一种基于小流域水生态环境保护阶段的河流类型划分方法技术

本发明专利技术涉及基于小流域水生态环境保护阶段的河流类型划分方法，有效解决北方缺水型小流域可持续发展存在的复合型水资源短缺的问题，方法是，基于水生态环境保护阶段的河流类型划分边界范围，将干流、二级以上支流，及其他参与流域水循环的重要河流确定为参与类型划分的河流；基于流域全面监测确定河流类型划分的特征参数；基于特征参数分类的河流水生态环境保护阶段判定方法；基于水生态环境保护阶段的河段类型划分；对各河段水生态环境保护重要性进行分级。本发明专利技术为小尺度流域河流类型划分提供了新颖、严谨、简易、准确、实用的方法，为小流域精细化、精准化治理提供有效参考，经济和社会效益巨大。

【技术实现步骤摘要】
一种基于小流域水生态环境保护阶段的河流类型划分方法
本专利技术涉及小流域治理领域，特别是城市小流域水生态环境保护的阶段划分，北方缺水地区城市化发展过程中，由于人类活动空间分布动态变化形成的强人工干扰小流域水生态环境保护阶段划分的一种基于小流域水生态环境保护阶段的河流类型划分方法。
技术介绍
北方缺水型小流域在城市化发展进程中经历着高强度的土地和水资源开发，资源性缺水问题加剧的同时，水质性缺水问题也日益突出。城市化发展进入相对稳定的阶段后，人民群众对美好生态环境和生态产品的需要日益增长，流域水系作为城市关键的生态要素，不断被被赋予资源供给、净化环境、承载污染、景观美化等服务功能需求，成为影响城市小流域可持续发展的关键因素。目前，我国小流域治理仍然存在由于顶层设计统筹力度不足而导致的治理内容缺乏整体性和系统性，治理项目分割明显，若不采取科学的河流划分方法指导阶段性“治水”工作，则会因为目标制定不科学、技术措施选择盲目等问题，导致水环境治理效果不持久、无法根本扭转水生态退化态势。现有的河流划分主要是从河流形态、地貌特征、水文特征等方面进行划分的，其目的主要是为了便于分段分区管理，但缺乏对流域的统筹考虑，对于自然属性特征差异性不明显的小流域而言，依据已有的河流划分方法进行河流划分，其结果对于实际水环境治理的应用价值较低。为了解决目前小流域治理长效性不足、不具系统性的问题和现有河流划分技术对流域治理指导意义较小的短板，依据生态学、河流生态修复理论，结合河流生态退化程度判定和河流健康评价等方法，提出基于小流域水生态环境保护阶段的河流类型划分方法，用于高效开展小流域水生态环境阶段性治理，有实际的应用价值，但至今未见有公开报导。
技术实现思路
针对以上北方缺水型小流域治理需求和目前小流域治理存在的问题，本专利技术之目的就是提供一种基于小流域水生态环境保护阶段的河流类型划分方法，与现有研究中主要针对河流形态、地貌特征、水文特性等河流自然属性特征进行差异明显的河流类型划分不同，综合考察河流生态系统水文、水质、水生态因子及周边人类活动进行河段类型划分，并基于河流级别、河段类型、治理需求等多方面因素进行河段保护级别判定，适用于解决水生态环境保护工作中缺乏水陆统筹的问题，特别适用于解决北方缺水型小流域可持续发展存在的复合型水资源短缺关键问题，可支撑小流域分期、分段、分重点开展精细化治理管理工作。本专利技术解决的技术方案是，一种基于小流域水生态环境保护阶段的河流类型划分方法，包括以下步骤：(1)、流域边界及划分对象确定：基于水生态环境保护阶段的河流类型划分边界范围，以数字高程模型(DigitaiElevatonModel，DEM)数据为基础，利用Arcgis提取水系河网和流域边界，将干流、二级以上支流，及其他参与流域水循环的重要河流确定为参与类型划分的河流；(2)、基于流域全面监测确定河流类型划分的特征参数：通过流域生态系统确定河流类型划分的特征参数，分河段、分水期开展流域水资源、水环境、水生态、水周边状态的监测，依据状态监测的数据对候选参数进行分级处理，通过分析流域内候选参数状态分布水平进行候选参数筛选，确定河流类型划分的特征参数；所述的候选参数分别为：断流频率、生态流量保障程度、透明度、浊度、溶解氧、COD、氨氮、总氮、总磷、河道蜿蜒度、河岸稳定性、河道改造程度、河流横断面形态、水生植物类型、水生植物多样性指数、典型耐污底栖动物(TV≥7)物种比例、底栖动物多样性指数、鱼类物种数、鱼类多样性指数、土地利用类型、景观类型21项；分级方法是：根据流域历史状况、流域或上级流域内受损较小的河流状况及流域规划、管理相关要求，确定21项表征各项因子的候选参数的根据状态阈值，将75％状态所处的状态上下限分别作为Ⅱ级状态的上限和下限，并根据河湖健康评价标准和流域管理文件对有要求的参数进行分级标准严格化调整，将参数水平分为Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ三个等级；筛选方法为：①保证水文、水质、水生态、水周边四种类型因子均有所保留；②将数据不完整和准确度有待考量的参数予以剔除；③选择性保留说明内容重叠性较大的参数，优先保留能表征流域根本性水质、共性或体现各河段间差异性的参数和可定量参数；(3)、基于特征参数分类的河流水生态环境保护阶段判定方法：根据不同水生态环境保护阶段河流生态系统退化的关键胁迫因子特性对特征参数进行分类，并依据参数类别制定水生态环境保护阶段的综合判定方法。特征参数分类方法为：将水质改善阶段的关键胁迫因子即水质参数标记为主要A类参数，将与水质参数存在一定关联性的参数标记为次要A*类参数；将功能恢复阶段的关键胁迫因子即生态类参数标记为主要B类参数，将与生态类参数存在一定关联性的因子标记为次要B*类参数；将生态回归阶段的关键胁迫参数即水周边类参数标记为主要C类参数，将与水周边类参数存在一定关联性的因子标记为次要C*类参数，同一参数可被划分为一种或多种参数类型；水生态环境保护阶段的综合判定方法为：依据参数类别制定水生态环境保护阶段的综合判定方法：①将水环境质量为生态退化关键胁迫因子的河段划分为水质改善阶段；②将水环境质量良好，但水生态系统功能仍未恢复或未稳定恢复的河段划分为功能恢复阶段；③将剩余的水环境质量已稳定改善，水生态状况达到参照状态的河段定位为生态回归阶段，(4)、基于水生态环境保护阶段的河段类型划分：根据河段阶段特征和问题特征进行类型划分，根据水生态环境保护阶段判定结果和最低级别的特征参数类型，将处于水质改善阶段的河段划分为：超载型水质改善河段、容量不足型水质改善河段和能力缺失型水质改善河段；将处于功能恢复阶段的河段划分为：使用功能恢复型和生态功能恢复型；将处于生态回归阶段的河段划分为：向好型生态回归阶段河段和维持型生态回归河段；所述的根据河段阶段特征和问题特征进行类型划分的方法是，首先，依次将处于水质改善阶段的河段中最低级别的特征参数分别含有水质/水周边因子、水文因子和生态因子对应参数的河段分别划分为环境超载型水质改善河段、流量缺失型水质改善河段和能力不足型水质改善河段；其次，依次将处于功能恢复阶段的河段中A、A*类参数处于Ⅱ级水平的河段划分为使用型功能恢复河段，将B、B*类参数处于Ⅲ级水平的河段划分为生态型功能恢复河段；最后，依次将A、A*类参数均处于Ⅰ级水平且B、B*类参数处于Ⅱ级水平，或水周边因子对应所有含C类的特征参数、C类参数的特征参数或与水周边参数存在一定关联性所有含C*类的特征参数、C*类参数的参数处于Ⅲ级水平的河段划分为向好型生态回归阶段，A、A*、B、B*类参数均处于Ⅰ级水平，C、C*类参数均处于Ⅰ/Ⅱ级水平的河段划分为维持型生态回归阶段；(5)、对各河段水生态环境保护重要性进行分级：依据参与分类河段的级别属性、河段类型和关键恢复功能，对各河段水生态环境保护重要性进行分级，将河段分级为一级保护、二级保护和三级保护，实现基于小流域水生态环境保护阶段的河流类型划分结果对流域治理管理工作的统筹规划；其中关键恢复功能的确定方法为，通过查阅流域水功能区划、流域标准及流域环保规划，梳理各河流要求发挥的生态系统功能，结合河段类型判定结果，将河段现状无法满足的功能确定为关键恢复功能。本专利技术的适用对象为不存在地貌、降雨等明显差异的小流域，尤其是问本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种基于小流域水生态环境保护阶段的河流类型划分方法，其特征在于，包括以下步骤：（1）、流域边界及划分对象确定：基于水生态环境保护阶段的河流类型划分边界范围，以数字高程模型数据为基础，利用Arcgis提取水系河网和流域边界，将干流、二级以上支流，及其他参与流域水循环的重要河流确定为参与类型划分的河流；（2）、基于流域全面监测确定河流类型划分的特征参数：通过流域生态系统确定河流类型划分的特征参数，分河段、分水期开展流域水资源、水环境、水生态、水周边状态的监测，依据状态监测的数据对候选参数进行分级处理，通过分析流域内候选参数状态分布水平进行候选参数筛选，确定河流类型划分的特征参数；（3）、基于特征参数分类的河流水生态环境保护阶段判定方法：根据不同水生态环境保护阶段河流生态系统退化的关键胁迫因子特性对特征参数进行分类，并依据参数类别制定水生态环境保护阶段的综合判定方法；特征参数分类方法为：将水质改善阶段的关键胁迫因子即水质参数标记为主要A类参数，将与水质参数存在一定关联性的参数标记为次要A*类参数；将功能恢复阶段的关键胁迫因子即生态类参数标记为主要B类参数，将与生态类参数存在一定关联性的因子标记为次要B*类参数；将生态回归阶段的关键胁迫参数即水周边类参数标记为主要C类参数，将与水周边类参数存在一定关联性的因子标记为次要C*类参数，同一参数可被划分为一种或多种参数类型；水生态环境保护阶段的综合判定方法为：依据参数类别制定水生态环境保护阶段的综合判定方法：①将水环境质量为生态退化关键胁迫因子的河段划分为水质改善阶段；②将水环境质量良好，但水生态系统功能仍未恢复或未稳定恢复的河段划分为功能恢复阶段；③将剩余的水环境质量已稳定改善，水生态状况达到参照状态的河段定位为生态回归阶段，（4）、基于水生态环境保护阶段的河段类型划分：根据河段阶段特征和问题特征进行类型划分，根据水生态环境保护阶段判定结果和最低级别的特征参数类型，将处于水质改善阶段的河段划分为：超载型水质改善河段、容量不足型水质改善河段和能力缺失型水质改善河段；将处于功能恢复阶段的河段划分为：使用功能恢复型和生态功能恢复型；将处于生态回归阶段的河段划分为：向好型生态回归阶段河段和维持型生态回归河段；（5）、对各河段水生态环境保护重要性进行分级：依据参与分类河段的级别属性、河段类型和关键恢复功能，对各河段水生态环境保护重要性进行分级，将河段分级为一级保护、二级保护和三级保护，实现基于小流域水生态环境保护阶段的河流类型划分结果对流域治理管理工作的统筹规划；其中关键恢复功能的确定方法为，根据流域水功能区划、流域标准及流域环保规划，梳理各河流要求发挥的生态系统功能，结合河段类型判定结果，将河段现状无法满足的功能确定为关键恢复功能。...

【技术特征摘要】
1.一种基于小流域水生态环境保护阶段的河流类型划分方法，其特征在于，包括以下步骤：（1）、流域边界及划分对象确定：基于水生态环境保护阶段的河流类型划分边界范围，以数字高程模型数据为基础，利用Arcgis提取水系河网和流域边界，将干流、二级以上支流，及其他参与流域水循环的重要河流确定为参与类型划分的河流；（2）、基于流域全面监测确定河流类型划分的特征参数：通过流域生态系统确定河流类型划分的特征参数，分河段、分水期开展流域水资源、水环境、水生态、水周边状态的监测，依据状态监测的数据对候选参数进行分级处理，通过分析流域内候选参数状态分布水平进行候选参数筛选，确定河流类型划分的特征参数；（3）、基于特征参数分类的河流水生态环境保护阶段判定方法：根据不同水生态环境保护阶段河流生态系统退化的关键胁迫因子特性对特征参数进行分类，并依据参数类别制定水生态环境保护阶段的综合判定方法；特征参数分类方法为：将水质改善阶段的关键胁迫因子即水质参数标记为主要A类参数，将与水质参数存在一定关联性的参数标记为次要A*类参数；将功能恢复阶段的关键胁迫因子即生态类参数标记为主要B类参数，将与生态类参数存在一定关联性的因子标记为次要B*类参数；将生态回归阶段的关键胁迫参数即水周边类参数标记为主要C类参数，将与水周边类参数存在一定关联性的因子标记为次要C*类参数，同一参数可被划分为一种或多种参数类型；水生态环境保护阶段的综合判定方法为：依据参数类别制定水生态环境保护阶段的综合判定方法：①将水环境质量为生态退化关键胁迫因子的河段划分为水质改善阶段；②将水环境质量良好，但水生态系统功能仍未恢复或未稳定恢复的河段划分为功能恢复阶段；③将剩余的水环境质量已稳定改善，水生态状况达到参照状态的河段定位为生态回归阶段，（4）、基于水生态环境保护阶段的河段类型划分：根据河段阶段特征和问题特征进行类型划分，根据水生态环境保护阶段判定结果和最低级别的特征参数类型，将处于水质改善阶段的河段划分为：超载型水质改善河段、容量不足型水质改善河段和能力缺失型水质改善河段；将处于功能恢复阶段的河段划分为：使用功能恢复型和生态功能恢复型；将处于生态回归阶段的河段划分为：向好型生态回归阶段河段和维持型生态回归河段；（5）、对各河段水生态环境保护重要性进行分级：依据参与分类河段的级别属性、河段类型和关键恢复功能，对各河段水生态环境保护重要性进行分级，将河段分级为一级保护、二级保护和三级保护，实现基于小流域水生态环境保护阶段的河流类型划分结果对流域治理管理工作的统筹规划；其中关键恢复功能的确定方法为，根据流域水功能区划、流域标准及流域环保规划，梳理各河流要求发挥的生态系统功能，结合河段类型判定结果，将河段现状无法满足的功能确定为关键恢复功能。2.根据权利要求1所述的基于小流域水生态环境保护阶段的河流类型划分方法，其特征在于，所述的候选参数分别为：断流频率、生态流量保障程度、透明度、浊度、溶解氧、COD、氨氮、总氮、总磷、河道蜿蜒度、河岸稳定性、河道改造程度、河流横断面形态、水生植物类型、水生植物多样性指数、典型耐污底栖动物物种比例、底栖动物多样性指数、鱼类物种数、鱼类多样性指数、土地利用类型、景观类型21项；分级方法是：根据流域历史状况、流域或上级流域内受损较小的河流状况及流域规划、管理相关要求，确定21项表征各项因子的候选参数的根据状态阈值，将75%状态所处的状态上下限分别作为Ⅱ级状态的上限和下限，并根据河湖健康评价标准和流域管理文件对有要求的参数进行分级标准严格化调整，将参数水平分为Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ三个等级；筛选方法为：①保证水文、水质、水生态、水周边四种类型因子均有所保留；②将数据不完整和准确度有待考量的参数予以剔除；③选择性保留说明内容重叠性大的参数，优先保留能表征流域根本性水质、共性或体现各河段间差异性的参数和可定量参数。3.根据权利要求1所述的基于小流域水生态环境保护阶段的河流类型划分方法，其特征在于，水生态环境保护阶段判定的具体方法为：首先，将水环境质量为生态退化关键胁迫因子的河段划分为水质改善阶段，其判定标准为河段内所有监测点位中3次监测至少有1次存在A、A*类参数的参数处于Ⅲ级水平；其次，在水质改善阶段判定，水环境质量得到改善，但水生态系统功能仍未恢复或未稳定恢复的河段划分为功能恢复阶段，其判定标准为所有点位中3次监测至少有1次存在A、A*类参数处于Ⅱ级水平、或者B、B*类参数的参数处于Ⅲ级水平；最后，将剩余的水环境质量已稳定改善，水生态状况达到参照状态，即A、A*类参数处于Ⅰ级水平，B、B*类参数的参数处于Ⅰ/Ⅱ级水平的河段定位为生态回归阶段。4.根据权利要求1所述的基于小流域水生态环境保护阶段的河流类型划分方法，其特征在于，所述的根据河段阶段特征和问题特征进行类型划分的方法为：首先，依次将处于水质改善阶段的河段中最低级别的特征参数分别含有水质/水周边因子、水文因子和生态因子对应参数的河段分别划分为环境超载型水质改善河段、流量缺失型水质改善河段和能力不足型水质改善河段；其次，依次将处于功能恢复阶段的河段中A、A*类参数处于Ⅱ级水平的河段划分为使用型功能恢复河段，将B、B*类参数处于Ⅲ级水平的河段划分为生态型功能恢复河段；最后，依次将A、A*类参数均处于Ⅰ级水平且B、B*类参数处于Ⅱ级水平，或水周边因子对应所有含C类的特征参数、C类参数的特征参数或与水周边参数存在一定关联性所有含C*类的特征参数、C*类参数的参数处于Ⅲ级水平的河段划分为向好型生态回归阶段，A、A*、B、B*类参数均处于Ⅰ级水平，C、C*类参数均处于Ⅰ/Ⅱ级水平的河段划分为维持型生态回归阶段。5.根据权利要求1所述的基于小流域水生态环境保护阶段的河流类型划分方法，其特征在于，所述的基于河段类型及关键恢复功能的水生态环境保护重要性分级的方法为：将干流、供水干渠及生态回归河段列为一级保护河段，三级支流列为三级保护河段，一、二级支流及连通渠的保护级别需根据关键恢复功能特征予以确定；对于一级支流若关键恢复功能含生物多样性维持功能或自净功能则列为一级保护河段，其他情况列为二级保护河段；对于二级支流若关键恢复功能同时含生物多样性维持功能和自净功能则列为二级保护河段，其他情况均列为三级保护河段；对于及连通渠若关键恢复功能含水文调节功能或同时含有生物多样性维持功能和自净功能则列为一级保护河段，其他情况均列为二级保护河段，从而实现基于小流域水生态环境保护阶段的河流类型划分结果对流域治理管理工作的统筹规划。6.根据权利要求1所述的基于小流域水生态环境保护阶段的河流类型划分方法，其特征在于，包括以下步骤：（1）流域边界及划分对象确定：以DEM数据为基础，通过确定每个栅格单元的水流方向和上游集水面积进行流向累积，通过核定流域集水面积阈值和径流处理，生成水系河网，并将水系河网提取中划定的集水区域划定为小流域；该小流域水系框架由干流、3条一级支流、6条二级支流、4条三级支流、1条多节点供水干渠和4条主要水系连通渠构成，其中2条二级支流、4条三级支流中为处于郊野地区的天然河流由于常年干涸已被改造为农田和林地，将干流、3条一级支流、4条二级支流、1条三极支流、1条多节点供水干渠和4条主要水系连通渠，作为基于小流域水生态环境保护阶段的河流类型划分对象；（2）基于流域全面监测确定河流类型划分的特征参数，方法是：1）借助水系沿线客观控制点划分河段根据河流沿线客观控制节点分布情况确定河段划分节点，其中不再对于人工开挖的、沿程情况较一致的三级支流、供水干渠和连通渠进行河段划分；小流域内存在的客观控制...

【专利技术属性】
技术研发人员：于鲁冀，郝子垚，王莉，黄泽涵，李磊，徐艳红，栗晓燕，
申请(专利权)人：郑州大学，
类型：发明
国别省市：河南,41