一种面向引水工程对湖泊湿地生境变化影响评估方法

摘要

本发明公开了一种面向引水工程对湖泊湿地生境变化影响评估方法，包括：(1)收集目标湖泊的水位观测数据集、高分辨率遥感影像集和地形测量数据；(2)根据水鸟分布不同生境类型的偏好程度，将生境类型进行适应生境类型划分；(3)获得不同水位下的生境类型空间分布数据；(4)分别统计各水位下各适宜生境类型的面积，获得面积与对应水位的散点图，从而构建各适宜生境类型的水位～面积的响应模型；(5)计算设计水平年下各适宜生境类型面积相对参照面积的增减，来评估引水工程对目标湖泊生境变化的影响。本发明用来评估引水工程对湖泊湿地生境变化的影响，具有明确性，可操作性和可衡量性。

说明书

技术领域

本申请属于生态水文的技术领域，具体涉及一种面向引水工程对湖泊湿地生境变化影响评估方法。

背景技术

湖泊湿地作为一种典型的湿地类型，发挥着重要的生态、环境效益，特别是在生物多样性保护方面，更是众多迁徙水鸟的停歇地、越冬地和繁殖地。水位波动是湖泊湿地水文节律的重要体现，是衡量湿地生态水文状况的关键性要素，在调节植被覆盖、物质循环和能量流动等方面起着至关重要的作用，对湖泊湿地类型形成与分布具有明显的调控效应，影响着水鸟栖息和觅食生境的选择。

引水工程在带来社会效益、经济效益的同时，也改变了水资源的时空分布和水文情势，打破了原有的生态系统平衡，尤其是湖泊湿地。引水工程运行使得湖泊较现状水位发生变化，一定程度上将影响泥滩地和草本沼泽的出露，对越冬候鸟的栖息环境和食物可及性产生不利影响，改变着越冬候鸟生境适宜性。因此，评估引水工程对湖泊湿地生境变化影响对于科学制定水位调度方案提供指导依据，对湖泊湿地生物多样性保护也具有重要实践意义，关系着引水工程“社会-经济-生态”综合效益的发挥。

当前缺乏引水工程对湖泊湿地生境变化影响的评估方法，制约了引水工程“社会-经济-生态”综合效益的发挥。因此，制定一种面向引水工程对湖泊湿地生境变化影响的评估方法，对于引水工程设计者和实施者是迫切需要的，对于保障引调水工程绿色发展和湖泊湿地生态可持续发展具有重要的现实意义。

发明内容

本申请的目的是提供一种面向引水工程对湖泊湿地生境变化影响的评估方法，该方法可准确评估引水工程对湖泊湿地生境的影响。

本申请的技术方案如下：

一种面向引水工程对湖泊湿地生境变化影响评估方法，包括：

(1)收集目标湖泊在不同观测时刻下的水位观测数据集、高分辨率遥感影像集，以及地形测量数据；

(2)候鸟越冬期对目标湖泊湿地水鸟及生境进行监测，根据水鸟分布不同生境类型的偏好程度，将生境类型进行适应生境类型划分，所述适应生境类型包括适宜生境、次适宜生境和不适宜生境；

(3)对高分辨率遥感影像集进行生境类型分类，获得各观测时刻下的生境类型空间分布数据；结合水位观测数据集和地形测量数据，获得各观测时刻下目标湖泊的水位，将同一观测时刻下的生境类型空间分布数据与水位分别对应，获得不同水位对应的生境类型空间分布数据；

(4)根据不同水位下的生境类型空间分布数据，分别统计各水位下各适宜生境类型的面积，获得面积与对应水位的散点图，根据散点图分别构建各适宜生境类型的水位～面积的响应模型；

(5)根据各适宜生境类型的水位～面积的响应模型，分别获得参照水位和引水工程设计水平年控制水位对应的各适宜生境类型面积，以参照水位对应的各适宜生境类型面积为参照面积，分别计算设计水平年各适宜生境类型面积相对参照面积的增减，来评估引水工程对目标湖泊生境变化的影响；其中，参照水位采用目标湖泊在候鸟越冬期的现状水位。

在一些具体实施方式中，生境类型包括草本沼泽、泥滩地、水稻田、建设用地、林地、浅水水域、较深水域和深水水域。

在一些具体实施方式中，步骤(2)进一步包括：

2.1候鸟越冬期对目标湖泊湿地水鸟及其生境进行监测，获得水鸟调查数据，包括水鸟数量、水鸟物种数量、水鸟分布位置以及目标湖泊生境类型；

2.2根据水鸟调查数据，分别获得水鸟数量和水鸟物种数量在目标湖泊的空间分布数据；

2.3采用热点分析法分别对水鸟数量和水鸟物种数量的空间分布数据进行分析，获得水鸟和水鸟物种在不同生境类型的聚集程度，参考聚集程度获得水鸟对各生境类型的偏好，从而将各生境类型划分为适宜生境，次适宜生境和不适宜生境。

在一些具体实施方式中，子步骤2.2中利用GIS软件来获得水鸟数量和水鸟物种数量的空间分布数据。

在一些具体实施方式中，子步骤2.3包括：

采用热点分析法对水鸟数量和水鸟物种数量的空间分布数据进行分析，分别获取水鸟数量和水鸟物种数量的Gi

对水鸟数量和水鸟物种数量的Gi

将包含水鸟或水鸟物种高聚集程度区域的生境类型划分为适宜生境；在适宜生境以外的生境类型中，将包含水鸟或水鸟物种适中聚集程度区域的生境类型划分为次适宜生境；剩余的生境类型划分为不适宜生境。

在一些具体实施方式中，步骤(3)中对高分辨率遥感影像集分别进行生境类型分类，采用决策树分类法进行生境类型分类。

在一些具体实施方式中，步骤(4)中构建各适宜生境类型的水位～面积的响应模型，包括：

利用回归分析法处理面积与对应水位的散点图，获得各适宜生境类型水位～面积的回归模型；通过拟合优度筛选出拟合效果最优的回归模型，分别构建各适宜生境类型的水位～面积的响应模型。

在一些具体实施方式中，步骤(5)中目标湖泊在候鸟越冬期的现状水位采用候鸟越冬期湖泊湿地的多年平均水位。

在一些具体实施方式中，步骤(5)中引水工程设计水平年控制水位包括近期设计水平年和远期设计水平年的控制水位。

在一些具体实施方式中，步骤(5)包括：

获取引水工程设计水平年的控制水位，根据各适宜生境类型的水位～面积的响应模型分别计算该控制水位下各适宜生境类型面积；

获取目标湖泊现状水位，根据各适宜生境类型的水位～面积的响应模型分别计算现状水位下各适宜生境类型面积；

以现状水位下各适宜生境类型面积为参照面积，分别计算控制水位下各适宜生境类型面积相对参照面积的增减值；

根据相对参照面积的增减值，评估引水工程对目标湖泊生境变化的影响。

本申请具有如下优点和有益效果：

考虑到当前缺乏面向引水工程的湖泊湿地生境变化影响评估方法，难以有效地评估引水工程的生态、环境效益。针对该问题，本申请提供了一种可量化的评估方法，用来评估引水工程对湖泊湿地生境变化的影响，具有明确性，可操作性和可衡量性，可为引水工程科学水位调度和湖泊湿地生态可持续发展提供有效支撑。

附图说明

图1为本申请实施例的流程图；

图2为本申请实施例中候鸟越冬期水鸟数量的聚集程度分布图；

图3为本申请实施例中候鸟越冬期水鸟物种数的聚集程度分布图；

图4为本申请实施例中不同水位下的生境类型空间分布数据，其中，图4(a)～4(d)分别为水位6.97m、7.20m、7.30m、7.40m下的生境类型空间分布数据；

图5为本申请实施例中不同水位下的生境类型空间分布数据，其中，图5(a)～5(d)分别为水位7.54m、8.10m、8.30m、8.60m下的生境类型空间分布数据；

图6为本申请实施例中构建的适宜生境的水位～面积关系函数；

图7为本申请实施例中构建的次适宜生境的水位～面积关系函数；

图8为本申请实施例中构建的不适宜生境的水位～面积关系函数。

具体实施方式

为使本领域技术人员更好地理解本发明，下面将对本申请技术方案的具体实施方式进行清楚、完整地描述，显然，下文所描述的仅为具体实施方式，其并不限制本申请的保护范围。

下面将结合附图详细说明本申请方法的具体实施过程。本实施例中评估引水工程A对调蓄湖泊B(即目标湖泊)生境变化的影响，其具体实施过程参见图1，包括：

(1)收集目标湖泊在不同观测时刻下的水位观测数据集、高分辨率遥感影像集，以及地形测量数据。

本申请实施例中，收集观测时刻T＝{T

(2)候鸟越冬期对目标湖泊湿地水鸟及生境进行监测，根据水鸟分布不同生境类型的偏好程度，将生境类型进行适应生境类型划分，包括适宜生境、次适宜生境和不适宜生境。

本申请中生境类型包括草本沼泽、泥滩地、水稻田、建设用地、林地、浅水水域、较深水域和深水水域，其中，浅水水域指水深<50cm的水域，较深水域指水深在50cm～80cm范围的水域，深水水域指水深>0.8m的水域。适应生境类型则是根据水鸟分布偏好程度对生境类型进行进一步分类，按照偏好程度从高至低，分别划分为适宜生境、次适宜生境和不适宜生境。

本申请实施例中本步骤的具体实施过程如下：

2.1候鸟越冬期对目标湖泊湿地水鸟及其生境进行监测，获得水鸟调查数据，包括水鸟数量、水鸟物种数量、水鸟分布位置以及目标湖泊生境类型。具体的，对调蓄湖泊B每月开展一次水鸟调查，主要通过样点调查为主，样线进行补充调查。调查过程中借助单筒望远镜、双筒望远镜确定目标，并用摄像机拍摄鸟类照片，记录所见的水鸟数量、水鸟种类数量及其生境类型和空间位置。本申请实施例中选择的候鸟越冬期为2021年10月至2022年3月。

2.2根据水鸟调查数据，获得水鸟数量和水鸟物种数量在目标湖泊的空间分布数据；具体的，可采用GIS软件工具获取水鸟数量和水鸟物种数量的空间分布数据。本申请实施例中对样点作一定距离Disatance的缓冲区，将该样点监测的水鸟调查数据在该缓冲区内做均匀分布；考虑到使用望远镜的精度，Disatance设定为1千米距离。

2.3根据水鸟数量和水鸟物种数量的空间分布数据，采用热点分析法(即局域Getis-OrdGi

具体的，可采用GIS软件工具的热点分析功能，分别获取水鸟数量和水鸟物种数量的Gi

本申请实施例中适宜生境划分的一种可选方法为：将包含水鸟或水鸟物种高聚集程度区域的生境类型划分为适宜生境；在适宜生境以外的生境类型中，将包含水鸟或水鸟物种适中聚集程度区域的生境类型划分为次适宜生境；剩余的生境类型划分为不适宜生境。

本申请实施例中生境类型的划分结果为：适宜生境包括草本沼泽、泥滩地和浅水水域，次适宜生境包括水稻田和较深水域，不适宜生境包括建设用地、林地和深水水域。

(3)采用决策树分类法对高分辨率遥感影像集Image分别进行生境类型分类，获得各观测时刻T

见图4～图5，所示为本申请实施例中调蓄湖泊B在不同水位下的生境类型空间分布数据，图中分别示出了6.97m、7.20m、7.30m、7.40m、7.54m、8.10m、8.30m、8.60m等8个不同水位下调蓄湖泊B的生境类型空间分布数据。

(4)根据不同水位下的生境类型空间分布数据，分别统计各水位下各适宜生境类型的面积，获得面积与对应水位的散点图，根据散点图分别构建各适宜生境类型的水位～面积的响应模型。本申请实施例中适宜生境类型包括适宜生境、次适宜生境和不适宜生境。

具体的，根据步骤(3)所得不同水位下的生境类型空间分布数据，分别获得适宜生境、次适宜生境和不适宜生境的面积及其对应水位的散点图；利用回归分析法分别获得适宜生境、次适宜生境和不适宜生境水位的水位～面积的关系；通过拟合优度筛选出拟合效果最好的回归模型，来分别构建适宜生境、次适宜生境和不适宜生境的水位～面积的关系函数。此外，还对构建的各适宜生境类型的水位～面积的响应模型分别进行显著性检验，以保证所构建的回归模型具有统计学意义。图6～8分别为本申请实施例所构建的调蓄湖泊B的适宜生境、次适宜生境和不适宜生境的水位～面积关系函数。

(5)根据各适宜生境类型的水位～面积的响应模型，分别获得参照水位和引水工程设计水平年控制水位对应的各适宜生境类型面积，以参照水位对应的各适宜生境类型面积为参照面积，计算设计水平年各适宜生境类型面积相对参照面积的增减值，来评估引水工程对目标湖泊生境变化的影响；其中，参照水位采用目标湖泊在候鸟越冬期的现状水位。

本申请实施例中，根据引水工程A的设计资料，可确定设计水平年调蓄湖泊B的控制水位，包括近期设计水平年2030年和远期设计水平年2040年。近期设计水平年2030年，候鸟越冬期调蓄湖泊B的控制水位为7.5m，根据水位～面积的响应模型分别计算水位7.5m下适宜生境、次适宜生境和不适宜生境的面积。远期设计水平年2040年，候鸟越冬期调蓄湖泊B的控制水位为8.1m，根据水位～面积的响应模型分别计算水位8.1m下适宜生境、次适宜生境和不适宜生境的面积。收集候鸟越冬期调蓄湖泊B的现状水位，现状水位具体采用1956-2015年的多年平均水位，为6.98m，根据水位～面积的响应模型分别计算水位6.98m下适宜生境、次适宜生境和不适宜生境的面积。

以调蓄湖泊B的现状水位对应的各类适宜生境面积为参照面积，与参照面积相比，引水工程A在近期设计水平年2030年，适宜生境面积减少5133hm

注意，上述仅为本申请的较佳实施例及所运用的技术原理。本领域技术人员会理解，本申请不限于这里所述的特定实施例，对本领域技术人员来说能够进行各种明显的变化、重新调整和替代而不会脱离本申请的保护范围。因此，虽然通过以上实施例对本申请进行了较为详细的说明，但是本申请不仅仅限于以上实施例，在不脱离本申请的构思的情况下，还可以包括更多其他等效实施例，均属于本申请的保护范畴。