流域水生態(tài)功能管理區(qū)決策支持系統(tǒng)設計

胡順強，胡卓瑋*，李澤琪，李 夢，史巖巖

（1. 首都師范大學 資源環(huán)境與地理信息系統(tǒng)北京市重點實驗室，北京 100048；2.首都師范大學 三維信息獲取與應用教育部重點實驗室，北京 100048）

流域水生態(tài)功能管理區(qū)決策支持系統(tǒng)設計

胡順強1,2，胡卓瑋1,2*，李澤琪1,2，李 夢1,2，史巖巖1,2

（1. 首都師范大學 資源環(huán)境與地理信息系統(tǒng)北京市重點實驗室，北京 100048；2.首都師范大學 三維信息獲取與應用教育部重點實驗室，北京 100048）

應用ArcGIS Engine10.1開發(fā)工具包，在Visual Studio 2010開發(fā)環(huán)境下，完成了流域水生態(tài)功能管理區(qū)決策支持系統(tǒng)的設計與開發(fā)。該系統(tǒng)將流域水生態(tài)功能管理區(qū)劃分成聯(lián)合管理﹑獨立管理和委托管理等子單元；并通過對子單元的水生態(tài)系統(tǒng)健康進行評價，將子單元的水生態(tài)系統(tǒng)受損程度分為好﹑中﹑差3類，以差異化的水環(huán)境管理方法為流域水生態(tài)功能管理決策和實施提供支持，有助于流域管理主體建立基于水生態(tài)功能的水質目標管理體系。

流域水生態(tài)功能管理區(qū)；水生態(tài)系統(tǒng)；管理決策；流域水資源

近年來，國內與水生態(tài)功能分區(qū)相關的研究成果日益增多[1-2]，基于水生態(tài)功能管理分區(qū)的水環(huán)境管理理念也逐步被人們所接受，功能管理區(qū)是區(qū)域性環(huán)境管理的重要手段[3-7]。水生態(tài)系統(tǒng)健康評價是實施流域水生態(tài)綜合管理的重要基礎[8]。20世紀80年代，河流管理和保護開始從目標單一的水質保護轉向河流水環(huán)境綜合管理和流域水生態(tài)系統(tǒng)恢復，隨之出現(xiàn)了生物完整性指數(shù)[9]﹑河流無脊椎動物預測和分類系統(tǒng)[10]等河流健康監(jiān)測和評價方法。20世紀90年代，美國啟動了環(huán)境監(jiān)測評價計劃[11]。

在研究水生態(tài)功能管理區(qū)劃分原則與方法的基礎上，本文提出了一種將水環(huán)境保護與行政管理功能相結合的流域水生態(tài)功能區(qū)劃概念。水生態(tài)功能管理區(qū)的劃分不再根據(jù)常規(guī)的流域邊界，而是結合河流流經地區(qū)的行政管控邊界，采用GIS的空間疊加與流域水系分布﹑流域匯水區(qū)﹑居民點分布﹑重點主體功能分區(qū)數(shù)據(jù)的多準則條件判斷方法相結合的技術，實現(xiàn)以省﹑市﹑縣為主體的三級水生態(tài)功能管理區(qū)。采用多指標綜合評價法對水生態(tài)功能管理區(qū)劃分完成的水生態(tài)系統(tǒng)健康進行評價；通過對監(jiān)測點所獲得的一系列生物﹑水質和生態(tài)系統(tǒng)結構和功能參數(shù)進行全面客觀地評價，為流域水生態(tài)功能管理區(qū)管理目標確定和方案制定提供參考。

1 水生態(tài)功能管理區(qū)劃分方法及健康評價體系

1.1 水生態(tài)功能管理區(qū)劃分方法

水生態(tài)功能管理區(qū)通過將水生態(tài)功能分區(qū)與行政區(qū)劃進行疊加，獲得具有唯一行政區(qū)屬性和水生態(tài)功能屬性的初步劃分區(qū)域單元。依據(jù)與流域的關系，初步劃分區(qū)域單元可分為獨立管理子單元﹑聯(lián)合管理子單元和委托管理子單元。獨立管理子單元是存在于單個行政單元內的﹑大面積的﹑流域完整的管理子單元。聯(lián)合管理子單元是為保證流域完整性，將同一個流域內包含的多個管理子單元合并為一個聯(lián)合管理區(qū)，由相關的行政單元聯(lián)合管理，各管理子單元為聯(lián)合管理子單元。委托管理子單元是指行政單元內不存在相同類型的管理子單元且面積較小的管理子單元，在不分割流域完整性的情況下，委托給相鄰的同類型管理子單元進行統(tǒng)一管理。

由于行政邊界與流域自然邊界的差異性，子單元的劃分無法保障流域的完整性，且一個行政單元通常被劃分為多個零散的子單元不利于行政管理。因此，在子單元劃分的基礎上，根據(jù)流域水系分布﹑流域匯水區(qū)與子單元的水系相關性進行歸類合并，獲得聯(lián)合管理子單元；再根據(jù)水生態(tài)功能管理區(qū)的面積占比﹑GDP占比﹑人口占比，水生態(tài)功能管理區(qū)和居民點分布以及重點主體功能分區(qū)數(shù)據(jù)的空間關系來判別獨立管理子單元和委托管理子單元，劃分流程如圖1所示。

1.2 水生態(tài)系統(tǒng)健康評價體系

采用多指標綜合評價法對已劃分的水生態(tài)功能管理區(qū)進行水生態(tài)系統(tǒng)健康評價，依據(jù)評價結果來確定其水生態(tài)系統(tǒng)的受損程度，并將受損程度分為好﹑中﹑差3類。水生態(tài)系統(tǒng)健康評價指標主要由水質評價﹑生境評價和生物評價組成。

水生態(tài)系統(tǒng)健康綜合評價采用綜合指數(shù)法，將水質評價﹑生境評價和生物評價指標加權求和，構建綜合評估指數(shù)WQI，以表示水環(huán)境整體的質量狀況。

圖1 水生態(tài)功能管理區(qū)劃分技術路線圖

式中，xi為評價指標分值；wi為評價指標權重。

在綜合評價時，水質指標﹑生境指標和生物指標（大型底棲動物指標﹑著生藻類指標）的分值及權重如表1所示。

表1 水生態(tài)環(huán)境綜合評價指標分值及權重

根據(jù)WQI結果，將水生態(tài)環(huán)境質量受損程度分為好﹑中﹑差3類，具體指數(shù)分值和分級見表2。

表2 水生態(tài)環(huán)境質量受損程度分級標準

1.2.1 水質評價

根據(jù)水質濃度所在區(qū)間，求取其水質類別及相應分值。參照GB 3838-2002《地表水環(huán)境質量標準》[12]基本項目標準限值，根據(jù)不同功能分區(qū)水質類別的標準限值，進行單因子評價（其中水溫和PH不作為評價指標）；再根據(jù)水質類別等級進行賦分，賦分標準見表 3。限制水質參數(shù)個數(shù)：最多選擇5項，最少選擇1項，對于多項水質，以其算數(shù)平均值為水質評價值。

表3 水質指標評價等級

1.2.2 生境評價

建立物理生境等級對照，評價參數(shù)由底質﹑棲息地復雜性﹑流速度結合特性﹑河岸穩(wěn)定性﹑河道變化﹑河水水量狀況﹑植被多樣性﹑水質狀況﹑人類活動強度﹑河岸土地利用類型10個指標構成。根據(jù)10個生境監(jiān)測項目得分之和所在的區(qū)間，得到其生境類別及分值。各參數(shù)分值范圍均為0～20，分為4個評價等級。棲息地生境質量以H表示，各監(jiān)測斷面生境總分由10個參數(shù)分值累加計算H，分級評價標準見表4。

表4 棲息地生境質量的分級評價標準

1.2.3 生物評價

生物評價選取在國內多類水體中應用過的生物完整性指數(shù)（IBI），經常使用的生物類群為大型底棲動物及藻類。IBI指數(shù)評價等級及其對應的賦分標準，見表5。

表5 IBI指數(shù)的分級評價標準

2 系統(tǒng)框架設計

根據(jù)水生態(tài)功能管理區(qū)的劃分方法和水生態(tài)系統(tǒng)健康評價體系，結合GIS空間關系和空間分析的多準則條件，采用C#+ArcGIS Engine的開發(fā)方式，對管理區(qū)進行劃分，并運用多指標評價法進行水生態(tài)系統(tǒng)健康評價分類。

系統(tǒng)構建在.NET體系結構上，具備4層體系結構，如圖2所示。用戶層：系統(tǒng)為使用人員進行展示。邏輯層：提供基礎的應用服務，中間層包括數(shù)據(jù)加載﹑管理區(qū)劃分﹑管理區(qū)分類﹑地圖整飾與輸出等。數(shù)據(jù)層：主要包括縣級行政區(qū)劃數(shù)據(jù)﹑流域匯水分布圖數(shù)據(jù)﹑居民區(qū)分布圖數(shù)據(jù)﹑重點主體功能區(qū)數(shù)據(jù)和水生態(tài)功能三級分區(qū)數(shù)據(jù)。系統(tǒng)層：主要包括系統(tǒng)搭建所需的軟硬件平臺，如客戶端硬件配置﹑系統(tǒng)運行軟件環(huán)境等。

圖2 系統(tǒng)體系框架

3 系統(tǒng)功能設計與實現(xiàn)

3.1 系統(tǒng)功能設計

系統(tǒng)總體采用模塊化設計，分為4個主要功能模塊：數(shù)據(jù)加載﹑管理區(qū)劃分﹑管理區(qū)分類﹑地圖整飾與輸出模塊，總體功能見圖3。

圖3 系統(tǒng)主體功能模塊

3.2 關鍵模塊的實現(xiàn)

3.2.1 管理區(qū)劃分

水生態(tài)功能管理區(qū)主要是將水生態(tài)功能三級分區(qū)與縣級行政區(qū)劃進行矢量疊加，使用了矢量分析中的標識疊加Identify功能。在水生態(tài)功能管理區(qū)中，面積較小的區(qū)域無獨立管理價值，在進行管理區(qū)劃分前需對碎部面進行處理，以行政區(qū)劃為基準，將面積小于5 km2的碎部面合并給相鄰的同屬一個行政區(qū)的管理區(qū)。疊加后的結果及局部碎部面處理結果如圖4所示。

圖4 疊加及局部碎部面處理結果（審圖號：GS(2008)1304）

水生態(tài)功能管理區(qū)功能實現(xiàn)的相關部分代碼為：

AnalysisTools.Identity pIdentity = new AnalysisTools. Identity(); ‘水生態(tài)功能三級分區(qū)和縣級行政區(qū)劃數(shù)據(jù)進行標識疊加

query.WhereClause = ″Shape_Area＜5″; ‘選擇面積小于5 km2的要素

while (pff != null) ‘面積小于5 km2的要素

query1.WhereClause = ″Shape_Area>5″; ‘選擇面積大于5 km2的要素

IFeature pff1 = fec1.NextFeature(); ‘面積大于5 km2的要素

IRelationalOperator re = pff.Shape as IRelationalOperator;

if (re.Touches(pff1.Shape)) ‘判斷碎部面與面積大于5 km2的面相交

if (pff1.get_Value(i).ToString() == pff.get_Value(i). ToString()) ‘行政區(qū)劃屬性相同判斷

pUnionGeo = pTopoOperator2.Union(pGeometry); ‘進行合并

水生態(tài)功能管理區(qū)劃分首先需根據(jù)流域水系相關性人工判斷聯(lián)合管理子單元。聯(lián)合管理子單元的劃分需依據(jù)匯水區(qū)分布圖，一般而言匯水區(qū)內均包含相對完整的水系，然而其會與多個管理子單元相交，因此首先需選擇與其相交的多個管理子單元；若上述多個管理子單元合并對匯水區(qū)的完整性產生破壞，則對相鄰的匯水區(qū)采用相同操作，將多個匯水區(qū)對應的管理子單元進行合并，然后再次判斷匯水區(qū)及水系的完整性；最后，當選中的管理子單元能滿足匯水區(qū)及水系的完整性時，則將合并后的管理區(qū)類型修改為聯(lián)合管理區(qū)，如圖5所示。

圖5 局部劃分的聯(lián)合管理區(qū)（審圖號：GS(2008)1304）

聯(lián)合管理子單元判斷完成后，再利用水生態(tài)功能管理區(qū)的GDP占比大于0.5，人口占比大于0.5，面積占比大于0.5，與居民點分布圖包含﹑重點主體功能分區(qū)數(shù)據(jù)相交等多準則條件輔助進行獨立管理子單元和委托管理子單元的判別，只要滿足上述5個條件之一，即為獨立管理子單元。圖6為獨立和委托管理子單元判別的功能界面，圖7為管理區(qū)劃分后的結果。

圖6 獨立和委托管理子單元劃分功能界面

管理區(qū)劃分功能相關部分代碼為：

‘聯(lián)合管理子單元劃分

IFeature pNewFeature = featureLayer.FeatureClass. CreateFeature(); ‘創(chuàng)建一個新要素

while (pFeature != null) ‘選擇與流域水系相關的要素pUnionGeo = pTopoOperator2.Union(pGeometry); ‘合并‘獨立和委托管理子單元劃分

圖7 管理區(qū)劃分結果（審圖號：GS(2008)1304）

queryf.WhereClause = ″GDP占 比 >″ + Convert. ToDouble(textBox4.Text) + ″ Or 人 口 占 比 >″ + Convert. ToDouble(textBox2.Text) + ″ Or 面 積 占 比 >″+Convert. ToDouble(textBox3.Text) + ″″; ‘GDP占比、人口占比、面積占比屬性的判斷條件

pFeature.set_Value(z, ″獨立管理子單元″); ‘將符合上述3 個屬性判斷的條件，子單元設為獨立管理子單元

spatialFilter2.SpatialRel = esriSpatialRelEnum. esriSpatialRelOverlaps; ‘包含關系

spatialFilter2.SpatialRel = esriSpatialRelEnum. esriSpatialRelIntersects; ‘相交關系

pf2.set_Value(i, ″委托管理子單元″); ‘上述條件都不滿足，子單元設為委托管理子單元

3.2.2 管理區(qū)分類

水生態(tài)系統(tǒng)健康評價分類由水質評價﹑生境評價和生物評價的結果加權求和得到。通過監(jiān)測點所獲得的一系列生物﹑水質和生態(tài)系統(tǒng)結構和功能參數(shù)對某一劃分好的管理子單元進行水生態(tài)系統(tǒng)健康評價，并將評價結果寫入管理子單元屬性中。圖8為水生態(tài)健康評價分類功能及評價結果主界面。

圖8 水生態(tài)健康評價分類功能及評價結果

水生態(tài)系統(tǒng)健康評價分類功能相關部分代碼為：

waterValue = calculateWater(); ‘水質評價結果函數(shù)

shengwuValue = calculateShengwu(); ‘生物評價結果函數(shù)

shengjingValue = calculateShengjing();‘生境評價結果函數(shù)

zongheValue = waterValue * f1 + shengwuValue * f2 + shengjingValue * f3; ‘加權平均求和

4 結 語

系統(tǒng)實現(xiàn)了對管理區(qū)的劃分和水生態(tài)系統(tǒng)健康評價的分類。在水生態(tài)功能分區(qū)的基礎上，綜合考慮特定地區(qū)水環(huán)境管理的行政區(qū)劃和社會經濟條件等制約因素，劃分水生態(tài)管理區(qū)，并根據(jù)健康評價狀況，確定水生態(tài)管理區(qū)類別，可為水環(huán)境管理中建立基本的區(qū)域控制體系奠定基礎，搭建水生態(tài)功能分區(qū)與水生態(tài)目標管理之間的技術橋梁，將為制定綜合流域生態(tài)系統(tǒng)管理策略和水生態(tài)保護目標提供關鍵技術手段。

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P208

B

1672-4623（2017）09-0045-04

10.3969/j.issn.1672-4623.2017.09.015

2016-07-12。

項目來源：國家水體污染控制與治理科技重大專項資助項目（2012ZX07501－001）；國家自然科學基金資助項目（41301468）；國家科技支撐計劃資助項目（2013BAC03B04）。

（*為通訊作者）

胡順強，碩士研究生，研究方向為地理信息系統(tǒng)設計與研發(fā)。