漁洞水庫徑流區生態清潔型小流域建設時空優化對策研究

摘 要：根據生態清潔型小流域建設理念，文章在漁洞水庫徑流區生態環境狀況及污染源調查的基礎上，開展流域重要生態功能區、生態敏感區的評價識別，通過建立綜合評價函數，運用GIS空間分析技術對漁洞水庫徑流區進行重要生態保護區劃分，最終提出“分級、分區、分期”的時空優化對策，為生態清潔型小流域建設重點工程布設和實施時序提供技術參考。

關鍵詞：生態清潔型小流域；重要生態功能；生態敏感性；時空優化；漁洞水庫

1 概述

經濟社會的快速發展使江河湖泊水體污染、生態系統不斷退化的環境問題日益突出，對區域的可持續發展造成嚴重影響。近年來生態清潔型小流域建設理念充分體現了流域系統性治理特點，其提倡以水源保護為核心，以流域資源環境承載力為基礎，遵循生態優先的原則，堅持“山水田林路”統一規劃，治污與生態修復相結合，通過調整人類活動和布局，建立生態環境良性循環的流域生態系統，使流域內水土資源得到有效保護、合理配置和高效利用，最終實現人與自然和諧、人口、資源、環境協調發展[1]。基于這一生態清潔型小流域全新的治理理念，進一步開展流域重要生態功能區、生態敏感區及脆弱區的評價識別，并結合污染源構成及分布特征調查，提出“分區、分期、分級”的時空優化對策，將對流域污染治理和生態建設工程的優化布設和實施時序提供技術參考。

2 研究方法

本研究基于昭通漁洞水庫徑流區環境狀況的系統調查，通過開展流域生態系統敏感性、生態功能重要性評價，運用GIS技術將重要的生態功能區、生態敏感區、重點污染分布區進行空間疊加分析，以流域水環境保護為核心，結合漁洞水庫徑流區生態清潔小流域綜合治理需要，提出漁洞水庫徑流區“分區、分期、分級”的時空優化策略。

3 研究內容

3.1 研究區概況

漁洞水庫徑流區位于昭通市昭陽區西北部，徑流區面積709.06km2。受喜馬拉雅山運動強烈影響，徑流區地質構造較為復雜。在地質上地層發育較全，從古生代到新生代均有出露。地質以玄武巖分布最廣，庫區內有少量石灰巖出露，受水系發育影響，河谷深切，溝壑縱橫交錯，受河流、沖溝的切割，徑流區地形地貌復雜多樣，面積分別占流域總面積的28.1%、26.0%、22.1%、17.0%。徑流區屬北亞熱帶高原季風氣候，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。受山脈不規則分布影響，據現場踏勘統計，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。徑流區植物區系屬“中國-喜馬拉雅森林植物亞區”中的“滇中高原小區”，區內有種子植物98科，299屬、約521種，現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。漁洞水庫徑流區水土流失面積為410.46km2，占流域面積的57.89%，主要以中度侵蝕和輕度侵蝕為主。

從行政區劃看，漁洞水庫徑流區涉及昭通市昭陽區、魯甸縣、永善縣的9個鄉鎮、33個行政村，主要以農業人口為主，徑流區土地利用類型51.35%為耕地，約30.18%為有林地，徑流區林業用地面積過少，與水源保護區基本要求之間存在較大差距。

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

3.2 研究區重要生態保護區識別

3.2.1 漁洞水庫徑流區重要生態功能區識別

針對漁洞水庫徑流區生態環境狀況分析，其生態功能重要性評價因子包括包括土壤保持功能、水源涵養功能。

（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。

模型結構：Ac=Ap-Ar=R×K×L×S×（1-C）[3]

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）功能進行分類（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，漁洞水庫徑流區土壤保持功能重要性極高的區域主要分布在魯甸縣龍樹鎮、新街鎮及水磨鎮東部山區，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域主要呈現植被覆蓋率較低、坡度較陡，土壤侵蝕性強的特點，是徑流區產生水土流失污染較大的區域，這些區域是流域重要的水土保持強化區，生態空間管控中應根據重要性程度采取分類分級的保護策略。

（2）水源涵養功能重要性評價

評價方法：降水和蒸散的水量分解模型法：

WY=P-ET

式中：WY為地表總產水量，作為水源涵養服務能力的代用指標；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量；ω為下墊面（土地覆蓋）影響系數，依據土地利用類型取值（表1）。該方法采用了高度概化的地表覆蓋因子，因此，需要對評價結果做不確定性分析和參數敏感性分析，以確保結果的可靠性。

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水量的柵格圖層，采用GIS軟件Quantile（分位數）功能進行分類（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，漁洞水庫徑流區水源涵養功能重要性極高的區域主要分布在昭陽區蘇甲鄉，涉及瓜寨村、布初村等；魯甸縣新街鎮的轉山包、新街村、酒房村；龍樹鎮的照壁、新樂；水磨鎮的新棚村、鐵廠村等。水源涵養功能重要性較高的區域土壤條件好，植被覆蓋度高，坡度較為平緩，具有較強的水源涵養功能，但由于人類活動范圍的擴張與生產生活的干擾，對水源涵養功能產生影響。

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

3.2.2 漁洞水庫徑流區生態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，并根據徑流區的實際參考相關研究成果對分級評價標準作相應的調整。將反映各因素對水土流失敏感性的單因子分布圖，用地理信息系統技術進行乘積運算，公式如下：

式中：SSi為i空間單元水土流失敏感性指數，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）。不同評價因子對應的敏感性等級值見表2。

根據水土敏感性評價模型計算，評價結果按表2進行分級并通過GIS進行空間分析賦值，得到漁洞水庫徑流區水土流失敏感性分布圖。

漁洞水庫徑流區土壤敏感性總體水平較高，統計結果具體為：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 漁洞水庫徑流區污染分布

根據污染源調查，漁洞水庫整個徑流經濟區以種植業為主，農業農村面源是徑流區的主要污染類型。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，占入庫總量的26%，其次是水磨鎮；TN的主要來源是農田化肥流失、人畜糞便、水土流失，主要分布在水磨鎮、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，主要分布在龍樹鎮和水磨鎮，均占入庫總量的24%；氨氮的主要來源是人畜糞便、農田固廢和生活垃圾，主要分布在龍樹鎮，占入庫總量的25%。總體來看，徑流區上游的龍樹鎮、水磨鎮和新街鎮產生的污染負荷是整個徑流區主要污染分布區域。

3.2.4 重要生態保護區和污染防控區綜合分析

漁洞水庫徑流區重要生態保護分區將基于重要生態功能區及生態敏感區的識別，采用綜合函數進行評價，即生態保護重要性用V表示：

其中：V1為生態功能重要性，V2為生態脆弱及敏感性。

生態保護重要性評價等級劃分分級標準見表3。

根據公式（1）及生態保護重要性評級等級劃分標準，采用GIS空間分析技術，將生態保護重要性評價結果落實到漁洞水庫徑流區空間地塊。

經統計分析，漁洞水庫徑流區重要的生態保護區面積為168.31km2，其中較重要的區域面積為148.67km2，占徑流區面積的20.94%，極重要的區域面積為19.64km2，占徑流區面積的2.77%。從空間布局來看，徑流區重要的生態保護區主要分布在龍樹鄉、新街鄉、水磨鎮、大山包鄉、蘇甲鄉。結合徑流區污染分布情況，龍樹鄉、水磨鎮、新街鄉、蘇甲鄉同時是徑流區主要污染源分布區。通過綜合評價，漁洞徑流區內的龍樹鎮、新街鎮、水磨鎮、蘇甲鄉是開展生態清潔型小流域的重點優先建設區，此外基于單要素評價中的土壤保持、水源涵養、水土流失敏感的重點分布區將是集中進行專項水土流失治理、生態涵養建設的針對性區域。（詳見圖1和表4）

3.3 研究區生態建設時空優化對策

漁洞水庫徑流區生態功能重要性、生態敏感性以及生態保護重要性綜合評價等級的劃分與分布結果為徑流區開展生態清潔型小流域建設進行時空優化布置提供了技術支撐，本研究依據漁洞水庫徑流區具體到地塊的重要性和敏感性評價結果，以徑流區小流域為單元，提出“分期、分區、分級”的綜合治理策略，分為兩期生態建設時空策略建議：

（1）I期

建設區域：I期生態建設主要針對評價等級為極重要或極敏感，同時為徑流區重要污染源分布區。根據識別，布設I期生態清潔型小流域建設工程的區域為龍樹鄉塘房、照壁、新樂村村區域內的木瓜沖小流域、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；水磨鎮水磨村、黑嚕村的瓦窯沙溝小流域、黑嚕小河小流域；新街鎮的李家河、母豬溪小流域；蘇甲鄉坪地營大木橋河流域；大山包鎮車路村、大寨子雨霏村坡耕地區域；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。

環境問題：農業生產生活較集中，人為活動頻繁，流域水土流失嚴重，生態環境脆弱，農業農村面源污染問題突出，由于缺乏整體系統性規劃，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，采取水利工程與生態修復相結合的治理方案，通過攔沙壩建設工程、河道清淤清雜工程、河堤加固生態建設工程、谷坊建設工程布設改善河道的水力侵蝕影響，進一步減少泥沙入庫量。經測算60.27km2水土流失高度敏感區中分布有基本農田、坡耕地、荒山區、灌木林新幼林區，通過實施中低產田改造、退耕還林及人工造林、封山育林等生態修復措施的實施，將有效減少小流域的水土流失面積，進一步改善水土流失狀況，其中位于水土流失敏感區的基本農田應加強治水、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，進一步減少農田面源污染。其中大山包車路村、大寨子根據當地的生態條件，實施退耕還草工程。在水庫100米庫濱敏感區修建物理和生物隔離設施，形成以喬木、灌木和草本植物合理配植的方式構成一道復合型的生態屏障，防止人畜活動對水源保護和管理的干擾，攔截污染物直接進入水體，保障飲水安全。

（2）II期

建設區域：II期生態建設主要針對評價等級為較重要或較敏感，同時為徑流區主要污染源分布區。根據識別，布設II期生態清潔型小流域建設工程的區域為蘇甲鄉瓜寨河流域、居樂河流域、布初河流域、魚壩河流域；新街鎮新街小河流域、酒房小河流域；水磨鎮關山小河流域、鐵廠小河流域、納黑租流域。

環境問題：土地利用以林地和耕地為主，坡耕地廣泛分布，農業生產生活集中，人為活動頻繁，流域生態環境脆弱，農業農村面源污染問題突出。

治理策略：以水源涵養林生態維護與建設為主，強化水土流失治理和農業產業結構調整與污染防治。水源涵養林生態維護與建設主要通過因地制宜、有計劃有步驟的進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、低質林改造等，提高徑流區森林覆蓋率，增強徑流區水源涵養能力，減少徑流區水土流失面積；優化農業產業結構布局，改變現有農業廣種薄收模式，通過推廣科學施肥，實現減污不減收；進一步加強小流域綜合治理，采用水利工程與生態修復相結合的治理方案，通過實施水土保持、河道綜合整治與河口濕地建設等系列工程，全面控制流域內中強度侵蝕區水土流失、減少入湖河道泥沙含量、削減污染物入庫量。

4 結束語

（1）本研究中重要生態保護區的識別，主要基于重要生態功能評價和生態敏感性評價，采用簡單綜合函數模型進行綜合判別，模型函數權重的確定主要根據專家經驗判斷，存在主觀認識的偏差。在今后的研究中可以區域多年歷史數據為樣本，采用相關性分析、主成分分析、灰色系統理論等數理統計方法，輔以專家經驗判斷確定模型函數，進一步減小研究量化結果與現實世界的偏差。

（2）本研究評價標準分級主要采用GIS軟件Quantile（分位數）功能進行簡單分類分級，其目的主要為初步識別分區分級的差異性，其客觀性與科學性需要在今后進一步深入研究，甄別確定。

（3）隨著計算機技術的發展，近年來基于GIS技術的生態系統評估模型快速發展，例如InVest模型、ARIES模型、MIMES模型等，這些模型采用多層級設計，可以對生態系統進行多尺度、多情境的綜合評價，在今后研究中方法學上可進一步擴充和深入，提高評估的精準性，為區域生態建設規劃提供更為精細的技術參考。

參考文獻

[1]祁生林，韓富貴，楊軍，等.北京市生態清潔小流域建設理論與技術措施研究[J].中國水土保持，2010（3）：18-20.

[2]云南省環境科學研究院.昭通市漁洞水庫水資源保護專項整治規劃（2015-2020年）[Z].2014.

[3]環保部.國家生態保護紅線-生態功能紅線劃定技術指南（試行）[Z].2014，1.