一种基于水生生物对生存环境要求的生态稳定期识别方法与流程

1.本发明专利属于水文领域，尤其涉及一种基于水生生物对生存环境要求的生态稳定期识别方法。


背景技术：

2.随着经济社会及科学技术的不断发展，人类认知自然及改造自然的能力急速提升。气候变化及人类活动的加剧均会导致流域生态系统遭受不同程度的影响或破坏。流域生态系统自身调节能力的丧失，直接威胁到生态系统的健康状况与人类活动的可持续发展。随着发展与环境之间的矛盾日益加深，流域生态系统的健康状况引起了人类社会的广泛关注。流域生态系统健康，一方面是指从生态系统自身出发，其本身能够保持结构完整性、稳定性、功能性及自我修复性；另一方面是指人类活动与自然生态之间的相互影响，能够促进人类经济社会和谐发展，充分发挥流域生态系统的服务功能。对流域生态系统健康状况进行评价，并及时掌握流域健康情况以及水文、环境因素对生态系统健康的影响情况，可为今后流域水资源管理与保护、生态多样性、流域可持续性发展提供数据及理论支撑。
3.目前，有较多对流域生态系统健康状态的评价方法及相关研究，主要分为单因素及复合因素评价。但对于诊断流域生态系统健康时间区间的方法尚且需要进一步的探究。现有研究中，多采用水文变异综合诊断法，其首先确定流域在人类活动对流域生态系统健康造成影响所产生的变异年限，即变异点，然后通过确定判定指标来分析影响后水文特征的变化情况，其中研究多集中在水文时间序列的时态、水文时间序列的不同属性、诊断方法的假设条件、水文时间序列的变异形式和对象的空间维度等方面。但现有方法从单一层面判定，具有主观的人为判定逻辑，且均忽略了生物因素的反馈，以及水文和环境因素耦合对流域生态系统健康时间区间判定的重要性。
4.本发明提出了判定流域生态系统健康时间区间的新视角——生态稳定期，所述生态稳定期是指流域生态系统健康状况处于结构完整、功能稳定且具有自我修复能力的时间区间。


技术实现要素：

5.本发明专利的目的就是针对上述现有技术存在的问题，提出了一种基于水生生物对生存环境要求的生态稳定期识别方法。本发明专利的技术方案是这样实现的：一种基于水生生物对生存环境要求的生态稳定期识别方法，包括以下步骤：
6.s1、收集基础数据，建立水文基础数据库、环境基础数据库和生物基础数据库，并计算识别指标；
7.s2、确定识别指标的波动阈值：
①
稳定趋势线：拟合指标数据的趋势线，选择最趋于1的相关系数r2所对应的趋势线作为稳定趋势线，记该趋势线函数为f(x)；
8.②
偏离程度计算：根据所述趋势线函数f(x)计算每一年对应的指标实验值s
i
:
9.si＝f(xi)
10.其中，x
i
为识别年份；
11.计算识别指标每一年中发生的偏离度d：
[0012][0013]
其中，v
i
为各指标历年实测值；
[0014]
③
确定识别指标波动阈值年：提取偏离度集合中位数对应的指标数据，以所述指标数据的两倍作为该指标的识别度m，将偏离度大于所述识别度m的年份初步作为识别指标波动阈值年，即生态稳定期的边界年限；
[0015]
s3、确定各指标初选生态稳定期区间：若s2中未存识别指标波动阈值，则该识别指标对应的初选稳定期区间为研究年份总长；若s2中有且仅有一个识别指标波动阈值年，则将研究年份起始年至波动阈值年作为初选生态稳定区间；若s2中识别指标波动阈值年≥2，则选择偏离度相对较大的两个年份作为边界年限，其包含的区间即为初选生态稳定区间；
[0016]
s4、确定生态稳定期：将各个指标计算的稳定期区间数据根据识别指标类型分别归档于水文类稳定期区间数据集、环境类稳定期区间数据集和生物类稳定期区间数据集，分别计算所述各数据集内交集，相应记为水文类稳定期区间总交集u
水文
、环境类稳定期区间总交集u
环境
和生物类稳定期区间总交集u
生物
，计算所述u
水文
和u
生物
的交集u1，计算所述u
环境
和u
生物
的交集u2，若所述u1和u2的交集u
交终
非空且非单一年份，则所述交集u
交终
即为生态稳定期区间；若所述u1和u2的交集为空或为单一年份，则以u1和u2的并集u
并终
作为生态稳定期区间。
[0017]
优选地，步骤s1中所述的“水文基础数据库”包含所研究河道中历年河道逐日平均流量qd、洪水过程中的每小时流量qh、起涨时刻至洪峰时刻的时间间距tc、洪水过程中的小时水位zh、起涨时刻至洪峰时刻的时间间距tc、逐日流量qd；步骤s1中所述“环境基础数据库”包含河道中溶解氧、化学需氧量、高猛酸盐、氨氮、总磷、总氮、汞、铅、铜、硒、镉、锌、铬、电导率、氟化物、挥发酚、石油类；步骤s1中所述“生物基础数据库”包含进网卵苗数n、网口面积、网口流速v、第i次采集时间t
i
、第i次采集时的断面流量q
i
、收集水生生物中鱼类的日均数量y、收集河道中浮游植物日均数量f、日水样采集体积v、日鱼类种类数量s1、日水生植物种类数量s2。
[0018]
优选地，识别指标包括：
①
年平均流量q
y
、洪水初始流量v1、洪峰流量v2、流量日增长率v3、洪峰初始水位v4、水位日上涨率v5、涨水持续时间v6、年最小1d平均流量v9、年最小连续三天平均流量v
10
、年最小连续七天平均流量v
11
、年最小连续三十天平均流量v
12
、年最小连续九十天平均流量v
13
、年最大一天平均流量v
14
、年最大连续三天平均流量v
15
、年最大连续七天平均流量v
16
、年最大连续三十天平均流量v
17
、年最大连续九十天平均流量v
18
、基流指数v
19
、每年的一天最大平均流量出现的年积日v
20
、每年的一天最小平均流量出现的年积日v
21
、水质等级v
22
；
②
水质等级v
22
；
③
卵苗总径流量m、水中鱼类年均数量v
23
、河道中浮游植物年均数量v
24
、年浮游生物的丰度v
25
、年鱼类种类数量v
26
、年水生植物种类数量v
27
。
[0019]
优选地，步骤s2中所述的趋势线包含指数趋势线、线性趋势线、对数趋势线、多项式趋势线和乘幂趋势线。
[0020]
本发明具有以下优点：
[0021]
①
本发明的生态识别指标系统覆盖水文因素、环境因素和生物因素，该研究体系
可使最终得到的结果具有较高的可靠性；
②
判定阈值在时间序列上随着生态识别指标的变化而波动，其趋势贴合了各识别指标值拟合得到的趋势线。
附图说明
[0022]
图1是一种基于水生生物对生存环境要求的生态稳定期识别方法流程示意图。
具体实施方式
[0023]
下面结合附图对本发明专利实施方案进行详细描述。
[0024]
一种基于水生生物对生存环境要求的生态稳定期识别方法，包括以下步骤：
[0025]
s1、收集基础数据，建立水文基础数据库、环境基础数据库和生物基础数据库，其中“水文基础数据库”包含所研究河道中历年河道逐日平均流量qd、洪水过程中的每小时流量qh、起涨时刻至洪峰时刻的时间间距tc、洪水过程中的小时水位zh、起涨时刻至洪峰时刻的时间间距tc、逐日流量qd。“环境基础数据库”包含河道中溶解氧、化学需氧量、高猛酸盐、氨氮、总磷、总氮、汞、铅、铜、硒、镉、锌、铬、电导率、氟化物、挥发酚、石油类。“生物基础数据库”包含进网卵苗数n、网口面积、网口流速v、第i次采集时间t
i
、第i次采集时的断面流量q
i
、收集水生生物中鱼类的日均数量y、收集河道中浮游植物日均数量f、日水样采集体积v、日鱼类种类数量s1、日水生植物种类数量s2。并计算如下识别指标
①
年平均流量q
y
、洪水初始流量v1、洪峰流量v2、流量日增长率v3、洪峰初始水位v4、水位日上涨率v5、涨水持续时间v6、年最小1d平均流量v9、年最小连续三天平均流量v
10
、年最小连续七天平均流量v
11
、年最小连续三十天平均流量v
12
、年最小连续九十天平均流量v
13
、年最大一天平均流量v
14
、年最大连续三天平均流量v
15
、年最大连续七天平均流量v
16
、年最大连续三十天平均流量v
17
、年最大连续九十天平均流量v
18
、基流指数v
19
、每年的一天最大平均流量出现的年积日v
20
、每年的一天最小平均流量出现的年积日v
21
、水质等级v
22
；
②
水质等级v
22
；
③
卵苗总径流量m1、水中鱼类年均数量v
23
、河道中浮游植物年均数量v
24
、年浮游生物的丰度v
25
、年鱼类种类数量v
26
、年水生植物种类数量v
27
。
[0026]
s2、确定识别指标的波动阈值：
[0027]
①
稳定趋势线：计算水文基础数据库、环境基础数据库和生物基础数据库中各个拟合指标数据的指数趋势线、线性趋势线、对数趋势线、多项式趋势线和乘幂趋势线，选择最趋于1的相关系数r2所对应的趋势线作为该拟合指标数据的稳定趋势线，记该趋势线函数为f(x)；
[0028]
②
偏离程度计算：根据所述趋势线函数f(x)计算每一年对应的指标实验值s
i
：
[0029]
si＝f(xi)
[0030]
其中，x
i
为识别年份；
[0031]
计算识别指标每一年中发生的偏离度d：
[0032][0033]
其中，v
i
为各指标历年实测值；
[0034]
③
确定识别指标波动阈值年：提取偏离度集合中位数对应的指标数据，以所述指
标数据的两倍作为该指标的识别度m，将偏离度大于所述识别度m的年份初步作为识别指标波动阈值年，即生态稳定期的边界年限；
[0035]
s3、确定各指标初选生态稳定期区间：若s2中未存识别指标波动阈值，则该识别指标对应的初选稳定期区间为研究年份总长；若s2中有且仅有一个识别指标波动阈值年，则将研究年份起始年至波动阈值年作为初选生态稳定区间；若s2中识别指标波动阈值年≥2，则选择偏离度相对较大的两个年份作为边界年限，其包含的区间即为初选生态稳定区间；
[0036]
s4、确定生态稳定期：将各个指标计算的稳定期区间数据根据识别指标类型分别归档于水文类稳定期区间数据集、环境类稳定期区间数据集和生物类稳定期区间数据集，分别计算所述各数据集内交集，相应记为水文类稳定期区间总交集u
水文
、环境类稳定期区间总交集u
环境
和生物类稳定期区间总交集u
生物
，计算所述u
水文
和u
生物
的交集u1，计算所述u
环境
和u
生物
的交集u2，若所述u1和u2的交集u
交终
非空且非单一年份，则所述交集u
交终
即为生态稳定期区间；若所述u1和u2的交集为空或为单一年份，则以u1和u2的并集u
并终
作为生态稳定期区间。