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流程

本发明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。

背景技术：

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。

技术实现要素：

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，本发明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。

本发明解决的技术方案是，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。

本发明的适用对象为不存在地貌、降雨等明显差异的小流域，尤其是问题错综复杂的北方缺水型小流域河流，目的为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，通过科学的河段划分和特征参数分类处理，确定河流类型，为小尺度流域河流类型划分提供了新颖、严谨、简易、准确、实用的技术方法。同时通过河段水生态环境保护重要性分级，统筹规划流域治理工作，为小流域精细化、精准化治理提供有效参考，促进了流域水环境质量的整体提升和水生态系统功能的稳定恢复过程中，经济、社会和生态三重效益共赢，经济和社会效益巨大。

附图说明

图1为本发明所述方法的流程框示图。

图2为本发明某小流域水系结构示意图(仅含参与划分的主要河流)。

图3为本发明某小流域河流沿线客观控制点情况示意图。

图4为本发明某小流域河流分段情况示意图。

图5为本发明某小流域河流水生态环境保护阶段分布示意图。

图6为本发明某小流域河流类型划分结果示意图。

具体实施方式

以下结合附图1～图6和流域实际情况对本发明的具体实施方式作详细说明。

如图1所示，本发明所述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，具体包括以下步骤：

(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，如图2所示；

(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；如图3所示，小流域内存在的客观控制节点有：6个土地利用类型变化节点、8个支流汇入节点，节点以支流汇入位置为准(图中未以符号标注)、13个拦水/分水闸、2个污水直排口、4个人工湿地出水口、2个橡胶坝和4个省控断面闸坝；通过优化以上39个客观控制点，将散落分布的客观控制节点直接作为河段划分节点，将相距不超过500m集分布的节点合并，统一划分在一个最小的河段范围内，最终确定出25个河段划分节点，将14条河流划分为36个河段(图2所示)，其中将干流划分为12个河段x1、x2、x3...x12，将#1一级支流划分为2个河段y1、y2，将#2一级支流划分为3个河段y3、y4、y5，将#3一级支流划分为4个河段y6、y7、y8、y9，将#3二级支流划分为6个河段z1、z2、z3...z6，河段划分结果如图4所示；

2)开展流域水生态系统分析监测：

分水期开展3次水生态系统全面监测，在以上划分的36个河段上共设置77个监测点位，其中，干流上12个河段中x3、x5、x6、x8、x115个闸坝和排污口分布密集，且存在土地利用类型转变情况的河段分别设置3个监测点位，其他7个干流及其他类型河段分别设置2个监测点位；水系监测包括水文、水质、水生态、水周边四方面的数据，水文层面具体分析监测因子为河道断流数据、流量数据、流速数据，水质层面具体分析监测因子为物理性水质因子和化学性水质因子，水生态层面具体分析监测因子为河道物理生境状况、河道蜿蜒度、河岸稳定性、河道改造程度、水生植物群落结构、底栖动物群落结构和鱼类结构，水周边分析监测因子为各河流划定的灰线范围内的人类活动情况，收集77个点位中8个地方控制断面长时间序列的水文数据和水质数据；

3)依据参照状态的候选参数级别判定：

依据监测数据的支撑性，设定了21项表征各项因子的候选参数，如表1所示。参照小流域内人为干扰较小的#2一级支流y3河段和#4二级支流的河流状况、上级流域退化程度评价标准及评价参照点状态对候选参数水平进行分级，并依据《地表水环境质量标准》、《河湖健康评价技术导则》、《小流域十三五环境保护规划》相关管理文件对分级标准进行优化，最终的候选参数分级标准，如表1所示：

表1小流域水生态系统调查候选参数分级标准

4)河段划分特征参数筛选确定：

依据监测数据的全面性、完整性、便捷性、相互独立性和代表性原则，对已有表征参数进行进一步筛选；

首先依据全面性原则，必须保证水文、水质、水生态、水周边四种类型均有因子保留；

其次依据完整性和便捷性原则，将仅能获得8个地方控制断面参数水平的断流频率予以剔除，将由于无法快速科学确定各个底栖动物耐污值而影响参数准确性的典型耐污底栖动物(tv≥7)物种比例予以剔除；

最后依据相互独立性和代表性原则，对剩余的20项参数水平进行相关性分析，其中定量参数直接使用原始数据，定性数据使用参数级别水平，将在0.05的显著性水平下，相关性超过一定水平的参数部分剔除，保证剩余参数间的相互独立(两个定量数据相关性应＜0.7，一个定量数据一个定性数据相关性应＜0.8，两个定性数据相关性应＜0.9)；同时将能代表流域根本性水质问题、共性问题且能体现各河段间差异性的参数予以保留，即将相互独立的水质参数、70％以上点位3次监测中有至少一次处于ⅲ级水平的参数、通过对3次监测数据进行基于箱线图法的分布情况分析筛选出的中间水平数据即可分布在ⅰ-ⅲ级水平的参数，上、下四分位分别处于ⅰ、ⅲ级或ⅲ、ⅰ级，三种类型参数予以保留，若相关性较高的两者参数间没有要求保留的数据则优先选择定量参数；

最终筛选出生态流量保障程度、浊度、溶解氧、cod、氨氮、总磷、河道蜿蜒度、河岸稳定性、河流横断面形态、水生植物类型、水生植物多样性指数、底栖动物多样性指数、鱼类物种数、土地利用类型、景观类型15项特征参数，用于河段类型确定；

(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制定：

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，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，如表2所示：

表2小流域水生态环境保护阶段划分特征参数类型

基于特征参数类型制定小流域水生态环境保护阶段划分方法。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。如图5所示，该小流域大部分河段已进入功能恢复阶段，但干流上游和部分支流仍处于水质改善阶段，而仅有2个流域边缘的支流河段处于生态回归阶段；

(4)基于水生态环境保护阶段的河段类型划分：

依据以上小流域水生态环境保护阶段判定，对已划分好的河段进行阶段判定。随后结合各河段生态退化的关键问题特征进行河段类型划分，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丧失型水质改善河段；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，依据以上方法对小流域进行河流类型划分，结果如图6所示，该小流域内共有6种河段类型，其中以使用功能恢复型和生态功能恢复型河流为主，水环境问题最严重的环境超载型水质改善河段仅分布在#1一级支流，其他处于水质改善阶段河段需进一步提升或稳定水环境质量，完成向功能恢复阶段的过渡，目前该小流域内的生态回归河段均为向好型生态回归河段，已满足自我修复的条件，需进一步加强保护管理；

(5)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极：

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，依据河流级别、河段类型及关键恢复功能特征进行河段水生态环境保护重要性分级；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，分级结果如表3所示。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极对于流域治理管理工作的统筹规划具有重要意义，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。

表3某小流域各河段水生态环境保护重要性分级

结合该小流域2015-2018年期间4次监测数据，对干流和3条一级支流分别做了4次划分结果，其中干流由于再次期间经过了整治，中游x4-x118个河段2016年由水质改善过渡为功能恢复阶段，而3条未整治的一级支流的4次划分结果均保持一致，以上表明本发明提出的基于小流域水生态环境保护阶段的河流类型划分方法是准确可行的。

从该小流域的河流类型划分结果来看，全段属于环境超载型水质改善类型的#1一级支流周边村落密集，生活污水散排现象严重，当地正在开展该河流的综合整治工作；属于流量缺失型水质改善类型河段的共同特点是属于典型季节性河流，且没有稳定的水源补给；属于能力不足型水质改善类型的河段是一条经过渠道化、硬质化改造的河流，河流自净能力丧失；属于使用型功能恢复类型的河段多分布在城市中心，由于景观需求的周期性蓄水，导致水体流动性较差，河段富营养化风险较高，水质不稳定，导致水体作为景观娱乐用水的使用功能不能稳定发挥。以上表明本发明提出的基于小流域水生态环境保护阶段的河流类型划分方法能够反映流域治理过程中不同河段治理需求的差异，依据此确定的河段类型及进一步确定的河段保护级别可为流域治理工作分阶段、分河段、分重点开展提供参考。

以上所述以水文、水质、水生态及水系改造等一系列问题典型的北方某缺水型小流域河流作为本发明的较佳实施例，对本发明的实施步骤进行了详细说明。通过流域系统监测最终确定的基于水生态环境保护阶段的河流类型划分方法，河段分类、特征参数选取及类型判定方法均科学可循，最后根据小流域的具体情况给出了以河流功能恢复为目标的河段保护级别确定的方法，本发明解决了现有小流域治理过程中系统性、精准性不足的问题，便于小流域的统一规划管理，有助于流域治理取得社会、经济和生态三重效益共赢。

本发明经某缺水型小流域河流多次试验，均取得了与上述实施例相同或相近似的结果，表明方法稳定可靠，精准性达到98％以上，具有很强的实际应用价值，这里不再一一详述。

应当说明的是，本发明对具体实施方式进行说明的目的是为示例性阐述本发明的具体实施方式，但本发明适用范围不局限于该类型流域。因此，在不偏离本发明的思路原理和方法范围的情况下所做的任何修改、等同替换、改进等，但都将落入本发明的保护范围内。