CN111160708A

CN111160708A - 支流生境替代保护效果评价的分析方法及装置

Info

Publication number: CN111160708A
Application number: CN201911204635.2A
Authority: CN
Inventors: 杨青瑞; 赵丹; 蒋艳; 余晓; 彭文启; 骆辉煌; 马巍; 冯顺新; 黄钰铃; 陈冬红; 莫晶; 白雪; 王宁
Original assignee: China Institute of Water Resources and Hydropower Research
Current assignee: China Institute of Water Resources and Hydropower Research
Priority date: 2019-11-29
Filing date: 2019-11-29
Publication date: 2020-05-15

Abstract

本发明公开了一种支流生境替代保护效果评价的分析方法及装置，该方法包括：获取被测支流生境的历史环境数据；从历史环境数据中提取关于水文情势、水质状况、鱼类、生境状况的数据，根据数据构建要素层指标；分别从关于水文情势、水质状况、鱼类、生境状况的数据中提取子指标数据，构建各要素层指标；根据层次分析法计算各指标相对权重；采用综合评价方法根据所述各指标层指标的权重评估支流生境替代保护效果。通过实施本发明，为支流生境替代保护效果评价提供技术支撑，也可为行业主管部门完善水电工程生态保护技术标准体系提供一定的参考。

Description

支流生境替代保护效果评价的分析方法及装置

技术领域

本发明涉及河流环境的检测技术领域，具体涉及一种支流生境替代保护效果评价的分析方法及装置。

背景技术

随着社会的进步，全民生态保护意识的提高，生态环境问题成为了制约水电快速发展的重要因素。水利水电工程在防洪、发电、供水和航运等方面发挥了巨大的效益，有力地保障了流域经济发展和社会安定。但同时大型水电工程建设也会对河流生态系统产生显著的负面影响。

迄今为止，围绕河流水电开发中的鱼类资源保护问题，常用的鱼类保护措施，如人工增殖放流、过鱼设施和生态调度等，能够有效地改善鱼类的生存环境，保护鱼类资源。但针对部分地区大型河流水电开发密集，干流生境难以满足鱼类完成生活史需求的现状，这些措施仍然存在一些不足。支流生境替代保护作为一种新的思路，在干流梯级开发的过程中，为鱼类在支流上营造适宜的栖息环境，对于维持区域生态安全具有重要的作用。支流生境替代保护的具体措施是通过保护支流上的重要生境来替代干流开发破坏的生境，从而实现对受干流开发影响的水生生物种群和群落的保护。当前，支流生境替代保护的理论和实践工作已经取得了一些进展，但针对支流生境替代保护的具体实施和管理效果缺乏有效的检测方案，无法获知其具体的工作成效如何。

发明内容

有鉴于此，本发明实施例提供了一种支流生境替代保护效果评价的分析方法及装置，以实现对支流生境替代保护的效果的客观分析，为支流生境的保护工作提供理论和技术支持。

根据第一方面，本发明实施例提供了一种支流生境替代保护效果评价的分析方法，包括：获取被测支流生境的环境数据；从所述环境数据中提取关于水文情势、水质状况、鱼类、生境状况的数据，根据所述数据构建要素层指标；分别从关于水文情势、水质状况、鱼类、生境状况的数据中提取子指标数据，构建各所述要素层指标的指标层指标；根据预设分析方法对各所述指标层指标进行权重赋值；采用综合评价方法根据所述各指标层指标的权重评估支流生境替代保护效果。

结合第一方面，在第一方面第一实施方式中，所述要素层指标包括：鱼类指标，从关于鱼类的数据中提取的子指标数据包括：鱼类物种数量，通过以下公式构建表征鱼类保护程度的指标层指标：P＝(N_支流/N_干流)×100％，其中，P为重要鱼类的保护程度；N_支流为支流补偿保护干流重要鱼类物种的数量；N_干流为干流中受水电开发影响的重要鱼类物种数量。

结合第一方面，在第一方面第二实施方式中，所述要素层指标包括：生境状况指标，从关于生境状况的数据中提取的子指标数据包括：饵料生物水平值，通过以下公式构建表征饵料丰富度指数的指标层指标：G_p＝W_iC_ip，其中，G_P为支流生境P点的指标层指标值；W_i为第i种类型饵料生物的权重；C_ip为第i种类型饵料生物在P点的类别分级。

结合第一方面，在第一方面第三实施方式中，根据层次分析法对各所述指标层指标进行权重赋值，包括：通过层次分析法对各所述指标层指标进行比对；根据比对结果对所述指标层指标赋予对应的权重值。

根据第二方面，本发明实施例提供了一种支流生境替代保护效果评价的分析装置，包括：环境数据获取模块，用于获取被测支流生境的环境数据；第一要素层指标构建模块，用于从所述环境数据中提取关于水文情势、水质状况、鱼类、生境状况的数据，根据所述数据构建要素层指标；第一指标层指标构建模块，用于分别从关于水文情势、水质状况、鱼类、生境状况的数据中提取子指标数据，构建各所述要素层指标的指标层指标；指标赋值模块，用于根据层次分析法对各所述指标层指标进行对比赋值；评估模块，用于采用综合评价方法根据所述各指标层指标的权重评估支流生境替代保护效果。

本发明实施例的有益效果在于，通过实施本发明实施例，针对目前支流生境替代保护工程缺乏效果评价指标体系的现状，建立了支流生境替代保护效果评价的指标体系，运用层次分析法和专家打分法确定各个指标的权重，基于权重对支流生境替代保护的效果进行客观评价。该指标体系能够为支流生境替代保护效果评价提供技术支撑，也可为行业主管部门完善水电工程生态保护技术标准体系提供一定的参考。

附图说明

通过参考附图会更加清楚的理解本发明的特征和优点，附图是示意性的而不应理解为对本发明进行任何限制，在附图中：

图1示出了本发明实施例的支流生境替代保护效果评价的分析方法的流程示意图；

图2示出了本发明实施例的层次分析法的典型层次结构示意图；

图3示出了本发明实施例的支流生境替代保护效果评价的分析装置的结构示意图。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

本发明实施例提供了一种支流生境替代保护效果评价的分析方法，如图1所示，该支流生境替代保护效果评价的分析方法主要包括：

步骤S11：获取被测支流生境的环境数据；该环境数据主要包括：在预设一段时间内(例如，当前时间点向前推一年等等)的干支流水文水资源、水质、水生生物、生境状况、水工建筑物等方面的数据。

步骤S12：从环境数据中提取关于水文情势、水质状况、鱼类、生境状况的数据，根据数据构建要素层指标。在本发明实施例中，主要重点关注水文情势、水质状况、鱼类、生境状况这4个方面的数据，因此，在获取到干支流的环境数据后，从中提取关于水文情势、水质状况、鱼类、生境状况的数据，作为要素层指标，用以从不同的侧面反映支流生境替代保护的效果。

步骤S13：分别从关于水文情势、水质状况、鱼类、生境状况的数据中提取子指标数据，构建各要素层指标的指标层指标。在构建了要素层指标后，分别从上述4个方面的数据中，提取要素层各部分的单项指标，由可以度量的定性或定量指标组成，包括生态基流、关键涨水过程、水质类别、干支流水温差异、重要鱼类保护程度、鱼类相似性、饵料生物水平、物理生境多样性、鱼类“三场”分布和河岸植被状况等多个指标。

步骤S14：根据预设分析方法对各指标层指标进行对比赋值；在本发明的一些实施例中，是采用专家咨询法对评价指标体系中各指标的重要程度进行比较，再结合层次分析法建立两两对比判断矩阵得到各个指标的权重值。

层次分析法(The Analytic Hierarchy Process，以下简称AHP)由美国著名运筹学家T.L.Saaty于20世纪70年代中期提出，AHP的基本原理是把复杂的问题分解成各个组成要素，将这些要素按支配关系分组形成有序的递阶层析结构，通过两两比较的方式确定层次中诸多因素的相对重要程度，然后综合人的判断以决定决策众要素相对重要性总的顺序(许树柏，1988)。层次分析法的特点是对复杂决策问题的本质、影响因素及其内在关系等进行系统深入分析的基础上，利用少量的信息使决策过程数学化，为多目标、多准则的复杂问题提供简便的决策方法。运用AHP解决问题的步骤如下：

(1)建立递阶层次结构

首先将决策问题分解为各个组成部分，把这些部分按照不同属性分成若干组，以形成不同的层次。这种自上而下的关系就形成了一个递阶层次结构，处于最上层的通常为决策目标，即分析问题的预定目标。一个典型的层次结构如图2所示。

(2)构造两两比较判断矩阵

判断矩阵表示针对某一具体准则，各个指标之间相对重要的程度。对于n个元素而言，两两比较判断矩阵A_ij取值形式如下：

判断矩阵A具有如下特征：

①a_ii＝1；②a_ij＝1/a_ji；③a_ij＝a_ik/a_jk；(i，j，k＝1，2……n)

具体地，1-9的标度方法是两两比较判断的一种常用方法。心理学研究表明，大多数人对不同事物相同属性差别的分辨能力在5～9级之间，采用1-9的标度能够反映多数人的判断能力。不同标度的含义见下表1所示，若指标i与j比较得a_ij，则指标j与i比较的判断为1/a_ij。

表1

(3)计算单一准则下各指标的相对权重

根据判断矩阵结果，计算对应的特征向量，特征向量即为各评价指标的相对权重。近年来，学者们提出了排序权向量的多种计算方法，如和积法、特征根法、最小二乘法、对数最小二乘法等，这些方法都有着各自的优点。本研究采用和积法进行计算，该方法的主要步骤为：

①将判断矩阵的每一列元素做归一化处理，其计算公式为：

②将每一列归一化处理后的判断矩阵按行相加：

③对向量W＝(W ₁，W ₂，……，W _n) ^T 做归一化处理：

W＝(W ₁，W ₂，……，W _n)T (4)

即为所求特征向量的近似解。

(4)一致性检验

①计算判断矩阵的最大特征根λmax

其中，(AW)i为向量AW的第i个元素。

②引入判断矩阵一致性指标CI来判断矩阵是否趋于一致，其计算公式为：

③计算一致性比率CR：

CR＝CI/RI (7)

RI为判断矩阵的随机一致性比率，对于n＝1～9阶的判断矩阵，RI有确定的数值，取值范围如表2所示：

表2

阶数n	1	2	3	4	5	6	7	8	9
										RI	0	0	0.52	0.89	1.12	1.26	1.36	1.41	1.46

当CR≤0.1时，认为矩阵具有满意一致性，说明指标的权重是合理的，否则需要对矩阵进行调整，直至一致性满意为止。

本发明实施例中，采用专家咨询法对评价指标体系中各指标的重要程度进行比较，应用层次分析法，得到一级指标重要程度的两两对比判断矩阵(如表3所示)，生境状况指标两两对比判断矩阵(如表4所示)。

表3

	水文情势	水质状况	鱼类	生境状况
					水文情势	1	2	1/3	1/4
水质状况	1/2	1	1/2	1/2
					鱼类	3	2	1	1/2
生境状况	4	2	2	1

依据公式(1)～(7)求得一级指标对比判断矩阵λmax＝4.24，CI＝0.08，RI＝0.96，CR＝0.086＜0.1，满足一致性要求。

表4

依据公式(1)～(7)求得生境质量指标对比判断矩阵λmax＝4.09，CI＝0.09，RI＝0.89，CR＝0.034<0.1，满足一致性要求。

步骤S15：采用综合评价方法根据所述各指标层指标的权重评估支流生境替代保护效果。在得到指标层中各单项指标的权重后，采用综合评价方法根据所述各指标层指标的权重评估支流生境替代保护效果。

通过本发明实施例的支流生境替代保护效果评价的分析方法，针对目前支流生境替代保护工程缺乏效果评价指标体系的现状，建立了支流生境替代保护效果评价的指标体系，运用层次分析法和专家打分法确定各个指标的权重，基于权重对支流生境替代保护的效果进行客观评价。该指标体系能够为支流生境替代保护效果评价提供技术支撑，也可为行业主管部门完善水电工程生态保护技术标准体系提供一定的参考。

可选地，在本发明的一些实施例中，对于上述的要素层指标，提取其中的单项指标主要包括：

对于水文情势指标，主要提取以下几种单项指标：

(1)生态基流。生态基流是指为了维持河流最基本的生态环境功能，在一定时间尺度内，河道内持续流动的最小水资源总量。根据国内外研究成果，当前计算生态基流的常用方法有水文学法、水力学法、栖息地模拟法和整体分析法，其中水文学法应用最为广泛。考虑到指标计算的可操作性，本发明实施例中，可采用水文学法中的Tennant法，以多年平均流量为参考依据，区分丰水期和枯水期，计算河道生态基流。

(2)关键涨水过程。水文过程是河流生态系统演变的主要驱动因素，具有重要的生态学意义。年内水文过程可以划分为低流量、高流量和洪水脉冲3个过程，而每一个过程又可由流量、频率、出现时机、持续时间和变化率5种水文要素进行描述，这些要素在河流生态系统功能的发挥上具有举足轻重的作用。本发明实施例中，借鉴我国长江流域的研究成果，选取水文要素中的涨水起始时间、总涨水日数和涨水次数作为限制鱼类繁殖的关键涨水过程。

对于水质状况指标，主要提取以下几种单项指标：

(1)水质类别。河流污染是影响河流生态系统健康的重要因素，水体中营养物质、污染物含量、水温等都可能影响河流生态系统功能的正常发挥。水质参数能够直接反映污染状况，具有检测速度快、简单方便等优点，常被应用于水质状况评价中，目前已形成较多实用的水质理化监测和评估体系。

(2)干支流水温差异。水温与鱼类的循环系统和呼吸系统之间有着密切的关系，是影响鱼类生长繁殖的重要环境因素。在自然选择和适者生存的双重作用下，分布在各个水域中的鱼类对温度有不同的适应范围。根据鱼类对水温的适应情况，可以将不同水温的鱼类分为4类：冷水性鱼类(水温范围为0～20℃)、温水性鱼类(水温范围为10～30℃)、暖水性鱼类(水温范围为20～40℃)和广温性鱼类(水温范围为0～35℃)。干支流水温过程差异能够反映鱼类对支流替代生境水温的适宜程度。

对于鱼类指标，主要提取以下几种单项指标：

(1)重要鱼类保护程度。本发明实施例中，重点关注的鱼类包括国家或地方保护物种、珍稀濒危物种、特有种和长距离洄游鱼类等敏感保护目标。重要鱼类的范围限定于我国权威部门参与编制或发布的物种名录、流域委员会编制的珍稀濒危物种名录和地方公布的保护物种名录等。重要鱼类保护程度能够反映支流生境对干流水电工程影响区域内重要鱼类的保护程度。重要鱼类保护程度采用以下公式(8)计算：

P＝(N_支流/N_干流)×100％， (8)

其中，P为重要鱼类的保护程度；N_支流为支流补偿保护干流重要鱼类物种的数量；N_干流为干流中受水电开发影响的重要鱼类物种数量。

(2)鱼类群落相似性。鱼类群落相似性决定于群落本身的种类组成、数量结构和群落间的共有种组成。根据目前的研究水平，应用最为广泛的方法是Sorensen相似性指数：

SI＝[2c/(a+b)]×100％

其中，c为a、b群落中共有的鱼类种类；a、b分别代表a、b群落中的鱼类种数。

对于生境状况指标，主要提取以下几种单项指标：

(1)饵料生物水平。饵料生物是指可作为水产动物食物的各种生物的总称。饵料生物水平是衡量河流生态环境质量状况的重要标志，我国不同水域饵料生物水平差异很大。在天然河流中，饵料生物主要有浮游植物、浮游动物和底栖生物等，这些生物的数量变动与鱼类区系组成和种群数量有着密切的关系。因此，研究河流饵料生物水平，对维持生态系统健康和稳定具有重要的意义。饵料生物水平采用饵料丰富度指数，用以下公式(9)计算：

G_p＝W_iC_ip， (9)

其中，G_P为支流生境P点的指标层指标值；W_i为第i种类型饵料生物的权重(浮游植物、浮游动物和底栖动物取相等的权重值)；C_ip为第i种类型饵料生物在P点的类别分级。

(2)物理生境多样性：河流生境是生物生存繁衍的基础，其质量和数量直接影响生态系统的结构和功能。河流生境多样性由生境单元类型和生境单元数量决定，是对栖息地复杂性的表征。栖息地构成越复杂，为生物提供多样适宜生存环境的可能性越大。

(3)鱼类“三场”分布。鱼类“三场”是指索饵场、产卵场和越冬场，这些栖息地对于鱼类完成整个生活史具有重要的意义。索饵场是指鱼类集群觅食育肥的场所，一般分布在河口湾、寒暖流交汇处等有机质和营养盐类丰富，饵料生物量高的水域。越冬场是指鱼类冬季集群栖息的场所，一般多为低纬度的暖水域深水区。因不同种类的适温要求不同，越冬场的位置也存在很大差异。产卵场是指在生殖季节能吸引鱼类生殖群体来到并进行繁殖的场所。特定鱼类的产卵场，一般都具有该种鱼类产卵所要求的环境条件。

(4)河岸植被状况。河岸带植被的形成是由区域气候、河流地貌过程、地形、土壤基质、水文等因素共同决定的。河岸带植被具有提供栖息地和维持物种多样性、保护水质状况、蓄洪防旱、稳定堤岸等功能。

可选地，在本发明的一些实施例中，上述步骤S14中，根据预设分析方法对各所述指标层指标进行对比赋值的过程，主要是采用专家咨询法对各单项指标的重要程度进行比较，再结合层次分析法建立两两对比判断矩阵得到各个指标的权重值。层次分析法的基本原理是把复杂的问题分解成各个组成要素，将这些要素按支配关系分组形成有序的递阶层析结构，通过两两比较的方式确定层次中诸多因素的相对重要程度，然后综合人的判断以决定决策众要素相对重要性总的顺序。层次分析法的特点是对复杂决策问题的本质、影响因素及其内在关系等进行系统深入分析的基础上，利用少量的信息使决策过程数学化，为多目标、多准则的复杂问题提供简便的决策方法。各评价指标的权重计算结果如表5所示。

表5

在通过上述过程对各单项指标赋予权重值后，即可进行综合评价。支流生境替代保护效果评价由10个指标组成，通过逐项指标评分确定总体效果，每项指标最高分均为100分，每项指标从好到坏分为五级，各级赋分为100分、80分、60分、40分、20分。将10个评价指标的评分结果分别乘以各自的权重，再累计求和得到综合分数，其核心公式为：

其中，U为评价对象的总效用值；w_i为指标i的权重，w_i之和为1；u_i为指标i的评分结果，取值范围在[20，100]之间。

根据上述计算公式，得到综合评价指数，从而构建支流生境替代保护的分析模型。

以下结合实例对本发明实施例的支流生境替代保护的分析方法做进一步说明。

选择罗梭江鱼类自然保护区为评价对象进行典型工程评价分析，验证本文提出的支流生境替代保护效果评价指标与方法的适用性。罗梭江属澜沧江流域，为澜沧江左岸一级支流，位于北纬23°09′-21°47′，东经100°51′-101°46′之间。罗梭江州级鱼类保护区成立于2007年，其保护区范围及功能区划分为：(1)罗梭江鱼类自然保护区总长度为90km，核心区全长46km，起点为罗梭江与澜沧江交界处、终点为磨者河和罗梭江交界处；实验区为两个河段，一段为小黑江磨者河口至曼赛河口之间，河段长度14km，另一段为曼赛河全长约30km。(2)保护对象：大鳍鱼、长丝鱼芒、红鳍方口鲃、裂峡鲃、鲃鲤、湄南缺鳍鲇、叉尾鲇、丝尾鱯、巨魾、长臀刀鲇、中国结鱼等。

根据支流生境替代保护效果评价指标体系中各指标的评价标准，结合罗梭江鱼类保护区实际情况，得到各个指标的权重和效用赋值如表6所示。

表6

由表6可知：罗梭江鱼类保护区综合评价结果为78.9分，其替代保护效果达到了良好状态，对受水电开发影响的干流重要鱼类起到了很好的替代保护作用。在综合评价所包含的10个指标中，关键涨水过程和干支流水温差异两个要素评价结果很好，都达到了最佳的状态；生态基流、水质类别、重要鱼类保护程度、鱼类相似性、生境多样性、鱼类“三场”分布和河岸植被状况七个要素评价结果也较好，都达到了良好的状态，但还有进一步提高的空间；饵料生物水平评价结果分别为较低，影响了罗梭江鱼类保护区的替代保护效果。

本发明实施例还提供一种支流生境替代保护效果评价的分析装置，如图3所示，主要包括：

环境数据获取模块31，用于获取被测支流生境的环境数据；详细内容可参见上述方法实施例的步骤S11的相关描述。

第一要素层指标构建模块32，用于从所述环境数据中提取关于水文情势、水质状况、鱼类、生境状况的数据，根据所述数据构建要素层指标；详细内容可参见上述方法实施例的步骤S12的相关描述。

第一指标层指标构建模块33，用于分别从关于水文情势、水质状况、鱼类、生境状况的数据中提取子指标数据，构建各所述要素层指标的指标层指标；详细内容可参见上述方法实施例的步骤S13的相关描述。

指标赋值模块34，用于根据预设分析方法对各所述指标层指标进行对比赋值；详细内容可参见上述方法实施例的步骤S14的相关描述。

评估模块35，用于采用综合评价方法根据所述各指标层指标的权重评估支流生境替代保护效果；详细内容可参见上述方法实施例的步骤S15的相关描述。

虽然结合附图描述了本发明的实施例，但是本领域技术人员可以在不脱离本发明的精神和范围的情况下作出各种修改和变型，这样的修改和变型均落入由所附权利要求所限定的范围之内。

Claims

1.一种支流生境替代保护效果评价的分析方法，其特征在于，包括：

获取被测支流生境的环境数据；

从所述环境数据中提取关于水文情势、水质状况、鱼类、生境状况的数据，根据所述数据构建要素层指标；

分别从关于水文情势、水质状况、鱼类、生境状况的数据中提取子指标数据，构建各所述要素层指标的指标层指标；

根据层次分析法对各所述指标层指标进行权重赋值；

采用综合评价方法根据所述各指标层指标的权重评估支流生境替代保护效果。

2.根据权利要求1所述的支流生境替代保护效果评价的分析方法，其特征在于，所述要素层指标包括：鱼类，从关于鱼类的数据中提取的子指标数据包括：鱼类物种数量，

通过以下公式构建表征重要鱼类保护程度的指标层指标：

P＝(N_支流/N_干流)×100％，

3.根据权利要求1所述的支流生境替代保护效果评价的分析方法，其特征在于，所述要素层指标包括：生境状况指标，从关于生境状况的数据中提取的子指标数据包括：饵料生物水平值，

通过以下公式构建表征饵料丰富度指数的指标层指标：

G_p＝W_iC_ip，

其中，G_P为支流生境P点的指标层指标值；W_i为第i种类型饵料生物的权重；C_ip为第i种类型饵料生物在P点的类别分级。

4.根据权利要求1所述的支流生境替代保护效果评价的分析方法，其特征在于，根据层次分析法对各所述指标层指标进行权重赋值，包括：

通过层次分析法对各所述指标层指标进行比对；

根据比对结果对所述指标层指标赋予对应的权重值。

5.一种支流生境替代保护效果评价的分析装置，其特征在于，包括：

环境数据获取模块，用于获取被测支流生境的环境数据；

第一要素层指标构建模块，用于从所述环境数据中提取关于水文情势、水质状况、鱼类、生境状况的数据，根据所述数据构建要素层指标；

第一指标层指标构建模块，用于分别从关于水文情势、水质状况、鱼类、生境状况的数据中提取子指标数据，构建各所述要素层指标的指标层指标；

指标赋值模块，用于根据层次分析法对各所述指标层指标进行权重赋值；

评估模块，用于采用综合评价方法根据所述各指标层指标的权重评估支流生境替代保护效果。