对水生态功能进行辨识和分区是进行流域生态管理的科学基础和重要依据^[1-2]。目前国内水生态功能分区/区划存在以下问题：(1)多定性考虑不同要素间的相互关系, 对于生态系统之间的功能联系考虑的不足; (2)多考虑人类活动和社会经济发展对水资源的需求, 未充分考虑生物、陆地生态系统对水环境的需求及两者关系; (3)多以水体现状使用功能进行划分, 缺乏对水生态系统完整性和区域分异性的考虑。造成这种状况的主要原因是：污染控制未能体现“分区、分类、分级、分期”的水环境管理理念, 对流域整体的系统性认识不足。“水生态功能分区”正是在上述背景下提出来的, 基于流域水生态系统的特点, 以流域内不同尺度的水生态系统及其影响因素为研究对象, 探讨水生态保护目标及其实现途径, 从而为地表水质控制单元划分、区域土地利用结构调整和产业结构调整提供科学依据。

国际上对流域水生态功能进行分区和管理有许多成功案例, 比如美国的田纳西流域、切萨皮克流域、澳大利亚的墨累-达令流域等。美国的水环境生态分区, 主要按照土地利用、地貌类型、潜在植被和土壤类型进行四级划分^[3-5]。欧盟的水环境生态分区, 也主要基于地形、生物、生态要素的异质性特征, “从上到下”按等级框架研究水生态系统^[6]。澳大利亚的水环境生态分区, 综合考虑了气候(周期变化和降雨量)、地理(海拔和地形)和植被(结构和组成)因子对水生态系统的影响。从国外水生态功能分区研究可以看出, 流域水生态功能分区需要综合考虑陆地生态系统特征和水生态系统特征, 根据水生态系统的潜在影响来“以水定陆”、以陆地生态系统为管理单元进行“以陆控水”。

国内比如辽河流域进行的多级分区^[7-9], 其它重要流域也进行了探索性工作^[10-15]。自“十一五”以来, 国家水体污染控制与治理科技重大专项专门开展了对重点流域的水生态功能分区研究, 包括辽河、松花江、淮河、海河、东江、黑河、太湖、巢湖、滇池、洱海等, 多数流域侧重于一级二级区的研究^[16-18]。“十二五”期间部分流域继续开展了相关研究, 完成了三级分区^[19-22]。海河流域处于我国社会经济高度发达的地区, 生态环境与经济发展的矛盾日益突出, 而长期以来缺乏对该区域水生态系统结构和功能的系统调查和特征分析。因此, 迫切需要对海河流域水生态功能进行分区定位, 全面系统认识海河流域水生态系统结构和功能。此外, 海河流域作为我国半湿润地区的典型流域, 具有代表性的气候和地形特点, 水生态功能分区研究不仅能够为区域水资源管理和生态安全构建提供支持, 同时也可以为类似流域的水环境管理提供参考。

1 研究区概况与分区基础 1.1 研究区概况

海河流域包括海河干流、滦河和徒骇马颊河3大水系、7大河系、10条骨干河流, 面积约32万km²。海河流域山地和平原面积分别占60%和40%, 太行山、燕山以西、以北分布面积较广的黄土高原, 平原大致可分为山前洪冲积平原、中部河流泛滥平原和滨海平原。海河流域从东到西地带性植被依次为森林、灌丛、稀疏灌草丛等。流域西北部多为钙层土, 中北部淋溶土、半淋溶土, 中南部半淋溶土、初育土, 中东部水成土、半水城土, 东部沿海盐碱土。海河流域年均降水量的80%集中在汛期, 降水量由东南向西北逐渐减少。多年平均水资源总量3.7×10¹⁰ m³, 流域水资源开发利用率达到了98%, 耗水率达70%。近年来, 在各级支流近10000 km河长中, 已有4000 km河道长年干涸, 主要河道中下游年均断流达300天左右。海河流域平均人口密度为371人/km, 为全国平均人口密度的3.47倍。作为全国主要粮食产区之一, 共有耕地1.09×10⁵ km², 约占全国的11%。流域属于典型的资源性缺水地区, 目前以不足全国1.3%的水资源量, 承担着10%的人口和13%的GDP。

1.2 水生态功能一级二级区

海河流域在“十一五”期间完成了水生态功能一级二级分区^[23-24], 本文主要探讨三级分区。在前期研究中, 选择地貌、气候、水文作为一级分区因子, 植被、土壤作为二级分区因子, 然后结合流域特点, 筛选出针对性的指标体系。根据地貌类型、干燥度和径流深的空间异质性特征, 利用插值方法分别绘制出3个指标因子的分级图, 得到矢量分区图, 叠置形成一级区图。然后, 对土壤类型和植被覆盖类型进行空间聚类, 根据聚类结果分别绘制出这2个指标因子的矢量图。对这2个矢量图和一级分区矢量图进行叠置, 确立二级分区图。最终, 共划分了6个一级区、16个二级区(图 1)。

1.3 三级区数据收集和处理

三级分区以小流域为基本单元, 利用1:5万DEM和SWAT模型提取子流域。利用已有河网数据作为基准, 在平原地区对1:5万DEM进行填洼等前处理, 提取更加详细的河网和小流域, 最后得到小流域2957个, 平均流域面积105 km², 计算各个小流域的累积汇水栅格、流向图、水系级别等信息。

社会经济统计数据来自于流域8个省市2010年的统计年鉴, 土地利用来自于2010年的1:10万土地利用图。社会经济数据多基于县级行政单元, 而三级分区是基于小流域集水单元进行划分。我们采取了基于土地利用赋权的方法^[25], 比如农业用水和化肥使用更多集中在农田, 工业用水和污水排放则集中于城镇用地, 牲畜饲养则更多在农村用地。通过在不同土地利用斑块的社会经济指标赋权后, 可以得到各个小流域的社会经济数据。相比单纯基于流域面积权重的社会经济指标空间化, 本研究使用的方法更能体现社会经济活动的主要成因和途径, 具有更高的精度。

为充分了解流域水生态系统特征, 共设置了249个采样点(图 2), 主要监测水质、底栖动物、藻类和鱼类特征。采样点的布设主要在干流和较大支流的上、中、下游各设1个点, 在2013—2015年每年的雨季前后两次采样。水质数据采用多参数水质仪(YSI 6600V2, YSI公司, 美国)现场测定pH值、水温、溶解氧、混浊度、电导率等, 将水样用车载冰箱带回野外实验室后, 用紫外分光光度计(PhotoLab S12, WTW公司, 德国)分析TN、NH₃-N、NO₃-N、TP、COD。底栖生物、藻类的采样时间、地点与水体采样保持一致, 带回实验室进行种类鉴定。鱼类调查困难较大, 采用挂网、电鱼等多种方式, 只在52个点位捕获鱼类。

生物多样性Shannon-Wiener指数(H′)^[26]

(1)

式中, n_i为第i种(或属)藻类的细胞密度(底栖动物、鱼类生物量); N为采样点1 L水样中藻类总细胞密度(底栖动物、鱼类总生物量); S为物种(或属)数。

Berger-Parker优势度指数(B-P)^[27-28]

(2)

式中, N_max为最富集类群的藻类细胞密度(底栖动物、鱼类生物量); N为1 L水样中全部类群的藻类总细胞密度(底栖动物、鱼类总生物量)。

2 分区方法 2.1 分区原则

三级分区目的是揭示陆地生态系统对水生态系统的承载功能和胁迫效应, 明确人类活动胁迫背景下的水生态系统类型及组合特征(图 3)。基本原则包括：

(1) 陆水耦合原则。陆地生态系统对水生态系统产生直接影响, 而通过水生态系统调整陆地生态系统的基本单元和管理方法, 从而实现“以水定陆、以陆控水”, 两者相互影响、相互制约。通过陆地指标对水生态系统形成和维持的区域因子进行分区, 但是每个指标需要对水生态系统具有明确的影响。通过陆地生态系统和水生态系统的相互反馈, 最终实现较为理想的陆地分区管理和水生态目标。

(2) 集水单元完整性原则。三级区最基本的分区单元定为小流域, 体现小流域整体的一致性, 以及不同小流域之间的差异性。

(3) 人类活动胁迫的主导性原则。基于海河流域人类活动强烈, 水资源和水环境受到严重胁迫, 三级区中人类活动和土地利用的影响尤其需要刻画, 人类胁迫背景下的水生态系统类型及组合会产生不同的水生态功能。

(4) 河流类型与功能相统一的原则。三级区中要体现河流类型差异, 河流上下游和干支流的差异, 以及这些差异可能对水量、水质、河流生境的影响。

2.2 分区指标

三级分区指标需要具有时间上的稳定性、空间上的异质性、生态要素因果关联性等。主要从以下几个方面进行考虑：

(1) 水资源胁迫与承载功能：通过文献调研, 首先确定了一系列的备选指标, 其中生活用水强度(t/km²)、工业用水强度(t/km²)、农业用水强度(t/km²)3个指标是水资源胁迫强度的最直接因素, 其它指标更多是间接的影响这3个用水强度指标。水资源的承载功能的备选指标中, 小流域面积(km²)和平均汇水强度(km²)是小流域汇水能力的直接度量指标。水库总库容(亿m³)能够反映人类工程措施对水资源的承载能力, 以及对于洪水调蓄、水源涵养等的支持力度。

(2) 水环境胁迫与承载功能：生活排水强度(t/km²)、工业排水强度(t/km²)、化肥使用强度(kg/km²), 能够从生活、工业、农业3个最主要的方面提供直接的依据。能够刻画水环境承载功能, 或者能够维持营养物循环能力的一些指标, 包括流域平均坡度、流域形状指数(LSI)、河流比降、河网密度等。根据文献研究, 流域平均坡度和流域形状指数能够影响水文条件, 如流速、流量等, 是能够影响营养物循环的重要因子。坡度与大多数的地形参数具有相关性, 但坡度和形状指数是反映垂直和水平两个尺度上的影响因子, 两者之间没有关联性, 可以同时作为必选指标。

(3) 河流生境胁迫与承载功能：主要体现人类活动的影响, 尤其是自然地表与人工地表的比例、湿地比例等。土地利用强度代表人类活动对河流生境的胁迫压力。湿地比例能反映流域内河流生境的承载能力。

(4) 河流类型与生态功能的统一性：河流类型通常与特定的生态功能相结合, 比如干支流、上下游、源头河流、入海河流, 以及通过弯曲度、比降、流速等分类。河流级别是以上各种河流类型划分的代表指标, 具有最稳定的特征、最广泛的代表性。不同级别河流为水生生物提供的生境条件不一样, 适合于不同的物种分布和群落组成。根据河流级别差异, 将水生态功能区进行二次划分, 形成河流类型相对一致的水生态功能区。

为了计算简便, 将人类活动对水资源、水环境、生境的影响设为相等权重(表 1)。

3 结果 3.1 空间格局特征

三级区指标的空间聚类在各个二级区内进行, 在ArcGIS平台的空间聚类模块下划分了三级区。但是这种划分存在很多的不确定、错误斑块, 需要手工的判读和取舍。取舍的原则首先参考DEM、河网数据, 其次要尽量使不同二级区间的三级区保持连续性, 最后要在分类详细程度和分类准确程度之间取得平衡。最终, 将2957个子流域叠加二级区后划分成3620个斑块, 通过聚类分析得到211个三级类型。再根据人工判读, 对508个斑块的属性进行了重命名, 总体的人工判读率为14%, 得到73个三级区(图 4)。

3.2 分区结果评价

据2013—2015年调查数据和评价需要, 藻类和鱼类鉴定到种, 底栖动物鉴定到科。海河流域藻类共计5门、7纲、15目、28科、61属、159种, 底栖动物共计3门、7纲、23目、117科、300属, 鱼类采集到10目15科43属54种。为了获取较为稳定的水生生物指标, 我们将多次采样数据进行平均, 在每个子流域分析水生态系统特征和社会经济特征的相关性。表 2统计了分区指标与水质、水生生物指标的相关性, 从显著性(P < 0.05, P < 0.01)可以看出多数分区指标能够从不同方面反映水生态系统的异质性。

(1) 对水生态健康的影响：小流域面积、林草地比例、小流域坡度、化肥使用强度等影响较为明显; (2)对水环境特征的影响：化肥使用强度、林草地比例、生活用水强度、生活污水强度、小流域面积和坡度等影响较为明显; (3)对藻类的影响：工业污水强度和林草地比例是比较明显的指标; (4)对底栖动物的影响：工业用水强度、工业污水强度、湿地比例、小流域坡度和林草地比例的影响明显; (5)对鱼类的影响：多数分区指标表现出了较为明显的相关性, 如农业用水强度、化肥使用强度、工业用水和污水强度、小流域的面积、形状、坡度、林草地比例等。相对地, 生活用水和污水强度对鱼类群落影响不明显。

4 讨论

海河流域现有分区方案大致分为以下几类：自然地理区划、生态功能区划、水功能区划、生态水文区划、水资源区划等。通过综合比较海河流域现有分区方案(表 3), 水生态功能三级分区在以下几个方面有所改进：

(1) 在陆水耦合方面有所加强

自然地理区划考虑了地貌、气候、水文、土壤和植被等环境因素的空间特征; 生态功能区划突出了人类活动对生态环境问题的影响; 水功能区划以流域为单元进行逐级划分, 仅仅是对可见水体的功能划分; 生态水文区划强调区域的水文、水资源特征; 水资源区划偏重于社会经济指标。现有多数方案仅针对陆地生态系统或者水生态系统, 忽略了两者之间的关联性。水生态功能分区是为实现“分级”“分类”“分区”“分期”的管理目标, 将综合区划和专题区划有机结合。这种有机结合体现在多级区划上, 其中一级、二级区划属于综合区划, 综合考虑多种自然环境因素; 三级区划属于专题区划, 针对具体水生态环境问题进行分区。水生态功能分区需要在不同级别针对性区分主控要素, 我们根据流域的地形、水文、气候、植被和土壤等生态特征, 划分了水生态功能的一级、二级分区, 在此基础上考虑人类活动对水生态系统的胁迫效应, 进行水生态功能三级区划分。考虑到管理需要以及指标稳定性, 在分区指标的选择中完全以陆地生态系统的指标为主, 没有将水生态系统指标纳入分区指标, 只是作为分区指标选择、分区结果验证使用。

(2) 在管理需求方面增加针对性

海河流域现有分区方案既有综合性区划, 又有专题区划。大部分自然地理区划和生态功能区划属于综合区划, 综合了多个自然因子或社会经济因子, 区划不是针对某一项社会需要。专题区划则是围绕某一环境或社会因素进行分区, 例如水功能区划主要围绕水对人类的服务功能进行分区。与水生态相关的一些区划方案都力求打破行政边界的束缚, 多以流域边界为区划范围, 根据流域的自然属性进行分区。但是, 由于中国实行以行政区为基础的管理体系, 即使成立一个统筹全流域的职能部门, 也必须让各行政区最终实施。要打破这种尴尬的局面, 还需要充分融合自然边界和行政界线。现有多数方案在基本分区单元、分区目标等方面脱离了管理部门的实际需求。本研究的水生态功能三级分区综合考虑了流域边界和行政区划, 在空间单元上容易管理; 根据“以水定陆、以陆控水”的原则, 容易据此制定针对性的管理方案。

(3) 分区方法方面更加综合

从分区方法上看, 绝大部分区划都采用了分级、分区的基本方法。在具体分区技术上, 大部分区划方案都采用自上而下, 逐级划分的分区技术。有少数区划方案采用自下而上, 合并小区域单元为大区域单元的分区技术。因此, 不同级别分区、不同目标分区尽量采用针对性的分区方法。海河流域水生态功能分区充分吸收了两种分区方法的优点。一级二级区采用“自上而下”的分区方法, 主要根据地域分异规律以及水生态系统的异质性分析, 按区域内相对一致性和区域共轭性划分出最高级分区单位, 逐级向下划分低级的单元, 适合于大尺度的宏观格局分区。该方法可以集成已有研究成果和专家经验, 体现水生态功能的宏观规律性。三级分区采用“自下而上”的分区方法, 主要基于生态系统结构的分类指标, 并根据各指标反映的水生态功能信息对其进行筛选, 通过空间聚类获得分区结果^[39]。

5 结论

海河流域共划分了6个一级区、16个二级区、73个三级区, 充分考虑了陆地自然要素和人类活动的影响, 体现了水生态功能管理的“分区”、“分级”、“分类”、“分期”目标。一级二级区基于宏观自然要素的识别, 为区域规划与分区管理提供基础生态背景, 可以为土地利用规划与调控、水资源空间调配与合理利用等提供科学支撑。三级区可以应用于中小尺度的环境管理, 包括为区域社会经济一体化发展提供科学依据, 为基于分区单元的环境污染负荷确定、产业结构布局与区域协调等服务。后续可以据此对河段进行精细化管理, 根据区域水生态目标、水生生物保护物种等提出具体的管理措施。

本研究存在进一步改进空间, 最终的73个分区中, 有4个分区没有较大的地表水系, 分区结果仅是反映了陆地生态系统对于水生态系统的潜在影响。这在具体的水生态管理实践中需要明确潜在影响和现实影响, 从而制定更加针对性和科学的管理策略。