一种流域水生态功能分区方法与流程

1.本发明属于环境保护与资源综合利用技术领域，涉及水生态功能分区技术，特别是涉及一种流域水生态功能分区方法。


背景技术：

2.河湖等淡水生态系统是人类社会、文化和经济福祉的基础，保护河湖水生态系统对于维系生态可持续发展具有重要意义。近年来，伴随着城镇规模的快速扩张，人类活动对生态系统产生了多种影响，其中一个重要方面是高强度干扰活动导致流域水生态系统呈现退化趋势。从生态管理角度而言，通过划定流域水生态功能分区可为保护流域生态环境，维持水生生物及其栖息环境的健康，合理开发利用水资源，实现水污染控制、治理和预防、水生态管理目标与制定措施方案等提供科学依据，并进一步为流域水生态系统的全面保护与修复提供重要支撑。
3.水生态功能分区是针对水生态系统特征的陆地生态系统划分，是为流域水生态管理提供生态背景和基本单元，也是进行流域生态管理的科学基础和重要依据。国际上对流域水生态功能进行分区和管理在美国、欧盟及澳洲等地已有许多成功案例。其中，美国的水生态功能分区主要按照土地利用、地貌类型、潜在植被和土壤类型进行四级划分；欧盟的水生态功能分区主要基于地形、生物、生态要素的异质性特征，“从上到下”按等级框架研究水生态系统；澳洲的水生态功能分区则综合考虑了气候(周期变化和降雨量)、地理(海拔和地形)和植被(结构和组成)因子对水生态系统的影响。我国从20世纪50年代开始水体区划相关研究，但直到21世纪初才真正意义上开展水生态功能分区相关研究。近年来相关学者陆续开展了水生态功能分区方法的探索工作，但仍处于起步阶段。
4.考虑我国流域水生态系统保护与修复的迫切需求，为支撑重点流域“分区、分类、分级、分期”的水环境治理和管理实现，开展进一步水生态功能分区研究，优化分区指标及功能分区的科学性显得极为重要。


技术实现要素：

5.本发明的目的在于提供一种流域水生态功能分区方法，在全面考虑不同级别水生态功能分区目标基础上，选择合适的表征指标结合聚类分析、典型关联分析(canonical correspondence analysis，cca)及拟合优度指数分析进行分区，进一步结合不同表征指标的内在自然地理驱动因子进行聚类分析，校验、优化形成最优的水生态功能分区，为流域生态系统管理提供决策支撑。
6.为达成上述目的，本发明所采用的技术方案如下：
7.一种流域水生态功能分区方法，其特征在于，基于目标流域dem数据划分子流域，作为分区的基本单元；根据不同级别的水生态功能选择合适的表征指标，将影响流域水生态系统功能的驱动因子与表征指标之间进行排序分析，辨识不同尺度上影响表征指标的主导影响因子；基于选定的表征指标进行聚类分析，运用拟合优度指数分析界定每种属性的
最佳分区；根据区域共轭原则结合各表征指标的主导影响因子进行二次聚类分析，对各分区图层不一致的子流域归属进行调整，完成水生态功能分区草图；基于资料收集，进行分区校验，最终确定水生态功能分区边界，制作流域水生态功能分区图。
8.所述的方法具体包括步骤如下：
9.(1)运用dem数据划分小流域，作为不同级别水生态功能分区的基本单元，如：一级分区以流域内二级河流为划分依据，二级分区以流域内三级河流为划分依据；
10.(2)根据不同级别的水生态功能分区目标，选取合适的分区指标。如反映水资源空间分布特征异质性的水生态功能一级分区，选取径流深、地表水容量、水网密度等作为分区指标；体现流域水生态系统健康差异的水生态功能二级分区，选择河道形态、土壤侵蚀模数与鱼类ibi指标作为表征指标进行分区；
11.(3)将影响流域水生态系统功能的驱动因子与表征指标之间进行排序分析，辨识不同尺度下影响表征指标的主导因子；
12.(4)基于不同功能级别的分区基本单元，针对上述筛选得到的表征指标因子，进行isodata聚类分析；
13.(5)运用拟合优度指数分析界定每种属性的最佳分区；
14.(6)根据区域共轭等原则，对气候、地形等识别出的主导自然地理要素进行二次聚类分析，并对各分区图层不一致的子流域的归属进行调整，完成分区；
15.(7)基于资料收集，进行分区校验(如湿地类型占比、湿地植物、鱼类区系等)，对聚类的结果与分区结果进行相关分析。
16.(8)最终确定水生态功能分区边界，制作流域水生态功能分区图。
17.所述的水生态功能分区方法，以针对大型流域进行水生态功能分区为主。结合不同的水生态功能分区目的，可基于该方法拓展进行多级分区。如对流域水生态功能进行一二级分区时，根据不同水生态功能分区目标选择表征指标，并进一步进行目标流域一级功能划分，在一级分区基础上进行水生态功能二级区的划分；其他级别功能分区划分方式以此类推。
18.所述的水生态功能分区方法，在进行分区指标自然地理驱动因子筛选时，应根据不同级别的水生态功能分区目标选择合适的表征指标。如若一级分区反映水资源空间分布特征的异质性，其驱动因子备选指标应至少包括气候、地形、土壤、水文地质、植被等；二级分区反映生物栖息地生态特征的空间异质性，其备选指标应至少包括气候、地形、土壤、土地覆盖、生境指标。
19.所述的方法中，通过全流域生态调查，收集目标流域鱼类及底栖动物类群数据，运用jaccard similarity index进行检验，基于置换检验分析判断不同级别生态功能分区结果的可靠性。
20.本发明的有益效果：本发明的流域水生态功能分区方法，依据不同级别水生态功能目标，实现河流流域的合理功能分区，从而为流域水生态管理提供基本单元和重要依据；本发明的水生态功能分区方法依据不同的表征指标进行功能分区，并通过分区指标的自然地理驱动因子进行分区优化，进一步结合流域生态调查数据进行置换检验，保障了水生态功能分区结果的科学、合理与可靠性；本发明的流域水生态功能分区方法所需资料均可通过调研、资料收集等常规方式获取，技术路径清晰、方法简便，确保了本方法顺利的应用推
广。
附图说明
21.图1本发明的流域水生态功能分区方法的流程示意图。
22.图2a、2b、2c分别是采用本发明方法划分淮河流域水生态功能一级分区时，根据所选表征指标空间数据所得到的一级分区图，其中，图2a所选的表征指标是径流深度，图2b所选的表征指标是地表水容量，图2c所选的表征指标是水网密度。
23.图3a、3b、3c分别是采用本发明方法划分淮河流域水生态功能二级分区时所选表征指标空间数据所得到的二级分区图，其中，图3a是河道弯曲度，图3b是土壤侵蚀模数，图3c是鱼类ibi指数。
24.图4a、4b分别是采用本发明方法划分的淮河流域水生态功能一级分区图和二级分区图。
具体实施方式
25.下面通过具体实施案例对本发明所述的技术方案给予进一步的详细说明，但有必要指出以下案例只用于对发明内容的描述，并不构成对本发明保护范围的限制。
26.以淮河流域为例进行水生态功能分区，且主要进行水生态功能一二级分区，并结合附图1、附图2、附图3、附图4对本发明作进一步的详细说明。根据本发明的淮河流域水生态功能一二级分区方法主要按照以下步骤进行：
27.(1)以dem数据为原始数据，运用arcgis水文模块，通过无洼地dem生成、汇流累积量计算、水流长度计算、河网提取及流域分割等空间分析过程划分小流域(一级分区以流域内二级河流为划分依据，二级分区以流域内三级河流)，作为分区的基本单元。
28.(2)明确流域水生态功能一二级分区目的与原则：
29.一二级水生态功能分区目的：一级水生态功能分区通过确定水文水资源功能作为分区目标反映大尺度上水资源空间分布的异质性，具体体现在同一水生生物区系下大尺度生境的区域差异，就淮河流域一级水生态功能分区而言，则充分体现了鱼类生物多样性的差异性特征；二级水生态功能分区通过确定生物生境功能作为分区目标反映生物栖息地生态特征的空间异质性；
30.一二级水生态功能分区原则：主要包括发生学原则、共轭性原则、相似性与差异性原则、整体性原则、生态系统等级性原则、多尺度性原则、可持续发展与前瞻性原则、实用可行且与管理相结合原则。其中，以发生学原则、共轭性原则、等级性原则和多尺度性原则等主要是由流域本身的特点所决定的，目的在于解决分区问题，是水生态功能分区的根本性原则；而地域分异性原则、整体性原则、相似性与差异性原则是由地域分异和区域单位的整体性所决定的，目的在于确定区域界限。
31.(3)基于上述的分区目的和原则，根据不同级别的水生态功能分区需求选取合适的分区表征指标与自然地理驱动因子，从而建立淮河流域水生态功能一二级分区指标体系，如表1所示。
32.表1淮河流域水生态功能一二级分区指标体系
[0033][0034][0035]
(4)基于资料收集、生态调查等收集的数据成果，利用gis空间分析技术方法将以上步骤(3)所述所有指标数据，基于分区基本单元进行空间离散，形成基于分区基本单元的分区表征指标及驱动因子的空间分布图。其中，一级分区以二级子流域为基本单元，二级分区以三级子流域为基本单元。
[0036]
(5)将影响流域水生态系统功能的驱动因子与表征指标之间进行排序分析，辨识不同尺度上影响表征指标的主导因子。一级分区中，气候(多年平均气温、多年平均降水)、地形(平均高程、高程差)、土壤(饱和容水量)、水文地质(渗透系数)、植被(多年平均ndvi指数)与上述指标分别进行cca分析，找出每个指标的主导影响因子。二级分区中，气候(多年平均气温、多年平均降水、多年平均日照时数、大于10℃多年平均积温)、地形(平均高程、高程差、地表粗糙度、地表起伏度、地形切割深度、坡度、坡长)、土壤(土壤侵蚀因子)、土地覆盖(土地利用强度)、植被(多年平均ndvi指数)作为驱动因子与表征指标分别进行典型关联
分析(cca)，找出每个表征指标的主导影响因子。
[0037]
(6)将步骤(3)中所述不同级别的表征指标分别进行空间标准化及无量纲化处理，其中空间标准化处理的目标是使得所有的指标图层统一像元大小；接着运用envi软件，将不同级别的三个分区指标分别作为三个波段进行融合，再运用isodata模糊聚类法，依次聚为2～9类，进一步运用拟合优度指数分析进行聚类检验，识别最优的聚类结果，得到初步水生态功能分区。
[0038]
(7)基于区域共轭等原则，根据识别出表征指标的主导影响因子，对各分区图层不一致的子流域归属进行调整(主导影响因子的isodata聚类——二次聚类)，完成分区。
[0039]
(8)在按照步骤(5)、(6)、(7)进行水生态功能分区时，根据所选择的分区指标，首先进行流域水生态功能一级分区划分，在划分出的一级分区内再进行水生态功能二级分区的划分。
[0040]
(9)为验证水生态功能分区成果的科学性与合理性，基于jaccard similarity index进行定量检验，分析不同分区间的差异显著性。一级水生态功能分区采用鱼类类群指标进行验证，二级水生态功能分区采用底栖动物指标进行验证分析。
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(10)基于步骤(9)的分析结果明确后续工作流程，若分区结果不合理则返回步骤(6)进行水生态功能分区的优化与修正，重新进行聚类分析及分区检验，直到分区结果科学合理；若分区结果合理则进行淮河流域水生态功能分区的命名与制图。淮河流域一二级水生态功能分区验证结果显示，不同级别分区结果中两两区域间均存在显著差异，说明运用本发明方法划分出的淮河流域一二级水生态功能分区的结果是合理、可信的。
[0042]
(11)基于科学的水生态功能分区结果，进行淮河流域水生态功能分区命名与制图。一级水生态功能区命名采用“流域或区域名称 水文类型(或者河流类型，即山区河流、平原河流) 水生态一级区”的命名方式。其中，流域与区域名称需体现分区特色，淮河流域由两大较为独立的水系构成，分别为淮河水系与沂沐水系，命名时应体现水系特点及方位；水文类型结合区域特征则分为丰水区、多水区、少水区及缺水区4类。淮河流域水生态功能一级分区包括淮南丰水生态一级区(图4a，d
‑ⅰ
)、淮中少水生态一级区(图4a，d
‑ⅱ
)、淮东多水生态一级区(图4a，d
‑ⅲ
)、沂沐西缺水生态一级区(图4a，d
‑ⅳ
)、沂沐东少水生态一级区(图4a，d
‑ⅴ
)。二级水生态功能区命名参考一级水生态功能区命名方式结合不同二级水生态功能区特征进行命名。
[0043]
上述方法划分淮河流域水生态功能一二级分区，在全面开展流域生态调查、分析文献资料及相关区划方案的基础上，明确流域水生态功能一二级分区的目的，基于发生学原则、共轭性原则、相似性与差异性原则、整体性原则、生态系统等级性原则、多尺度性原则、可持续发展与前瞻性原则、实用可行且与管理相结合原则，以充分反映流域水生态系统空间分异规律为核心目标，根据不同级别水生态功能选择合适的表征指标，通过gis空间标准化分析、聚类分析等空间分析技术进行初步的水生态功能分区，通过典型关联分析识别表征指标的自然地理驱动因子，结合主导的自然地理驱动因子进行水生态功能分区的优化，并结合生态调查数据进行分区校验，得到淮河流域水生态功能一二级分区边界，淮河流域共划分为5个水生态一级功能区(见图4a)、16个水生态二级功能区(见图4b)。