一种确定黄河故道流域生态修复措施的方法

技术领域

本发明涉及土地整治和生态修复技术领域，具体涉及一种确定黄河故道流域生态修复措施的方法，适用于黄河故道流域的土地综合整治与可持续开发。

背景技术

黄河故道是黄河自1194年-1855年侵泗夺淮入海，行水660余年，上游泥沙下移淤积，形成一条高出两侧地面4-6m的地上悬河。黄河故道自成独立水系，是流经区域的分水岭。由于黄河故道存在土壤质量差、湿地退化、水土流失等多种生态问题，开展黄河故道流域生态修复、提高景观多功能性需要系统安排各项生态修复措施。

目前，确定生态修复措施已经有一些技术，包括基于地质灾害敏感性的生态安全格局关键区识别与修复、基于生态系统服务视角的区域生态修复规划方法、流域生态修复方法及综合整治技术等，这些生态修复措施布局技术是针对非地上悬河流域的。

针对黄河故道这种地上悬河，目前提出了中泓贯通、水土保持、土地整治等生态修复措施，但措施是分散实施的，尚缺乏技术根据地上悬河的地貌特点来整体布局，难以整体改善景观功能、提高景观多功能性。因此，需要一种黄河故道生态修复措施的整体布局方法。

发明内容

本发明针对黄河故道流域生态修复整体布和景观多功能性提高问题，提供一种确定黄河故道流域生态修复措施的方法，该方法通过景观功能耦合关系的测算和调控来实现生态修复措施的空间布局。

一种确定黄河故道流域生态修复措施的方法，包括以下步骤：

(1)测算黄河故道流域研究区各栅格单元的初级生产、游憩服务、人居承载、土壤保持和生境维持5个景观功能

从公开地信数据集中获取研究区各栅格单元的年均净初级生产力数据，用来反映研究区的初级生产功能；用InVEST软件测算研究区各栅格单元的游憩服务、人居承载、土壤保持和生境维持4个景观功能。栅格单元的大小以30米×30米为最佳。

(2)将研究区黄河故道分段，在每个河段内分别计算中泓、低滩地、高滩地、背水洼地4个地貌区域内的初级生产分别与游憩服务、人居承载、土壤保持或生境维持4个景观功能之间的实际耦合关系

利用村庄边界或1千米等间距线将研究区黄河故道分段。在每个河段内，分别统计中泓、低滩地、高滩地、背水洼地4个地貌区域内所有栅格单元的初级生产、游憩服务、人居承载、土壤保持和生境维持5个景观功能。

在中泓内，分别计算初级生产与游憩服务和生境维持2个景观功能的相关系数；在低滩地内，分别计算初级生产与游憩服务、土壤保持和生境维持3个景观功能的相关系数；在高滩地内，分别计算初级生产与游憩服务、人居承载、土壤保持和生境维持4个景观功能的相关系数；在背水洼地内，分别计算初级生产与游憩服务、生境维持2个景观功能的相关系数。

若两个景观功能之间的相关系数通过了0.05置信水平的显著性检验且该系数为负值，则这两个景观功能之间存在显著的权衡关系；若通过显著性检验且为正值，则为显著的协同关系；若未通过显著性检验，则为中性关系。

(3)将两个景观功能之间的实际耦合关系与理想耦合关系比较

对于中泓，初级生产与游憩服务、生境维持2个景观功能的理想耦合关系分别为权衡、权衡；对于低滩地，初级生产与游憩服务、土壤流失、生境维持3个景观功能的理想耦合关系分别为协同、权衡、协同；对于高滩地，初级生产与游憩服务、人居承载、土壤流失、生境维持4个景观功能的理想耦合关系分别为协同、协同、权衡、协同；对于背水洼地，初级生产与游憩服务、生境维持2个景观功能的理想耦合关系分别为权衡、权衡。

将步骤(2)计算得到的地貌区域景观功能实际耦合关系与理想耦合关系相比较，当二者不一致时，则判断该地貌区域需要布置生态修复措施；当二者一致时，不需要布置生态修复措施。

(4)确定生态修复的措施

对于中泓，当初级生产与游憩服务、生境维持2个景观功能的实际耦合关系与理想耦合关系不一致时，生态修复措施分别是中泓贯通和水质改善；对于低滩地，初级生产与游憩服务、土壤流失、生境维持3个景观功能的实际耦合关系与理想耦合关系不一致时，生态修复措施分别是景观开发、水土保持和湿地建设；对于高滩地，初级生产与游憩服务、人居承载、土壤流失、生境维持4个景观功能的实际耦合关系与理想耦合关系不一致时，生态修复措施分别是景观开发、村庄整治、水土保持、生物多样性建设；对于背水洼地，初级生产与游憩服务、生境维持2个景观功能的实际耦合关系与理想耦合关系不一致时，生态修复措施分别是涉水产业开发和湿地建设。

有益效果

本发明将研究区黄河故道分段，在每个河段内分别计算中泓、低滩地、高滩地、背水洼地4个地貌区域内的初级生产分别与游憩服务、人居承载、土壤保持或生境维持4个景观功能之间的实际耦合关系可以解决黄河故道流域综合治理过程中生态修复措施沿河道纵向和横向布局问题，适用于与黄河类似的地上悬河流域生态修复；可以提供空间显示的生态修复措施布局，覆盖范围大，为生态修复规划提供图件；可以根据黄河故道景观多功能性形成原理，有机组合各类生态修复措施，生态修复实施后，可以有效提供景观多功能性，充分发挥土地的生产、生活和生态价值。

附图说明

图1是黄河故道流域的俯视图；

图2是研究区栅格单元划分的示意图；

图3是黄河故道流域的剖面图。

具体实施方式

以下结合附图和实例用于进一步详细说明本发明，但不用来限制本发明的范围。

实施例1

如图3所示，黄河故道是一条河道水面4高出两侧地面8的地上悬河。从河道水面4向两侧，依次有中泓4、低滩地5、高滩地6、背水洼地7四种地貌区域。由于黄河故道地势高，土壤质量差，且水土向中泓和背水洼地流失。同时，黄河故道集水面小，湿地退化。开展黄河故道流域生态修复、提高景观多功能性需要系统安排各项生态修复措施。为整体布局各项生态修复措施，实施如下步骤：

(1)测算黄河故道流域景观功能

如图1，确定研究区1。如图2，划分栅格单元3，栅格单元的大小以30米×30米为最佳。

从公开地信数据集中获取研究区各栅格单元的年均净初级生产力数据，用来反映研究区的初级生产功能。公开地信数据集的来源包括资源环境数据云平台、谷歌地球引擎等。数据下载后，存储在常用的GIS软件中。

其次，用InVEST软件测算研究区各栅格单元的游憩服务、人居承载、土壤保持和生境维持4个景观功能。InVEST是生态修复行业通用的软件，可以用于计算各种景观功能。

其中，游憩服务是指景观为人类提供游憩服务的能力。通过游憩机会水平表征，机会水平越高，景观游憩服务功能越强。测算公式为：

E

E

人居承载是指景观为人类生存需求提供居住空间的能力。通过人居承载力表征这一功能，人居承载力越高功能越强。测算公式为：

Rc

土壤流失通过土壤流失量来表达，土壤流失量越大，土壤保持功能越差。测算公式为：

USLE

USLE

生境维持是景观为个体和种群的可持续生存提供适宜条件的能力。生境维持功能通过生境质量模型表征，该模型从威胁因子的最大胁迫距离、权重以及不同土地利用类型对各威胁因子的生境适宜性和敏感性等方面进行生境质量评估。生境质量水平越高则景观的生境维持功能越强。测算公式为：

Q

Q

r为生境的威胁源；y为威胁源r中的栅格；W

(2)计算景观功能之间的实际耦合关系

一般而言，土地具有生产、生活和生态方面的多重功能，单一功能的过度强化会使得土地系统崩溃。只有流域土地的生产、生活和生态功能耦合起来，才能实现黄河故道流域的可持续发展，提高流域的景观多功能性。初级生产代表生产功能，游憩服务和人居承载代表生活功能，土壤流失和生境维持代表生态功能。因此，实施生态修复，首先计算各个景观功能之间的实际耦合关系。

如图1，利用村庄边界或1千米等间距2将研究区黄河故道分段。在每个河段内，分别统计中泓、低滩地、高滩地、背水洼地4个地貌区域内所有栅格单元的初级生产与游憩服务、人居承载、土壤保持和生境维持5个景观功能。

在中泓内，计算初级生产与游憩服务、生境维持2个景观功能的相关系数；在低滩地内，计算初级生产与游憩服务、土壤保持和生境维持3个景观功能的相关系数；在高滩地内，计算初级生产与游憩服务、人居承载、土壤保持和生境维持4个景观功能的相关系数；在背水洼地内，计算初级生产与游憩服务、生境维持2个景观功能的相关系数。

以高滩地的初级生产与游憩服务为例，相关系数计算的具体方法是：将高滩地内的所有栅格单元编号为1到n，然后从步骤(1)中计算得到的初级生产和游憩服务数据中，分别读取栅格单元1到n的初级生产值和游憩服务值，生成一个二维数组，然后计算初级生产值和游憩服务值的相关系数，计算公式为：

r为相关系数，X

(3)比较实际耦合关系和理想耦合关系

由于黄河故道为地上悬河，需要中泓、低滩地、高滩地和背水洼地发挥不同的景观功能，相互协同，从而控制黄河故道流域的水土流失、发挥农业生产能力、提高景观价值。具体地，中泓主要发挥游憩服务、生境维持2个景观功能；低滩地主要发挥初级生产、游憩服务、土壤流失、生境维持4个景观功能；高滩地主要发挥初级生产、游憩服务、人居承载、土壤流失、生境维持5个景观功能；背水洼地主要发挥初级生产、游憩服务、生境维持3个景观功能。

在各地貌区域内部，主要景观功能之间必须具有较好的耦合关系，否则会导致主导景观功能失衡，部分主导功能减弱、甚至丧失，引起黄河故道水土流失等生态问题。

如表1所示，对于中泓，初级生产与游憩服务、生境维持2个景观功能的理想耦合关系分别为权衡、权衡；对于低滩地，初级生产与游憩服务、土壤流失、生境维持3个景观功能的理想耦合关系分别为协同、权衡、协同；对于高滩地，初级生产与游憩服务、人居承载、土壤流失、生境维持4个景观功能的理想耦合关系分别为协同、协同、权衡、协同；对于背水洼地，初级生产与游憩服务、生境维持2个景观功能的理想耦合关系分别为权衡、权衡。

表1 景观功能的理想耦合关系

将计算得到的地貌区域景观功能实际耦合关系与理想耦合关系相比较，当二者不一致时，则判断该地貌区域需要布置生态修复措施；当二者一致时，不需要布置生态修复措施。

(4)确定生态修复的措施

如表2，对于中泓，当初级生产与游憩服务、生境维持2个景观功能的实际耦合关系与理想耦合关系不一致时，生态修复措施分别是中泓贯通和水质改善；对于低滩地，初级生产与游憩服务、土壤流失、生境维持3个景观功能的实际耦合关系与理想耦合关系不一致时，生态修复措施分别是景观开发、水土保持和湿地建设；对于高滩地，初级生产与游憩服务、人居承载、土壤流失、生境维持4个景观功能的实际耦合关系与理想耦合关系不一致时，生态修复措施分别是景观开发、村庄整治、水土保持和生物多样性建设；对于背水洼地，初级生产与游憩服务、生境维持2个景观功能的实际耦合关系与理想耦合关系不一致时，生态修复措施分别是涉水产业开发和湿地建设。

表2 生态修复措施

重复步骤(2)-(4)确定研究区所有河段和地貌区域的生态修复措施，并将生态修复措施标绘在图1上，为研究区的生态修复规划提供基础图件。

尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本发明的限制，本领域的普通技术人员在不能脱离本发明的原理和宗旨的情况下在本发明的范围内对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。