楊 振， 郭紅嬌， 梁 曼

(1.華中師范大學(xué)， 地理過程分析與模擬湖北省重點實驗室， 武漢 430079；

2.華中師范大學(xué) 城市與環(huán)境科學(xué)學(xué)院， 武漢 430079)

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洱海流域湖泊生態(tài)影響域測度研究

楊 振1，2*， 郭紅嬌1，2， 梁 曼1，2

(1.華中師范大學(xué)， 地理過程分析與模擬湖北省重點實驗室， 武漢 430079；

2.華中師范大學(xué) 城市與環(huán)境科學(xué)學(xué)院， 武漢 430079)

湖泊是流域各類生態(tài)過程的重要起點，“從湖泊出發(fā)”是提升流域生態(tài)環(huán)境治理績效的重要思路.該文綜合考慮湖泊稟賦、空間距離、擴散介質(zhì)等因素，構(gòu)建了一個湖泊生態(tài)影響域測度模型，并以洱海流域為例，對其4個較大湖泊水體的生態(tài)影響范圍進行測度分析.結(jié)果顯示：4個湖泊對外生態(tài)過程受到的累計阻力呈輻射狀向四周擴散，距湖越遠阻力越大，影響強度越??；洱海的生態(tài)影響域面積最大，占據(jù)壓倒性優(yōu)勢，茈碧湖、海西海、西湖的影響范圍依次減小，彼此離散，且均處于洱海影響域包圍之內(nèi)；根據(jù)影響強度對洱海影響域進行分級、分區(qū)，發(fā)現(xiàn)其高、中、低三種類型的影響域面積依次增加，并在空間上呈現(xiàn)明顯的環(huán)湖梯次分布特征.

湖泊稟賦； 阻力系數(shù)； 影響域； 洱海流域

我國湖泊眾多，湖泊流域面積較大.隨著城鎮(zhèn)化、工業(yè)化的快速推進，大量湖泊水體污染控制與治理情勢嚴峻，流域生態(tài)環(huán)境不容樂觀.與其他類型的流域一樣，湖泊流域是一個相對獨立、集水中心與外圍地區(qū)具有高度復(fù)雜聯(lián)系的有機整體[1].但在長期的流域治理實踐中，人們往往將二者截然分開，忽略了“湖泊—流域”系統(tǒng)的整體性特征，就流域論流域，較少關(guān)注“從湖泊出發(fā)”的行動思路，事倍功半.同時，大量的理論研究和實證分析也較多地集中于流域氣候變化、資源開發(fā)、污染排放、水土流失、植被減少、生物多樣性降低等因素對湖泊理化性質(zhì)、生物種群、富營養(yǎng)化、生態(tài)安全等方面的影響[2-4]，關(guān)于湖泊對流域的諸多可能影響卻鮮見報道，相關(guān)研究還沒有充分展開.實際上，在“湖泊—流域”系統(tǒng)中，一方面，流域是湖泊水體的補給來源和生態(tài)屏障，為湖泊生態(tài)系統(tǒng)的正常運行提供了必要條件，并在很大程度上決定了湖泊生態(tài)的各項指標水平；另一方面，作為流域的集水中心，湖泊生境優(yōu)越，物種豐富，生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能較強，是流域各類生態(tài)過程的重要起點和生態(tài)功能的外溢基地，對流域生態(tài)環(huán)境具有強烈的影響作用[5].根據(jù)這種影響作用的區(qū)位和路徑“指示”作用，遵循湖泊與流域內(nèi)在的物質(zhì)、能量及功能關(guān)聯(lián)規(guī)律，“從湖泊出發(fā)”進行流域生態(tài)保護和建設(shè)是提升流域治理績效的重要思路.顯然，要在實踐中取得良好效果，還有許多工作要做，其中科學(xué)測度流域各點受到的湖泊影響力大小并據(jù)此劃分影響強度分級圖，具有重要的基礎(chǔ)意義.當(dāng)前，已有部分學(xué)者注意到這一學(xué)術(shù)視角，但囿于測度方法的限制，相關(guān)研究多集中于宏觀層面的定性分析或理論探索，定量的實證研究極少.在城市研究領(lǐng)域，近年來有較多學(xué)者借用物理學(xué)的“場強”模型和地理學(xué)的空間可達性概念，對城市影響范圍進行了合理測定，取得大量有價值成果[6-7]，為本研究提供了可資借鑒的方法思路.據(jù)此，本文根據(jù)“湖泊—流域”系統(tǒng)理念，借鑒“城市腹地”的測算思路，以云南省洱海流域為例，利用基于最小累計阻力的場強模型定量測度4個較大湖泊水體的生態(tài)影響范圍，繪制影響強度分級圖，為制定“從湖泊出發(fā)”的流域治理方案提供依據(jù).

1 研究區(qū)概況和資料來源

洱海流域位于瀾滄江、金沙江和元江3大水系的分水嶺地帶，屬瀾滄江—湄公河水系，面積約2 565 km2，行政上轄大理市與洱源縣的16個鄉(xiāng)鎮(zhèn)和1個工業(yè)園區(qū).2013年常駐人口90.50萬，人均國內(nèi)生產(chǎn)總值19 238元.境內(nèi)有彌苴河、永安江、羅時江、波羅江、西洱河及蒼山十八溪等大小河溪117條，自南而北分布有洱海、西湖、茈碧湖、海西海等4個較大湖泊(圖1)，來水主要為降水和融雪.其中，洱海為云南省第2大高原淡水湖、國家級自然保護區(qū)和風(fēng)景名勝區(qū)蒼山—洱海的核心景觀，南北長41.5 km，東西寬3～9 km，面積約251 km2，平均水深10.5 m，多年平均水量28.8億m3，具有航運、旅游、養(yǎng)殖、調(diào)節(jié)氣候等多種功能.西湖位于洱源縣右所鎮(zhèn)，為洱源西湖省級風(fēng)景名勝區(qū)和西湖國家濕地公園的主體，面積4.66 km2，平均水深2～3 m，容水量1 800萬m3，出水經(jīng)羅時江流入洱海.茈碧湖位于洱源縣茈碧湖鎮(zhèn)，為洱源茈碧湖州級自然保護區(qū)的主體，面積7.86 km2，平均水深20 m，容水量9 322.4萬m3，出水經(jīng)彌苴河流入洱海.海西海位于洱源縣牛街鄉(xiāng)，為洱源海西海州級自然保護區(qū)的主體，面積約2.24 km2，平均水深10 m，容水量2 227萬m3，下游與茈碧湖、鳳羽河同注彌苴河流入洱海.

圖1 洱海流域4湖位置

近年來，隨著云南省“滇西中心城市”建設(shè)戰(zhàn)略的實施，以大理市為中心的城鎮(zhèn)化、工業(yè)化進程快速推進，水土流失、植被減少、濕地退化、生物多樣性降低等生態(tài)環(huán)境問題越來越嚴重[8].2013年8月下旬，課題組走訪了大理州、大理市和洱源縣的統(tǒng)計局、國土局、環(huán)保局以及洱海流域管理局、洱海保護研究中心等職能部門，獲取了包括社會經(jīng)濟、土地利用、地形地貌、城鎮(zhèn)分布等信息在內(nèi)的統(tǒng)計年鑒、研究報告與圖件資料，聽取了相關(guān)專家對流域生態(tài)環(huán)境治理的綜合意見.同時，根據(jù)2013年的Landset8影像解譯了流域土地利用/覆被圖，并對不同渠道獲得的數(shù)據(jù)進行甄別、篩選和匹配，以保證數(shù)據(jù)的一致性.

2 研究方法與思路

湖泊水體與流域具有密切的物質(zhì)、能量及功能聯(lián)系，是流域各類生態(tài)過程的重要起點和生態(tài)功能的外溢基地，對流域具有強烈的輻射和擴散效應(yīng)[5].在流域范圍內(nèi)，這種輻射、擴散效應(yīng)以各種生態(tài)過程為載體所能達到的最大影響范圍構(gòu)成了湖泊生態(tài)的影響域.當(dāng)存在多個湖泊水體時，他們對流域某點的影響強度各不相同，某湖泊的生態(tài)影響域特指所有受該湖泊影響最大的地域范圍總和.可見，湖泊影響域?qū)嵸|(zhì)上是湖泊生態(tài)系統(tǒng)功能發(fā)揮的優(yōu)勢域和控制域.借用物理學(xué)的概念，該影響域可稱為湖泊影響力的“力場”，影響力的大小稱為“場強”.影響域的大小、范圍和形狀可利用場強模型來表示：

(1)

式中，F(xiàn)ki為湖泊k在流域內(nèi)i點的場強；Zk為湖泊k的規(guī)模；Dki為湖泊k到i點的空間距離；a為距離摩擦系數(shù)，一般取標準值2.

該模型嚴格遵循距離衰減規(guī)律，認為流域某點的場強與湖泊規(guī)模大小成正比，與到湖泊距離的二次方成反比.然而，由于自然地理條件的非均質(zhì)性，湖泊生態(tài)輻射和擴散過程受到流域下墊面(即擴散介質(zhì))的強烈約束，在通過水田、旱地、林地或建設(shè)用地時遇到的阻力差異很大.這里借鑒“城市腹地”測度文獻對傳統(tǒng)場強模型的改進思路[6-7]，綜合考慮湖泊稟賦、空間距離、擴散介質(zhì)等因素，對式(1)進行改進得到湖泊生態(tài)影響域測度模型，見式(2)：

(2)

其中，Zk表示湖泊k的多年平均水量.一般來說，湖泊水量越大，水體物種越多、生態(tài)系統(tǒng)功能越強，對外輻射、擴散的能力也就越強；ADki表示從湖泊k出發(fā)經(jīng)過不同阻抗介質(zhì)到達目的地i所花費的最小總代價，反映了i點的空間可達性.ADki利用下式來計算：

(3)

其中，rt表示流域內(nèi)t點所屬單元的阻抗(即阻力系數(shù))，反映了湖泊生態(tài)過程在不同介質(zhì)單元上擴散的相對難易程度，dt表示生態(tài)過程在流域內(nèi)t點所屬單元上經(jīng)歷的距離.可見，ADki實質(zhì)上是生態(tài)過程從湖泊k出發(fā)到達目的地i克服阻力所作的功，是對空間距離的一種調(diào)整(Adjustment)，實質(zhì)為類似空間可達性評價中的時間或金錢成本距離.顯然，根據(jù)景觀生態(tài)學(xué)相關(guān)基本原理，將基于空間距離、下墊面因素的最小累計阻力“視作”流域某點的空間可達性，在刻畫湖泊對外生態(tài)過程方面，比單純的空間距離更具合理性和說服力.

式(2)顯示，流域某點受到湖泊的影響強度與湖泊水量成正比，與到湖泊的成本距離成反比，在一定程度上遵循距離衰減規(guī)律.由于目前國內(nèi)外關(guān)于不同介質(zhì)單元阻力系數(shù)的確定還沒有公認的方法，參考相關(guān)文獻的做法[9]，這里以生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值密度作為確定阻力系數(shù)的標準.一般來說，某介質(zhì)單元的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值密度越高，說明生態(tài)功能越完善，生態(tài)流在其中的運行就越順暢，阻力越小，反之越大.據(jù)此，參照相關(guān)文獻關(guān)于生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值的測定成果[10]，確定洱海流域各類介質(zhì)單元的阻力系數(shù).具體是，首先將水體和開發(fā)用地的阻力系數(shù)分別設(shè)為1和100，然后根據(jù)生態(tài)價值的相對大小確定其他類型單元的阻力系數(shù)，范圍在1～100之間，結(jié)果見表1.

表1 洱海流域不同介質(zhì)單元的阻力系數(shù)

本研究從宏觀層面探索洱海、西湖、茈碧湖、海西海等4個較大湖泊生態(tài)影響域的相對大小及空間分布問題，湖泊生態(tài)輻射/擴散并不限定為某類具體的生態(tài)過程.由于流域內(nèi)的任意一點i受到來自4個湖泊的影響，其中有一個湖泊的影響力(場強)最大，則將i點歸屬于對其影響最大的湖泊生態(tài)影響域之內(nèi).因此，某湖泊生態(tài)影響域的確定思路是，首先求出流域內(nèi)各點來自不同湖泊的影響力大小，然后根據(jù)“取大”原則確定每一個點所受的影響力及其來源湖泊，從而確定4個湖泊的生態(tài)影響域大小、范圍和形狀.上述計算、判別和圖示工作可部分借助ArcGIS相關(guān)模塊實現(xiàn).

3 研究結(jié)果與分析

3.1 湖泊生態(tài)輻射/擴散累計阻力分布

在ArcGIS平臺上，利用洱海流域土地利用/覆被柵格底圖(格網(wǎng)大小為15m×15m)，根據(jù)式(3)計算以洱海、西湖、茈碧湖及海西海等4個較大湖泊為出發(fā)源的最小累計阻力(AD)，結(jié)果如圖2～圖5所示.可以發(fā)現(xiàn)，4個湖泊對外生態(tài)過程受到的最小累計阻力均呈輻射狀向四周擴散，距湖越遠，累計阻力越大.在累計阻力較大值密集出現(xiàn)的區(qū)域，從湖泊出發(fā)的生態(tài)過程在這些區(qū)域受限嚴重.在湖泊周邊等累計阻力較小的區(qū)域，生態(tài)過程受限較小.由于流域介質(zhì)阻力的空間異質(zhì)性，累計阻力隨距離增長的速度差別較大，具有明顯的方向異性.例如，在通過水體和林地時累計阻力增長較慢，在通過草地、裸地及其他非林地或城鄉(xiāng)建設(shè)用地時，累計阻力增長速度較快.因此，需要加強在旱地、裸地、城鎮(zhèn)等區(qū)域的生態(tài)建設(shè)工作，通過增加生態(tài)廊道數(shù)目、完善廊道結(jié)構(gòu)、優(yōu)化生態(tài)節(jié)點等措施，提升生態(tài)流在其中的遷移和擴散效率.總體上，某湖泊生態(tài)輻射/擴散的最小累計阻力分布格局，是該湖泊區(qū)位、空間距離與介質(zhì)阻力3方面因素綜合作用的結(jié)果.

圖2 洱海源累計阻力分布

圖3 西湖源累計阻力分布

圖4 茈碧湖源累計阻力分布

3.2 湖泊生態(tài)影響強度與影響域空間格局

根據(jù)式(2)和式(3)分別計算4個湖泊在流域內(nèi)所有點上的影響強度(場強)，結(jié)果如表2所示.可以發(fā)現(xiàn)4個湖泊的影響強度總體上差別較大.其中，洱海影響強度的最小值為0.181 2 ，最大值為19 200，平均值10.098 2，標準差254.297 9.相較于洱海，茈碧湖、海西海、西湖的影響強度均值依次降低，分別為0.061 2、0.012 0、0.007 1，標準差分別為3.276 9、0.687 4、0.222 8.在空間分布上，流域各點的影響強度均以湖泊為中心，呈現(xiàn)“離湖越遠，強度越小”的衰減規(guī)律.利用ArcGIS平臺對流域每個點上4個湖泊的影響強度進行比較并“取大”，從而確定此點的湖泊歸屬，即將該點視作該湖泊的影響域.如表2、圖6所示，其中，洱海的影響域面積最大，為2 283.36 km2，約占流域總面積的99.309 3%.茈碧湖、海西海、西湖的影響域面積依次減少，分別為11.84 km2、3.39 km2、0.64 km2，合計占流域面積的0.690 7%.在空間分布上，洱海湖泊的影響范圍占據(jù)了流域空間絕大部分，其他3個湖泊的影響范圍相對較小，僅局限于湖泊周邊狹小的地域范圍內(nèi)，彼此互相獨立，整體處于洱海影響域的包圍圈之內(nèi).這種情況說明，洱海作為流域生態(tài)中心，是流域生態(tài)建設(shè)和保護的核心支點.

表2 流域四湖影響強度與影響域

圖6 流域4湖影響域分布

3.3 洱海生態(tài)影響域分區(qū)特征

由于洱海的影響域面積在4個湖泊中占據(jù)壓倒性優(yōu)勢，這里僅對其影響域進行分區(qū)，繪制影響強度分級圖.具體是，根據(jù)影響強度數(shù)值大小統(tǒng)計特征，在洱海影響域范圍內(nèi)，將影響強度處于0.18 12～1之間的地域單元劃作低影響域，處于1～2之間的地域單元劃作中影響域，處于2～19 200之間的地域單元劃作高影響域.分級、分區(qū)結(jié)果如表3和圖6所示，可以發(fā)現(xiàn)，洱海低影響域面積最大，為1 365.02 km2，占該湖影響域總面積的59.78%；中、高影響域面積遞減，分別占該湖影響域總面積的22.95%、17.27%.3類區(qū)域在空間上呈現(xiàn)明顯的環(huán)湖梯次分布特征.其中，高影響域多位于洱海湖濱帶和緩沖區(qū)內(nèi)，該區(qū)村落、農(nóng)田分布集中，人口密度較大，生態(tài)退化嚴重.特別是，該區(qū)西南部為大理市所在地，城鎮(zhèn)化、工業(yè)化程度較高，建設(shè)用地對湖泊生態(tài)輻射/擴散具有較大阻礙作用，需在城市建設(shè)中注意綠地系統(tǒng)的構(gòu)建和完善.中影響域緊鄰高影響區(qū)外圍分布，在西部十八溪壩區(qū)村鎮(zhèn)和工業(yè)用地密集分布，海東則山高坡陡，植被破壞嚴重，需大力恢復(fù)植被和保持水土.低影響域則廣泛分布于遠離洱海的北部、西部和南部區(qū)域，在北部洱源農(nóng)業(yè)區(qū)，鄉(xiāng)鎮(zhèn)分布集中、人口密度高、農(nóng)田面積大；西部蒼山涵養(yǎng)區(qū)植被覆蓋較好但存在礦石濫采現(xiàn)象，礦山生態(tài)環(huán)境較為脆弱；南部陡坡墾植區(qū)則需要加強封山育林和山體保護工作，為優(yōu)化與湖泊的物質(zhì)、能量及功能聯(lián)系創(chuàng)造條件.

表3 洱海影響域分級、分區(qū)特征

4 結(jié)論與討論

我國是一個多湖泊國家，全國大于1 km2的湖泊有2 693個，總面積約81 415 km2.在全球氣候變化和經(jīng)濟快速發(fā)展等因素的作用下，湖泊流域污染和生態(tài)退化問題相當(dāng)普遍，需要在治理思路方面大膽創(chuàng)新.本研究綜合考慮湖泊稟賦、空間距離、擴散介質(zhì)等因素，構(gòu)建了一個湖泊生態(tài)影響域測度模型，并以洱海流域為例，對其4個較大湖泊水體的生態(tài)影響范圍進行測度.主要結(jié)論為：4個湖泊對外生態(tài)過程受到的累計阻力呈輻射狀向四周擴散，距湖越遠阻力越大，影響強度越??；洱海的生態(tài)影響域面積最大，占據(jù)壓倒性優(yōu)勢，茈碧湖、海西海、西湖的影響范圍依次減小，彼此離散，且均處于洱海影響域包圍之內(nèi)；根據(jù)影響強度對洱海影響域進行分級、分區(qū)，發(fā)現(xiàn)其高、中、低3種類型的影響域面積依次增加，并在空間上呈現(xiàn)明顯的環(huán)湖梯次分布特征.以上結(jié)論為優(yōu)化流域和湖泊之間的物質(zhì)、能量及功能聯(lián)系，制定“從湖泊出發(fā)”的流域治理方案提供了一些參考.

本研究的創(chuàng)新之處在于借鑒“城市腹地”測算思路，將基于空間距離、下墊面因素的最小累計阻力“視作”流域某點的空間可達性，結(jié)合GIS技術(shù)快速實現(xiàn)了對湖泊生態(tài)影響域的定量測度，為研究湖泊生態(tài)問題提供了一個新視角.然而，由于湖泊生態(tài)影響范圍的劃分問題較為復(fù)雜，本文僅是一種初步探索，尚有許多需要完善的地方.例如，利用多年平均水量表示湖泊稟賦比較粗略，測度模型中最小累計阻力系數(shù)的取舍也頗為主觀，考慮的生態(tài)過程宏觀而不具體，對湖泊—流域之間的水文系統(tǒng)關(guān)注不夠，等等.特別是，由于土地類型是生態(tài)過程阻力系數(shù)確定的基礎(chǔ)，因此湖泊生態(tài)影響空間格局與土地利用結(jié)構(gòu)密切相關(guān)，而后者通常存在明顯的季節(jié)變化和年際變化，動態(tài)性較強.因此，進一步完善湖泊稟賦指標體系、有效增加測度模型的科學(xué)性、動態(tài)性，并與生態(tài)學(xué)、水文學(xué)分支合理交叉，對湖泊具體的生態(tài)輻射/擴散影響范圍進行測度分析是本文以后的工作重點.

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Measuring the ecological impact domain of the lakes in Erhai Lake basin

YANG Zhen1，2， GUO Hongjiao1，2， LIANG Man1，2

(1.Key laboratory of geological process analysis and simulation of Hubei province， Wuhan 430079;2. College of Urban and Environmental Sciences， Central China Normal University， Wuhan 430079;)

Lakes are important starting points for all kinds of ecological processes in a lake basin. “Focusing on the lakes” is an important way to improve the performance of governing the ecological environment of the watershed. In this paper， we construct a model to measure the ecological impact domain of the lake by comprehensively considering the lake endowment， spatial distance， diffusion medium and other factors. Then， ， we apply this model to measure the ecological impact domain of the four largest lakes in Erhai Lake Basin. The results show that: 1) the cumulative forces that resist the ecological impact of the four lakes spread from the lakes to around radially and become greater with the distance becoming farther while the ecological impact becomes weaker; 2) the ecological impact domain of Erhai is the largest， having an overwhelming superiority than the impact area of Cibihu， Haixihai， Xihu， which are separated from each other and impacted by Erhai; 3) according to grading and zoning on the ecological impact domain of Erhai， we found that the areas of high， middle and low impact domain increase successively and show an obvious echelon distribution pattern around the lake．

lake endowment; resistance coefficient; impact domain; Erhai Lake Basin

2014-08-11.

國家水體污染控制與治理科技重大專項任務(wù)(2013ZX07105-005-04-02).

1000-1190(2015)01-0147-06

Q14

A

*E-mail: yangzhen0971@163.com.