本发明涉及一种基于水生态功能分区的河流近自然状况评价方法。
背景技术：
河流生态退化已成为全球性的环境问题，受到国内外的普遍关注。我国是一个江河众多的国家，却有2/3以上的河流受到不同程度的人类活动干扰。随着社会经济的迅速发展及国民环保意识的提高，人们对退化河流生态系统进行生态修复或恢复的要求越来越迫切。传统的河流治理工程多以防洪抗旱为前提，导致河流横向和纵向连通性变差，进而影响了河流的生态系统健康，使得河流的自净能力、自我恢复能力及生态服务功能降低，反过来阻碍人类社会的可持续发展。如何科学合理地评价河流生态环境现状，恢复河流的生态系统功能，是当前亟需解决的重要环境问题之一。
河流近自然状况评价已然成为河流生态恢复目标设定与方案选择的基石，河流近自然概念的提出至今已20余年，其内涵及评价方法主要来自于生态系统健康研究，国际上河流生态系统健康评价方法学不断发展，形成了一系列各具特色的评价方法，大致可分为水文评估方法、水质评估方法、栖息地评估方法、生物评估方法和综合评估方法。相对来说，国内河流生态系统健康评价研究起步较晚，但也逐渐形成了一些评价体系，如黄河、海河(包括京郊河溪)、长江及珠江等河流健康评价体系。
我国正处于经济高速发展时期，对于水资源的可持续利用是社会经济可持续发展的保障，片面强调开发或者单纯地保护都不足取。因此，完全照搬传统的河流生态系统健康评价方法，会在一定程度上忽略了人类社会可持续发展的需要，不足以体现“近自然”的内涵，且与河流生态恢复现实目标的衔接性不强。此外，我国目前相对成熟的近自然评价体系主要适用于小型河溪，无法满足我国众多河流近自然状况评价的需要。故此，本发明引入水生态功能分区结果指导评价体系的权重赋分，从科学性、普适性、简洁性及有效性等角度选取评价指标，简化评价流程，为实现我国地表水环境的分区分级差异化管理及优化受损水体的生态恢复目标打下坚实的基础。
技术实现要素：
本发明所要解决的技术问题是提供一种基于水生态功能分区的河流近自然状况评价方法，本方法的目的在于克服传统意义上的河流近自然状况评价方法在兼顾可持续发展和生态保护理念上的不足，在保证科学性的前提下，简化评价方法流程，提供一种基于生态功能分区的河流近自然状况评价方法。该方法在坚持可持续发展的前提下，通过分析我国河流生态系统健康状况，提炼科学合理的生态学指标，构建适用于河流的近自然状况评价方法,为实现我国地表水环境的分区分级差异化管理及优化受损水体的生态恢复目标打下坚实的基础。
为了实现上述目的，本发明的技术方案是：
一种基于水生态功能分区的河流近自然状况评价方法，包括如下步骤：
(1)选择相应的进行近自然状况评价的河流，该处河流指的是除水库、湖泊、池塘以外的所有地表水体，根据环保部《全国流域水生态功能区划手册》，将评价河流划分为不同的评价单元；
(2)参考点选取：选取同一区域范围内现有最佳状态，即区域内最佳的样板河段；
(3)指标选取：综合国内外最新研究成果，在科学性、目标性、系统性、独立性、操作性等指标选取原则的基础上，从水文水质、地貌、生态特征等方面挑选相互独立、易于获取的定量指标；
(4)数据标准化：采用离差标准化方法即min-max标准化(min-maxnormalization)，对原始数据进行线性变换，将所有指标结果落到[0,1]区间；
(5)权重的确定：指目标层采用熵权综合指数法计算各指标的权重，准则层的权重则基于河流的水生态功能分区结果确定。目标层分值为准则层各类指标的加权和；
(6)评分标准的确定：根据实际情况，将评价水体自然状况分为4级，即自然状态、近自然状态、退化自然状态及退化状态，采用频率分布法设定自然状况等级的评分标准；
(7)河流近自然状况判断：根据评分标准步骤(6)确定的评分标准，结合评价水体目标层分值，判断其近自然状况。
优选地，所述步骤(1)中的近自然河流是指符合可持续发展要求的生态系统结构和功能较为稳定的河流。
优选地，所述步骤(1)中的水生态功能区指的是根据水生态功能分区的三级分区结果。
优选地，所述步骤(2)中的区域内最佳的样板河段可为同一条河流生态状况良好的河段作为参考，也可为同一地区选择自然、经济和社会条件类似的生态状况良好的河流的某个河段。
优选地，所述步骤(3)中的定量指标可以为连续性的数值，也可以为描述性的非连续数值。
优选地，所述步骤(4)中的离差标准化的计算公式为：①当指标越大越好时，
根据权利要求1所述的基于水生态功能分区的河流近自然状况评价方法，其特征在于：所述步骤(5)中目标层为“河流近自然状况评价”，“准则层”为地貌、生态、水文水质等3个独立指标层集合，“指标层”指具体的地貌、生态及水文水质参数。“熵权综合指数法”的计算步骤如下：
(1)以各分区指标数据为列向量，构造i×j的矩阵；
(2)由式(1-1)计算第j个指标第i个测值的特征比重(pij)：
(3)根据式(1-2)由特征比重计算得到各指标的熵值：
(4)最后根据式(1-3)确定各指标权重：
优选地，所述步骤(6)中“采用频率分布法设定自然状况等级的评分标准”，即根据参考点的目标层分值，取其下5％设定为退化状态，下5％～50％的为退化自然状态，50％～75％的为近自然状态,上75％的为自然状态。
本发明的优点和积极效果是：
(一)本发明将水生态功能分区理念引入河流近自然状况评价体系，通过评价水体的生态功能三级分区结果，对目标层的各类指标赋予不同的权重。同时，采用统计学方法确定指标层权重，确定方法较为客观、简便，既兼顾可持续发展和生态保护，又降低专家打分或技术人员经验可能带来的结果偏差，与我国水环境分区分级管理的理念一致。
(二)本发明通过直接在目标层设定河流近自然状况评价标准，舍弃了传统河流健康评价中各个指标设立赋分标准的方法，简化了评价方法，便于环境管理者迅速建立不同水体的评分标准体系，扩大了方法的适用范围。
表1为梧桐河干流河段监测点经纬度
表2为梧桐河干流河段近自然河道评价指标及分值
具体实施方式
本说明书中公开的所有特征，或公开的所有方法或过程中的步骤，除了互相排斥的特征和/或步骤以外，均可以以任何方式组合。
本说明书(包括任何附加权利要求和摘要)中公开的任一特征，除非特别叙述，均可被其他等效或具有类似目的的替代特征加以替换。即，除非特别叙述，每个特征只是一系列等效或类似特征中的一个例子而已。
一种基于水生态功能分区的河流近自然状况评价方法，包括如下步骤：
(1)选择相应的进行近自然状况评价的河流，该处河流指的是除水库、湖泊、池塘以外的所有地表水体，根据环保部《全国流域水生态功能区划手册》，将评价河流划分为不同的评价单元；
(2)参考点选取：选取同一区域范围内现有最佳状态，即区域内最佳的样板河段；
(3)指标选取：综合国内外最新研究成果，在科学性、目标性、系统性、独立性、操作性等指标选取原则的基础上，从水文水质、地貌、生态特征等方面挑选相互独立、易于获取的定量指标；
(4)数据标准化：采用离差标准化方法即min-max标准化(min-maxnormalization)，对原始数据进行线性变换，将所有指标结果落到[0,1]区间；
(5)权重的确定：指目标层采用熵权综合指数法计算各指标的权重，准则层的权重则基于河流的水生态功能分区结果确定。目标层分值为准则层各类指标的加权和；
(6)评分标准的确定：根据实际情况，将评价水体自然状况分为4级，即自然状态、近自然状态、退化自然状态及退化状态，采用频率分布法设定自然状况等级的评分标准；
(7)河流近自然状况判断：根据评分标准步骤(6)确定的评分标准，结合评价水体目标层分值，判断其近自然状况。
优选地，所述步骤(1)中的近自然河流是指符合可持续发展要求的生态系统结构和功能较为稳定的河流。
优选地，所述步骤(1)中的水生态功能区指的是根据水生态功能分区的三级分区结果。
优选地，所述步骤(2)中的区域内最佳的样板河段可为同一条河流生态状况良好的河段作为参考，也可为同一地区选择自然、经济和社会条件类似的生态状况良好的河流的某个河段。
优选地，所述步骤(3)中的定量指标可以为连续性的数值，也可以为描述性的非连续数值。
优选地，所述步骤(4)中的离差标准化的计算公式为：①当指标越大越好时，
优选地，所述步骤(5)中目标层为“河流近自然状况评价”，“准则层”为地貌、生态、水文水质等3个独立指标层集合，“指标层”指具体的地貌、生态及水文水质参数。“熵权综合指数法”的计算步骤如下：
(1)以各分区指标数据为列向量，构造i×j的矩阵；
(2)由式(1-1)计算第j个指标第i个测值的特征比重(pij)：
(3)根据式(1-2)由特征比重计算得到各指标的熵值：
(4)最后根据式(1-3)确定各指标权重：
优选地，所述步骤(6)中“采用频率分布法设定自然状况等级的评分标准”，即根据参考点的目标层分值，取其下5％设定为退化状态，下5％～50％的为退化自然状态，50％～75％的为近自然状态,上75％的为自然状态。
本发明的优点和积极效果是：
(一)本发明将水生态功能分区理念引入河流近自然状况评价体系，通过评价水体的生态功能三级分区结果，对目标层的各类指标赋予不同的权重，同时，采用统计学方法确定指标层权重，确定方法较为客观、简便，上述赋值方法既兼顾可持续发展和生态保护，又降低专家打分或技术人员经验可能带来的结果偏差，与我国水环境分区分级管理的理念一致。
(二)本发明通过直接在目标层设定河流近自然状况评价标准，舍弃了传统河流健康评价中各个指标设立赋分标准的方法，简化了评价方法，便于环境管理者迅速建立不同水体的评分标准体系，扩大了方法的适用范围。
实用例1：
下面以黑龙江省松花江一级支流梧桐河干流河段为例进行本发明的具体描述。
(1)梧桐河发源于小兴安岭山脉哲温山，地处小兴安岭南麓山丘及山前过渡到平原地带。全流域集水面积4763平方公里，其中山区占流域面积的80.5％，宝泉岭水文站以下进入平原，于梧桐河农场南屯处汇入松花江，干流河段全长120公里，评价河段集中在中下游地区，全长58km。梧桐河属于典型的高纬度寒冷地区河流，冰封期142天左右，春季干旱，秋季洪涝，土壤类型以暗色草甸土和泥炭沼泽土为主，植被类型以农田植被面积为主，其次为小白花地榆、金莲花、禾草草甸植被。60年来河道两岸水田面积急剧上升，侵占了大量的湿地，但草地和林地面积变化较小，总体上看，梧桐河干流河段上游植被状况良好，中下游则存在植被退化、群落盖度降低及物种组成发生改变的现象，植被群落发生逆向演替；梧桐河干流河段无大型水利枢纽工程，仅有用于农业灌溉的小型排水闸站8座，干、支沟148条，桥涵69座；中上游以农田面源污染为主，下游则以生活污水、工业废水及农田面源为主。总之，梧桐河上游山区河段生态环境状况良好，而中下游河段则受到不同程度的人为干扰，如垦殖、采砂、放牧等，但人为干扰类型较少。
(2)评价河段：梧桐河干流宝泉岭水文站至南屯入江河段为评价河段，包括10个典型的河段，从下往上分别为南屯、梧桐河农场大桥、梧桐河农场4队、柞木林子、梧桐河农场8队、梧桐河农场5队、小山亮子、宝泉岭农场33队、宝泉岭农场2队及是s101梧桐河大桥(表1)；
(3)参考点选取：根据野外现场踏查结果,选取梧桐河干流中上游的老梧桐河大桥、双丰大桥及十八湾漂流处等3个河段作为近自然状况评价的参考河段；
(4)指标选取：综合国内外最新研究成果，在科学性、目标性、系统性、独立性、操作性等指标选取原则的基础上，从水文水质、地貌、生态特征等方面挑选相互独立、易于获取的定量指标。其中，水文水质指标5个，包括流速、溶解氧、氨氮、磷酸盐及清澈度；生态特征指标9个，包括林草地面积比、缓冲带植被宽度、缓冲带植被物种多样性、盖度、缓植被结构完整性(乔灌草空间植被层数)、河岸带通达性(100米内大于10米的植被缺口数)、岸带植被投射阴影宽度、有遮蔽水面占水宽比、大型底栖动物物种多样性；地貌指标7个，分别为水深、水宽、河宽、水宽河宽比、坡度、蜿蜒度及人为干扰方式(表2)；
(5)权重的确定：根据“十二五”水专项成果“《松花江流域水生态功能分区研究”》，评价河段全部为“三江平原松花江下游平原城镇农田河流类型”，功能主要是维持农业生产，而河段地貌、生态特征及水文水质指标对农业生产的重要性是同等的。因此，准则层的3类指标为等权重，各赋值1/3，指标层的21个量化指标则是采用熵权综合指数法计算各指标的权重，详见(表2)；
(6)评分标准的确定：根据评价河段的实际情况，将其近自然状况分为3级，即近自然状态、退化自然状态及退化状态。根据参考点的目标层分值，采用频率分布法设定近自然状况等级的评分标准：﹤0.195的为退化状态，[0.195,0.204)为退化自然状态，位于[0.204,0.224)之间的为近自然状态,≥0.224的为自然状态；
(7)近自然河流状况判断：根据步骤(6)确定的评分标准判断各评价河段的近自然状况，结果显示，梧桐河农场8队及5队河段处于退化自然状态，其它8个河段均处于退化状态。
根据评价结果，参考点中老梧桐河的生态环境处于退化自然状态，双丰大桥处于自然状态,十八湾漂流处处于近自然状况；参考点近自然比例已超过60％；同时，本例在梧桐河干流中上游河段选取了2个典型受损河段(鹤北镇采砂厂及志诚渔场)，采用本方法对其近自然状况进行评价。评价结果显示，鹤北镇采砂厂及志诚渔场河段的目标层分值分别为0.1441、0.1230，其对应的生态环境状况均为“退化”，这与实际情况相符。综上所述，本例方法合理可行。
以上显示和描述了本发明的基本原理、主要特征和本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等同物界定。