一種用于生物多樣性保護的河流網絡構建方法及其應用的制作方法
【專利摘要】一種用于生物多樣性保護的河流網絡構建方法及其應用，利用生態網絡理論對河流網絡進行分析研究，屬于生態水文學【技術領域】。所述的河流網絡構建方法將對象河流水系中河流的水力特征明顯改變的位置定義為所述河流網絡的邊；將河水在兩水力特征明顯改變的位置間流通的河道定義為河流網絡的節點。本發明還提供了提供一種基于河流網絡分析的生物多樣性保護中關鍵節點的識別方法。本發明方法構建的河流網絡模型能夠真實直觀的反映河流生態水文過程中各要素之間的相互作用，通過簡單且成熟的方法識別河流網絡中的關鍵節點，將河流水系中的關鍵河段識別出來，以提高河流網絡的可靠性和抗干擾能力，對生物多樣性保護和水資源分配等都具有重要意義。
【專利說明】一種用于生物多樣性保護的河流網絡構建方法及其應用
【技術領域】
[0001] 本發明屬于生態水文學【技術領域】，涉及一種用于生物多樣性保護的河流網絡的構 建方法及其應用，應用生態網絡理論對河流水系進行分析研宄。
【背景技術】
[0002] 隨著社會經濟的快速發展，城市化的進程不斷加快。區域環境，尤其在人口稠密 的河口地區，城市化高速推進的過程中所面臨的重要問題是區域景觀破碎化和生境面積萎 縮，以及由此引起的空間異質性使區域生態系統連續性下降，正常的生態過程受阻，生態功 能降低。面對這一系類生態環境問題，提出了構建生態網絡的方法，該方法將破碎化的生境 斑塊通過恢復或重建生態廊道的方式，使其相互連通，從而改進并增強了原本孤立的棲息 地之間的功能聯系，使原本被阻斷的物質能量流恢復聯系，通過生態網絡的構建恢復景觀 破碎化區域的正常生態過程，以達到生物多樣性保護的目的。
[0003] 隨著生態網絡理論和方法的不斷發展，近年來借助生態網絡理論與方法，通過河 流網絡構建解決相應的生態環境問題的嘗試也進入了快速發展的階段。河流網絡的構建是 通過概化河流水系來實現的，這種概化方式由生態網絡概化演化而來。目前，大部分關于河 流網絡的研宄主要集中在河流的某個單一要素上以及最稀缺棲息地或特有生物在河流水 系中的地位。這些研宄促進了生態網絡的理論方法在河流網絡中的應用及發展。但是，關 于運用生態網絡理論方法體系保護河流生物多樣性和提升河流生態系統服務的研宄還不 全面和系統，原因在于河流結構和功能的復雜性，以及河流保護的多重管理目標和實際操 作中執行的不同標準。
[0004] 因此，迫切需要在應用河流網絡保護生物多樣性和提升河流生態系統服務功能方 面進行深入和系統研宄；更需要結合河流自身屬性特點，建立起適用于河流網絡構建和分 析的方法。由于快速的城市擴張、工程水利設施的建設以及缺水導致的河流網絡破碎化，使 河流網絡內節點之間連通關系減弱甚至消失。恢復和重建孤立河流網絡內部的連通，既增 加了棲息地之間的水文連通和生態連通，又促進了河流生態功能的恢復和健康發展。
[0005] 河流網絡的生態過程是一個復雜的動態非線性過程，其內部各要素之間以及各要 素與周圍環境之間存在著復雜的交互作用關系，且隨著時間和空間的變化而變化。這種復 雜的動態過程在很大程度上是由河流的空間格局所決定，而當河流網絡的生態過程發生改 變時又會反作用于河流空間格局上，使河流空間格局發生相應的變化。因此，對于以河流為 主要生態要素的區域而言，運用生態網絡分析方法來分析河流空間格局與河流生態功能的 相互作用關系尤為重要。通過將水系中的河道和河流交匯點概化成網絡中的邊和節點，并 按照河流網絡邊與節點之間的連通狀況構建河流網絡，使得生態網絡理論應用于河流網絡 的研宄已成為可能。已經有研宄通過各類型河流空間結構模式構建河流網絡模型，并定量 的測度河流水文水質功能。如發明專利申請201410125481. 9公開了一種河流網絡的建模 方法，將對象河流網絡抽象為一個有向網絡模型，方法中將對象河流網絡中河流的水力特 征明顯改變的地方定義為所述有向網絡模型的節點；將河水在節點間流經的河道定義為所 述有向網絡模型的邊，河水流向為邊的方向。該方法可根據河道長度、徑流量等水文特征對 河流網絡中節點和邊的重要性進行定量分析。
[0006] 在復雜網絡和生態網絡中，其抗擾動性越來越受到關注，具有空間拓撲結構的生 態網絡對不同的擾動具有不同的抵抗能力，尤其是當擾動發生在一些關鍵的節點而使其功 能降低或消失時，整個網絡更容易陷入癱瘓狀態，這說明關鍵節點對整個網絡的可靠性和 連通性具有很重要的意義。分析網絡中節點的重要性，找出那些重要的關鍵節點，并且重點 保護這些關鍵節點，來提高整個網絡的可靠性和抗干擾能力；在擾動發生時，即使大多數節 點被破壞，剩余網絡仍可能組成一個完整的且保持連通性、具有基本功能的網絡。同理，在 結構復雜且具有空間拓撲特征的河流網絡中，定量地評估網絡中的節點的重要性，識別出 河流網絡的關鍵節點，有利于對河流網絡進行認識、預測、控制和保護等相關工作，有利于 提高河流網絡的可靠性和抗干擾能力，這對水資源分配、生物多樣性保護等都具有重要意 義。
【發明內容】
[0007] 本發明旨在拓展現有的河流網絡構建技術，提供一種新的河流網絡構建方法，將 生態網絡理論與方法應用于河流網絡分析中，所構建的河流網絡模型能夠真實直觀的反映 河流生態水文過程中各要素之間的相互作用，可用于定量地評估網絡中節點的重要性，識 別其中的關鍵節點。
[0008] 本發明的另一目的在于所述河流網絡構建方法的應用，即提供一種基于河流網絡 分析的生物多樣性保護中關鍵節點的識別方法，通過簡單且成熟的方法識別河流網絡中的 關鍵節點，將河流水系中生物多樣性保護的關鍵河段識別出來。
[0009] 為解決上述技術問題，本發明采用以下技術方案：
[0010] 一種用于生物多樣性保護的河流網絡構建方法，將河流水系抽象概化為一個河流 網絡模型，其特征在于：
[0011] 將對象河流水系中河流的水力特征明顯改變的位置定義為所述河流網絡的邊；將 河水在兩水力特征明顯改變的位置間流通的河道定義為河流網絡的節點。
[0012] 所述河流網絡構建方法，針對不同的研宄目的或對象，網絡河流網絡概化過程中 可以是有向網絡，也可以為無向網絡。例如，當本發明用于生物多樣性保護研宄時，主要針 對魚類、浮游動物、底棲動物等具有自主迀移能力的水生生物，所構建的河流網絡是無向網 絡，即不考慮河流水流方向，相鄰節點之間通過連接的邊雙向連通，即魚類、浮游動物、底棲 動物等具有自主迀移能力的水生生物可以沿著河流向上游或下游任意移動。
[0013] 為了定量評估所構建的河流網絡模型中節點或邊的重要性，所述的方法按以下方 法確定所述河流網絡模型中各個節點和邊的屬性值，具體如下：
[0014] 對任一節點，以該節點的面積、生物多樣性保護價值或是價值權重面積表示該節 點屬性值。其中：
[0015] 面積屬性A(i)按照下式得到：
[0016] A(i) = LiXffi^O < i ^ η
[0017] 式中，A⑴為節點i的面積，η為河流網絡的節點數山為河流網絡中節點i所概 化河段的長度，1,表示節點i所概化河段的平均寬度，河段平均寬度通過野外實地調查河段 多個斷面寬度的平均值。
[0018] 針對任一節點i的生物多樣性保護價值CV (i)按照下式得到：
[0019] CV (i) = 4nEi+3nVi+2nEi+nAi+0n ini+nESi
[0020] 式中，CV⑴表示節點i的保護價值，nEi表示節點i具有顏危種的數量，n Vi表示 節點i具有漸危種的數量，nKi表示節點i具有稀有種的數量，n Ai表示節點i具有優勢種的 數量，nini表示節點i具有外來入侵種的數量，n ESi表示節點i具有特有種的數量。
[0021] 價值權重面積Vi為該節點的面積和生物多樣性保護價值的乘積，按照下式得到：
[0022] V(i) = A(i) XCV(i) ,0 < i ^ n〇
[0023] 針對任一邊j的類型B (j)按照下式得到：
[0024]
【權利要求】
1. 一種用于生物多樣性保護的河流網絡構建方法，將對象河流水系抽象為一個河流網 絡模型，其特征在于，將對象河流水系中河流的水力特征明顯改變的位置定義為所述河流 網絡的邊；將河水在兩水力特征明顯改變的位置間流通的河道定義為河流網絡的節點。
2. 根據權利要求1所述的河流網絡構建方法，其特征在于，所述河流網絡中各個節點 和邊具有下列屬性值： 對任一節點i，以該節點的面積、生物多樣性保護價值或價值權重面積表示該節點屬性 值，其中： 面積屬性A(i)按照下式得到： A(i) =LiXffi^O<i^η 式中，A(i)為節點i的面積，η為河流網絡的節點數，Li為河流網絡中節點i所概化河 段的長度，1,表示節點i所概化河段的平均寬度，河段平均寬度通過野外實地調查河段多個 斷面寬度的平均值； 生物多樣性保護價值CV(i)按照下式得到： CV(i) = 4nEi+3nVi+2nEi+nAi+Onini+nESi 式中，CV(i)表示節點i的保護價值，nEi表示節點i具有顏危種的數量，nVi表示節點i具有漸危種的數量，nKi表示節點i具有稀有種的數量，nAi表示節點i具有優勢種的數量， Hini表示節點i具有外來入侵種的數量，nESi表示節點i具有特有種的數量； 價值權重面積V(i)為該節點的面積和生物多樣性保護價值的乘積，按照下式得到： V(i) =A(i)XCV(i) ,0 <i^η 對任一邊j，類型B(j)按照下式得到：
式中，自然屬性邊為不包括水利工程設施的邊，工程屬性邊為包含水利工程設施的 邊； 對任一邊j的連通性L(j)按照下式得到：
式中，連通的邊指的是河流網絡中兩節點之間存在自然或是人工屬性的邊，不連通的 邊指的是河流網絡中兩節點之間不存在自然或是人工屬性的邊。
3. 根據權利要求1或2所述的河流網絡構建方法，其特征在于，所述的河流的水力特征 明顯改變的位置為河流的流量、流速、水位、水深中至少一種水力特征明顯改變的位置。
4. 根據權利要求1或2所述的河流網絡構建方法，其特征在于，所述的邊為自然屬性邊 或工程屬性邊，自然屬性邊包括河流交匯點、河流出口或面狀水域，所述工程屬性邊包括水 庫、水閘或水利樞紐。
5. -種基于河流網絡分析的生物多樣性保護中關鍵節點的識別方法，包括以下步驟： 1)構建河流網絡模型，將對象河流水系中河流的水力特征明顯改變的位置定義為所 述河流網絡的邊；將河水在兩水力特征明顯改變的位置間流通的河道定義為河流網絡的節 點；確定所述河流網絡模型中各個節點和邊的屬性值； 2) 采用連通完整性指數評價河流網絡的連通狀況，河流網絡的連通完整性指數IIC按 照下式得到：
:指數，其取值范圍為[〇，1] ;n為河流網絡的節點 數，aJPaj分別代表節點i和j的屬性值，nlu表示河流網絡中節點i和j之間最短路徑 的數量，表示河流網絡中所有節點屬性之和； 3) 對河流網絡中各個節點的生物多樣性保護價值進行評價，識別關鍵節點，對任一節 點相對重悪神指翁桉下式計笪，
^ ________________ ,~,、、I相對重要性，IIC和IIC(i)分別表示去除節 點i前和去除節點i后的河流網絡的IIC值。
6. 根據權利要求5所述的關鍵節點的識別方法，其特征在于，對任一節點i，以該節點 的面積、生物多樣性保護價值或價值權重面積表示該節點屬性值，其中： 面積屬性A(i)按照下式得到： A(i) =LiXffi^O<i^η 式中，A(i)為節點i的面積，η為河流網絡的節點數，Li為河流網絡中節點i所概化河 段的長度，1,表示節點i所概化河段的平均寬度，河段平均寬度通過野外實地調查河段多個 斷面寬度的平均值； 生物多樣性保護價值CV(i)按照下式得到： CV(i) = 4nFi+3nVi+2nEi+nAi+Onini+nESi 式中，CV(i)表示節點i的保護價值，nEi表示節點i具有顏危種的數量，nVi表示節點i具有漸危種的數量，nKi表示節點i具有稀有種的數量，nAi表示節點i具有優勢種的數量， Hini表示節點i具有外來入侵種的數量，nESi表示節點i具有特有種的數量； 價值權重面積V(i)為該節點的面積和生物多樣性保護價值的乘積，按照下式得到： V(i) =A(i)XCV(i) ,0 <i^η 對任一邊j，類型B(j)按照下式得到：
式中，自然屬性邊為不包括水利工程設施的邊，工程屬性邊為包含水利工程設施的 邊； 對任一邊j的連通性L(j)按照下式得到：
式中，連通的邊指的是河流網絡中兩節點之間存在自然或是人工屬性的邊，不連通的 邊指的是河流網絡中兩節點之間不存在自然或是人工屬性的邊。
7. 根據權利要求5所述的關鍵節點的識別方法，其特征在于，所述的河流的水力特征 明顯改變的位置為河流的流量、流速、水位、水深中至少一種水力特征明顯改變的位置。
【文檔編號】G06F19/00GK104462773SQ201410629363
【公開日】2015年3月25日 申請日期:2014年11月10日 優先權日:2014年11月10日
【發明者】張志明, 高俊峰 申請人:中國科學院南京地理與湖泊研究所