开源软件River Architect用于河流设计与生态效率计算

软件X 11（2020）100438原始软件出版物河流建筑师Sebastian Schwindta，b，Jesus，Kenneth Larrieua，Gregory B.帕斯特纳克a，杰夫·拉伯恩ca美国加利福尼亚州戴维斯市希尔兹大道一号加利福尼亚大学土地、空气和水资源系，邮编：95616-8626b斯图加特大学水利工程与水资源管理系，Pfaffenwaldring 61，70569斯图加特，德国地址：Yuba Water Agency，1220 F Street，Marysville，CA 95901，USAar t i cl e i nf o文章历史记录：收到2019年收到修订版2020年1月27日接受2020年关键词：生态水力学生境改善河流恢复GISa b st ra ct河流设计往往是概念性的，目的是物理渠道的稳定性或生态功能。我们提出了一个新的概念，在一个名为River Architect的开源软件中，它既可以实现这些目标，又可以估算成本。River Architect可灵活适应特定场地和特定应用的特点，其模块可用于分析和设计生境改善和河道稳定功能组。生态资产评估的一个新的指标，包括目标物种的季节性和排放依赖的首选栖息地面积的功能。通过一个卵石河床的实例说明了成本估算和生态效率的计算。©2020作者由爱思唯尔公司出版这是CC BY许可下的开放获取文章（http://creativecommons.org/licenses/by/4.0/）中找到。代码元数据当前代码版本v01.1此代码版本使用的代码/存储库的永久链接https://github.com/ElsevierSoftwareX/SOFTX_2019_277Code Ocean compute capsule不适用;要测试运行代码，请从我们的示例数据存储库下载：https://github.com/RiverArchitect/SampleDataBSD 3-Clause'' New '' or '' Revised '' license（BSD-3-Clause）使用git的代码版本控制系统使用Python 3的软件代码语言、工具和服务编译要求、操作环境依赖性ArcGIS Pro Conda环境如果可用，链接到开发人员文档/手册https://riverarchitect.github.io/RA_wiki/问题支持电子邮件https://github.com/RiverArchitect/program/issues/软件元数据当前软件版本1.1此版本可执行文件的永久链接https://github.com/RiverArchitect/program/releases/tag/v1.1合法软件许可证BSD 3-Clause计算平台/操作系统Microsoft Windows安装要求依赖关系ArcGIS Pro如果可用，请链接到用户手册-如果正式出版，请在参考列表中引用该出版物https://riverarchitect.github.io如有疑问，请发送支持电子邮件至river.architect. gmail.com通 讯 作 者 ： 斯 图 加 特 大 学 水 利 工 程 与 水 资 源 管 理 系 ， 德 国 斯 图 加 特 ，Pfaffenwaldring61，70569。电子邮件地址：sebastian. iws.uni-stuttgart.de（S.Schwindt），kglarrieu@ucdavis.edu（K.Larrieu），gpast@ucdavis.edu（G.B.Pasternack），grabone@yubawater.org（G.Rabone）。https://doi.org/10.1016/j.softx.2020.1004381. 动机和意义河流管理涉及水的社会用途，生态改善，物理可持续性，成本和公众对理想化河流美学的看法之间的平衡[1]。 一个巨大的挑战在于洪水恢复能力和2352-7110/©2020作者。 由Elsevier B.V.出版。这是一篇开放获取的文章，使用CC BY许可证（http://creativecommons.org/licenses/by/4.0/）。可在ScienceDirect上获得目录列表SoftwareX期刊主页：www.elsevier.com/locate/softx2S. Schwindt，K.Larrieu，G.B.Pasternack等人粤公网安备44010802000018号在自我维持的河流系统内改善生境[2，3]。常见的生态物理成功指标包括水生物种生命阶段丰度、水力复杂性、栖息地适宜性或已安装河流设计特征的寿命[4 科学软件开发，如CASiMiR [7]、HEC-EFM[8]或MesoHABSIM [9]，使用地理信息系统（GIS）、水文和生态数据以 及水 力建 模来 形成栖 息地 适宜 性评 估。 River- Scape[10] 或CONCEPTS（HEC-RAS）[11]等算法使用水力参数将防洪功能融入河流景观。 习惯增强和防洪设计使用共同的设计特征，如侧沟施工、洪泛区坡度（降低不连续河岸带）或堤防（护堤）修改【12、13】。此外，栖息地增强河流设计特征的参数化可以定义生存阈值，以确定特征寿命[14]。更多的算法方法可用于设计河流修改[15]，包括河流的形态资产，如河床形态[16]。程序生成通过算法而不是手动创建设计（包括通过计算机辅助设计，CAD）。这就需要设计策略的翻译，包括新的概念，合并生态水力学，地貌学，水利工程，参数算法。我们开发了一个基于Python的软件，称为河流建筑师，以解决跨学科的河流设计挑战的河流河段规模（1000渠道宽度）。河流建筑师建立在河流评估和设计的确定性程序设计概念之上。它配备了图形用户界面（GUI），为用户提供了导入数据、评估物理性能、这些项目包括：评估河流设计特征的生命周期，生成自我维持的河流景观，计算和比较生态水力效率指标，以及估算特定地点的施工数量和成本。程序设计集成了现有的代码（例如，RiverBuilder[17]）和科学程序（例如，寿命图[18]），并根据加利福尼亚州砾石-卵石床河流的多个潜在项目地点2. 软件描述2.1. 软件架构和工作流程河流建筑师使用了一个新的路线图概念，生态和可持续的河流设计（图。1）在基于Python 3的GUI中实现，具有分层选项卡。五个选项卡指导输入文件的准备、寿命映射、形态设计、生态水力评估和项目度量计算。需要进行专家评估，以制作用于二维水动力建模的地形数字高程模型（补充材料载有关于二维建模的更多信息）。工作簿使灵活和有组织的用户规范的流量持续时间曲线，阈值和生态水力（物理栖息地）功能。与房屋的建造过程类似，River Ar- chitect在“要素”工作簿中，将建设性河流设计要素定义液压系统：至少三次洪水排放（用于寿命分析）和三次排放（用于栖息地年度范围内）的稳定2D模型的流深（长度单位）和流速（每秒长度）大小和方向评估（例如，基流、年平均流量和年平均最大流量）;使用平均日流量箱时可获得最精确的结果，这可能导致计算时间较长;具有足够高分辨率的DEM（长度单位），以捕捉次宽尺度的形态动力学（补充材料中有更多信息）;含粒度（长度单位）分类的沉积物相图[19]（补充材料中的更多信息）;地形变化率（可选，长度单位），含有关冲刷和填充的像素特定信息，基于过去的观察（补充材料）或形态动力学模型预测（例如，Nays 2DH [20]; UBC政权模型[21];或RIVERMorph [22]）。River Architect将输入栅格与无量纲参数栅格相结合，以计算作为临界无量纲河床剪切应力（Shields，1936）的函数的谷物迁移率栅格，以及作为弗劳德数（Froude number）的函数的林木迁移率[23，24]。补充材料说明了临界粒度和原木直径所用的公式。地形改造（形态调整）定义了功能单元尺度上的景观框架[25]。River Architect的基本信息包含五个地形特征的默认阈值，包括放坡、回水创造、河流加宽（护堤后退）、人工侧腔和侧通道创造[14]。River Architect确定了适合基于阈值的地形改造的区域，考虑要素生命周期-平移，但仅作为开关要素。因此，使用CAD绘制新地形需要此外，合成的，接近自然的河流景观可以通过River Builder代码程序生成[17]。然后在2D水动力模型中运行修改后的DEM，以迭代地验证生态水力目标（例如，当地鱼类的目标流速和深度）和防洪要求。一旦创建了新的DEM，就可以在“体积评估”选项卡中计算必要的地形改造体积（开挖和填充），以便进行后期成本评估。植被种植稳定了新的地形，并为水生和河流物种提供了宝贵的覆盖生境（粗糙元素引起的微生物多样性）[26，27]。基于自然的工程技术（例如，锚定的溪木、有角的巨石或土工织物）进一步稳定新地形，并在根部强度最有限时增加施工后立即种植的存活机会[28，29]。 图1显示了植被种植和基于自然的工程对新DEM的连续应用，从创建新的“修改条件”开始对初始条件和生态形态优化的新DEM（有或没有植被和其他基于自然的工程特征等覆盖要素）进行可用栖息地面积和连通性的生态水力学评估任何地球化特征的恢复力都取决于其自我维持能力。自我维持需要一个站点的流入和流出的泥沙通量是平衡的。如果最终设计显示为净侵蚀，则砾石填充是一种可能的补救措施[30]。 河流建筑师指出了砾石储存或注入的合适位置（图中未显示）。①的人。项目制作器模块将优化的地理空间数据集裁剪到特定于站点的范围（图中的“项目区域”）。 1）并在初始规划的不确定性水平上估算建筑成本。最后产品是一份简要工作手册，其中载有与成本有关的数量、粗略的成本估计数和生态效率指标。····S. Schwindt，K.Larrieu，G.B.Pasternack等人粤公网安备44010802000018号3=∑[∑]Fig. 1. 新的河流设计概念，嵌套应用River Architect的模块、2D水动力建模（2D模型）和专家评估。 箭头指示功能关系，其可以具有信息性（后继者接收信息）或生产性（前导者生成数据）特征。补充材料中提供了一个基于UML的活动图2.2. 软件功能和数据产品River Architect的功能核心是在可选地准备其他地理空间数据集（可在"开始“选项卡中生成）之后进行的：包含Thalweg河上方相对地形高程的去趋势DEM（长度单位）栅格;与基流水面高程相对应的河流附近的深度-水位（长度单位）栅格描绘河流地貌的形态单元（文本）栅格[31]（更多信息可参见正文材料）。River Architect流的深度，速度和覆盖指数估计每个像素HSI值在0.0至1.0之间变化，分别表示生物体回避至回避。覆盖生境适宜性指数（HSIcov）可以指各种形式的覆盖，如基质粒度、植被、巨石或溪流木材[32River Architect将HSIcov作为覆盖类型的最大值[35]。这些生境适宜性指数的组合构成了综合生境适宜性指数（cHSI）。cHSI可以是深度、速度和覆盖HSI的乘积，也可以是它们的算术或几何平均值[36，37]，由用户自行决定，默认为几何平均值。可扩展栖息地面积计算为像素cHSI值超过用户指定阈值的区域（根据[38]，默认值：河流建筑师注意到物种的生长，排放量在一年中不断变化。因此，它将每次排放的可用栖息地面积乘以该季节排放的相对持续时间pQk与目标物种的生命阶段相关的信息。River Architect自动计算提供的排放和流量持续时间曲线的pQk。一个季节所有相关排放量的相对栖息地面积之和产生生态水力效率参数pQnSHArea=像素（cHSI>pHSI）·pQk（1）pQk其中下标n表示所考虑的放电次数，下标k是直到第n次放电的计数器。图2说明了SHArea的计算过程，考虑到四个排放的水动力数据集是用2D建模产生的。在其他研究中[36，39]使用了类似的权重作为河流流量持续时间曲线的函数连通性选项卡有助于确定特定物种栖息地斑块与主通道断开的位置和排放如果没有满足物种特定要求的湿润路径将区域斑块连接到主通道，则认为该区域是断开的。此外，鱼可以在强水流中向下游游，但不能向上游游（游泳速度的各向异性效应）。速度方向数据集有助于检测和排除游泳速度各向异性影响适用的方向路径。因此，连通性分析产生的标签，表明最高的流量，其中一个区域补丁是断开的主要渠道的鱼类搁浅风险的地图。寿命测绘评估地形、植被种植、其他基于自然的工程和沉积物连通性特征的物理寿命，作为阈值的函数。用户可以定义无量纲河床剪切应力、地下水位深度、相对高程（去趋势DEM）、水深、流速、弗劳德数、基底粒度、形态单元、地形坡度和地形特征···4S. Schwindt，K.Larrieu，G.B.Pasternack等人粤公网安备44010802000018号图二. SHArea计算方案示例，使用目标鱼种生命阶段相关季节期间2D模型排放（1000、2000、3000和4000 m3/s或cfs代表性）及其相对持续时间pQk的输出使用更多的放电产生更精确的计算。图三. 寿命测绘程序说明（合成数据）：水力寿命（年）来自二维建模结果的空间比较。年地形变化率表明一个特征是否至少存在一年;否则，此处指定的最大地形寿命为50年。地下水的深度决定了植物或生物工程特征作为开/关函数的适用性，其中非相关像素被分配一个非数字（NAN）值，相关像素被分配一个50年的最大值。参数特定寿命栅格的叠加的最小值构成特征寿命图[14，18]。用户可以打开和关闭限制生命周期绘图的水力、地形变化和地下水深度阈值的应用程序变化当超过阈值参数的像素值时，洪水排放可以调动或破坏特征[18]。因此，当一个或多个流体动力学变量超过用户定义的阈值时，就会发生特征的移动（或破坏）。 3）。寿 命 映 射 过 程 的 中 间 步 骤 创 建 具 有 潜 在 稳 定 粒 度 或streamwood直径的栅格，这些栅格与用户定义的排放相关。此类信息可能与生物工程特征（如巨石或溪木）的所需尺寸相关。River Architect将用户定义的排放信息保存为“设计图”。四个特征组中的单个特征的生存阈值各不相同，因此，可以使用寿命模块图图4定性地说明了如果比较三种不同的植物物种，在特征组“植被种植”中确定最合适的种植的过程。最大寿命光栅和包含具有最大寿命的特征信息的shapefileRiver Architect放坡可以增强许多功能，例如将相对地形高程（去除趋势的DEM）恢复到可以支持潜水植物物种的地下水位以上的高度。在River Architect中使用River Builder[17]可以创建新的、接近自然的合成河道。用户估计到达尺度水文几何参数，然后可选地打开尽可能多的几何函数（例如，正弦或正切）因为他们想创造出类似自然的河道形态的次河段规模的起伏。使用River Builder生成的合成河流景观需要手动拟合到实际工程应用的真实地形中（例如，形成侧通道或生态功能洪水旁路）。Project Maker模块使用零售单位成本和施工相关数量（如地形改造体积、种植面积和其他基于自然的工程区域）来估计初始规划水平或实施其他模块中生成的虚拟河流设计根据SHArea的生态效益对成本估算进行审查，以计算项目有效性度量，称为“每SHArea单位获得的该指标代表了与初始条件相比，目标鱼类生命阶段在季节性栖息地面积中获得用户可以根据自己的专业知识或当地和区域业务环境定制成本。具体而言，特定目标的成本计算要求（例如，出于许可目的）不能使用River Architect自动计算。3. 应用实例河流建筑师是在加州尤巴河下游37.5公里的一段栖息地改善工作的框架内开发的图图5显示了River Architect在河口上游29 km处用于地形改造的生命周期图为初始地形设计提供了信息，然后根据图1进行迭代优化。1.一、在地球化之后，将植物和其他基于自然的工程特征的寿命图应用于新的地理空间数据集回水栖息地的连通性确保下降到25立方米/秒（低流量条件）。Project Maker模块用于生成S. Schwindt，K.Larrieu，G.B.Pasternack等人粤公网安备44010802000018号5见图4。 用于识别特征组中最合适特征的最大寿命映射的图示。本示例使用合成寿命栅格三种植物物种A、B和C的最高（最大）寿命写入“最佳选择”栅格，并将有关适用要素的信息存储在shapefile中。“最佳选择”光栅和shapefile的叠加图五. River Architect应用于Yuba河下游（美国加利福尼亚州）的一个场地。地球化特征的寿命测绘（a）为地球化概念的发展（b）提供了信息，其中包括一个保护栏，以增加回水区的寿命，优化太平洋鲑鱼幼鱼的水力条件。最大寿命模块提供了本地植物物种（c - Box Elder，Cottonwood，White Alder和Willows）和其他基于自然的工程特征（d- Streamwood，Angular Boulder和其他如土工织物）的寿命图。生态水力学模块为地球化进程提供了信息，并提供了生境适宜性和连通性地图。Project Maker模块处理了最大寿命地图、地形改造体积和生态水力评估，绘制设计概念图（e），并估算最终设计效率指标（f）。请注意，这些数字是出于保密原因而修改的6S. Schwindt，K.Larrieu，G.B.Pasternack等人粤公网安备44010802000018号在地形改造边界内的最终设计概念（图 5 f），估算成本，SHArea的收益，以及设计效率（估算成本与SHArea收益之比）。4. 影响和结论河流生态形态学和河流工程受到主观、概念和定性决策的影响[13]。更高的计算能力和改进的算法使设计参数化和自动化水平不断提高。参数决策树中生态形态概念的实现，可以被计算机理解，迫使人类决策的逻辑River Architect在现有方法的逻辑转换方面处于领先地位，并提供新颖的开发，以实现河流工程和生态学的设计自动化。River Architect的创新之一是将设计特征的生命周期图进行分组和叠加，以创建物理上可持续的河流景观。最终，结果的质量最终取决于输入数据的准确性，River Architect在透明算法中处理这些数据。生态水力学模块包含多个创新组件，包括生态效率指标SHArea和作为流量函数的破碎化栖息地的连通性分析。SHArea参数的一个主要优点是其独立的计算方法，它是基于观测到的海-声放电概率。因此，在纯粹建设性的生境改善干预措施中，关于瞬时流量需求定义的讨论（例如，[40]不必要的。通过灵活地执行生境适宜性曲线和覆盖生境，生态水力学模块还可以应用于河流以外的非水生动植物分析。因此，使用RiverArchitect不仅可以计算植被的寿命，还可以计算地形对植物物种的生态适宜性，例如通过杨树规则曲线（用于杨树）。然而，这个应用程序代表了未来的测试场景，全面的Wiki解释了默认安装之外的其他物种的首选栖息地特征所需的修改。River Architect可实现河流地貌景观的半自动化设计，但地形改造仍然是一个挑战，特别是涉及形态动力学建模的不确定性。出于这个原因，绘制新地形可以被认为是实验设计（[41]建议），River Architect帮助运行实验。此外，面向对象的，模块化的结构，使新的和/或第三方算法的形态景观格局在任何时候灵活的实施。例如，基于基于尺度的层次和维度方法[16]的底形分析的实施可以改善大几何尺度（10个通道宽度）上的地形形成。通过可扩展的形态学和动态景观模型，可以在中小尺度（>10个通道宽度）上改善新地形的完整性和连通性[42，43]。此外，用于维持下游淡水生态系统的大坝放水（所谓的环境流量）构成了支持整个河段河道维护的机会[44]。 流量优化需要水文气候集水区评估，可以使用分析功能流态关系的现有代码来实现[45]。我们的目标是在未来的版本中推进形态学和生态水力学模块的开发，以提高河流建筑师制作的河流景观的生态形态完整性。竞合利益作者声明，他们没有已知的竞争性财务利益或个人关系，可能会影响本文报告的工作致谢感谢保罗M。Bratovich、Dianne Simodynes和Morgan Neil的建设性反馈有助于改进生态水力学模块。这项工作由Yuba县水务局（ Marysville ， California ， USA; Award #201016094 and Award#10446）资助。该项目也得到了美国农业部国家食品和农业研究所的支持，Hatch项目编号CA-D-LAW-7034-H。附录A. 补充数据与本文相关的补充材料可以在https://doi.org/10.1016/j.softx.2020.100438上找到。引用[1]放大图片作者：McCormick A，Fisher K，Brierley G河流修复计划中生态、形态和美学价值之间关系的定量评估。J Environ Manag2015;153：60-7.[2]Dixon SJ，Sear DA，Odoni NA，Sykes T，Lane SN.河川修复对集水区洪水风险与洪水水文之影响。地球表面过程Landf2016;41：997-1008.[3]Nilsson C，Riis T，Sarneel JM，Svavarsdóttir K.生态恢复作为管理内陆洪水灾害的一种手段。生物科学2018;68：89-99.[4]KristensenEA，Kronvang B，Wiberg-Larsen P，Thodsen H，Nielsen C，Amor E，Friberg N，Pedersen ML，Baattrup-Pedersen A.北欧最大的河流恢复项目10年后：Skjern河多尺度的水文形态变化。Ecol Eng 2014;66：141[5]Morandi B，Piégay H，Lamouroux N，Vaudor L.如何评估河流修复项目的成败？来自法国修复项目的反馈。J Environ Manag2014;137：178-88.[6]Staentzel C，Combroux I，Barillier A，Grac C，Chanez E，Beisel J-N.沿老莱茵河（法国-德国）的河流恢复项目的影响：大型无脊椎动物群落的反应。Ecol Eng 2019;127：114[7]Schneider M，Giesecke，Zöllner F，Kerle F.卡西米尔。Hilfsmittel zur Min-destwasserfestlegungunterBerücksichtigungvonÖkologieundÖkonomie[CASIMIR. 考 虑 到 生 态 和 经 济 的 确 定 剩 余 流 量 的 工 具 ] 。Wasserplantschaft2001;10：486-90.[8]Hickey JT，Huff R，Dunn CN.利用生境量化生态效应恢 复 和水管理的替代方案。Environ Model Softw2015;70：16-31.[9]Parasiewicz P.重新审视的MesoHABSIM模型。River Res Appl2007;23：893-903.[10]Straatsma MW，Kleinhans MG.在RiverScape中自动应用景观美化措施减少洪水 危 害 ， 这 是 一 个 与 二 维 流 动 模 型 耦 合 的 Python 包 。 Environ ModelSoftw2018;101：102-16.[11]EnlowHK ， Fox GA ， Boyer TA ， Stoecker A ， Storm DE ， Starks P ，Guertault L.为减少河段尺度泥沙而评估河岸稳定措施的模拟框架。EnvironModel Softw2018;100：201-12.[12]P.P. 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