基于流域负荷-湖泊生态模型的城市内湖生态系统韧性表征方法与流程

本发明涉及生态河湖评估，尤其涉及一种基于流域负荷-湖泊生态模型的城市内湖生态系统韧性表征方法。

背景技术：

1、城市内湖是城市水系统的有机组成部分，承担蓄洪、供水、生态、景观等多重功能。然而由于全球气候变化和人类活动加剧，城市内湖生境退化严重，生态功能受损，进而导致水体污染和生物多样性降低。城市内湖生态系统韧性在很大程度上会影响湖泊生态系统的健康状况。韧性定义为“生态系统受到扰动后恢复到稳定状态的能力”，强调了社会-生态系统不仅仅是在遭受冲击后恢复到原状态，而是变得更具灵活性和适应性。目前关于湖泊生态系统韧性的研究主要集中在概念、度量和阈值识别等方面。由于不同湖泊的演化过程、营养状态和物理状态不同，湖泊生态系统韧性具有复杂性和不可预测等特点。

2、传统表征湖泊生态系统韧性的指标集中在营养盐、叶绿素a、沉水植物生物量、浮游植物或者底栖动物多样性、生态系统完整性等。单一指标往往受区域特征所局限，适用性较小，而过于复杂的指标对干扰的响应敏感性不足。应用此类表征指标将无法有效反映湖泊生态系统健康状况，进而导致治理修复无法使湖泊恢复至理想状态，“反复治，治反复”现象突出。食物网通过简化真实生态系统和表征生态系统中的物种相互作用关系，为分析生态系统水平上的动态反馈提供了基础。当外界非生物条件发生变化时，食物网会通过食物网结构和不同营养级相互作用发生改变。近年来的研究表明，掌握湖泊食物网特征，识别其变化阈值，对湖泊生态系统保护和恢复具有重要意义。因此，围绕城市内湖生境遭到破坏、健康状况不清的问题，建立有效表征城市内湖生态系统韧性的指标，是构建绿色、安全和韧性的可持续城市水系统的关键手段。因次，有必要提出一种基于流域负荷-湖泊生态模型的城市内湖生态系统韧性表征方法，以解决上述问题。

技术实现思路

1、本发明提供一种基于流域负荷-湖泊生态模型的城市内湖生态系统韧性表征方法，以解决传统表征湖泊生态系统韧性的指标受区域特征所局限，适用性较小，而过于复杂的指标对干扰的响应敏感性不足的问题。

2、本发明提供一种基于流域负荷-湖泊生态模型的城市内湖生态系统韧性表征方法，包括如下步骤：

3、步骤一，构建以湖泊富营养化和生态修复过程二位稳态转化理论为基础的wet模型，并与流域负荷模型相耦合，模拟外源入湖负荷下的城市内湖营养循环和食物网动态；

4、步骤二，基于wet模型获取的长时间序列城市内湖非生物和生物状态变量，根据人类活动干扰状况，生境状况以及食物网结构稳定状况选择参照年份；

5、步骤三，利用wet模型输出的生物量和能量传递效率，计算物种内和物种间的相互作用强度，各相互作用强度绝对值的几何平均数为食物网中环最大权重值，作为表征城市内湖生态系统韧性的指标；

6、步骤四，通过地理探测器分析、全局敏感性分析方法，分别建立流域环境与城市内湖生态系统韧性、城市内湖生境与城市内湖生态系统韧性的响应关系，分析韧性指标对环境干扰的反应是否敏感；并对韧性指标按照参照年份和受损年份绘制箱线图进行分析，检查参照年份和受损年份的箱线图重叠度，判断指标的有效性；

7、步骤五，以参照年份韧性指标总分值的25%分位数为标准，再对小于25％分位数的分布范围进行四等分，按顺序从高到低定为韧性好、韧性较好、韧性一般、韧性较差、韧性差。

8、进一步地，步骤一包括如下步骤：

9、利用流域负荷模型估算wet模型输入的外源营养盐负荷；基于dem和水系获取城市内湖上游汇水区；流域负荷模型输入数据包括气象、土地利用、工业点源数据、农业农耕数据；流域负荷模型输出的流量及营养盐负荷作为wet模型的边界条件；

10、利用wet模型模拟城市内湖的营养循环和食物网动态，wet模型输入数据包括湖泊特征数据、沉积物特征数据和外部驱动数据；通过野外调查及资料收集获取湖泊特征数据，所述湖泊特征数据包括湖泊水深、面积、植被覆盖；湖泊沉积物特征数据来源于wet模型中设置的沉积物默认参数；外部驱动数据包括水文、气象、外源营养盐负荷的时间序列数据；采用实测的水质、水生态指标对wet模型进行率定，所述实测的水质、水生态指标包括总氮、总磷、透明度、溶解氧、叶绿素a和浮游生物生物量。

11、进一步地，步骤二包括如下步骤：

12、利用曼-肯德尔突变分析方法判断城市内湖生境质量急剧下降的时间点，包括：对长时间序列数据进行排序，得到排序后的数据序列；根据排序后的数据序列计算统计量序列uf和逆序统计量序列ub；给定显著性水平α，将uf和ub两个统计量曲线和显著性水平线绘在同一个图上；若uf和ub的值大于0，则表明序列呈上升趋势，小于0则呈下降趋势；当超过临界直线时，表明上升或下降趋势显著，超过临界线的范围确定为突变的时间区域；如果uf和ub两条曲线出现交点，且交点在临界线之间，那么交点对应的时刻便是突变开始的时间。

13、进一步地，步骤三包括如下步骤：

14、从wet模型中获取生物量和能量传递效率；由雅可比矩阵的特征值或对角线值导出城市内湖生态系统韧性指标；其中，非对角线值为种间相互作用强度，表示营养级j对营养级i的影响，对角线值为种内相互作用强度；通过计算平衡态时各营养级的l-v方程的偏导数得到相互作用强度值；

15、l-v方程描述了各营养级的生物量变化，其方程式如下：

16、

17、式中，和分别为物种i和j的生物量；为正或负，分别代表增长率或特定死亡率；为物种i和j之间的相互作用强度；

18、在平衡态时，从营养级i到营养级j的能量传递效率 fij表示为：

19、

20、式中，和分别为营养级i和j在平衡态时的生物量，用平均生物量和来代替；

21、以营养级j作为捕食者，营养级i作为被食者，捕食者和被食者之间的相互作用强度的计算公式为：

22、

23、被食者和捕食者之间的相互作用强度的计算公式为：

24、

25、种内相互作用强度的计算公式为：

26、

27、式中，为营养级j的能量传递效率；s是由种内竞争引起的特定死亡率的比例，s的取值范围在0~1之间时，生态系统是稳定的；若s大于1，则认为生态系统不稳定；当比较多个生态系统的稳定性时，s越小，系统越稳定；

28、食物网中环最大权重值作为城市内湖生态系统韧性的指标，值越低表明韧性越好；环的长度k为环中的营养类群个数，环的权重为环中作用强度绝对值的几何平均数，计算公式如下：

29、

30、k≥3的环具有稳定性，因此计算所有长度为3的环重；最大环重近似为满足群落稳定性的最大s；

31、通过比较去除某一物种前后食物网稳定性的差异，分析该物种对食物网稳定性的影响；如果差值为负，则表明从雅可比矩阵中移除相应的物种使生态系统变得更加稳定；如果差值为正，则生态系统变得不稳定；将这种处于食物网关键环节、补充食物链条上缺失的关键环节的物种定为指示物种。

32、进一步地，步骤四包括如下步骤：

33、运用地理探测器分析方法判断构建的城市内湖生态系统韧性指标对流域内各环境因子的响应是否敏感；基于如下假设：如果某个自变量对因变量有重要影响，那么二者的空间分布应具有一定的相似性，计算公式如下：

34、

35、式中， sst为全区总方差， ssw为层内方差和， q为自因子对因变量的解释程度， q取值范围为0~1， q值越大则表示空间分异性越明显；

36、通过对wet模型进行全局敏感性分析判断构建的城市内湖生态系统韧性指标对城市内湖生境因子的响应是否敏感；平行敏感性和自动校准工具包括使用基于密度的borgonovo方法进行筛选，和使用基于方差的sobol方法进行深入分析；敏感性参数排序重要度δ取值范围为0~1，值越大则表示参数越敏感；

37、对城市内湖生态系统韧性指标按照参照年份和受损年份绘制箱线图进行分析，检查参照年份和受损年份的箱线图重叠度；若参照年份和受损年份的箱线图完全无重叠或部分重叠但两者的第二四分位数均不在对方箱体之内，则说明构建城市内湖生态系统韧性指标具有有效性。

38、本发明具有以下有益效果：本发明的基于流域负荷-湖泊生态模型的城市内湖生态系统韧性表征方法，利用流域负荷-湖泊生态模型模拟外源入湖负荷下的城市内湖营养循环和食物网动态，利用模型输出参数计算食物网中环最大权重值，作为用于表征湖泊生态系统韧性的指标，为城市内湖生态系统保护和生境修复提供理论与技术支撑，有效解决传统表征湖泊生态系统韧性的指标受区域特征所局限，适用性较小，而过于复杂的指标对干扰的响应敏感性不足的问题。