崔 巍,高青峰,白音包力皋,陳文學
(1.中國水利水電科學研究院流域水循環(huán)模擬與調控國家重點實驗室,北京 100038;
2.哈爾濱市水務科學研究院,黑龍江 哈爾濱 150001)
中小河流治理水生態(tài)功能兩級分區(qū)研究
——以哈爾濱市螞蟻河流域為例
崔 巍1,高青峰2,白音包力皋1,陳文學1
(1.中國水利水電科學研究院流域水循環(huán)模擬與調控國家重點實驗室,北京 100038;
2.哈爾濱市水務科學研究院,黑龍江 哈爾濱 150001)
面向中小河流生態(tài)治理需求,闡述了水生態(tài)功能分區(qū)的內涵,對分區(qū)指標體系的構建進行了探討?;贏rcGIS空間分析平臺,以哈爾濱市為對象,考慮氣候、地形和人類活動因素,劃分了哈爾濱市水生態(tài)功能一級分區(qū)。分析了螞蟻河水生態(tài)服務功能和流域主要生態(tài)環(huán)境問題,選取徑流深、坡度、地均GDP和水功能區(qū)指標,參照子流域及行政邊界,劃分了螞蟻河流域水生態(tài)功能二級分區(qū)。根據(jù)水生態(tài)功能一級、二級分區(qū)結果,提出了哈爾濱市及螞蟻河流域中小河流治理與保護方向,為該區(qū)域水陸一體化管理和生態(tài)環(huán)境綜合治理提供了技術支撐。
水生態(tài)功能分區(qū);水生態(tài)管理;分區(qū)指標體系;哈爾濱市
我國中小河流數(shù)量多,分布廣,治理總體滯后。除了具有突出的洪澇災害問題外,許多河流還存在水污染加劇、生物棲息環(huán)境遭受破壞、水資源短缺等一系列生態(tài)環(huán)境問題,已造成河流基本功能衰退及健康生命受到嚴重威脅。改善河流的生態(tài)環(huán)境狀況將是我國今后中小河流治理的重點方向之一。
采用區(qū)劃方式揭示不同區(qū)域資源的相似性和差異性,服務于資源的可持續(xù)開發(fā)利用,是國內外資源管理的通用做法。美國早在20世紀70年代末已提出水生態(tài)系統(tǒng)區(qū)劃體系,并在此基礎上開展參考區(qū)識別、生態(tài)完整性評價以及水污染控制方法研究[1];歐盟在生態(tài)區(qū)的基礎上建立了以水生生物指標為核心的水體生態(tài)質量評估方法,并分別針對受損水體和未受損水體明確保護目標[2]。2008年,由世界自然基金會和美國大自然保護協(xié)會聯(lián)合資助,全球超過200位保護生物學家參與,耗時10年繪制了首張基于淡水魚類生物多樣性差異的世界淡水生態(tài)區(qū)劃圖[3]。
我國在水體管理方面,先后制定了《中國地表水環(huán)境功能區(qū)劃》、《中國水功能區(qū)劃(試行)》、《全國重要江河湖泊水功能區(qū)劃》等,這些區(qū)劃在水資源開發(fā)利用與水環(huán)境治理方面都發(fā)揮了重要作用。然而受眾多主客觀因素的制約,這些區(qū)劃都還存在一些不足,如對生態(tài)環(huán)境敏感性、生態(tài)環(huán)境特征差異和生態(tài)系統(tǒng)服務功能的空間異質性等方面關注不夠[4],在協(xié)調利益相關者在水量、水質和水生態(tài)的沖突方面仍需要改善[5],與當前我國水資源可持續(xù)開發(fā)利用與保護的新需求仍存在差距[6]等。當前,我國水體管理正處在從水資源管理和水環(huán)境治理向水生態(tài)管理轉變過程中,水資源開發(fā)、利用和保護都要考慮到水生態(tài)系統(tǒng)的基本要求,而水生態(tài)系統(tǒng)具有區(qū)域性與層次性特征,客觀上要求建立以水生態(tài)區(qū)劃為基礎的管理技術體系[4]。
近年來,我國開展了一系列水生態(tài)功能分區(qū)研究工作?!笆晃濉眹宜w污染控制與治理科技重大專項(水專項)設置了“重點流域水生態(tài)功能一級二級分區(qū)研究”課題,系統(tǒng)地開展了流域水生態(tài)功能分區(qū)理論與方法研究,完成重點流域一級、二級區(qū)劃,示范流域三級區(qū)劃?!笆濉睂㈤_展重點流域三、四級分區(qū)研究。張博[7]、劉素平等[8]分別開展了遼河流域水生態(tài)功能兩級和三級分區(qū)研究,孫然好等[9]開展了海河流域水生態(tài)功能兩級分區(qū)研究,梁靜靜等[10]、許莎莎等[11]分別開展了淮河和黑河流域水生態(tài)功能三級分區(qū)研究。張晶等[12]提出基于主導生態(tài)功能分區(qū)的水生態(tài)區(qū)劃方法,并在其基礎上建立了河流健康評價全指標體系。
然而總體而言,我國水生態(tài)功能分區(qū)仍是一項全新的工作[13]。目前全國范圍尚未制定水生態(tài)功能分區(qū)技術規(guī)范,在水生態(tài)功能內涵、分類及水生態(tài)功能分區(qū)尺度選定等方面,不同研究者存在較大差異,還沒有形成一套公認的指標體系和方法,尤其是流域三級、四級分區(qū)的相關理論有待進一步討論[14]。例如一級分區(qū)時,梁靜靜等[10]考慮地理位置、自然環(huán)境和生態(tài)演進因素,張博等[7]考慮氣候、地勢等要素的影響,而孫然好等[9]考慮水資源供給功能。在三級分區(qū)時,梁靜靜等[10]、劉素平等[8]考慮水生態(tài)服務功能,許莎莎等[11]考慮水質指標,而孫然好等[9]考慮人類活動和管理模式。目前我國水生態(tài)功能分區(qū)工作僅在重點流域進行,局部區(qū)域開展三級分區(qū)。對于數(shù)量多、分布廣、精度要求高的中小流域而言,尚不能滿足其治理需求。由于中小流域生態(tài)環(huán)境內部異質性和區(qū)域差異性更為顯著,人類活動影響作用更為突出,確定分區(qū)尺度和分區(qū)指標時需緊密結合當?shù)貐^(qū)域特征。此外,中小河流多處偏遠地區(qū),缺少水文水質監(jiān)測站點,基礎資料匱乏,選定分區(qū)指標時,需考慮指標的可獲取性和經濟性。
本文基于哈爾濱市生態(tài)環(huán)境特征,在借鑒國內外水生態(tài)功能分區(qū)理論與實踐的基礎上,探討哈爾濱市水生態(tài)功能一級分區(qū)和螞蟻河流域水生態(tài)功能二級分區(qū)方法,提出不同分區(qū)治理方向,為哈爾濱市中小河流水陸一體化管理及生態(tài)環(huán)境治理提供技術支撐,為同類區(qū)域水生態(tài)功能分區(qū)提供借鑒參考。
2.1 水生態(tài)功能分區(qū)的內涵水生態(tài)功能分區(qū)是基于對流域水生態(tài)系統(tǒng)區(qū)域差異性研究,流域內不同類型區(qū)域生物區(qū)系、群落結構和水體理化環(huán)境的異同比較,以及流域水生態(tài)系統(tǒng)空間格局和尺度效應的分析而提出的一種分區(qū)方法。闡明了水生環(huán)境系統(tǒng)在區(qū)域和地帶等不同尺度上的空間分異特征,并揭示出水生態(tài)系統(tǒng)空間分布規(guī)律。其目的是研究水生態(tài)系統(tǒng)的生態(tài)功能,揭示流域水生態(tài)系統(tǒng)的時空差異與演變趨勢,并注重景觀中的生態(tài)功能過程及其與格局作用機制的地域差異[15]。
水功能分區(qū)和水環(huán)境功能分區(qū)重視水體資源功能,無法從根本上認識水生態(tài)系統(tǒng)破壞原因和機制,在水陸一體化管理方面更是存在明顯的不足。相較而言,水生態(tài)功能分區(qū)體現(xiàn)了水體資源功能與生態(tài)功能的可持續(xù)性協(xié)調發(fā)展,為水功能分區(qū)和水環(huán)境分區(qū)提升生態(tài)系統(tǒng)管理目標提供了科學基礎。水生態(tài)功能分區(qū)不但是河流健康評價的基礎,而且是針對不同河流系統(tǒng)特點,制定相應保護措施和資源可持續(xù)利用規(guī)劃的基礎。
2.2 水生態(tài)功能分區(qū)等級指標體系生態(tài)系統(tǒng)具有等級結構,不同尺度下具有不同生態(tài)功能與特征。研究表明[16],宏觀尺度上水生態(tài)系統(tǒng)結構和功能通常由區(qū)域地質和氣候等因素作用決定(圖1)。中微尺度上,水生態(tài)系統(tǒng)結構和功能由河道形態(tài)、水力特征、棲息地環(huán)境等因素作用決定。宏觀尺度因素往往通過影響中微觀尺度因素發(fā)揮作用,不同尺度上各種因素綜合作用決定水生態(tài)系統(tǒng)空間特征與演變趨勢。隨著人類活動的影響越來越顯著,其干擾作用也通過各個尺度因素變化顯現(xiàn)出來。
3.1 哈爾濱市自然環(huán)境概況哈爾濱市處于我國東北北部,東經125°42′—130°10′、北緯44°04′—46°40′之間,轄8區(qū)10縣(市),行政區(qū)劃面積5.31萬km2。地形高程分布見圖2,地貌大體分為3個階梯:東北部和東南部為山區(qū),中部為丘陵區(qū),西部為平原及漫川、漫崗、波狀傾斜平原區(qū)。松花江由西南向東北流過市區(qū)。共有中小河流332條,均屬于松花江水系,河流徑流量年際變化較大。東北部和東南部縣(市)水資源較豐富,中部和西部縣(市)、區(qū)水資源相對缺乏,由東向西遞減,多年平均降雨量分布見圖3。2010年三次產業(yè)結構11.3∶37.8∶50.9,是全國重要商品糧基地和水稻、大豆、玉米主產區(qū),農業(yè)增加值占黑龍江省三分之一強。2011年土地利用狀況見圖4。
圖1 水生態(tài)系統(tǒng)結構與時空尺度關系
圖2 哈爾濱市地形高程圖(單位:m)
圖3 哈爾濱市多年平均降雨量分布(單位:mm)
圖4 哈爾濱市2011年土地利用狀況
圖5 哈爾濱市水生態(tài)功能一級分區(qū)指標
3.2 哈爾濱市水生態(tài)功能一級分區(qū)指標根據(jù)哈爾濱市自然環(huán)境特征,構建基于宏觀尺度的水生態(tài)功能一級分區(qū)指標。水生態(tài)系統(tǒng)影響因素主要有氣候氣象、地形地質和人類活動等。氣候氣象控制河流的水循環(huán)、水文等,選取多年平均降雨和多年平均積溫(≥10℃)作為主導氣候氣象因素;地形地質影響氣候和植被模式,選取地形和土壤類型作為主導地形地質因素;人類活動影響土地利用類型和土地覆蓋,控制降雨的地表阻留以及潛在蒸發(fā)作用而影響水文情勢,控制泥沙來源和形成河槽底質物質的類型,選取土地利用類型反映人類活動狀況。分區(qū)指標如圖5所示。
3.3 哈爾濱市水生態(tài)功能一級分區(qū)結果基于ArcGIS平臺,將哈爾濱市DEM(30 m精度)、多年平均降雨量數(shù)據(jù)、多年平均積溫(≥10℃)數(shù)據(jù)數(shù)字化和歸一化處理后,采用圖層疊加和自然斷點分級(nature break)工具,劃分出分區(qū)中間成果圖。將其與土地利用圖(分耕地、林地、草地、水域、城鄉(xiāng)工礦居民和未利用地6類)和土壤類型圖(分黑土、黑鈣土、水稻田等6類)矢量化。以矢量化中間成果圖為底圖,疊加土地利用圖和土壤類型圖。以底圖為主導,調整疊加后相近的邊界線。水生態(tài)功能一級分區(qū)如圖6。水生態(tài)功能分區(qū)范圍及河流生態(tài)特征見表1。
圖6 哈爾濱市水生態(tài)功能一級分區(qū)
Ⅰ區(qū)主要分布在山區(qū),降雨豐沛,為眾多河流源頭,如少陵河、木蘭達河、西北河、丹清河、螞蜒河、白楊木河、岔林河、拉林河等,屬于哈爾濱市域生態(tài)良好區(qū)域,需加強生態(tài)環(huán)境保護,保障水源涵養(yǎng)功能的發(fā)揮。Ⅱ區(qū)主要分布在丘陵區(qū),多位于河流發(fā)育的中段,部分區(qū)域通過城鎮(zhèn)等人口密集區(qū),水質受到污染。為水資源開發(fā)利用的重點區(qū)域。Ⅲ區(qū)主要分布在平原區(qū)和沿江濕地區(qū),包括中小河流匯入松花江前的中下游水域,年均積溫高,土壤養(yǎng)分較為豐富,是耕地主要分布區(qū)域,沿岸易于灌溉,是大米等作物主產區(qū),易受洪澇影響。需加強水資源開發(fā)利用,防洪減災,同時不宜再度開發(fā)濕地和沼澤區(qū),需實施生物多樣性保護。
表1 哈爾濱市水生態(tài)功能一級分區(qū)特征
哈爾濱市水生態(tài)功能一級分區(qū)結果表明,其突顯哈爾濱市三階梯地貌對河流分布特征決定性作用,反映了地貌對該地區(qū)氣候氣象和人類活動的主導影響。表1各分區(qū)特征與圖5分區(qū)指標間的相關關系,可看出分區(qū)成果合理性。
4.1 螞蟻河流域自然環(huán)境概況螞蟻河位于哈爾濱市東部,完達山脈老爺嶺西側,為松花江一級支流,干流全長283 km,流域面積10 629 km2。螞蟻河為山岳型壯年期河流,山地面積占76.9%、丘陵占3.4%、平原占19.7%(圖7)。螞蟻河一面坡以上為上游,比降1/600;一面坡至延壽為中游,比降1/1500;延壽至河口為下游,比降1/2 000。螞蟻河支流眾多,河網密集,水量充沛,大小支流300余條。
4.2 螞蟻河流域水生態(tài)環(huán)境問題分析螞蟻河流域主要水生態(tài)環(huán)境問題:(1)流域植被遭破壞,生態(tài)功能降低,水土保持功能削弱。螞蟻河流域森林破壞強度較高,計劃外采伐、亂砍盜伐量大,存在“年年造林不見林”現(xiàn)象。(2)水土流失趨重,河流調蓄空間缺損。中部丘陵漫崗區(qū)和半山區(qū)的零散陡坡耕地水土流失尤為嚴重。2008年流域水土流失面積28.99%,侵蝕模數(shù)2 575 t/(km2·a),溝壑密度0.51 km/km2。(3)洪澇災害頻發(fā),河流生態(tài)流量難以保障。1932年以來,流域約每5年發(fā)生一次旱災或洪災,受災面積5.5萬hm2。由于盲目擴大水稻種植面積,近年來在灌溉期斷流已成為常態(tài)。(4)資源、工程缺水和用水浪費加劇水安全矛盾。流域降水年際、年內變化大,加之缺少控制型骨干工程,汛期大水泛濫,枯水期無水可用;農業(yè)灌溉水利用系數(shù)僅為0.4左右,水量浪費嚴重。(5)水污染點多面廣,構成水安全隱患。河流沿岸工礦企業(yè)污水,居民生活污水,農村糞便、垃圾等進入水體;農田長期、大量使用化肥、農藥,隨地表徑流進入水體。
4.2 螞蟻河流域水生態(tài)服務功能及二級分區(qū)指標基于螞蟻河流域水生態(tài)特征及其對地區(qū)社會經濟的服務與貢獻,將其水生態(tài)服務功能分為3類7種:(1)水生態(tài)保育類—包括水源涵養(yǎng)、水土保持和物種保護3種功能;(2)水生態(tài)調控類—包括洪水調蓄和生境維持2種功能;(3)水生態(tài)服務類—包括產品提供和景觀保障2種功能。
根據(jù)螞蟻河流域水生態(tài)環(huán)境狀況,選取基于中觀尺度的水生態(tài)功能二級分區(qū)指標,見圖9。
圖9 螞蟻河流域水生態(tài)功能二級分區(qū)指標
(1)水資源量指標。水資源量是構成河流生態(tài)環(huán)境的基本要素,對水生生物種群的種類、數(shù)量、分布等產生主要影響。以螞蟻河流域徑流深表征水資源量狀況。
(2)水質指標。水體質量直接反映水生態(tài)環(huán)境優(yōu)劣,決定生物物種健康狀況及種類、構成等特征。鑒于螞蟻河流域水質受人類生產生活主導,選取水功能區(qū)(圖10)表征不同河段水質要求。分區(qū)時擴展水功能區(qū)范圍至匯流區(qū)域。
(3)地形指標。地形坡度影響流域土壤侵蝕、水土流失特性,決定河流縱向坡度,影響河流水力條件、泥沙輸運以及生物群落分布與河流形態(tài)。坡度指標分布見圖11。
(4)人類活動指標。人類活動狀況一方面反映對水生態(tài)服務功能需求,如景觀娛樂、產品供給等,另一方面反映對水生態(tài)環(huán)境脅迫,包括水資源、水質、生物棲息環(huán)境等方面。以地均GDP表征人類活動強弱與分布(圖12)。
圖10 螞蟻河流域水功能區(qū)劃
圖11 螞蟻河流域地形坡度(單位:°)
圖12 蟻河流域地均GDP(單位:萬元/km2)
圖13 螞蟻河流域行政區(qū)劃
4.3 螞蟻河流域水生態(tài)功能二級分區(qū)結果利用ArcGIS平臺,將螞蟻河流域徑流深、地形坡度、地均GDP和水功能區(qū)劃數(shù)據(jù)數(shù)字化,利用ArcGIS分級工具分級(類),制成專題圖層。其中徑流深、地均GDP按等值劃分,坡度按《土壤侵蝕分類分級標準》(SL190-2007)地類坡度分級劃分,水功能區(qū)按一級分區(qū)類別分類。在哈爾濱市水生態(tài)功能一級分區(qū)成果基礎上,結合螞蟻河流域生態(tài)環(huán)境調查資料,以子流域為單元,分析其水資源、水土流失、水功能定位和人類活動狀況,確定主導水生態(tài)服務功能。結合鄉(xiāng)鎮(zhèn)行政邊界(圖13),對子流域邊界進行局部調整,劃分水生態(tài)功能二級分區(qū)。考慮流域邊界旨在保證水文過程單元完整性,考慮行政邊界旨在增強分區(qū)成果可操作性。分區(qū)結果見圖14。
基于螞蟻河流域水生態(tài)功能二級分區(qū)結果,確定不同類型分區(qū)水生態(tài)環(huán)境治理與保護重點與方向(表2)。
螞蟻河流域水生態(tài)功能二級分區(qū)結果表明,其在反映與區(qū)域地形、水資源量等生態(tài)環(huán)境相關的水源涵養(yǎng)、水土保持和物種保護等自然服務功能的同時,還著重反映了與水功能、人類活動等相關的產品提供、景觀保障、洪水調蓄和生境維持等社會服務功能,與圖9中分區(qū)指標結構相一致,并體現(xiàn)了中小尺度下人類活動影響更為顯著的特征。
圖14 螞蟻河流域水生態(tài)功能二級分區(qū)
表2 螞蟻河流域水生態(tài)功能二級分區(qū)治理保護方向
本文探討了水生態(tài)功能分區(qū)理論在哈爾濱市的應用,成果可供其中小河流水陸一體化管理及治理目標的科學制定借鑒參考。受研究區(qū)水文、水質和水生態(tài)等方面資料缺失限制,所選取的分區(qū)指標尚不能全面深入地反映環(huán)境驅動因素及其對水生態(tài)環(huán)境的影響,分區(qū)結果在反映區(qū)域水生態(tài)系統(tǒng)差異性方面仍待完善,在分區(qū)指標權重確定方面,尚需大量調查與研究工作。
國內水生態(tài)功能分區(qū)研究剛剛起步,而國內河流普遍受到人類活動的顯著影響,許多河流尚不能維持基本生態(tài)需水和水質安全,如何針對中國國情特點,引入國外先進理念的同時加以改進完善,充分發(fā)揮其作用,有待深入探討。
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Two-level zoning of aquatic ecological function for m anagem ent of sm all and m ed ium-sized size rivers——case study of M ayihe River basin in Harbin Region
CUIWei1,Gao Qing-feng2,Baiyinbaoligao1,CHEN Wen-xue1
(1.State Key Laboratory of Simulation and Regulation ofWater Cycle in River Basin,China Institute ofWater Resources
and Hydropower Research,Beijing 100038,China;2.Water science research institute of Harbin,Harbin 150001,China)
This paper describes the concepts of aquatic ecological function zoning and investigates establish?ment of zoning index system,aiming to support the ecological management of small and medium-sized riv?ers.Based on ArcGIS spatial analysis platform,the first level of the aquatic ecological function zoning in Harbin region is derived,considering factors of climate,terrain,and human activities.Aquatic ecological service function of the Mayihe River is analyzed,and major issues of ecology and environment of its water?shed are indicated.The second level of the aquatic ecological function zoning of the Mayihe River basin is derived.The derivation considers indicators of runoff depth,terrain slope,area-averaged GDP and aquatic function regionalization,and refers to sub-watershed and administrative boundaries.Finally,the direction of management and protection for small and medium-sized rivers in Harbin region and the Mayihe River ba?sin is proposed according to the findings.This study also provides technical support for management of wa?ter-land integration as well as ecology and environment in the research area.
aquatic ecological function regionalization;aquatic ecological management;regionalization in?dex system;Harbin region
X522文獻識別碼:A
10.13244/j.cnki.jiwhr.2014.04.010
1672-3031(2014)04-0394-08
(責任編輯:韓昆)
2014-03-14
中國水科院優(yōu)秀青年科研專項(水集1312,水基本科研1468)
崔巍(1979-),男,河南焦作人,博士,教授級高級工程師,主要從事河流水生態(tài)保護與修復技術研究。
E-mail:joylife@126.com