水文和地貌因素共同作用下形成的水文特征和地貌特征，包括洪、枯水的流量、频率、历时和泥沙、河道形态、栖息地等。水文地貌特征是形成水域生态系统特征的主要成因，是河流的重要属性。近年来随着社会经济的快速发展，人类对河流的利用和改造愈发强烈，致使河流包括水文地貌特征在内的一系列属性发生了明显变化，在一定程度上造成了河流生态系统功能的退化。因此，开展河流生态修复研究与实践工作具有重要的意义。为加强河流生态恢复的针对性和科学性，首先应摸清河流的生态系统状况，尤其是水文地貌特征现状，以科学的方法给予评价和分级，区分出需要保护或治理的河段，采取正确措施，达到保护和改善河流生态功能的目的。
目前针对当前山区河流地貌特征的研究，国内外学者在这方面进行了一定的探索研究，但还没有形成系统科学的地貌评价框架体系和等级分类标准，缺乏对河流的生态系统状况的科学诊断，尤其是水文地貌特征现状。现有的研究不能给予科学的评价和分级，特别是针对需要保护或治理的河段，应当采取何种保护措施来达到保护和改善河流生态功能。此外现有的评价方法单一和技术的不足，不能够为山区河流生态修复决策管理提供科学依据和决策支撑。
因此，需要新的评价体系或方法，以克服现有技术中存在的不足。
发明内容
针对现有技术的上述不足，本发明通过研究提出适合于山区流域(河)沟道水文地貌特征的调查、分级与评价方法，并对山区流域(河)沟道水文地貌进行全面评价，为小流域沟道及中小河流生态恢复、生态清洁小流域建设提供参考。
根据本发明提供一种山区河流水文地貌分级评价方法，包括步骤：
第一，监测或搜集所述山区河流的相关信息，并综合利用遥感(RS)、GIS和GPS技术(3S技术)对河流信息进行初步解析，包括河流的位置、地貌特征及结构；
第二，根据步骤一的解析结果，按照如下原则对山区河流进行监测单元的划分：
(1)自下游向上游连续划分；
(2)单元内水文地貌要素均匀、基本一致；
(3)最短不小于10m，最长不大于500m；
(4)遇横向拦挡建筑物，取跨河建筑物上下游的50m河段为一个单元；
第三，对各监测单元的水文地貌因子进行监测并记录，其中，水文地貌因子包括河床、河岸、河漫滩以及外界胁迫因子，其中，河床因子包括几何形态、底质、水文、植被以及人为影响下的河流连续性；河岸因子包括河岸的改造，河岸的改造分为保持自然、受宽型护堤工程的束窄以及受窄型护堤工程的束窄；
第四，根据步骤三的监测结果，对各监测单元进行水文地貌分级，其中分级标准如下：
V级：当河床底质为硬质化不透水时，该监测单元判定为V级；
IV级：当河床底质为自然透水且存在横向拦挡建筑物的情况下，如果建筑物高度不小于30cm，则该监测单元判定为IV级；
III级：当河床底质为自然透水、存在横向拦挡建筑物并且建筑物高度小于30cm的情况下，如果不存在跌水、或者存在跌水但在河流两岸存在窄型护堤工程时，则该监测单元判定为III级；当河床底质为自然透水、不存在横向拦挡建筑物的情况下，如果在河流两岸存在窄型护堤工程时，则该监测单元判定为III级；
II级：当河床底质为自然透水、存在横向拦挡建筑物并且建筑物高度小于30cm的情况下，如果存在跌水并且不存窄型护堤工程或在河流一岸存在窄型护堤工程时，则该监测单元判定为II级；在当底质为自然透水、不存在横向拦挡建筑物的情况下，如果在河流一岸存在窄型护堤工程，或者不存在窄型护堤工程但是存在宽型护堤工程时，则该监测单元判定为II级；在当底质为自然透水、不存在横向拦挡建筑物的情况下，如果不存在窄型护堤工程且不存在宽型护堤工程，但是存在外界胁迫因子时，则该监测单元判定为II级；
I级：在河床底质为自然透水的情况下，如果不存在横向拦挡建筑物、不存在窄型护堤工程、不存在宽型护堤工程且不存在外界胁迫因子时，则该监测单元判定为I级。
优选地，步骤一包括利用GPS定位系统，结合徒步野外调查与监测，从河口开始、沿下游向上游监测，并与解译信息进行校核，对地貌特征类型进行分类。
优选地，所述山区河流水文地貌分级评价方法还包括统计河流所有监测单元的分级结果，并计算每一级别水文地貌对应的河段总长度及其比例。
优选地，所述山区河流水文地貌分级评价方法还包括根据分级结果进行综合评价分析，进一步提出山区流域生态恢复和流域建设的对策和管理措施。
优选地，步骤三中的河漫滩因子包括土地利用类型及社会经济发展程度。
优选地，步骤三中的外界胁迫因子包括取水、污水排放、垃圾倾倒以及河道侵占。
优选地，步骤三的监测包括利用野外调查法、遥感以及GIS技术。
优选地，所述山区河流水文地貌分级评价方法还包括在步骤四之后，对河流水文地貌分级成果进行绘图。
本发明针对当前河流水文地貌调查要素及分级评价方法单一和技术的不足，从野外科学考察与理论研究的角度，构建山区河流水文地貌调查要素的框架体系，建立山区河流水文地貌综合评价与等级确定的方法，应用野外调查法、GIS技术和数理统计分析方法系统对山区河流水文地貌进行全面评价，科学划分河流地貌等级，为山区河流功能区划分和管理、生态恢复和建设提供科学依据和决策支撑。
附图说明
为了更清楚地说明本本发明实施例的技术方案，下面将对实施案例描述所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅涉及本发明的一些实施案例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的技术方案。
图1是根据本发明一个实施方案的山区河流水文地貌分级评价方法流程示意图；
图2是根据本发明一个实施方案的分级评价的流程示意图；
图3-10是应用根据本发明一个实施方案的山区河流水文地貌分级评价方法的分级成果系列示意图。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明的各实施方式进行详细的阐述。然而，本领域的普通技术人员可以理解，在本发明各实施方式中，为了使读者更好地理解本申请而提出了许多技术细节。但是，即使没有这些技术细节和基于以下各实施方式的种种变化和修改，也可以实现本申请各权利要求所要求保护的技术方案。
图1是根据本发明一个实施方案的山区河流水文地貌分级评价方法流程示意图；图2是根据本发明一个实施方案的分级评价的流程示意图。
如图1-2所示，本发明提供一种山区河流水文地貌分级评价方法，包括步骤：
第一步，监测或搜集所述山区河流的相关信息，并综合利用遥感、GIS和GPS技术(3S技术)对河流信息进行初步解析，包括河流的位置、地貌特征及结构；山区河流地貌一般具有如下特征：河谷断面形态往往发育为“V”字形或不完整的“U”字形,两岸谷坡陡峻，坡面呈直线形或曲线形；河谷内会出现一级或多级河流阶地，一般较为狭窄，级数较少；谷底与谷坡之间常无明显的界限,不同水位条件下的河床之间也常无明显的分界线；两岸和河心常有坚石突出，岸线极不规则，并常有深切河曲发育；河流纵剖面较陡峻，形式很不规则，急滩深槽上下交错，常呈阶梯状曲线，在落差集中处往往形成陡坡跌水或瀑布等等。
在该步骤中，可以进一步包括利用GPS定位系统，徒步野外调查与监测，从河口开始、沿下游向上游监测，并与解译信息进行校核，对地貌特征类型进行初步分类。
第二，根据步骤一的解析结果，按照如下原则对山区河流进行监测单元的划分：
(1)自下游向上游连续划分；可以进行依次编号0,1,2……，为后续处理打下基础；
(2)单元内水文地貌要素均匀、基本一致；
(3)最短一般不小于10m，最长不大于500m；这样的选择有利于后面的分级分析；
(4)遇横向拦挡建筑物，取跨河建筑物上下游的约50m河段为一个单元；
第三，对各监测单元的水文地貌因子进行监测并记录，其中，水文地貌因子包括河床、河岸、河漫滩以及外界胁迫因子。
其中，河床因子包括几何形态、底质、水文、植被以及人为影响下的河流连续性；几何形态可以表现为平面形态，例如为直的；交错、辫状的；弯曲、蜿蜒的等等；可以通过野外考察或者遥感等多种手段来获得；底质可以分为人工化以及保持自然，其中人工化可以是硬质化(例如浆砌石、混凝土铺底等)，或者非硬质化例如人工砂化等。保持自然状态则底质表现为岩石，砾石，卵石，粗砂，细砂，淤泥等。这可以通过野外实地监测调查获得相关的信息。植被因子表现为人工/半人工或者保持自然状态，例如植被受到不同程度的破坏或人工改造，或者无或较少人为干扰，自然、种类多样，外来入侵种少。水文因子可以取径流时间，例如表现为常流水，间歇性径流，干枯，可以通过监测获得实际数据或者通过GIS系统获得。
河岸因子包括河岸的改造，河岸的改造分为保持自然、受宽型护堤工程的束窄以及受窄型护堤工程的束窄；例如保持自然可以是无提防工程，保持自然状态。受宽型护堤工程的束窄表现为一岸或两岸建有护堤工程，距水体较远，部分束窄河流空间，但影响较小。受窄型护堤工程的束窄表现为一岸或两岸建有护堤工程，距水体近，明显束窄河流空间，影响较大。
河漫滩因子与土地利用及相关属性相关联，可以包括土地利用类型及社会经济发展程度。例如表现为自然河滩地，则有水体恢复空间，表现为耕地、果园等，则水体恢复空间有限；表现为道路、房屋等，则没有水体恢复空间。这些因素又与社会经济发展程度相关联。
外界胁迫因子可以包括是否存在取水、污水排放、垃圾倾倒以及河道侵占，可以通过实地调查、监测或者遥感等手段来获得信息。
在监测之前可以确定每个监测单元的起始点位置，监测路线。监测之后可以通过下表1来记录：
表1河流水文地貌监测记录表
另外，在监测记录完成之后，还可以利用地理信息系统(GIS)技术完成监测数据的输出与整理。GIS系统为本领域技术人员所熟知，因此不详述。
第四，根据步骤三的监测结果，对各监测单元进行水文地貌分级，其中分级标准参见附图2。
如图2所示，本发明的分级标准根据水文地貌特征可分为五级，具体如下：
V级：当河床底质为硬质化不透水时，该监测单元判定为V级；
IV级：当河床底质为自然透水且存在横向拦挡建筑物的情况下，如果建筑物高度不小于约30cm，则该监测单元判定为IV级；
III级：当河床底质为自然透水、存在横向拦挡建筑物并且建筑物高度小于约30cm的情况下，如果不存在跌水、或者存在小型跌水，但在河流两岸存在窄型护堤工程时，则该监测单元判定为III级；当河床底质为自然透水、不存在横向拦挡建筑物的情况下，如果在河流两岸存在窄型护堤工程时，则该监测单元判定为III级；
II级：当河床底质为自然透水、存在横向拦挡建筑物并且建筑物高度小于约30cm的情况下，如果存在跌水并且不存在窄型护堤工程或在河流一岸存在窄型护堤工程时，则该监测单元判定为II级；在当河床底质为自然透水、不存在横向拦挡建筑物的情况下，如果存在宽型护堤工程或在河流一岸存在窄型护堤工程时，则该监测单元判定为II级；在当河床底质为自然透水、不存在横向拦挡建筑物的情况下，如果不存在窄型或宽型护堤工程，但是有外界胁迫因子时，则该监测单元判定为II级；
I级：在河床底质为自然透水的情况下，如果不存在横向拦挡建筑物、护堤工程和外界胁迫因子时，则该监测单元判定为I级。
优选地，所述山区河流水文地貌分级评价方法还可以包括统计河流所有监测单元的分级结果，并计算每一级别水文地貌对应的河段总长度及其比例，并对河流水文地貌分级成果进行绘图。例如可以使用以下颜色模式：I级-蓝色，Ⅱ级-绿色，Ⅲ级-黄色，Ⅳ级-橙色，V级-红色。或者其他图像或者线条模式。
I级意味着极好，该河流保持自然，河流连续，无人为干扰。Ⅱ级评价为好，该河流接近自然，流水与泥沙输移畅通，河道一岸被束窄，河底与地下水连通，无横向水利工程。Ⅲ级评价为中等，该河流流水与泥沙输移受中等程度的影响，河道两岸被束窄，河底连通，有一些小型跌水或横向拦挡物，但不阻碍河流的连续性。Ⅳ级评价为差，该河流流水与泥沙输移受较大影响，河道两岸被束窄，河底连通，有横向水利工程，在一定程度上阻碍河流的连续性。Ⅴ级意味着极差，该河流两岸被束窄，河底人工铺设，与地下水无连通。
进一步地，还可以利用地理信息系统(GIS)技术完成评价和制图。
优选地，所述山区河流水文地貌分级评价方法还包括根据分级结果进行综合评价分析，进一步提出山区流域生态恢复和流域建设的对策和管理措施。
具体实施案例
利用本发明的山区河流水文地貌分级评价方法，来对中国北方某城市的山区河流水文地貌进行分级评价，具体如下：
1评价对象
本研究选择的7个小流域：下文中分别编号为1)～7)号，涉及流域总面积492.3km2，河道总长103.7km。基本情况如下：
1)号小流域的流域面积11.3km2，地势北高南低，海拔240～945m。沟道长18.8km，平均比降4.7％。流域内共150户377人。
2)小流域的流域面积为347.2km2，项目修复段位于某河流下游河段，长约1.3km。流域内共有956户2535人。
5)小流域流域面积29.6km2，地势北高南低，海拔615～1271m，沟道长度22.8km。流域内共有228户540人。
6)小流域流域面积14.9km2，地势西高东低，海拔670～1515m，沟道长度13.4km。流域内总户数170户，共402人。
3)小流域流域面积26.9km2，地势北高南低，海拔225～1110m，沟道长17.2km。流域内共计7户，人口不足30人。
4)小流域流域面积15.2km2，海拔255～724m，沟道长度14.8km。小流域共有657户1715人。
7)小流域流域面积47.2km2，沟道长度为15.4km。小流域内有人口65户180人。
2各流域评价结果
根据河(沟)道水文地貌分级标准，对7个示范小流域主沟道进行调查和分级评价。在实际调查中，根据现场情况将每条沟道分段，对每段的首末端进行定位和上图，将调查结果按标准逐段分级，再进行沟道的整体定级。Ⅰ级和Ⅱ级代表着沟道处于极好和好的状态，而Ⅲ级及以下的等级反映出该沟段存在一定程度的人为干扰，治理中需重点考虑。
1)号小流域的Ⅰ、Ⅱ级沟道长度比例之和近66％，其余约34％长度的沟道均存在不同程度的人为干扰，包括束窄工程、横向拦截工程等，阻断了沟道纵向连续和横向连通性。同时，沟道多处存在挖砂、污水、垃圾和取水等人为活动，对沟道生态环境也造成了相当大的不利影响。评价结果见附图3。
2)号小流域水文地貌以Ⅲ级和Ⅳ级沟道为主，主沟受人类干扰较大，说明沟道束窄和横向坝建设较多，沟道纵向连续性和横向连通性均受到阻断。下游沟道内砂石坑遍布，对水体连通性和景观都造成较大影响。评价结果见附图4。
3)号小流域水文地貌Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ级沟段沟道长度分别占总长度的31.9％、44.4％、22.6％、1.1％和0％，以Ⅰ级、Ⅱ级、Ⅲ级沟段为主。Ⅱ级以上沟段长度占总长的76.3％，说明水文地貌状况总体较好，但部分沟道普遍存在束窄工程，对防洪空间及沟道横向连通性都造成不利影响。沟道多处存在挖砂、垃圾等人为活动。评价结果见附图5。
4)号小流域水文地貌Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ级沟段沟道长度分别占总长度的23.5％、61.8％、12.5％、2.3％和0％，以Ⅰ级、Ⅱ级、Ⅲ级沟段为主。Ⅱ级以上沟段长度占总长的85.3％，说明上水沟水文地貌状况总体较好。村边沟道垃圾堆放较明显，产生不利影响。评价结果见附图6。
5)号小流域水文地貌Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ级沟段沟道长度分别占总长度的21.0％、20.1％、29.4％、29.5％和0％，以Ⅰ级、Ⅱ级、Ⅲ级沟段为主。Ⅱ级以上沟段长度仅占总长的41.1％，说明小流域沟道受人类干扰强烈，石墙束窄、河流生态系统发展空间受阻，横向拦截阻断水流连续性，均造成河流生态系统在一定程度上的退化。评价结果见附图7。
6)号小流域水文地貌Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ级沟段沟道长度分别占总长度的76.5％、20.6％、0％、1.4％和1.5％，以Ⅰ级、Ⅱ级沟段为主。Ⅱ级以上沟段长度仅占总长的97.1％，说明该小流域沟道受人类干扰轻，保持较好的自然性。评价结果见附图8。
7)号小流域水文地貌Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ级沟段沟道长度分别占总长度的37.0％、33.6％、25.2％、4.1％和0％，以Ⅰ级～Ⅲ级沟段为主。Ⅱ级以上沟段长度仅占总长的70.6％，说明水文地貌受到一定的人类干扰，存在空间侵占等问题，在一定程度上束缚了沟道生态系统的发展。评价结果见附图9。
3该市整体山区小流域主沟道水文地貌评价结果
上述7个小流域的整体分级成果示意图参见附图10，其中，该市山区567条小流域，调查主沟道长度共4258km，其水文地貌调查结果表明Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ和Ⅴ级的沟段长度比例分别为64.85％、14.02％、9.56％、8.76％和2.81％。这5级中，Ⅱ级及以上的沟段长度占到总长的78.87％，其余21.13％长度的沟段均不同程度受人类活动影响，这些人类活动包括束窄沟道、建筑横向拦截坝、沟底衬砌等，应在未来的治理或修复工程中给予重点考虑。
本发明从摸清山区河流水文地貌的生态现状及受人类干扰程度，对山区河流水文地貌进行普查，结合野外勘察系统构建了山区河流水文地貌的监测因子，建立了山区河流水文地貌分级标准体系，从山区河流水文地貌评价的科学性、准确性、可操作性和实用性的角度，提出了山区河流水文地貌评价和等级确定的框架体系和方法，为山区河流水文地貌分类定级、生态功能区划分和管理、生态恢复和建设提供科学依据和决策支撑。
以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (7)
1.一种山区河流水文地貌分级评价方法，包括步骤：
第一，监测或搜集所述山区河流的相关信息，并综合利用遥感、GIS和GPS技术对河流信息进行初步解析，包括河流的位置、地貌特征及结构；
第二，根据步骤一的解析结果，按照如下原则对山区河流进行监测单元的划分：
(1)自下游向上游连续划分；
(2)单元内水文地貌要素均匀、基本一致；
(3)最短不小于约10m，最长不大于约500m；
(4)遇横向拦挡建筑物，取跨河建筑物上下游的约50m河段为一个单元；
第三，对各监测单元的水文地貌因子进行监测并记录，其中，水文地貌因子包括河床、河岸、河漫滩以及外界胁迫因子，其中，河床因子包括几何形态、底质、水文、植被以及人为影响下的河流连续性；河岸因子包括河岸的改造，河岸的改造分为保持自然、受宽型护堤工程的束窄以及受窄型护堤工程的束窄；
第四，根据步骤三的监测结果，对各监测单元进行水文地貌分级，其中分级标准如下：
V级：当河床底质为硬质化不透水时，该监测单元判定为V级；IV级：当河床底质为自然透水且存在横向拦挡建筑物的情况下，如果横向建筑物高度不小于约30cm，则该监测单元判定为IV级；
III级：当河床底质为自然透水、存在横向拦挡建筑物并且建筑物高度小于约30cm的情况下，如果不存在跌水、或者存在跌水但在河流两岸存在窄型护堤工程时，则该监测单元判定为III级；当底质为自然透水、不存在横向拦挡建筑物的情况下，如果在河流两岸存在窄型护堤工程时，则该监测单元判定为III级；
II级：当河床底质为自然透水、存在横向拦挡建筑物并且建筑物高度小于约30cm的情况下，如果存在跌水并且不存窄型护堤工程或在河流一岸存在窄型护堤工程时，则该监测单元判定为II级；在当底质为自然透水、不存在横向拦挡建筑物的情况下，如果在河流一岸存在窄型护堤工程，或者不存在窄型护堤工程但是存在宽型护堤工程时，则该监测单元判定为II级；在当底质为自然透水、不存在横向拦挡建筑物的情况下，如果不存在窄型护堤工程且不存在宽型护堤工程，但是存在外界胁迫因子时，则该监测单元判定为II级；
I级：在河床底质为自然透水的情况下，如果不存在横向拦挡建筑物、不存在窄型护堤工程、不存在宽型护堤工程且不存在外界胁迫因子时，则该监测单元判定为I级；
其中，步骤一包括利用GPS定位系统，结合徒步野外调查与监测，从河口开始、沿下游向上游监测，并与解译信息进行校核，对地貌特征类型进行分类。
2.如权利要求1所述的山区河流水文地貌分级评价方法，其特征在于，还包括统计河流所有监测单元的分级结果，并计算每一级别水文地貌对应的河段总长度及其比例。
3.如权利要求1所述的山区河流水文地貌分级评价方法，其特征在于，还包括根据分级结果进行综合评价分析，进一步提出山区流域生态恢复和流域建设的对策和管理措施。
4.如权利要求1所述的山区河流水文地貌分级评价方法，其特征在于，步骤三中的河漫滩因子包括土地利用类型及社会经济发展程度。
5.如权利要求1所述的山区河流水文地貌分级评价方法，其特征在于，步骤三中的外界胁迫因子包括取水、污水排放、垃圾倾倒以及河道侵占。
6.如权利要求1所述的山区河流水文地貌分级评价方法，其特征在于，步骤三的监测包括利用野外调查法、遥感以及GIS技术。
7.如权利要求1所述的山区河流水文地貌分级评价方法，其特征在于，还包括在步骤四之后，对河流水文地貌分级成果进行绘图。
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