湿地水文连通程度综合评价指标体系的构建方法

摘要

湿地水文连通程度综合评价指标体系的构建方法，本发明属于湿地生态水文技术领域，具体涉及一种利用湿地水文连通程度综合评价指标体系的构建方法。本方法：一、综合评价概念框架；二、连通性评价指；三、评价指标确定方法；四、评价指标的权重；五、综合评价模型。本发明基于湿地生态系统的连通模式、生态机理，综合结构、功能特点选取连通指标，通过建立湿地连通性指数计算方法、综合评价方法系统量化湿地连通程度现状。本发明以系统理论为为指导，多角度出发构建兼顾结构和功能。

说明书

技术领域

本发明属于湿地生态水文技术领域，具体涉及一种利用湿地水文连通程度综合评价指标体系的构建方法。

背景技术

湿地水文连通是指不同湿地之间或者同一湿地内部，以水为媒介进行物质输运、能量传递、生物迁移的能力。湿地水文连通从水生态系统形态结构出发，又与水文生态系统功能紧密相关，因此将水文连通划分为结构连通(Structural connectivity)和功能连通(Functional connectivity)。结构连通反映一种静态过程，表征了沼泽、河流、湖泊、水库等湿地在空间上的水文连续性；功能连通则是指水文连通的空间格局与流域过程相互作用产生的径流大小、水作为载体的传输(通量、沉积物、营养物)能力和变化，以及与水文连通塑造有关的长期景观变迁和短期环境条件变化(如降雨量等)，反映了一种动态变化过程。

湿地生态系统而言，水文连通性及水体的流动是湿地地表水体间能量、物质、信息传递的重要纽带，水文连通性是维持湿地生态系统健康的关键因子。湿地的水文连通性是维持湿地生态系统正常运行的必要条件，是湿地各项功能发挥的基础。因此无论是确定多个湿地保护修复的优先次序，或是评估单个湿地的水文连通功能，都应建立在对湿地水文连通定量评估的基础上。

湿地水文连通评估方法多数由水系连通评价方法演绎而来，尚无专门针对湿地系统的综合水文连通评估方法。关于湿地水文连通性的量化方法大多是科研工作者根据自己的研究目的、研究方法和相关数据资料，通过单个指标对比的方法对湿地水文连通的水质、生物、土壤等某一方面或者多方面的演化进行评价，因此急需一种从多角度系统建立综合评价湿地水文连通的方法，并兼顾评估结构与功能的连通程度。

发明内容

本发明的目的是为了解决综合湿地水文连通定量评估方法的缺乏的技术问题，提供了一种湿地水文连通程度综合评价指标体系的构建方法。

湿地水文连通程度综合评价指标体系的构建方法如下：

一、综合评价概念框架：

构建一套包含驱动力系统、状态系统和响应系统的三个系统的多层次评价指标体系DSR框架模型用于评价湿地连通性；

二、连通性评价指标：

根据DSR框架模型，分别从驱动力系统、状态系统和响应系统的角度出发，筛选出能够良好反映其水文连通程度的指标，即系统层、准则层和指标层，建立连通性的功能-结构评价指标体系；

三、评价指标确定方法：

结合研究区的实际情况，将湿地水文连通程度等级进行赋值，同时确定评价指标体系中各项指标的等级界定标准和方法；

四、评价指标的权重：

利用模糊层次分析法计算权重后，进一步通过群判断理论汇总众多专家的不同判断结果，通过计算各专家的置信度以求得各个指标最终权重；

五、综合评价模型：

得到各个单项指标评价值及其权重之后，利用叠置指数法计算得到的湿地水文连通的综合指数。

本发明的优点：

一、构建了一套基于水文连通机制和模式、跨多时空尺度的综合水文连通定量评估体系，实现水文连通指标从斑块到区域再到景观尺度上的推移。

二、评价结果是对全区结构-功能连通的综合评价，该体系既反映了结构连通也反应了功能连通。

三、该指标体系不是针对某一特定区域或者单一尺度的水文连通情况，而是具有普适性。

本发明基于湿地生态系统的连通模式、生态机理，综合结构、功能特点选取连通指标，通过建立湿地连通性指数计算方法、综合评价方法系统量化湿地连通程度现状。本发明以系统理论为为指导，多角度出发构建兼顾结构和功能。

附图说明

图1是实验一中最终得到的2019年莫莫格保护区水文连通综合评价结果图。

具体实施方式

本发明技术方案不局限于以下所列举具体实施方式，还包括各具体实施方式间的任意组合。

具体实施方式一：本实施方式湿地水文连通程度综合评价指标体系的构建方法如下：

一、综合评价概念框架：

构建一套包含驱动力(Driving forces)系统、状态(State)系统和响应(Response)系统的三个系统的多层次评价指标体系DSR框架模型用于评价湿地连通性；

二、连通性评价指标：

基于湿地连通性的内涵、特征、连通机理，结合指标的选取原则，根据DSR框架模型，分别从驱动力系统、状态系统和响应系统的角度出发，筛选出能够良好反映其水文连通程度的指标，即系统层、准则层和指标层，建立连通性的功能-结构评价指标体系；

三、评价指标确定方法：

结合研究区的实际情况，将湿地水文连通程度等级进行赋值，同时确定评价指标体系中各项指标的等级界定标准和方法；

四、评价指标的权重：

利用模糊层次分析法计算权重后，进一步通过群判断理论汇总众多专家的不同判断结果，通过计算各专家的置信度以求得各个指标最终权重；

五、综合评价模型：

得到各个单项指标评价值及其权重之后，利用叠置指数法计算得到的湿地水文连通的综合指数。

具体实施方式二：本实施方式与具体实施方式一不同的是步骤一所述驱动力系统是由自然因素和人为因素组成；所述自然因素是年降水量、植被覆盖率和高程差；所述人为因素是路网密度、农田开垦面积率、灌渠密度和人口密度。其他与具体实施方式一相同。

具体实施方式三：本实施方式与具体实施方式一或二不同的是步骤一所述状态系统包括结构连通和连通形式；所述结构连通是可能性连通指数、连通性指数和连通路径密度；所述连通形式是连通方式和连通时效。其他与具体实施方式一或二相同。

具体实施方式四：本实施方式与具体实施方式一至三之一不同的是步骤一所述响应系统包括水动力连通、物质能量连通和生态连通；所述水动力连通是渗透系数和水面积率；述物质能量连通是氯离子指数和同位素示踪指数；所述生态连通是植物多样性指数和动物生境面积率。其他与具体实施方式一至三之一相同。

采用下述实验验证本发明效果：

实验一：

以吉林省西部莫莫格国家级自然保护区我研究对象基于驱动-状态-响应(DSR)理论框架，建立了一套跨时空尺度的综合水文连通定量指标体系，对2019年保护区水文连通结构-功能程度的进行分区定量评估。

湿地水文连通程度综合评价指标体系的构建方法如下：

一、综合评价概念框架：

构建一套包含驱动力(Driving forces)系统、状态(State)系统和响应(Response)系统的三个系统的多层次评价指标体系DSR框架模型用于评价湿地连通性；

二、连通性评价指标：

基于湿地连通性的内涵、特征、连通机理，结合指标的选取原则，根据DSR框架模型，分别从驱动力系统、状态系统和响应系统的角度出发，筛选出能够良好反映其水文连通程度的指标，即系统层、准则层和指标层，建立连通性的功能-结构评价指标体系；

驱动力系统是由自然因素和人为因素所组成，因为湿地水文连通的变化的驱动力是各个变化因素。状态系统是某段时间内水文连通的情况特征，主要是从其结构连通状态和连通形式上描述。功能连通是通过结构连通和其他因素影响共同作用而实现的，而功能的连通包括水动力、物质和生态连通。基于各个准则层进而筛选指标层的各个具体指标见表1。

表1评价指标体系与描述

三、评价指标确定方法：

结合研究区的实际情况，将湿地水文连通程度等级进行赋值，同时确定评价指标体系中各项指标的等级界定标准和方法；

湿地水文连通程度的赋值情况见表2，评价指标体系中各项指标的等级界定标准和方法见表3。

表2湿地水文连通程度划分表

表3水文连通程度评价指标分级标准及确定方法

四、评价指标的权重：

利用模糊层次分析法计算权重后，进一步通过群判断理论汇总众多专家的不同判断结果，通过计算各专家的置信度以求得各个指标最终权重；

模糊层次分析法：

一、计算过程如下:

(1)确定模糊标度

模数层次分析法与原始层次分析法的一点不同就是，构造模糊矩阵发生变化，采用满足模糊矩阵标度，具体标度如下表4，3种标度构成的判断矩阵A＝(a

a

a

表4 3种模糊标度

(2)相关定义

定义1设矩阵A＝(a

定义2设矩阵A＝(a

定义3设有模糊互补矩阵A＝(a

定义4设有模糊互补矩阵A

由以上定义可知，具有模糊一致性的矩阵合成后仍为模糊一致性矩阵。因此，采用以上3种标度构造的判断矩阵均为模糊互补判断矩阵。

(3)矩阵一致性转换

定理1如果对模糊互补矩阵A按行求和，记为

然后，对式7-3进行如下变换

则矩阵R＝(r

(4)权重的计算

利用和法，可以求出矩阵R的权重，其计算公式如下：

证明如下：根据式(7-5)有

由式(7-6)可知，在计算判断矩阵的权重时，无需对其进行一致性检验，也无需先对判断矩阵进行转换，因为在构造矩阵之初就已经满足上诉条件。因此，减小了在计算过程中可能产生的人为误差，同时大大减少了繁琐的计算过程。

利用模糊层次分析法计算权重后，进一步通过群决策理论，以专家群体为决策主体，汇总众多专家的不同判断结果，通过计算各专家的置信度以求得各个指标最终的权重，得到各层次各指标权重如表5所示。

表5综合权重计算结果

五、综合评价模型：

得到各个单项指标评价值及其权重之后，利用叠置指数法(通过选取的评价参数的分指数进行叠加形成一个反映脆弱程度的综合指数，再由综合指数进行评价)，计算得到的湿地水文连通的综合指数。利用Kring插值法获得各指标的等值线图，然后形成相应的面属性文件，并根据各指标的评价标准和分级对面文件进行赋值，最后结合模糊层次分析法确定的权重进行乘积叠加得到综合指数值，并利用系统的制图、空间分析、图像分析、属性库管理功能，完成对莫莫格水文连通程度的评价。

六、水文连通度综合评价结果：

最终得到2019年莫莫格湿地水文连通情况等级分布情况(图1)。经过系统定量估算，子流域5(二龙涛湿地)、8(白鹤湖)、6(哈儿挠)16(月亮泡)的水文连通为I级，面积为531.50km

此评价结果是对全区结构-功能连通的综合评价，评价为I级的区域，说明此处地表水体连通性较好，有一定的地表-地下交互作用，水文情势、营养物质环境都整体较好，且植被类型丰富，动物停留聚集较为明显，其中二龙涛湿地是白鹤主要停留区域，对此评价得到了进一步验证。保护区全区评价结果为I级的区域占比最高36％，IV级的区域次之为25％，而连通性最差的区域相对最小。