一种湖泊型流域水生态功能一二级分区方法.pdf

一种湖泊型流域水生态功能一二级分区的方法，选择一组水生态功能分区指标，以目标流域DEM为底图，通过水文分析划分出分区基本单元，将各分区指标在分区基本单元上进行空间离散，采用二阶空间聚类分析方法，对相似的水生态分区基本单元进行合并，初步形成的水生态功能分区草图；对分区结果进行校验，对分区草图进行必要的调整和修正，最终确定水生态功能分区的边界，制作湖泊型流域水生态功能分区图。本发明的湖泊型流域水生态功能分区方法在全面考虑流域自然地理、地貌、水文以及相关区划方案的基础上，将流域划分为相对同质、均匀的分区单元，为科学决策提供支撑。本发明方法所需资料均为常规资料，容易获取，可广泛应用推广。

1.  一种湖泊型流域水生态功能一二级分区方法，其特征在于，选择一组湖泊型流域水生态功能一二级分区指标，以目标流域DEM为底图，通过水文分析划分出目标流域的自然水文单元作为分区基本单元，将各分区指标在分区基本单元上进行空间离散，采用二阶空间聚类分析方法，对相似的水生态分区基本单元进行合并，初步确定水生态功能分区边界，形成的水生态功能分区草图；对分区结果进行校验，对分区草图进行必要的调整和修正，最终确定水生态功能分区的边界，制作湖泊型流域水生态功能分区图。

2.  根据权利要求1所述的湖泊型流域水生态功能一二级分区方法，其特征在于，所述的方法包括以下步骤：
(1)选择表示目标流域地形地貌、河网水系、植被、土地利用和土壤类型的指标为备选分区指标，并针对所述指标在目标流域进行实地调查，将结果制成专题地图，对专题地图进行叠加分析；
(2)指标筛选：依据湖泊型流域水生态功能一二级分区的目的和原则，确定进行各级水生态功能分区的分区指标；
(3)以目标流域DEM为底图，通过水文分析划分出目标流域的自然水文单元，确定为水生态功能分区基本单元；
(4)使用GIS空间分析方法，将各分区指标在分区基本单元上进行空间离散，形成基于分区基本单元的分区指标空间分布图；
(5)使用二阶空间聚类方法，对相似的水生态分区基本单元进行合并，初步确定水生态功能分区边界，形成水生态功能分区草图；
(6)利用水生态调查数据进行分区校验，若分区校验结果符合流域实际情况则进入步骤(7)，若分区校验结果不符合，则返回步骤(5)，对分区草图进行必要的调整和修正，直到分区校验结果与流域实际情况相符合；
(7)最终确定水生态功能分区边界，制作湖泊型流域水生态功能一二级分区图。

3.  根据权利要求1或2所述的湖泊型流域水生态功能一二级分区方法，其特征在于，对湖泊型流域水生态功能进行一二级分区，将分区指标划分为一级分区指标和二级分区指标，根据所选择的分区指标，首先进行目标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。

4.  根据权利要求3所述的湖泊型流域水生态功能一二级分区方法，其特征在于，所述的一级分区指标至少包括河网密度和地面高程，二级分区指标至少包括土壤类型、坡度、建设用地面积比和耕地面积比。

一种湖泊型流域水生态功能一二级分区方法
技术领域
本发明属于环境保护与资源综合利用技术领域，涉及流域水生态功能分区技术，具体涉及一种湖泊型流域水生态功能一二级分区方法。
背景技术
水生态系统为生物的繁衍生息提供了必要的物质条件和空间基础。近年来，随着世界人口数量的不断激增、社会经济和城市化水平的迅猛发展，人类对水生态系统的占用和破坏与日俱增，流域水生态系统不断呈现退化的趋势。持续强烈的人类活动已经对水生态系统的健康和安全造成严重的影响。如果要长期持续地解决流域水生态系统中的水环境和水质量问题，建立稳定、健全的水生态系统，提高河道自身的净化能力是最为主要的选择。
由于不同的水生态系统存在不同生态环境问题，这就要求必须针对不同的水生态系统问题，提出不同的对策与解决方案。因此，流域水生态功能分区就显得尤为重要。在此基础上，进一步从水生态系统健康的角度实现流域水环境目标，在“分区、分级、分类、分期”水环境管理模式指导下，以先进、规范的技术方法体系为支撑，建立以水质目标为基础的水环境管理技术体系。
生态区被认为是具有相似生态系统或期待发挥相似生态功能的陆地及水域，自该定义于1967年首次提出以来，日益为人们所接受。流域水生态分区逐渐发展成为国际研究热点，并被相关政府部门应用到日常的水资源管理中去，逐渐成为国际水资源管理的常用基本单元。例如自20世纪80年代，以水生态分区为基础实施流域管理的理念在国际上获得了广泛的认可。其中，美国以生态系统管理为理念，运用流域保护和流域分析方法，采用土地利用、土壤、自然植被和地形等指标，综合水生态系统完整性评价和生态需水，在充分反映水体生态环境特性的基础上，开展流域水生态分区。国内对于水生态功能分区的研究起步较晚，研究较少，相关研究主要对水生态区划方法及其在中国的应用前景做了探讨，并进行了流域和水库的水生态分区。
考虑到我国水环境问题日益突出，针对我国不同流域水生态系统的特点，尤其是湖泊型流域，开展水生态功能分区研究显得迫在眉睫。
发明内容
本发明的目的在于提供一种湖泊型流域水生态功能一二级分区的方法，在全面考虑流域自然地理、地貌、水文以及相关区划方案的基础上，以有利于流域水生态功能区划分为目的，将流域划分为一系列相对同质、均匀的分区单元，为水利、环保等部门的水资源管理、水环境保护的科学决策提供科技支撑。
为达成上述目的，本发明所采用的技术方案如下：
一种湖泊型流域水生态功能一二级分区的方法，其特征在于，选择一组湖泊型流域水生态功能分区指标，以目标流域DEM为底图，通过水文分析划分出目标流域的自然水文单元作为分区基本单元，将各分区指标在分区基本单元上进行空间离散，采用二阶空间聚类分析方法，对相似的水生态分区基本单元进行合并，初步确定水生态功能分区的边界，形成水生态功能分区草图；对分区结果进行校验，对分区草图进行必要的调整和修正，最终确定水生态功能分区的边界，制作湖泊型流域水生态功能分区图。
具体地，所述的方法包括以下步骤：
(1)选择表示目标流域地形地貌、河网水系、植被、土地利用和土壤类型的指标为备选分区指标，并针对所述指标在目标区域进行实地调查，将结果制成专题地图，对专题地图进行叠加分析；
(2)指标筛选：依据湖泊型流域水生态功能分区的目的和原则，确定进行各级水生态功能分区的分区指标；
(3)以目标流域DEM为底图，通过水文分析划分出目标流域的自然水文单元，确定为水生态功能分区基本单元；
(4)使用GIS空间分析方法，将各分区指标在分区基本单元上进行空间离散，形成基于分区基本单元的分区指标空间分布图；
(5)使用二阶空间聚类方法，对相似的水生态分区基本单元进行合并，初步确定水生态功能分区边界，形成水生态功能分区草图；
(6)利用水生态调查数据进行分区校验，若分区校验结果符合流域实际情况则进入步骤(7)，若分区校验结果不符合，则返回步骤(5)，对分区草图进行必要的调整和修正，直到分区校验结果与流域实际情况相符合；
(7)最终确定水生态功能分区边界，制作湖泊型流域水生态功能一二级分区图。
所述的方法在进行湖泊型流域水生态功能分区时，根据水生态功能分区的目的，可以进行多级分区。通常对湖泊型流域水生态功能进行一二级分区，一级分区的目的是体现水生态系统形成的自然地理因素的分布与格局，二级分区的目的是体现流域人类活动干扰程 度的空间差异性。
进行湖泊型流域水生态功能一二级分区时，将分区指标划分为一级分区指标和二级分区指标，根据前述的方法和所选择的分区指标，首先进行目标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。
本发明所述的一级分区指标至少包括河网密度和地面高程，二级分区指标至少包括土壤类型、坡度、建设用地面积比和耕地面积比。
所述的方法中，在二阶空间聚类方法对分区基本单元进行合并或对分区草图进行必要的调整和修正时，可以进行人工辅助识别。
本发明的有益效果：本发明的湖泊型流域水生态功能一二级分区的方法，依据不同分区类型的目的，水生态功能分区结果为一系列相对同质、均匀的单元，可为流域水生态系统管理提供基本单元，为流域管理提供有力的支撑；本发明的水生态功能分区方法依据湖泊型流域水生态分区指标体系，划分水生态功能区，并通过分区校验，检验分区结果真实性和可靠性；本发明的湖泊型流域水生态功能一二级分区方法所需资料均为常规资料，容易获取，为该方法的应用推广提供了有力的支撑。
附图说明
图1本发明的湖泊型流域水生态功能一二级分区方法的流程示意图；
图2采用本发明方法划分的巢湖流域水生态功能一二级分区图，2A是巢湖流域水生态功能一级分区图，2B是巢湖流域水生态功能二级分区图；
图3巢湖流域水生态功能分区校验图。
具体实施方式
下面通过具体实施例对本发明所述的技术方案给予进一步详细的说明，但有必要指出以下实施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。
以巢湖流域为例，结合附图1、附图2和附图3对本发明作进一步的详细说明。根据本发明的水生态功能分区方法主要按照以下步骤进行：
(1)以巢湖流域地势地貌、河网水系、植被类型、土地利用类型和土壤类型等为备选分区指标，并针对上述指标在目标区域采集数据或进行实地调查，将结果制成专题地图；在ArcGIS软件的支持下，对专题地图进行叠加分析；
(2)依据湖泊型流域水生态功能一二级分区的目的和原则，确定进行各级水生态功能 分区的指标
湖泊型流域水生态功能分区的目的：针对流域水生态系统的层次结构特征和管理需求，设定不同级别水生态功能分区的目的。本次研究拟对巢湖流域进行一二级分区。水生态功能一级分区的目的是体现水生态系统形成的自然地理因素的分布与格局，水生态功能二级分区的目的是体现流域人类活动干扰程度的空间差异性。
湖泊型流域水生态功能分区的原则：区内相似性原则、区间差异性原则、等级性原则、综合性与主导性原则、共轭性原则和可操作性原则。其中，同一分区内水生态系统格局、特征、功能、过程及服务功能具有最大的相似性和不同分区之间具有最大的差异性，即相似性原则和差异性原则是根据水生态系统原理进行水生态功能分区的根本性原则。在进行水生态功能一级分区时，还应该考虑以水定陆、水陆耦合原则；地域发生学原则；子流域完整性原则。进行水生态功能二级分区时除遵循上述原则外，还应遵循以下特有原则：突出湖体重要性原则。
依据上述分区目的和原则，面向湖泊型流域水生态功能一二级分区的现实需求，建立湖泊型流域水生态功能分区指标体系，如表1所示。
表1湖泊型流域水生态功能一二级分区指标体系

(3)确定水生态功能分区基本单元
以目标流域DEM为底图，通过水文分析划分出目标流域的自然水文单元，确定为水生态功能分区基本单元。可以利用流域DEM数据，经过填洼、流向生成、水流累积量分析等步骤，划分自然水文单元，获得分区基本单元分布图。针对平原区水生态功能分区基本单元划分，平原区有圩区分布的，以圩区边界作为分区基本单元；其他地区，以每一单元内单一土地利用类型所占比例大于80％作为判别标准，若单元内某一类土地利用类型所占比例大于80％，则确定为一个基本分区基本单元；若没有任何一类土地利用类型所占的比例 大于80％，则将分区基本单元进一步细化，直至单元内单一土地利用类型大于80％为止；最后结合流域河流水系分布，采用人工修整的方式对其进行整理，从而获得水生态功能分区基本单元。
(4)使用GIS空间分析方法，将各分区指标在分区基本单元上进行空间离散
依据选取的湖泊型流域水生态功能分区指标，以步骤(3)确定的水生态功能分区基本单元为基础，利用GIS空间分析方法将表1中各指标进行空间离散。空间离散的方法根据指标的不同有所差别，一般可选择整体插值离散和局部插值离散两类。整体插值法以整个研究区的样点数据为基础计算，通过使用方差分析和回归分析等标准的统计方法，计算比较简单。整体插值法有边界内插值法、趋势面分析、变换函数插值法等。局部插值方法只使用临近的数据点来估计未知点的值，所使用的插值函数、区域大小、形状和方向，数据点的个数，数据点的分布形式是规则的还是不规则的等都会影响到插值结果，插值方法包括泰森多边形法、移动平均插值法、样条函数插值法、空间子协方差最佳插值法(Kriging插值法)等。最终形成基于分区基本单元的分区指标空间分布图。
(5)使用二阶空间聚类方法，初步确定水生态功能分区边界，形成水生态功能分区结果草图
针对空间聚类分析，本发明采用二阶空间聚类模型(Two Step Cluster)，该聚类模型是一种新型的分层聚类算法，可对一阶聚类不显而易见的数据聚类成几个自然组或类。对零散分布的单元结合专家小组的咨询与判断和就近合并的原则进行人工辅助识别，同时兼顾相关规划方案，初步确定水生态功能分区边界，形成的水生态功能分区草图。
在按照步骤(4)和(5)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。
(6)利用水生态调查数据进行分区校验
为验证分区结果的科学性和合理性，采用底栖动物指标从定性和定量的角度进行比较，分析验证分区的合理性和可靠性。底栖动物指标主要选择各区多样性指数，主要包括Margalef种类丰富度指数、Shannon-Wiener指数、Pielou均匀度指数、Simpson指数和BP生态优势度指数。如果分区结果合理可靠，则进行水生态功能分区图的制作；如不合理则应返回步骤(5)进行分区修正，对分区草图进行必要的调整和修正，然后重复分区校验步骤，直到分区结果合理可靠。
对巢湖流域水生态功能二级分区来说，对于Margalef种类丰富度指数，LEI₁区最大，为3.3597；其次是LEII₂区，为2.4754；再次是LEII₃区，为2.3973；最小是LEIII₁区，为 0.7866。对于Shannon-Wiener指数，LEI₁区最大，为2.0122；其次是LEII₂区，为1.8511；再次是LEII₄区，为1.5337；最小是LEII₁区，0.8721。对于Pielou均匀度指数，LEII₂最大，为0.7585；其次是LEI₁，为0.7166；再次是LEIII₁，为0.6516；最小是LEII₁区，为0.4683。对于Simpson指数，LEI₁区最大，为0.7892；其次是LEII₂，为0.7632；再次是LEII4，为06476；最小是LEII₁区，为0.4093。对于BP生态优势指数，LEIII₁最大，为0.4688；其次是LEII₁，为0.4353；再次是LEI₂，为0.2812；最小是LEII₂，为0.2131。
方差分析显示，巢湖流域水生态功能二级区中，从底栖动物的Margalef种类丰富度指数、Shannon-Wiener指数、Pielou均匀度指数、Simpson指数和生态优势度指数来看，各二级区均存在显著差异。因此，采用本发明方法划分出的巢湖流域水生态功能二级区是合理可靠的。
(7)最终确定水生态功能分区边界，制作湖泊型流域水生态功能分区图。
上述方法对湖泊型流域进行水生态功能一二级分区，在全面考虑流域自然地理、地貌、水文以及相关区划方案的基础上，明确不同水生态功能分区的目的，依据相似性原则、差异性原则、等级性原则、综合性与主导性原则、共轭性原则和可操作性原则等基本原则，并考虑各级分区的特有性原则，以有利于流域水生态功能区划分为目的，将研究区域划分为一系列相对同质、均匀的自然水文单元(分区基本单元)，使用GIS空间分析方法，依据建立的一二级水生态功能分区指标体系，采用二阶空间聚类分析方法，对相似的分区基本单元进行合并，并结合专家小组的咨询与判断，对分区结果进行调整，得到湖泊型流域水生态功能一二级分区边界。并通过对分区结果进行校验，提高分区结果的真实性和可靠性。