小尺度水域保護劃界方法研究
——以臺州市新橋鎮(zhèn)為例

林　松,金建峰,張其成,龍珂良,王衛(wèi)平,許　偉

(1.河海大學(xué)水文水資源學(xué)院, 江蘇 南京　210098; 2.杭州市閑林水庫管理處，浙江 杭州　311122)

小尺度水域保護劃界方法研究

——以臺州市新橋鎮(zhèn)為例

林松1,金建峰2,張其成1,龍珂良1,王衛(wèi)平1,許偉1

(1.河海大學(xué)水文水資源學(xué)院, 江蘇 南京210098; 2.杭州市閑林水庫管理處，浙江 杭州311122)

摘要：基于水域保護工作的現(xiàn)實需求和現(xiàn)行定性劃界的局限性,以水域研究單元尺度范圍較小的新橋鎮(zhèn)為例,在對水域進行分類識別、區(qū)域功能定位、水面率需求分析和土地利用分析的基礎(chǔ)上,建立相應(yīng)影響因子集并確定其賦值與權(quán)重,借助GIS疊加分析技術(shù)得到水域保護邊界?；谙到y(tǒng)定量分析的方法,引入因子評價和GIS疊加分析技術(shù),可使劃界成果更為客觀地滿足區(qū)域內(nèi)各水域保護需求,針對性強、覆蓋范圍全,具有較強可操作性、落地性,避免水域保護范圍劃定過程中單一標準造成的可實施性不高的缺陷,為中、大尺度研究提供支撐。

關(guān)鍵詞：小尺度;水域保護;劃界;影響因子評價;GIS

水域在提升區(qū)域空間環(huán)境、改善區(qū)域景觀質(zhì)量、調(diào)節(jié)區(qū)域氣候條件、維系區(qū)域正常水循環(huán)等方面都至關(guān)重要[1],然而隨著社會經(jīng)濟發(fā)展和城鎮(zhèn)化進程的加速,水域從“質(zhì)”到“量”上都受到了巨大威脅,采用合理的方法對水域加以管控尤為重要[2]。我國目前實施的水域保護規(guī)劃,一般針對以市或縣級的行政區(qū)域為單元,按照現(xiàn)狀區(qū)域自然地理條件、河道規(guī)模與功能等差異,提出原則性的保護范圍與保護方法。水域保護劃界則是水域保護工作開展的基礎(chǔ)和重要保障,其基于具體水域保護需求,明確水域保護陸域界線范圍,有助于開展相應(yīng)保護管理,減少外圍干擾,增加生態(tài)系統(tǒng)穩(wěn)定性,確保水域各功能的正常發(fā)揮。

由于缺乏規(guī)劃編制實施細則予以引導(dǎo)規(guī)范[3],致使保護范圍劃定時不同規(guī)劃層級、相關(guān)規(guī)劃銜接、劃定標準等缺乏協(xié)調(diào),劃定的范圍具有較大的主觀性[4];同時,由于保護范圍內(nèi)在現(xiàn)狀地物條件、用地權(quán)屬、保護強制性要求等方面存在著一系列的不足,水域保護范圍劃定后的管理、各種行為的控制都較難落實。操作、落實的局限性致使部分經(jīng)濟發(fā)達地區(qū)實際水域保護范圍小于劃定范圍,水面率持續(xù)減小問題不能得到有效的解決。

河湖濱岸緩沖帶具有生態(tài)環(huán)境、社會經(jīng)濟和美學(xué)等功能[5-7],緩沖帶功能的發(fā)揮又與其寬度有著密切的關(guān)系。緩沖帶適宜寬度設(shè)定受區(qū)域地理位置、土壤特性、坡度等因素影響[8],研究表明濱岸緩沖帶的寬度宜在5～50 m之間[9]。本文理論水域保護寬度劃定時借鑒緩沖帶適宜寬度相關(guān)理論基礎(chǔ),同時結(jié)合新橋鎮(zhèn)各水域具體實地情況、功能效用和規(guī)劃需求等定性因素最終確定。

GIS的空間分析技術(shù)極大提升了工作效率與精度,廣泛應(yīng)用于空間敏感性分析、影響評價、景觀生態(tài)學(xué)、空間選址等研究。GIS輔助的水域保護劃界,將更多的影響因素集成于一體,減小人為主觀性決策產(chǎn)生的誤差。

小尺度水域劃界具有研究單元范圍小、便于落實的優(yōu)勢,劃界成果更具有代表性、針對性和全面性,能滿足研究區(qū)內(nèi)各水域保護要求。劃界的可操作性和落地性強,能更好達到水域保護的目的,為中、大尺度研究提供支撐。

1水域保護劃界方法

對研究區(qū)各水域進行分級、分類,結(jié)合各具體水域受人類活動的影響,在其自身生態(tài)環(huán)境特征、功能特征判讀的基礎(chǔ)上制定相應(yīng)的水域理論保護范圍。依據(jù)區(qū)域功能定位、水面率需求分析和土地利用分析,建立相應(yīng)因子評價集并確定其賦值與權(quán)重,借助GIS疊加分析技術(shù)得到水域保護初步范圍。在此基礎(chǔ)上,進一步與研究區(qū)具體情況相銜接,對水域保護邊界進行局部調(diào)整,得到最終水域保護劃界范圍,具體流程見圖1。

圖1　水域保護劃界流程

1.1水域分類識別

水域理論保護范圍寬度,既GIS緩沖區(qū)寬度的設(shè)置需結(jié)合具體水域的重要性等級、水域類型以及其水域自身生態(tài)環(huán)境、功能特征。

水域按重要性等級分為重要水域和一般水域[10],如表1所示。在此基礎(chǔ)上將水域進一步細分為有堤防河道、平原地區(qū)無堤防河道、山丘區(qū)無堤防河道、大中型水庫、小型水庫、山塘、湖泊、池塘、挖方渠道等類型。不同等級、類型的水域有著不同保護需求,以此作為劃定理論保護范圍的主要依據(jù)。

表1　水域重要性等級劃分

水域保護范圍劃定的最主要目的是為減少人類活動對水域空間的干擾,保障水域生態(tài)系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可持續(xù)性。因此,各水域理論保護范圍界定時,也需考慮水域自身生態(tài)環(huán)境、功能特征。水域自身的生態(tài)環(huán)境特征可借助水質(zhì)進行指示,水質(zhì)較好的水域,水生態(tài)環(huán)境較好,抗干擾能力也越強,但保護的價值越大,相應(yīng)保護范圍宜越大。水域的功能特征主要是考慮水域承擔的防洪、排澇、供水、航運、景觀、生態(tài)等多項功能中的突出功能,功能需求顯著水域的保護范圍可相應(yīng)放大。

理論保護范圍寬度制定時,需結(jié)合研究區(qū)實地需求,以水域的重要性等級、水域類型為主要依據(jù),并結(jié)合各水域自身生態(tài)環(huán)境、功能特征作適當調(diào)整。

1.2水域保護影響因子評價

在理論水域保護范圍基礎(chǔ)上進行劃界調(diào)整,其邊界受現(xiàn)狀條件、區(qū)域發(fā)展需求等眾多要素影響,影響因子集主要由區(qū)域功能定位、水面率差值比和土地利用構(gòu)成。

1.2.1影響因子分析

a. 區(qū)域功能定位因子。區(qū)域功能定位包括城鎮(zhèn)發(fā)展區(qū)、工業(yè)發(fā)展區(qū)和農(nóng)業(yè)發(fā)展區(qū),其中城鎮(zhèn)發(fā)展區(qū)和工業(yè)發(fā)展區(qū)對水域造成較大影響,農(nóng)業(yè)發(fā)展區(qū)影響相對較弱。該因子作為區(qū)域發(fā)展整體定位需求與水域保護需求的比照。

b. 水面率差值比因子。水面率是判定區(qū)域水域健康狀態(tài)的重要參數(shù),水面率差值比因子體現(xiàn)了各分區(qū)對水域的需求程度。水域的需求包括經(jīng)濟發(fā)展用水需求、防洪排澇需求、航運需求、水生態(tài)環(huán)境需求、景觀用水需求等,分區(qū)水面率越小則差值比越大,對水域需求越強,阻力賦值需越小,以便劃定更為寬泛的水域保護范圍來滿足其水域需求。

在本文水域保護研究過程中將現(xiàn)狀總水面率(R總)和現(xiàn)狀分區(qū)水面率(Ri)分別與區(qū)域綜合需求水面率(R需)作比較,從整體到部分考察研究區(qū)域與其需求水面率間的差距,有區(qū)分、有重點地判讀水域現(xiàn)狀,作為水域劃界及水域管控要求制定的重要依據(jù)。

(1)

式中:R1,R2,R3分別為區(qū)域經(jīng)濟發(fā)展需求、防洪排澇需求和其他需求水面率。

R1可由以下公式計算:

(2)

式中:W1為區(qū)域經(jīng)濟發(fā)展所需水資源量,m3;S為區(qū)域總面積,m2;H為水域平均水深,m。由于不同類型水域間水深存在較大差異,計算時取:

(3)

R2可由以下公式計算:

(4)

R3主要包括維持航運功能、水景觀、水生態(tài)環(huán)境等需求的水面率,需依據(jù)研究區(qū)域具體專項規(guī)劃和城市總體規(guī)劃確定。在計算R總、Ri、R需的基礎(chǔ)上,計算水面率差值比r:

(5)

c. 土地利用因子。陸域范圍內(nèi)土地分為建設(shè)用地和非建設(shè)用地,后者由水域、農(nóng)林用地等構(gòu)成。非建設(shè)用地(尤其是水域)與建設(shè)用地間的“異質(zhì)性”給予了兩者明顯界線,地域邊界具有極高的空間價值,同時也是水域保護研究需考察的重點內(nèi)容?；趽p益分析法[11],依據(jù)土地利用類型對水域保護的影響程度大小,給定其限制性因子分值。限制性因子主要包括居住用地、工業(yè)用地、公共設(shè)施用地、村鎮(zhèn)建設(shè)用地等對劃界有較大影響的干擾因子和綠地、農(nóng)林用地等對劃界影響較小的因子,干擾性較強的用地需在劃界過程中視其重要程度、整改難度等實際情況采取規(guī)避或?qū)⑵鋭澏ㄔ诒Ｗo范圍內(nèi)等方法。按照各因子對水域保護劃界影響程度進行相應(yīng)賦值。

1.2.2影響因子分級賦值

依據(jù)影響因子集中各個因子的特性及其對水域保護范圍界定的影響程度大小,利用單因子分級評價劃分影響等級并進行相應(yīng)賦值,賦值越高越不利于水域保護。

其中文本型屬性的評價因子,即功能定位分區(qū)因子與土地利用因子使用等差賦值,依據(jù)其自身特點及對水域保護的影響程度,劃分為多個阻力分級,各分級賦值等差遞減,單因子阻力最大值為10分;數(shù)值型屬性的評價因子,即水面率差值比因子采用極值法進行分值:

(6)

式中：Mi為第i個因子的分值;Xi為數(shù)值屬性因子的具體數(shù)值;Xmin、Xmax分別為最小、最大值。

各個評價因子權(quán)重由專家打分法及層次分析法[12]確定。依據(jù)3個因子的GIS疊加分析最終得分結(jié)果,制定不同程度的水域保護管理要求,扣除緩沖區(qū)內(nèi)高等分值區(qū)域,得到水域保護初步劃定范圍及邊界。

2案例研究

圖2　研究區(qū)域概況及水域分布

本文選用尺度較小、水域易分類識別且有較強水域保護需求的新橋鎮(zhèn)作為研究區(qū)域(圖2)。新橋鎮(zhèn)地處浙江省中部沿海,臺州市區(qū)東南、路橋區(qū)中南部,鎮(zhèn)域總面積13.8 km2,轄2個居委會,17個行政村。鎮(zhèn)域?qū)贉攸S平原,地勢平坦低洼,平均海拔1～2 m,河網(wǎng)密布。新橋鎮(zhèn)河流均屬于金清水系,主要河道28條,總長48.3 km,其中區(qū)級河道2條,鎮(zhèn)級及以下河道26條,池塘328個,總水域面積0.72 km2,水域容積87.04萬m3,水面率為5.21%,總?cè)莘e率6.29萬m3/km2。河道功能以排水、防洪為主,兼有部分水生態(tài)景觀、航運功能,境內(nèi)骨干河網(wǎng)水質(zhì)普遍較差。

2.1新橋鎮(zhèn)水域分類識別

新橋鎮(zhèn)水域主要由河道和池塘組成,參照水域重要性等級劃分標準(表1),將新橋鎮(zhèn)水域劃分為重要水域和一般水域。新橋鎮(zhèn)重要水域主要為區(qū)級、鎮(zhèn)級行洪排澇骨干河道及具有景觀生態(tài)功能的河道,共計13條,水域面積達0.289 km2,其中包括城鎮(zhèn)有堤防河道5條、農(nóng)村有堤防河道4條、農(nóng)村無堤防河道4條;城鎮(zhèn)區(qū)、重點村居內(nèi)具有生態(tài)、景觀功能的池塘和農(nóng)村內(nèi)距村居較近的池塘,水域面積達63 361 m2。

2.2新橋鎮(zhèn)規(guī)劃分區(qū)

依據(jù)新橋鎮(zhèn)水域管理現(xiàn)狀,以行政鎮(zhèn)區(qū)村部為單元進行規(guī)劃分區(qū),如表2所示,共計劃分為19個分區(qū)。

表2　分區(qū)水面率計算結(jié)果

2.3水面率計算

新橋鎮(zhèn)總水域面積0.72 km2,水域容積87.04萬m3,水面率5.21%。各分區(qū)水面率如表2所示。

新橋鎮(zhèn)水域主要由河道和池塘構(gòu)成,鎮(zhèn)域內(nèi)無水源地存在,其城鎮(zhèn)生活用水、農(nóng)村生活用水、第二產(chǎn)業(yè)用水、第三產(chǎn)業(yè)用水主要由鎮(zhèn)域外長潭水庫供應(yīng),故在計算新橋鎮(zhèn)經(jīng)濟發(fā)展所需水資源量(R1)時,將鎮(zhèn)域內(nèi)第一產(chǎn)業(yè)需水量視為W1=107.25萬m3,式(3)中a1、a2、H1、H2分別為河道、池塘的供取水系數(shù)和水域平均深度,分別取0.578、0.422、1.325 m、1.2 m,得R1=6.11%。在計算新橋鎮(zhèn)防洪排澇所需水面率(R2)時,式(4)中ω1、ω2分別為河道、池塘的蓄滯洪比例,可由河道、池塘蓄水容量計算得到,分別為0.728、0.272。假設(shè)新橋鎮(zhèn)為封閉流域,以其20年一遇24 h最大暴雨產(chǎn)生的洪量作為標準,得R2=3.17%。在計算新橋鎮(zhèn)其他需求水面率(R3)時,主要考慮其生態(tài)與環(huán)境用水需求,參照2010—2030年《路橋區(qū)新橋鎮(zhèn)城鎮(zhèn)總體規(guī)劃》、《臺州市路橋區(qū)河道規(guī)劃報告》(2013年)所劃定景觀水域水面率要求,由于新橋鎮(zhèn)域?qū)竭\要求偏低故航運需求水面率忽略不計,得R3=6.2%。由公式(1)可得,新橋鎮(zhèn)綜合需求水面率R需=6.2%。

2.4土地利用分析

新橋鎮(zhèn)土地利用中限制性因子主要包括居住用地、工業(yè)用地、公共設(shè)施用地、村鎮(zhèn)建設(shè)用地和農(nóng)林用地。其分布如圖3所示,其中新橋鎮(zhèn)現(xiàn)狀居住用地面積共0.291 km2,占現(xiàn)狀城鎮(zhèn)建設(shè)用地31.46%,占鎮(zhèn)域總面積的2.11%;公共服務(wù)設(shè)施用地面積共0.062 km2,占現(xiàn)狀城鎮(zhèn)建設(shè)用地的6.74%,占鎮(zhèn)域總面積的0.45%;工業(yè)用地面積共0.351 km2,占現(xiàn)狀城鎮(zhèn)建設(shè)用地的37.93%,占鎮(zhèn)域總面積的2.54%;村鎮(zhèn)建設(shè)用地3.2 km2,占鎮(zhèn)域總面積的23.3%。以上4類用地均密集分布在水域周邊,對其用地類型及指標的有效管控,限制其進一步擴張,是水域保護有效開展的關(guān)鍵。

圖3　土地利用類型及水域保護理論范圍

2.5影響因子分級賦值

新橋鎮(zhèn)水域保護影響因子集由區(qū)域功能定位、水面率差值比和土地利用三個因子組成,因子賦值越大則表示水域保護阻力越大。各因子權(quán)重由專家打分法和層次分析法計算所得,分別為0.157、0.249、0.594,如表3所示。

2.6GIS輔助分析

在水域分類識別的基礎(chǔ)上,結(jié)合鎮(zhèn)域內(nèi)各個水域自身屬性特征并依據(jù)新橋鎮(zhèn)現(xiàn)狀及發(fā)展需求,重要水域-河道、一般水域-河道、重要水域-池塘、一般水域-池塘的理論水域保護范圍單側(cè)寬度分別設(shè)定為18～25 m、14～17 m、5～16 m、4～7 m,既GIS緩沖區(qū)設(shè)定的相應(yīng)寬度,得緩沖區(qū)面積2.53 km2。將由3個影響因子賦值的圖層與緩沖區(qū)圖層進行加權(quán)疊加分析,疊加所得用地面積0.39 km2,占緩沖區(qū)面積的15.42%。疊加得分主要集中在8～9、4～5、3～4區(qū)間內(nèi),其相應(yīng)面積分別占總疊加面積的26.42%、24.13%、20.08%,其分布如圖4所示。經(jīng)面積加權(quán)所得得分平均值為5.64,將其設(shè)為閾值,其分布如圖5所示。利用GIS擦除分析工具剔除緩沖區(qū)內(nèi)得分值大于5.64的區(qū)域,得到水域保護初步范圍及邊界。

表3　各影響因子的分級標準及權(quán)重賦值

圖4　GIS加權(quán)疊加成果

圖5　閾值篩選

2.7相關(guān)銜接及邊界調(diào)整

新橋鎮(zhèn)水域保護范圍邊界基本符合各項規(guī)劃及法規(guī)要求,結(jié)合新橋鎮(zhèn)沿河建筑質(zhì)量調(diào)查、文化古跡用地分布、規(guī)劃新開水域分布、規(guī)劃拓寬水域等基礎(chǔ)條件建立相應(yīng)GIS圖層,將之與水域保護初步邊界進行進一步擦除分析/聯(lián)合分析,得到最終水域保護范圍,如圖6所示。

圖6　新橋鎮(zhèn)水域保護范圍

最終所得水域保護范圍,充分契合了研究區(qū)實際條件與需求,兼顧水域保護的可實施性和落地性,能夠較好達到區(qū)域各個水域保護的目的。

3結(jié)論

a. 以新橋鎮(zhèn)為例的小尺度水域保護劃界方法,在定性識別研究區(qū)水域重要性、分類、自身生態(tài)環(huán)境特征、功能特征基礎(chǔ)上結(jié)合定量計算,引入因子評價和GIS輔助分析,提升劃界效率和精確性,劃界成果貼合新橋鎮(zhèn)水域?qū)嶋H需求,具有代表性、針對性和科學(xué)性,為中、大尺度水域保護提供了技術(shù)支撐。對劃界所得陸域范圍的嚴格保護與管理能有效減少外界因素對陸地水域的干擾,具有廣泛適用性。

b. 水域保護劃界影響因子集包括區(qū)域功能定位分區(qū)、水面率差值比和土地利用。其中區(qū)域功能定位分區(qū)因子體現(xiàn)研究區(qū)不同區(qū)域發(fā)展定位與水域關(guān)聯(lián)性;水面率差值比因子體現(xiàn)各分區(qū)對水域的需求程度,包括經(jīng)濟發(fā)展用水需求、防洪排澇需求、航運需求、水生態(tài)環(huán)境需求、景觀用水需求等;土地利用因子作為現(xiàn)狀條件,體現(xiàn)水域附近各類用地對劃界的阻力。研究區(qū)域不同則相應(yīng)權(quán)重亦需按實地需求進行調(diào)整,如區(qū)域發(fā)展受水面率限制較大(即R總與R需差距較大)的研究區(qū),其水面率差值比因子權(quán)重則需相應(yīng)放大。

c. GIS作為水域保護劃界數(shù)據(jù)分析、范圍劃定的綜合實用性工具,對水域保護有很強的指導(dǎo)意義。基于緩沖區(qū)、加權(quán)疊加分析、擦除分析等技術(shù)得到水域保護界線。GIS緩沖區(qū)內(nèi)因子疊加得分值體現(xiàn)了現(xiàn)狀條件對水域保護開展的阻尼程度,GIS擦除分析時所選定的閾值可隨水域保護開展進程進行逐步放大,既逐步放大水域保護范圍。同時,水域保護劃定范圍內(nèi)現(xiàn)狀已有建筑物的整治工作,也可根據(jù)因子疊加分值由小到大的順序開展,選定相應(yīng)分級閾值制定分期實施計劃。

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LIN Song1, JIN Jianfeng2, ZHANG Qicheng1, LONG Keliang1, WANG Weiping1, XU Wei1

(1.CollegeofHydrologyandWaterResources,HohaiUniversity,Nanjing210098,China;2.XianlinReservoirManagementOfficeofHangzhou,Hangzhou311122,China)

Abstract：Based on the need of water area protection and the limitation of the current delimitation method, taking Xinqiao Town as a case study, the delimitation method of small-scale water area protection was studied. Based on the classification and identification of water area, regional functional orientation, demand analysis of water surface ratio, and land use analysis, the set of influence factors was established, the value and weight of the influence factor were assigned, and the boundary of water area protection was delimitated using GIS overlay analysis technology. This study is based on the method of systematically quantitative analysis, influence factor assessment, and GIS analysis techniques and the delimitation result, which is with more maneuverability, pertinence, and spreadability, meets the needs of various types of water area protection. This study avoids the shortage of the delimitation of water area protection with single standard, providing supports for medium-scale and large-scale studies.

Key words：small-scale;water area protection;delimitation;influence factor assessment;GIS

DOI：10.3880/j.issn.1004-6933.2016.02.008

基金項目:江蘇省科技支撐計劃(BE2011697)；蘇州市水利科技計劃(2014-07-06)

作者簡介:林松(1992—),男,碩士研究生,研究方向為水文學(xué)與水資源。E-mail:137107447@qq.com 通信作者：張其成，男，講師。E-mail:36946161@qq.com

中圖分類號：TV212

文獻標志碼：A

文章編號：1004-6933(2016)02-0035-06

(收稿日期：2015-12-28編輯：王芳)