流域水生態(tài)健康評價(jià)得分模型設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

劉永軒

(1. 北京市測繪設(shè)計(jì)研究院, 北京 100038; 2. 城市空間信息工程北京市重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 北京 100038; 3. 工匠創(chuàng)新工作室, 北京 100038)

0 引言

流域首先是一個(gè)地理單元,它具有本身獨(dú)特的自然地理特征和生態(tài)特征。它的存在與人類社會、經(jīng)濟(jì)的發(fā)展有著十分密切的聯(lián)系,流域可以為各種生物提供棲息地、涵養(yǎng)水源調(diào)節(jié)河流的徑流量、凈化水質(zhì)、維持其周圍區(qū)域的生態(tài)平衡[1]。近些年來,因?yàn)槿祟惤?jīng)濟(jì)飛速發(fā)展,人類的一些活動對流域健康產(chǎn)生了嚴(yán)重的影響。因此,社會各界已經(jīng)開始對流域水生態(tài)健康的問題產(chǎn)生了密切的關(guān)注和重視。流域作為一個(gè)相對獨(dú)立完整的基本單元,越來越多的專家和學(xué)者開始以流域?yàn)閱卧M(jìn)行生態(tài)健康評價(jià)方面的研究工作[2]。與此同時(shí),隨著以地理信息技術(shù)不斷發(fā)展與成熟,使得關(guān)于流域水生態(tài)健康的相關(guān)研究與工作更加方便。

1 技術(shù)路線和研究內(nèi)容

本文基于流域生態(tài)學(xué)、景觀生態(tài)學(xué)、生態(tài)系統(tǒng)健康、地理信息等學(xué)科理論知識[3],以云南省滇池流域?yàn)槔?分析了流域空間分布規(guī)律,構(gòu)建了健康評價(jià)指標(biāo),設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了健康評價(jià)得分模型,最后利用WebGIS進(jìn)行服務(wù)發(fā)布與評價(jià)結(jié)果展示,具體技術(shù)路線如圖1所示。

圖1 研究技術(shù)路線圖

1.1 研究區(qū)域介紹

滇池,英文名稱為Tien Lake,也叫作昆明池或者昆明湖,位于云南昆明市西南區(qū),是云南省最大的湖,主要呈南北走向的分布,湖體大致呈弓背向東的弓形。其東部的天然沙灘將滇池分為南北兩個(gè)部分,稱為外湖和內(nèi)湖,海拔約為1 887 m,總面積約為300 km2。主要的河流有古城河、白于河、撈漁河、新寶象河等。文中數(shù)據(jù)來源于中國科學(xué)院大學(xué)野外采樣小組,采樣站點(diǎn)均勻分布于滇池流域四周,有松華壩水庫、黃龍?zhí)端畮?、石房子水庫、官渡寶象河水庫、撈魚河、大河等[4-5]。

1.2 水生態(tài)健康評價(jià)指標(biāo)庫

根據(jù)研究區(qū)域河流的特點(diǎn),本次水生態(tài)健康評價(jià)指標(biāo)包含如下3個(gè)方面[6-8]:

(1)物理指標(biāo),包括水文指標(biāo)與河流生境指標(biāo),該類指標(biāo)主要從影響水生生物最重要的幾個(gè)方面進(jìn)行選取,如棲境地復(fù)雜性、河岸帶植被特征、底質(zhì)特征、大型水生物植物分布特征、河道變化、堤岸穩(wěn)定性、河道速度、河道深度特征和河漫灘的土地利用開發(fā)類型等。

(2)水體化學(xué)指標(biāo),包括水體內(nèi)的營養(yǎng)鹽指標(biāo)與反映人為活動影響的水化學(xué)指標(biāo)。

(3)水生生物指標(biāo),包括野生藻類指標(biāo)、大型底棲動物指標(biāo)庫和魚類指標(biāo)。

1.3 水生態(tài)健康評價(jià)得分模型

根據(jù)河段、河流、水系實(shí)際采樣數(shù)據(jù),建立健康評價(jià)得分模型對健康狀況進(jìn)行計(jì)算,得出評價(jià)值。健康評價(jià)的計(jì)算實(shí)質(zhì)是一種計(jì)權(quán)型多因子環(huán)境質(zhì)量評價(jià)。其計(jì)算公式如下:

(1)

式(1)中:P為環(huán)境質(zhì)量綜合指數(shù);Wj表示第j個(gè)因子的權(quán)重,范圍在0到1之間;Pj表示第j個(gè)因子進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化之后的數(shù)值,是因素層的分指數(shù),公式表示如下:

(2)

式(2)中,Pj為壓力、狀態(tài)、響應(yīng)的分指數(shù);wi為各因素所含指標(biāo)的權(quán)重值;xi表示各個(gè)因素層指標(biāo)標(biāo)準(zhǔn)化之后的值。

1.4 存儲過程

在大型數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)中,存在著一些特定的SQL語句和控制語句,這些語句存在于數(shù)據(jù)庫中,并被封裝起來,執(zhí)行特定功能。最后經(jīng)過數(shù)據(jù)庫的編譯,由用戶指定其名稱給出相應(yīng)的參數(shù),便稱之為存儲過程,它也可以通過存儲過程的名稱直接調(diào)用,也可以指定輸入和輸出參數(shù)[9]。本文將評價(jià)得分模型封裝成相應(yīng)的存儲過程,應(yīng)用程序?qū)?shù)據(jù)庫的操作是通過存儲過程調(diào)用來實(shí)現(xiàn)的,與傳統(tǒng)直接調(diào)用SQL語句執(zhí)行操作,利用存儲過程具有執(zhí)行速度快、通信負(fù)擔(dān)小、易于擴(kuò)展與維護(hù)等優(yōu)點(diǎn)[10]。

2 健康評價(jià)得分模型的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

將物理、化學(xué)和生物指標(biāo)作為水生態(tài)健康評價(jià)模型的因子,利用存儲過程,構(gòu)建健康評價(jià)得分模型,通過WebGIS發(fā)布服務(wù)并展示結(jié)果。由于篇幅有限,文中僅以魚類為例進(jìn)行說明。

2.1 數(shù)據(jù)庫表結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

(1)魚類評價(jià)指標(biāo)表設(shè)計(jì)

魚類評價(jià)指標(biāo)表設(shè)計(jì)如表1所示。

表1 魚類評價(jià)指標(biāo)表

(2)魚類表設(shè)計(jì)

在SQL Server 2008里建立WaterEcosystemDB數(shù)據(jù)庫,建立魚類表如表2所示,將野外采樣小組采集站點(diǎn)魚類數(shù)據(jù)導(dǎo)入,完成數(shù)據(jù)初始化工作。

表2 魚類表

2.2 健康評價(jià)得分模型設(shè)計(jì)

對于魚類,將分類單元數(shù)(S)、生物多樣性指數(shù)Shannon-Wiener(H)、 Berger-Parker優(yōu)勢度指數(shù)(D)、生物完整性指數(shù)(IBI)作為健康評價(jià)得分指標(biāo),本文采用S、H、D作為指標(biāo)(IBI可作為備選指標(biāo))進(jìn)行評價(jià),得分計(jì)算公式如下:

(3)

CREATE PROCEDURE[dbo].[pro _ ShannonWiener] (

@ param _ positionid varchar (10),

@ OutParameter float output)

AS

BEGIN

declare @ parameterSum float

declare @ parameterTemp1 float

declare @ parameterTemp2 float

-------定義一個(gè)游標(biāo),用來控制每一個(gè)站點(diǎn)所有的記錄

declare mycursor cursor for select density from WATERECO _ FISH where positionid=@ param _ positionid

select @ parameterSum=SUM (density) from WATERECO _ FISH where positionid=@param _ positionid

open mycursor

fetch next from mycursor into @ parameterTemp1

while(@fetch _ status=0)

begin

-------開始計(jì)算

set @ parameterTemp2=@ parameterTemp1/@ parameterSum

set @ OutParameter+=-(@ parameterTemp2 * LOG (@ parameterTemp2))

fetch next from mycursor into @ parameterTemp1

end

close mycursor

deallocate mycursor

END

(2)根據(jù)構(gòu)建的3個(gè)指標(biāo)(S、H、D),分別執(zhí)行對應(yīng)的存儲過程,結(jié)合魚類得分公式,在數(shù)據(jù)庫建立魚類健康得分模型存儲過程計(jì)算魚類得分,部分程序代碼如下:

---------執(zhí)行存儲過程,求得S/H/D

execute pro _ Fish _ Taxon @parameterTempPOSITIONID,@parameterTemp1 execute pro _ Fish _ BergerParker @parameterTempPOSITIONID,@parameterTemp2

execute pro _ Fish _ ShannonWiener @parameterTempPOSITIONID,@parameterTemp3

---------最后計(jì)算魚類得分

set @ OutParameter=@ parameterTemp1+ @ parameterTemp2+@ parameterTemp3 / 3

END

2.3 評價(jià)結(jié)果顯示

根據(jù)流域水生態(tài)健康評價(jià)得分模型,利用WebGIS發(fā)布對應(yīng)服務(wù)接口,客戶端通過調(diào)用該服務(wù),完成評價(jià)得分,通過Arcgis server for Javascript API完成野外采樣站點(diǎn)數(shù)據(jù)在地圖上的顯示與得分評價(jià)[11-12]。

3 結(jié)束語

隨著人類經(jīng)濟(jì)飛速發(fā)展,人類的一些生產(chǎn)活動也對流域健康產(chǎn)生了一定的影響,流域健康也越來越受到關(guān)注與重視。本文以云南滇池為例,分析了該流域的空間分布規(guī)律,根據(jù)流域生態(tài)學(xué)、景觀生態(tài)學(xué)、生態(tài)系統(tǒng)健康等理論基礎(chǔ)知識構(gòu)建了流域水生態(tài)健康評價(jià)指標(biāo),利用數(shù)據(jù)庫存儲過程將健康評價(jià)得分模型進(jìn)行存儲,極大提高了模型執(zhí)行速度與效率,方便后期的擴(kuò)展與維護(hù),最后利用WebGIS技術(shù),將評價(jià)結(jié)果通過地圖在空間上進(jìn)行展示,取得了良好的效果。但由于流域生態(tài)學(xué)專業(yè)知識的不足,對于健康評價(jià)得分模型中的評價(jià)指標(biāo)和影響評價(jià)指標(biāo)的各個(gè)因子的選取,可能存在選取不夠全面的問題。下一步應(yīng)該繼續(xù)研究完善評價(jià)指標(biāo)模型庫,建立科學(xué)、全面、系統(tǒng)的健康評價(jià)得分模型,為流域數(shù)字化管理與建設(shè)提供科學(xué)的參考和思路。