基于基尼系數(shù)的中國水生態(tài)分區(qū)研究

蔣 艷，曾肇京，張建永

1 中國水利水電科學(xué)研究院， 北京 100038 2 水利部 水利水電規(guī)劃設(shè)計總院， 北京 100011

基于基尼系數(shù)的中國水生態(tài)分區(qū)研究

蔣 艷1,*，曾肇京2，張建永2

1 中國水利水電科學(xué)研究院， 北京 100038 2 水利部 水利水電規(guī)劃設(shè)計總院， 北京 100011

提出了反映水生態(tài)系統(tǒng)空間分布規(guī)律和特征差異的水生態(tài)分區(qū)方案，并與國家現(xiàn)有的水資源分區(qū)、生態(tài)功能區(qū)劃、水功能區(qū)劃等相關(guān)區(qū)劃成果相互銜接，為水資源綜合利用、流域生態(tài)保護(hù)和經(jīng)濟(jì)社會發(fā)展規(guī)劃提供實用的自然基礎(chǔ)。以我國自然地理特征的空間變異與地域關(guān)聯(lián)為依據(jù)，以流域為基本單元，進(jìn)行水生態(tài)區(qū)劃的初步研究，提出了分區(qū)的指標(biāo)體系、步驟和區(qū)劃方法，形成了兩級的全國水生態(tài)分區(qū)體系。首先，劃分為東部區(qū)、中部區(qū)、西北區(qū)和西南區(qū)4個水生態(tài)一級區(qū)；進(jìn)行水生態(tài)二級區(qū)劃時選取水資源量、降雨量、人口密度、NDVI作為分區(qū)的評價因子，根據(jù)洛倫茨曲線和基尼系數(shù)對分區(qū)合理性進(jìn)行了檢驗。驗證結(jié)果表明，各個水生態(tài)二級區(qū)的水資源量與降雨量、人口密度和NDVI值之間的基尼系數(shù)均不超過0.4，分區(qū)方案比較合理，從而形成34個水生態(tài)二級區(qū)，分布在東部13個，中部10個，西北6個，西南5個。

水生態(tài)系統(tǒng)；水生態(tài)區(qū)劃；指標(biāo)體系；基尼系數(shù)；洛倫茨曲線

我國幅員遼闊，河流眾多，全國各地氣候、水文特征分異復(fù)雜，氣候特征和地勢、地貌等自然條件在空間分布上的差異，決定了我國各類型生態(tài)系統(tǒng)發(fā)育與演變的自然基礎(chǔ)，以及我國社會經(jīng)濟(jì)發(fā)展的空間格局和發(fā)展特點。我國現(xiàn)行的綜合自然地理區(qū)劃[1- 4]、生態(tài)功能分區(qū)[5]、水資源分區(qū)[6]、生態(tài)水文分區(qū)[7]以及水環(huán)境功能區(qū)劃[8]分別反映了地形地貌、生態(tài)、水資源、水生生物和水環(huán)境在空間分布上的地域分異特征。各個分區(qū)方案均具有相應(yīng)的針對性，自然地理區(qū)劃體現(xiàn)了自然地理單元的空間變異性與地域關(guān)聯(lián)性，水資源分區(qū)體現(xiàn)了流域分區(qū)與行政分區(qū)的統(tǒng)分性、組合性與完整性，為流域水資源規(guī)劃與管理服務(wù)，而生態(tài)功能分區(qū)體現(xiàn)了生態(tài)環(huán)境要素，生態(tài)環(huán)境敏感性和生態(tài)服務(wù)功能空間變異規(guī)律，水環(huán)境功能區(qū)體現(xiàn)了水體的主體功能，是水資源開發(fā)利用與保護(hù)、水環(huán)境綜合治理和水污染防治等工作的重要基礎(chǔ)。

不同的區(qū)劃方案圍繞著不同的區(qū)劃目的，但對流域單元作為水生態(tài)系統(tǒng)的主導(dǎo)服務(wù)功能考慮不足，本文在各個區(qū)劃方案研究的基礎(chǔ)上提出了全國的水生態(tài)區(qū)劃方案，以水生態(tài)系統(tǒng)為對象，反映水生態(tài)系統(tǒng)的空間分布規(guī)律和特征差異，注重自然因素與河流生態(tài)系統(tǒng)的相互關(guān)系，以自然要素與資源環(huán)境協(xié)調(diào)發(fā)展的水生態(tài)地理分區(qū)為基礎(chǔ)，從流域?qū)用娉霭l(fā)，綜合考慮自然地理特征、水資源狀況、水文特征、流域生態(tài)環(huán)境和社會經(jīng)濟(jì)條件，并與國家現(xiàn)有的水資源分區(qū)、生態(tài)功能區(qū)劃、水功能區(qū)劃等相關(guān)區(qū)劃成果相互銜接，充分體現(xiàn)出全國性分區(qū)方案的系統(tǒng)性、層次性和協(xié)調(diào)性，從而為水資源綜合利用、流域生態(tài)保護(hù)和經(jīng)濟(jì)社會發(fā)展規(guī)劃提供實用的自然基礎(chǔ)。

1 研究背景

流域是一個具有相對完整自然生態(tài)過程的區(qū)域單元，有明顯的邊界，其組成成分差異明顯，由多個具有不同結(jié)構(gòu)、功能的生態(tài)系統(tǒng)組成，且在空間的排列有一定規(guī)律，這些生態(tài)系統(tǒng)之間發(fā)生著有規(guī)律的能量流、物質(zhì)流和物種流，形成相互依存和相互制約的關(guān)系，形成以水生態(tài)調(diào)節(jié)功能為主的多種生態(tài)服務(wù)功能。基于生態(tài)分區(qū)和地理分類單元開展環(huán)境保護(hù)與資源管理，已廣為世界各國所接受。淡水生態(tài)分區(qū)是生態(tài)分區(qū)的一個重要類型，與水文分區(qū)和生態(tài)功能分區(qū)相比，其在管理、評價和保護(hù)河流、溪流和湖泊等淡水水體資源、環(huán)境及水生生態(tài)系統(tǒng)方面，具有不可比擬的優(yōu)勢。許多國家和地區(qū)/區(qū)域都開展過水生態(tài)分區(qū)的研究，例如Omernik基于地表地貌、土壤、植被和土地利用的分布情況，提出了美國3級水生態(tài)分區(qū)方案[9]。目前該分區(qū)方案已經(jīng)開展到5級。新西蘭環(huán)境保護(hù)部將全國分成25個水生態(tài)區(qū)[10]，南非水務(wù)及森林部將全國分成18個一級水生態(tài)區(qū)[11]，世界自然基金會(World Wildlife Fund，WWF)和美國大自然保護(hù)協(xié)會(The Nature Conservancy, TNC)聯(lián)合繪制了首張基于淡水魚類生物多樣性差異的世界淡水生態(tài)分區(qū)圖等[12]。

流域作為基本生態(tài)系統(tǒng)進(jìn)行自然系統(tǒng)區(qū)劃的基本單元，特別是以小流域作為生態(tài)系統(tǒng)研究的單元，取得了突出的成果。孟偉選取徑流深度、地貌、土壤、植被和土地利用等指標(biāo)，在地理信息系統(tǒng)支持下，通過專家綜合判斷方法將遼河流域劃分2級體系水生態(tài)區(qū)，但未對分區(qū)結(jié)果進(jìn)行檢驗[13]。楊順益將定量分析和子流域邊界應(yīng)用于洱海流域水生態(tài)分區(qū)，建立了一套兩級分區(qū)體，并用環(huán)境響應(yīng)因子來驗證分區(qū)的合理性[14]。目前對于全國性的水生態(tài)分區(qū)研究，只停留在提出分區(qū)方案以及分區(qū)指標(biāo)體系建立的理論階段[15- 17]，未能根據(jù)分區(qū)方案和評價體系給出全國水生態(tài)分區(qū)的結(jié)果，以及對分區(qū)結(jié)果進(jìn)行驗證的思路和方法[18- 20]。本文在已有的自然地理、氣候、水資源和生態(tài)功能分區(qū)成果基礎(chǔ)上，綜合考慮各種因素(自然地理因素和人為干擾因素)對流域生態(tài)環(huán)境的影響，結(jié)合水生態(tài)區(qū)域分布特點，以流域作為生態(tài)系統(tǒng)管理的基本單元，提出全國水生態(tài)分區(qū)的研究方案，并對全國水生態(tài)區(qū)進(jìn)行了識別與區(qū)劃，并對分區(qū)方案的合理性做了初步的分析與評價。

2 水生態(tài)區(qū)劃的方法

2.1 分區(qū)指標(biāo)體系

我國由西向東形成的三大階梯地貌類型，以及自西北向東南延伸的干、濕區(qū)分布特征，水生態(tài)區(qū)與已有自然地理、氣候、水資源和全國生態(tài)功能分區(qū)相協(xié)調(diào)，并與全國水資源分區(qū)相銜接；在區(qū)劃過程中，應(yīng)綜合考慮區(qū)域自然地理和氣候條件、區(qū)域間的水資源條件、水生態(tài)系統(tǒng)，人類活動強(qiáng)度、經(jīng)濟(jì)社會布局以及生態(tài)結(jié)構(gòu)類型在空間上的分布差異，因此從系統(tǒng)層次分析角度出發(fā)，提出包括目標(biāo)層、要素層和指標(biāo)層3個層級的全國水生態(tài)分區(qū)指標(biāo)體系(表1)。

表1 全國水生態(tài)分區(qū)指標(biāo)體系Table 1 Indicator system of water ecological region in country

指標(biāo)層中的地貌類型、植被覆蓋度、年徑流深度作為水生態(tài)分區(qū)的關(guān)鍵指標(biāo)，用于水生態(tài)分區(qū)的初步劃分；而海拔高度、水生態(tài)狀況與重點保護(hù)物種、河湖分布、水庫節(jié)點、行政區(qū)劃、人口密度和大城市分布作為分區(qū)的輔助指標(biāo)，用于對初步劃分的水生態(tài)分區(qū)單元進(jìn)行調(diào)整與修正。

2.2 基尼系數(shù)在水生態(tài)分區(qū)中的應(yīng)用方法

圖1 洛倫茨曲線Fig.1 The Lorenz Curve

基尼系數(shù)(亦稱洛倫茨系數(shù))是經(jīng)濟(jì)學(xué)中綜合考察經(jīng)濟(jì)社會中居民收入分配差異狀況的指標(biāo)，由意大利經(jīng)濟(jì)學(xué)家基尼于1922年根據(jù)洛倫茨曲線提出，可較直觀地反映不同收入的居民在收入分配中所處的位置及分配公平的大致程度，在國際上得到廣泛應(yīng)用。基尼系數(shù)的計算如圖1所示。設(shè)實際收入分配曲線(洛倫茨曲線)和收入分配絕對平等曲線之間的面積為A，實際收入分配曲線右下方面積為B，并以A與(A+B)的比值表示不平等的程度，該值稱為基尼系數(shù)。基尼系數(shù)是反映收入分配公平性的判斷指標(biāo)，如果A為0，基尼系數(shù)為0，表示收入分配完全平均，如果B為0，基尼系數(shù)為1，表示絕對不平均，該系數(shù)可在0和1之間取任何值。曲線弧度越大則基尼系數(shù)越大，表明分配越不平等。

式中，Xi為評估指標(biāo)的累計比例(%)，X0=0；Yi為分配對象控制指標(biāo)的累計比例(%)，Y0=0；i為分配對象的數(shù)量。當(dāng)基尼系數(shù)在0.2以下，表示社會收入分配高度平均或絕對平均；0.2—0.3之間表示相對平均；0.3—0.4之間為比較合理；0.4—0.5為差距偏大；0.5以上為高度不平均。

將基尼系數(shù)用于評價水生態(tài)分區(qū)方案的合理性，同時將評價結(jié)果作為分區(qū)方案修改的依據(jù)，使水生態(tài)分區(qū)方案更為合理。由于本文所采取的水生態(tài)分區(qū)方案是基于水資源三級分區(qū)的基礎(chǔ)上，以各分區(qū)的水資源總量作為基尼系數(shù)的評估指標(biāo)(Xi)，以各分區(qū)的降雨量、人口密度、NDVI值作為基尼系數(shù)的分配指標(biāo)(Yi)，同時將基尼系數(shù)為0.4作為分區(qū)方案合理性的閾值，進(jìn)而對分區(qū)結(jié)果進(jìn)行修正與合并，從而得到最終的水生態(tài)分區(qū)方案。

2.3 分區(qū)方法與步驟

全國水生態(tài)分區(qū)采用空間疊加分析、定性分析與專家判斷相結(jié)合的方法。具體步驟：①利用GIS的空間分析功能，將全國地貌類型圖、DEM(數(shù)字高程模型)、年徑流深分布圖、NDVI分布圖，全國水資源分區(qū)圖、全國生態(tài)功能分區(qū)圖進(jìn)行疊置，通過多邊形的地圖運算(合并、交叉、分割等)，得到初步的生態(tài)分區(qū)結(jié)果；②以海拔高度、水生態(tài)狀況與重點保護(hù)物種、河湖分布與河段特征、水功能分區(qū)、水利工程節(jié)點(主要是大、中型水庫)位置、行政區(qū)劃、人口密度和大城市分布作為水生態(tài)分區(qū)的輔助指標(biāo)進(jìn)行綜合分析；結(jié)合專家組的咨詢與判斷，對初步的水生態(tài)分區(qū)結(jié)果進(jìn)行調(diào)正與合并，③計算水生態(tài)分區(qū)方案的基尼系數(shù)，繪制洛倫茨曲線，計算各分區(qū)水資源量分別與降雨量、人口密度和NDVI值之間的基尼系數(shù)，若基尼系數(shù)超過0.4，則需要對分區(qū)進(jìn)行調(diào)整或修正。

3 全國水生態(tài)區(qū)的劃分

依據(jù)分區(qū)的方法與步驟，首先通過關(guān)鍵性指標(biāo)對水生態(tài)功能區(qū)進(jìn)行初步劃分，輔助性指標(biāo)和專家意見對分區(qū)方案進(jìn)行合并與調(diào)正，最后再通過洛倫茨曲線和基尼系統(tǒng)對分區(qū)方案進(jìn)行進(jìn)一步的調(diào)整與修正，重復(fù)上述過程，當(dāng)評估指標(biāo)-分配指標(biāo)的基尼系數(shù)不超過0.4時，最終得到全國水生態(tài)分區(qū)方案。水生態(tài)區(qū)實行二級區(qū)劃體系，水生態(tài)一級區(qū)包括東部區(qū)(242.3萬km2)、中部區(qū)(222.0km2)、西北區(qū)(255.7萬km2)、西南區(qū)(231.4萬km2)；水生態(tài)二級區(qū)以水資源三級區(qū)套地市為基本單元，分為34個水生態(tài)二級區(qū)，并以習(xí)慣性的地形地貌名稱進(jìn)行命名(表2)，其具體分布情況為：東部區(qū)13個(編號1—13)，中部區(qū)10個(編號14—23)，西北區(qū)6個(編號24—29)，西南5個(編號30—34)，水生態(tài)類型分區(qū)成果見圖2所示。

圖2 全國水生態(tài)分區(qū)圖Fig.2 Map of water ecological region in country

根據(jù)基尼系數(shù)法，以34個水生態(tài)二級區(qū)的水資源量為評估指標(biāo)，水資源量分別與降雨量、人口密度、NDVI指數(shù)繪制洛倫茨曲線(圖3)，水資源量-降雨量的基尼系數(shù)最小為0.1，區(qū)劃方案比較合理；而水資源量-人口密度的基尼系數(shù)為0.4，水資源量-NDVI指數(shù)的基尼系數(shù)為0.32，均處于合理分配的范圍之內(nèi)。

圖3 水資源量與降雨量、人口密度和NDVI的洛倫茨曲線Fig.3 The Lorenz Curve of water resource and rainfall and population density and NDVI

表2 全國水生態(tài)二級區(qū)Table 2 Characteristic value of water ecological region in country

4 結(jié)論

本文結(jié)合全國自然地理區(qū)劃、生態(tài)功能分區(qū)、水資源分區(qū)和水功能分區(qū)，以水生態(tài)系統(tǒng)為研究對象，綜合考慮區(qū)域水文水資源特征、河流生態(tài)環(huán)境功能以及水利工程的影響，提出全國水生態(tài)分區(qū)指標(biāo)體系，以及分區(qū)的具體方法與步驟。根據(jù)經(jīng)濟(jì)學(xué)中考察居民收入分配的基尼系數(shù)(亦稱洛倫茨系數(shù))，將其應(yīng)用于評價水生態(tài)分區(qū)方案的合理性，同時將評價結(jié)果作為分區(qū)方案調(diào)整與修正的依據(jù)，以各分區(qū)的水資源總量作為基尼系數(shù)的評估指標(biāo)，以各分區(qū)的降雨量、人口密度、NDVI值作為基尼系數(shù)的分配指標(biāo)，通過基尼系數(shù)計算公式，得到水資源量-降雨量的基尼系數(shù)為0.10，水資源量-人口密度為0.40，水資源量-NDVI為0.32，得到最終的水生態(tài)分區(qū)結(jié)果。水生態(tài)區(qū)實行二級區(qū)劃體系，為滿足我國水資源開發(fā)利用和水生態(tài)保護(hù)的宏觀管理和總體布局需要，劃分水生態(tài)一級區(qū)；為滿足區(qū)域或者具體河段水生態(tài)保護(hù)與修復(fù)的管理和措施布設(shè)的需要，劃分水生態(tài)二級區(qū)。水生態(tài)類型區(qū)包括4個一級區(qū)，34個水生態(tài)類型二級區(qū)，其中東部區(qū)13個，中部區(qū)10個，西北區(qū)6個，西南區(qū)5個。全國水生態(tài)分區(qū)方案為全國生態(tài)保護(hù)與建設(shè)規(guī)劃、維護(hù)區(qū)域生態(tài)安全、促進(jìn)社會經(jīng)濟(jì)可持續(xù)發(fā)展提供科學(xué)依據(jù)，并為環(huán)境管理和決策部門提供管理信息和管理手段。

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Establishment of aquatic ecosystem divisions based on the environmental Gini coefficient in China

JIANG Yan1,*, ZENG Zhaojing2, ZHANG Jianyong2

1ChinaInstituteofWaterResourcesandHydropowerResearch,Beijing100038,China2WaterResourcesandHydropowerPlanningandDesignGeneralInstitute,MWR,Beijing100011,China

The division scheme discussed in this study is based on the characteristics and spatial distribution of aquatic ecosystems; the scheme takes into account natural geographic features, water resources, hydrological characteristics, ecosystem functions, environmental and socio-economic conditions, and the impact of water conservancy projects on watersheds. It is based on divisions within China based on natural geography, ecological function, water resources, and water functions. This study proposes the establishment of national water eco-region divisions, including an indexing system, specific methods for establishment of divisions, and a sequence of steps for dividing water eco-regions. This study also divided watersheds nationwide into various water eco-regions, which were subsequently evaluated and verified using economic test procedures. The proposed water eco-regions would provide a viable basis for the comprehensive utilization of water resources, ecological protection, and economic and social development, for general planning of nationwide watersheds. There are three landforms extending from west to east in China, together with a dry and wet area stretching from the northwest to the southeast. Water eco-regions take into account existing physical geography, climate, water resources, and ecological conditions, as well as national ecological function zoning and water districts. From the perspective of systems analysis, we propose an indicator system that includes three layers, namely target, feature, and index layers; these provide a reflection of the spatial distribution of regional natural geographical and climatic conditions, water resources, aquatic ecosystems, human activities, the layout of economic and social structures, and ecological differences. The index layer included 11 indices; the key indicators among these for division of water eco-regions are landform, vegetation cover, and depth of annual runoff. A set of secondary indicators was used to adjust and correct the preliminary subdivisions; this included altitude, the status of aquatic systems, important protected species, the distribution of rivers and lakes, the location of reservoirs, administrative divisions, population density, and the distribution of large cities. The Gini coefficient (also known as the Lorenz factor) for economic income distribution was applied to evaluate the rationality of the proposed aquatic ecosystems division scheme. The eco-region scheme was adjusted and corrected according to evaluation results. The method took into account total water resources of each eco-region as an evaluation index, as well as rainfall, population density, and the NDVI value of each eco-region as distribution indices; these were used to verify the division schemes using the Gini coefficient and Lorenz curves. Results indicated that the division scheme was reasonable when the Gini coefficient for water resources and amount of rainfall was 0.10, when the coefficient for water resources and population density was 0.40, and when that for water resources and NDVI was 0.32. We propose a two-grade eco-region division system for national aquatic ecosystems. This includes four first-grade aquatic eco-regions, namely the east eco-region, middle eco-region, northwest eco-region, and southwest eco-region. These serve macro-economic management purposes, as well as fulfilling overall layout needs for the development and utilization of water resources and aquatic ecosystems protection. Based on water resource management and facilities for ecological protection and restoration in watersheds, 34 second-grade aquatic eco-regions are proposed, including 13 in the east eco-region, 10 in the middle eco-region, 6 in the northwest eco-region, and 5 in the southeast eco-region. The proposed national water eco-division scheme provides a scientific basis for national ecological protection and construction planning, for maintaining regional ecological security and promoting sustainable social and economic development, and for providing management information and tools for environmental management and decision-making departments.

aquatic ecosystem, water eco-region division, indexing system, Gini coefficient, Lorenz curve

國家自然科學(xué)基金(50709033);中國水利水電科學(xué)研究院專項(水功能區(qū)限制納污紅線制度建設(shè)對策與措施)

2013- 06- 09;

2014- 10- 13

10.5846/stxb201306091529

*通訊作者Corresponding author.E-mail: jiangyan@iwhr.com

蔣艷，曾肇京，張建永.基于基尼系數(shù)的中國水生態(tài)分區(qū)研究.生態(tài)學(xué)報,2015,35(7):2177- 2183.

Jiang Y, Zeng Z J, Zhang J Y.Establishment of aquatic ecosystem divisions based on the environmental Gini coefficient in China.Acta Ecologica Sinica,2015,35(7):2177- 2183.