濟(jì)南城市水生態(tài)分區(qū)研究

楊增麗，朱中竹，于松延（.濟(jì)南市水文局，山東 濟(jì)南 5004；.北京師范大學(xué)水科學(xué)研究院,北京 00875）

濟(jì)南城市水生態(tài)分區(qū)研究

楊增麗1，朱中竹1，于松延2
（1.濟(jì)南市水文局，山東 濟(jì)南 250014；2.北京師范大學(xué)水科學(xué)研究院,北京 100875）

【摘要】在解析生態(tài)分區(qū)概念與國(guó)內(nèi)外研究進(jìn)展的基礎(chǔ)上，以濟(jì)南市為例，應(yīng)用ArcGIS對(duì)分區(qū)指標(biāo)進(jìn)行空間自相關(guān)分析，考慮城市行政區(qū)劃特點(diǎn)，遴選分區(qū)主要指標(biāo)，采用“自上而下”和“自下而上”相結(jié)合的方法，完成了濟(jì)南市水生態(tài)一、二和三級(jí)分區(qū)劃分。水生態(tài)一級(jí)分區(qū)主要由三大水系（黃河水系、小清河水系和徒駭馬頰河水系），外加城區(qū)組成。水生態(tài)二級(jí)分區(qū)主要參考濟(jì)南市2007年土地利用分布狀況完成，水生態(tài)三級(jí)分區(qū)是在二級(jí)分區(qū)的基礎(chǔ)上，通過(guò)對(duì)采樣點(diǎn)的水質(zhì)指標(biāo)進(jìn)行聚類(lèi)分析，合并采樣點(diǎn)控制的子流域而完成。

【關(guān)鍵詞】空間分區(qū)；水生態(tài)；濟(jì)南市

生態(tài)區(qū)是具有相似生態(tài)系統(tǒng)類(lèi)型和生態(tài)系統(tǒng)功能的地理區(qū)域，主要用于生態(tài)監(jiān)測(cè)站點(diǎn)選擇、數(shù)據(jù)收集和問(wèn)題診斷、制訂環(huán)境管理目標(biāo)、評(píng)估和預(yù)測(cè)各種管理措施生態(tài)環(huán)境效果，因此是生態(tài)系統(tǒng)管理的基礎(chǔ)。由于氣象、地質(zhì)與地勢(shì)條件的差異，使得水生態(tài)系統(tǒng)在不同空間區(qū)域的物種組成、優(yōu)勢(shì)種類(lèi)以及健康標(biāo)準(zhǔn)上都呈現(xiàn)出不同的性質(zhì)。

為了反映水生態(tài)系統(tǒng)的空間差異性，Omernik提出了水生態(tài)分區(qū)的概念和方法，采用了土地利用、土壤、自然植被和地形等4個(gè)區(qū)域特征指標(biāo)，將具有相對(duì)同質(zhì)的淡水生態(tài)系統(tǒng)或生物體及環(huán)境相互關(guān)系的土地單元?jiǎng)澐譃?個(gè)生態(tài)區(qū)。生態(tài)分區(qū)的目的在于明確區(qū)域內(nèi)不同生態(tài)系統(tǒng)類(lèi)型及其功能以及造成生態(tài)系統(tǒng)差異的驅(qū)動(dòng)因素，在生態(tài)系統(tǒng)評(píng)價(jià)基礎(chǔ)上，針對(duì)不同類(lèi)型的生態(tài)區(qū)給出不同生態(tài)恢復(fù)和保護(hù)目標(biāo)及措施。國(guó)內(nèi)外的生態(tài)分區(qū)研究最早都是從陸地生態(tài)系統(tǒng)分區(qū)開(kāi)始，逐漸轉(zhuǎn)向以水體保護(hù)為主要目標(biāo)的水生態(tài)（功能）分區(qū)。

1　生態(tài)分區(qū)國(guó)內(nèi)外研究進(jìn)展

20世紀(jì)末，歐洲國(guó)家統(tǒng)一開(kāi)展了水生態(tài)分區(qū)工作。2000年，歐盟委員會(huì)提出歐洲水框架指令（WFD），首次全面闡述了歐洲淡水生態(tài)系統(tǒng)的管理和保護(hù)概念，以及水生生物區(qū)系在水質(zhì)評(píng)價(jià)中的重要作用。WFD將地表水分成了河流、湖泊、過(guò)渡水區(qū)和沿海水域，據(jù)此可對(duì)水生態(tài)系統(tǒng)進(jìn)行分類(lèi)，并對(duì)不同類(lèi)型水域的管理選擇不同生態(tài)系統(tǒng)狀態(tài)參照基準(zhǔn)。

20世紀(jì)90年代，我國(guó)開(kāi)始關(guān)于生態(tài)分區(qū)、生態(tài)功能分區(qū)的研究。早期的研究主要關(guān)注陸地上各種自然因素如植被、動(dòng)物等的生態(tài)區(qū)劃。與水體有關(guān)的全國(guó)尺度上的生態(tài)分區(qū)開(kāi)始于20世紀(jì)中期，最初只是針對(duì)湖泊的分布特征、淡水魚(yú)類(lèi)的分布、內(nèi)陸漁業(yè)分布、水文等單一水體環(huán)境要素的分區(qū)或者通過(guò)分析流域內(nèi)陸的生態(tài)系統(tǒng)特征來(lái)分析生態(tài)環(huán)境需水量等，僅少量研究將陸地生態(tài)和水體要素結(jié)合起來(lái)進(jìn)行水生態(tài)分區(qū)。我國(guó)真正開(kāi)始系統(tǒng)地進(jìn)行生態(tài)區(qū)劃是國(guó)家環(huán)保部于2007年編制的全國(guó)生態(tài)功能區(qū)劃，在生態(tài)現(xiàn)狀調(diào)查、生態(tài)敏感性和生態(tài)服務(wù)功能評(píng)價(jià)基礎(chǔ)上確定不同區(qū)域生態(tài)功能，將全國(guó)劃分為3類(lèi)31個(gè)生態(tài)功能一級(jí)區(qū)，9類(lèi)67個(gè)生態(tài)功能二級(jí)區(qū)，以及216個(gè)生態(tài)功能三級(jí)區(qū)。然而，目前還未形成全國(guó)統(tǒng)一的水生態(tài)分區(qū)框架和技術(shù)。

2　水分區(qū)方法

就水生態(tài)而言，由于流域水生態(tài)系統(tǒng)特征由多種影響在不同尺度上的結(jié)合作用所決定，因此，需要對(duì)各種環(huán)境要素指標(biāo)的生態(tài)學(xué)意義、時(shí)空尺度進(jìn)行系統(tǒng)分析，識(shí)別在分區(qū)尺度上能夠顯著影響水生態(tài)系統(tǒng)的主導(dǎo)環(huán)境要素指標(biāo)，構(gòu)建分區(qū)指標(biāo)體系。本次分區(qū)候選指標(biāo)主要包括高程、土地利用、水生態(tài)因子、氣象要素（降水、蒸發(fā)）四類(lèi)數(shù)據(jù)?，F(xiàn)以濟(jì)南市為例進(jìn)行城市水生態(tài)分區(qū)的研究，為與管理實(shí)踐更好的結(jié)合，本次各級(jí)分區(qū)均參考行政邊界對(duì)水生態(tài)邊界進(jìn)行調(diào)整。具體而言，利用ArcGIS軟件的地統(tǒng)計(jì)功能，分析得到各指標(biāo)的地統(tǒng)計(jì)特征，由此研究各環(huán)境要素指標(biāo)的空間自相關(guān)距離，根據(jù)空間自相關(guān)距離的大小，判斷指標(biāo)的適宜分區(qū)尺度。然后建立環(huán)境要素與水生態(tài)因子的相關(guān)分析，指出環(huán)境因子與水生態(tài)關(guān)系密切的指標(biāo)作為河流周邊的主要環(huán)境要素。

3　分區(qū)指標(biāo)確定與分區(qū)結(jié)果

3.1分區(qū)指標(biāo)確定

利用ArcGIS軟件的地統(tǒng)計(jì)功能，分析得到各指標(biāo)的地統(tǒng)計(jì)特征，由此研究各環(huán)境要素指標(biāo)的空間自相關(guān)距離，根據(jù)空間自相關(guān)距離的大小，判斷指標(biāo)的適宜分區(qū)尺度。其中，由于土地利用各類(lèi)型之間存在一定相關(guān)性，計(jì)算得到的不同地類(lèi)的空間自相關(guān)距離有較大程度相似，本次研究只選擇了林地和未利用土地兩個(gè)地類(lèi)計(jì)算空間異質(zhì)性。各環(huán)境要素指標(biāo)的空間自相關(guān)距離為林地16km；未利用土地14km；年平均降水量434km；年平均蒸發(fā)量448km。其中年平均降水量和年平均蒸發(fā)量的空間自相關(guān)距離均在430 km以上，相對(duì)于濟(jì)南市行政面積，分區(qū)尺度過(guò)大，不適用于濟(jì)南水生態(tài)分區(qū)。高程的空間自相關(guān)距離為53km，是濟(jì)南市水生態(tài)分區(qū)大尺度分區(qū)的適宜指標(biāo)，而土地利用類(lèi)型的林地和未利用土地則適合中尺度分區(qū)。

以上分析表明，高程和土地利用是與濟(jì)南市水生態(tài)關(guān)系密切的兩類(lèi)指標(biāo)，因此兩者被選入濟(jì)南市水生態(tài)分區(qū)指標(biāo)體系。

3.2分區(qū)結(jié)果

濟(jì)南市水生態(tài)一級(jí)分區(qū)以濟(jì)南市現(xiàn)有的3大水系和城區(qū)區(qū)劃為基礎(chǔ)，依據(jù)濟(jì)南市高程指標(biāo)，完成對(duì)3大水系集水面積的識(shí)別和水生態(tài)一級(jí)區(qū)劃分。土地利用作為河流周邊的環(huán)境要素，對(duì)水生態(tài)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和功能具有重要作用。按照空間異質(zhì)性大小作為分區(qū)指標(biāo)的原則，本次水生態(tài)二級(jí)分區(qū)依據(jù)濟(jì)南市土地利用 （林地和未利用地）的分布格局，完成初步劃分后，再根據(jù)濟(jì)南市縣級(jí)區(qū)劃對(duì)初步劃分結(jié)果進(jìn)行調(diào)整，使其與基層河流管理邊界相結(jié)合，最終完成濟(jì)南市水生態(tài)二級(jí)區(qū)的劃分。

水生態(tài)三級(jí)分區(qū)作為本次分區(qū)的最小單元，為了保證其作為一個(gè)地理單元的完整性，采用“自下而上”的區(qū)劃方法確定，即在一、二級(jí)分區(qū)的基礎(chǔ)上，從更低級(jí)的子流域單元合并得到一個(gè)或多個(gè)三級(jí)分區(qū)。具體分區(qū)步驟：選擇一個(gè)二級(jí)水生態(tài)分區(qū)，采用GIS軟件提供的水文分析工具，以采樣點(diǎn)為子流域出口，劃分出子流域；采用系統(tǒng)聚類(lèi)法對(duì)采樣點(diǎn)的水質(zhì)數(shù)據(jù)進(jìn)行聚類(lèi)分析，所采用的水質(zhì)數(shù)據(jù)有電導(dǎo)率、溶解氧、總氮、氨氮、亞硝酸鹽氮、硝酸鹽氮、高錳酸鹽指數(shù)、生化需氧量和總磷。依據(jù)聚類(lèi)結(jié)果，同一類(lèi)且位于同一、二級(jí)分區(qū)內(nèi)的采樣點(diǎn)對(duì)應(yīng)的子流域合并作為該二級(jí)分區(qū)下的一個(gè)三級(jí)分區(qū)，繼續(xù)上述過(guò)程，直至得到所有三級(jí)分區(qū)結(jié)果。

4　結(jié)語(yǔ)

本文采用“自上而下”和“自下而上”相結(jié)合的方法，完成了濟(jì)南市水生態(tài)一、二和三級(jí)分區(qū)劃分。其中濟(jì)南市水生態(tài)一級(jí)分區(qū)為4個(gè)，水生態(tài)二級(jí)分區(qū)共劃為8個(gè)，三級(jí)分區(qū)共劃為15個(gè)。水生態(tài)一級(jí)分區(qū)主要由濟(jì)南市三大水系，即黃河水系、小清河水系和徒駭馬頰河水系，外加城區(qū)組成。水生態(tài)二級(jí)分區(qū)則主要參考濟(jì)南市2007年土地利用分布狀況完成，其中徒駭馬頰河區(qū)的土地利用主要由鹽堿地類(lèi)的未利用土地組成，黃河區(qū)和小清河區(qū)的土地利用主要是林地和草地，其余二級(jí)分區(qū)則是耕地以及鄉(xiāng)鎮(zhèn)居民用地。水生態(tài)三級(jí)分區(qū)是在二級(jí)分區(qū)的基礎(chǔ)上，采用“自下而上”的分區(qū)技術(shù)，通過(guò)對(duì)采樣點(diǎn)的水質(zhì)指標(biāo)進(jìn)行聚類(lèi)分析，以此為依據(jù)進(jìn)而合并采樣點(diǎn)控制的子流域而完成的。

（責(zé)任編輯趙其芬）

【中圖分類(lèi)號(hào)】X321

【文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼】B

【文章編號(hào)】1009-6159（2015）-06-0057-02

收稿日期：2015-03-19

作者簡(jiǎn)介：楊增麗（1962—），女，工程師