基于“坡面-河道”綜合系統(tǒng)的水功能區(qū)空間化研究

劉 淼，張 蕊，秦大庸

（1.中國(guó)水利水電科學(xué)研究院 流域水循環(huán)模擬與調(diào)控國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100038；2.山西省水資源研究所，山西 太原 030000）

1 研究背景

隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)快速發(fā)展和全球氣候變化的加劇，我國(guó)水問題日趨嚴(yán)峻，水資源矛盾突出反映在水環(huán)境污染、水生態(tài)退化、洪澇災(zāi)害及極端水事件頻發(fā)等方面。在此背景下，我國(guó)提出了“最嚴(yán)格水資源管理”思路以實(shí)現(xiàn)人水和諧的可持續(xù)發(fā)展?；谒δ軈^(qū)的水資源、水生態(tài)保護(hù)是最嚴(yán)格水資源管理制度的重要組成部分。

水功能區(qū)是指以區(qū)域或流域水資源及水環(huán)境本底條件為基礎(chǔ)，綜合考慮水資源開發(fā)利用現(xiàn)狀和區(qū)域社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展對(duì)水資源的需求狀況，在相應(yīng)水域內(nèi)劃定的具有特定功能的區(qū)域。1996年環(huán)保部門基于排污控制理念提出了地表水環(huán)境功能區(qū)的概念[1]，2001—2002年水利部進(jìn)一步提出了地表水功能區(qū)的劃分方法[2-3]，目前已完成了包括長(zhǎng)江及黃河在內(nèi)的大型流域級(jí)水功能區(qū)的劃分[4-5]。

隨著人類活動(dòng)對(duì)自然水循環(huán)系統(tǒng)影響程度的不斷加劇，流域/區(qū)域水循環(huán)及其伴生過程發(fā)生了顯著變化，成為了一系列水環(huán)境和水生態(tài)問題的共性根源。傳統(tǒng)的水功能區(qū)管理著眼于河流主干體系，以河流主干河段作為水功能區(qū)劃分、評(píng)價(jià)和管理的對(duì)象，通過控制河段內(nèi)取水量和入河排污量實(shí)現(xiàn)水功能區(qū)功能水質(zhì)管理[6-8]。其意義在于以流域水循環(huán)的河道過程及其基礎(chǔ)上的人類取、排水過程作為調(diào)控對(duì)象，通過優(yōu)化水循環(huán)各子過程的水質(zhì)水量結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)社會(huì)發(fā)展與生態(tài)保護(hù)的協(xié)調(diào)統(tǒng)一。但近年來，以水土保持工程和農(nóng)業(yè)活動(dòng)為代表的流域下墊面變化劇烈——特別是在北方半干旱地區(qū)——入河水量顯著減少，水循環(huán)坡面過程通量強(qiáng)度逐漸超越河道過程，成為制約河流廊道內(nèi)水量以及水質(zhì)時(shí)空分布的重要因素。在這種情況下，單純建立在骨干河流上水功能區(qū)體系由于對(duì)坡面及融入坡面系統(tǒng)的細(xì)小水系統(tǒng)連通性的刻畫不足，限制了其在水資源管理中的作用和應(yīng)用效率。因此分析水功能區(qū)劃與相關(guān)坡面系統(tǒng)的內(nèi)在聯(lián)系，對(duì)于明晰水資源保護(hù)與開發(fā)利用權(quán)責(zé)，實(shí)現(xiàn)最嚴(yán)格水資源管理具有重要的意義。本文以山西省為例，以基于河段定義的水功能區(qū)為基礎(chǔ)，以產(chǎn)匯流網(wǎng)絡(luò)為紐帶進(jìn)行水功能區(qū)的空間擴(kuò)展，描述“坡面-河道”一體化的水功能區(qū)劃，并對(duì)結(jié)果進(jìn)行相應(yīng)的分析。

2 研究區(qū)概況

山西省位于華北地區(qū)的西部，黃河的中游，黃土高原的東緣。全省面積15.63萬(wàn)km2。省內(nèi)地形復(fù)雜，可大致分為東部山區(qū)、西部高原區(qū)和中部盆地區(qū)三大部分。山西省的河流分屬黃河、海河兩大流域。其中黃河流域約占全省總面積的62%；海河流域約占全省總面積的38%。山西河流屬于自產(chǎn)外流型水系，河流水源來自大氣降水，絕大部分河流發(fā)源于境內(nèi)，向省外發(fā)散流出。大體上向西、向南流的屬黃河水系，匯入黃河干流中游河段。向東流的屬海河水系，是海河流域永定河、大清河、子牙河、漳河和衛(wèi)河等主要河流的發(fā)源地。山西河流大多發(fā)源于東西兩翼山區(qū)，具有山地型河流的特點(diǎn)，河長(zhǎng)都比較短，普遍具有源短流急，侵蝕切割嚴(yán)重的特點(diǎn)。

山西省是我國(guó)重要的能源重化工基地，但全省水資源情勢(shì)緊張，1980—2000年全省平均水資源量?jī)H109.3億m3。全省人均占有水資源量256m3，為全國(guó)平均值的12.4%，畝均占有水資源量154m3，為全國(guó)平均值的10%。水資源的連續(xù)偏枯帶來一系列生態(tài)環(huán)境問題，如地下水超采、巖溶大泉干涸、地面沉降、河道生態(tài)基本流量得不到滿足和水質(zhì)污染等。這些問題嚴(yán)重影響了山西社會(huì)經(jīng)濟(jì)的可持續(xù)發(fā)展，危及京津唐地區(qū)的能源安全和首都水資源安全。

3 研究方法

實(shí)現(xiàn)“坡面-河道一體化”的水功能區(qū)劃分，其重點(diǎn)在于建立以產(chǎn)匯流水文過程為紐帶的坡面-河道系統(tǒng)的耦合關(guān)系。山西省地貌類型多樣，平原山區(qū)交錯(cuò)，構(gòu)建正確的河流水系水文關(guān)系是實(shí)現(xiàn)其水功能區(qū)劃分的重點(diǎn)和難點(diǎn)。本文采取USGS和NASA聯(lián)合發(fā)布的STRM DEM作為基礎(chǔ)地形數(shù)據(jù)（空間分辨率90m），通過對(duì)DEM數(shù)據(jù)進(jìn)行前期處理，提取水文關(guān)系正確的河流水系，在此基礎(chǔ)上參照山西省水功能區(qū)劃成果，提取各個(gè)水功能區(qū)斷面對(duì)應(yīng)的集水區(qū)域。通過空間數(shù)據(jù)庫(kù)操作為各個(gè)集水區(qū)域賦予水功能區(qū)屬性并進(jìn)行相應(yīng)統(tǒng)計(jì)。

3.1 DEM的預(yù)處理由于柵格化DEM是對(duì)連續(xù)地貌特征的離散化表示，因此其對(duì)地形的刻畫存在一定的誤差，這種誤差可能會(huì)引起基于DEM水文計(jì)算提取的河流水系特征與實(shí)際情況不符，特別是在平原地區(qū)，這種誤差將被放大并嚴(yán)重影響水系提取的質(zhì)量。劉家宏等[9]研究表明，采取基于數(shù)字化河網(wǎng)水系圖修正DEM以強(qiáng)化平原地區(qū)流路的方法可以有效提高平原河網(wǎng)的提取精度。但在實(shí)際操作中，由于數(shù)字水系圖的成圖比例尺以及成圖過程中的制圖綜合處理，使之與較高精度的地形數(shù)據(jù)不能良好匹配，若干研究均表明，參考水系圖的比例尺及精度對(duì)水系提取結(jié)果具有影響[10-11]，因此完全依據(jù)數(shù)字水系圖修正DEM會(huì)造成人工誤差和信息損失，所得結(jié)果不能滿足水功能區(qū)空間化展布所需的精度要求。綜合以上情況，本文采用將原始DEM信息提取與人工修正相結(jié)合的多次迭代式的綜合水系提取方式，取得了較好的應(yīng)用效果。

首先對(duì)原始DEM進(jìn)行填洼處理，根據(jù)原始DEM信息進(jìn)行第一次河流水系提取并生成矢量化的河流水系圖；然后將得到的河流水系圖與作為先驗(yàn)知識(shí)的數(shù)字水系圖進(jìn)行對(duì)比，將河流走向相一致，匯流位置正確的水系予以保留，對(duì)走向差異較大的水系、匯流位置不正確的河段利用數(shù)字水系圖進(jìn)行替代，從而生成參考水系圖；之后利用參考水系圖對(duì)原始DEM進(jìn)行修正；此后通過不斷重復(fù)填洼-水系提取-對(duì)比修正的過程，直到得到滿意的結(jié)果。采取這種方法既保留了原始DEM上河流的細(xì)部特征，又保證了河流形態(tài)與匯流關(guān)系與實(shí)際情況相一致。

3.2 集水區(qū)域的提取參考山西省水功能區(qū)劃成果表，手工添加并修正各河段間分界斷面并生成相應(yīng)圖層，通過ARCGIS平臺(tái)的水文分析工具，對(duì)各個(gè)河段提取其集水面積，以此作為“坡面-河道一體化”水功能區(qū)的坡面部分。

3.3 分區(qū)結(jié)果統(tǒng)計(jì)通過ARCGIS的空間數(shù)據(jù)庫(kù)管理功能，構(gòu)建山西省水功能區(qū)空間數(shù)據(jù)庫(kù)，將水功能區(qū)屬性信息與空間數(shù)據(jù)相連接，明晰各水功能區(qū)的范圍及管理保護(hù)目標(biāo)，并對(duì)結(jié)果進(jìn)行相應(yīng)統(tǒng)計(jì)分析。

4 結(jié)果分析

圖1展示了山西省水功能區(qū)一級(jí)區(qū)劃圖及河道水功能區(qū)與水陸綜合功能區(qū)的銜接關(guān)系。其結(jié)果反映了對(duì)河段水質(zhì)過程產(chǎn)生側(cè)向影響的空間區(qū)域分布，是對(duì)河道水功能區(qū)段水質(zhì)條件產(chǎn)生影響的空間區(qū)域的集合。

由于山西省水功能區(qū)劃成果未涉及到黃河干流及西北部山區(qū)的部分河長(zhǎng)較短的外流河，因此，提取的水功能區(qū)總面積為13.69萬(wàn)km2，小于山西省總面積，其中保護(hù)區(qū)1.92萬(wàn)km2，保留區(qū)0.45萬(wàn)km2，開發(fā)利用區(qū)10.7萬(wàn)km2，緩沖區(qū)0.54km2，分別占總面積的14.4%、3.3%、78.4%和3.9%。

表1比較了基于河流干流的水功能區(qū)劃與基于坡面-河道系統(tǒng)的綜合區(qū)劃方法得到的各個(gè)一級(jí)類別所占比例情況。兩種方法所得結(jié)果中，一級(jí)區(qū)劃的占比結(jié)構(gòu)大致相同，這說明了基于坡面-河道系統(tǒng)的綜合區(qū)劃方法所得結(jié)果具有合理性。兩種方法得到的保留區(qū)及緩沖區(qū)占比沒有顯著差異；相對(duì)于以河段為對(duì)象的水功能區(qū)劃分結(jié)果，基于坡面-河道的綜合區(qū)劃中開發(fā)利用區(qū)占比略有增加，而保護(hù)區(qū)的占比略有減小，通過進(jìn)一步對(duì)比兩種方法獲得的水功能二級(jí)區(qū)劃結(jié)果，除工業(yè)用水區(qū)和景觀娛樂用水區(qū)外，其它4種類型的面積占比和長(zhǎng)度占比基本一致。由于劃分為工業(yè)用水區(qū)和景觀娛樂用水區(qū)的河流干流盡管長(zhǎng)度較短，但在該河段內(nèi)往往有多條支流匯入，形成較大的產(chǎn)流面積，其水質(zhì)管理除受到沿河污染物排泄影響外，也受到支流集水面積上的污染物下行運(yùn)移的影響。

圖1 山西省水功能一級(jí)區(qū)劃結(jié)果

表1 水功能區(qū)劃結(jié)果

表2給出了山西省各地級(jí)市水功能區(qū)二級(jí)區(qū)劃面積隸屬矩陣，由于水功能區(qū)多數(shù)具有多個(gè)兩級(jí)功能，本文選取其主要二級(jí)功能作為二級(jí)功能統(tǒng)計(jì)的依據(jù)。通過分析各地級(jí)市水功能區(qū)面積占比結(jié)構(gòu)可以發(fā)現(xiàn)：位于山西省東南部的晉中、長(zhǎng)治、侯馬和晉城4市農(nóng)業(yè)用水區(qū)占全市總面積均超過了50%，其區(qū)域水生態(tài)服務(wù)功能以保障農(nóng)業(yè)用水為主，忻州、呂梁、大同和太原4市工業(yè)用水區(qū)面積均較高，其水質(zhì)管理目標(biāo)趨向于保障工業(yè)用水；除臨汾外，山西省其余地級(jí)市景觀娛樂用水區(qū)面積均不超過4%，絕大多數(shù)地級(jí)市無(wú)景觀娛樂用水區(qū)；此外值得注意的是，作為汾河水系下游的運(yùn)城市，由于境內(nèi)多條河流作為排污河段，其排污控制區(qū)面積占比超過了50%。

表2 山西省水功能區(qū)-地級(jí)市面積隸屬矩陣

圖2 山西省水功能區(qū)

圖2結(jié)合了水功能區(qū)劃水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)和當(dāng)前河段水質(zhì)監(jiān)測(cè)情況，展示了坡面-河道水功能區(qū)劃的水質(zhì)目標(biāo)和水質(zhì)現(xiàn)狀的空間展布情況。由圖2可見，山西省水質(zhì)控制目標(biāo)的高值區(qū)主要分布在山西省西部和東南部山區(qū)，西部地區(qū)具有多處保留及保護(hù)區(qū)域，具有較高的水生態(tài)保護(hù)價(jià)值，東南部地區(qū)雖然作為以農(nóng)業(yè)用水為主的開發(fā)利用區(qū)，但其水質(zhì)本底條件較好，因此也給出了較高的保護(hù)目標(biāo)。從現(xiàn)狀水質(zhì)和水質(zhì)目標(biāo)，大同-汾河谷地盆地群仍然是今后水環(huán)境保護(hù)及水資源管理的重點(diǎn)地區(qū)。

5 結(jié)論

綜合以上分析，基于坡面-河流系統(tǒng)的空間化水功能區(qū)劃與原有水功能區(qū)劃具有良好的銜接性，體現(xiàn)了水資源管理中一維河流管理和二維區(qū)域管理的統(tǒng)一。結(jié)合山西省應(yīng)用實(shí)例分析，其分區(qū)結(jié)果具有其合理性和適用性?；谄旅?河流系統(tǒng)的空間化水功能區(qū)劃可以用以描述流域或者區(qū)域水循環(huán)及其伴生過程的特征，是系統(tǒng)性審視區(qū)域水生態(tài)保護(hù)與修復(fù)工作的重要基礎(chǔ)工具，對(duì)于加強(qiáng)區(qū)域水資源管理和保護(hù)具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。

基于空間化水功能區(qū)劃的水資源管理和保護(hù)模式研究以及基于坡面-河流系統(tǒng)的空間化水功能分區(qū)與區(qū)域水生態(tài)分區(qū)、水生態(tài)功能分區(qū)間的聯(lián)系和耦合關(guān)系分析研究將是今后研究開展的主要方向。

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