本发明属于河流治理，尤其是一种确定梯级水电开发河流水生态健康参照状态阀值方法。
背景技术：
1、梯级水电开发河流是指利用河流坡降从下游至下游多级修建水利工程的河流。水电开发工程筑坝除对水体连通性影响外，同时对水生境、水生生物群落结构、水环境均产生较大影响，从而损害河流水生态环境健康。现有减轻梯级电站对河流生态环境健康影响的技术手段主要通过有优化电站调度的方式，但该类方法仅解决影响河段水文调控物理过程，未考虑水生生物、水生境、水环境的影响变化，对修复梯级水电开发河流的退化生态系统成效小。
2、目前，生态水利是实现人与自然和谐共生必然要求，减少水利工程影响、恢复河流水生态健康是维护河流生态健康美丽的关键，也成为河流可持续管理的焦点。水生态健康参照状态阀值是水生态修复策略的前置条件，也是考量水生态修复成效的对照标准。现有技术建立水生态参照状态大多是通过找寻未受到干扰、生态环境状况良好区来确定河流水生态健康参照状态，基本剔除了人类活动对河流水生态的影响。但梯级水电开发下的河流因筑坝阻隔河流生境发生巨大改变，流水河流变成湖库型缓流河流，未受到干扰、自然原生生态环境仅在未开发的河流源头河段，采用河流源头的水生态健康参照状态应用于水电开发后的河流显然是不合时宜的，另一方面全部拆除已建成的电站从而进行水生态健康恢复不符合现实需求。因此，现有技术建立的水生态参照状态对梯级水电开发河流实用性差。
3、不同水电开发调控过程与河流自然过程产生不同的协同作用，对河流水生态健康影响程度不同，不能采用一套固定地水生态健康参照状态阀值标准应用于不同的梯级水电开发河流水健康恢复，因此，发明一种确定梯级水电开发河流水生态健康参照状态阀值方法，方便不同的梯级水电开发河流确定水生态健康参照状态，并依据该参照状态进行水生态修复策略或修复方案的设计。因我国人均水资源匮乏且水资源分布相当不均衡，当前水资源丰富地区大多存在梯级水电开发河流，建立定量化获取的水生态健康参照状态的方法，为梯级水电开发河流水生态修复提供科学依据和技术支撑，对生态水利建设具有重要意义。
4、cn202310920807.6 公开了一种受干扰涉水型河流水生态参照点的选择及构建方法，是针对受干扰涉水型河流，受干扰涉水型河流与梯级水电开发下河流的生态不同，因此该方法不适用于梯级电站水电开发下水生态参照状态的构建。
技术实现思路
1、本发明所要解决的技术问题是水电开发扰动下河流水生态系统失衡后无法度量水生态健康基准的问题，克服现有电站单一调控水资源的技术对水生态健康恢复的不足，提供一种确定梯级水电开发河流水生态健康参照状态阀值的方法，促进梯级水电开发下河流生态系统健康好转，实现生态水利的发展。
2、为解决上述问题，本发明采用的技术方案为：确定梯级水电开发河流水生态健康参照状态阀值方法，包括以下步骤：
3、s1、对梯级水电开发下的河流进行水生态环境调查基本单元划分：
4、s11、汇水区范围提取：基于所在流域的水系和dem（数字高程模型，igitalelevation model）矢量数据，在arcgis软件的水文分析功能中采用恒定阀值法或适度指数法确定集水面积阀值，作为梯级电站开发下河流的汇水区范围。水文分析是arcgis软件自带的功能模块，可直接进行操作。恒定阀值法和适度指数法是目前常用的水域阈值确定方法，采用现有技术即可。
5、s12、水生态调查一级单元划分：基于气候气象条件进行水生态区位的划分，考虑温度和降雨量两个关键因素。具体地，在arcgis软件中，对汇水范围内的温度和降雨量数据进行插值后重分类，得到水生态调查一级单元区，其中，以月平均气温每相差3°作为一个重分类区间、以年降雨量每相差500mm作为一个重分类区间进行划分。
6、s13、水生态调查二级单元划分：在水生态调查一级单元区划分的基础上，启动arcswat分区模块，输入dem数据、河网数据并设置汇水范围内对应流入、流出点，得到水生态调查二级单元区。分区模块也是arcswat软件自带的功能模块，输入dem数据、河网数据和设置汇水范围内对应流入、流出点后，软件自动输出水生态调查二级单元区。
7、s14、水生态调查三级单元划分：在水生态调查二级单元区基础上进行土地利用优势评估，根据人类活动对河流水生态的影响划分水生态调查三级单元区，划分时以河堤或自然岸线为界，向岸线两侧外扩2公里作为评估范围；以枯水期遥感影像为底图，选择多光谱或高分辨率的遥感影像，对评估范围内的土地利用类型进行解译；对解译后的土地利用类型进行面积统计，根据土地利用面积优势分布情况，计算各种土地利用类型面积与总面积的比例，选择比例值最大土地利用类型优势类型所在外边界进行调查单元划分，从而得到河流水生态调查基本单元。
8、s2、不同水生态调查基本单元水生态调查采样：
9、对水生生物、水生境、水环境进行采样，分别得到水生生物样本、水生境样本和水环境样本；
10、s3、梯级水电开发河流景观破碎化时空分析：
11、s31、采用形态学空间格局分析方法进行空间流域景观破碎化时空分析：基于土地利用调查数据对流域汇水单元内的区域进行二值化处理，将流域汇水单元内的水域部分作为分析前景，其他部分作为背景，其中，水域部分以河道管理范围区域为准；
12、s32、在gtb软件中加载重分类后的图像进行空间格局分析，得到核心水域、分支、桥接和环岛的区域及孤岛水体的区域；
13、s4、水电开发后潜在连通生态单元识别：
14、s41、潜在连通生态廊道识别：收集调查水电开发河流中水工构筑物空间分布情况，将其矢量数据作为阻力面，在阻力面和步骤s32识别的桥接区的基础上，运用最小累积阻力模型得到潜在连通生态廊道分布结果；
15、s42、潜在连通生态单元识别：通过整体连通性指数和潜在连通性指数对各潜在连通生态廊道连通性的重要程度进行计算，将斑块廊道按重要程度进行排序，采用自然断点法将排序后的斑块廊道分为3个级别，将第一级别和第二级别的斑块提取后与河流水生态调查基本单元进行叠加合并聚类，从而获取潜在连通生态单元；
16、s5、河流水生态健康核心参数筛选：
17、s51、水生生物核心参数筛选：
18、s511、按潜在连通生态单元对不同水生态调查基本单元进行分组分析，对大型底栖动物、着生藻采样鉴定结果分别进行物种丰富度和物种组成参数计算，确定候选参数；
19、s512、分析候选参数数值分布范围：采用箱线图法分析候选参数在物种丰富度和物种组成表现最好点与其他点的分布情况，得到箱线图判别分析结果值，当候选参数的箱线图判别分析结果值大于2时，将该候选参数作为辨析水生生物丰富度与物种组成的参数，删除变化范围低于3%的参数和超过3倍标准差的参数，由此筛选出水生生物核心参数；
20、s52、水生境、水环境核心参数筛选：分别计算不同潜在连通生态单元组内的水生生物核心参数与组内调查采样结果的水生境、水环境因子的相关性，分别进行冗余分析和典型相关分析，基于两种分析结果筛选出重复的水生境、水环境因子作为水生境、水环境核心参数。
21、s6、河流水生态健康参照状态阀值确定：
22、s61、水生态健康关键扰动因素识别：采用主成分分析法对潜在连通生态单元的关键扰动因素进行识别，选取变异百分比超过50%的成分作为关键扰动因素；
23、s62、建立压力响应模型：以水生态健康关键扰动因素为压力变量，以水生态健康核心参数为响应变量，建立水生态健康压力-响应模型；
24、s63、确定水生态健康参照状态阀值：
25、对于线型模型y=a+bx，
26、式中，y为压力数据值，x为潜在连通生态单元的响应数据值；将潜在连通生态单元的响应数据和压力数据代入线性模型，采用最小二乘法对线性模型进行拟合，得到系数a和系数b,以90%置信区间计，运用线性回归方程得到各个水生态健康核心参数的阀值；
27、对于非线性模型，通过拐点分析推算出各个水生态健康核心参数的阀值：选取连通生态单元的响应数据中各水生态核心参数的平均值进行拐点分析，在压力指标和响应指标之间建立响应关系，最大偏差对应的突变点为拐点，以90%置信区间计，确定各个水生态健康核心参数的阀值。
28、进一步地，步骤s12中，在arcgis软件中，对汇水范围内的温度和降雨量数据进行插值后重分类，得到水生态调查一级单元区，其中，以月平均气温每相差3°作为一个重分类区间、以年降雨量每相差500mm作为一个重分类区间进行划分。
29、进一步地，步骤s2中，水生生物包括大型底栖动物和着生藻，水生境包括河水流速、河水水深和河水水质，水环境包括ph、溶解氧、氧化还原电位、水温、浊度、电导率和透明度。
30、进一步地，步骤s41中，最小累积阻力模型为
31、，
32、式中， mcr为最小累积阻力值， f为反映某点到基面最小累积阻力与生态过程的正相关关系的正函数， n表示生态源地中的斑块总数， m表述阻力面中斑块总数， r i表述阻力面中i对某斑块的阻力， d ij表示从源 j到斑块 i的距离；
33、步骤s42中，整体连通性指数计算公式为：
34、，
35、潜在连通性指数计算公式为：
36、，
37、式中， iic为整体连通性指数， pc为潜在连通性指数， n为景观中斑块总数， a i和 a j分别为斑块 i和斑块 j的面积， nl ij为斑块 i和斑块 j之间的连接数， a l为景观的面积， p ij为斑块 i和斑块 j之间全部路径概率的乘积最大值。
38、进一步地，步骤s51中，候选参照中，大型底栖动物的物种丰富度包括总分类单元数、ept分类单元数、摇蚊科分类单元数；大型底栖动物的物种组成包括ept相对丰度、ept密度、摇蚊科相对丰度；着生藻的物种丰富度包括总分类单元数、硅藻种类总数、shannon-wiener 多样性指数；着生藻的物种组成包括群落相似度、活体硅藻百分比、数量在前3位的着生藻数量和与着生藻总数量的百分比。
39、进一步地，步骤s62中，首先构建概念模型，对所涉及的压力-响应关系结构进行表述；再结合变量间的数理关系，选择建立线性或非线性定量计算模型。
40、进一步地，步骤s63中，对于线型模型，潜在连通生态单元的响应数据和压力数据代入的线性回归方程为：y=a+bx，
41、式中，y为压力数据值，x为潜在连通生态单元的响应数据值，a和b为系数。
42、对于非线型模型，偏差的计算公式为
43、，
44、式中，d为偏差，n为样本大小， μ为n个响应指标 y k的均值；
45、将响应指标分为两个子组，两个子组的偏差之和总会小于或等于总体偏差，每个拐点偏差都会减小；
46、根据公式
47、△i=d-（d≤i+d＞i）计算两个子组的偏差之和与总体偏差的差值△i，式中，d为数据y1，......，yn的总体偏差，d≤i为子组y1，......，yi的偏差，d＞i为子组yi+1，......，yn的偏差；
48、拐点为△i最大值时对应的i值。
49、本发明的有益效果是：本发明解决水电开发扰动下河流水生态系统失衡后无法度量水生态健康基准的问题，克服现有电站单一调控水资源的技术对水生态健康恢复的不足，提供一种确定梯级水电开发河流水生态健康参照状态阀值的方法，有利于促进梯级水电开发下河流生态系统健康好转，实现生态水利的发展。
1.确定梯级水电开发河流水生态健康参照状态阀值方法，其特征在于，包括以下步骤：
2.如权利要求1所述的确定梯级水电开发河流水生态健康参照状态阀值方法，其特征在于，步骤s12中，在arcgis软件中，对汇水范围内的温度和降雨量数据进行插值后重分类，得到水生态调查一级单元区，其中，以月平均气温每相差3°作为一个重分类区间、以年降雨量每相差500mm作为一个重分类区间进行划分。
3.如权利要求1所述的确定梯级水电开发河流水生态健康参照状态阀值方法，其特征在于，步骤s2中，水生生物包括大型底栖动物和着生藻，水生境包括河水流速、河水水深和河水水质，水环境包括ph、溶解氧、氧化还原电位、水温、浊度、电导率和透明度。
4.如权利要求1所述的确定梯级水电开发河流水生态健康参照状态阀值方法，其特征在于，步骤s41中，最小累积阻力模型为，式中，mcr为最小累积阻力值，f为反映某点到基面最小累积阻力与生态过程的正相关关系的正函数，n表示生态源地中的斑块总数，m表述阻力面中斑块总数，ri表述阻力面中i对某斑块的阻力， dij表示从源j到斑块i的距离；
5.如权利要求1所述的确定梯级水电开发河流水生态健康参照状态阀值方法，其特征在于，步骤s51中，候选参数中，大型底栖动物的物种丰富度包括总分类单元数、ept分类单元数、摇蚊科分类单元数；大型底栖动物的物种组成包括ept相对丰度、ept密度、摇蚊科相对丰度；着生藻的物种丰富度包括总分类单元数、硅藻种类总数、shannon-wiener 多样性指数；着生藻的物种组成包括群落相似度、活体硅藻百分比、数量在前3位的着生藻数量和与着生藻总数量的百分比。
6.如权利要求1所述的确定梯级水电开发河流水生态健康参照状态阀值方法，其特征在于，步骤s62中，首先构建概念模型，对所涉及的压力-响应关系结构进行表述；再结合变量间的数理关系，选择建立线性或非线性定量计算模型。
7.如权利要求1所述的确定梯级水电开发河流水生态健康参照状态阀值方法，其特征在于，步骤s63中，
