(19)中华人民共和国国家知识产权局
(12)发明专利申请
(10)申请公布号 (43)申请公布日 (21)申请号 202010251158.1
(22)申请日 2020.04.01
(71)申请人 中国水利水电科学研究院
地址 100038 北京市海淀区车公庄西路20
号
(72)发明人 林俊强 谷金钰 彭期冬 樊博
靳甜甜 张迪 庄江波 刘雪飞
(74)专利代理机构 北京世誉鑫诚专利代理事务
所(普通合伙) 11368
代理人 刘秀珍
(51)Int.Cl.
G06Q 10/06(2012.01)
(54)发明名称一种河流替代生境保护的适宜性评价方法(57)摘要本发明涉及一种河流替代生境保护的适宜性评价方法，属于环境保护部门中的河流保护领域。一种河流替代生境保护的适宜性评价方法，包括(1)构建河流替代生境保护的适宜性评价的指标；(2)构建河流替代生境保护的适宜性评价的子目标层；(3)构建河流替代生境保护的适宜性评价的准则层；(4)计算适宜性指数A1，得出河流替代生境保护的适宜性等级。本发明的一种河流替代生境保护的适宜性评价方法(1)为支流替代生境选择提供评判标准。(2)可给出支流生境替代效果、支流保护条件以及支流保护的经济合理性等实际问题的定量评价结果。(3)提供定量计算干、支流生境和物种相似性的方法；(4)对替 代生境做更全面与系统的适宜性评价。权利要求书7页 说明书24页 附图1页CN 111461550 A 2020.07.28
C N 111461550
A
1.一种河流替代生境保护的适宜性评价方法，其特征在于，包括以下步骤：
(1)构建河流替代生境保护的适宜性评价的指标，指标包括水文相似性D1、水动力相似性D2、水环境相似性D3、河流地形地貌相似性D4、土著鱼类物种相似性D5、特有鱼类物种相似性D6、重点保护鱼类物 种相似性D7、纵向连通性D8、横向连通性D9、生物多样性D10、水力栖息地适应性指数D11、栖息地破碎性指数D12、水力发电价值D13、工业价值D14、水产品价值D15、灌溉效益D16、航运效益D17、旅游收益D18、生物多样性价值D19、水土保持价值D20、涵养水源价值D21、净化水质价值D22和支流水电未开发损失机会成本D23；
(2)构建河流替代生境保护的适宜性评价的子目标层，子目标层包括生境相似性C1、物种相似性C2、支流连通性C3、生态健康性C4、干流开发价值C5和支流生态价值C6；
(21)生境相似性C1
生境相似性C1通过下式计算：
C1＝α1D1+α2D2+α3D3+α4D4，其中：
α1～α4为D1～D4的权重系数，其根据常规的层次分析法、最小二乘法、熵权法、专家打分法、平均权重法确定；
(22)物种相似性C2
物种相似性C2通过下式计算：
C2＝α5D5+α6D6+α7D7，其中：
α5～α7为D5～D7的权重系数，其根据常规的层次分析法、最小二乘法、熵权法、专家打分法、平均权重法确定；
(23)支流连通性C3
支流连通性C3通过下式计算：
C3＝α8D8+α9D9，其中：
α8～α9为D8～D9的权重系数，其根据常规的层次分析法、最小二乘法、熵权法、专家打分法、平均权重法确定；
(24)生态健康性C4
生态健康性C4通过下式计算：
C4＝α10D10+α11D11+α12D12，其中：
α10～α12为D10～D12的权重系数，其根据常规的层次分析法、最小二乘法、熵权法、专家打分法、平
均权重法确定；
(25)干流开发价值C5
干流开发价值C5即发电效益，用水力发电价值来表征；
(26)支流生态价值C6
支流生态价值C6通过下式计算：
C6＝D14+D15+D16+D17+D18+D19+D20+D21+D22-D23；
(3)构建河流替代生境保护的适宜性评价的准则层，准则层包括替代适宜性B1、保护适宜性B2和经济适宜性B3；
(31)替代适宜性B1
替代适宜性B1通过下式计算：
B1＝β1C1+β2C2，其中：
β1、β2为C1、C2的权重系数，其根据常规的层次分析法、最小二乘法、熵权法、专家打分法、平均权重法确定；
(32)保护适宜性B2
保护适宜性B2通过下式计算：
B2＝β3C3+β4C4，其中
β3、β4为C3、C4的权重系数，其根据常规的层次分析法、最小二乘法、熵权法、专家打分法、平均权重法确定；
(33)经济适宜性B3
经济适宜性B3通过下式计算：
其中：
1表示适宜，0表示不适宜；
(4)计算适宜性指数A1，得出河流替代生境保护的适宜性等级
适宜性指数A1通过下式计算：
A1＝γ1B1+γ2B2+γ3B3，其中：
γ1、γ2、γ3为B1、B2、B3这三个指标各自的权重系数，其根据常规的层次分析法、最小二乘法、熵权法、专家打分法、平均权重法确定；
当0.8＜A1≤1时，适宜性等级为高度适宜，此时干支流物种的种结构相似性高，生境条件的相似性高，干支流连通性强，支流生态健康，生物栖息地质量优、数量多，支流生态价值高；
当0.6＜A1≤0.8时，适宜性等级为适宜，此时干支流物种的种结构和生境条件基本相似，干支流连通性较强，支流生态系统一定程度退化，但生物栖息地数量较多，支流生态价值较高；
当0.4＜A1≤0.6时，适宜性等级为一般适宜，此时干支流物种的种结构和生境条件相似性一般，干支流连通性一般，支流生态系统一定程度退化，生物栖息地数量适中，支流生态价值适中；
当0.2＜A1≤0.4时，适宜性等级为勉强适宜，此时干支流物种的种结构和生境条件大体相似，干支流连通性较差，支流生态系统较大程度退化，生物栖息地数量较少，支流生态价值较低；
当0≤A1≤0.2时，适宜性等级为不适宜，此时干支流物种的种结构和生境条件基本不相似，干支流连通性差，支流生态系统严重退化，生物栖息地数量极少或消失，支流生态价值低。
2.根据权利要求1所述的一种河流替代生境保护的适宜性评价方法，其特征在于，水文相似性D1选择日流量过程E1、产卵期涨水次数E2、产卵期涨水天数E3、产卵期涨水持续时间E4、日水位过程E5、日水温过程E6来综合评价，其计算公式如下： D1＝λ1E1+λ2E2+λ3E3+λ4E4+λ5E5+λ6E6
式中，λ1～λ6为E1～E6各自的权重系数，其根据常规的层次分析法、最小二乘法、熵权法、专家打分法、平均权重法确定。
3.根据权利要求2所述的一种河流替代生境保护的适宜性评价方法，其特征在于，水文相似性D1中的下属E级指标中，产卵期涨水次数E2、产卵期涨水天数E3、产卵期涨水持续时间E4属于恒定型相似元，恒定型相似元是指系统间相似元素的特征属性随时间变化较不明显或变化缓慢，在较长一段时间内可视为恒定量，其中：
恒定型相似元的计算包括：
设系统A中的元素a i和系统B中的元素b j为对应的相似元素，组成第k个相似元，模糊相似元的大小q(u k)可用相似元素特征值比例的加权和表征，特征值比例、相似元的具体计算公式如下：
式中，y l(a i)、y l(b j)分别为标准化后元素a i和元素b j的第l个特征的特征值；r l(a i/b j)为元素a i和元素b j的第l个特征的比值大小，简记为r l，为了使特征值比例及相似元的值域在[0,1]之间，规定特征值的较小值为分子，较大值为分母，
式中，q(u k)为第k个相似元的值，0≤q(u k)≤1；d l为各特征的权重，0≤d l≤1，
4.根据权利要求2所述的一种河流替代生境保护的适宜性评价方法，其特征在于，水文相似性D1中的下属E级指标中，日流量过程E1、日水位过程E5、日水温过程E6属于时间型相似元，时间型相似元是系统
间相似元素的特征属性随时间变化显著的相似元，其中：将相似元的相似程度转化为模糊数学中的隶属程度，则相似元的值域可用区间表示为[0,1]，0表示相异，1表示相同，0和1之间的范围表示相似的程度，相似元值越接近于1，相似程度越高；
时间型相似元的计算包括：
一个具有时间序列的元素特征属性可用分段线性的方式表示，其一般形式如下： Y＝{(y1,y2,t2),…,(y i-1,y i,t i),…,(y n-1,y n,t n)}
式中，y i-1,y i(i＝2,…,n)分别为第i-1段直线的起始值和终点值；t i表示为第i-1段直线结束的时刻；n表示时间序列Y的分段数目；
时间序列的变化趋势用斜率表示，即时间序列Y可以表示为具有一定斜率的线段集合，因此，定义时间序列的斜率集如下式所示：
Y＝{(k1,t2),…,(k i-1,t i),…,(k n-1,t n)}
式中，k i-1＝(y i-y i-1)/(t i-t i-1)为第i-1段直线的斜率；t i为第i-1段直线的结束时间；
由于斜率的值域范围为[-∞,+∞]，属于无界函数，基于斜率距离表示的时间序列相似性难以衡量相似的具体程度，因此时间序列用斜率角的方式可表示为：
Y＝{(α1,t2),…,(αi-1,t i),…,(αn-1,t n)}
式中，αi-1＝arctan(k i-1)为第i-1段直线的斜率角，αi-1∈[-π/2,π/2]；
一般情况下，两个时间序列在线性分段后各端点对应的时刻不完全一致，对应的每段
直线长度也不尽相同，因此在进行时间序列的相似性分析前，需对斜率角度集进行时刻对等剖分，设两个时间序列Y′＝{(α1′,t3),(α2′,t4),(α3′,t6)}，Y″＝{(α1″,t2),(α2″,t5), (α3″,t6)}，进行时刻对等剖分后，两个时间序列可改写为：
Y′＝{(α1′,t2),(α1′,t3),(α2′,t4),(α3′,t5),(α3′,t6)}
Y″＝{(α1″,t2),(α2″,t3),(α2″,t4),(α2″,t5),(α3″,t6)}
若两个时间序列的元素特征曲线变化趋势相同，但曲线之间存在相位差，则仍然认为这两个时间序列是相似的；然而，常规的相似元计算方法仅是通过对比每个相同时刻下两个时间序列的特征值相似性，继而计算出相似元值并判断相似程度，但是常规方法计算而得的相似性结果，无法识别隐藏在两个时间序
列中的错位相似规律，因此，有必要在两个时间序列中进行相似性搜索，并计算其相似元值，从而挖掘其中的最相似区段和平移时间；
将两个经时刻对等处理后以斜率角集表示的时间序列Y′和Y″，通过两个序列在时间上的逐步平移，分别计算其相似元值，继而搜索相似性最高的区段及相应的平移时间，即：假设序列Y′和Y″具有相等的时间间隔Δt＝t i-t i-1，若Y″平移|j|个时间间隔(j向右为正，向左为负)，则此时两序列在时间上重叠的曲线线段减少至n-1-|j|段；
j>0时，重叠部分用斜率角集可表示为：
Y′＝{(α1+j′,t2+j),…,(αi-1′,t i),…,(αn-1′,t n)}，Y″＝{(α1″,t2),…,(αi-1-j″, t i-j),…,(αn-1-j″,t n-j)}
j<0时，重叠部分用斜率角集可表示为：
Y′＝{(α1′,t2),…,(αi-1-|j|′,t i-|j|),…,(αn-1-|j|′,t n-|j|)}，Y″＝{(α1+|j|″,t2),…, (αi-1″,t i),…,(αn-1″,t n)}
平移后，两时间序列的相似元值可用下式计算：
给定一个平移阈值ε≥0，且平移阈值ε的上限应不超过整个时间序列的1/4，在|j|≤ε范围内，固定序列Y′，平移序列Y″，经过逐步平移来计算相似元值，搜索相似元值达到最大时的时间区段即为最相似区段，记录相应的平移时间和最大相似元值。
5.根据权利要求1所述的一种河流替代生境保护的适宜性评价方法，其特征在于，水动力相似性D2以平均流速E7、平均流速梯度E8、平均水深E9、平均水面宽度E10、平均弗劳德数E11、平均雷诺数E12、平均涡量E13、平均动能梯度E14的相似性来综合评价，其用下式计算：D2＝λ7E7+λ8E8+λ9E9+λ10E10+λ11E11+λ12E12+λ13E13+λ14E14
式中，λ7～λ14为E7～E14各自的权重系数，其根据常规的层次分析法、最小二乘法、熵权法、专家打分法、平均权重法确定。
6.根据权利要求5所述的一种河流替代生境保护的适宜性评价方法，其特征在于，水动力相似性D2中的下属E级指标中，平均流速E7、平均流速梯度E8、平均水深E9、平均水面宽度E10、平均弗劳德数E11、平均雷诺数E12、平均涡量E13、平均动能梯度E14属于恒定型相似
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