一种用于生物多样性保护的河流网络构建方法及其应用的制作方法
【专利摘要】一种用于生物多样性保护的河流网络构建方法及其应用，利用生态网络理论对河流网络进行分析研究，属于生态水文学【技术领域】。所述的河流网络构建方法将对象河流水系中河流的水力特征明显改变的位置定义为所述河流网络的边；将河水在两水力特征明显改变的位置间流通的河道定义为河流网络的节点。本发明还提供了提供一种基于河流网络分析的生物多样性保护中关键节点的识别方法。本发明方法构建的河流网络模型能够真实直观的反映河流生态水文过程中各要素之间的相互作用，通过简单且成熟的方法识别河流网络中的关键节点，将河流水系中的关键河段识别出来，以提高河流网络的可靠性和抗干扰能力，对生物多样性保护和水资源分配等都具有重要意义。
【专利说明】一种用于生物多样性保护的河流网络构建方法及其应用
【技术领域】
[0001] 本发明属于生态水文学【技术领域】，涉及一种用于生物多样性保护的河流网络的构 建方法及其应用，应用生态网络理论对河流水系进行分析研宄。
【背景技术】
[0002] 随着社会经济的快速发展，城市化的进程不断加快。区域环境，尤其在人口稠密 的河口地区，城市化高速推进的过程中所面临的重要问题是区域景观破碎化和生境面积萎 缩，以及由此引起的空间异质性使区域生态系统连续性下降，正常的生态过程受阻，生态功 能降低。面对这一系类生态环境问题，提出了构建生态网络的方法，该方法将破碎化的生境 斑块通过恢复或重建生态廊道的方式，使其相互连通，从而改进并增强了原本孤立的栖息 地之间的功能联系，使原本被阻断的物质能量流恢复联系，通过生态网络的构建恢复景观 破碎化区域的正常生态过程，以达到生物多样性保护的目的。
[0003] 随着生态网络理论和方法的不断发展，近年来借助生态网络理论与方法，通过河 流网络构建解决相应的生态环境问题的尝试也进入了快速发展的阶段。河流网络的构建是 通过概化河流水系来实现的，这种概化方式由生态网络概化演化而来。目前，大部分关于河 流网络的研宄主要集中在河流的某个单一要素上以及最稀缺栖息地或特有生物在河流水 系中的地位。这些研宄促进了生态网络的理论方法在河流网络中的应用及发展。但是，关 于运用生态网络理论方法体系保护河流生物多样性和提升河流生态系统服务的研宄还不 全面和系统，原因在于河流结构和功能的复杂性，以及河流保护的多重管理目标和实际操 作中执行的不同标准。
[0004] 因此，迫切需要在应用河流网络保护生物多样性和提升河流生态系统服务功能方 面进行深入和系统研宄；更需要结合河流自身属性特点，建立起适用于河流网络构建和分 析的方法。由于快速的城市扩张、工程水利设施的建设以及缺水导致的河流网络破碎化，使 河流网络内节点之间连通关系减弱甚至消失。恢复和重建孤立河流网络内部的连通，既增 加了栖息地之间的水文连通和生态连通，又促进了河流生态功能的恢复和健康发展。
[0005] 河流网络的生态过程是一个复杂的动态非线性过程，其内部各要素之间以及各要 素与周围环境之间存在着复杂的交互作用关系，且随着时间和空间的变化而变化。这种复 杂的动态过程在很大程度上是由河流的空间格局所决定，而当河流网络的生态过程发生改 变时又会反作用于河流空间格局上，使河流空间格局发生相应的变化。因此，对于以河流为 主要生态要素的区域而言，运用生态网络分析方法来分析河流空间格局与河流生态功能的 相互作用关系尤为重要。通过将水系中的河道和河流交汇点概化成网络中的边和节点，并 按照河流网络边与节点之间的连通状况构建河流网络，使得生态网络理论应用于河流网络 的研宄已成为可能。已经有研宄通过各类型河流空间结构模式构建河流网络模型，并定量 的测度河流水文水质功能。如发明专利申请201410125481. 9公开了一种河流网络的建模 方法，将对象河流网络抽象为一个有向网络模型，方法中将对象河流网络中河流的水力特 征明显改变的地方定义为所述有向网络模型的节点；将河水在节点间流经的河道定义为所 述有向网络模型的边，河水流向为边的方向。该方法可根据河道长度、径流量等水文特征对 河流网络中节点和边的重要性进行定量分析。
[0006] 在复杂网络和生态网络中，其抗扰动性越来越受到关注，具有空间拓扑结构的生 态网络对不同的扰动具有不同的抵抗能力，尤其是当扰动发生在一些关键的节点而使其功 能降低或消失时，整个网络更容易陷入瘫痪状态，这说明关键节点对整个网络的可靠性和 连通性具有很重要的意义。分析网络中节点的重要性，找出那些重要的关键节点，并且重点 保护这些关键节点，来提高整个网络的可靠性和抗干扰能力；在扰动发生时，即使大多数节 点被破坏，剩余网络仍可能组成一个完整的且保持连通性、具有基本功能的网络。同理，在 结构复杂且具有空间拓扑特征的河流网络中，定量地评估网络中的节点的重要性，识别出 河流网络的关键节点，有利于对河流网络进行认识、预测、控制和保护等相关工作，有利于 提高河流网络的可靠性和抗干扰能力，这对水资源分配、生物多样性保护等都具有重要意 义。
【发明内容】
[0007] 本发明旨在拓展现有的河流网络构建技术，提供一种新的河流网络构建方法，将 生态网络理论与方法应用于河流网络分析中，所构建的河流网络模型能够真实直观的反映 河流生态水文过程中各要素之间的相互作用，可用于定量地评估网络中节点的重要性，识 别其中的关键节点。
[0008] 本发明的另一目的在于所述河流网络构建方法的应用，即提供一种基于河流网络 分析的生物多样性保护中关键节点的识别方法，通过简单且成熟的方法识别河流网络中的 关键节点，将河流水系中生物多样性保护的关键河段识别出来。
[0009] 为解决上述技术问题，本发明采用以下技术方案：
[0010] 一种用于生物多样性保护的河流网络构建方法，将河流水系抽象概化为一个河流 网络模型，其特征在于：
[0011] 将对象河流水系中河流的水力特征明显改变的位置定义为所述河流网络的边；将 河水在两水力特征明显改变的位置间流通的河道定义为河流网络的节点。
[0012] 所述河流网络构建方法，针对不同的研宄目的或对象，网络河流网络概化过程中 可以是有向网络，也可以为无向网络。例如，当本发明用于生物多样性保护研宄时，主要针 对鱼类、浮游动物、底栖动物等具有自主迀移能力的水生生物，所构建的河流网络是无向网 络，即不考虑河流水流方向，相邻节点之间通过连接的边双向连通，即鱼类、浮游动物、底栖 动物等具有自主迀移能力的水生生物可以沿着河流向上游或下游任意移动。
[0013] 为了定量评估所构建的河流网络模型中节点或边的重要性，所述的方法按以下方 法确定所述河流网络模型中各个节点和边的属性值，具体如下：
[0014] 对任一节点，以该节点的面积、生物多样性保护价值或是价值权重面积表示该节 点属性值。其中：
[0015] 面积属性A(i)按照下式得到：
[0016] A(i) = LiXffi^O < i ^ η
[0017] 式中，A⑴为节点i的面积，η为河流网络的节点数山为河流网络中节点i所概 化河段的长度，1,表示节点i所概化河段的平均宽度，河段平均宽度通过野外实地调查河段 多个断面宽度的平均值。
[0018] 针对任一节点i的生物多样性保护价值CV (i)按照下式得到：
[0019] CV (i) = 4nEi+3nVi+2nEi+nAi+0n ini+nESi
[0020] 式中，CV⑴表示节点i的保护价值，nEi表示节点i具有颜危种的数量，n Vi表示 节点i具有渐危种的数量，nKi表示节点i具有稀有种的数量，n Ai表示节点i具有优势种的 数量，nini表示节点i具有外来入侵种的数量，n ESi表示节点i具有特有种的数量。
[0021] 价值权重面积Vi为该节点的面积和生物多样性保护价值的乘积，按照下式得到：
[0022] V(i) = A(i) XCV(i) ,0 < i ^ n〇
[0023] 针对任一边j的类型B (j)按照下式得到：
[0024]
【权利要求】
1. 一种用于生物多样性保护的河流网络构建方法，将对象河流水系抽象为一个河流网 络模型，其特征在于，将对象河流水系中河流的水力特征明显改变的位置定义为所述河流 网络的边；将河水在两水力特征明显改变的位置间流通的河道定义为河流网络的节点。
2. 根据权利要求1所述的河流网络构建方法，其特征在于，所述河流网络中各个节点 和边具有下列属性值： 对任一节点i，以该节点的面积、生物多样性保护价值或价值权重面积表示该节点属性 值，其中： 面积属性A(i)按照下式得到： A(i) =LiXffi^O<i^η 式中，A(i)为节点i的面积，η为河流网络的节点数，Li为河流网络中节点i所概化河 段的长度，1,表示节点i所概化河段的平均宽度，河段平均宽度通过野外实地调查河段多个 断面宽度的平均值； 生物多样性保护价值CV(i)按照下式得到： CV(i) = 4nEi+3nVi+2nEi+nAi+Onini+nESi 式中，CV(i)表示节点i的保护价值，nEi表示节点i具有颜危种的数量，nVi表示节点i具有渐危种的数量，nKi表示节点i具有稀有种的数量，nAi表示节点i具有优势种的数量， Hini表示节点i具有外来入侵种的数量，nESi表示节点i具有特有种的数量； 价值权重面积V(i)为该节点的面积和生物多样性保护价值的乘积，按照下式得到： V(i) =A(i)XCV(i) ,0 <i^η 对任一边j，类型B(j)按照下式得到：
式中，自然属性边为不包括水利工程设施的边，工程属性边为包含水利工程设施的 边； 对任一边j的连通性L(j)按照下式得到：
式中，连通的边指的是河流网络中两节点之间存在自然或是人工属性的边，不连通的 边指的是河流网络中两节点之间不存在自然或是人工属性的边。
3. 根据权利要求1或2所述的河流网络构建方法，其特征在于，所述的河流的水力特征 明显改变的位置为河流的流量、流速、水位、水深中至少一种水力特征明显改变的位置。
4. 根据权利要求1或2所述的河流网络构建方法，其特征在于，所述的边为自然属性边 或工程属性边，自然属性边包括河流交汇点、河流出口或面状水域，所述工程属性边包括水 库、水闸或水利枢纽。
5. -种基于河流网络分析的生物多样性保护中关键节点的识别方法，包括以下步骤： 1)构建河流网络模型，将对象河流水系中河流的水力特征明显改变的位置定义为所 述河流网络的边；将河水在两水力特征明显改变的位置间流通的河道定义为河流网络的节 点；确定所述河流网络模型中各个节点和边的属性值； 2) 采用连通完整性指数评价河流网络的连通状况，河流网络的连通完整性指数IIC按 照下式得到：
:指数，其取值范围为[〇，1] ;n为河流网络的节点 数，aJPaj分别代表节点i和j的属性值，nlu表示河流网络中节点i和j之间最短路径 的数量，表示河流网络中所有节点属性之和； 3) 对河流网络中各个节点的生物多样性保护价值进行评价，识别关键节点，对任一节 点相对重悪神指翁桉下式计笪，
^ ________________ ,~,、、I相对重要性，IIC和IIC(i)分别表示去除节 点i前和去除节点i后的河流网络的IIC值。
6. 根据权利要求5所述的关键节点的识别方法，其特征在于，对任一节点i，以该节点 的面积、生物多样性保护价值或价值权重面积表示该节点属性值，其中： 面积属性A(i)按照下式得到： A(i) =LiXffi^O<i^η 式中，A(i)为节点i的面积，η为河流网络的节点数，Li为河流网络中节点i所概化河 段的长度，1,表示节点i所概化河段的平均宽度，河段平均宽度通过野外实地调查河段多个 断面宽度的平均值； 生物多样性保护价值CV(i)按照下式得到： CV(i) = 4nFi+3nVi+2nEi+nAi+Onini+nESi 式中，CV(i)表示节点i的保护价值，nEi表示节点i具有颜危种的数量，nVi表示节点i具有渐危种的数量，nKi表示节点i具有稀有种的数量，nAi表示节点i具有优势种的数量， Hini表示节点i具有外来入侵种的数量，nESi表示节点i具有特有种的数量； 价值权重面积V(i)为该节点的面积和生物多样性保护价值的乘积，按照下式得到： V(i) =A(i)XCV(i) ,0 <i^η 对任一边j，类型B(j)按照下式得到：
式中，自然属性边为不包括水利工程设施的边，工程属性边为包含水利工程设施的 边； 对任一边j的连通性L(j)按照下式得到：
式中，连通的边指的是河流网络中两节点之间存在自然或是人工属性的边，不连通的 边指的是河流网络中两节点之间不存在自然或是人工属性的边。
7. 根据权利要求5所述的关键节点的识别方法，其特征在于，所述的河流的水力特征 明显改变的位置为河流的流量、流速、水位、水深中至少一种水力特征明显改变的位置。
【文档编号】G06F19/00GK104462773SQ201410629363
【公开日】2015年3月25日 申请日期:2014年11月10日 优先权日:2014年11月10日
【发明者】张志明, 高俊峰 申请人:中国科学院南京地理与湖泊研究所