基于格網(wǎng)GIS的流域水生態(tài)承載力評價研究

摘要：文章運用綜合指標(biāo)評價法，以南京高淳西部圩區(qū)為例，基于格網(wǎng)GIS為評價單元，從水生態(tài)敏感性、脅迫性兩方面各選取了3個指標(biāo)對高淳西部圩區(qū)進行水生態(tài)承載力現(xiàn)狀評價，并用k-均值聚類分析進行分類。結(jié)果表明：區(qū)域水生態(tài)敏感性“高”“較高”“中等”“較低”和“低”5個等級分別占研究區(qū)總面積的7.47%，10.43%，34.05%，42.90%和4.85%，區(qū)域水生態(tài)壓力“高”“較高”“中等”“較低”和“低”5個等級分別占研究區(qū)總面積的6.08%，2.81%，0.41%，69.44%和21.26%，并制定了差別化的空間管控措施。本研究主要貢獻了一套易于在小尺度視角下對格網(wǎng)單元進行生態(tài)承載力現(xiàn)狀分析的方法，同時為其他區(qū)域水生態(tài)承載力研究提供案例。

關(guān)鍵詞：格網(wǎng)；GIS；水生態(tài)承載力；高淳西部圩區(qū)

中圖分類號：X522" 文獻標(biāo)志碼：A

0 引言

隨著人與自然矛盾不斷加劇，生態(tài)承載力研究從單一領(lǐng)域逐漸擴展延伸到多個領(lǐng)域的交叉與綜合研究［1］，研究內(nèi)容多集中在概念分析［2-4］、能力評價［5-6］、模型應(yīng)用［7-8］、能力提升［9-10］、量化技術(shù)［11］、監(jiān)測預(yù)警［12-13］等方面。水資源是人類社會賴以生存和發(fā)展的重要物質(zhì)基礎(chǔ)，在水網(wǎng)圩區(qū)，水生態(tài)承載能力是影響區(qū)域生態(tài)環(huán)境保護和社會經(jīng)濟協(xié)同發(fā)展的重要自然因子之一［14-15］。目前，有關(guān)水網(wǎng)圩區(qū)水生態(tài)承載力與生態(tài)環(huán)境保護和社會經(jīng)濟協(xié)同發(fā)展的研究相對較少，而“十四五”時期重點流域水生態(tài)環(huán)境保護將更加注重生態(tài)要素，因此，典型水網(wǎng)圩區(qū)水生態(tài)承載力的研究具有重要意義。

1 研究區(qū)域與方法

1.1 研究區(qū)域概況

高淳西部圩區(qū)地處江蘇省南京市高淳區(qū)西南端，位于長江經(jīng)濟帶、長三角一體化、寧杭生態(tài)經(jīng)濟帶、寧宣黃成長帶的重要戰(zhàn)略交匯點，下轄陽江鎮(zhèn)、磚墻鎮(zhèn)共2個鎮(zhèn)，總面積207.04 km2，占高淳全區(qū)總面積的26.19%。圩區(qū)由“外河-內(nèi)河-溝渠-圩田”四級水系勾連互通，水域面積達44.10 km2，占高淳區(qū)總水域面積的44.35%，主要包括固城湖以及水陽江、運梁河、官溪河、港口河、橫溪河、獅樹河、磚墻河、撐龍河、扁擔(dān)河等河道，水系直通長江黃金水道和通連太湖蘇南水網(wǎng)，是典型的平原水網(wǎng)圩區(qū)（見圖1）。與太湖溇港圩田等同類型圩田相比，高淳西部圩區(qū)觀賞價值更高，是世界級的自然與文化活態(tài)遺產(chǎn)，人均生態(tài)系統(tǒng)生產(chǎn)總值高于高淳區(qū)整體水平。2020年，高淳西部圩區(qū)實現(xiàn)地區(qū)生產(chǎn)總值58.92億元，僅為高淳區(qū)平均水平的約1/2。“十三五”期間，圩區(qū)第一產(chǎn)業(yè)占比呈上升趨勢，其中漁業(yè)占比最高，蝦蟹是其支柱行業(yè)，水產(chǎn)養(yǎng)殖規(guī)模達103.4 km2。2020年，圩區(qū)12個主要水體水質(zhì)監(jiān)測斷面中，Ⅲ類及以上水質(zhì)斷面有7個。

1.2 評價方法

通過實地調(diào)查高淳西部圩區(qū)自然生態(tài)環(huán)境現(xiàn)狀，收集研究區(qū)域范圍內(nèi)地形地貌、水環(huán)境質(zhì)量、洪澇災(zāi)害、鄉(xiāng)鎮(zhèn)經(jīng)濟、人口等屬性數(shù)據(jù)，通過ArcGIS軟件對于地圖數(shù)據(jù)進行配準(zhǔn)、數(shù)字化、誤差修正，建立空間屬性數(shù)據(jù)庫（見圖2）。利用ArcGIS軟件的格網(wǎng)分析工具，以100 m×100 m的格網(wǎng)為評價單元，開展綜合評價，經(jīng)過歸并分析，確定高淳西部圩區(qū)水生態(tài)敏感性、壓力性分區(qū)方案［16］。

其中，人口、經(jīng)濟等數(shù)據(jù)要素的評價以鄉(xiāng)（村）行政單元為基礎(chǔ)，通過網(wǎng)格單元進行切分，自然要素的評價以邊界為基礎(chǔ)，采用空間疊置分析法實現(xiàn)評價單元的統(tǒng)一，轉(zhuǎn)換公式如下：

1.3 評價指標(biāo)與權(quán)重

本文主要選取水生態(tài)敏感性和水生態(tài)壓力指標(biāo)反映高淳西部圩區(qū)自然經(jīng)濟社會等特征。其中，水生態(tài)敏感性反映水生態(tài)系統(tǒng)的安全等級，敏感程度越高，對空間開發(fā)的約束性越強［17-21］。水生態(tài)壓力則反映人類活動對水生態(tài)系統(tǒng)的脅迫情況，表現(xiàn)在土地開發(fā)強度、人口集聚、經(jīng)濟規(guī)模、污染強度等方面，壓力越大，對水生態(tài)健康構(gòu)成的威脅越大［22-24］。

評價指標(biāo)因子的選取需考慮數(shù)據(jù)穩(wěn)定性、空間尺度性和數(shù)據(jù)可獲取性，避免指標(biāo)重復(fù)評價，以穩(wěn)定的生態(tài)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、功能空間異質(zhì)性環(huán)境驅(qū)動因子作為主要分區(qū)依據(jù)。水生態(tài)敏感性分區(qū)需考慮水生態(tài)重要性、洪澇災(zāi)害易發(fā)性、水體污染風(fēng)險性等方面，評價因子選取生態(tài)空間保護區(qū)域、洪澇災(zāi)害、水質(zhì)目標(biāo)等指標(biāo)進行綜合評價；水生態(tài)壓力分區(qū)需考慮開發(fā)強度、人口密度、污染排放等方面，評價因子選取建設(shè)用地面積占比、單位建設(shè)用地面積的常住人口數(shù)、鄉(xiāng)鎮(zhèn)生活源污染、農(nóng)業(yè)面源污等指標(biāo)進行綜合評價。

本文采用層次分析法（AHP）對其指標(biāo)確定權(quán)重。結(jié)合高淳西部圩區(qū)水生態(tài)的特征，以層次分析法獲得各要素因子初始權(quán)重，向?qū)＜野l(fā)放一定數(shù)量問卷對其重要性進行打分，并開展有效性和收斂分析，直至出現(xiàn)較高的滿意度。在上述工作基礎(chǔ)上，采用熵值法確定各要素因子最終權(quán)重（見表1）。

2 評價結(jié)果

2.1 水生態(tài)敏感性評價

本研究將各評價單元確定的水生態(tài)敏感性綜合指數(shù)采用聚類分析方法劃分為高、較高、中等、較低和低5個等級（見圖3）。

分析結(jié)果顯示，水生態(tài)敏感性高面積為15.46 km2，占高淳西部圩區(qū)總面積的7.47%，主要分布在固城湖水域、固城湖濕地公園核心區(qū)域；水生態(tài)敏感性較高面積為22.21 km2，占高淳西部圩區(qū)總面積的10.73%，主要分布在固城湖濕地公園、固城湖沿湖區(qū)域，以及水陽江、官溪河等主要河流水域；水生態(tài)敏感性中等面積為70.50 km2，占高淳西部圩區(qū)總面積的34.05%，主要分布在磚墻鎮(zhèn)水鄉(xiāng)慢城保護區(qū)、水陽江洪水調(diào)蓄區(qū)及其部分河流水域；水生態(tài)敏感性較低面積為88.83 km2，占高淳西部圩區(qū)總面積的42.90%，主要分布在高淳西部圩區(qū)的北部區(qū)域；水生態(tài)敏感性低面積為10.04 km2，占高淳西部圩區(qū)總面積的4.85%，主要分布在高淳西部圩區(qū)的鄉(xiāng)村集中居住區(qū)域（見表2）。

2.2 水生態(tài)壓力性評價

本文將各評價單元確定的水生態(tài)壓力性綜合指數(shù)采用聚類分析方法劃分為高、較高、中等、較低和低5個等級（見圖4）。

分析結(jié)果顯示，水生態(tài)壓力性高面積為12.60 km2，占高淳西部圩區(qū)總面積的6.08%，主要分布在陽江鎮(zhèn)、磚墻鎮(zhèn)的城鎮(zhèn)集中建設(shè)區(qū)，以及其他鄉(xiāng)村居民集聚區(qū)域；水生態(tài)壓力性較高面積為5.81 km2，占高淳西部圩區(qū)總面積的2.81%，主要分布在固城湖沿岸零散的建設(shè)用地、沿河兩岸的居住區(qū)域；水生態(tài)壓力性中等面積為0.85 km2，僅占高淳西部圩區(qū)總面積的0.41%，主要是固城湖濕地公園核心區(qū)外圍的部分建設(shè)用地；水生態(tài)壓力性較低面積為143.76 km2，占高淳西部圩區(qū)總面積的69.44%，成片分布于鄉(xiāng)村居住地以外的耕地及水圩區(qū)域；水生態(tài)壓力性低面積為44.02 km2，占高淳西部圩區(qū)總面積的21.26%，主要分布在固城湖水域、固城湖濕地公園核心區(qū)域，以及水陽江、官溪河、橫溪河等水域（見表3）。

2.3 分區(qū)域差別化空間管控措施

水生態(tài)高敏感區(qū)：要堅持“在保護中發(fā)展”，重點打造特色生態(tài)農(nóng)業(yè)，發(fā)展綠色休閑旅游業(yè)等，確保生態(tài)環(huán)境安全。統(tǒng)籌實施“三水共治”，加強固城湖飲用水水源地保護，推進河流水質(zhì)達標(biāo)建設(shè)，推進河湖生態(tài)恢復(fù)，全面提升水網(wǎng)圩區(qū)環(huán)境品質(zhì)。

水生態(tài)高壓力區(qū)：要通過提高環(huán)保準(zhǔn)入門檻，推動傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)綠色轉(zhuǎn)型，全面優(yōu)化傳統(tǒng)制造業(yè)體系，構(gòu)建清潔低碳現(xiàn)代能源體系，加快探索碳達峰路徑。不斷改善生態(tài)環(huán)境質(zhì)量，鼓勵通過整治現(xiàn)有污染，減少區(qū)域、流域、行業(yè)污染排放總量，逐步實現(xiàn)水清氣凈。

水生態(tài)敏感性低但水生態(tài)壓力性較高的區(qū)域：要堅持“在發(fā)展中保護”，嚴(yán)守生態(tài)保護紅線，提高資源利用效率，保持環(huán)境質(zhì)量總體平穩(wěn)。重點發(fā)展商務(wù)商貿(mào)、科教研發(fā)、健康服務(wù)等高端服務(wù)業(yè)。

水生態(tài)壓力性低但水生態(tài)敏感性較高的區(qū)域：要禁止高污染高耗能行業(yè)進入，合理控制發(fā)展規(guī)模，提前謀劃生態(tài)環(huán)境保護等基礎(chǔ)設(shè)施。重點發(fā)展以高附加值、低污染為主導(dǎo)的先進制造業(yè)、現(xiàn)代服務(wù)業(yè)和戰(zhàn)略性新興產(chǎn)業(yè)。

3 結(jié)語

高淳西部圩區(qū)屬于長江流域和太湖流域，屬于典型的平原水網(wǎng)圩區(qū)，需要作為保護地進行強制保護的生態(tài)空間占比較大。隨著工業(yè)化城鎮(zhèn)化快速推進，有限的水環(huán)境容量與日益增長的排放需求的矛盾越發(fā)突出，生產(chǎn)與生活、城市與農(nóng)村、工業(yè)與交通環(huán)境污染交織，多領(lǐng)域、多層面、多類型的生態(tài)環(huán)境問題累積疊加，應(yīng)對難度將更大、更煩瑣。

本文基于區(qū)域生態(tài)系統(tǒng)科學(xué)與環(huán)境科學(xué)視角，構(gòu)建了水生態(tài)承載能力的指標(biāo)評價體系，采用GIS技術(shù)、層次分析、聚類分析等方法，評價了南京市高淳西部圩區(qū)的水生態(tài)承載力水平與布局的地域差異性，并提出改善提升水生態(tài)承載力的管控措施。這對江蘇省及全國其他同類區(qū)域研究水生態(tài)承載力與區(qū)域復(fù)合生態(tài)系統(tǒng)的關(guān)系提供了一定的啟示與借鑒。

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（編輯 何琳編輯）

Abstract：" Using the comprehensive indicator evaluation method， taking the western polder area of Gaochun district in Nanjing as an example， based on grid GIS as an evaluation unit， this paper selects three indicators from both water ecological sensitivity and stress to evaluate the current situation of water ecological carrying capacity in the western polder area of Gaochun district， and uses k-means clustering analysis to classify it The results showed that the five levels of regional water ecological sensitivity， namely， “high”， “higher”， “medium”， “l(fā)ower”， and “l(fā)ow”， accounted for 7.47%， 10.43%， 34.05%， 42.90%， and 4.85% of the total area of the study area， respectively The five levels of regional water ecological pressure， namely， “high”， “higher”， “medium”， “l(fā)ower”， and “l(fā)ow”， accounted for 6.08%， 2.81%， 0.41%， 69.44%， and 21.26% of the total area of the study area， respectively， and differentiated spatial control measures were developed This study mainly contributes to a set of methods that are easy to analyze the current ecological carrying capacity of grid units from a small-scale perspective， while providing cases for other regional water ecological carrying capacity studies

Key words： grid; GIS; water ecological carrying capacity; western polder area of Gaochun district