中小河流治理水生态功能两级分区研究——以哈尔滨市蚂蚁河流域为例

崔 巍，高青峰，白音包力皋，陈文学

（1.中国水利水电科学研究院流域水循环模拟与调控国家重点实验室，北京 100038；

2.哈尔滨市水务科学研究院，黑龙江 哈尔滨 150001）

中小河流治理水生态功能两级分区研究
——以哈尔滨市蚂蚁河流域为例

崔 巍1，高青峰2，白音包力皋1，陈文学1

（1.中国水利水电科学研究院流域水循环模拟与调控国家重点实验室，北京 100038；

2.哈尔滨市水务科学研究院，黑龙江 哈尔滨 150001）

面向中小河流生态治理需求，阐述了水生态功能分区的内涵，对分区指标体系的构建进行了探讨。基于ArcGIS空间分析平台，以哈尔滨市为对象，考虑气候、地形和人类活动因素，划分了哈尔滨市水生态功能一级分区。分析了蚂蚁河水生态服务功能和流域主要生态环境问题，选取径流深、坡度、地均GDP和水功能区指标，参照子流域及行政边界，划分了蚂蚁河流域水生态功能二级分区。根据水生态功能一级、二级分区结果，提出了哈尔滨市及蚂蚁河流域中小河流治理与保护方向，为该区域水陆一体化管理和生态环境综合治理提供了技术支撑。

水生态功能分区；水生态管理；分区指标体系；哈尔滨市

1 研究背景

我国中小河流数量多，分布广，治理总体滞后。除了具有突出的洪涝灾害问题外，许多河流还存在水污染加剧、生物栖息环境遭受破坏、水资源短缺等一系列生态环境问题，已造成河流基本功能衰退及健康生命受到严重威胁。改善河流的生态环境状况将是我国今后中小河流治理的重点方向之一。

采用区划方式揭示不同区域资源的相似性和差异性，服务于资源的可持续开发利用，是国内外资源管理的通用做法。美国早在20世纪70年代末已提出水生态系统区划体系，并在此基础上开展参考区识别、生态完整性评价以及水污染控制方法研究［1］；欧盟在生态区的基础上建立了以水生生物指标为核心的水体生态质量评估方法，并分别针对受损水体和未受损水体明确保护目标［2］。2008年，由世界自然基金会和美国大自然保护协会联合资助，全球超过200位保护生物学家参与，耗时10年绘制了首张基于淡水鱼类生物多样性差异的世界淡水生态区划图［3］。

我国在水体管理方面，先后制定了《中国地表水环境功能区划》、《中国水功能区划（试行）》、《全国重要江河湖泊水功能区划》等，这些区划在水资源开发利用与水环境治理方面都发挥了重要作用。然而受众多主客观因素的制约，这些区划都还存在一些不足，如对生态环境敏感性、生态环境特征差异和生态系统服务功能的空间异质性等方面关注不够［4］，在协调利益相关者在水量、水质和水生态的冲突方面仍需要改善［5］，与当前我国水资源可持续开发利用与保护的新需求仍存在差距［6］等。当前，我国水体管理正处在从水资源管理和水环境治理向水生态管理转变过程中，水资源开发、利用和保护都要考虑到水生态系统的基本要求，而水生态系统具有区域性与层次性特征，客观上要求建立以水生态区划为基础的管理技术体系［4］。

近年来，我国开展了一系列水生态功能分区研究工作。“十一五”国家水体污染控制与治理科技重大专项（水专项）设置了“重点流域水生态功能一级二级分区研究”课题，系统地开展了流域水生态功能分区理论与方法研究，完成重点流域一级、二级区划，示范流域三级区划。“十二五”将开展重点流域三、四级分区研究。张博［7］、刘素平等［8］分别开展了辽河流域水生态功能两级和三级分区研究，孙然好等［9］开展了海河流域水生态功能两级分区研究，梁静静等［10］、许莎莎等［11］分别开展了淮河和黑河流域水生态功能三级分区研究。张晶等［12］提出基于主导生态功能分区的水生态区划方法，并在其基础上建立了河流健康评价全指标体系。

然而总体而言，我国水生态功能分区仍是一项全新的工作［13］。目前全国范围尚未制定水生态功能分区技术规范，在水生态功能内涵、分类及水生态功能分区尺度选定等方面，不同研究者存在较大差异，还没有形成一套公认的指标体系和方法，尤其是流域三级、四级分区的相关理论有待进一步讨论［14］。例如一级分区时，梁静静等［10］考虑地理位置、自然环境和生态演进因素，张博等［7］考虑气候、地势等要素的影响，而孙然好等［9］考虑水资源供给功能。在三级分区时，梁静静等［10］、刘素平等［8］考虑水生态服务功能，许莎莎等［11］考虑水质指标，而孙然好等［9］考虑人类活动和管理模式。目前我国水生态功能分区工作仅在重点流域进行，局部区域开展三级分区。对于数量多、分布广、精度要求高的中小流域而言，尚不能满足其治理需求。由于中小流域生态环境内部异质性和区域差异性更为显著，人类活动影响作用更为突出，确定分区尺度和分区指标时需紧密结合当地区域特征。此外，中小河流多处偏远地区，缺少水文水质监测站点，基础资料匮乏，选定分区指标时，需考虑指标的可获取性和经济性。

本文基于哈尔滨市生态环境特征，在借鉴国内外水生态功能分区理论与实践的基础上，探讨哈尔滨市水生态功能一级分区和蚂蚁河流域水生态功能二级分区方法，提出不同分区治理方向，为哈尔滨市中小河流水陆一体化管理及生态环境治理提供技术支撑，为同类区域水生态功能分区提供借鉴参考。

2 水生态功能分区理论

2.1 水生态功能分区的内涵水生态功能分区是基于对流域水生态系统区域差异性研究，流域内不同类型区域生物区系、群落结构和水体理化环境的异同比较，以及流域水生态系统空间格局和尺度效应的分析而提出的一种分区方法。阐明了水生环境系统在区域和地带等不同尺度上的空间分异特征，并揭示出水生态系统空间分布规律。其目的是研究水生态系统的生态功能，揭示流域水生态系统的时空差异与演变趋势，并注重景观中的生态功能过程及其与格局作用机制的地域差异［15］。

水功能分区和水环境功能分区重视水体资源功能，无法从根本上认识水生态系统破坏原因和机制，在水陆一体化管理方面更是存在明显的不足。相较而言，水生态功能分区体现了水体资源功能与生态功能的可持续性协调发展，为水功能分区和水环境分区提升生态系统管理目标提供了科学基础。水生态功能分区不但是河流健康评价的基础，而且是针对不同河流系统特点，制定相应保护措施和资源可持续利用规划的基础。

2.2 水生态功能分区等级指标体系生态系统具有等级结构，不同尺度下具有不同生态功能与特征。研究表明［16］，宏观尺度上水生态系统结构和功能通常由区域地质和气候等因素作用决定（图1）。中微尺度上，水生态系统结构和功能由河道形态、水力特征、栖息地环境等因素作用决定。宏观尺度因素往往通过影响中微观尺度因素发挥作用，不同尺度上各种因素综合作用决定水生态系统空间特征与演变趋势。随着人类活动的影响越来越显著，其干扰作用也通过各个尺度因素变化显现出来。

3 哈尔滨市水生态功能一级分区

3.1 哈尔滨市自然环境概况哈尔滨市处于我国东北北部，东经125°42′—130°10′、北纬44°04′—46°40′之间，辖8区10县（市），行政区划面积5.31万km2。地形高程分布见图2，地貌大体分为3个阶梯：东北部和东南部为山区，中部为丘陵区，西部为平原及漫川、漫岗、波状倾斜平原区。松花江由西南向东北流过市区。共有中小河流332条，均属于松花江水系，河流径流量年际变化较大。东北部和东南部县（市）水资源较丰富，中部和西部县（市）、区水资源相对缺乏，由东向西递减，多年平均降雨量分布见图3。2010年三次产业结构11.3∶37.8∶50.9，是全国重要商品粮基地和水稻、大豆、玉米主产区，农业增加值占黑龙江省三分之一强。2011年土地利用状况见图4。

图1 水生态系统结构与时空尺度关系

图2 哈尔滨市地形高程图（单位：m）

图3 哈尔滨市多年平均降雨量分布（单位：mm）

图4 哈尔滨市2011年土地利用状况

图5 哈尔滨市水生态功能一级分区指标

3.2 哈尔滨市水生态功能一级分区指标根据哈尔滨市自然环境特征，构建基于宏观尺度的水生态功能一级分区指标。水生态系统影响因素主要有气候气象、地形地质和人类活动等。气候气象控制河流的水循环、水文等，选取多年平均降雨和多年平均积温（≥10℃）作为主导气候气象因素；地形地质影响气候和植被模式，选取地形和土壤类型作为主导地形地质因素；人类活动影响土地利用类型和土地覆盖，控制降雨的地表阻留以及潜在蒸发作用而影响水文情势，控制泥沙来源和形成河槽底质物质的类型，选取土地利用类型反映人类活动状况。分区指标如图5所示。

3.3 哈尔滨市水生态功能一级分区结果基于ArcGIS平台，将哈尔滨市DEM（30 m精度）、多年平均降雨量数据、多年平均积温（≥10℃）数据数字化和归一化处理后，采用图层叠加和自然断点分级（nature break）工具，划分出分区中间成果图。将其与土地利用图（分耕地、林地、草地、水域、城乡工矿居民和未利用地6类）和土壤类型图（分黑土、黑钙土、水稻田等6类）矢量化。以矢量化中间成果图为底图，叠加土地利用图和土壤类型图。以底图为主导，调整叠加后相近的边界线。水生态功能一级分区如图6。水生态功能分区范围及河流生态特征见表1。

图6 哈尔滨市水生态功能一级分区

Ⅰ区主要分布在山区，降雨丰沛，为众多河流源头，如少陵河、木兰达河、西北河、丹清河、蚂蜒河、白杨木河、岔林河、拉林河等，属于哈尔滨市域生态良好区域，需加强生态环境保护，保障水源涵养功能的发挥。Ⅱ区主要分布在丘陵区，多位于河流发育的中段，部分区域通过城镇等人口密集区，水质受到污染。为水资源开发利用的重点区域。Ⅲ区主要分布在平原区和沿江湿地区，包括中小河流汇入松花江前的中下游水域，年均积温高，土壤养分较为丰富，是耕地主要分布区域，沿岸易于灌溉，是大米等作物主产区，易受洪涝影响。需加强水资源开发利用，防洪减灾，同时不宜再度开发湿地和沼泽区，需实施生物多样性保护。

表1 哈尔滨市水生态功能一级分区特征

哈尔滨市水生态功能一级分区结果表明，其突显哈尔滨市三阶梯地貌对河流分布特征决定性作用，反映了地貌对该地区气候气象和人类活动的主导影响。表1各分区特征与图5分区指标间的相关关系，可看出分区成果合理性。

4 蚂蚁河流域水生态功能二级分区

4.1 蚂蚁河流域自然环境概况蚂蚁河位于哈尔滨市东部，完达山脉老爷岭西侧，为松花江一级支流，干流全长283 km，流域面积10 629 km2。蚂蚁河为山岳型壮年期河流，山地面积占76.9％、丘陵占3.4％、平原占19.7％（图7）。蚂蚁河一面坡以上为上游，比降1/600；一面坡至延寿为中游，比降1/1500；延寿至河口为下游，比降1/2 000。蚂蚁河支流众多，河网密集，水量充沛，大小支流300余条。

4.2 蚂蚁河流域水生态环境问题分析蚂蚁河流域主要水生态环境问题：（1）流域植被遭破坏，生态功能降低，水土保持功能削弱。蚂蚁河流域森林破坏强度较高，计划外采伐、乱砍盗伐量大，存在“年年造林不见林”现象。（2）水土流失趋重，河流调蓄空间缺损。中部丘陵漫岗区和半山区的零散陡坡耕地水土流失尤为严重。2008年流域水土流失面积28.99％，侵蚀模数2 575 t/（km2·a），沟壑密度0.51 km/km2。（3）洪涝灾害频发，河流生态流量难以保障。1932年以来，流域约每5年发生一次旱灾或洪灾，受灾面积5.5万hm2。由于盲目扩大水稻种植面积，近年来在灌溉期断流已成为常态。（4）资源、工程缺水和用水浪费加剧水安全矛盾。流域降水年际、年内变化大，加之缺少控制型骨干工程，汛期大水泛滥，枯水期无水可用；农业灌溉水利用系数仅为0.4左右，水量浪费严重。（5）水污染点多面广，构成水安全隐患。河流沿岸工矿企业污水，居民生活污水，农村粪便、垃圾等进入水体；农田长期、大量使用化肥、农药，随地表径流进入水体。

4.2 蚂蚁河流域水生态服务功能及二级分区指标基于蚂蚁河流域水生态特征及其对地区社会经济的服务与贡献，将其水生态服务功能分为3类7种：（1）水生态保育类—包括水源涵养、水土保持和物种保护3种功能；（2）水生态调控类—包括洪水调蓄和生境维持2种功能；（3）水生态服务类—包括产品提供和景观保障2种功能。

根据蚂蚁河流域水生态环境状况，选取基于中观尺度的水生态功能二级分区指标，见图9。

图9 蚂蚁河流域水生态功能二级分区指标

（1）水资源量指标。水资源量是构成河流生态环境的基本要素，对水生生物种群的种类、数量、分布等产生主要影响。以蚂蚁河流域径流深表征水资源量状况。

（2）水质指标。水体质量直接反映水生态环境优劣，决定生物物种健康状况及种类、构成等特征。鉴于蚂蚁河流域水质受人类生产生活主导，选取水功能区（图10）表征不同河段水质要求。分区时扩展水功能区范围至汇流区域。

（3）地形指标。地形坡度影响流域土壤侵蚀、水土流失特性，决定河流纵向坡度，影响河流水力条件、泥沙输运以及生物群落分布与河流形态。坡度指标分布见图11。

（4）人类活动指标。人类活动状况一方面反映对水生态服务功能需求，如景观娱乐、产品供给等，另一方面反映对水生态环境胁迫，包括水资源、水质、生物栖息环境等方面。以地均GDP表征人类活动强弱与分布（图12）。

图10 蚂蚁河流域水功能区划

图11 蚂蚁河流域地形坡度（单位：°）

图12 蚁河流域地均GDP（单位：万元/km2）

图13 蚂蚁河流域行政区划

4.3 蚂蚁河流域水生态功能二级分区结果利用ArcGIS平台，将蚂蚁河流域径流深、地形坡度、地均GDP和水功能区划数据数字化，利用ArcGIS分级工具分级（类），制成专题图层。其中径流深、地均GDP按等值划分，坡度按《土壤侵蚀分类分级标准》（SL190-2007）地类坡度分级划分，水功能区按一级分区类别分类。在哈尔滨市水生态功能一级分区成果基础上，结合蚂蚁河流域生态环境调查资料，以子流域为单元，分析其水资源、水土流失、水功能定位和人类活动状况，确定主导水生态服务功能。结合乡镇行政边界（图13），对子流域边界进行局部调整，划分水生态功能二级分区。考虑流域边界旨在保证水文过程单元完整性，考虑行政边界旨在增强分区成果可操作性。分区结果见图14。

基于蚂蚁河流域水生态功能二级分区结果，确定不同类型分区水生态环境治理与保护重点与方向（表2）。

蚂蚁河流域水生态功能二级分区结果表明，其在反映与区域地形、水资源量等生态环境相关的水源涵养、水土保持和物种保护等自然服务功能的同时，还着重反映了与水功能、人类活动等相关的产品提供、景观保障、洪水调蓄和生境维持等社会服务功能，与图9中分区指标结构相一致，并体现了中小尺度下人类活动影响更为显著的特征。

图14 蚂蚁河流域水生态功能二级分区

表2 蚂蚁河流域水生态功能二级分区治理保护方向

5 结语

本文探讨了水生态功能分区理论在哈尔滨市的应用，成果可供其中小河流水陆一体化管理及治理目标的科学制定借鉴参考。受研究区水文、水质和水生态等方面资料缺失限制，所选取的分区指标尚不能全面深入地反映环境驱动因素及其对水生态环境的影响，分区结果在反映区域水生态系统差异性方面仍待完善，在分区指标权重确定方面，尚需大量调查与研究工作。

国内水生态功能分区研究刚刚起步，而国内河流普遍受到人类活动的显著影响，许多河流尚不能维持基本生态需水和水质安全，如何针对中国国情特点，引入国外先进理念的同时加以改进完善，充分发挥其作用，有待深入探讨。

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Two-level zoning of aquatic ecological function for m anagem ent of sm all and m ed ium-sized size rivers——case study of M ayihe River basin in Harbin Region

CUIWei1，Gao Qing-feng2，Baiyinbaoligao1，CHEN Wen-xue1
（1.State Key Laboratory of Simulation and Regulation ofWater Cycle in River Basin，China Institute ofWater Resources
and Hydropower Research，Beijing 100038，China；2.Water science research institute of Harbin，Harbin 150001，China）

This paper describes the concepts of aquatic ecological function zoning and investigates establish⁃ment of zoning index system，aiming to support the ecological management of small and medium-sized riv⁃ers.Based on ArcGIS spatial analysis platform，the first level of the aquatic ecological function zoning in Harbin region is derived，considering factors of climate，terrain，and human activities.Aquatic ecological service function of the Mayihe River is analyzed，and major issues of ecology and environment of its water⁃shed are indicated.The second level of the aquatic ecological function zoning of the Mayihe River basin is derived.The derivation considers indicators of runoff depth，terrain slope，area-averaged GDP and aquatic function regionalization，and refers to sub-watershed and administrative boundaries.Finally，the direction of management and protection for small and medium-sized rivers in Harbin region and the Mayihe River ba⁃sin is proposed according to the findings.This study also provides technical support for management of wa⁃ter-land integration as well as ecology and environment in the research area.

aquatic ecological function regionalization；aquatic ecological management；regionalization in⁃dex system；Harbin region

X522文献识别码：A

10.13244/j.cnki.jiwhr.2014.04.010

1672-3031（2014）04-0394-08

（责任编辑：韩昆）

2014-03-14

中国水科院优秀青年科研专项（水集1312，水基本科研1468）

崔巍（1979-），男，河南焦作人，博士，教授级高级工程师，主要从事河流水生态保护与修复技术研究。

E-mail：joylife@126.com