CN116681214A - 一种受干扰涉水型河流水生态参照点的选择及构建方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开一种受干扰涉水型河流水生态参照点的选择及构建方法，具体包括步骤：S1、流域基本空间单元划分；S2、流域基本空间单元内人类活动对生态环境胁迫影响的辨析及水生态特征提取；S3、参照候选点筛选；S4、参照候选点的水生物状况评价；S5、仿自然参照点的构建；S6、仿自然参照点的水生物状况评价。本发明提供切实可操作、可接受的水生态参照点选择及构建方法，所选择的参照点具有显著的代表性；本发明提供的仿自然参照点搭建方法所获得的参照点微生境仿自然效果好，整个搭建过程未改变自然水生态系统内微生物、有机质特征，最大程度保留目标水体的水生态空间异质性，能体现自然的水生态环境状况。
Description
技术领域
本发明属于流域生态学技术领域，具体地说，本发明涉及一种受干扰涉水型河流水生态参照点的选择及构建方法。
背景技术
科学评价水生态治理将成为今后很长时间内水生态环境保护工作的基本需求。水生态监测与评价是水生态保护与治理的基础与前提。有关水生态监测评价不论是最早实施的美国水生态监测评价体系还是应用范围最广的欧盟水生态监测评价体系均涉及水生态参照状态建立与确定。有关参照状态建立方式，目前主要有四种：参照点位法、历史数据法、最优可得状态法、专家经验判断法。后三种方法存在以下不足：
（1）历史数据法，数据不足，且数据质量不能保证。从不同途径获取的历史数据，因来源口径和观测目的不一样，获取的水质、水文、水生物等数据同期的匹配度低，导致配套数据的获取性不足；此外，因区域性外环境干扰，水文节律大幅改变，水生物群落发生变化，以历史数据为基础的参照状态未反映物种变化的响应表现，难以保证历史参照状态数据的数据质量。
（2）专家判断法，其主观性、局域性较大。专家咨询亦是基于历史数据通过专家经验判断的，存在一定程度主观性。相似水环境条件的水生态完整性存在一定的相似度，但不同区域因水文、地貌、气候、微生物环境等要素变化，其水生态功能和水生态环境存在差异，这就导致不同地区不同形态的参照状态的可借鉴性小，专家咨询的局限性较大。
（3）最优可得状态法是依据期望状态或受损状态，通过模型方法预测出参照状态，具有不确定性，需要实际验证。主要过程是通过对受损点的生物学指标、理化指标等参数指标调查，通过研判受损程度或期望状态，利用一些成熟的数学模型方法进行参照点的模拟选择或理想的参照状态模拟。该方法原则上可以预测河流的水生态信息，但预测结果具有一定的不确定性，可能需要实际验证。
参照点位法是从通过找寻能够代表监测或评价水域内未受到干扰（或受到较小干扰）的具有可比性的生物状态点位，及其该点位所获取的生物参数指标来确定参照状态。由此可知，参照点法是确定参照状态最直接、最可靠的方式。
根据参照点有关定义是未受到人为干扰（或受到较小人为干扰）且具有最优生物状态的参照点。目前，针对受到干扰的河流如何选取及构建合理的、可接受的水生态参照点尚未有明确定义。
发明内容
本发明要解决的技术问题是：在绝大多数河流受到干扰的背景下，通过分析水文形态的空间异质性、不同干扰下对水环境物理化学特征差异性及水生生物状况情况，针对可涉水河流水，提供一种受干扰河流水生态参照点的选择及构建方法，以解决河流受到人为干扰后水生态参照点的获取问题。
为了实现上述目的，本发明采取的技术方案为：
一种受干扰涉水型河流水生态参照点的选择及构建方法，包括以下步骤：
S1、流域基本空间单元划分：依据目标流域自然汇水特征和DEM数据，采用恒定阀值法或适度指数法确定合理的集水面积阀值，将DEM数据及确定的集水面积阀值输入SWAT模型进行流域基本空间单元划分；
S2、流域基本空间单元内人类活动对生态环境胁迫影响的辨析及水生态特征提取：基于各个流域基本空间单元内人类活动对生态环境胁迫影响辨析，判定承受的外环境压力，然后对所述步骤S1的流域基本空间单元进行分类，对同种胁迫影响下的流域基本空间单元提取岸边底质类型、最大水深值、平均水深值、常年平均水深值、岸边平均流速值、岸边最大流速值、平均海拔值，并提取同种胁迫影响下同聚类的流域基本空间单元的岸边平均水流值、平均水深值、平均海拔值、岸边底质类型作为该同聚类的流域基本空间单元的水生态特征；
S3、参照候选点筛选：在所述步骤S2的同类水生态特征的流域基本空间单元内筛选出至少1个参照候选点；
S4、参照候选点的水生物状况评价：选取Shannon-Wiener多样性指数、耐污种生物量百分比、耐污种丰度百分比、敏感种丰度百分比这四个生物指标，对所述步骤S3的参照候选点进行水生物状况评价和评分，判断各参照候选点是否达到指定标准：若达到指定标准，则选择评分最高的点作为参照点，完成参照点的选择；若未达到指定标准，则执行步骤S5进行仿自然参照点的构建；
S5、仿自然参照点的构建：在参照候选点选取生物评分最高的点，采用不同大小石头构建依次连接的上段浅滩单元、中段凹坑单元和下段浅滩单元的三个阶梯单元，所述三个阶梯单元在远离河岸的一侧采用块石、砾石、卵石和小碎石相互嵌套构成挡水带，所述三个阶梯单元的挡水带依次连接形成波浪状挡水墙；所述中段凹坑单元的河床下陷形成凹坑，所述中段凹坑单元与所述上段浅滩单元/所述下段浅滩单元的河床的高度差等于所述步骤S2中提取的最大水深值和平均水深值之差；所述中段凹坑单元与所述上段浅滩单元之间设置上端挡水墙，所述中段凹坑单元与所述下段浅滩单元之间设置下端挡水墙，所述上端挡水墙和所述下端挡水墙的两端分别与所述中段凹坑单元的挡水带和河岸相接，且所述上端挡水墙和所述下端挡水墙上均设置有溢流口；所述三个阶梯单元的河床上铺设有由块石与卵石组成的小生境；
S6、仿自然参照点的水生物状况评价：按所述步骤S5搭建后的指定时间内，对仿自然参照点进行底栖动物采样鉴定，以及参照所述步骤S4的方法进行水生物状况评价和评分，并判断仿自然参照点是否达到指定标准：若未达到指定标准，则调整微生境的水深、流速这个两个物理要素条件后，在指定时间内重复进行底栖动物调查及水生物状况评价，直至水生物状况评价在指定标准以上，则完成仿自然参照点的构建。
在上述方案的基础上，在另一改进的方案中，所述上段浅滩单元/所述下段浅滩单元内的小生境包括一个中心块石以及堆砌在所述中心块石四周的多个卵石，所述上段浅滩单元/所述下段浅滩单元内的多个小生境按类“之”字状布设；所述中段凹坑单元内的小生境布设在所述中段凹坑单元最深处，包括两个相接的中心块石和堆砌在两个中心块石四周的多个卵石。
在上述方案的基础上，在另一改进的方案中，所述上段浅滩单元/下段浅滩单元的挡水带的堆砌高度高出所述步骤S2中提取的平均水深值，或者比目标流域常年平均水位高出3-5cm；所述凹坑单元的挡水带的堆砌高度高出所述步骤S2中提取的最大水深值，或者比目标流域常年平均水位高出7-15cm；所述上端挡水墙和所述下端挡水墙的高度等于所述中段凹坑单元的挡水带的高度，所述上端挡水墙设有至少一个直径为5cm的溢流口；所述下端挡水墙设有至少一个直径10cm的溢流口。
在上述方案的基础上，在另一改进的方案中，所述波浪状挡水墙的中间段朝向河岸一侧内凹的幅度为15º±2°，所述波浪状挡水墙的直线长度为200cm，所述波浪状挡水墙的两端均距离河岸75cm，所述波浪状挡水墙的中间段与河岸的最短距离为50cm；所述上段浅滩单元和所述下段浅滩单元的挡水带的直线长度均为75cm，所述中段凹坑单元的挡水带长为50cm。
在上述方案的基础上，在另一改进的方案中，所述仿自然参照点的底质类型与所述步骤S2中提取的岸边底质类型相同，原则上所述三个阶梯单元内的底质类型保持一致；若所述三个阶梯单元为混合底质类型，按照粒径最小的底质类型进行铺设。
在上述方案的基础上，在另一改进的方案中，所述步骤S5中的仿自然参照点的搭建步骤如下：先采用不同大小石头在距离岸边50-70cm的位置搭建波浪状挡水墙，然后采用不同大小石头在波浪状挡水墙和河岸之间搭建上端挡水墙和下端挡水墙形成三个阶梯单元，再将上端挡水墙和下端挡水墙之间的河床挖出凹坑形成中段凹坑单元，最后在每个阶梯单元中河床上搭建小生境。
在上述方案的基础上，在另一改进的方案中，所述步骤S5仿自然参照点的搭建时，采用的块石粒径10-20cm、砾石粒径5-10cm、卵石粒径1-5cm以及小碎石粒径<1cm。
在上述方案的基础上，在另一改进的方案中，所述步骤S1中，恒定阀值法是依靠经验或与精确的水系图反复对比确定的集水面积阀值，适度指数公式如下：
（式1）
（式1）中：
Li—不足的水流长度；
Lr—多余的水流长度；
LT—河流水系总长度；
Z—多余或不足的水流长度的河段；
n—多余或不足的水流长度的河段总数；
所述步骤S4参照候选点的水生物状况评价，Shannon-Wiener多样性指数计算公式如下：
（式2）
（式2）中：
H—Shannon-Wiener多样性指数；
n—候选点底栖动物总个数；
s—候选点底栖动物种类数；
ni—候选点第i种底栖动物个体数；
耐污种与敏感种是根据底栖动物耐污值（TV，Tolerance value）高低进行判别，TV≤3的为敏感种，TV≥7为耐污种，底栖动物耐污值参照《河流水生态环境质量监测与评价技术指南》附录K.底栖动物耐污值列表获取；
耐污种丰度百分比计算公式如下：
（式3）
（式3）中：
Bw—耐污种丰度百分比值；
nw—底栖动物耐污种物种类数；
s—候选点底栖动物种类数；
敏感种丰度百分比计算公式如下：
(式4)
(式4) 中：
Bm—敏感种丰度百分比值；
nm—底栖动物耐污种物种类数；
s—候选点底栖动物种类数；
耐污种生物量百分比计算公式如下：
(式5)
(式5) 中：
Mw—耐污种生物量百分比值；
mw—底栖动物耐污种物种生物量；
m—候选点底栖动物总生物量；
基于上述计算公式对参照候选点的生物指标进行计算后，参照预先设定的生物评价指标评分标准进行评分，预先设定的生物评价指标评分标准见下表1所示。
表1 生物评价指标评分标准
对水生物状况评分进行分级：12-20分为优；9-12分为良；5-10分为中等；0-5分为差；所述步骤S4判断各参照候选点是否达到指定标准，所述指定标准为上述评分标准中的良，也即选择水生物状况评价为良以上的参照候选点作为参照点。
在上述方案的基础上，在另一改进的方案中，所述步骤S2中提取同类型流域基本空间单元的水生态特征的具体步骤为：
S21、流域基本空间单元岸边底质类型判定：底质类型由距河岸1米范围内的岸边河床粒径决定，若河道宽不足1米，取河中心线至河岸之间的范围；
S22、基于岸边底质类型的流域空间基本单元前置聚类，即对受同类主要胁迫影响的基本空间单元的岸边底质类型进行辨别，以岸边底质类型为聚类因子，进行聚类；
S23、分类测定流域基本空间单元的水生态基本要求特征：水流为岸边水体在平水期所测量的流速，水深为岸边水体在平水期所测量的水深，海拔为流域基本空间单元内的平均海拔；
S24、采用分步聚类法进行聚类分析：以同一种胁迫影响下所涉及所有流域基本空间单元为样本，底质类型作为前置聚类因子对同种胁迫影响下的流域空间基本单元进行聚类，再以水流速、水深、海拔为后置聚类因子，经归一化处理后采用最短距离算法再次进行聚类作为最终结果；
S25、提取同类型流域基本空间单元的水生态环境特征：取同种胁迫影响下同聚类的流域基本空间单元水流均值、平均水深值、海拔均值、底质类型，作为该类型流域的水生态特征。
在上述方案的基础上，在另一改进的方案中，所述步骤S3中，参照候选点应同时满足以下6个要求：（1）沿岸两侧上下游1km范围内水质保持在Ⅲ类及以上或所测定的非人为产生污染物浓度应保持在背景水平范围内；（2）沿岸两侧上下游1km范围内无污水排放口；（3）沿岸两侧上下游1km范围内无连片面积在100亩以上的农业种植；（4）沿岸两侧上下游1km范围内无已知的水产品养殖；（5）沿岸两侧上下游1km范围内无主干路、城市快速路、高速公路途径；（6）沿岸两侧上下游1km 范围内居住人口少于100人。
本发明的技术方案至少具有以下有益技术效果：
（1）本发明提供了切实可操作、可接受的受干扰河流水生态参照点的选择及构建方法。人类生存离不开水资源，人类活动或多或少都会对水生态环境产生一定干扰，那么水生态环境质量监测与评价中定义的未受到人为干扰的具有最优生物状态的参照点在自然流域中不可寻。秉承人与自然可持续协调发展理念，本发明通过对人类活动干扰的胁迫辨析，胁迫影响下水生态环境特征提取、参照候选点筛选，候选点水生物状况评估、仿自然参照点搭建等系列步骤，提供一种可接受的受干扰河流水生态环境参照点选择及构建方法，特别是仿自然参照微生境搭建给受到较严重干扰的河流提供一种水生态参照点的构建方法，可广泛应用于受干扰的涉水型河流水生态环境参照点获取，具有可实际操作性。
（2）采用本发明方法选择的参照点具有显著的代表性。本发明充分考虑水生态环境特征空间异质性及不同人类干扰对水生态环境影响差异性，通过对流域基本空间单元划分辨析水文情势的时空变异性和水生态环境的空间异质性；通过人类活动对水生态环境胁迫影响辨析水生态环境承受的不同类型物理、化学干扰；同种胁迫影响下流域基本空间单元水生态特征提取不同胁迫影响下水体物理特征；通过水生物状况评价判定选择的参照点的生物完整性；由此可知，依据本发明选择的参照点在一定程度上代表了水生态环境的空间异质性、物理化学特征及水生生物完整性，很好地贴合参照点所代表的意义及特征。
（3）采用本发明方法搭建的仿自然参照点的效果好。在河流受到严重干扰、水生物完整性受到较大程度破坏的河流，本发明从最直接影响水生生物存在的底质、水深、流速这三个物理要素出发，采样用不同类型底质相互嵌套交叠堆上段浅滩、中段凹坑、下段浅滩三个阶梯单元，营造微尺度水深多样性与流速多样性，创造出大型底栖动物栖息地多样性，现场搭建可接受的水生境状态，从而实现仿自然参照点的搭建。整个搭建过程未改变自然水生态系统内微生物、有机质特征，最大程度保留目标水体的底质异质性，能体现自然的水生态环境状况。
附图说明
构成本发明的一部分的附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。
图1为本发明受干扰河流水生态参照点的选择及构建方法的主要步骤示意图；
图2为本发明的提取同类型流域基本空间单元的水生态特征的步骤示意图；
图3为本发明中仿自然参照点的俯视图；
图4为本发明中仿自然参照点的纵向剖视图；
图5为本发明中上段浅滩单元/下段浅滩单元的挡水带的纵向剖视图；
图6为本发明的中段凹坑单元的挡水带的纵向剖视图；
图7为本发明中段凹坑单元的上端挡水墙的纵向剖视图；
图8为本发明中段凹坑单元的下端挡水墙的纵向剖视图；
图9为本发明中段凹坑单元的平面布置示意图；
图10为本发明上段浅滩单元/下段浅滩单元中小生境的平面布置示意图；
图11为本发明中段凹坑单元的小生境的平面布置示意图。
附图标记：
1- 上段浅滩单元，2-中段凹坑单元，3-下段浅滩单元，4-波浪状挡水墙，5-上端挡水墙， 6-下端挡水墙，7-小生境，8-河岸，9-块石，10-砾石，11-卵石，12-溢流口，13-自然底质，14-挡水带。
具体实施方式
下面结合附图对本发明进行详细描述，本部分的描述仅是示范性和解释性，不应对本发明的保护范围有任何的限制作用。此外，本领域技术人员根据本文件的描述，可以对本文件中实施例中以及不同实施例中的特征进行相应组合。
参见附图1的示意，本发明的受干扰涉水型河流水生态参照点的选择及构建方法，包括以下步骤：
S1、流域基本空间单元划分：依据目标流域自然汇水特征和DEM（数字高程模型，Digital Elevation Model）数据，采用恒定阀值法或适度指数法确定合理的集水面积阀值，将DEM数据及确定的集水面积阀值输入SWAT模型（Soil and Water Assessment Tool）进行流域基本空间单元划分；
恒定阀值法是依靠经验或与精确的水系图反复对比确定的集水面积阀值，适度指数公式如下（参考文献：Hydro Process,2006(20):289-306, WEN-TZUL 等）：
（式1）
（式1）中：
Li—不足的水流长度；
Lr—多余的水流长度；
LT—河流水系总长度；
Z—多余或不足的水流长度的河段；
n—多余或不足的水流长度的河段总数；
S2、流域基本空间单元内人类活动对生态环境胁迫影响的辨析及水生态特征提取：基于各个流域基本空间单元内人类活动对生态环境胁迫影响辨析，判定承受的外环境压力，然后对所述步骤S1的流域基本空间单元进行分类，对同种胁迫影响下的流域基本空间单元提取岸边底质类型、最大水深值、平均水深值、常年平均水深值、岸边平均流速值、岸边最大流速值、平均海拔值，并提取同种胁迫影响下同聚类的流域基本空间单元的岸边平均水流值、平均水深值、平均海拔值、岸边底质类型作为该同聚类的流域基本空间单元的水生态特征。
人类活动对水生态环境胁迫限定于以岸线为基准陆地一侧延伸1公里范围内的扰动，影响程度依据干扰面积占流域基本空间单元面积的比例来判定，占比最大的即为主要胁迫影响。其中，河岸农田种植、矿山开采、岸边堆积物、岸边山地泥石流或滑坡等面源的干扰面积为沿岸1公里范围内的直接影响面积；水电开发干扰面积为本流域基本单元内减水河段的流域面积；生活污水排放、工业污水排放等点源扰动的干扰面积为直接排放后混合过程段的流域面积。若左右岸存在同种扰动活动，胁迫影响程度为左右岸扰动面积叠加。
参见附图2的示意，步骤S2中提取同类型流域基本空间单元的水生态特征的具体步骤为：
S21、流域基本空间单元底质类型判定：底质类型由距河岸1米范围内的岸边河床粒径决定，若河道宽不足1米，取河中心线范围与河岸之间的范围；具体岸边底质类型判定见下表1。若不满足下表2，其中不同的底质类型占比相差大于等于10%，则选取最大占比的底质类型作为该流域基本空间单元的底质类型；不同的底质类型占比相差小于10%，则选取主要的两种底质类型作为混合底质。
表2 岸边底质类型
S22、基于岸边底质类型的流域空间基本单元前置聚类，即对受同类主要胁迫影响的基本空间单元的岸边底质类型进行辨别，以岸边底质类型为聚类因子，进行聚类；
S23、分类测定流域基本空间单元的水生态基本要求特征：在在平水期（3-5月或9-11月）通过现场测定获取基本要求特征。 在流域基本空间单元内的上、中、下河段的距岸1米范围内，采用便携式超声波流量计测量流速，取上、中、下河段的平均流速为该水体单元的水流流速；在流域基本空间单元内的上、中、下河段的距岸1米范围内，采用手持式水深仪测量水岸边水体水深，取上、中、下河段的平均流速为该水体单元的平均水深；依据流域基本空间单元的划分边界，基于DEM数据求取流域基本空间单元的海拔均值为平均海拔；
S24、采用分步聚类法进行聚类分析：以同一种胁迫影响下所涉及所有流域基本空间单元为样本，主要胁迫影响类型和底质类型作为前置聚类因子对同种胁迫影响下的流域空间基本单元进行聚类，再以水流速、水深、海拔为后置聚类因子，经归一化处理后采用最短距离算法（参考文献：陈江丽等，2014,v.31;No.142(12):29-33）再次进行聚类作为最终结果；
S25、提取同类型流域基本空间单元的水生态环境特征：取同种胁迫影响下同聚类的流域基本空间单元水流均值、平均水深值、海拔均值，底质类型，作为该类型流域的水生态特征。
S3、参照候选点筛选：在步骤S2的同类水生态特征的流域基本空间单元内筛选出至少1个参照候选点；参照候选点应同时满足以下6个要求：（1）沿岸两侧上下游1km范围内水质保持在Ⅲ类及以上或所测定的非人为产生污染物浓度应保持在背景水平范围内；（2）沿岸两侧上下游1km范围内无污水排放口；（3）沿岸两侧上下游1km范围内无连片面积在100亩以上的农业种植；（4）沿岸两侧上下游1km范围内无已知的水产品养殖；（5）沿岸两侧上下游1km范围内无主干路、城市快速路、高速公路途径；（6）沿岸两侧上下游1km 范围内居住人口少于100人。
S4、参照候选点的水生物状况评价：选取Shannon-Wiener多样性指数、耐污种生物量百分比、耐污种丰度百分比、敏感种丰度百分比这四个生物指标，对步骤S3的参照候选点进行水生物状况评价和评分，判断各参照候选点是否达到指定标准：若达到指定标准，则选择评分最高的点作为参照点，完成参照点的选择；若未达到指定标准，则执行步骤S5进行仿自然参照点的构建；
对参照候选点的水生物状况评价时，Shannon-Wiener多样性指数计算公式如下：
（式2）
（式2）中：
H—Shannon-Wiener多样性指数；
n—候选点底栖动物总个数；
s—候选点底栖动物种类数；
ni—候选点第i种底栖动物个体数；
耐污种与敏感种是根据底栖动物耐污值（TV，Tolerance value）高低进行判别，TV≤3的为敏感种，TV≥7为耐污种。底栖动物耐污值参照《河流水生态环境质量监测与评价技术指南》附录K.底栖动物耐污值列表获取；
耐污种丰度百分比计算公式如下：
（式3）
（式3）中：
Bw—耐污种丰度百分比值；
nw—底栖动物耐污种物种类数；
s—候选点底栖动物种类数；
敏感种丰度百分比计算公式如下：
(式4)
(式4) 中：
Bm—敏感种丰度百分比值；
nm—底栖动物耐污种物种类数；
s—候选点底栖动物种类数；
耐污种生物量百分比计算公式如下：
(式5)
(式5) 中：
Mw—耐污种生物量百分比值；
mw—底栖动物耐污种物种生物量；
m—候选点底栖动物总生物量；
基于上述计算公式对参照候选点的生物指标进行计算后，参照前述发明内容所列的表1的生物评价指标评分标准进行评分。
水生物状况评分最低分为0分，最高分为20分。对水生物状况评分进行分级：12-20分为优；9-12分为良；5-10分为中等；0-5分为差；步骤S3判断各参照候选点是否达到指定标准，指定标准为上述评分标准中的良，也即选择水生物状况评价为良以上的参照候选点作为参照点。
S5、仿自然参照点的构建：在参照候选点选取生物评分最高的点，采用不同大小石头构建仿自然参照点，仿自然参照点包括依次连接的三个阶梯单元：上段浅滩单元、中段凹坑单元和下段浅滩单元，三个阶梯单元在远离河岸的一侧采用块石、砾石、卵石和小碎石相互嵌套构成挡水带，三个阶梯单元的挡水带依次连接形成波浪状挡水墙；中段凹坑单元的河床下陷形成凹坑，中段凹坑单元与上段浅滩单元/下段浅滩单元的河床的高度差等于步骤S2中提取的最大水深值和平均水深值之差；中段凹坑单元与上段浅滩单元之间设置上端挡水墙，中段凹坑单元与下段浅滩单元之间设置下端挡水墙，上端挡水墙和下端挡水墙的两端分别与中段凹坑单元的挡水带和河岸相接，且上端挡水墙和下端挡水墙上均设置有溢流口；三个阶梯单元的河床上铺设有由块石与卵石组成的小生境。依据底栖动物喜黏附在卵石表面或躲藏在卵石缝隙中的生活习性，在各个单元内布设小生境为底栖动物提供生存空间。通过采用不同大小底质在参照候选点构造适宜底栖动物群落生存需要的小生境，采集三个阶梯单元内小生境的表面、缝隙等底栖动物从而获取相应的水生物状况信息。
S6、仿自然参照点的水生物状况评价：按步骤S5搭建后的指定时间内，对仿自然参照点进行底栖动物采样鉴定，以及参照步骤S4的方法进行水生物状况评价和评分，并判断仿自然参照点是否达到指定标准：若未达到指定标准，则调整微生境的水深、流速这个两个生态要素特征来达到相关指标条件，具体做法为：通过调整布设溢流口距河床的高度达到调节微生境水深的目的；通过调整布设溢流口直接达到调节微生境流速的目的，增加溢流口数量，则达到提高微生境流速的目的。在指定时间内重复进行底栖动物调查及水生物状况评价，直至水生物状况评价在指定标准以上，则完成仿自然参照点的构建。
参见附图3至附图11的示意，本发明中上段浅滩单元/下段浅滩单元内的小生境包括一个中心块石以及堆砌在中心块石四周的多个卵石，上段浅滩单元/下段浅滩单元内的多个小生境按类“之”字状布设，各个小生境之间间距为20cm；中段凹坑单元内的小生境布设在中段凹坑单元最深处，包括两个相接的中心块石和堆砌在两个中心块石四周的多个卵石。采用块石粒径10-20cm、砾石粒径5-10cm、卵石粒径1-5cm以及小碎石粒径<1cm。
参见附图5和附图6的示意，上段浅滩单元和下段浅滩单元的挡水带的堆砌高度均高出步骤S2中提取的平均水深值，或者比目标流域常年平均水位高出3-5cm；凹坑单元的挡水带的堆砌高度高出步骤S2中提取的最大水深值，或者比目标流域常年平均水位高出7-15cm；上端挡水墙和下端挡水墙的高度等于中段凹坑单元的挡水带的高度。
参见附图3的示意，波浪状挡水墙的中间段朝向河岸一侧内凹的幅度为15º±2°，波浪状挡水墙的直线长度为200cm，波浪状挡水墙的两端均距离河岸75cm，波浪状挡水墙的中间段与河岸的最短距离为50cm；上段浅滩单元和下段浅滩单元的挡水带的直线长度均为75cm，中段凹坑单元的挡水带长为50cm。波浪状挡水墙朝向河岸一侧凹进的形状可在一定程度上减小外侧水体的横向冲击，提高仿自然参照点的稳定性。
参见附图3和附图10的示意，仿自然参照点中三个阶梯单元的底质类型与步骤S2中提取的岸边底质类型相同，原则上三个阶梯单元内的底质类型保持一致；若三个阶梯单元为混合底质类型，按照粒径最小的底质类型进行铺设。例如，沙填充卵石空隙中，按沙质进行铺设。只有当不同底质类型分布在不同区域时各个单元的底质类型才出现差异，例如，卵石主要分布在河床浅水区，淤泥分布在河床深潭区，那么对应的浅滩单元则铺设卵石底质、凹坑单元则铺设淤泥底质。
参见附图4、附图7和附图8的示意，通过设置溢流口实现上段浅滩单元/下段浅滩单元与中段凹坑单元之间的水力联系，仿自然参照点的水流与水深由凹坑单元挡水墙上溢流口的位置和数量决定，一般情况，上端挡水墙设有两个直径为5cm的溢流口，两溢流口之间水平相隔10cm，保证上段浅滩单元的河水流入中段凹坑单元。下端挡水墙设有一个直径10cm的溢流口，使中段凹坑单元的河水通过溢流口流入下段浅滩单元。溢流口高度和数量可根据需求调整，下端挡水墙在河底处设一个直径10cm溢流口。
步骤S5中的仿自然参照点的搭建步骤如下：先采用不同大小石头在距离岸边50-70cm的位置搭建波浪状挡水墙，再采用不同大小石头搭建上端挡水墙和下端挡水墙形成三个阶梯单元，最后在每个阶梯单元中搭建小生境。
实施例1：对雅安市宝兴河流域采用本发明的方法进行水生态参照点选择及构建，宝兴河是青衣江主源头，流经雅安市宝兴县9个乡镇，随青衣江汇入岷江水道，沟壑纵横，水资源和大理石蕴藏丰富，现运行的小水电有47座、矿山12处。由此，宝兴河流域水生态环境受水电开发及矿山开发等人类活动干扰大。方法步骤见附图1所示，其水过程如下：
S1、流域基本空间单元划分，基于适度指数分析，确定7500m2的集水面积阀值输入SWAT模型中将宝兴河流域划分为13个流域基本空间单元。
S2、人类活动对水生态环境胁迫影响辨析及流域基本空间单元的水生态特征提取：以岸线为基准陆地一侧延伸1公里范围内的扰动为主，影响程度依据干扰面积占流域基本空间单元面积的比例来判定，4个基本空间单元主要受到地质灾害胁迫影响，3个基本空间单元主要受生活污染胁迫影响，4个基本空间单元主要受到水电开发胁迫影响，1个基本空间单元主要受到工业污染胁迫影响，1个基本空间单元主要受到矿山开采胁迫影响。
在平水期（3-5月或9-11月）分别测定受到地质灾害、生活污染、水电、工业污染流域基本空间单元的岸边底质类型、最大水深、平均水深、常年平均水深、岸边平均流速、岸边最大流速、平均海拔。经测定，各基本空间单元的水生态特征见表3。
表3 宝兴河流域各基本空间单元平水期水生态特征
以岸边底质类型为聚类因子进行前置聚类，再以水流速、水深、海拔为聚类因子采用最短距离算法进行后置聚类，将13个流域基本单元聚类为6个水生态类型，分别是高海拔良好生态单元、中海拔良好生态单元、水电开发干扰生态单元、矿山开采干扰生态单元、生活污染干扰生态单元及工业干扰生态单元。
提取同一类型基本空间单元岸边平均流速值、岸边平均水深值、平均海拔值、岸边底质类型，作为该类的水生态特征，详见表4。
表4 各水生态类型水生态特征值
S3、参照候选点筛选，参照候选点选择标准包括：（1）沿岸两侧上下游1km范围内水质保持在Ⅲ类及以上或所测定的非人为产生污染物浓度应保持在背景水平范围内；（2）沿岸两侧上下游1km范围内无污水排放口；（3）沿岸两侧上下游1km范围内无连片面积在100亩以上的农业种植；（4）沿岸两侧上下游1km范围内无已知的水产品养殖；（5）沿岸两侧上下游1km范围内无主干路、城市快速路、高速公路途径；（6）沿岸两侧上下游1km 范围内居住人口少于100人，筛选了10个参照候选点，其中，高海拔生态良好单元选取了2个参照候选点；中海拔生态良好单元选取了2个参照候选点；生活扰动生态单元选取了2个参照候选点；矿山扰动生态单元选取了1个参照候选点；工业扰动生态单元选取了1个参照候选点；水电开发扰动生态单元选取了2个参照候选点，全覆盖了每个生态特征单元。
S4、参照候选点水生态状况评价，在平水期（3-5月或9-11月）对10个参照候选点的底栖动物进行调查采样，选取Shannon-Wiener多样性指数、耐污种生物量百分比、耐污种丰度百分比、敏感种丰度百分比这四个生物指标根据发明内容所述的参照候选点水生态状况评价方法进行水生态状况评价（评价结果见表5），10个参照候选点中6个水生物状况评价为良以上，分别对应高海拔生态良好单元、中海拔生态良好单元、水利扰动生态单元、矿山扰动生态单元，其中，高海拔生态良好单元中2#点的水生态状况评分较1#点高；水电开发干扰生态单元中，5#点较3#点高，由此选择2#、5#、7#、4#这4个参照候选点作为参照点。
表5 参照候选点信息及水生态状况评分结果
S5、仿自然参照点的构建。在生活干扰生态单元和工业干扰生态单元的参照候选点中，选择水生态状况评分较高的9#、10#进行仿自然参照点的构建，具体搭建方法见本发明前述内容的S5步骤。其中，9#仿自然参照点的挡水带堆砌高度为高出常年平均水位5cm,即堆砌高度为20cm，凹坑单元与浅滩单位的水深差为10cm，上端挡水墙设置1个直径为5cm的溢流口，下端挡水墙设置一个直径10cm的溢流口；10#仿自然参照点的挡水带堆砌高度为岸边最大水深高度，即45cm，凹坑单元与浅滩单位的水深差为7cm，上端挡水墙设置2个直径为5cm的溢流口，下端挡水墙设置一个直径10cm的溢流口。
S6、仿自然参照点的水生态状况评价，微生境搭建后20天后进行底栖动物测定及Shannon-Wiener多样性指数、耐污种生物量百分比、耐污种丰度百分比、敏感种丰度百分比这四个生物指标计算，根据本发明前述内容的S4的方法进行仿自然参照点生态状况评价，结果如表6所示。
表6仿自然参照点水生态状况评价
由此可知，搭建的9#、10#仿自然参照点的水生物状况评价在“良”以上，则实现受干扰河流参照点构建，可在搭建后的参照点获取包括生态类型单元的群落组成、水生生物多样性、水生生物敏感性、功能性状等生物参数，从而确定水生态环境的参照状态，有效解决干扰后的河流生态单元找不到参照基准的问题，为后续干扰河段的水生态修复或治理提供支撑。
上述实施例为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受上述实施例的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种受干扰涉水型河流水生态参照点的选择及构建方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1、流域基本空间单元划分：依据目标流域自然汇水特征和DEM数据，采用恒定阀值法或适度指数法确定合理的集水面积阀值，将DEM数据及确定的集水面积阀值输入SWAT模型进行流域基本空间单元划分；
S2、流域基本空间单元内人类活动对生态环境胁迫影响的辨析及水生态特征提取：基于各个流域基本空间单元内人类活动对生态环境胁迫影响辨析，判定承受的外环境压力类型，然后对所述步骤S1的流域基本空间单元进行分类，对同种胁迫影响下的流域基本空间单元提取岸边底质类型、最大水深值、平均水深值、常年平均水深值、岸边平均流速值、岸边最大流速值、平均海拔值，并提取同种胁迫影响下同聚类的流域基本空间单元的岸边平均水流值、平均水深值、平均海拔值、岸边底质类型作为该同聚类的流域基本空间单元的水生态特征；
S3、参照候选点筛选：在所述步骤S2的同类水生态特征的流域基本空间单元内筛选出至少1个参照候选点；
S4、参照候选点的水生物状况评价：选取Shannon-Wiener多样性指数、耐污种生物量百分比、耐污种丰度百分比、敏感种丰度百分比这四个生物指标，对所述步骤S3的参照候选点进行水生物状况评价和评分，判断各参照候选点是否达到指定标准：若达到指定标准，则选择评分最高的点作为参照点，完成参照点的选择；若未达到指定标准，则执行步骤S5进行仿自然参照点的构建；
S5、仿自然参照点的构建：在参照候选点选取生物评分最高的点，采用不同大小石头构建依次连接的上段浅滩单元、中段凹坑单元和下段浅滩单元的三个阶梯单元，所述三个阶梯单元在远离河岸的一侧采用块石、砾石、卵石和小碎石相互嵌套构成挡水带，所述三个阶梯单元的挡水带依次连接形成波浪状挡水墙；所述中段凹坑单元的河床下陷形成凹坑，所述中段凹坑单元与所述上段浅滩单元/所述下段浅滩单元的河床的高度差等于所述步骤S2中提取的最大水深值和平均水深值之差；所述中段凹坑单元与所述上段浅滩单元之间设置上端挡水墙，所述中段凹坑单元与所述下段浅滩单元之间设置下端挡水墙，所述上端挡水墙/所述下端挡水墙的两端分别与所述中段凹坑单元的挡水带和河岸相接，且所述上端挡水墙和所述下端挡水墙上均设置有溢流口；所述三个阶梯单元的河床上铺设有由块石与卵石组成的小生境；
S6、仿自然参照点的水生物状况评价：按所述步骤S5搭建后的指定时间内，对仿自然参照点进行底栖动物采样鉴定，以及参照所述步骤S4的方法进行水生物状况评价和评分，并判断仿自然参照点是否达到指定标准：若未达到指定标准，则调整微生境的水深、流速这个两个物理要素条件后，在指定时间内重复进行底栖动物采样鉴定及水生物状况评价和评分，直至水生物状况评价在指定标准以上，则完成仿自然参照点的构建。
2.根据权利要求1所述的受干扰涉水型河流水生态参照点的选择及构建方法，其特征在于，所述上段浅滩单元/所述下段浅滩单元内的小生境包括一个中心块石以及堆砌在所述中心块石四周的多个卵石，所述上段浅滩单元/所述下段浅滩单元内的多个小生境按类“之”字状布设；所述中段凹坑单元内的小生境布设在所述中段凹坑单元最深处，包括两个相接的中心块石和堆砌在两个中心块石四周的多个卵石。
3.根据权利要求2所述的受干扰涉水型河流水生态参照点的选择及构建方法，其特征在于，所述上段浅滩单元/下段浅滩单元的挡水带的堆砌高度高出所述步骤S2中提取的平均水深值，或者比目标流域常年平均水位高出3-5cm；所述凹坑单元的挡水带的堆砌高度高出所述步骤S2中提取的最大水深值，或者比目标流域常年平均水位高出7-15cm；所述上端挡水墙和所述下端挡水墙的高度等于所述中段凹坑单元的挡水带的高度，所述上端挡水墙设有至少一个直径为5cm的溢流口；所述下端挡水墙设有至少一个直径10cm的溢流口。
4.根据权利要求3所述的受干扰涉水型河流水生态参照点的选择及构建方法，其特征在于，所述波浪状挡水墙的中间段朝向河岸一侧内凹的幅度为15º±2°，所述波浪状挡水墙的直线长度为200cm，所述波浪状挡水墙的两端均距离河岸75cm，所述波浪状挡水墙的中间段与河岸的最短距离为50cm；所述上段浅滩单元和所述下段浅滩单元的挡水带的直线长度均为75cm，所述中段凹坑单元的挡水带长为50cm。
5.根据权利要求4所述的受干扰涉水型河流水生态参照点的选择及构建方法，其特征在于，所述仿自然参照点的底质类型与所述步骤S2中提取的岸边底质类型相同，原则上所述三个阶梯单元内的底质类型保持一致；若所述三个阶梯单元为混合底质类型，按照粒径最小的底质类型进行铺设。
6.根据权利要求5所述的受干扰涉水型河流水生态参照点的选择及构建方法，其特征在于， 所述步骤S5中的仿自然参照点的搭建步骤如下：先采用不同大小石头在距离岸边50-70cm的位置搭建波浪状挡水墙，然后采用不同大小石头在波浪状挡水墙和河岸之间搭建上端挡水墙和下端挡水墙形成三个阶梯单元，再将上端挡水墙和下端挡水墙之间的河床挖出凹坑形成中段凹坑单元，最后在每个阶梯单元中河床上搭建小生境。
7.根据权利要求1-6任意一项所述的受干扰涉水型河流水生态参照点的选择及构建方法，其特征在于，所述步骤S5仿自然参照点的搭建时，采用的块石粒径10-20cm、砾石粒径5-10cm、卵石粒径1-5cm以及小碎石粒径<1cm。
8.根据权利要求7所述的受干扰涉水型河流水生态参照点的选择及构建方法，其特征在于，所述步骤S1中，恒定阀值法是依靠经验或与精确的水系图反复对比确定的集水面积阀值，适度指数公式如下：
（式1）
（式1）中：
Li—不足的水流长度；
Lr—多余的水流长度；
LT—河流水系总长度；
Z—多余或不足的水流长度的河段；
n—多余或不足的水流长度的河段总数；
所述步骤S4参照候选点的水生物状况评价，Shannon-Wiener多样性指数计算公式如下：
（式2）
（式2）中：
H—Shannon-Wiener多样性指数；
n—候选点底栖动物总个数；
s—候选点底栖动物种类数；
ni—候选点第i种底栖动物个体数；
耐污种与敏感种是根据底栖动物耐污值（TV，Tolerance value）高低进行判别，TV≤3的为敏感种，TV≥7为耐污种，底栖动物耐污值参照《河流水生态环境质量监测与评价技术指南》附录K.底栖动物耐污值列表获取；
耐污种丰度百分比计算公式如下：
（式3）
（式3）中：
Bw—耐污种丰度百分比值；
nw—底栖动物耐污种物种类数；
s—候选点底栖动物种类数；
敏感种丰度百分比计算公式如下：
(式4)
(式4) 中：
Bm—敏感种丰度百分比值；
nm—底栖动物耐污种物种类数；
s—候选点底栖动物种类数；
耐污种生物量百分比计算公式如下：
(式5)
(式5) 中：
Mw—耐污种生物量百分比值；
mw—底栖动物耐污种物种生物量；
m—候选点底栖动物总生物量；
基于上述计算公式对参照候选点的生物指标进行计算后，参照预先设定的生物评价指标评分标准进行评分并对评分进行分级：12-20分为优，9-12分为良，5-10分为中等，0-5分为差；所述步骤S4判断各参照候选点是否达到指定标准，所述指定标准为上述评分标准中的良，也即选择水生物状况评价为良以上的参照候选点作为参照点。
9.根据权利要求7所述的受干扰涉水型河流水生态参照点的选择及构建方法，其特征在于，所述步骤S2中提取同类型流域基本空间单元的水生态特征的具体步骤为：
S21、流域基本空间单元底质类型判定：底质类型由距河岸1米范围内的岸边河床粒径决定，若河道宽不足1米，取河中心线至河岸之间的范围；
S22、基于岸边底质类型的流域空间基本单元前置聚类，即对受同类主要胁迫影响的基本空间单元的岸边底质类型进行辨别，以受胁迫影响的类型和岸边底质类型为聚类因子，进行聚类；
S23、分类测定流域基本空间单元的水生态基本要求特征：水流为岸边水体在平水期所测量的流速，水深为岸边水体在平水期所测量的水深，海拔为流域基本空间单元内的平均海拔；
S24、采用分步聚类法进行聚类分析：以同一种胁迫影响下所涉及所有流域基本空间单元为样本，底质类型作为前置聚类因子对同种胁迫影响下的流域空间基本单元进行聚类，再以水流速、水深、海拔为后置聚类因子，经归一化处理后采用最短距离算法再次进行聚类作为最终结果；
S25、提取同类型流域基本空间单元的水生态环境特征：取同种胁迫影响下同聚类的流域基本空间单元平均水流值、平均水深值、平均海拔值、岸边底质类型，作为该类型流域的水生态特征。
10.根据权利要求7所述的受干扰涉水型河流水生态参照点的选择及构建方法，其特征在于，所述步骤S3中，参照候选点应同时满足以下6个要求：（1）沿岸两侧上下游1km范围内水质保持在Ⅲ类及以上或所测定的非人为产生污染物浓度应保持在背景水平范围内；（2）沿岸两侧上下游1km范围内无污水排放口；（3）沿岸两侧上下游1km范围内无连片面积在100亩以上的农业种植；（4）沿岸两侧上下游1km范围内无已知的水产品养殖；（5）沿岸两侧上下游1km范围内无主干路、城市快速路、高速公路途径；（6）沿岸两侧上下游1km 范围内居住人口少于100人。
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2023
- 2023-07-26 CN CN202310920807.6A patent/CN116681214B/zh active Active
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Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
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