基于生态系统完整性的河流水生态健康评价方法及其应用技术方案

本发明专利技术公开了一种基于生态系统完整性的河流水生态健康评价方法及其应用。本发明专利技术方法确立了鱼类生物完整性、物理完整性、化学完整性以及生境完整性四部分，共50个指标体系以反映水生态健康状况。通过对候选指标的主成分分析筛选出对评价结果贡献率高的指标，通过Pearson相关性分析，选取指标间相互独立、信息重叠程度低、相关系数小的指标作为构建生态完整性评价体系的核心指标，并对核心指标进行标准化，运用层次分析法分别赋予权重，加和平均得出水生态健康评价的最终得分及评价。本发明专利技术弥补了传统的水体理化性质指标仅能反应河流水质状况的弊端，也同样弥补了通过河流生物特性评价河流健康状况的不足，能够体现人为干扰对生境破坏的长期累计效果。

River water ecological health assessment method based on ecosystem integrity and its application

The invention discloses a river water ecological health assessment method based on ecosystem integrity and its application. The method of the invention establishes four parts of fish biological integrity, physical integrity, chemical integrity and habitat integrity, with a total of 50 index systems to reflect the aquatic ecological health status. Through the principal component analysis of the candidate indicators, the indicators with high contribution rate to the evaluation results are screened out. Through Pearson correlation analysis, the indicators with independence, low degree of information overlap and small correlation coefficient are selected as the core indicators to construct the ecological integrity evaluation system. The core indicators are standardized, and the weights are given respectively by using the analytic hierarchy process, and the average is obtained. The final score and evaluation of aquatic ecological health assessment. The invention remedies the drawback that the traditional physical and chemical properties of water can only reflect the water quality of rivers, and also remedies the deficiency of evaluating the health of rivers through the biological characteristics of rivers, and can reflect the long-term cumulative effect of human disturbance on habitat destruction.

【技术实现步骤摘要】
基于生态系统完整性的河流水生态健康评价方法及其应用
本专利技术涉及河流生态系统完整性评价的技术研究领域，涉及一种基于鱼类生物完整性且包括水体物理完整性、化学完整性、生境完整性在内的水生态健康评价方法及其应用。
技术介绍
随着社会的发展，人类对河流水资源的利用率越来越高，河流生态系统稳定性遭到严重破坏。水质污染、栖息地环境破坏及三生物多样性丧失等诸多问题频繁出现。针对这一现象，越来越多的国内外学者开始关注河流健康并开展对其进行健康评价的研究。河流评价始于20世纪中期，目前关于河流生态系统健康评价的方法有很多，最初主要是对水体生物需氧量、化学需氧量以及大肠菌群数量等的测定，但这种方法较片面，不能准确反映河流的总体状态。后来，Karr等于1981年提出了生物完整性的定义，建立了鱼类生物完整性指数(FishIndexofBiologicalIntegrity,F-IBI)，应用生物信息对河流生态系统完整性进行评估。1999年，Ladson提出溪流状态指数（IndexofStreamCondition,ISC），从水文、物理、河岸带状况、水质、水生生物特征5个方面来评价澳大利亚河流的健康状况。WrightJF等于2010年提出O/E指数，运用河流无脊椎动物预测与分类系统（RIVPACS）模型计算物种观测值(O)和期望值(E)的比值，从而反映所调查点位的健康状况。2010年StevensonRJ等以硅藻为研究对象提出单因子评价，选择5个评价指标分别对河流健康进行评价。由于河流的生物完整性并不等同于河流的生态系统健康，生物信息只能反映河流生物类群的状况，而无法准确指示水生态环境质量的优劣，使得目前普遍使用的应用生物信息指示河流健康状况的方法存在一定的缺陷。比如，鱼类是最先作为指示生物评价河流的健康状况，其生物等级高，在食物链中的地位和对水质的灵敏程度高，能够综合表征河流水生态健康状况，是评价河流健康较适宜的指标。但近年来，中度干扰假说愈发受到人类的关注，在中等程度干扰的情况下，鱼类生物量反而是较多的，因此，仅以生物群落作为河流健康状况的评价依据，结果往往有失偏颇。
技术实现思路
本专利技术要解决的技术问题，是针对目前应用生物完整性评价不能准确指示河流健康状况的现状，提供一种基于生态系统完整性的河流水生态健康评价方法及其应用。本专利技术的目的通过以下技术方案予以实现：本专利技术以淡水生态系统中的鱼类生物完整性指标体系及其水环境物理完整性指标体系、水环境化学完整性指标体系及水环境生境完整性指标体系为监测对象，根据各指标的变化，表征人为干扰作用下的水质污染和生境退化对河流生态系统的影响情况，为水生态系统健康评价体系提供一套有效的技术体系。所述方法包括三个关键步骤：S1.基于生态系统结构特征，整合生态系统全部生物要素和环境要素，通过遥感-实测-人工解译-智能分析模型，实现河流生态系统健康评价的全面性、准确性及可靠性；S2.四大体系权重比；S3.评价标准等级化；其中，步骤S1所述基于生态系统结构特征，整合生态系统全部要素（生物和环境），通过遥感-实测-人工解译-智能分析模型，实现河流生态系统健康评价的全面性、准确性及可靠性；其中，所述基于河流生态完整性，整合生态系统全部要素是综合鱼类生物完整性、水环境物理完整性、水环境化学完整性及水环境生境完整性四部分指标体系，反应河流生态系统生物、物理、化学及生境的不同层面。优选地，所述四大体系指标类型具体包括50个候选指标，所述50个候选指标为：鱼类完整性指标体系包括雅罗鱼亚科个体百分比（%）、鳑鲏亚科个体百分比（%）、鮈亚科个体百分比（%）、鲤亚科个体百分比（%）、鳅科鱼类个体百分比（%）、鰕虎鱼科鱼类百分比（%）、本地特有鱼种（葛氏鲈塘鳢）百分比（%）、经济鱼类个体百分比（%）、肉食性鱼类数量比例（%）、植食性鱼类数量比例（%）、杂食性鱼类的数量比例（%）、敏感性物种百分比（%）、耐污物种百分比（%）、中上层鱼类个体百分比（%）、中下层鱼类个体百分比（%）、底层鱼类个体百分比（%）、冷水鱼百分比（%）、有护卵行为鱼类个体百分比（%）共20个候选指标；物理完整性指标体系包括pH、电导率（Cond）、盐度（S）、水温（T）、溶解氧（DO）、总溶解固体（TDS）及悬浮物（SES）共7个候选指标；化学完整性指标体系包括氯离子（Cl-）、氨氮（NH4+-N）、总氮（TN）、总磷（TP）、活性磷（PO43-）、硬度（HAR）、高锰酸盐指数（CODMn）、亚硝酸态氮（NO2-N）、硝酸态氮（NO3-N）、总有机碳（TOC），总无机碳（TIC）及总溶解碳（TDC）共12个候选指标；生境完整性指标体系包括流速（CV）、流量（FLO）、水深（WD）、河宽（W）、底质含沙量（SC）及土地利用方式含缓冲区流域面积（TOT）、森林面积（FA）、草地面积（GA）、建设用地面积（CLA）、水田面积（PFA）和旱田面积（FIE）共11个候选指标；本专利技术确定的指标体系能够综合反映鱼类生物群落、水体理化性质及生境的变化对河流生态系统的影响，可以确保有的效监测水生态健康功能状况。其中，通过遥感-实测-人工解译-智能分析模型，实现河流生态系统健康评价的全面性、准确性及可靠性；优选地，所述遥感-实测-人工解译-智能分析模型具体是：土地利用方式的获取是基于遥感技术（RS），结合上游区域的土地利用特征，以左右岸800米为界与土地利用数据叠加分析获得；生物、物理及生境完整性指标体系是通过现场实测与实验室实测相结合的方法获取；经过人工解译初步筛选指标，结合软件Canoco4.5进行主成分分析（PCA）以及软件Spss2.0进行Pearson相关性分析筛选核心指标，利用标准化方法并进行数据智能分析。步骤S1所述智能分析方法包括主成分分析（PCA）、Pearson相关性分析以及标准化方法；其中，所述主成分分析（PCA）是选取轴1或轴2的贡献率P>0.6的指标；优选地，所述主成分分析（PCA）是保留轴1或轴2特征贡献率P>0.6的指标，即保留对评价结果贡献率较大的指标，删除轴1和轴2的特征贡献率均小于0.6的指标；其中，Pearson相关性分析是依照相关性显著性水平判断生物间的信息重叠程度，如果指标间的信息重叠程度较高，则删除其中一个指标；优选地，依据相关性显著性水平，判断信息间的重叠程度；生物完整性的相关系数为|R|<0.9，物理完整性、化学完整性、生境完整性的相关系数为|R|<0.7，如果超过R值，则保留其中一个指标即可。其中，标准化方法分为两种方法，目的是为了统一量纲；优选地，所述标准化方法分为两种：对于随干扰增强而数值减小的指标，以其95th分位数为期望值记分；对于随干扰增强而数值增加的指标，以其5th分位数为期望值记分。所述计算指标分值的计算公式分别为：Fij=Xij/Xi95×100Fij=（Xmax-Xij）/（Xmax-Xi5）×100式中，Fij为原始观测值；Xij为j个采样点的第i个指标的标准化指数；Xi95为全部采样点中第i个指标95th分位数的原始观测值；Xmax为全部采样点中的最大值；Xi5为全部采样点中第i个指标5th分位数的原始观测值。步骤S2所述四大体系权重比运用层次分析法对四部分指标体系本文档来自技高网...

【技术保护点】
1. 一种基于生态系统完整性的河流水生态健康评价方法， 其特征在于，包括以下步骤：S1.整合系统要素，包括生物完整性、物理完整性、化学完整性、和生境完整性，通过遥感‑实测‑人工解译‑智能分析模型，包括主成分分析、Pearson 分析、标准化方法；S2. 四大体系权重比，运用层次分析法对四大指标体系赋予不同的权重；S3. 评价标准等级化，将评价标准划分为四个评价等级。

【技术特征摘要】
1.一种基于生态系统完整性的河流水生态健康评价方法，其特征在于，包括以下步骤：S1.整合系统要素，包括生物完整性、物理完整性、化学完整性、和生境完整性，通过遥感-实测-人工解译-智能分析模型，包括主成分分析、Pearson分析、标准化方法；S2.四大体系权重比，运用层次分析法对四大指标体系赋予不同的权重；S3.评价标准等级化，将评价标准划分为四个评价等级。2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤S1中，选取河流生物完整性指标体系、物理完整性指标体系、化学完整性指标体系及生境完整性指标体系共50个指标；分别包括雅罗鱼亚科个体百分比（%）、鳑鲏亚科个体百分比（%）、鮈亚科个体百分比（%）、鲤亚科个体百分比（%）、鳅科鱼类个体百分比（%）、鰕虎鱼科鱼类百分比（%）、本地特有鱼种（葛氏鲈塘鳢）百分比（%）、经济鱼类个体百分比（%）、肉食性鱼类数量比例（%）、植食性鱼类数量比例（%）、杂食性鱼类的数量比例（%）、敏感性物种百分比（%）、耐污物种百分比（%）、中上层鱼类个体百分比（%）、中下层鱼类个体百分比（%）、底层鱼类个体百分比（%）、冷水鱼百分比（%）、有护卵行为鱼类个体百分比（%）；pH、电导率（Cond）、盐度（S）、水温（T）、溶解氧（DO）、总溶解固体（TDS）及悬浮物（SES）；氯离子（CL-）、氨氮（NH4+-N）、总氮（TN）、总磷（TP）、活性磷（PO43-）、硬度（HAR）、高锰酸盐指数（CODMn）、亚硝酸态氮（NO2-N）、硝酸态氮（NO3-N）、总有机碳（TOC），总无机碳（TIC）及总溶解碳（TDC）；流速（CV）、流量（FLO）、水深（WD）、河宽（W）、底质含沙量（SC）、缓冲区流域面积（TOT）、森林面积（FA）、草地面积（GA）、建设用地面积（CLA）、水田面积（PFA）和旱田面积（FIE）；所述的遥感-实测-人工解译-智能分析模型，土地利用方式的获取是基于遥感技术，结合上游区域的土地利用特征，以左右岸800米为界与土地利用数据叠加分析获得，生物完整性、化学完整性、物理完整性及生境完整性指标体系是通过现场实测与实验室实测相结合的方式获取，经过人工解译初步筛选指标，结合软件Can...

【专利技术属性】
技术研发人员：殷旭旺，阮贇杰，张杰，宋蒙蒙，王佳佳，徐宗学，
申请(专利权)人：大连海洋大学，
类型：发明
国别省市：辽宁,21