CN113868732B - 一种流域生态廊道安全格局构建布局方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种流域生态廊道安全格局构建布局方法，其包括：S1、基于生态安全格局分区的指标因子、生态源指标因子和景观阻力面指标因子构建流域生态廊道宏观层面上的指标体系；S2、基于河流生态过程、空间结构、服务功能三者之间的关系，将廊道构建与结构指标要素结合，构建流域生态廊道中观层面上的指标体系；S3、基于空间要素分析进行景观格局的识别，并进行生态格局的分区，根据生态区、生态源地、生态廊道的连接以及生态定位构建流域宏观层面的生态安全格局；S4、选取具有恢复潜力的生态廊道主轴进行廊道的构建试点，在流域的水资源约束下，分析各指标与廊道构建策略的平衡关系，确定流域中观层面的结构规划。

Description

一种流域生态廊道安全格局构建布局方法

技术领域

本发明属于生态环境的技术领域，具体涉及一种流域生态廊道安全格局构建布局方法。

背景技术

廊道(Corridor)又称廊带，生态廊道(Ecological Corridor)与“绿色廊道”表示概念相同，是斑块的一种特殊表现形式，指能连接起来、增加物种种群之间的交流，降低种群灭绝的风险的通道，城市中的河流、道路、通风带等属于廊道。廊道在结构上表现出通道与阻隔的二元性，连接景观单元的“通道”作用与割裂景观格局的“阻隔”作用，这种特性表明廊道在景观格局中具有重要的作用。美国保护管理协会(Conservation ManagementInstitute，USA)把生态廊道定义为野生动物利用的植被狭长地带，能够促进两地之间生物的移动。Fabos将生态廊道定义为具有历史、休闲或文化价值等生态意义的廊道。TomTurner则认为，生态廊道应该是一条有利于环境的道路，这条路不一定要为人类服务，也不一定要两边都有植被，但一定要对环境有积极的影响。国内目前较为完善的生态廊道的定义是一种具有洪水调控、生物多样性保护、防风固沙、过滤污染物等生态服务功能的廊道类型，通常由动物、植物等生态要素组成。

生态廊道概念最早起源于美国，起初被应用在公园绿地系统的规划，从林荫大道的景观规划层面到强调生态网络功能的生态廊道规划层面。鉴于景观格局连通性对维护生物多样性的重要意义，许多国家及国际组织已积极开展大规模、大尺度生态廊道建设工程，如北美绿道网络建设工程、澳洲的Gondwana Link等，而在我国生态廊道的研究和发展相对滞后，目前正处于蓬勃发展的阶段。

目前，我国部分流域水资源禀赋条件差，水资源、水环境和水生态等影响互相交织，产生了流域复合性生态功能失衡与破坏问题，如何协调与平衡水土资源与经济社会发展之间的关系，是流域生态修复的根本问题。

发明内容

本发明的目的在于针对现有技术中的上述不足，提供一种流域生态廊道安全格局构建布局方法，以解决或改善上述的问题。

为达到上述目的，本发明采取的技术方案是：

一种流域生态廊道安全格局构建布局方法，具体包括以下步骤：

S1、基于生态安全格局分区的指标因子、生态源指标因子和景观阻力面指标因子构建流域生态廊道宏观层面上的指标体系；

S2、基于河流生态过程、空间结构、服务功能三者之间的关系，将廊道构建与结构指标要素结合，构建流域生态廊道中观层面上的指标体系；

S3、基于空间要素分析进行景观格局的识别，并进行生态格局的分区，根据生态区、生态源地、生态廊道的连接以及生态定位构建流域宏观层面的生态安全格局；

S4、选取具有恢复潜力的生态廊道主轴进行廊道的构建试点，在流域的水资源约束下，分析各指标与廊道构建策略的平衡关系，确定流域中观层面的结构规划。

进一步地，根据时间稳定性、空间连续性、生态空间格局的一致性与异质性、主导因子和人类活动胁迫占主导进生态安全格局分区指标因子的筛选，且生态安全格局分区指标因子的指标特征包括：空间异质性、水陆耦合和因果关联。

进一步地，生态格局的分区，包括：一级、二级分区以自然环境因子为依据，采用自上而下的分区方法，利用GIS方法识别具有宏观空间特征的自然单元；

三级、四级区划以社会人为因子为依据，识别不同区域的人为干扰程度，兼顾洼蓄滞洪区和已有海河流域水生态功能分区。

进一步地，指标因子包括：地貌因子、气候因子、人口因子和管理因子。

进一步地，基于MCR模型构建生态廊道，包括自然因素阻力因子和人为因素阻力因子，模型构建包括：

通过计算显示运动过程起始源和目标源之间的最短路径或最小成本路径：

其中，MCR为最小累积阻力值；f为一正函数；∑为景观单元i与生态源j之间穿越所有单元的距离与阻力的累积；D_ij为物种从源到景观单元i的空间距离；R_i为景观单元i对某种物种运动的阻力系数；

景观阻力面由多个阻力因子加权叠加共同决定，用于反映生态流的运行阻力的趋势，生态流是生态过程的载体，其计算公式为：

其中，R_i为景观单元i的综合阻力值，C_ij为景观单元i对应的阻力因子j阻力值，W_ij为景观单元i对应的阻力因子j的权重值，n为阻力因子的总数。

进一步地，景观阻力因子赋值和权重，包括：

生态服务功能最高的物种生境区的阻力值设为1，物种最难或无法穿过的景观区域设为100，其他景观类型的赋值介于两者之间；

采用专家打分法确定景观阻力因子权重，经过多位专家打分，确定土地利用类型、人口密度和地形坡度3个阻力因子的权重分别为0.8、0.1和0.1。

进一步地，流域中观尺度廊道空间结构规划指标分析，包括：

河流生态系统过程包括相互关联的水文过程、地貌过程、物理化学过程和生物过程；

生态廊道空间结构包括横向、纵向、垂向及时间维度；

根据河流廊道指标筛选的准则和方法，以及河流廊道服务功能和空间结构之间的关系，基于河流廊道的4个结构特征层面，选取河流宽度、缓冲带宽度、河流弯曲率、生态水量、生态扩展区、污染负荷量以及水质状况7个指标，并将河流廊道空间结构的特征归纳为宽度、曲度、连通性和内环境。

进一步地，廊道构建策略与空间结构的关系，包括：

根据河流流经区域和人居环境对河道建设的要求，将河流按照流经行政区域不同分为乡村河段与城市河段；

将河岸带功能可简化为水域带、岸线带、缓冲带3个部分；

廊道空间结构的三策略包括：保护、修复和重建。

进一步地，结构指标要素与廊道构建策略的结合，包括：

连通性，全面统筹干流上、中、下游和重要支流的关系，在流域综合规划阶段将水系连通性作为流域开发的前置条件；

河流宽度和河流廊道的缓冲带；

河流廊道的曲度，包括河流的弯曲程度，弯曲的河流用于减缓水流速度；

河流廊道内环境，包括水质状况和污染负荷量。

进一步地，根据MIKE11中的HD水动力模块模拟计算水深，以河道断面数据勾绘下垫面实际状况，通过下垫面与水深确定出最终的河流宽度；

MIKE 11HD的河网水动力模型基于一维非恒定流圣维南方程组：

其中，A为过水断面的面积；Q为过流的流量；x、t分别为计算点空间和时间的坐标；h为水位；q为旁侧入流流量；C为谢才系数；R为水力半径；α为动量校正系；g为重力加速度；

计算河流廊道的弯曲度：

R＝S/L

其中，R为弯曲度；S为沿河流中心线两点之间的长度；L为两点之间的直线距离；

河流域面源污染来源于村庄的散排生活污水以及农田径流，农村散排生活污水污染负荷采用计算公式为：

W_3i＝α₃×P₂×L₃×365×10^-6

其中，i为污染物种类；W_3i为农村生活污水污染负荷；α₃为农村生活污水入河系数；P₂为非集中排水区人口数；L₃为农村人均污染物排放量；

农田径流污染负荷采用计算公式为：

W_5i＝α₅×A×L₅×10^-3

其中，i为某种水质参数；W_5i为农田径流污染负荷；A为耕地面积；L₅为单位耕地面积污染物排放量；α₅为农田径流入河系数。

本发明提供的流域生态廊道安全格局构建布局方法，具有以下有益效果：

本发明生态廊道构建时采用宏观+中观两个层面的结合，景观生态学+河流生态修复相结合的方法，既有宏观层面的布局，又有中观层面河段的结构，生态廊道构件合理且细致，有效地解决了流域复合性生态功能失衡与破坏的问题，协调与平衡了水土资源与经济社会发展之间的关系。

附图说明

图1为流域生态廊道安全格局构建布局方法的原理框图。

图2为生态恢复不同阶段和状态的示意图。

图3为中观尺度廊道功能-过程-结构之间关系。

图4为大清河流域生态廊道主轴河段划分图。

图5赵王新河健康指标现状得分雷达图。

图6赵王新河健康指标适度恢复目标得分雷达图。

具体实施方式

下面对本发明的具体实施方式进行描述，以便于本技术领域的技术人员理解本发明，但应该清楚，本发明不限于具体实施方式的范围，对本技术领域的普通技术人员来讲，只要各种变化在所附的权利要求限定和确定的本发明的精神和范围内，这些变化是显而易见的，一切利用本发明构思的发明创造均在保护之列。

根据本申请的实施例一，本方案的流域生态廊道安全格局构建布局方法，具体包括以下步骤：

步骤S1、基于生态安全格局分区的指标因子、生态源指标因子和景观阻力面指标因子构建流域生态廊道宏观层面上的指标体系；

步骤S2、基于河流生态过程、空间结构、服务功能三者之间的关系，将廊道构建与结构指标要素结合，构建流域生态廊道中观层面上的指标体系；

步骤S3、基于空间要素分析进行景观格局的识别，并进行生态格局的分区，根据生态区、生态源地、生态廊道的连接以及生态定位构建流域宏观层面的生态安全格局；

步骤S4、选取具有恢复潜力的生态廊道主轴进行廊道的构建试点，在流域的水资源约束下，分析各指标与廊道构建策略的平衡关系，确定流域中观层面的结构规划。

具体地，本实施例在宏观尺度上，基于生态定位确定适合研究区域的指导思想，明确生态廊道山水林田淀海五个层面的具体规划；通过自然因素、气候因素、人口因素、管理因素和其他因素方面，依据指标特征，筛选出生态格局分区指标因子。

借鉴生物学的理论，综合考虑生态敏感区域，形成生态源指标因子；从自然因素和人为因素两个方面选取景观阻力面指标因子，加权叠加形成景观阻力面。生态安全格局分区的指标因子、生态源指标因子以及景观阻力面指标因子共同构成大清河流域生态廊道宏观层面上的指标体系。

在中观尺度上，基于廊道的服务功能目标明确具体的服务功能；梳理河流生态过程、空间结构、服务功能三者之间的关系，考虑流域现状地位以及生态环境上的特殊性，提出流域服务功能和空间结构应有的关系，进而引出空间结构指标要素；基于流域现状胁迫情况，将廊道构建策略与结构指标要素结合，确定各指标要素涵义和计算方法，建立完善的流域生态廊道中观层面上的指标体系。

在宏观尺度上，基于空间要素分析进行景观格局的识别，从而进行生态格局的分区，生态区、生态源地、生态廊道的连接以及生态定位共同构成河流域宏观层面的生态安全格局。

在中观尺度上，选取现状具有恢复潜力的生态廊道主轴进行廊道的构建试点，在大清河流域的水资源约束的情况下，探索各指标与廊道构建策略的平衡关系，确定最终的大清河流域中观层面的结构规划。

根据本申请的实施例二，参考图1，本实施例将对实施例一进行详细描述，并以大清河流域为例进行说明，具体包括：

大清河流域宏观布局分析：

采用GIS、Fragatats软件处理土地利用数据与实地踏勘相结合的模式，发现流域斑块破碎化严重。上游山区工厂、矿山林立等使得生态红线遭到破坏，水源涵养、水土保持功能定位无法完全维护；水库现状有水无流，生态下泄基流无法满足，生态源的功能无法发挥；耕地挤占河道，洪水调蓄定位受到威胁，湿地等水域萎缩，生境遭受破坏，无法维护生物多样性。整个流域宏观布局混乱导致定位错位，过度强调了开发利用的功能定位。

表1大清河流域土地利用类型面积统计

由表1可知，大清河流域内耕地为主要土地利用方式，主要分布在大清河中下游平原；草地和林地主要在流域西北部分布；建设用地面积较多，主要分布在大清河干支流两侧；坑塘水库主要分布在山前水库、洼地和沿海区域；河渠主要是该区域的一级河道、二级河道和其他河流和水渠，分布在各个区域，湖泊主要为白洋淀区；未利用地和滩地主要为未被开发和裸露地表，面积较少，分布较为离散。

采用Fragstats软件，计算通过香农多样性(SHDI)、香农均匀度指数(SHEI)、蔓延度指数(CONTAG)、连接度指数(CONNECT)和聚集度指数(AI)对该区域的景观格局进行异质性分析。

SHDI是一种基于信息理论的测量指数，取值大于等于0，该指标反映景观异质性，对景观中各斑块类型非均衡分布状况较为敏感，即强调稀有斑块类型对信息的贡献，同时能比较和分析不同景观和同一景观不同时期的多样性和异质性变化，在一个景观系统中，土地利用越丰富，破碎化程度越高，其不定性的信息含量也越大，计算出的SHDI值也就越高。

SHEI指数描述不同景观里不同生态系统的分配均匀程度，取值范围为[0，1]，其值较小时优势度一般较高，可以反映出景观受一种或少数几种优势斑块所支配，其值趋近于1时，优势度低，景观中没有明显的优势类型且各斑块类型在景观中均匀分布。

CONTAG指数描述的是景观里不同斑块类型的团聚程度或延展趋势，取值范围为(0，100]，一般来说，高蔓延度值说明景观中的某种优势斑块类型形成了良好的连接性，反之则表明景观是具有多种要素的密集格局，高度不连接的景观多属于人类活动干扰造成的，或是由于其他原因形成的多个小斑块，景观较为破碎化。

CONNECT指数是直观反映景观的连接程度的重要指标之一，取值范围为[0，100]，揭示整个区域景观内的斑块两两之间的连接情况，也在一定程度上揭示同类型斑块之间的聚集状况，本实施例设定的景观连通阈值(Connectance index)为2500m，选取的数据像元大小为1×1公里，像元大小较大，因此景观连通阈值也设的较大。AI指数主要用于表征景观组分的空间组合状况，取值范围为[0，100]，反映同类型斑块中两两之间连接程度占最大可能性的比重。其值越小，景观斑块组合越离散，反之，景观斑块之间连接性较高。

表2景观格局指数结果

从表2可知，该区域的SHDI指数值为1.3744，表明景观中斑块的类型种类较多，具有多样性的特点，其包含的斑块信息较复杂，景观中土地利用类型较为丰富。SHEI指数为0.7671，CONTAG指数为34.9054％，说明景观中某种优势类型的景观连通性较低，该区域的景观分布较为分散，景观具有多种要素的密集格局，整体景观破碎化情况较为严重。CONNECT指数为0.125％，其值相当小，说明该区域只有极少数类型的斑块相连接，各类型斑块之间的连通性相当差。AI指数值为63.1866％，其值相对较大，说明该区域景观类型间聚集紧密，聚集程度较高。

综上所述，本实施例大清河流域整体生物多样性价值较低，只有西北部山区生物多样性价值尚可，整体生态较为敏感。大清河流域土地利用类型西北尚以林地和草地为主，平原区耕地和城乡工矿居民用地主导，复合生态系统特征显著，生态环境脆弱。

大清河流域中观结构分析：

大清河流域历经多年治理，流域防洪体系基本完善，水资源开发利用高，人工调控程度高，但由于近30多年来流域气候条件变化及人类活动等因素的影响，引起生态廊道系统在结构和功能关系上的错位和失谐，导致生态系统结构的破坏和功能的紊乱。不断地填河修路，围河造田，水面和湿地面积越来越小，大清河沿线坑塘湖泊呈干枯萎缩趋势；自然因素和人类活动共同作用下，大清河流域部分河段的长期干涸甚至断流，河流水生态系统不断退化，生态廊道功能基本丧失。

参考2017大清河流域河流国考断面部分监测数据，分析流域水环境状况。参考表3，大清河流域大部分河流处于劣Ⅴ类标准。山区水质中度污染，部分区域水质良好；流域平原地区污染严重，营养盐指标超标严重，富营养化程度严重。

表3大清河流域典型河流现状水质状况

适度生态恢复下的廊道构建目标，其具体包括如下：

适度的生态恢复体现了三个层次，一是大清河流域现阶段资源无法支撑全流域的生态修复，只能是先修复廊道，通过廊道的构建辐射带动整个流域的生态，远期在水资源有保障的情况下考虑进行全流域的生态修复；

二是在廊道的构建中，区分廊道主轴与辅助廊道，宏观上优先恢复有潜力有资源的廊道作为廊道主轴；

三是廊道主轴的水量也有限，只能是先恢复有水量的主轴河段，具体落到中观层面廊道空间结构恢复上，基于有限水资源的河段服务功能决定具体结构。

通过水功能区划、多年来流域形成的防洪体系、生态功能区划以及生态防护工程等确定流域的战略定位—疏解北京非首都功能与华北平原生态屏障。在战略定位的指导下，以生态定位为目标导向，总结出流域宏观层面的生态定位，即水源涵养、水土保持、开发利用与生物多样性保护；战略定位、宏观生态定位共同提出廊道中观尺度的服务功能目标。最后解释现阶段水量有限的前提下，再加上技术手段不够完善，近期的生态修复只能是适度的，通过修复廊道部分河段带动整个流域的生态，远期生态水量有保障的情况下，进行全流域的生态修复。

构建大清河流域生态廊道指标体系，其具体包括：

生态安全格局分区指标因子的筛选原则为：

时间稳定性：生态系统各个要素有各自的变化周期，这就导致生态功能也随着生态系统要素的改变具有一定变化周期。由于上一级区划成果是下级区划基础，因此高级指标因子变动周期应较次级指标因子周期短。

空间连续性：空间上，同一区划单元内部应是完整、连续的，不应存在彼此分离的区域，尽量保护流域边界的完整，维持流域生态系统的完整性。

生态空间格局的一致性与异质性：规范分区结果，划分出的每一个单元内，生态过程、生态结构、生态功能等相对一致，而两个相邻区划单元之间有显著的差异，即区域间差异最大化，区域内差异最小化。

主导因子：规范区划操作过程，根据主导指标因子分区，每一区划界线都由主导因子的空间分布作为确定界线的主要依据。

人类活动胁迫占主导：大清河流域资源开发程度剧烈，尤其需要刻画人类因素的影响，人类活动胁迫背景条件下，水生态过程和空间结构会形成不同服务功能。

分区指标特征，包括：

空间异质性：区域生态结构要素的时空分布差异性，导致生态服务功能的差异。

水陆耦合：生态功能分区时强调要水陆一体化，不能把水体和陆地割裂，要统筹考虑。

因果关联：各生态要素之间要相互作用，有着复杂的因果关系。分区指标应该遵循这些因果关系，同时各指标要层次分明，体现因果性。

分区方法：

一级、二级分区以自然环境因子为依据，采用自上而下的分区方法，利用GIS技术，识别出具有宏观空间特征的自然单元。

三级、四级区划以社会人为因子为主要依据，识别不同区域的人为干扰程度强弱，兼顾文安洼蓄滞洪区与已有海河流域水生态功能分区，使分区细化且合理，最后采用行政区划因子为便于以行政区为基础对具体问题进行有针对性的管理。

确定生态格局分区指标因子，包括：

大清河流域选取自然因素(地貌)、气候因素(干燥度)，以及人口因素(人口空间分布)。

地貌因子：从时间稳定性上看，地貌是最稳定的自然因素，短时间不会发生改变。从空间异质性上看，大清河流域的山地、平原具有明显的空间异质性，均属于大尺度的空间分异。从因果关联性上看，地貌影响水文过程等，从而影响水生态服务功能。上述分析表明地貌可以作为分区因子。

气候因子：虽然气候年际波动，但从长期看气候的空间格局基本不变，具有时间稳定性。大清河流域降水量东多西少，蒸发量南强北弱，具有显著的空间异质。从因果关联性上看，降水和蒸发决定一个流域水量的多寡，而水资源量是水生态功能得以发挥的基础。

人口因子：生境的胁迫主要承载人类活动影响，而人口分布密度能直观刻画这种影响。传统的分区中，是考虑自然因素等的对环境的影响，很少考虑人为的主导因素，人为地割裂开人类因素和自然因素导致的双重结果，其次，无论是分区还是其他生态规划，其最终结果都是要“以人为本”，单纯的进行分区规划而与生态功能为人类提供服务分裂开来是毫无意义的。综上，选取人口分布密度作为分区因子。

其他因子：从流域特殊性上看，白洋淀是雄安新区的重要生态水体。下游廊坊市内东淀滞洪区、文安洼和贾口洼控制着雄安新区以及下游天津市的防洪安全命脉，同时为使分区结果更加科学可信，参考已有的《海河流域水生态功能分区》对分区结果进行细化。

管理因子：传统的分区规划很少考虑行政管理因素，使得在实际落地过程中，管理孱弱混乱，职责不清，为调配各部门的积极性与协调性，同时为了整个流域的协调统筹发展，将行政因素作为分区中的指标因子，使大清河流域的生态发展朝着更加健康的方向发展。

构建大清河流域生态廊道，其具体包括如下：

景观阻力面指标因子方面：

在最小累积阻力模型中，同一土地单元对人类建设用地或生态环境保护用地的扩张起到刺激或阻碍的作用，通过确定人类建设用地和生态环境保护用地扩张阻力因子、分值以及权重，将各阻力因子分值叠加赋给区域内所有土地单元，即形成景观阻力面。因此在进行阻力因子的选择时需要多方位考虑。景观阻力主要受自然因素和人为因素的影响，不同类型的影响因素由于其在土地单元上的承载内容不同，又可细分为各种阻力因子。

基于MCR模型构建生态廊道，包括自然因素阻力因子和人为因素阻力因子，模型构建包括：

其中，MCR为最小累积阻力值；f为一正函数；∑为景观单元i与生态源j之间穿越所有单元的距离与阻力的累积；D_ij为物种从源到景观单元i的空间距离；R_i为景观单元i对某种物种运动的阻力系数；

景观阻力面由多个阻力因子加权叠加共同决定，用于反映生态流的运行阻力的趋势，生态流是生态过程的载体，其计算公式为：

其中，R_i为景观单元i的综合阻力值，C_ij为景观单元i对应的阻力因子j阻力值，W_ij为景观单元i对应的阻力因子j的权重值，n为阻力因子的总数。

其中，自然因素阻力因子包括土地利用类型和坡度。土地覆盖类型与生态源的类型越相似，对区域物质和能量循环的阻碍作用就越小，人为干扰强度越大，对能量流的阻力就越强，因此土地利用覆盖类型是极其重要的阻力因子。由于所研究的廊道类型偏向河流廊道，因此根据各种土地利用类型对水体流动的阻碍程度赋予不同阻力值。

人为因素阻力因子方面：

人类建设活动将直接影响区域内的物质和能量循环，是决定水体流动的最主要因素之一。大清河流域处于山区和平原，人类活动影响的强弱可依据人口分布密度评估。一般而言，人口密度与人类开发强度、景观阻力值成正比，当人口分布密度小于一定值后，人类活动的影响可近乎为常值。因此，本实施例按照人口分布密度，划分了0～200人/平方公里、200～400人/平方公里、400～800人/平方公里、800～1600人/平方公里、1600～3000人/平方公里以及>3000人/平方公里共6个密度范围，设定不同的阻力等级。

构建宏观尺度生态安全格局指标体系，具体如下：

综上确定的大清河流域生态廊道宏观尺度的生态安全格局指标体系结果见表4。

4宏观尺度生态安全格局指标体系

生态廊道服务功能，包括：

河流生态系统服务功能是指河流生态过程和生态系统形成，特别是维持人类生存的自然环境条件和效用。可分为直接服务功能和间接服务功能两种，二者的区别在于是否可在常规市场上直接交换。供水功能、水力发电功能、水产品生产功能等属于直接服务功能，生态支持功能、洪水调蓄功能、休闲娱乐功能等属于间接服务功能。

河流廊道的生态服务功能，首先，“贯通”的生态服务功能目标要求河段发挥水量保障、纵向连续、横向拓展等最基础的生态服务功能，只有满足基础功能的稳定发挥，廊道系统基于此功能才能贯通流域生态安全格局中的生态分区，流域内的物质输送、能量传递、信息传导以及生物迁徙等过程才能不被阻隔正常交流进行。其次，防洪功能是河流的核心功能，雄安新区建成后，大清河流域的防洪要求将进一步提升，此即“安全”的生态服务功能目标提出的要求。

生态廊道空间结构，具体包括如下：

河流生态系统与周边保持着四个维度的连通，即横向、纵向、垂向及时间维度。

纵向连通：水体在河槽内流淌是最常见的一种水流形式，水体的温度、流量等要素随着水流的纵向流动表现出上下游断面的变化，同时水流也是上下游之间沟通的媒介，对维护河流及周边区域的稳定和完整十分重要。

横向连通：水体周边的河漫滩、缓冲带等也属于河流廊道的组成部分，与主河道的关系十分紧密。汛期河水漫溢出主河道至河漫滩，此时主河道与河漫滩形成一体，组成复杂的水系网络。河流的这种横向连通性随季节变化，在汛期达到高潮，形成河漫滩中最重要的水文过程，促进物种繁衍。

垂向连通：地下水是河流系统的重要组成部分，河流系统的垂向连通就是指地表水和地下水之间的联通。河流周围地下水埋深较浅，易于补充地表水，降水下渗、地下水的蒸发以及对地表水的补充等都直接作用影响河流生态系统空间结构和服务功能。

时间维度：时间维度涵盖空间结构上的横向、纵向和垂向连通，河流廊道中的动植物具有时间特征，所以河流廊道也具有时间特征，河流的生态系统随水文过程受时间变化的影响，廊道内的动植物等生命适应了这种变化而繁衍生存。

构建大清河流域河流廊道中观尺度空间结构指标体系，包括：

参考图3，河流廊道的结构特点，遵循河流廊道指标筛选的准则和方法，以及河流廊道服务功能和空间结构之间的关系，从河流廊道的4个结构特征层面出发，选取河流宽度、缓冲带宽度、河流弯曲率、生态水量、生态扩展区、污染负荷量以及水质状况7个指标，并将河流廊道空间结构的特征归纳为宽度、曲度、连通性、内环境4点，如表5。

表5河流廊道结构指标体系

大清河流域宏观尺度廊道生态安全格局阈值，具体包括：

设定生态安全格局分区指标阈值范围：

根据本实施例对指标要素方法和意义的计算，总结出各指标的阈值范围情况，如下表6。

表6流域生态安全格局分区指标阈值范围

景观阻力面的构建，通常把生态服务功能最高的物种生境区的阻力值设为1，而物种最难或无法穿过的景观区域设为100，其他景观类型的赋值介于两者之间。大多数的阻力值的设定是相对主观的，由于本实施例是在河流廊道的基础上进行研究，几乎不考虑水体的阻力，因此将水域的阻力值设为0。

景观阻力因子权重是指该因子在生态保护用地扩张和人类建设用地扩张过程中的相对重要性，确定阻力因子权重的方法有很多，如专家打分法、主成分分析法、层次分析法等，本实施例采用专家打分法，经过多位专家打分，确定土地利用类型、人口密度和地形坡度3个阻力因子的权重分别为0.8、0.1和0.1，其阻力值如表7所示。

表7各阻力因子阻力值

景观阻力面加权叠加，本实施例采用ArcGIS软件分别对土地利用类型矢量数据、人口密度矢量数据和地形坡度矢量数据的属性表添加COST字段，为该字段赋予不同阻力值，并基于COST字段将3个阻力因子的矢量数据转化成50m×50m同空间分辨率的栅格数据，得到各阻力因子的景观阻力面。最后将不同阻力因子的阻力面加权叠加形成成本耗费面。

大清河流域中观尺度廊道空间结构规划阈值，具体包括：

大清河流域现状胁迫程度：

人类活动对水生态系统的胁迫主要来自5个方面：

(1)生活生产污染物质对水域造成的污染；

(2)从水库、河流中的超量引水，导致无法满足生态水量的最低要求；

(3)农田、人类建设用地等对水域面积的挤占，加之上游森林生态系统的毁坏，导致水土流失，水生态功能退化；

(4)不适当引入外来物种，导致生物入侵，使本土物种生存受到威胁，甚至消失。

廊道构建策略与空间结构的关系，包括：

将河流按照流经行政区域不同分为乡村河段与城市河段，乡镇范围内属于乡村河段，其余为城市河段。

河岸带功能可简化为水域带、岸线带、缓冲带3个部分，生态修复时应先分开后结合考虑。水域带重点考虑水质状况、贯通性等；缓冲带为位于高地植被带与河流水域间的生态过渡带，多由植被带构成；岸线带功能主要为自然保护功能、社会保护功能以及休闲娱乐功能，拥有独特地理位置和水动力条件的河岸带潜流层对维护生物多样性具有重要意义，是生物避难、栖息和繁殖的场所。

四大过程不同修复策略对应了廊道生态服务功能保障程度，即保护、修复和重建策略分别对应了最大程度保留现状服务功能、有条件修复主要服务功能和按资源下限重新确定最低服务功能要求。

确定贯通、安全、清洁和美丽的服务功能目标，以及二元(乡村与城市河段)三带(水域带、岸线带、缓冲带)三策略(保护、修复、重建)的空间结构要求。将宏观尺度生态定位要求和中观尺度河流廊道四大过程胁迫进行空间叠加，按照定位保护和胁迫程度进行服务生态功能保障程度确定，见表8。

表8定位与胁迫权衡的大清河生态廊道服务生态功能保障程度确定

本实施例经GIS空间叠加和聚类后，得到五大分区内不同河流廊道结构确定的策略，同时亦确定不同过程的保护目标策略，具体如表9所示。目标上是修复廊道纵向横向贯通、安全、清洁和美丽，实现质的变化。量的分阶段运用水量的频次法，其中，保护策略体现在空间结构尺度上分别为最大程度保留现状廊道空间结构。修复，体现在空间结构尺度上以水量为刚性约束，按主要服务功能确定空间结构。重建，体现在空间结构尺度上以水量为刚性约束，仅针对最低服务功能要求确定空间结构。

表9大清河廊道系统空间结构目标确定策略

结构指标要素与廊道构建策略的结合，包括：

连通性

水系连通性从全流域出发，根据流域的生物分布特点、生境特征，结合流域的实际情况，全面统筹干流上、中、下游及重要支流的关系，在流域综合规划阶段就应考虑水系连通性的问题，将水系连通性作为流域开发的前置条。

生态水量用于维系某一水域生态系统的基本生态功能所需的水资源量。

根据MIKE11中的HD水动力模块模拟计算出水深，以河道断面数据勾绘出下垫面实际状况，通过下垫面与水深确定出最终的河流宽度。

MIKE 11HD的河网水动力模型基于一维非恒定流圣维南方程组：

其中，A为过水断面的面积；Q为过流的流量；x、t分别为计算点空间和时间的坐标；h为水位；q为旁侧入流流量；C为谢才系数；R为水力半径；α为动量校正系；g为重力加速度。

缓冲带宽度计算：

弯曲率河流的顺直或弯曲可用弯曲度来判断，弯曲度的计算通常用如下公式：

R＝S/L

其中，R为弯曲度；S指沿河流中心线两点之间的长度；L为这两点之间的直线距离。

河流廊道的曲度是指河流的弯曲程度，弯曲的河流可以减缓水流速度，对大地的冲刷力度减小，保护两岸土地，创造冲积平原。

内环境包括：

水质状况：

化学需氧量(COD)浓度分析方法采用《水质化学需氧量的测定重铬酸盐法》HJ828-2017；氨氮(NH₃-N)浓度分析方法采用《水质氨氮的测定纳氏试剂分光光度法》HJ 535-2009，仪器选择722G可见分光光度计(S105)；总磷(TP)浓度分析方法采用《水质总磷的测定钼酸铵分光光度法》GB/T 11893-1989，仪器选择722G可见分光光度计(S044)；总氮(TN)浓度分析方法采用《水质总氮的测定碱性过硫酸钾消解紫外分光光度法》HJ 636-2012，仪器选择T6新世纪紫外可见分光光度计(S047)。

污染负荷量包括：

面源污染

大清河流域面源污染主要来源于村庄的散排生活污水以及农田径流。

计算农村散排生活污水污染负荷：

W_3i＝α₃×P₂×L₃×365×10^-6

其中，i为污染物种类；W_3i为农村生活污水污染负荷，t/a；₃为农村生活污水入河系数，反映污染负荷实际入河的比例，COD取4.70％，NH₃-N取5.01％，TP取5.78％，TN取5.41％；P₂为非集中排水区人口数，人；L₃为农村人均污染物排放量，g/人·d，主要反映当地人群对生活污水处理状况、饮食营养状况和含磷去污剂的使用状况等。

计算农田径流污染负荷：

W_5i＝α₅×A×L₅×10^-3

其中，i为某种水质参数；W_5i为农田径流污染负荷，t/a；A为耕地面积，亩；L₅为单位耕地面积污染物排放量，kg/(亩·a)，L₅取值与当地化肥施用量以及耕地类型密切相关；α₅为农田径流入河系数，反映农田径流污染实际入河的比例，COD取4.70％，NH₃-N取5.01％，TP取5.78％，TN取5.41％。

空间结构阈值如下表10：

表10各指标阈值范围情况

大清河流域宏观尺度生态安全格局的指标因子涵盖生态分区指标因子、与景观阻力面指标因子，其中生态安全格局指标因子考虑自然因素、气候因素、人口因素、管理因素与其他因素；廊道景观组里面的指标因子考虑自然因素与人为因素。中观层面上总结4个结构指标(宽度、曲度、连通性、内环境)，具体分为河流宽度、缓冲带宽度、曲度、生态水量、河流阻隔节点、水质状况与污染负荷。宏观的布局指标与中观的结构指标共同构成大清河流域生态廊道构建指标体系。

大清河流域生态廊道空间布局结构规划，其具体包括：

生态分区

基于空间要素的景观格局识别，在生态定位的指导下，对整个流域进行生态分区。

表11大清河流域生态分区与行政区对应关系表

分区包括Ⅰ区中太行山脉一侧含有大量生态红线，是规划保护重点，且主导生态定位为水源涵养；Ⅱ区紧邻Ⅰ区，是山区和下游平原的过渡区域，污染相对于下游来说较轻，适宜城市人居。Ⅲ区和Ⅳ区中的白洋淀、文安洼，不仅是该区域的生态名片，具有号召公众重视生态保护的作用，其在整个大清河流域中的生态和防洪地位是重中之重。Ⅴ区连接天津滨海新区，直通渤海湾，不仅是著名的旅游和度假区，同时含有北大港湿地、团泊洼水库等大型水域，适宜进行湿地生态建设维护生物多样性。

大清河流域生态安全格局，包括：

大清河流域的生态定位、生态分区、生态源以及生态廊道，共同构成了大清河流域的宏观尺度空间布局，整个流域具有“山水林田淀海”等各种生态系统类型空间分布特征，其中山指流域西北部太行山区，水即流域内复杂的水网系统，林指太行山绿化工程，田即大量农田耕地，淀指白洋淀，海为渤海湾。

构建生态安全格局目的在于平衡经济发展和生态保护之间的关系，通过合理规划生态与人类建设用地范围布局，实现经济与生态双方面的可持续发展。生态水量有保障的前提下，形成“五区十源七廊”的生态安全格局。大清河流域现状“有水无流、有水皆污”的尴尬局面，加之自然资源禀赋的恶劣，即使有一系列外流域调水工程，但是资源禀赋与经济发展的矛盾将一直存在，由此形成大清河流域适度恢复目标下的宏观尺度“五区七源四轴”生态安全格局。

表12大清河流域生态安全格局定位

规划大清河流域中观尺度空间结构，其具体包括：

在中观层面上，参考海河三级功能分区，依据河流及流域现状水量胁迫、污染、生境破坏程度，将现状具有恢复潜力的大清河流域生态廊道主轴具体分成各个河段。在划分河段时考虑乡镇级行政区划的因素，分出城市和乡村河段，体现“两元三带三策略”中的两元性；计算每个河段的结构指标时划分水域带、岸线带、河岸带考虑；按照定位保护与胁迫程度权衡的关系确定大清河生态廊道主轴河段生态服务功能保障程度，实施“三策略”，即保护、修复、重建。其中A代表保护策略、B代表修复策略、C代表重建策略；属于雄安新区(雄县、容城县、安新县)河段按照城市河段进行规划，具体情况见表13和图4。

表13廊道主轴河段乡镇情况表

廊道健康评价：

以“白洋淀—文安洼—独流减河下游生态廊道干轴”为例，现状条件下依照《河湖健康评估技术导则》对赵王新河段和东淀大清河段进行打分，如下表14和图5、图6。

表14赵王新河段和东淀大清河段

本发明通过生态定位、生态分区、生态源以及生态廊道，共同构成了大清河流域的宏观尺度空间布局，远期生态水量有保障的情况下，形成“五区十源七廊”的生态安全格局，近期适度恢复目标下形成“五区七源四轴”的生态安全格局。中观尺度上以“白洋淀—文安洼—独流减河下游生态廊道干轴”进行连通性、宽度、曲度、内环境四方面的具体规划示例，并对赵王新河段和东淀大清河段进行打分，生态修复前，两河段得分不足40分，处于不健康的状态，适度恢复条件下，两河段得分大致在60分，提升到亚健康的状态。

虽然结合附图对发明的具体实施方式进行了详细地描述，但不应理解为对本专利的保护范围的限定。在权利要求书所描述的范围内，本领域技术人员不经创造性劳动即可做出的各种修改和变形仍属本专利的保护范围。

Claims (4)

1.一种流域生态廊道安全格局构建布局方法，其特征在于，具体包括以下步骤：

S1、基于生态安全格局分区的指标因子、生态源指标因子和景观阻力面指标因子构建流域生态廊道宏观层面上的指标体系；

S2、基于河流生态过程、空间结构、服务功能三者之间的关系，将廊道构建与结构指标要素结合，构建流域生态廊道中观层面上的指标体系；

S3、基于空间要素分析进行景观格局的识别，并进行生态格局的分区，根据生态区、生态源地、生态廊道的连接以及生态定位构建流域宏观层面的生态安全格局；

S4、选取具有恢复潜力的生态廊道主轴进行廊道的构建试点，在流域的水资源约束下，分析各指标与廊道构建策略的平衡关系，确定流域中观层面的结构规划；

根据时间稳定性、空间连续性、生态空间格局的一致性与异质性、主导因子和人类活动胁迫占主导进行生态安全格局分区指标因子的筛选，且生态安全格局分区指标因子的指标特征包括：空间异质性、水陆耦合和因果关联；

生态格局的分区，包括：一级、二级分区以自然环境因子为依据，采用自上而下的分区方法，利用GIS方法识别具有宏观空间特征的自然单元；

三级、四级区划以社会人为因子为依据，识别不同区域的人为干扰程度，兼顾洼蓄滞洪区和已有海河流域水生态功能分区；

指标因子包括：地貌因子、气候因子、人口因子和管理因子；

基于MCR模型构建生态廊道，包括自然因素阻力因子和人为因素阻力因子，模型构建包括：

通过计算显示运动过程起始源和目标源之间的最短路径或最小成本路径：

其中，MCR为最小累积阻力值；f为一正函数；∑为景观单元i与生态源j之间穿越所有单元的距离与阻力的累积；D_ij为物种从源j到景观单元i的空间距离；R_i为景观单元i对某种物种运动的阻力系数；

景观阻力面由多个阻力因子加权叠加共同决定，用于反映生态流的运行阻力的趋势，生态流是生态过程的载体，其计算公式为：

其中，R_i为景观单元i的综合阻力值，C_ij为景观单元i对应的阻力因子j阻力值，W_ij为景观单元i对应的阻力因子j的权重值，n为阻力因子的总数；

景观阻力因子赋值和权重，包括：

生态服务功能最高的物种生境区的阻力值设为1，物种最难或无法穿过的景观区域设为100，其他景观类型的赋值介于两者之间；

采用专家打分法确定景观阻力因子权重，经过多位专家打分，确定土地利用类型、人口密度和地形坡度3个阻力因子的权重分别为0.8、0.1和0.1；

流域中观尺度廊道空间结构规划指标分析，包括：

河流生态系统过程包括相互关联的水文过程、地貌过程、物理化学过程和生物过程；

生态廊道空间结构包括横向、纵向、垂向及时间维度；

根据河流廊道指标筛选的准则和方法，以及河流廊道服务功能和空间结构之间的关系，基于河流廊道的4个结构特征层面，选取河流宽度、缓冲带宽度、河流弯曲率、生态水量、生态扩展区、污染负荷量以及水质状况7个指标，并将河流廊道空间结构的特征归纳为宽度、曲度、连通性和内环境。

2.根据权利要求1所述的流域生态廊道安全格局构建布局方法，其特征在于，廊道构建策略与空间结构的关系，包括：

根据河流流经区域和人居环境对河道建设的要求，将河流按照流经行政区域不同分为乡村河段与城市河段；

将河岸带功能可简化为水域带、岸线带、缓冲带3个部分；

廊道空间结构的三策略包括：保护、修复和重建。

3.根据权利要求1所述的流域生态廊道安全格局构建布局方法，其特征在于，结构指标要素与廊道构建策略的结合，包括：

连通性，全面统筹干流上、中、下游和重要支流的关系，在流域综合规划阶段将水系连通性作为流域开发的前置条件；

河流宽度和河流廊道的缓冲带；

河流廊道的曲度，包括河流的弯曲程度，弯曲的河流用于减缓水流速度；

河流廊道内环境，包括水质状况和污染负荷量。

4.根据权利要求3所述的流域生态廊道安全格局构建布局方法，其特征在于，根据MIKE11中的HD水动力模块模拟计算水深，以河道断面数据勾绘下垫面实际状况，通过下垫面与水深确定出最终的河流宽度；

MIKE 11HD的河网水动力模型基于一维非恒定流圣维南方程组：

其中，A为过水断面的面积；Q为过流的流量；x、t分别为计算点空间和时间的坐标；h为水位；q为旁侧入流流量；C为谢才系数；R为水力半径；α为动量校正系数；g为重力加速度；

计算河流廊道的弯曲度：

R＝S/L

其中，R为弯曲度；S为沿河流中心线两点之间的长度；L为两点之间的直线距离；

河流域面源污染来源于村庄的散排生活污水以及农田径流，农村散排生活污水污染负荷采用计算公式为：

W_3i＝α₃×P₂×L₃×365×10^-6

其中，i为污染物种类；W_3i为农村生活污水污染负荷；α₃为农村生活污水入河系数；P₂为非集中排水区人口数；L₃为农村人均污染物排放量；

农田径流污染负荷采用计算公式为：

W_5i＝α₅×A×L₅×10^-3

其中，i为某种水质参数；W_5i为农田径流污染负荷；A为耕地面积；L₅为单位耕地面积污染物排放量；α₅为农田径流入河系数。

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