王飛兒,鄭思遠,楊泓蕊,俞 潔,王一旭,王浙明

1 浙江大學環(huán)境與資源學院,杭州 310058 2 浙江省環(huán)境監(jiān)測中心,杭州 310012 3 浙江省環(huán)境保護科學設計研究院,杭州 310007

實施“分區(qū)、分類、分級、分期”的水生態(tài)環(huán)境管控是流域精細化管理的主流思想[1—2]。國務院2015年發(fā)布的《水污染防治行動計劃》明確提出了“研究建立流域水生態(tài)環(huán)境功能分區(qū)管理體系”,并提出對全國重點流域進行分流域、分區(qū)域、分階段的科學治理?！笆濉敝攸c流域水污染防治規(guī)劃也提出了“流域-控制區(qū)-控制單元”三級分區(qū)管理體系[3]。“十四五”重點流域規(guī)劃由水污染防治改為水生態(tài)環(huán)境保護,反映我國水環(huán)境管理在由總量控制向環(huán)境質量轉型的基礎上,進一步向水生態(tài)系統(tǒng)健康方向轉變[4]。因此隨著流域空間管控思想的深入,開展水生態(tài)環(huán)境分區(qū),明確不同區(qū)域水生態(tài)環(huán)境目標,制定差異化管控對策,將成為我國流域水生態(tài)環(huán)境精細化管理的核心內容之一[5]。

根據不同的管理模式和劃分依據,國內外關于水生態(tài)環(huán)境分區(qū)的類型及方法較多,包括水生態(tài)分區(qū)、水生態(tài)功能分區(qū)、水環(huán)境功能分區(qū)等。Omernik[6]提出水生態(tài)區(qū)概念并采用地質、土壤、地形地貌、土地利用、植被、氣候等指標體系完成了美國國家尺度和地方尺度的水生態(tài)分區(qū)；歐盟、新西蘭等國家在Omernik指標的基礎上開展了適合本國情況及管理目標的水生態(tài)區(qū)劃[7—8]。我國在流域水生態(tài)環(huán)境分區(qū)中,因為管理目標不同,形成的分區(qū)體系也各異。始于20世紀90年代的水環(huán)境功能分區(qū)結合區(qū)域水資源開發(fā)利用現狀和社會需求,從污染物排放及水質影響等角度開展水體區(qū)劃；“十一五”以來遼河、海河、太湖、滇池等一些重點流域開展了不同層級的水生態(tài)功能分區(qū),通過識別流域水生態(tài)系統(tǒng)格局與功能的空間異質性特征,辨析水-陸生態(tài)系統(tǒng)的耦合關系,而將流域劃分成若干個相對獨立、完整單元[9—12]；另外,始于“九五”的流域水污染控制分區(qū)實踐也逐漸得到發(fā)展,在“十三五”重點流域水污染控制規(guī)劃中形成了“流域-區(qū)域-控制單元”的分區(qū)體系[3]。但各類水生態(tài)環(huán)境分區(qū)在發(fā)展與應用過程中,仍存在較多的問題。如水環(huán)境功能區(qū)劃依據用水功能以及水質類別進行劃分,忽略了水陸協(xié)同性、水生態(tài)系統(tǒng)完整性；水生態(tài)功能區(qū)劃將水生態(tài)系統(tǒng)完整性納入劃分依據,但未與行政管理相結合導致分區(qū)未能真正落實到實際的管理中；“十三五”流域管控中劃分的控制單元實現了從污染源到入河排污口到水體水質之間的響應,但是目前控制單元的劃分忽略了水體的自然特征和生態(tài)特征。因此兼顧水生態(tài)保護與水污染控制管理目標,耦合現有的各類水生態(tài)環(huán)境分區(qū),構建新的分區(qū)體系,將成為指導流域水生態(tài)環(huán)境管理的重要依據。

生態(tài)系統(tǒng)服務是人類直接或者間接從生態(tài)系統(tǒng)中獲得的各種惠益,是銜接自然環(huán)境與人類需求的重要紐帶[13—15]。流域具有多種類型的生態(tài)系統(tǒng)服務功能,包括水文調節(jié)、水土保持、氣候調節(jié)、廢物處理等,直接或間接影響著流域水生態(tài)環(huán)境狀態(tài)[16]。隨著流域管理從水資源保護、水污染控制向水資源水環(huán)境水生態(tài)綜合管理轉變[1],將生態(tài)系統(tǒng)服務功能納入流域管理,有助于流域水生態(tài)與水環(huán)境的協(xié)同。因此構建兼顧生態(tài)系統(tǒng)服務與水環(huán)境質量的流域水生態(tài)環(huán)境分區(qū)分類體系,在宏觀尺度上把握水生態(tài)保護格局,在操作層面上落實水生態(tài)環(huán)境目標,推進流域水生態(tài)環(huán)境精細化管理。

本研究以浙江省八大水系為研究對象,基于流域生態(tài)特征與水環(huán)境響應,構建不同類型的分區(qū)指標體系及方法,劃定水生態(tài)功能區(qū)和水環(huán)境控制單元,在對各控制單元的生態(tài)服務功能價值進行評估及聚類的基礎上,提出各類生態(tài)服務簇內控制單元的水生態(tài)環(huán)境分類管控要求,為落實水環(huán)境質量底線、開展精細化的水生態(tài)環(huán)境管控提供技術支持。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)域

浙江省位于長江三角洲南翼,地勢由西南向東北傾斜,地形復雜,以山地丘陵為主,陸域總面積10.43萬 km2。屬亞熱帶季風性濕潤氣候,年平均氣溫在15—18℃之間,年均降水量在1100—2000 mm之間。境內擁有錢塘江、甌江、椒江、甬江、苕溪、運河、飛云江、鰲江等八大水系。浙江省人口密度高,經濟發(fā)展較快,水環(huán)境壓力較大。雖然近年來開展的各類治水行動使浙江的水環(huán)境得到較大的改善,但局部區(qū)域仍存在污染物排放量大、強度高,水質不能全面穩(wěn)定達標、水環(huán)境管理短板未補齊、水生態(tài)管理缺乏足夠重視等問題。

1.2 研究方法

1.2.1水生態(tài)環(huán)境分區(qū)

水生態(tài)環(huán)境分區(qū)包括水生態(tài)功能分區(qū)及水環(huán)境控制單元,其中水生態(tài)功能區(qū)劃綜合考慮了水生態(tài)系統(tǒng)空間格局,是水環(huán)境控制單元劃定的基礎,其生態(tài)目標要通過水環(huán)境控制單元去落實；水環(huán)境控制單元是落實水生態(tài)水環(huán)境目標的具體操作單元。本研究采用自上而下的劃分思路,根據流域生態(tài)系統(tǒng)特征劃定水生態(tài)功能區(qū),在此基礎上進一步耦合流域匯水單元、行政管理單元以及水(環(huán)境)功能區(qū),開展水環(huán)境控制單元的劃分,形成水生態(tài)功能區(qū)-水環(huán)境控制單元的多層級水生態(tài)環(huán)境分區(qū)體系,有效落實水生態(tài)環(huán)境目標及差異化管控對策。

圖1 生態(tài)因子與水質CCA分析結果Fig.1 The result of CCA analysis on ecological factors and water qualityCCA, 典范對應分析 Canonical Correspondence Analysis; R1, 環(huán)境因子1 Environmental factor 1; R2, 環(huán)境因子2 Environmental factor 2; R3, 環(huán)境因子3 Environmental factor 3; R4, 環(huán)境因子4 Environmental factor 4; R5, 環(huán)境因子5 Environmental factor 5

(1)水生態(tài)功能分區(qū)

水生態(tài)功能區(qū)的劃分指標主要考慮能反映流域生態(tài)系統(tǒng)特征差異性指標,包括降雨、氣溫、地形、土壤類型、土地利用類型、植被覆蓋類型、歸一化植被指數(NDVI)、人口密度等?；贑ANOCO軟件,將各生態(tài)因子與水質數據進行典范對應分析(CCA)[17]。根據生態(tài)因子和水質的CCA分析(圖1)篩選了土地利用、土壤類型、NDVI和人口密度作為體現流域水生態(tài)系統(tǒng)空間格局的指標。其中土地利用類型體現了自然環(huán)境與人類活動的綜合影響；土壤類型決定了土壤不同的滲透性和持水能力；植被覆蓋類型和NDVI指數反映了物質的遷移轉化對水生態(tài)系統(tǒng)異質性的影響；人口密度則反映了潛在污染負荷對水生態(tài)系統(tǒng)的影響[18—19]。

依據CCA分析篩選出的與水質相關的指標,采用ISODATA非監(jiān)督空間聚類方法[20],劃定水生態(tài)功能區(qū)。

(2)水環(huán)境控制單元劃分

按照水系完整性、行政管理可操作性以及污染傳輸封閉性原則開展水環(huán)境控制單元劃分。采用ArcGIS的Hydrology模塊,利用浙江省數字高程數據(DEM)提取全省水系,以5000為劃分閾值,結合實際水系修正得到389個匯水區(qū)。在ArcGIS平臺采用空間疊置分析,將水生態(tài)功能分區(qū)、389個匯水區(qū)以及1386個鄉(xiāng)鎮(zhèn)邊界進行疊加?？刂茊卧醪絼澐只舅悸啡缦拢?)一個水生態(tài)功能區(qū)包括多個完整的控制單元；2)山地丘陵區(qū)匯水特征明顯的以匯水區(qū)邊界作為控制單元邊界,將匯入同一水體的陸域包括在一個控制單元內；3)平原河網區(qū)難以確定水文以及污染物傳輸空間邊界的地區(qū),則以行政邊界作為控制單元的邊界；4)控制單元不能跨縣界,否則以縣界進行切分。在初步劃定水環(huán)境控制單元后,利用水環(huán)境功能區(qū)對控制單元的初始邊界進行修正或分割,確保同一水環(huán)境功能區(qū)盡可能在同一控制單元內。

1.2.2水生態(tài)環(huán)境分類管控

為實現水環(huán)境水生態(tài)協(xié)同管理,以水環(huán)境控制單元的生態(tài)系統(tǒng)服務空間差異為主導,基于控制單元的生態(tài)特征和水質特征對控制單元進行分類,落實差異化的管控措施。

(1)生態(tài)服務價值評估

由于生態(tài)系統(tǒng)服務的各物理量很難進行直接比對,因此將各類生態(tài)服務貨幣化,采用生態(tài)服務價值開展評估。各控制單元的生態(tài)服務價值采用謝高地等人提出的當量因子法進行估算[21—22]。根據相關資料,2015年浙江省糧食單位產出量均值為5886 kg/hm2[23],國家糧食和物資儲備局公布當年稻谷平均最低收購價2.7 元/kg[24]。采用糧食產量與當年糧食價格進行修正,得到研究區(qū)域一個當量因子為2270 元/hm2。根據不同類型生態(tài)系統(tǒng)單位面積的產品種類、數量及相應價格,得到代表全省不同生態(tài)系統(tǒng)單位面積生態(tài)服務功能價值的當量因子(表1)。

表1 浙江省不同生態(tài)系統(tǒng)單位面積生態(tài)系統(tǒng)服務價值

以水環(huán)境控制單元為評估單元,根據各控制單元內各類生態(tài)系統(tǒng)面積及當量因子,計算各單元的生態(tài)服務價值：

式中,ESV為生態(tài)服務價值(萬元/a)；Si為第i類生態(tài)系統(tǒng)的面積(km2)；EFi為第i類生態(tài)系統(tǒng)的當量因子(萬元·km2·a1)。

由于同一種土地利用類型通常采用相同的當量因子,但不同的環(huán)境條件也會影響具有相同利用類型土地的生態(tài)服務價值[25],故需要對當量因子進行適當的修正。本研究中生態(tài)服務價值確定是基于生態(tài)系統(tǒng)的生產能力,而生物量是表征生態(tài)系統(tǒng)初級生產能力的重要因子,可以在一定程度上反映不同區(qū)域之間生態(tài)服務功能的差異[26—27]。基于歸一化植被指數(NDVI)可用于表征植被類型和數量[28],故利用NDVI對各個控制單元內的林地、耕地、草地的生態(tài)服務價值當量因子進行空間修正:

式中,ω為各管控分區(qū)的空間修正因子,NDVIj表示第i控制單元的歸一化植被指數,k表示控制單元總數。

(2)生態(tài)系統(tǒng)服務簇分類

生態(tài)系統(tǒng)服務簇是指在時間與空間上反復出現的一組生態(tài)服務功能[29—30]。通過對不同區(qū)域內生態(tài)服務功能的空間聚類,得到生態(tài)服務功能比較一致的生態(tài)系統(tǒng)服務簇,依據各個簇內的主導生態(tài)服務功能類型進行差異化管理。本文利用SPSS軟件,以9種生態(tài)服務功能為變量,以各水環(huán)境控制單元為評估單元,根據各類生態(tài)服務功能價值,采用K均值聚類法開展水環(huán)境控制單元生態(tài)系統(tǒng)服務簇及其主導生態(tài)服務功能的識別。同時解析各生態(tài)服務簇的水質特征,確定各類簇水環(huán)境控制單元的管控目標和差異化管控要求。

1.3 數據來源

浙江省數字高程數據(30 m-DEM),2015年浙江省土地利用類型、土壤類型、植被類型、NDVI指數和人口密度數據分辨率為1 km×1 km,均來源于中國科學院資源環(huán)境科學數據中心(http://www.resdc.cn)；鄉(xiāng)鎮(zhèn)級行政區(qū)劃、水系分布來源于浙江省測繪與地理信息局；水(環(huán)境)功能區(qū)劃和2015年的環(huán)統(tǒng)數據來自浙江省生態(tài)環(huán)境廳；2015年省控斷面的水質數據來源于浙江省環(huán)境監(jiān)測中心。

圖2 浙江省水生態(tài)功能分區(qū)Fig.2 Regionalization of aquatic ecoregions function in Zhejiang Province Ⅰ—Ⅳ為水生態(tài)分區(qū)編號，1—4為水生態(tài)功能分區(qū)編號

2 結果與討論

2.1 水生態(tài)環(huán)境區(qū)劃

(1)水生態(tài)功能分區(qū)

浙江省水生態(tài)功能區(qū)主要體現自然環(huán)境和人類活動對水生態(tài)系統(tǒng)的疊加影響。根據土壤類型、土地利用、植被以及人口密度的空間差異性,采用ISODATA空間聚類共得到10個浙江省水生態(tài)功能區(qū),具體見圖2。

根據分區(qū)結果,Ⅲ2區(qū)、Ⅲ3區(qū)和Ⅳ2區(qū)的人口密度較高,人類活動的影響較大,人工植被、耕地、人為土的占比較高；Ⅰ2區(qū)、Ⅱ2區(qū)、Ⅲ1區(qū)、Ⅲ4區(qū)和Ⅳ1區(qū)的人口密度中等,較好地體現了自然環(huán)境因素和人為活動因素的復合影響,植被類型主要包括人工植被和闊葉林、針葉林等自然植被,林地和耕地兩種土地利用類型占比相當；Ⅰ1區(qū)和Ⅱ1區(qū)的人口密度較低,受自然環(huán)境因素的影響較大,土地利用類型以林地為主導,NDVI指數也較高。十個水生態(tài)功能區(qū)中,面積最大的是中部盆地水生態(tài)功能區(qū)(Ⅱ2區(qū)),區(qū)域面積為25777.9 km2,面積最小的是中部丘陵水生態(tài)功能區(qū)(Ⅰ2區(qū)),為4354.0 km2。

(2) 水環(huán)境控制單元

在水生態(tài)功能區(qū)劃基礎上,耦合流域匯水區(qū)、鄉(xiāng)鎮(zhèn)邊界(含縣市區(qū)邊界),采用空間疊置方法進行分區(qū),同時根據水環(huán)境功能區(qū)劃對各控制單元邊界進行修正,得到510個水環(huán)境控制單元,見圖3。

圖3 浙江省水環(huán)境控制單元劃分Fig.3 Water environment control units in Zhejiang Province

510個控制單元平均面積205 km2,最大和最小控制單元的面積分別為924.10 km2和13.06 km2。從各水生態(tài)功能區(qū)分布來看(表2,中部盆地水生態(tài)功能區(qū)的控制單元最多,共有107個,而中部丘陵水生態(tài)功能區(qū)的控制單元最少,僅19個；從行政分區(qū)來看(表2,杭州、寧波和臺州的控制單元較多,分別為69個、66個和64個,而舟山市最小,僅有6個控制單元；從空間位置來看,上游山地區(qū)控制單元劃分較為稀疏,而下游平原區(qū)控制單元劃分則較為密集。

2.2 水生態(tài)環(huán)境特征識別

(1)生態(tài)服務功能特征識別

根據各控制單元的土地利用類型開展生態(tài)服務價值評估。結果顯示,全省生態(tài)服務價值總計為5123.73億元/a。各控制單元的生態(tài)服務價值在136.53—59.87億元/a之間波動,各控制單元單位面積的生態(tài)服務價值為6.50—818.45萬元/km2,生態(tài)服務價值在空間分布上整體呈現西高東低、南高北低的趨勢(圖4)。

以保持各簇的完整性及不同簇別間的空間異質性為原則,采用K均值聚類,最終確定了4類生態(tài)系統(tǒng)服務簇(圖4)。Ⅰ類簇的區(qū)域面積最大,占全省總面積的52.68%,主要分布在西部丘陵山地區(qū)和西南山區(qū),土地利用類型以林地為主,單位面積生態(tài)服務價值高,總生態(tài)服務價值占全省總生態(tài)服務價值的65.46%；Ⅱ類簇面積最小,主要分布在千島湖以及錢塘江入?？?水域占比較大,總生態(tài)服務價值占全省總生態(tài)服務價值的2.02%,但單位面積服務價值較高；Ⅲ類簇主要分布于低山丘陵區(qū),土地利用類型以林地(山地區(qū))和耕地(平原區(qū))為主,人類活動相對頻繁,單位面積生態(tài)服務價值相對較高,總生態(tài)服務價值占全省總生態(tài)服務價值的26.43%；Ⅳ類簇集中分布在北部平原、中部金衢盆地和東南沿海平原。該類簇城鎮(zhèn)用地比重也較大,是城鎮(zhèn)集聚區(qū),單位面積生態(tài)服務價值相對較小,區(qū)域總服務價值占全省的6.09%。

表2 水環(huán)境控制單元區(qū)域分布

圖4 浙江省生態(tài)服務功能空間分布特征Fig.4 The spatial distribution characteristics of ecological service function in Zhejiang ProvinceESV, 生態(tài)服務價值 Ecological service value

根據各生態(tài)服務簇的生態(tài)服務功能價值組成(圖5)可知,不同簇的主導生態(tài)服務功能存在一定的差異。Ⅰ類簇總生態(tài)服務價值較高,保持土壤、氣體調節(jié)、氣候調節(jié)、維持生物多樣性和原材料生產等生態(tài)服務功能價值明顯高于其它簇別,但食物生產服務功能相對較差。Ⅱ類簇在廢物處理、水文調節(jié)和提供美學景觀方面具有相近的生態(tài)服務功能價值,且明顯優(yōu)于其它類型的生態(tài)服務功能。Ⅲ類簇在保持土壤、氣體調節(jié)、氣候調節(jié)、食物生產、原材料生產等方面具有較高的生產服務功能價值,其中食物生產功能的生態(tài)服務價值最大。Ⅳ類簇的食物生產服務價值明顯高于簇內其它類型以及其他簇的食物生產功能,是該簇的主導生態(tài)服務功能。

圖5 四類簇生態(tài)服務功能單位面積價值組成結構Fig.5 The composition structure of ecosystem service function per unit area of 4 bundles

(2)水環(huán)境質量特征解析

流域水環(huán)境特征與生態(tài)服務功能存在較緊密的關聯(lián)。各類簇的水環(huán)境質量評估結果顯示,Ⅰ類簇中水質類別主要為Ⅰ—Ⅲ類水,其中Ⅱ類水和Ⅰ類水占比分別為66%和25%；Ⅱ類簇水質類別主要為Ⅱ、Ⅲ類水為主,其斷面占比分別為36%和45%,整體水質良好；Ⅲ類簇中以Ⅱ、Ⅲ類水為主,占比分別為30%和43%,但也有劣V類水存在。Ⅳ類簇水質類別為Ⅱ—劣Ⅴ類水,Ⅴ類水和劣Ⅴ類水的總占比達到了21%,水質整體較差。由四類簇內各斷面水質主要指標濃度分布(圖6)可知,生態(tài)服務價值越高的簇,水質越好,而生態(tài)服務價值水平相對較低,則水質相對較差。

圖6 四類簇主要水質指標特征Fig.6 The characteristics of main water quality indicators of 4bundles

2.3水生態(tài)環(huán)境分類管控

根據各控制單元的水質特征及生態(tài)服務特征,將全省510個控制單元按生態(tài)服務簇進行分類：

1)保護維持型：將生態(tài)服務功能高、水環(huán)境質量好的Ⅰ類生態(tài)服務簇內的控制單元按保護與維持進行管控,即以生態(tài)保護為核心,維持區(qū)域優(yōu)質水質,進一步提升生態(tài)服務功能。

2)功能維護型：將具有較高廢物處理、水文調節(jié)和提供美學景觀的Ⅱ類生態(tài)服務簇作為功能維護型進行管控。該類控制單元以維護和提升生態(tài)服務為目標,充分發(fā)揮該類型控制單元在處理廢物、調節(jié)水文和美化環(huán)境等方面的作用。

3)預防改善型：將生態(tài)服務功能中等、水質一般的Ⅲ類生態(tài)服務簇內的控制單元納入預防改善型。該類控制單元以維持水質總體穩(wěn)定的基礎上改善局部水質為目標,推進普適性污染預防及治理措施,強化污染預防。

4)整治提升型：將生態(tài)服務功能低、水質較差的Ⅳ類生態(tài)服務簇內的控制單元歸為整治提升型。該類控制單元以改善水質、防范環(huán)境風險為目標,重視空間布局優(yōu)化,強化污染整治,提升生態(tài)功能,按控制單元落實精細化管控。

3 結論

1)以水生態(tài)特征空間差異性為基礎,根據流域生態(tài)系統(tǒng)特征與水質響應關系,結合子流域匯水單元、行政管理單元以及水(環(huán)境)功能區(qū)劃,通過空間聚類和空間疊加分析劃分了10個水生態(tài)功能區(qū)、510個水環(huán)境控制單元。

2)根據各水環(huán)境控制單元生態(tài)服務價值,聚類得到4類生態(tài)系統(tǒng)服務簇,識別了各簇的主導生態(tài)服務功能和水質特征,提出了差異化管控要求。其中Ⅰ類簇內的控制單元按優(yōu)先保護原則進行管理,以維持優(yōu)質水質,并進一步提升生態(tài)服務功能；Ⅱ類簇的控制單元以主導生態(tài)服務功能提升與維持進行管控；Ⅲ類簇的控制單元以預防為主,局部治理,以提升區(qū)域水環(huán)境質量和生態(tài)功能；Ⅳ類簇內的控制單元要落實水質改善、環(huán)境風險防范的要求,加大水環(huán)境綜合整治力度。

3)構建基于流域水生態(tài)水環(huán)境特征的分區(qū)分類體系,實現流域水生態(tài)保護與水環(huán)境質量改善的有機融合,為流域水生態(tài)環(huán)境精細化管控提供技術支撐。