江蘇省流域水生態(tài)功能分區(qū)

王海花，葉亞平，晁麗君，鄭文菁

(1.河海大學(xué)水文水資源學(xué)院，南京 210098;2.河海大學(xué)文天學(xué)院，安徽 馬鞍山 243031;3.中國(guó)建筑西南勘察設(shè)計(jì)研究院有限公司，成都 610000)

美國(guó)環(huán)保署(united stated environmental protection agency，USEPA)于20世紀(jì)70年代提出了水生態(tài)區(qū)劃的概念［1］，即在對(duì)水生態(tài)系統(tǒng)客觀認(rèn)識(shí)和充分研究的基礎(chǔ)上，應(yīng)用生態(tài)學(xué)的原理和方法，揭示水生態(tài)區(qū)域的相似性和差異性以及人類活動(dòng)對(duì)水生態(tài)系統(tǒng)干擾的規(guī)律，采用一些區(qū)域性特征指標(biāo)對(duì)區(qū)域進(jìn)行整合和分區(qū)，將空間劃分為不同生態(tài)區(qū)的研究過(guò)程。自20世紀(jì)80年代以來(lái)，以水生態(tài)功能分區(qū)的概念為基礎(chǔ)，美國(guó)提出根據(jù)不同尺度的地貌、氣候、土壤和土地利用等要素，建立水生態(tài)功能分區(qū)指標(biāo)體系，劃分水生態(tài)功能區(qū)，便于各州開展水環(huán)境管理。1987年，美國(guó)環(huán)保署(USEPA)首次提出了水生態(tài)功能劃分方案。該方案基于地形、土壤、氣候、植被、水質(zhì)以及人類活動(dòng)等生態(tài)系統(tǒng)的影響因子，以地形、土壤和自然植被、土地利用這4個(gè)特征指標(biāo)建立指標(biāo)體系進(jìn)行水生態(tài)功能分區(qū)。該方案根據(jù)各影響因子的權(quán)重和專家判斷，劃分了4級(jí)水生態(tài)功能區(qū)，主要用來(lái)作為發(fā)展水質(zhì)生物基準(zhǔn)、確定水質(zhì)管理目標(biāo)及評(píng)價(jià)各州水質(zhì)等的依據(jù)。1998年6月，美國(guó)環(huán)保署(USEPA)開始設(shè)置根據(jù)區(qū)域標(biāo)準(zhǔn)發(fā)展的國(guó)家戰(zhàn)略，對(duì)不同的水體，依據(jù)生態(tài)功能開發(fā)有針對(duì)性的監(jiān)測(cè)技術(shù)指導(dǎo)手冊(cè)。

近年來(lái)，隨著經(jīng)濟(jì)的迅猛發(fā)展和人口的不斷增長(zhǎng)，江蘇省各流域生態(tài)系統(tǒng)遭到了嚴(yán)重破壞。大量污染物排入水體，引起了水質(zhì)惡化、富營(yíng)養(yǎng)化、藻類暴發(fā)、水生態(tài)系統(tǒng)退化、重金屬和有機(jī)毒物累積等現(xiàn)象。水污染和水生態(tài)環(huán)境的破壞將是江蘇省社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展中一個(gè)長(zhǎng)期存在的問題，這無(wú)疑會(huì)進(jìn)一步加劇區(qū)域水資源的緊張［2］，江蘇省水環(huán)境治理和水資源管理已迫在眉睫。

江蘇省具有江河湖海等多種水體，水系復(fù)雜，河網(wǎng)密布。由于各類水體面臨的生態(tài)環(huán)境問題不同，水環(huán)境治理和水生態(tài)系統(tǒng)的保護(hù)措施也有很大差異。本文在認(rèn)識(shí)江蘇省生態(tài)環(huán)境特征的基礎(chǔ)上，總結(jié)國(guó)外水生態(tài)功能分區(qū)經(jīng)驗(yàn)，在分區(qū)原則的指導(dǎo)下，結(jié)合了多種分區(qū)方法，對(duì)江蘇省各流域進(jìn)行了水生態(tài)功能的等級(jí)劃分。這將為江蘇省水環(huán)境治理和水資源管理提供科學(xué)依據(jù)，為重構(gòu)良性水生態(tài)系統(tǒng)、增強(qiáng)水生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能、保障流域生態(tài)安全和區(qū)域可持續(xù)發(fā)展奠定基礎(chǔ)［3］。

1 江蘇省流域概況

江蘇省位于中國(guó)東部沿海，地處長(zhǎng)江流域、淮河流域下游。全省總面積10.26萬(wàn)km2，其中水面積1.66萬(wàn)km2，占全省總面積的16%。江蘇省地形以平原為主，全省耕地面積6653萬(wàn)畝，2011年常住人口為78659903人，是我國(guó)人口最密集的地區(qū)，人均國(guó)土面積在全國(guó)各省區(qū)中最少［4－5］(圖1)。江蘇絕大部分地區(qū)海拔在50 m以下，低山丘陵集中在西南部，主要有老山山脈、云臺(tái)山脈、寧鎮(zhèn)山脈、茅山山脈、宜溧山脈，占江蘇省總面積的14.3%。

江蘇省處于暖溫帶和亞熱帶的氣候過(guò)渡地帶，屬于東亞季風(fēng)氣候區(qū)。一般以蘇北灌溉總渠為分界線，將全省分為南部的亞熱帶濕潤(rùn)季風(fēng)氣候區(qū)和北部的暖溫帶濕潤(rùn)、半濕潤(rùn)季風(fēng)氣候區(qū)。江蘇省降雨豐沛，全省多年平均降水量為983 mm，其中長(zhǎng)江流域1055 mm，淮河流域940 mm。江蘇省連接?xùn)|海，海洋對(duì)其氣候有顯著影響。

江蘇省分屬長(zhǎng)江流域和淮河流域，共有長(zhǎng)江、太湖、淮河、近岸海域4個(gè)主要流域水體［6］。長(zhǎng)江在江蘇省內(nèi)河段長(zhǎng)為425 km，橫貫東西，京杭大運(yùn)河縱貫?zāi)媳?18 km。通揚(yáng)運(yùn)河及儀六丘陵山區(qū)以南屬長(zhǎng)江水系，總面積3.73萬(wàn)km2，其中長(zhǎng)江南岸沿江高地以南、茅山山脈以東、宜溧山地以北為太湖水系，面積1.92萬(wàn)km2。通揚(yáng)運(yùn)河及儀六丘陵山區(qū)以北，屬淮河下游水系，面積6.53萬(wàn)km2。淮河流域水系比較復(fù)雜，通榆河等19條重點(diǎn)河流縱橫交錯(cuò)，境內(nèi)的洪澤湖、高郵湖、駱馬湖分列江蘇第2、第3、第4大湖泊，京杭大運(yùn)河是南水北調(diào)東線的輸水干線。江蘇沿海地區(qū)主要位于蘇中、蘇北地區(qū)，南至長(zhǎng)江北堤，北至蘇魯邊界，西與徐州、淮陰、揚(yáng)州、泰州4市相鄰，東臨黃海。江蘇省海岸線總長(zhǎng)954 km，海岸陸地總面積3.25萬(wàn)km2，淺海灘涂總面積1031萬(wàn)畝。

圖1 江蘇省概貌

2 數(shù)據(jù)來(lái)源及處理

根據(jù)1∶250000江蘇省流域水系、行政界線等基礎(chǔ)地理信息數(shù)據(jù)，收集江蘇省流域 DEM(1∶50000)、地形地貌、植被類型、土地利用和土壤類型等圖形數(shù)據(jù)，以及江蘇省年平均降雨、氣溫變化等數(shù)據(jù)，建立江蘇省流域地理信息數(shù)據(jù)庫(kù)?；A(chǔ)資料還包括社會(huì)、經(jīng)濟(jì)統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)等。對(duì)影響流域水生態(tài)空間分異的主要自然因子與水環(huán)境指標(biāo)、生物指標(biāo)等進(jìn)行CCA(canonical correspondence analysis)分析，利用Arcgis軟件對(duì)DEM進(jìn)行填洼、流向、匯流累計(jì)計(jì)算、流域提取等處理。土壤類型和土地利用采用6大類25亞類的分類方法來(lái)處理。通過(guò)分析以上的圖形數(shù)據(jù)得到水生態(tài)分區(qū)的結(jié)果。

3 分區(qū)原則、指標(biāo)體系及方法體系

3.1 分區(qū)原則

以流域水質(zhì)改善和水生態(tài)環(huán)境保護(hù)目標(biāo)為導(dǎo)向，水生態(tài)功能分區(qū)以生態(tài)優(yōu)先和堅(jiān)持流域自然屬性為重點(diǎn)，強(qiáng)調(diào)協(xié)調(diào)性思想和重點(diǎn)分明的思路，其合理與否直接關(guān)系到分區(qū)結(jié)果的正確性與可信度。在江蘇省水生態(tài)功能分區(qū)過(guò)程中，主要遵循的原則有近中遠(yuǎn)期相結(jié)合時(shí)間尺度原則，水域兼有多種功能時(shí)按高功能保護(hù)原則，區(qū)內(nèi)相似性原則、區(qū)間差異性原則、等級(jí)性原則、綜合性與主導(dǎo)性原則、實(shí)用可行、便于管理原則，可持續(xù)發(fā)展原則等［6－7］。

3.2 分區(qū)指標(biāo)體系

3.2.1 一級(jí)分區(qū)指標(biāo)體系

以集水面水文條件為主要依據(jù)，一級(jí)分區(qū)采用流域分區(qū)，保持流域生態(tài)系統(tǒng)的水文特征完整性，又使指標(biāo)體系保持明確而清晰。采用流域作為一級(jí)分區(qū)指標(biāo)，可同時(shí)保持地貌單元和行政邊界的完整性。江蘇省各流域特征明顯，宜按照四大流域劃分。

3.2.2 二級(jí)分區(qū)指標(biāo)體系

如一級(jí)分區(qū)所示，江蘇省整體可分為四大流域;而指標(biāo)體系是流域水生態(tài)功能分區(qū)的理論依據(jù)與操作基礎(chǔ)，在建立二級(jí)分區(qū)指標(biāo)體系時(shí)，應(yīng)盡可能地體現(xiàn)本分區(qū)的特色以及科學(xué)性、合理性［20］。其中:降水和氣溫可反映流域陸地生態(tài)系統(tǒng)的水熱分布;地形地貌可反映地表形態(tài)特征;植被因素直接影響水土保持能力和生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能;土壤類型反映地表持水能力;社會(huì)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展對(duì)生態(tài)環(huán)境的平衡與穩(wěn)定有直接影響，同時(shí)生態(tài)環(huán)境狀況對(duì)經(jīng)濟(jì)的制約或促進(jìn)也是區(qū)域發(fā)展必須考慮的客觀因素［21］。因此，根據(jù)主要水生態(tài)系統(tǒng)特征，選用降雨量、氣溫等氣象因素，以及地貌、植被、土壤和土地利用等自然因素，并結(jié)合經(jīng)濟(jì)因素，在江蘇省一級(jí)水生態(tài)區(qū)內(nèi)劃分二級(jí)水生態(tài)亞區(qū)。表1為4個(gè)一級(jí)分區(qū)劃分生態(tài)亞區(qū)采用的指標(biāo)體系。

3.3 分區(qū)方法體系

3.3.1 定量與定性的方法

定量分析多采用統(tǒng)計(jì)學(xué)的相關(guān)原理，且其分區(qū)指標(biāo)一般不宜過(guò)多。定量方法與定性方法，如地圖疊置法、地理相關(guān)法、主導(dǎo)標(biāo)志法等，各有其優(yōu)缺點(diǎn)，采用的分析方法有聚類分析法、回歸樹分析法、人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)法等。由于關(guān)于江蘇省水生態(tài)系統(tǒng)的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)相對(duì)缺乏，無(wú)法滿足定量分析法對(duì)數(shù)據(jù)量的要求。而江蘇省針對(duì)流域水體水生態(tài)系統(tǒng)的研究相對(duì)較淺，使得定性分析法無(wú)法對(duì)水生態(tài)功能分區(qū)的作用機(jī)理進(jìn)行完全正確的分析。因此，在選擇江蘇省水生態(tài)功能分區(qū)的方法時(shí)，應(yīng)將定量分析與定性分析有機(jī)地結(jié)合起來(lái)，使其優(yōu)缺點(diǎn)得以互補(bǔ)［22］。

表1 二級(jí)水生態(tài)亞區(qū)分區(qū)指標(biāo)體系

3.3.2 “自上而下”與“自下而上”相結(jié)合的方法

“自上而下”與“自下而上”方法相結(jié)合是對(duì)水生態(tài)功能進(jìn)行綜合分析與評(píng)判的最基本方法。與“自下而上”區(qū)劃方法相比，“自上而下”區(qū)劃方法重在對(duì)宏觀格局的把握，使分區(qū)結(jié)果具有直觀的生態(tài)或物理學(xué)意義，因此可以保證區(qū)劃結(jié)果相對(duì)一致性;“自下而上”區(qū)劃方法則是為了保證區(qū)域共軛型原則而設(shè)計(jì)，在保證最低級(jí)區(qū)劃單元完整性的基礎(chǔ)上，通過(guò)合并同類、相似單元得到高級(jí)單元，是對(duì)“自上而下”的重要補(bǔ)充。

1)自上而下?？紤]到不同級(jí)別分區(qū)尺度的差異和指標(biāo)的作用范圍，流域內(nèi)的一級(jí)分區(qū)可以采用“自上而下”的區(qū)劃方法，根據(jù)大尺度分區(qū)指標(biāo)如地貌、氣候水文特征或生物的氣候分帶特征劃分，在較大尺度上確定大類水生態(tài)系統(tǒng)范圍;這樣得到的一級(jí)分區(qū)結(jié)果也更為直觀，對(duì)整個(gè)流域的宏觀格局把握也較為容易。在大中型尺度的分區(qū)中，應(yīng)采用自上而下的、以定性分析為主的地圖疊置法。

2)自下而上。二級(jí)分區(qū)采用“自下而上”區(qū)劃方法，在一級(jí)分區(qū)基礎(chǔ)上、從更低級(jí)的區(qū)劃單元合并得到一個(gè)或多個(gè)二級(jí)分區(qū)，以保證各分區(qū)邊界的合理性和低級(jí)區(qū)劃單元完整性。首先，在各一級(jí)流域分區(qū)內(nèi)劃分出子流域，比較相鄰子流域間的分區(qū)指標(biāo)差異的統(tǒng)計(jì)顯著性。若某子流域與所有相鄰子流域均存在顯著差異，則將此子流域劃為一個(gè)分區(qū)，否則將差異不顯著的相鄰子流域合并，繼續(xù)上述過(guò)程，直至得到所有下一級(jí)分區(qū)。如果分區(qū)指標(biāo)為單一的綜合指標(biāo)，則該過(guò)程簡(jiǎn)便有效，而且由于采用了統(tǒng)計(jì)顯著性檢驗(yàn)，分區(qū)結(jié)果具有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義。

在江蘇省水生態(tài)功能分區(qū)過(guò)程中，一級(jí)分區(qū)主要采用系統(tǒng)分析法，在四大流域基礎(chǔ)上根據(jù)其水文特征劃分一級(jí)生態(tài)區(qū);二級(jí)分區(qū)過(guò)程中，采用地理信息系統(tǒng)對(duì)相關(guān)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，結(jié)合空間疊置法、主導(dǎo)標(biāo)志法，劃定二級(jí)分區(qū)的邊界。在一級(jí)分區(qū)和二級(jí)分區(qū)過(guò)程中，“自上而下”法與“自下而上”法貫穿始終，反復(fù)驗(yàn)證，直到分區(qū)邊界最合理。

4 分區(qū)結(jié)果

4.1 一級(jí)分區(qū)結(jié)果

一級(jí)分區(qū)以集水面水文條件為依據(jù)，采用流域分區(qū)。江蘇省水生態(tài)功能一級(jí)分區(qū)有長(zhǎng)江流域生態(tài)區(qū)、淮河流域生態(tài)區(qū)、太湖流域生態(tài)區(qū)、近岸海域生態(tài)區(qū)。圖2為江蘇省一級(jí)水生態(tài)區(qū)分區(qū)，表2為一級(jí)水生態(tài)區(qū)各分區(qū)特征。

圖2 江蘇省一級(jí)水生態(tài)功能分區(qū)

表2 一級(jí)水生態(tài)區(qū)各分區(qū)特征

4.2 二級(jí)分區(qū)結(jié)果

在一級(jí)分區(qū)的基礎(chǔ)上，根據(jù)二級(jí)分區(qū)指標(biāo)，在江蘇省4個(gè)一級(jí)生態(tài)區(qū)內(nèi)劃分二級(jí)水生態(tài)亞區(qū)，結(jié)果如下:

1)長(zhǎng)江流域水生態(tài)區(qū)，本水生態(tài)區(qū)分為2個(gè)亞區(qū):

①I－1寧鎮(zhèn)揚(yáng)丘陵平原水生態(tài)亞區(qū)

該水生態(tài)亞區(qū)面積為0.77萬(wàn)km2，占所在水生態(tài)區(qū)總面積的43.3%，包含南京市、句容市、儀征市。北部以低山丘陵崗地地貌為主，南部以河谷與沖溝平原和低山丘陵地貌為主，沿江地區(qū)則以新三角洲與江心洲平原地貌為主。該亞區(qū)水資源豐富，提供了充足的飲用水源;植被豐富，生物多樣，對(duì)水土保持、洪水調(diào)蓄具有極大作用。

②I－2長(zhǎng)江三角洲平原水生態(tài)亞區(qū)

該水生態(tài)亞區(qū)包含揚(yáng)州市區(qū)、江都市、鎮(zhèn)江市區(qū)、揚(yáng)州市、泰興市、靖江市、南通市區(qū)、啟東市、海門市、如東縣，面積為1.01萬(wàn)km2，占所處水生態(tài)區(qū)總面積的56.7%。該亞區(qū)以長(zhǎng)江三角洲平原地貌為主。該亞區(qū)處于長(zhǎng)江下游，靠近入?？?，水資源量豐富，但受洪水影響較大。

2)淮河流域水生態(tài)區(qū)，本水生態(tài)區(qū)共分為4個(gè)亞區(qū):

①Ⅱ－1徐宿淮丘陵平原水生態(tài)亞區(qū)

該亞區(qū)位于淮河流域水生態(tài)區(qū)的西北部，地勢(shì)高，面積為2.67萬(wàn)km2，占所在水生態(tài)區(qū)總面積的40.9%。徐州市區(qū)與贛榆縣坡度較高，其余地區(qū)較為平坦。地貌類型以河流泛濫平原為主，土壤類型以潮土為主。徐州市區(qū)作為中心區(qū)域以工業(yè)生產(chǎn)為主，其余以農(nóng)業(yè)為主。該亞區(qū)大部分為農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)，對(duì)水土保持、洪水調(diào)蓄作用不顯著。

②Ⅱ－2淮連黃泛平原水生態(tài)亞區(qū)

該亞區(qū)面積為0.78萬(wàn)km2，占所在水生態(tài)區(qū)總面積的11.9%。位于淮河流域水生態(tài)區(qū)中部，地貌類型以決口扇形平原為主。該亞區(qū)土地利用以農(nóng)業(yè)為主，地區(qū)生產(chǎn)總值較低，對(duì)水土保持、洪水調(diào)蓄作用不顯著，污水處理率較低。

③Ⅱ－3里下河淺洼平原水生態(tài)亞區(qū)

該亞區(qū)面積為1.62萬(wàn)km2，占所在水生態(tài)區(qū)總面積的24.8%。南水北調(diào)東線輸水通道經(jīng)過(guò)該亞區(qū)。有3處湖泊:白馬湖、高郵湖和邵伯湖，以及運(yùn)西濕地和金湖縣濕地。濕地生態(tài)系統(tǒng)起到了極好的調(diào)節(jié)氣候、涵養(yǎng)水源、調(diào)蓄洪水的作用，但整體污水處理率仍較低。

④Ⅱ－4蘇北濱海平原水生態(tài)亞區(qū)

該亞區(qū)面積為1.46萬(wàn)km2，占所在水生態(tài)區(qū)總面積的22.4%。地貌類型屬于海積平原，土壤類型以鹽潮土和灰潮土為主。該亞區(qū)多為農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)，生產(chǎn)產(chǎn)值低，生態(tài)作用小。

3)太湖流域水生態(tài)區(qū)，分為2個(gè)水生態(tài)亞區(qū)，具有不同的水生態(tài)系統(tǒng)特征、自然資源和社會(huì)發(fā)展?fàn)顩r:

①III－1太湖流域西部丘陵河流水生態(tài)亞區(qū)

該亞區(qū)總面積為0.46萬(wàn)km2，占江蘇省內(nèi)太湖流域總面積的23.6%。該亞區(qū)人口密度相對(duì)較小，經(jīng)濟(jì)水平相對(duì)滯后，工農(nóng)業(yè)相對(duì)發(fā)展較慢，對(duì)水生態(tài)影響相對(duì)較小。

②III－2太湖流域東部平原河流水生態(tài)亞區(qū)

該亞區(qū)總面積為1.49萬(wàn)km2，占江蘇省內(nèi)太湖流域總面積的76.4%。該區(qū)人口密度大，經(jīng)濟(jì)水平高，工農(nóng)業(yè)發(fā)達(dá)，對(duì)水生態(tài)系統(tǒng)影響大。其中太湖作為中國(guó)第二大淡水湖泊生態(tài)系統(tǒng)，具有調(diào)蓄洪水、涵養(yǎng)水源、削減面源污染等生態(tài)功能。

4)近岸海域水生態(tài)區(qū)，生態(tài)系統(tǒng)種類少，該區(qū)含自然保護(hù)區(qū)8個(gè)，其中國(guó)家級(jí)自然保護(hù)區(qū)3個(gè)，國(guó)家級(jí)海洋特別保護(hù)區(qū)2個(gè)，緊靠沿海產(chǎn)業(yè)帶。

①Ⅳ－1近岸海域一類水質(zhì)水生態(tài)亞區(qū)

該亞區(qū)面積0.39萬(wàn)km2，占近岸海域水生態(tài)區(qū)總面積的19.4%。該亞區(qū)清潔度較高，輕度污染海域面積僅為0.05萬(wàn)km2，占該亞區(qū)總面積的12.8%，其余海域均為清潔或較清潔。

②Ⅳ－2近岸海域二類水質(zhì)水生態(tài)亞區(qū)

該亞區(qū)面積1.62萬(wàn)km2，占近岸海域水生態(tài)區(qū)總面積的80.6%。該亞區(qū)緊靠沿海產(chǎn)業(yè)帶，水生態(tài)系統(tǒng)受到沿海排污影響較大。沿海岸線分布有眾多自然保護(hù)區(qū)，生物多樣性保護(hù)良好，經(jīng)濟(jì)功能與環(huán)境保護(hù)功能并重。二級(jí)水生態(tài)功能分區(qū)結(jié)果如圖3所示。

圖3 江蘇省二級(jí)水生態(tài)功能分區(qū)

5 結(jié)束語(yǔ)

雖然國(guó)內(nèi)外已有很多水生態(tài)功能分區(qū)的經(jīng)驗(yàn)，但對(duì)中國(guó)而言，水生態(tài)功能分區(qū)是一項(xiàng)全新的課題。中國(guó)對(duì)水生態(tài)功能分區(qū)的研究時(shí)日尚淺，不同的學(xué)者和學(xué)科對(duì)水生態(tài)功能分區(qū)這一概念有很多不同的理解和解釋。如何科學(xué)、合理地對(duì)流域進(jìn)行水生態(tài)功能分區(qū)，如何尋求關(guān)鍵性的具有通適性的指標(biāo)體系以及如何有效地對(duì)分區(qū)結(jié)果加以驗(yàn)證尚需深入探討。

同時(shí)，要將水生態(tài)功能分區(qū)科學(xué)、合理地用于水污染控制、水生態(tài)修復(fù)和水資源管理，除了方法、體系等的研究需要進(jìn)一步深入，其在水環(huán)境管理中的具體應(yīng)用也需要加以研究探討。

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