[发明专利]一种用于生物多样性保护的河流网络构建方法及其应用

说明书

技术领域

本发明属于生态水文学技术领域，涉及一种用于生物多样性保护的河流网络的构建方法及其应用，应用生态网络理论对河流水系进行分析研究。

背景技术

随着社会经济的快速发展，城市化的进程不断加快。区域环境，尤其在人口稠密的河口地区，城市化高速推进的过程中所面临的重要问题是区域景观破碎化和生境面积萎缩，以及由此引起的空间异质性使区域生态系统连续性下降，正常的生态过程受阻，生态功能降低。面对这一系类生态环境问题，提出了构建生态网络的方法，该方法将破碎化的生境斑块通过恢复或重建生态廊道的方式，使其相互连通，从而改进并增强了原本孤立的栖息地之间的功能联系，使原本被阻断的物质能量流恢复联系，通过生态网络的构建恢复景观破碎化区域的正常生态过程，以达到生物多样性保护的目的。

随着生态网络理论和方法的不断发展，近年来借助生态网络理论与方法，通过河流网络构建解决相应的生态环境问题的尝试也进入了快速发展的阶段。河流网络的构建是通过概化河流水系来实现的，这种概化方式由生态网络概化演化而来。目前，大部分关于河流网络的研究主要集中在河流的某个单一要素上以及最稀缺栖息地或特有生物在河流水系中的地位。这些研究促进了生态网络的理论方法在河流网络中的应用及发展。但是，关于运用生态网络理论方法体系保护河流生物多样性和提升河流生态系统服务的研究还不全面和系统，原因在于河流结构和功能的复杂性，以及河流保护的多重管理目标和实际操作中执行的不同标准。

因此，迫切需要在应用河流网络保护生物多样性和提升河流生态系统服务功能方面进行深入和系统研究；更需要结合河流自身属性特点，建立起适用于河流网络构建和分析的方法。由于快速的城市扩张、工程水利设施的建设以及缺水导致的河流网络破碎化，使河流网络内节点之间连通关系减弱甚至消失。恢复和重建孤立河流网络内部的连通，既增加了栖息地之间的水文连通和生态连通，又促进了河流生态功能的恢复和健康发展。

河流网络的生态过程是一个复杂的动态非线性过程，其内部各要素之间以及各要素与周围环境之间存在着复杂的交互作用关系，且随着时间和空间的变化而变化。这种复杂的动态过程在很大程度上是由河流的空间格局所决定，而当河流网络的生态过程发生改变时又会反作用于河流空间格局上，使河流空间格局发生相应的变化。因此，对于以河流为主要生态要素的区域而言，运用生态网络分析方法来分析河流空间格局与河流生态功能的相互作用关系尤为重要。通过将水系中的河道和河流交汇点概化成网络中的边和节点，并按照河流网络边与节点之间的连通状况构建河流网络，使得生态网络理论应用于河流网络的研究已成为可能。已经有研究通过各类型河流空间结构模式构建河流网络模型，并定量的测度河流水文水质功能。如发明专利申请201410125481.9公开了一种河流网络的建模方法，将对象河流网络抽象为一个有向网络模型，方法中将对象河流网络中河流的水力特征明显改变的地方定义为所述有向网络模型的节点；将河水在节点间流经的河道定义为所述有向网络模型的边，河水流向为边的方向。该方法可根据河道长度、径流量等水文特征对河流网络中节点和边的重要性进行定量分析。

在复杂网络和生态网络中，其抗扰动性越来越受到关注，具有空间拓扑结构的生态网络对不同的扰动具有不同的抵抗能力，尤其是当扰动发生在一些关键的节点而使其功能降低或消失时，整个网络更容易陷入瘫痪状态，这说明关键节点对整个网络的可靠性和连通性具有很重要的意义。分析网络中节点的重要性，找出那些重要的关键节点，并且重点保护这些关键节点，来提高整个网络的可靠性和抗干扰能力；在扰动发生时，即使大多数节点被破坏，剩余网络仍可能组成一个完整的且保持连通性、具有基本功能的网络。同理，在结构复杂且具有空间拓扑特征的河流网络中，定量地评估网络中的节点的重要性，识别出河流网络的关键节点，有利于对河流网络进行认识、预测、控制和保护等相关工作，有利于提高河流网络的可靠性和抗干扰能力，这对水资源分配、生物多样性保护等都具有重要意义。

发明内容

本发明旨在拓展现有的河流网络构建技术，提供一种新的河流网络构建方法，将生态网络理论与方法应用于河流网络分析中，所构建的河流网络模型能够真实直观的反映河流生态水文过程中各要素之间的相互作用，可用于定量地评估网络中节点的重要性，识别其中的关键节点。

本发明的另一目的在于所述河流网络构建方法的应用，即提供一种基于河流网络分析的生物多样性保护中关键节点的识别方法，通过简单且成熟的方法识别河流网络中的关键节点，将河流水系中生物多样性保护的关键河段识别出来。

为解决上述技术问题，本发明采用以下技术方案：