一种用于生物多样性保护的河流网络构建方法及其应用

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。

说明书

技术领域

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究。

背景技术

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。

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 研究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。 这些研究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究还不全面和系统，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。

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 深入和系统研究；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。

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究已成为可能。 已经有研究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。

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

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。

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。

为解决上述技术问题，本发明采用以下技术方案：

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：

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。

所述河流网络构建方法，针对不同的研究目的或对象，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究时，主要针对鱼类、 浮游动物、底栖动物等具有自主迁移能力的水生生物，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 具有自主迁移能力的水生生物可以沿着河流向上游或下游任意移动。

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：

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：

面积属性A(i)按照下式得到：

A(i)＝L_i×W_i，0＜i≤n

式中，A(i)为节点i的面积，n为河流网络的节点数，L_i为河流网络中节点i所概化河段 的长度，W_i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。

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：

CV(i)＝4n_Ei+3n_Vi+2n_Ri+n_Ai+0n_ini+n_ESi

式中，CV(i)表示节点i的保护价值，n_Ei表示节点i具有濒危种的数量，n_Vi表示节点i具 有渐危种的数量，n_Ri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，n_ini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。

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)×CV(i)，0＜i≤n。

针对任一边j的类型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。根据本发明的河流网络概化方法，此处 的边指的是河流水系中河流的水力特征明显改变的位置。

所述的方法中，河流的水力特征明显改变的位置是指河流的流量、流速、水位、水深等 水力特征至少一种明显改变的位置，如河流交汇点、河流出口、湿地、湖泊等面状水域，水 库、水闸、水利枢纽等人工设施。根据其工程属性，所述的边包括自然属性边和工程属性边。

本发明还涉及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，包括以下步骤：

1)按照上文所述的方法构建河流网络，并确定所述河流网络模型中各个节点和边的属性 值，其中对任一节点i优选以该节点的价值权重面积表示该节点属性值；

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：

$\mathrm{IIC}=\frac{\underset{i=1}{\overset{n}{\Sigma }}\underset{j=1}{\overset{n}{\Sigma }}\frac{a_i\times a_j}{1+{\mathrm{nl}}_{\mathrm{ij}}}}{A_L^2}$

式中，IIC表示河流网络连通完整性指数，其取值范围为[0，1]；n为河流网络的节点数， a_i和a_j分别代表节点i和j的属性值，nl_ij表示河流网络中节点i和j之间最短路径的数量，A_L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 i，其相对重要性指数按下式计算：

$\mathrm{\Delta IIC}\left(i\right)=\frac{\mathrm{IIC}-\mathrm{IIC}\left(i\right)}{\mathrm{IIC}}\times 100\%$

式中，ΔIIC(i)表示河流网络中节点i的相对重要性，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。

相比现有技术，本发明利用复杂网络和生态网络理论与方法，在河流网络构建过程中， 将各个自然和人工的结构和设施等要素概化为网络的边，将河段等线状要素概化为网络的节 点，构建河流网络，并在此基础上根据河段长度和河段平均宽度等水文特征以及河段内生物 资源的保护价值等生物特征对河流网络中节点的重要性进行定量分析。本发明提供一种新的 河流网络构建方法，用于识别河流网络中对保护生物多样性具有重要价值的节点(河段)，为 生物多样性保护工作的合理有效开展提供技术支持。本方法与现有常用的水文和河流网络模 型相比，不仅能够更好的反映真实河流网络的拓扑特性，从整体分析和研究真实河流网络的 空间结构，而且能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。对水资源分配、生物多样性保护以及生态水文分析研究等均具有重要意义。

附图说明

图1为河流网络模型建立的方法流程图；

图2为具体实施方式中河流水系示意图；

图3为利用本发明方法所构建的含有22个节点的河流网络的拓扑结构。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的技术方案进行详细说明。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。

本发明利用生态网络理论与方法，在河流网络构建过程中，将各个自然和人工的结构和 设施等要素概化为网络的边，将河段等线状要素概化为网络的节点，构建河流网络，并在此 基础上根据河段长度和河段平均宽度等水文特征以及河段内生物多样性的保护价值等生物特 征对河流网络中节点的重要性进行定量分析。

本发明在建立河流网络模型并利用其对生物多样性保护中的关键节点进行识别时，其基 本流程如图1所示，具体包括以下步骤：

一、确定研究对象，即确定需要建立模型的具体流域和河流。

二、对节点进行定义：

河流网络的节点定义为河流水系中河水在两水力特征明显改变的位置间流经的途径，即 河段。本发明在具体实施例中主要针对鱼类、浮游动物、底栖动物等具有自主迁移能力的水 生生物，所涉及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 边任意连通。

三、对边进行定义：

河流网络的边指河流的水力特征明显改变的位置，依其属性可分为两类，一类是自然类， 主要包括非水利工程设施，另一类是工程类，主要包括水利工程设施等类型。本发明中的网 络节点之间的边定义为：河流的流量、流速、水位、水深等水力特征明显改变的位置，包括 河流交汇点、河流出口、湿地、湖泊等面状水域，水库、水闸、水利枢纽等。

当某些边既符合工程类边又符合自然类边的定义时，定义为工程类边。例如建立在河流 交汇点的水闸定义为工程类边。因此，所有包含水利工程设施的边均定义为工程类边，不包 含任何水利工程设施的边定义为自然类边。

图2显示了一个具有22个河段的河流水系空间结构，图3显示了构建的一个具有22个节 点的河流网络模型的拓扑结构。

四、定义节点属性值，即以节点的面积属性和生物多样性保护价值的乘积作为节点价值 加权面积。

由于河流网络节点具有其特有的性质，评价节点的重要性时，需要综合考虑节点的长度、 平均宽度及其生物保护价值等因素。以该节点的面积属性和生物多样性保护价值的乘积作为 该节点价值权重面积，表示该节点生物多样性保护重要性特征。

V(i)＝A(i)×CV(i)，0＜i≤n

式中，A(i)为节点i的面积，CV(i)表示节点i的生物多样性保护价值，n为河流网络的节点 数。

其中：

针对任一节点i的面积属性A(i)按照下式得到：

A(i)＝L_i×W_i，0＜i≤n

式中，A(i)为节点i的面积，n为河流网络的节点数，L_i为河流网络中节点i所概化河段 的长度，W_i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。

针对任一节点i的保护价值CV(i)按照下式得到：

CV(i)＝4n_Ei+3n_Vi+2n_Ri+n_Ai+0n_ini+n_ESi

式中，CV(i)表示节点i的保护价值，n_Ei表示节点i具有濒危种的数量，n_Vi表示节点i具 有渐危种的数量，n_Ri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，n_ini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。

五、定义边属性值，评价河流网络中边的类型和连通性。

针对任一边j的类型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，工程属性的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。

六、识别河流网络中关键节点(关键河段)

(1)连通完整性指数可用于评价河流网络的连通状况，本发明考虑测试河段栖息地面积、 鱼类群落保护价值以及连通状况等因素，识别用于生物多样性保护的潜在位置。

针对河流网络的连通完整性指数IIC按照下式得到：

$\mathrm{IIC}=\frac{\underset{i=1}{\overset{n}{\Sigma }}\underset{j=1}{\overset{n}{\Sigma }}\frac{a_i\times a_j}{1+{\mathrm{nl}}_{\mathrm{ij}}}}{A_L^2}$

式中，n为河流网络的节点数，a_i和a_j分别代表节点i和j的属性值，其中节点的属性值 可以是面积、生物多样性保护价值或是价值权重面积，本实施例中选择价值权重面积。nl_ij表 示河流网络中节点i和j之间最短路径的数量，A_L表示河流网络中所有节点属性之和，如果 节点属性为价值权重面积，那么A_L表示河流网络中所有节点的价值权重面积之和。

IIC表示河流网络连通完整性指数，其取值范围为[0，1]，值越大说明连通性越好。

(2)由于连通完整性指数IIC是针对整个网络而言的，那么对河流网络中各个节点的重 要性，采用将河流网络中特定节点去除，再重新计算IIC的方式进行评价。该指数计算公式 如下：

$\mathrm{\Delta IIC}\left(i\right)=\frac{\mathrm{IIC}-\mathrm{IIC}\left(i\right)}{\mathrm{IIC}}\times 100\%$

式中，ΔIIC(i)表示河流网络中节点i的相对重要性，IIC和IIC(i)分别表示去除节点i前和 去除节点i后的IIC值。

采用本发明方法所建立的河流网络模型能够真实反映真实河流网络的拓扑结构，而且能 利用节点属性值(河段面积与生物多样性的保护价值)以及边连通状况对节点的重要性进行 定量分析和研究，方便保护具有重要生物多样性保护价值的节点(河段)，在流域生物多样性 保护方面具有十分重要的应用价值。