CN117010748A - 碳中和目标下小水电梯级开发河段地貌单元异质性重构方法 - Google Patents
碳中和目标下小水电梯级开发河段地貌单元异质性重构方法 Download PDFInfo
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Abstract
本发明提供一种碳中和目标下小水电梯级开发河段地貌单元异质性重构方法，该方法包括：河流生态本底与区域社会经济发展调查评估；明确生态修复保护目标；现状地貌单元识别；地貌单元异质性表征指标体系构建；梯级开发段修复排序；筛选可定量评估的生态指标；建构地貌单元—生态响应关系机制；生态阈值区间确定；地貌单元异质性重构改造。采用本发明提供的方法，能够重构小水电梯级开发下受损河段地貌单元异质性，为小水电科学整改、受损河流生态修复提供依据，为“碳达峰、碳中和”战略目标的实现提供技术支撑。
Description
技术领域
本发明涉及河流生态修复技术领域，尤其涉及一种碳中和目标下小水电梯级开发河段地貌单元异质性重构方法。
背景技术
小水电，尤其是引水式电站，往往在其挡水建筑物与厂房之间形成局部减脱水河段，流量、水位的急剧减少，扰乱了河段的季节性变化，减少了纵向、横向上的连通性，破坏了水生生物群的栖息地。由急流变成缓流，水温呈现上升、溶解氧水平呈现下降的趋势，水生生物避难所的数量、面积显著下降，浅滩出现频率变低，栖息地结构变差，改变了水生生物的群落、空间分布、结构组成等。
地貌单元是水流和泥沙输送过程的物理表现形式，是河段的组成部分，在这个尺度内能够反映河流生态系统的结构、功能和过程。地貌单元异质性是指河流地貌特征在地貌单元尺度下的差异性和复杂程度。河流地貌异质性来源于河流自然演变、人类活动和生态系统演替过程，其与水文水力条件的动态性在维持河流生物多样性方面发挥了至关重要的作用。此外，地貌异质性影响河流中物质(水、溶质、矿物沉积物和颗粒有机物等)的输移与扩散，可以反映并影响河流的地貌过程，对河流的管理和恢复具有重要意义。
小水电密集、梯级开发，造成的累积环境效应对河流的生态状态产生重大影响。小水电梯级开发加剧了持续的栖息地破碎化，进一步破坏了自然生态系统的生物多样性。小水电梯级开发在局部区域形成减脱水河段。该河段水流小、水面窄、水力条件单一，河流地貌单元异质性差，难以满足鱼类、大型底栖动物等水生生物正常的生存需求。
我国小水电的发展建设在不同的历史时期，其发展导向、定位、实际效用均各有侧重。不同历史时期的小水电建设在促进经济社会发展、能源结构转型等方面发挥了重要作用。但与此同时，部分流域、河流存在着无序、过度开发等问题，使河流生态系统遭到了严重的破坏。随着生态文明理念的深入，国家和相关部门也高度重视小水电的相关工作，先后印发了《水利部关于推进绿色小水电发展的指导意见》、《关于开展长江经济带小水电清理整改工作的意见》、《关于进一步做好小水电分类整改工作的意见》等指导意见。其中，2021年12月，7部委联合发布的《关于进一步做好小水电分类整改工作的意见》中提出小水电的整改需深入细致地做好评估分类，科学开展综合评估，合理确定整改和修复目标，明确了小水电退出、整改、保留的条件。此外，小水电对碳达峰、碳中和的贡献不可或缺，实现“碳中和”其实质上是实现人类活动的二氧化碳排放量“收支相抵”，在小水电分类整改工作中不加区分的“一刀切”不可行、不可取，小水电整治亟须正确处理好生态环境保护、经济发展、社会稳定之间的关系。
在实现本发明过程中，发明人发现现有技术中至少存在如下问题：
目前现有技术中还未有一种科学的小水电梯级开发河段地貌单元异质性重构方法，或者，虽然有少量关于小水电梯级开发河段地貌单元异质性重构方法，但考虑的因素过于单一，最终重构的效果不理想，无法为小水电科学整改、受损河流生态修复提供依据，为“碳达峰、碳中和”战略目标的实现提供技术支撑。
因此需要一种碳中和目标下小水电梯级开发河段地貌单元异质性重构方法，以至少部分地解决上述技术问题。
发明内容
鉴于此，本发明实施例提供了一种碳中和目标下小水电梯级开发河段地貌单元异质性重构方法，以至少解决现有技术中的问题之一。
本发明提供了一种碳中和目标下小水电梯级开发河段地貌单元异质性重构方法，该方法包括以下步骤：
基于研究区域的社会经济、水文水资源、水质状态、河流地貌、水利工程和生物的基础情况调查信息，利用综合指标评估法进行现状评估，获得能够明晰河流生态本底的评估结果；
依据现状调查和评估结果，结合小水电空间分布，筛选和识别区域、河流、河段生态系统结构和功能演变的主要胁迫因子，研判其生态系统退化程度与退化原因，明确其保护与修复的目标与方向；
基于现场水动力、地貌特征调查数据，结合宏观尺度上遥感影像、无人机航拍资料，明晰研究区域地貌单元类型及其空间分布；
基于地貌单元密度、地貌单元丰富度和地貌单元多样性指数，构建地貌单元异质性表征指标体系；
基于优先排序准则，引入优先排序指数PI，定量确定小水电梯级影响下受损河段优先修复排序，其中
其中，(PI)i代表等级计分值；n表示优先排序准则数目，i表示优先排序准则序号；
考虑受损河段珍稀、当地特有水生生物需求以及多样性要求，筛选可定量评估的生态指标，可定量评估的生态指标包括Margalef物种丰富度指数、Shannon多样性指数和Simpson多样性指数；
基于地貌特征、生物数据，以地貌单元类型、地貌单元异质性表征指标为因变量，以重点水生生物需求、可定量评估的生态指标为自变量，建构地貌单元—生态响应关系；
基于河段生态保护与修复目标，对照历史状况、区域内受人为影响较小的河流地貌单元空间分布及其异质性，结合现状调查与评估结果，利用生态学干扰指数标准化换算公式得到不同时空尺度下地貌单元异质性表征指标的干扰指数评分值，再依据确定的地貌单元—生态响应关系，获得合理的生态阈值区间，其中该换算公式
其中，VCu′代表换算后样本值；VC95％代表所有参数样本中第95％分位数；VC5％代表所有参数样本中第5％分位数；VCu代表第u个需要换算的参数样本值；当VCu＜VC5％时，VCu＝100，VCu、VCu′取值分数范围0～100分，值越大代表受小水电梯级开发的影响越小；
基于受损河段优先修复排序，结合确定的生态阈值区间、适宜地貌单元类型，以区域社会经济效益为约束条件，选择河床底质相似的区域，在枯水期时将小水电梯级开发河段占比较大单元进行改造重构。
在本发明的一些实施例中，所述基于研究区域的社会经济、水文水资源、水质状态、河流地貌、水利工程、生物的基础情况调查信息，具体内容包括：
通过现场调查、资料收集获取研究区域的社会经济、水文水资源、水质状态、河流地貌、水利工程、生物的基础情况调查信息；
其中，社会经济调查内容包括河湖水系范围内行政区分布、人口、产业结构、特色产业；水文水资源调查包括水文信息采集分析、泥沙测验和计算、水资源状况调查；水质状况调查包括水体质量调查、污染源调查；河流地貌调查包括水系概况、地貌特征、地貌单元、河床底质、岸线及其利用状况；水利工程调查包括小水电名称、空间位置、数量、规模、等级、建设时间；生物调查包括水生生物分布、河岸带生物分布、重要水生生境状况。
在本发明的一些实施例中，所述依据现状调查和评估结果，结合小水电空间分布，筛选和识别区域、河流、河段生态系统结构和功能演变的主要胁迫因子，具体内容包括：
以现状调查与评估结果为依据，总结归纳自然因素、人类因素的相关概况与变化趋势，利用相关性分析、结构方程模型，筛选分析主要胁迫因子。
在本发明的一些实施例中，所述研判其生态系统退化程度与退化原因，具体内容包括：
收集归纳区域、河流、河段历史数据，利用Mann-Kendall检验、滑动秩和检验数理方法进行主要胁迫因子变化趋势的突变检验，明晰突变前人类活动影响较小时间段，以该时间段作为参照，以现状调查与评估结果为基础，利用综合评估法定量研判偏离参照系统的生态系统退化程度，构建生态水力学模型，定量模拟分析不同情景、工况下生态系统结构、功能变化状况，结合相关性分析、结构方程模型分析结果，从而对退化原因进行溯源分析。
在本发明的一些实施例中，所述基于优先排序准则，引入优先排序指数PI，定量确定小水电梯级影响下受损河段优先修复排序，具体内容包括：
优先排序准则包括涨落水次数、适宜蜿蜒度、河流地貌单元密度、减脱水河段占比、鱼类多样性和是否存在重要水生生物栖息地；将各项准则的评价结果划分为不同等级并计分，累计相加各项计分得到对应修复项目的优先排序指数PI，将优先排序指数PI分为不同等级从而完成修复项目的优先排序。
在本发明的一些实施例中，所述Margalef物种丰富度指数
D＝(S-1)/ln N
式中，S代表物种的总数，N代表生物个体的总数；该指数反映一个群落中物种数目的多少，表征了群落物种的丰富度；值越大，代表群落内物种越丰富；
所述Shannon多样性指数
pv＝Nv/N
式中，Nv表示第v种生物的个数；该指数用来估算群落多样性的高低，该值越大，群落多样性越高；
所述Simpson多样性指数
该指数表示一个区域生物的多样性，该指数越大，多样性越高。
在本发明的一些实施例中，在枯水期时将小水电梯级开发河段占比较大单元进行改造重构时，依据河道断面平均流量推求重构区地貌单元适宜水面宽、纵向坡降，在安全性、稳定性的原则下就地取材，布置形式按照粗颗粒在下、细颗粒在上的形式。
在本发明的一些实施例中，所述方法还包括：改造重构后需结合地貌单元异质性评价指标、生态水力学模型，以及现场对水动力特性、水生生物多样性监测，评估重构前后恢复效果，对不理想、不完善区域进一步提升与改善。
在本发明的一些实施例中，所述方法还包括：对研究区域地貌单元空间分布进行可视化。
根据本发明实施例的碳中和目标下小水电梯级开发河段地貌单元异质性重构方法，综合考虑河流生态本底与研究区域社会经济发展情况、生态保护与修复目标、现状地貌单元、地貌异质性表征指标、梯级开发段修复排序、地貌单元—生态响应关系机制和生态阈值区间内容，重构小水电梯级开发下受损河段地貌单元异质性，达到在生态水量受限的情况下，通过地貌单元异质性重构技术，仍可使小水电梯级开发河段生态系统质量和稳定性得到提升，满足鱼类、大型底栖动物等水生生物需求，实现生态保护与修复的目标，为碳中和背景下小水电的科学整改工作提供技术支撑。
本发明的附加优点、目的，以及特征将在下面的描述中将部分地加以阐述，且将对于本领域普通技术人员在研究下文后部分地变得明显，或者可以根据本发明的实践而获知。本发明的目的和其它优点可以通过在说明书以及附图中具体指出的结构实现到并获得。
本领域技术人员将会理解的是，能够用本发明实现的目的和优点不限于以上具体所述，并且根据以下详细说明将更清楚地理解本发明能够实现的上述和其他目的。
附图说明
此处所说明的附图用来提供对本发明的进一步理解，构成本申请的一部分，并不构成对本发明的限定。附图中的部件不是成比例绘制的，而只是为了示出本发明的原理。为了便于示出和描述本发明的一些部分，附图中对应部分可能被放大，即，相对于依据本发明实际制造的示例性装置中的其它部件可能变得更大。在附图中：
图1为本发明一实施例的碳中和目标下小水电梯级开发河段地貌单元异质性重构方法的流程图；
图2为本发明一实施例的碳中和目标下小水电梯级开发河段地貌单元异质性重构方法中的研究区域示意图；
图3为本发明一实施例的碳中和目标下小水电梯级开发河段地貌单元异质性重构方法中地貌单元异质性重构后纵剖面下地貌单元分布示意图；
图4为本发明一实施例的碳中和目标下小水电梯级开发河段地貌单元异质性重构方法中地貌单元异质性重构前后对比图，此时为合理增加急滩面积；
图5为本发明一实施例的碳中和目标下小水电梯级开发河段地貌单元异质性重构方法中地貌单元异质性重构前后对比图，此时为缓流区重构为滑水；
图6为本发明一实施例的碳中和目标下小水电梯级开发河段地貌单元异质性重构方法中干扰指数评分箱型图。
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明白，下面结合实施方式和附图，对本发明做进一步详细说明。在此，本发明的示意性实施方式及其说明用于解释本发明，但并不作为对本发明的限定。
在此，还需要说明的是，为了避免因不必要的细节而模糊了本发明，在附图中仅仅示出了与根据本发明的方案密切相关的结构和/或处理步骤，而省略了与本发明关系不大的其他细节。
应该强调，术语“包括/包含”在本文使用时指特征、要素、步骤或组件的存在，但并不排除一个或更多个其它特征、要素、步骤或组件的存在或附加。
在此，还需要说明的是，如果没有特殊说明，术语“连接”在本文不仅可以指直接连接，也可以表示存在中间物的间接连接。
在下文中，将参考附图描述本发明的实施例。在附图中，相同的附图标记代表相同或类似的部件，或者相同或类似的步骤。
首先，将参考图1描述根据本申请实施例的碳中和目标下小水电梯级开发河段地貌单元异质性重构方法100。如图1所示，碳中和目标下小水电梯级开发河段地貌单元异质性重构方法100可以包括如下步骤：
在步骤S110，河流生态本底与区域社会经济发展调查评估。
在步骤S120，明确生态修复保护目标。
在步骤S130，现状地貌单元识别。
在步骤S140，地貌单元异质性表征指标体系构建。
在步骤S150，梯级开发段修复排序。
在步骤S160，筛选可定量评估的生态指标。
在步骤S170，建构地貌单元-生态响应关系。
在步骤S180，生态阈值区间确定。
在步骤S190，地貌单元异质性重构改造。
在本申请的实施例中，首先通过现状地貌单元识别、地貌单元异质性表征指标体系构建和筛选可定量评估的生态指标，建构地貌单元-生态响应关系机制，再结合河流生态本底与区域社会经济发展调查评估和明确生态修复保护目标，确定了生态阈值区间；其中根据河流生态本底与区域社会经济发展调查评估，可以明确生态修复保护目标；最后基于生态阈值区间和梯级开发段修复排序，进行地貌单元异质性重构改造。
通过上述过程的描述可知，根据本申请实施例的碳中和目标下小水电梯级开发河段地貌单元异质性重构方法100，相较于传统的重构方法，综合考虑河流生态本底与研究区域社会经济发展情况、生态保护与修复目标、现状地貌单元、地貌异质性表征指标、梯级开发段修复排序、地貌单元—生态响应关系机制和生态阈值区间内容，达到在生态水量受限的情况下，通过地貌单元异质性重构技术，仍可使小水电梯级开发河段生态系统质量和稳定性得到提升，满足鱼类、大型底栖动物等生物需求，以问题为导向，以目标为抓手，实现生态保护与修复的目标，为碳中和背景下小水电的科学整改工作提供技术支撑。因此该方法有较高的普适性和准确性。
下面将具体描述根据本申请实施例的碳中和目标下小水电梯级开发河段地貌单元异质性重构方法100的上述各步骤的内容。
首先，参考图2所示，为便于描述，本实施例的研究区域信息如下：
巫溪县位于长江上游地区、重庆东北部，在大巴山东段南麓。地处东经108°44′至109°58′，北纬31°14′至31°44′之间。巫溪县主要河流均属长江水系，包括大宁河、西溪河、柏杨河、后溪河、东溪河等。巫溪县地形以山地为主，山地占93％，最低海拔139.4m，最高海拔2796.8m。起伏变化的地貌使其在水电站建设上具有得天独厚的优势，因此巫溪县内的小水电数量众多。据统计，截止到2020年，巫溪县有130座小水电，1座中型水电站，其开发方式大都为引水式。大宁河发源于大巴山南麓，一支为加担湾河，源头在巫溪县高楼乡，河长约39.6km，控制流域面积292km2。一支为汤家坝河，源头为巫溪县和平乡小龙洞，河长约31.1km，控制流域面积194km2。两源东流至中梁乡龙头嘴汇合后称西溪河，再东流至两河口，与东溪河汇合始称大宁河，转而南流至宁厂镇纳后溪河、至巫溪县城下首纳柏杨河，经龙溪、大昌等地至巫山县城注入长江。河流基本属峡谷型河道，河弯多，坡降大，平均坡降均在10％以上。西溪河干流上有2座梯级电站，分别为中梁一级电站、中梁三级电站，其中中梁二级电站未在干流上，其他还有白马穴、关庙、崇溪沟等3座小型水电站，其挡水坝均未在干流上。大宁河干流上有1座梯子口电站，其挡水坝未在干流上。
结合2018-2021年的实地调研数据，本次研究河段选取西溪河中梁一级大坝—大宁河巫溪境内段，总长为60.34km。依据支流汇入、干流小水电空间布局(白马穴、关庙、崇溪沟、梯子口电站附近流量变化较小，中梁二级电站未在干流上，故均未作为分段节点)、河流坡降等，将其分为中梁一级大坝下游—中梁一级电站、中梁一级电站—中梁二级大坝、中梁二级大坝—中梁三级大坝、中梁三级大坝—中梁三级电站、中梁三级电站—两河口(东溪河汇入口)、两河口—后溪河汇入口、后溪河汇入口—柏杨河汇入口、柏杨河汇入口—大宁河巫溪段境内8个河段，分别用R1—R8描述，其中，R1—R4属于梯级开发直接影响河段，R5—R8属于较自然河段(流量全部下泄，干流已无挡水坝)。
以上研究区域仅为示例，并不表示限制。
在本申请的实施例中，步骤S110中河流生态本底与区域社会经济发展调查评估。进一步地内容为：基于研究区域的社会经济、水文水资源、水质状态、河流地貌、水利工程和生物的基础情况调查信息，利用综合指标评估法进行现状评估，获得能够明晰河流生态本底的评估结果。
具体地，可以通过现场调查、资料收集获取研究区域的社会经济、水文水资源、水质状态、河流地貌、水利工程、生物的基础情况信息。
其中，社会经济调查内容包括河湖水系范围内行政区分布、人口、产业结构、特色产业。水文水资源调查包括水文信息采集分析、泥沙测验和计算、水资源状况调查。水质状况调查包括水体质量调查、污染源调查。河流地貌调查包括水系概况、地貌特征、地貌单元、河床底质、岸线及其利用状况。水利工程调查包括小水电名称、空间位置、数量、规模、等级、建设时间。生物调查包括水生生物分布、河岸带生物分布、重要水生生境状况。
在上述基础上，结合相关技术标准构建评估指标体系，利用综合指标评估法进行现状评估。现状评估的目的是为了明晰河流生态本底，了解问题所在，对症下药。其中具体可以依据《河湖健康评估技术导则》(SL/T 793—2020)和《河湖健康评价指南(试行)》，分别从水文、水质、地貌、生物、社会服务5方面选取指标，利用综合评估法进行现状评估。
在本申请的实施例中，步骤S120中明确生态修复保护目标。进一步地内容为：依据现状调查和评估结果，结合小水电空间分布，统筹考虑碳达峰、碳中和战略目标，筛选和识别区域、河流、河段生态系统结构和功能演变的主要胁迫因子，研判其生态系统退化程度与退化原因，明确其保护与修复的目标与方向。
具体地，在碳达峰、碳中和国家战略规划以及小水电科学整改、分类等行业需求下，结合小水电空间分布，以现状调查与评估结果为依据，总结归纳自然因素(气候变化、降雨等)、人类因素(小水电修建、土地利用变化、社会耗水量、水土保持项目等)的相关概况与变化趋势，利用相关性分析、结构方程模型，筛选分析主要胁迫因子。
收集归纳区域、河流、河段历史数据，利用Mann-Kendall检验、滑动秩和检验等数理方法进行主要胁迫因子变化趋势的突变检验，明晰突变前人类活动影响较小时间段，以该时间段作为参照，以现状调查与评估结果为基础，利用综合评估法定量研判偏离参照系统(人类活动干扰较小河段，较自然)的程度，即生态系统退化程度，构建生态水力学模型，定量模拟分析不同情景、工况下生态系统结构、功能变化状况，结合相关性分析、结构方程模型分析等结果，从而对退化原因进行溯源分析。分析研究区域、河流、河段存在的主要问题，明确其保护与修复的目标与方向。
在本申请的实施例中，步骤S130中现状地貌单元识别。参考图1，步骤S130的具体内容可以为：基于现场水动力、地貌特征调查数据，结合宏观尺度上遥感影像、无人机航拍资料，明晰研究区域地貌单元类型及其空间分布。
具体地，地貌单元是构成水系的基石，可依据形态、沉积物成分(底质)、边界表面(植被覆盖程度)和在河流中的空间位置来划分。例如以Fryirs和Brierley地貌单元分类体系作为依据，该体系基于河流地貌单元的过程－形式组合，将河流地貌单元归为4类：冲积与侵蚀的基岩和巨石单元、河道中段的沉积单元、滨岸的沉积单元、冲积与侵蚀的细颗粒单元。其中，冲积与侵蚀的基岩和巨石单元分为台阶跌水、跌水－深潭、串联跌水、急滩、滑水等9种地貌单元，河道中段的沉积单元分为深潭、浅滩、心滩等13种地貌单元，滨岸的沉积单元包括侧向滩、点滩等15种地貌单元，冲积与侵蚀的细粒单元包括侧向侵蚀滩、冲刷潭等5种地貌单元。
统筹考虑不同地貌单元概念、结构及形式，不同的地貌单元，其空间分布、几何形状与边界、形态特征、沉积物组成及其植被覆盖不一致，其过程－形式组合不同，这为识别地貌单元提供了基本原则。如急滩是非常陡峭、稳定的地貌单元，常由不规则巨石、卵石、砾石排列而成，水流很急。深潭是河流纵剖面上的深部区域，水深流速缓，常和浅滩单元交替分布。基于现场水动力、地貌特征等调查数据，结合宏观尺度上遥感影像、无人机航拍等资料，明晰研究区域地貌单元类型及其空间分布，其中，可以利用高分辨率无人机、测深仪、流速仪等仪器进行空－地实地测量，获取研究河段的遥感影像、河床地形变化、水深流速分布等数据，利用标尺法、筛分法对底质状况进行调查，依据《河流泥沙颗粒分析规程》(SL42-2010)进行底质分类。见图2，S1—S10为实地调研的典型河段，位于R1—R8河段减水、深浅相间、弯曲等典型区域。此外，基于遥感影像、无人机航拍等资料，还可以进一步综合利用空间信息分析、地图处理等软件，将地貌单元空间分布可视化，以便更清楚、形象地进行展示。
在本申请的实施例中，步骤S140中构建地貌单元异质性表征指标体系。更进一步的内容可以为：基于地貌单元密度、地貌单元丰富度和地貌单元多样性指数，构建地貌单元异质性表征指标体系。
其中，地貌单元密度指数是指计算每单位长度调查范围内的地貌单元总数(与类型无关，如单位长度范围内包含5个深潭、6个急滩，那么该指数即为11)。地貌单元丰富度指数是指在小水电梯级开发河段内(给定范围内)观察到的地貌单元类型数与整体最大类型数(区域内识别类型总数)相比的情况。地貌单元多样性指数是基于香农(Shannon)多样性指数提出的，其值越大，地貌单元多样性越高。
上述内容为现有技术，在此不进行具体展开。可以参见：水利学报，2022年5月第53卷第5期，名称：小水电梯级开发河段地貌单元识别与异质性分析的文献。
在本申请的实施例中，步骤S150中梯级开发段修复排序。步骤S150中具体包括：基于优先排序准则，引入优先排序指数PI，定量确定小水电梯级影响下受损河段优先修复排序，其中
其中，(PI)i代表等级计分值；n表示优先排序准则数目，i表示优先排序准则序号。
小水电梯级开发将河流割裂成众多河段，在碳达峰、碳中和战略目标下，统筹考虑社会经济效益的约束，以保护目标与存在问题为导向，考虑兼顾性、有效性与全面性、效益/成本分析、预期生物多样性等优先排序准则，依据相关法律与技术标准，引入优先排序指数PI(prioritization index)，定量确定优先修复顺序。
仍参考图2，依据《长江保护法》、《河湖生态保护与修复规划导则》、《河湖健康评估技术导则》、《绿色小水电评价标准》等相关法律与技术标准，结合中梁水库下游～大宁河巫溪出境段的实际情况，参照上述部分，从中选择多个优先排序准则。表1显示在该区域建立的小型引水式电站河流生态修复工程优先排序准则。共选择了以下准则：涨落水次数；适宜蜿蜒度；河流地貌单元密度；减脱水河段占比；鱼类多样性和是否存在重要水生生物栖息地。
上述优先排序准则仅为上述具体区域的实际案例，并不表示限制。具体区域优先排序准则需具体分析和选取。例如，根据需要下表中排序为1、2、3的优先排序准则可以分别调整为人类发展指数、现状地貌异质性状况、小水电数量。
表1小水电河流生态修复工程优先排序准则
将各项准则的评价结果，划分为不同等级并计分(等级计分法)。计分制可以选取1～5。对于单个修复项目，累计相加各项计分得到总分，即优先排序指数PI(prioritizationindex)。
其中，(PI)i代表等级计分值；n表示优先排序准则数目，i表示优先排序准则序号。
将各项计分进行分级能够代表各项准则的权重。在该方法中，对于权重的确定可以有两种方法：(1)将各权重并列，最大值相同；(2)预设较大权重，突出重要的准则。将公式的计算结果PI值分为不同等级(此次分为4级)，代表排序高、较高、中等和低。在其基础上，结合专家判断、专业知识，从而完成修复项目的优先排序规划。考虑到研究区域主要存在的问题，将4、6(排序)的权重设为0.3，其余四项设为0.1，PI最大为5。从而将排序等级分为：高(PI>4)，较高(PI＝3-4)，中等(PI＝2-3)，低(PI＝1-2)。
继续参见图2，结合中梁水库下游-大宁河巫溪出境段R1-R8的基础数据，得到R1-R8的等级计分，具体见表2。按分值由大到小排列分别为R1＝R4(较高)＞R5(较高)＞R3(中等)＞R6(中等)＞R7(中等)＞R8(中等)＞R2(低)。因此，建议R1、R4段的修复与保护工程优先实施。此外，人工强干扰河段(小水电开发段)的得分平均值3.15＞较为自然河段的2.58。因此，对于整体小水电下游生态恢复有利的生态调度工程或方案应优先排序。考虑到收集资料与研究区域的实际状况，未选择一些预期指标作为准则，在其他区域应用中，可根据实际情况进行调整。
表2小型引水式电站河流生态修复工程优先排序准则
在本申请的实施例中，步骤S160中筛选可定量评估的生态指标。进一步地的内容为考虑受损河段珍稀、当地特有水生生物需求以及多样性要求，筛选可定量评估的生态指标。可定量评估的生态指标包括Margalef物种丰富度指数、Shannon多样性指数和Simpson多样性指数。
具体地，以区域相关法律、规划为依据，考虑受损河段珍稀、当地特有水生生物需求以及多样性要求等，利用典范对应分析、冗余分析等数理统计方法，兼顾全面性、代表性、可操作性等原则，筛选可定量评估的生态指标。其中，可定量评估指可用精确数据表示。可定量评估的生态指标具体可以包括：
(1)Margalef物种丰富度指数
D＝(S-1)/ln N
式中，S代表物种的总数，N代表生物个体的总数。该指数反映一个群落中物种数目的多少，表征了群落物种的丰富度；值越大，代表群落内物种越丰富。
(2)Shannon多样性指数
pv＝Nv/N
式中，Nv表示第v种生物的个数。该指数用来估算群落多样性的高低，该值越大，群落多样性越高。
(3)Simpson多样性指数
该指数表示一个区域生物的多样性。该指数越大，多样性越高。
在本申请的实施例中，步骤S170中建构地貌单元-生态响应关系。步骤S170中具体内容可以包括：基于地貌特征、生物数据，以地貌单元类型、地貌单元异质性表征指标为因变量，以重点水生生物需求、可定量评估的生态指标为自变量，建构地貌单元—生态响应关系。其中，重点水生生物是指珍稀、当地特有水生生物两大类。
其中，地貌单元—生态响应关系示例如下：
其中，y代表生态指标值。x表示地貌单元多样性指数。R表示相关系数，该值越大，相关性越好。P代表显著性值，小于0.05，表示两个变量之间存在相关性。
例如，可以利用回归分析、神经网络等手段建构地貌单元—生态响应关系。
在本申请的实施例中，步骤S180中生态阈值区间确定。其进一步的内容可以为：基于河段生态保护与修复目标，对照历史状况、区域内受人为影响较小的河流地貌单元空间分布及其异质性，结合现状调查与评估结果，利用生态学干扰指数标准化换算公式得到不同时空尺度下地貌单元异质性表征指标的干扰指数评分值，再依据确定的地貌单元—生态响应关系，获得合理的生态阈值区间，其中该换算公式
其中，VCu′代表换算后样本值；VC95％代表所有参数样本中第95％分位数；VC5％代表所有参数样本中第5％分位数；VCu代表第u个需要换算的参数样本值；当VCu＜VC5％时，VCu＝100，VCu、VCu′取值分数范围0～100分，值越大代表受小水电梯级开发的影响越小。依据干扰程度分数划分标准，75分以上可以代表“良好”，25～75分可以代表“一般”，25分以下可以代表“差”。
具体地，以历史状况、人类影响较小时间段基础数据为依据，结合现状调查与评估结果，利用该公式，可得到不同时空尺度下地貌单元异质性表征指标的干扰指数评分值。统计分析其分位数，依据确定的地貌单元—生态响应关系机制，将人类活动影响较小的较自然阶段的表征指标值、生态保护与修复目标值作为参照，从而得到合理的生态阈值区间。
以下为具体分析案例：
以河岸带植被覆盖率作为生态指标；其中，参数样本即生态指标，由基础数据经对应公式计算得到。
参考图6，图6为干扰指数评分箱型图。矩形上边界、下边界代表植被覆盖率变化下干扰指数的25％、75％分位数，分值范围为0.51～70.44，箱体中间黑实线代表平均值，为47.89。依据美国EPA干扰程度分数划分标准，75分以上代表“良好”，25～75分代表“一般”，25分以下代表“差”。
75分对应的植被覆盖率变化为0.28％，以1980年(人类活动影响较小时间段)河岸带植被覆盖率63.53％为依据，确定“良好”评分下植被覆盖率为63.25％～63.82％，以此作为生态阈值区间的限制条件。基于基础数据，结合不同时间阶段地貌单元异质性表征指标的趋势变化，依据水文(地貌单元)—生态响应关系，从而计算各水文指标的生态阈值区间，见表3。
表3生态阈值区间汇总
在本申请的实施例中，步骤S190中地貌单元异质性重构改造。其进一步的内容可以为基于受损河段优先修复排序，结合确定的生态阈值区间、适宜地貌单元类型，以区域社会经济效益为约束条件，选择河床底质相似的区域，在枯水期时将小水电梯级开发河段占比较大单元进行改造重构。
参考图3至图5，依据明确的梯级开发段修复顺序，结合确定的生态阈值区间、适宜地貌单元类型等，以区域社会经济效益等为约束条件，以各地貌单元的过程—形式关系作为限制条件，选择河床底质相似的区域。按照科学性、可行性、目的性等原则，在枯水期时将小水电梯级开发河段占比较大单元适度改造。如将边滩→急滩、边滩→浅滩、缓流区→滑水、缓流区→深潭、急滩→跌水等。
具体可以包括以下几个部分：(1)依据明确的梯级开发段修复顺序，首先确定需优先修复的河段。(2)在生态保护与修复目标下(如该区域特有鱼类需多样化地貌单元类型或适宜地貌单元)，在明晰河流该河段生态本底的基础上，结合确定的生态阈值区间、适宜地貌单元类型等，以区域社会经济效益等为约束条件，从而进行地貌单元异质性的重构。(3)选择底质相似、占比较大单元作为被重构区域，在满足生态目标的基础上，不仅可以节约成本，还有较强的实际可操作性，如减脱水河段因为水量少的缘故，边滩区域较多，通过设计施工将边滩重构为浅滩。其中，不同地貌单元因其过程、形式不同，其生态功能也不尽相同，适宜地貌单元类型，就是可以满足生态保护目标需求的地貌单元。如急滩单元，是部分鱼类产卵区。
此外要注意，重构时需依据河道断面平均流量推求重构区地貌单元适宜水面宽、纵向坡降，在安全性、稳定性的原则下就地取材，布置形式按照粗颗粒在下、细颗粒在上的形式。即依据河道上游来水的多年平均流量，可推算出长有水区域，明晰河道边界，在河道范围内进行地貌单元的异质性重构。考虑水文条件的限制性，结合生态保护目标需求，从而规划设计地貌单元适宜水面宽与纵向坡降。
另外，重构后需结合地貌单元异质性评价指标、生态水力学模型等手段，以及现场对水动力特性、水生生物多样性等监测，评估重构前后恢复效果。对不理想、不完善区域进一步提升与改善。
其中，评估重构前后恢复效果，可以通过以下两种方法：
(1)综合指标评价法：面向生态保护与修复目标需求，从水文、水质、地貌、生物多方面构建评价指标体系，结合现场调查与监测，对重构前后效果进行评估分析。如生物层面选取鱼类多样性指标，重构前调查多样性指数为0.5，重构后多样性指数为1，重构后鱼类多样性恢复效果较好，为200％。
(2)生态水力学模型：基于重构前后的地形地貌数据，构建二维生态水力学模型，结合水文数据，明晰模型上下游边界，通过文献调研与鱼类行为实验，明确目标鱼类适宜性曲线，依据生态水力学模型模拟结果，可定量分析地貌单元异质性重构前后目标鱼类适宜栖息地面积(WUA，Weighted Usable Area)的恢复状况。
基于上面的描述，根据本申请实施例的碳中和目标下小水电梯级开发河段地貌单元异质性重构方法，综合考虑河流生态本底与研究区域社会经济发展情况、生态保护与修复目标、现状地貌单元、地貌异质性表征指标、梯级开发段修复排序、地貌单元—生态响应关系机制和生态阈值区间等多个内容，通过地貌单元异质性重构技术，仍可使小水电梯级开发河段生态系统质量和稳定性得到提升，满足鱼类、大型底栖动物等生物需求，实现生态保护与修复的目标，为碳中和背景下小水电的科学整改工作提供技术支撑。
尽管这里已经参考附图描述了示例实施例，应理解上述示例实施例仅仅是示例性的，并且不意图将本申请的范围限制于此。本领域普通技术人员可以在其中进行各种改变和修改，而不偏离本申请的范围和精神。所有这些改变和修改意在被包括在所附权利要求所要求的本申请的范围之内。
以上所述，仅为本申请的具体实施方式或对具体实施方式的说明，本申请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申请揭露的技术范围内，可轻易想到变化或替换，都应涵盖在本申请的保护范围之内。本申请的保护范围应以权利要求的保护范围为准。
Claims (9)
1.一种碳中和目标下小水电梯级开发河段地貌单元异质性重构方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤：
基于研究区域的社会经济、水文水资源、水质状态、河流地貌、水利工程和生物的基础情况调查信息，利用综合指标评估法进行现状评估，获得能够明晰河流生态本底的评估结果；
依据现状调查和评估结果，结合小水电空间分布，筛选和识别区域、河流、河段生态系统结构和功能演变的主要胁迫因子，研判其生态系统退化程度与退化原因，明确其保护与修复的目标与方向；
基于现场水动力、地貌特征调查数据，结合宏观尺度上遥感影像、无人机航拍资料，明晰研究区域地貌单元类型及其空间分布；
基于地貌单元密度、地貌单元丰富度和地貌单元多样性指数，构建地貌单元异质性表征指标体系；
基于优先排序准则，引入优先排序指数PI，定量确定小水电梯级影响下受损河段优先修复排序，其中
其中，(PI)i代表等级计分值；n表示优先排序准则数目，i表示优先排序准则序号；
考虑受损河段珍稀、当地特有水生生物需求以及多样性要求，筛选可定量评估的生态指标，可定量评估的生态指标包括Margalef物种丰富度指数、Shannon多样性指数和Simpson多样性指数；
基于地貌特征、生物数据，以地貌单元类型、地貌单元异质性表征指标为因变量，以重点水生生物需求、可定量评估的生态指标为自变量，建构地貌单元—生态响应关系；
基于河段生态保护与修复目标，对照历史状况、区域内受人为影响较小的河流地貌单元空间分布及其异质性，结合现状调查与评估结果，利用生态学干扰指数标准化换算公式得到不同时空尺度下地貌单元异质性表征指标的干扰指数评分值，再依据确定的地貌单元—生态响应关系，获得合理的生态阈值区间，其中该换算公式
其中，VCu′代表换算后样本值；VC95％代表所有参数样本中第95％分位数；VC5％代表所有参数样本中第5％分位数；VCu代表第u个需要换算的参数样本值；当VCu＜VC5％时，VCu＝100，VCu、VCu′取值分数范围0～100分，值越大代表受小水电梯级开发的影响越小；
基于受损河段优先修复排序，结合确定的生态阈值区间、适宜地貌单元类型，以区域社会经济效益为约束条件，选择河床底质相似的区域，在枯水期时将小水电梯级开发河段占比较大单元进行改造重构。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述基于研究区域的社会经济、水文水资源、水质状态、河流地貌、水利工程、生物的基础情况调查信息，具体内容包括：
通过现场调查、资料收集获取研究区域的社会经济、水文水资源、水质状态、河流地貌、水利工程、生物的基础情况调查信息；
其中，社会经济调查内容包括河湖水系范围内行政区分布、人口、产业结构、特色产业；水文水资源调查包括水文信息采集分析、泥沙测验和计算、水资源状况调查；水质状况调查包括水体质量调查、污染源调查；河流地貌调查包括水系概况、地貌特征、地貌单元、河床底质、岸线及其利用状况；水利工程调查包括小水电名称、空间位置、数量、规模、等级、建设时间；生物调查包括水生生物分布、河岸带生物分布、重要水生生境状况。
3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述依据现状调查和评估结果，结合小水电空间分布，筛选和识别区域、河流、河段生态系统结构和功能演变的主要胁迫因子，具体内容包括：
以现状调查与评估结果为依据，总结归纳自然因素、人类因素的相关概况与变化趋势，利用相关性分析、结构方程模型，筛选分析主要胁迫因子。
4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，所述研判其生态系统退化程度与退化原因，具体内容包括：
收集归纳区域、河流、河段历史数据，利用Mann-Kendall检验、滑动秩和检验数理方法进行主要胁迫因子变化趋势的突变检验，明晰突变前人类活动影响较小时间段，以该时间段作为参照，以现状调查与评估结果为基础，利用综合评估法定量研判偏离参照系统的生态系统退化程度，构建生态水力学模型，定量模拟分析不同情景、工况下生态系统结构、功能变化状况，结合相关性分析、结构方程模型分析结果，从而对退化原因进行溯源分析。
5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述基于优先排序准则，引入优先排序指数PI，定量确定小水电梯级影响下受损河段优先修复排序，具体内容包括：
优先排序准则包括涨落水次数、适宜蜿蜒度、河流地貌单元密度、减脱水河段占比、鱼类多样性和是否存在重要水生生物栖息地；将各项准则的评价结果划分为不同等级并计分，累计相加各项计分得到对应修复项目的优先排序指数PI，将优先排序指数PI分为不同等级从而完成修复项目的优先排序。
6.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述Margalef物种丰富度指数
D＝(S-1)/ln N
式中，S代表物种的总数，N代表生物个体的总数；该指数反映一个群落中物种数目的多少，表征了群落物种的丰富度；值越大，代表群落内物种越丰富；
所述Shannon多样性指数
pv＝Nv/N
式中，Nv表示第v种生物的个数；该指数用来估算群落多样性的高低，该值越大，群落多样性越高；
所述Simpson多样性指数
该指数表示一个区域生物的多样性，该指数越大，多样性越高。
7.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，在枯水期时将小水电梯级开发河段占比较大单元进行改造重构时，依据河道断面平均流量推求重构区地貌单元适宜水面宽、纵向坡降，在安全性、稳定性的原则下就地取材，布置形式按照粗颗粒在下、细颗粒在上的形式。
8.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，还包括：改造重构后需结合地貌单元异质性评价指标、生态水力学模型，以及现场对水动力特性、水生生物多样性监测，评估重构前后恢复效果，对不理想、不完善区域进一步提升与改善。
9.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，还包括：对研究区域地貌单元空间分布进行可视化。
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Citations (5)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN111651709A (zh) * | 2020-06-01 | 2020-09-11 | 云南大学 | 一种干支流水电开发流域中支流拆坝生境替代与修复方法 |
| CN112651548A (zh) * | 2020-12-11 | 2021-04-13 | 中国电建集团昆明勘测设计研究院有限公司 | 一种高原湖滨生态景观修复规划的评估识别方法 |
| CN112715253A (zh) * | 2020-10-23 | 2021-04-30 | 中国环境科学研究院 | 基于生物多样性的露天矿山生态修复方法 |
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-
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Patent Citations (5)
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Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
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