洱海流域湖泊生态影响域测度研究

杨 振， 郭红娇， 梁 曼

(1.华中师范大学， 地理过程分析与模拟湖北省重点实验室， 武汉 430079；

2.华中师范大学 城市与环境科学学院， 武汉 430079)



洱海流域湖泊生态影响域测度研究

杨 振1，2*， 郭红娇1，2， 梁 曼1，2

(1.华中师范大学， 地理过程分析与模拟湖北省重点实验室， 武汉 430079；

2.华中师范大学 城市与环境科学学院， 武汉 430079)

湖泊是流域各类生态过程的重要起点，“从湖泊出发”是提升流域生态环境治理绩效的重要思路.该文综合考虑湖泊禀赋、空间距离、扩散介质等因素，构建了一个湖泊生态影响域测度模型，并以洱海流域为例，对其4个较大湖泊水体的生态影响范围进行测度分析.结果显示：4个湖泊对外生态过程受到的累计阻力呈辐射状向四周扩散，距湖越远阻力越大，影响强度越小；洱海的生态影响域面积最大，占据压倒性优势，茈碧湖、海西海、西湖的影响范围依次减小，彼此离散，且均处于洱海影响域包围之内；根据影响强度对洱海影响域进行分级、分区，发现其高、中、低三种类型的影响域面积依次增加，并在空间上呈现明显的环湖梯次分布特征.

湖泊禀赋； 阻力系数； 影响域； 洱海流域

我国湖泊众多，湖泊流域面积较大.随着城镇化、工业化的快速推进，大量湖泊水体污染控制与治理情势严峻，流域生态环境不容乐观.与其他类型的流域一样，湖泊流域是一个相对独立、集水中心与外围地区具有高度复杂联系的有机整体[1].但在长期的流域治理实践中，人们往往将二者截然分开，忽略了“湖泊—流域”系统的整体性特征，就流域论流域，较少关注“从湖泊出发”的行动思路，事倍功半.同时，大量的理论研究和实证分析也较多地集中于流域气候变化、资源开发、污染排放、水土流失、植被减少、生物多样性降低等因素对湖泊理化性质、生物种群、富营养化、生态安全等方面的影响[2-4]，关于湖泊对流域的诸多可能影响却鲜见报道，相关研究还没有充分展开.实际上，在“湖泊—流域”系统中，一方面，流域是湖泊水体的补给来源和生态屏障，为湖泊生态系统的正常运行提供了必要条件，并在很大程度上决定了湖泊生态的各项指标水平；另一方面，作为流域的集水中心，湖泊生境优越，物种丰富，生态系统服务功能较强，是流域各类生态过程的重要起点和生态功能的外溢基地，对流域生态环境具有强烈的影响作用[5].根据这种影响作用的区位和路径“指示”作用，遵循湖泊与流域内在的物质、能量及功能关联规律，“从湖泊出发”进行流域生态保护和建设是提升流域治理绩效的重要思路.显然，要在实践中取得良好效果，还有许多工作要做，其中科学测度流域各点受到的湖泊影响力大小并据此划分影响强度分级图，具有重要的基础意义.当前，已有部分学者注意到这一学术视角，但囿于测度方法的限制，相关研究多集中于宏观层面的定性分析或理论探索，定量的实证研究极少.在城市研究领域，近年来有较多学者借用物理学的“场强”模型和地理学的空间可达性概念，对城市影响范围进行了合理测定，取得大量有价值成果[6-7]，为本研究提供了可资借鉴的方法思路.据此，本文根据“湖泊—流域”系统理念，借鉴“城市腹地”的测算思路，以云南省洱海流域为例，利用基于最小累计阻力的场强模型定量测度4个较大湖泊水体的生态影响范围，绘制影响强度分级图，为制定“从湖泊出发”的流域治理方案提供依据.

1 研究区概况和资料来源

洱海流域位于澜沧江、金沙江和元江3大水系的分水岭地带，属澜沧江—湄公河水系，面积约2 565 km2，行政上辖大理市与洱源县的16个乡镇和1个工业园区.2013年常驻人口90.50万，人均国内生产总值19 238元.境内有弥苴河、永安江、罗时江、波罗江、西洱河及苍山十八溪等大小河溪117条，自南而北分布有洱海、西湖、茈碧湖、海西海等4个较大湖泊(图1)，来水主要为降水和融雪.其中，洱海为云南省第2大高原淡水湖、国家级自然保护区和风景名胜区苍山—洱海的核心景观，南北长41.5 km，东西宽3～9 km，面积约251 km2，平均水深10.5 m，多年平均水量28.8亿m3，具有航运、旅游、养殖、调节气候等多种功能.西湖位于洱源县右所镇，为洱源西湖省级风景名胜区和西湖国家湿地公园的主体，面积4.66 km2，平均水深2～3 m，容水量1 800万m3，出水经罗时江流入洱海.茈碧湖位于洱源县茈碧湖镇，为洱源茈碧湖州级自然保护区的主体，面积7.86 km2，平均水深20 m，容水量9 322.4万m3，出水经弥苴河流入洱海.海西海位于洱源县牛街乡，为洱源海西海州级自然保护区的主体，面积约2.24 km2，平均水深10 m，容水量2 227万m3，下游与茈碧湖、凤羽河同注弥苴河流入洱海.

图1 洱海流域4湖位置

近年来，随着云南省“滇西中心城市”建设战略的实施，以大理市为中心的城镇化、工业化进程快速推进，水土流失、植被减少、湿地退化、生物多样性降低等生态环境问题越来越严重[8].2013年8月下旬，课题组走访了大理州、大理市和洱源县的统计局、国土局、环保局以及洱海流域管理局、洱海保护研究中心等职能部门，获取了包括社会经济、土地利用、地形地貌、城镇分布等信息在内的统计年鉴、研究报告与图件资料，听取了相关专家对流域生态环境治理的综合意见.同时，根据2013年的Landset8影像解译了流域土地利用/覆被图，并对不同渠道获得的数据进行甄别、筛选和匹配，以保证数据的一致性.

2 研究方法与思路

湖泊水体与流域具有密切的物质、能量及功能联系，是流域各类生态过程的重要起点和生态功能的外溢基地，对流域具有强烈的辐射和扩散效应[5].在流域范围内，这种辐射、扩散效应以各种生态过程为载体所能达到的最大影响范围构成了湖泊生态的影响域.当存在多个湖泊水体时，他们对流域某点的影响强度各不相同，某湖泊的生态影响域特指所有受该湖泊影响最大的地域范围总和.可见，湖泊影响域实质上是湖泊生态系统功能发挥的优势域和控制域.借用物理学的概念，该影响域可称为湖泊影响力的“力场”，影响力的大小称为“场强”.影响域的大小、范围和形状可利用场强模型来表示：

(1)

式中，Fki为湖泊k在流域内i点的场强；Zk为湖泊k的规模；Dki为湖泊k到i点的空间距离；a为距离摩擦系数，一般取标准值2.

该模型严格遵循距离衰减规律，认为流域某点的场强与湖泊规模大小成正比，与到湖泊距离的二次方成反比.然而，由于自然地理条件的非均质性，湖泊生态辐射和扩散过程受到流域下垫面(即扩散介质)的强烈约束，在通过水田、旱地、林地或建设用地时遇到的阻力差异很大.这里借鉴“城市腹地”测度文献对传统场强模型的改进思路[6-7]，综合考虑湖泊禀赋、空间距离、扩散介质等因素，对式(1)进行改进得到湖泊生态影响域测度模型，见式(2)：

(2)

其中，Zk表示湖泊k的多年平均水量.一般来说，湖泊水量越大，水体物种越多、生态系统功能越强，对外辐射、扩散的能力也就越强；ADki表示从湖泊k出发经过不同阻抗介质到达目的地i所花费的最小总代价，反映了i点的空间可达性.ADki利用下式来计算：

(3)

其中，rt表示流域内t点所属单元的阻抗(即阻力系数)，反映了湖泊生态过程在不同介质单元上扩散的相对难易程度，dt表示生态过程在流域内t点所属单元上经历的距离.可见，ADki实质上是生态过程从湖泊k出发到达目的地i克服阻力所作的功，是对空间距离的一种调整(Adjustment)，实质为类似空间可达性评价中的时间或金钱成本距离.显然，根据景观生态学相关基本原理，将基于空间距离、下垫面因素的最小累计阻力“视作”流域某点的空间可达性，在刻画湖泊对外生态过程方面，比单纯的空间距离更具合理性和说服力.

式(2)显示，流域某点受到湖泊的影响强度与湖泊水量成正比，与到湖泊的成本距离成反比，在一定程度上遵循距离衰减规律.由于目前国内外关于不同介质单元阻力系数的确定还没有公认的方法，参考相关文献的做法[9]，这里以生态系统服务价值密度作为确定阻力系数的标准.一般来说，某介质单元的生态系统服务价值密度越高，说明生态功能越完善，生态流在其中的运行就越顺畅，阻力越小，反之越大.据此，参照相关文献关于生态系统服务价值的测定成果[10]，确定洱海流域各类介质单元的阻力系数.具体是，首先将水体和开发用地的阻力系数分别设为1和100，然后根据生态价值的相对大小确定其他类型单元的阻力系数，范围在1～100之间，结果见表1.

表1 洱海流域不同介质单元的阻力系数

本研究从宏观层面探索洱海、西湖、茈碧湖、海西海等4个较大湖泊生态影响域的相对大小及空间分布问题，湖泊生态辐射/扩散并不限定为某类具体的生态过程.由于流域内的任意一点i受到来自4个湖泊的影响，其中有一个湖泊的影响力(场强)最大，则将i点归属于对其影响最大的湖泊生态影响域之内.因此，某湖泊生态影响域的确定思路是，首先求出流域内各点来自不同湖泊的影响力大小，然后根据“取大”原则确定每一个点所受的影响力及其来源湖泊，从而确定4个湖泊的生态影响域大小、范围和形状.上述计算、判别和图示工作可部分借助ArcGIS相关模块实现.

3 研究结果与分析

3.1 湖泊生态辐射/扩散累计阻力分布

在ArcGIS平台上，利用洱海流域土地利用/覆被栅格底图(格网大小为15m×15m)，根据式(3)计算以洱海、西湖、茈碧湖及海西海等4个较大湖泊为出发源的最小累计阻力(AD)，结果如图2～图5所示.可以发现，4个湖泊对外生态过程受到的最小累计阻力均呈辐射状向四周扩散，距湖越远，累计阻力越大.在累计阻力较大值密集出现的区域，从湖泊出发的生态过程在这些区域受限严重.在湖泊周边等累计阻力较小的区域，生态过程受限较小.由于流域介质阻力的空间异质性，累计阻力随距离增长的速度差别较大，具有明显的方向异性.例如，在通过水体和林地时累计阻力增长较慢，在通过草地、裸地及其他非林地或城乡建设用地时，累计阻力增长速度较快.因此，需要加强在旱地、裸地、城镇等区域的生态建设工作，通过增加生态廊道数目、完善廊道结构、优化生态节点等措施，提升生态流在其中的迁移和扩散效率.总体上，某湖泊生态辐射/扩散的最小累计阻力分布格局，是该湖泊区位、空间距离与介质阻力3方面因素综合作用的结果.

图2 洱海源累计阻力分布

图3 西湖源累计阻力分布

图4 茈碧湖源累计阻力分布

3.2 湖泊生态影响强度与影响域空间格局

根据式(2)和式(3)分别计算4个湖泊在流域内所有点上的影响强度(场强)，结果如表2所示.可以发现4个湖泊的影响强度总体上差别较大.其中，洱海影响强度的最小值为0.181 2 ，最大值为19 200，平均值10.098 2，标准差254.297 9.相较于洱海，茈碧湖、海西海、西湖的影响强度均值依次降低，分别为0.061 2、0.012 0、0.007 1，标准差分别为3.276 9、0.687 4、0.222 8.在空间分布上，流域各点的影响强度均以湖泊为中心，呈现“离湖越远，强度越小”的衰减规律.利用ArcGIS平台对流域每个点上4个湖泊的影响强度进行比较并“取大”，从而确定此点的湖泊归属，即将该点视作该湖泊的影响域.如表2、图6所示，其中，洱海的影响域面积最大，为2 283.36 km2，约占流域总面积的99.309 3%.茈碧湖、海西海、西湖的影响域面积依次减少，分别为11.84 km2、3.39 km2、0.64 km2，合计占流域面积的0.690 7%.在空间分布上，洱海湖泊的影响范围占据了流域空间绝大部分，其他3个湖泊的影响范围相对较小，仅局限于湖泊周边狭小的地域范围内，彼此互相独立，整体处于洱海影响域的包围圈之内.这种情况说明，洱海作为流域生态中心，是流域生态建设和保护的核心支点.

表2 流域四湖影响强度与影响域

图6 流域4湖影响域分布

3.3 洱海生态影响域分区特征

由于洱海的影响域面积在4个湖泊中占据压倒性优势，这里仅对其影响域进行分区，绘制影响强度分级图.具体是，根据影响强度数值大小统计特征，在洱海影响域范围内，将影响强度处于0.18 12～1之间的地域单元划作低影响域，处于1～2之间的地域单元划作中影响域，处于2～19 200之间的地域单元划作高影响域.分级、分区结果如表3和图6所示，可以发现，洱海低影响域面积最大，为1 365.02 km2，占该湖影响域总面积的59.78%；中、高影响域面积递减，分别占该湖影响域总面积的22.95%、17.27%.3类区域在空间上呈现明显的环湖梯次分布特征.其中，高影响域多位于洱海湖滨带和缓冲区内，该区村落、农田分布集中，人口密度较大，生态退化严重.特别是，该区西南部为大理市所在地，城镇化、工业化程度较高，建设用地对湖泊生态辐射/扩散具有较大阻碍作用，需在城市建设中注意绿地系统的构建和完善.中影响域紧邻高影响区外围分布，在西部十八溪坝区村镇和工业用地密集分布，海东则山高坡陡，植被破坏严重，需大力恢复植被和保持水土.低影响域则广泛分布于远离洱海的北部、西部和南部区域，在北部洱源农业区，乡镇分布集中、人口密度高、农田面积大；西部苍山涵养区植被覆盖较好但存在矿石滥采现象，矿山生态环境较为脆弱；南部陡坡垦植区则需要加强封山育林和山体保护工作，为优化与湖泊的物质、能量及功能联系创造条件.

表3 洱海影响域分级、分区特征

4 结论与讨论

我国是一个多湖泊国家，全国大于1 km2的湖泊有2 693个，总面积约81 415 km2.在全球气候变化和经济快速发展等因素的作用下，湖泊流域污染和生态退化问题相当普遍，需要在治理思路方面大胆创新.本研究综合考虑湖泊禀赋、空间距离、扩散介质等因素，构建了一个湖泊生态影响域测度模型，并以洱海流域为例，对其4个较大湖泊水体的生态影响范围进行测度.主要结论为：4个湖泊对外生态过程受到的累计阻力呈辐射状向四周扩散，距湖越远阻力越大，影响强度越小；洱海的生态影响域面积最大，占据压倒性优势，茈碧湖、海西海、西湖的影响范围依次减小，彼此离散，且均处于洱海影响域包围之内；根据影响强度对洱海影响域进行分级、分区，发现其高、中、低3种类型的影响域面积依次增加，并在空间上呈现明显的环湖梯次分布特征.以上结论为优化流域和湖泊之间的物质、能量及功能联系，制定“从湖泊出发”的流域治理方案提供了一些参考.

本研究的创新之处在于借鉴“城市腹地”测算思路，将基于空间距离、下垫面因素的最小累计阻力“视作”流域某点的空间可达性，结合GIS技术快速实现了对湖泊生态影响域的定量测度，为研究湖泊生态问题提供了一个新视角.然而，由于湖泊生态影响范围的划分问题较为复杂，本文仅是一种初步探索，尚有许多需要完善的地方.例如，利用多年平均水量表示湖泊禀赋比较粗略，测度模型中最小累计阻力系数的取舍也颇为主观，考虑的生态过程宏观而不具体，对湖泊—流域之间的水文系统关注不够，等等.特别是，由于土地类型是生态过程阻力系数确定的基础，因此湖泊生态影响空间格局与土地利用结构密切相关，而后者通常存在明显的季节变化和年际变化，动态性较强.因此，进一步完善湖泊禀赋指标体系、有效增加测度模型的科学性、动态性，并与生态学、水文学分支合理交叉，对湖泊具体的生态辐射/扩散影响范围进行测度分析是本文以后的工作重点.

[1] 秦伯强， 高 光， 朱广伟， 等. 湖泊富营养化及其生态系统响应[J].科学通报， 2013， 58(10)：855-864．

[2] 曹金玲， 席北斗， 许其功， 等. 地理气候及湖盆形态对我国湖泊营养状态的影响[J].环境科学学报， 2012， 32(6)：1512-1519．

[3] 袁琳娜， 杨常亮， 李晓铭. 高原深水湖泊水温日成层对溶解氧、酸碱度、总磷浓度和藻类密度的影响[J].湖泊科学， 2014， 26(1)：161-168．

[4] 秦伯强， 张运林， 高 光. 湖泊生态恢复的关键因子分析[J].地理科学进展， 2014， 33(7)：918-924．

[5] 李一平， 邱 利. 湖泊水动力模型外部输入条件不确定性和敏感性分析[J].中国环境科学， 2014， 34(2)：410-416．

[6] 孔祥彬. 城市经济腹地及其空间范围的界定：以成都、绵阳为例[D].成都：西南交通大学， 2007．

[7] 王 丽， 邓 羽， 刘盛和， 等. 基于改进场模型的城市影响范围动态演变[J].地理学报， 2011， 66(2)：189-198．

[8] 张红叶， 蔡庆华， 唐 涛， 等. 洱海流域湖泊生态系统健康综合评价与比较[J].中国环境科学， 2012， 32(4)：715-720．

[9] 李纪宏， 刘雪华. 基于最小费用距离模型的自然保护区功能分区[J].自然资源学报， 2006， 21(2)：217-224．

[10] 谢高地， 甄 霖， 鲁春霞， 等. 一个基于专家知识的生态系统服务价值化方法[J].自然资源学报， 2008， 23(5)：911-919．

Measuring the ecological impact domain of the lakes in Erhai Lake basin

YANG Zhen1，2， GUO Hongjiao1，2， LIANG Man1，2

(1.Key laboratory of geological process analysis and simulation of Hubei province， Wuhan 430079;2. College of Urban and Environmental Sciences， Central China Normal University， Wuhan 430079;)

Lakes are important starting points for all kinds of ecological processes in a lake basin. “Focusing on the lakes” is an important way to improve the performance of governing the ecological environment of the watershed. In this paper， we construct a model to measure the ecological impact domain of the lake by comprehensively considering the lake endowment， spatial distance， diffusion medium and other factors. Then， ， we apply this model to measure the ecological impact domain of the four largest lakes in Erhai Lake Basin. The results show that: 1) the cumulative forces that resist the ecological impact of the four lakes spread from the lakes to around radially and become greater with the distance becoming farther while the ecological impact becomes weaker; 2) the ecological impact domain of Erhai is the largest， having an overwhelming superiority than the impact area of Cibihu， Haixihai， Xihu， which are separated from each other and impacted by Erhai; 3) according to grading and zoning on the ecological impact domain of Erhai， we found that the areas of high， middle and low impact domain increase successively and show an obvious echelon distribution pattern around the lake．

lake endowment; resistance coefficient; impact domain; Erhai Lake Basin

2014-08-11.

国家水体污染控制与治理科技重大专项任务(2013ZX07105-005-04-02).

1000-1190(2015)01-0147-06

Q14

A

*E-mail: yangzhen0971@163.com.