漁洞水庫徑流區(qū)生態(tài)清潔型小流域建設(shè)時空優(yōu)化對策研究

張曉旭 董云仙

摘要：根據(jù)生態(tài)清潔型小流域建設(shè)理念，本文在漁洞水庫徑流區(qū)生態(tài)環(huán)境狀況及污染源調(diào)查的基礎(chǔ)上，開展流域重要生態(tài)功能區(qū)、生態(tài)敏感區(qū)的評價識別，通過建立綜合評價函數(shù)，運用GIS空間分析技術(shù)對漁洞水庫徑流區(qū)進(jìn)行重要生態(tài)保護區(qū)劃分，最終提出“分級、分區(qū)、分期”的時空優(yōu)化對策，為生態(tài)清潔型小流域建設(shè)重點工程布設(shè)和實施時序提供技術(shù)參考。

關(guān)鍵詞：生態(tài)清潔型小流域;重要生態(tài)功能;生態(tài)敏感性; 時空優(yōu)化;漁洞水庫

1.引言

經(jīng)濟社會的快速發(fā)展使江河湖泊水體污染、生態(tài)系統(tǒng)不斷退化的環(huán)境問題日益突出，對區(qū)域的可持續(xù)發(fā)展造成嚴(yán)重影響。近年來生態(tài)清潔型小流域建設(shè)理念充分體現(xiàn)了流域系統(tǒng)性治理特點，其提倡以水源保護為核心，以流域資源環(huán)境承載力為基礎(chǔ)，遵循生態(tài)優(yōu)先的原則，堅持“山水田林路”統(tǒng)一規(guī)劃，治污與生態(tài)修復(fù)相結(jié)合，通過調(diào)整人類活動和布局，建立生態(tài)環(huán)境良性循環(huán)的流域生態(tài)系統(tǒng)，使流域內(nèi)水土資源得到有效保護、合理配置和高效利用，最終實現(xiàn)人與自然和諧、人口、資源、環(huán)境協(xié)調(diào)發(fā)展[1]。基于這一生態(tài)清潔型小流域全新的治理理念，進(jìn)一步開展流域重要生態(tài)功能區(qū)、生態(tài)敏感區(qū)及脆弱區(qū)的評價識別，并結(jié)合污染源構(gòu)成及分布特征調(diào)查，提出“分區(qū)、分期、分級”的時空優(yōu)化對策，將對流域污染治理和生態(tài)建設(shè)工程的優(yōu)化布設(shè)和實施時序提供技術(shù)參考。

2.研究方法

本研究基于昭通漁洞水庫徑流區(qū)環(huán)境狀況的系統(tǒng)調(diào)查，通過開展流域生態(tài)系統(tǒng)敏感性、生態(tài)功能重要性評價，運用GIS技術(shù)將重要的生態(tài)功能區(qū)、生態(tài)敏感區(qū)、重點污染分布區(qū)進(jìn)行空間疊加分析，以流域水環(huán)境保護為核心，結(jié)合漁洞水庫徑流區(qū)生態(tài)清潔小流域綜合治理需要，提出漁洞水庫徑流區(qū)“分區(qū)、分期、分級”的時空優(yōu)化策略。

3.研究內(nèi)容

3.1研究區(qū)概況

漁洞水庫徑流區(qū)位于昭通市昭陽區(qū)西北部，徑流區(qū)面積709.06km2。受喜馬拉雅山運動強烈影響，徑流區(qū)地質(zhì)構(gòu)造較為復(fù)雜。在地質(zhì)上地層發(fā)育較全，從古生代到新生代均有出露。地質(zhì)以玄武巖分布最廣，庫區(qū)內(nèi)有少量石灰?guī)r出露，受水系發(fā)育影響，河谷深切，溝壑縱橫交錯，受河流、沖溝的切割，徑流區(qū)地形地貌復(fù)雜多樣，面積分別分別占流域總面積的28.1%、26.0%、22.1%、17.0%。徑流區(qū)屬北亞熱帶高原季風(fēng)氣候，立體氣候特征十分明顯，降水集中在5～10月，多年平均最大一日降水量50～75mm。受山脈不規(guī)則分布影響，據(jù)現(xiàn)場踏勘統(tǒng)計，有小松樹河、瓜寨河、黑魯河、鐵廠河等30余條大小河流匯入徑流區(qū)。徑流區(qū)植物區(qū)系屬“中國—喜馬拉雅森林植物亞區(qū)” 中的“滇中高原小區(qū)”， 區(qū)內(nèi)有種子植物98科，299屬、約521種，現(xiàn)存植被以人工植被為主，占流域總面積的54.52%，自然植被則以暖溫性針葉林、暖性落葉闊葉林、暖溫性灌叢灌草叢為主。漁洞水庫徑流區(qū)水土流失面積為410.46 km2，占流域面積的57.89%，主要以中度侵蝕和輕度侵蝕為主。

從行政區(qū)劃看，漁洞水庫徑流區(qū)涉及昭通市昭陽區(qū)、魯?shù)榭h、永善縣的9個鄉(xiāng)鎮(zhèn)、33個行政村，主要以農(nóng)業(yè)人口為主，徑流區(qū)土地利用類型51.35%為耕地，約30.18%為有林地，徑流區(qū)林業(yè)用地面積過少，與水源保護區(qū)基本要求之間存在較大差距。

2013年漁洞水庫水質(zhì)類別為Ⅳ類。對比漁洞水庫保護目標(biāo)（GB3838-2002《地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》Ⅱ類），主要超標(biāo)因子是總氮和總磷，水庫在運行初期為Ⅱ類水質(zhì)， 1999年水質(zhì)類別為Ⅳ類， 2000年后趨于穩(wěn)定，近十年來，水質(zhì)在Ⅲ-Ⅳ類水質(zhì)之間波動。[2]

3.2研究區(qū)重要生態(tài)保護區(qū)識別

3.2.1漁洞水庫徑流區(qū)重要生態(tài)功能區(qū)識別

針對漁洞水庫徑流區(qū)生態(tài)環(huán)境狀況分析，其生態(tài)功能重要性評價因子包括包括土壤保持功能、水源涵養(yǎng)功能。

（1）土壤保持功能重要性評價

評價方法：采用通用水土流失方程（USLE）的模型法，開展土壤保持功能評價。

式中： Ac為土壤保持量，Ap為潛在土壤侵蝕量，Ar為實際土壤侵蝕量，R為降水因子，K為土壤侵蝕因子，LS為地形因子，C為植被覆蓋因子。

根據(jù)土壤流失通用方程，求出R、K、LS、C、P因子的柵格圖層，然后在ARCGIS平臺下通過圖像乘積運算得到土壤保持量柵格圖層，采用GIS軟件Quantile（分位數(shù)）功能進(jìn)行分類（Classified），共分為四級，即極為重要、較重要、一般重要、不重要，并賦予分類屬性值，得出漁洞水庫徑流區(qū)土壤保持重要性評價空間分布矢量圖。

通過GIS空間分析，漁洞水庫徑流區(qū)土壤保持功能重要性極高的區(qū)域主要分布在魯?shù)榭h龍樹鎮(zhèn)、新街鎮(zhèn)及水磨鎮(zhèn)東部山區(qū)，涉及木瓜沖、梨園沙溝、沈家溝、公家溝、瓦窯沙溝、黑嚕小河流域。土壤保持功能重要性極高的區(qū)域主要呈現(xiàn)植被覆蓋率較低、坡度較陡，土壤侵蝕性強的特點，是徑流區(qū)產(chǎn)生水土流失污染較大的區(qū)域，這些區(qū)域是流域重要的水土保持強化區(qū)，生態(tài)空間管控中應(yīng)根據(jù)重要性程度采取分類分級的保護策略。

（2）水源涵養(yǎng)功能重要性評價

評價方法：降水和蒸散的水量分解模型法：

式中：WY為地表總產(chǎn)水量，作為水源涵養(yǎng)服務(wù)能力的代用指標(biāo);P為多年平均年降水量，ET為蒸散量，PET為多年平均潛在蒸發(fā)量;ω為下墊面（土地覆蓋）影響系數(shù)，依據(jù)土地利用類型取值（表1）。該方法采用了高度概化的地表覆蓋因子，因此，需要對評價結(jié)果做不確定性分析和參數(shù)敏感性分析，以確保結(jié)果的可靠性。

基于降水和蒸散的水量分解模型法求出P多年平均年降水量、ET蒸散量，柵格圖層，然后在ARCGIS平臺下通過圖像乘積運算得到地表產(chǎn)水量的柵格圖層，采用GIS軟件Quantile（分位數(shù)）功能進(jìn)行分類（Classified），共分為四級，即極為重要、較重要、一般重要、不重要，并賦予分類屬性值后，得出水源涵養(yǎng)功能重要性評價空間分布矢量圖。

通過GIS空間分析，漁洞水庫徑流區(qū)水源涵養(yǎng)功能重要性極高的區(qū)域主要分布在昭陽區(qū)蘇甲鄉(xiāng)，涉及瓜寨村、布初村等;魯?shù)榭h新街鎮(zhèn)的轉(zhuǎn)山包、新街村、酒房村;龍樹鎮(zhèn)的照壁、新樂;水磨鎮(zhèn)的新棚村、鐵廠村等。水源涵養(yǎng)功能重要性較高的區(qū)域土壤條件好，植被覆蓋度高，坡度較為平緩，具有較強的水源涵養(yǎng)功能，但由于人類活動范圍的擴張與生產(chǎn)生活的干擾，對水源涵養(yǎng)功能產(chǎn)生影響。

（3）生態(tài)功能重要性綜合評價

本研究生態(tài)功能重要性是土壤保持功能、水源涵養(yǎng)功能單要素評價的綜合函數(shù)，采用加權(quán)求和的方法，計算最終湖泊流域生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能重要性綜合評價指數(shù)，運用GIS Quantile（分位數(shù)）功能進(jìn)行分級，并賦予分類屬性值后，得出漁洞水庫徑流區(qū)土生態(tài)功能重要性評價分區(qū)空間分布矢量圖。經(jīng)統(tǒng)計分析，漁洞水庫徑流區(qū)重要生態(tài)功能區(qū)面積為129.39km2，其中較重要的區(qū)域面積為116.36 km2，主要分布在大山包鄉(xiāng)、水磨鎮(zhèn)、新街鄉(xiāng);極為重要的區(qū)域面積為13.03 km2，主要分布在龍樹鄉(xiāng)、蘇甲鄉(xiāng)。綜合評價結(jié)果為極高和較高等級的區(qū)域即為生態(tài)清潔型小流域優(yōu)先和重點防控的區(qū)域。

3.2.2漁洞水庫徑流區(qū)生態(tài)水土流失敏感性評價

評價方法：選取降水侵蝕力、土壤可蝕性、坡度坡長和地表植被覆蓋等評價指標(biāo)，并根據(jù)徑流區(qū)的實際參考相關(guān)研究成果對分級評價標(biāo)準(zhǔn)作相應(yīng)的調(diào)整。將反映各因素對水土流失敏感性的單因子分布圖，用地理信息系統(tǒng)技術(shù)進(jìn)行乘積運算，公式如下：

式中：SSi為i空間單元水土流失敏感性指數(shù)，評價因子包括降雨侵蝕力（Ri）、土壤可蝕性（Ki）、坡長坡度（LSi）、地表植被覆蓋（Ci）。不同評價因子對應(yīng)的敏感性等級值見表2。

根據(jù)水土敏感性評價模型計算，評價結(jié)果按表2進(jìn)行分級并通過GIS進(jìn)行空間分析賦值，得到漁洞水庫徑流區(qū)水土流失敏感性分布圖。

漁洞水庫徑流區(qū)土壤敏感性總體水平較高，統(tǒng)計結(jié)果具體為：土壤侵蝕不敏感性面積占總面積的42.11%，一般敏感面積占18.59%，較敏感面積占30.81%，高度敏感面積占8.49%。

3.2.3漁洞水庫徑流區(qū)污染分布

根據(jù)污染源調(diào)查，漁洞水庫整個徑流經(jīng)濟區(qū)以種植業(yè)為主，農(nóng)業(yè)農(nóng)村面源是徑流區(qū)的主要污染類型。從各個污染物來看：COD的主要來源是人畜糞便、水土流失和生活垃圾，主要分布在龍樹鎮(zhèn)，占入庫總量的26%，其次是水磨鎮(zhèn);TN的主要來源是農(nóng)田化肥流失、人畜糞便、水土流失，主要分布在水磨鎮(zhèn)、占入庫總量的24%;TP的主要來源是人畜糞便、水土流失、生活污水和生活垃圾，主要分布在龍樹鎮(zhèn)和水磨鎮(zhèn)，均占入庫總量的24%;氨氮的主要來源是人畜糞便、農(nóng)田固廢和生活垃圾，主要分布在龍樹鎮(zhèn)，占入庫總量的25%。總體來看，徑流區(qū)上游的龍樹鎮(zhèn)、水磨鎮(zhèn)和新街鎮(zhèn)產(chǎn)生的污染負(fù)荷是整個徑流區(qū)主要污染分布區(qū)域。

3.2.4 重要生態(tài)保護區(qū)和污染防控區(qū)綜合分析

漁洞水庫徑流區(qū)重要生態(tài)保護分區(qū)將基于重要生態(tài)功能區(qū)及生態(tài)敏感區(qū)的識別，采用綜合函數(shù)進(jìn)行評價，即生態(tài)保護重要性用V表示：

V=（V1+V2）*0.5 （1）

其中：V1為生態(tài)功能重要性，V2為生態(tài)脆弱及敏感性。

生態(tài)保護重要性評價等級劃分分級標(biāo)準(zhǔn)見表3。

根據(jù)公式（1）及生態(tài)保護重要性評級等級劃分標(biāo)準(zhǔn)，采用GIS空間分析技術(shù)，將生態(tài)保護重要性評價結(jié)果落實到漁洞水庫徑流區(qū)空間地塊。

經(jīng)統(tǒng)計分析，漁洞水庫徑流區(qū)重要的生態(tài)保護區(qū)面積為168.31km2，其中較重要的區(qū)域面積為148.67km2，占徑流區(qū)面積的20.94%，極重要的區(qū)域面積為19.64km2，占徑流區(qū)面積的2.77%。從空間布局來看，徑流區(qū)重要的生態(tài)保護區(qū)主要分布在龍樹鄉(xiāng)、新街鄉(xiāng)、水磨鎮(zhèn)、大山包鄉(xiāng)、蘇甲鄉(xiāng)。結(jié)合徑流區(qū)污染分布情況，龍樹鄉(xiāng)、水磨鎮(zhèn)、新街鄉(xiāng)、蘇甲鄉(xiāng)同時是徑流區(qū)主要污染源分布區(qū)。通過綜合評價，漁洞徑流區(qū)內(nèi)的龍樹鎮(zhèn)、新街鎮(zhèn)、水磨鎮(zhèn)、蘇甲鄉(xiāng)是開展生態(tài)清潔型小流域的重點優(yōu)先建設(shè)區(qū)，此外基于單要素評價中的土壤保持、水源涵養(yǎng)、水土流失敏感的重點分布區(qū)將是集中進(jìn)行專項水土流失治理、生態(tài)涵養(yǎng)建設(shè)的針對性區(qū)域。（詳見圖2和表4）

3.3研究區(qū)生態(tài)建設(shè)時空優(yōu)化對策

漁洞水庫徑流區(qū)生態(tài)功能重要性、生態(tài)敏感性以及生態(tài)保護重要性綜合評價等級的劃分與分布結(jié)果為徑流區(qū)開展生態(tài)清潔型小流域建設(shè)進(jìn)行時空優(yōu)化布置提供了技術(shù)支撐，本研究依據(jù)漁洞水庫徑流區(qū)具體到地塊的重要性和敏感性評價結(jié)果，以徑流區(qū)小流域為單元，提出 “分期、分區(qū)、分級”的綜合治理策略，分為兩期生態(tài)建設(shè)時空策略建議：

（1） I期

建設(shè)區(qū)域：I期生態(tài)建設(shè)主要針對評價等級為極重要或極敏感，同時為徑流區(qū)重要污染源分布區(qū)。根據(jù)識別，布設(shè)I期生態(tài)清潔型小流域建設(shè)工程的區(qū)域為龍樹鄉(xiāng)塘房、照壁、新樂村村區(qū)域內(nèi)的木瓜沖小流域、石龍河小流域、梨園沙溝小流域、沈家溝小流域、公家溝小流域;水磨鎮(zhèn)水磨村、黑嚕村的瓦窯沙溝小流域、黑嚕小河小流域;新街鎮(zhèn)的李家河、母豬溪小流域;蘇甲鄉(xiāng)坪地營大木橋河流域;大山包鎮(zhèn)車路村、大寨子雨霏村坡耕地區(qū)域;水庫樞紐工程和水庫正常蓄水位（黃海高程1985米）沿地表外延100米庫濱敏感區(qū)。

環(huán)境問題：農(nóng)業(yè)生產(chǎn)生活較集中，人為活動頻繁，流域水土流失嚴(yán)重，生態(tài)環(huán)境脆弱，農(nóng)業(yè)農(nóng)村面源污染問題突出，由于缺乏整體系統(tǒng)性規(guī)劃，已有治理工程布局分散，治理效果不顯著。

治理策略：以水土流失治理為重點，強化河道整治與水源涵養(yǎng)，采取水利工程與生態(tài)修復(fù)相結(jié)合的治理方案，通過攔沙壩建設(shè)工程、河道清淤清雜工程、河堤加固生態(tài)建設(shè)工程、谷坊建設(shè)工程布設(shè)改善河道的水力侵蝕影響，進(jìn)一步減少泥沙入庫量。經(jīng)測算60.27 km2水土流失高度敏感區(qū)中分布有基本農(nóng)田、坡耕地、荒山區(qū)、灌木林新幼林區(qū)，通過實施中低產(chǎn)田改造、退耕還林及人工造林、封山育林等生態(tài)修復(fù)措施的實施，將有效減少小流域的水土流失面積，進(jìn)一步改善水土流失狀況，其中位于水土流失敏感區(qū)的基本農(nóng)田應(yīng)加強治水、培肥綜合改造，通過改善土壤理化性狀，提高土壤保水保肥保土能力，進(jìn)一步減少農(nóng)田面源污染。其中大山包車路村、大寨子根據(jù)當(dāng)?shù)氐纳鷳B(tài)條件，實施退耕還草工程。在水庫100米庫濱敏感區(qū)修建物理和生物隔離設(shè)施，形成以喬木、灌木和草本植物合理配植的方式構(gòu)成一道復(fù)合型的生態(tài)屏障，防止人畜活動對水源保護和管理的干擾，攔截污染物直接進(jìn)入水體，保障飲水安全。

（2）II期

建設(shè)區(qū)域：II期生態(tài)建設(shè)主要針對評價等級為較重要或較敏感，同時為徑流區(qū)主要污染源分布區(qū)。根據(jù)識別，布設(shè)II期生態(tài)清潔型小流域建設(shè)工程的區(qū)域為蘇甲鄉(xiāng)瓜寨河流域、居樂河流域、布初河流域、魚壩河流域;新街鎮(zhèn)新街小河流域、酒房小河流域;水磨鎮(zhèn)關(guān)山小河流域、鐵廠小河流域、納黑租流域。

環(huán)境問題：土地利用以林地和耕地為主，坡耕地廣泛分布，農(nóng)業(yè)生產(chǎn)生活集中，人為活動頻繁，流域生態(tài)環(huán)境脆弱，農(nóng)業(yè)農(nóng)村面源污染問題突出。

治理策略：以水源涵養(yǎng)林生態(tài)維護與建設(shè)為主，強化水土流失治理和農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)調(diào)整與污染防治。水源涵養(yǎng)林生態(tài)維護與建設(shè)主要通過因地制宜、有計劃有步驟的進(jìn)行宜林荒山的綠化造林、退耕還林還草以及全面禁封、適地造樹、低質(zhì)林改造等，提高徑流區(qū)森林覆蓋率，增強徑流區(qū)水源涵養(yǎng)能力，減少徑流區(qū)水土流失面積;優(yōu)化農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)布局，改變現(xiàn)有農(nóng)業(yè)廣種薄收模式，通過推廣科學(xué)施肥，實現(xiàn)減污不減收;進(jìn)一步加強小流域綜合治理，采用水利工程與生態(tài)修復(fù)相結(jié)合的治理方案，通過實施水土保持、河道綜合整治與河口濕地建設(shè)等系列工程，全面控制流域內(nèi)中強度侵蝕區(qū)水土流失、減少入湖河道泥沙含量、削減污染物入庫量。

4.存在問題及展望

（1）本研究中重要生態(tài)保護區(qū)的識別，主要基于重要生態(tài)功能評價和生態(tài)敏感性評價，采用簡單綜合函數(shù)模型進(jìn)行綜合判別，模型函數(shù)權(quán)重的確定主要根據(jù)專家經(jīng)驗判斷，存在主觀認(rèn)識的偏差。在今后的研究中可以區(qū)域多年歷史數(shù)據(jù)為樣本，采用相關(guān)性分析、主成分分析、灰色系統(tǒng)理論等數(shù)理統(tǒng)計方法，輔以專家經(jīng)驗判斷確定模型函數(shù)，進(jìn)一步減小研究量化結(jié)果與現(xiàn)實世界的偏差。

（2）本研究評價標(biāo)準(zhǔn)分級主要采用GIS軟件Quantile（分位數(shù)）功能進(jìn)行簡單分類分級，其目的主要為初步識別分區(qū)分級的差異性，其客觀性與科學(xué)性需要在今后進(jìn)一步深入研究，甄別確定。

（3）隨著計算機技術(shù)的發(fā)展，近年來基于GIS技術(shù)的生態(tài)系統(tǒng)評估模型快速發(fā)展，例如InVest模型、ARIES模型、MIMES模型等，這些模型采用多層級設(shè)計，可以對生態(tài)系統(tǒng)進(jìn)行多尺度、多情境的綜合評價，在今后研究中方法學(xué)上可進(jìn)一步擴充和深入，提高評估的精準(zhǔn)性，為區(qū)域生態(tài)建設(shè)規(guī)劃提供更為精細(xì)的技術(shù)參考。

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