济南城市水生态分区研究

杨增丽，朱中竹，于松延（.济南市水文局，山东 济南 5004；.北京师范大学水科学研究院,北京 00875）

济南城市水生态分区研究

杨增丽1，朱中竹1，于松延2
（1.济南市水文局，山东 济南 250014；2.北京师范大学水科学研究院,北京 100875）

【摘要】在解析生态分区概念与国内外研究进展的基础上，以济南市为例，应用ArcGIS对分区指标进行空间自相关分析，考虑城市行政区划特点，遴选分区主要指标，采用“自上而下”和“自下而上”相结合的方法，完成了济南市水生态一、二和三级分区划分。水生态一级分区主要由三大水系（黄河水系、小清河水系和徒骇马颊河水系），外加城区组成。水生态二级分区主要参考济南市2007年土地利用分布状况完成，水生态三级分区是在二级分区的基础上，通过对采样点的水质指标进行聚类分析，合并采样点控制的子流域而完成。

【关键词】空间分区；水生态；济南市

生态区是具有相似生态系统类型和生态系统功能的地理区域，主要用于生态监测站点选择、数据收集和问题诊断、制订环境管理目标、评估和预测各种管理措施生态环境效果，因此是生态系统管理的基础。由于气象、地质与地势条件的差异，使得水生态系统在不同空间区域的物种组成、优势种类以及健康标准上都呈现出不同的性质。

为了反映水生态系统的空间差异性，Omernik提出了水生态分区的概念和方法，采用了土地利用、土壤、自然植被和地形等4个区域特征指标，将具有相对同质的淡水生态系统或生物体及环境相互关系的土地单元划分为1个生态区。生态分区的目的在于明确区域内不同生态系统类型及其功能以及造成生态系统差异的驱动因素，在生态系统评价基础上，针对不同类型的生态区给出不同生态恢复和保护目标及措施。国内外的生态分区研究最早都是从陆地生态系统分区开始，逐渐转向以水体保护为主要目标的水生态（功能）分区。

1　生态分区国内外研究进展

20世纪末，欧洲国家统一开展了水生态分区工作。2000年，欧盟委员会提出欧洲水框架指令（WFD），首次全面阐述了欧洲淡水生态系统的管理和保护概念，以及水生生物区系在水质评价中的重要作用。WFD将地表水分成了河流、湖泊、过渡水区和沿海水域，据此可对水生态系统进行分类，并对不同类型水域的管理选择不同生态系统状态参照基准。

20世纪90年代，我国开始关于生态分区、生态功能分区的研究。早期的研究主要关注陆地上各种自然因素如植被、动物等的生态区划。与水体有关的全国尺度上的生态分区开始于20世纪中期，最初只是针对湖泊的分布特征、淡水鱼类的分布、内陆渔业分布、水文等单一水体环境要素的分区或者通过分析流域内陆的生态系统特征来分析生态环境需水量等，仅少量研究将陆地生态和水体要素结合起来进行水生态分区。我国真正开始系统地进行生态区划是国家环保部于2007年编制的全国生态功能区划，在生态现状调查、生态敏感性和生态服务功能评价基础上确定不同区域生态功能，将全国划分为3类31个生态功能一级区，9类67个生态功能二级区，以及216个生态功能三级区。然而，目前还未形成全国统一的水生态分区框架和技术。

2　水分区方法

就水生态而言，由于流域水生态系统特征由多种影响在不同尺度上的结合作用所决定，因此，需要对各种环境要素指标的生态学意义、时空尺度进行系统分析，识别在分区尺度上能够显著影响水生态系统的主导环境要素指标，构建分区指标体系。本次分区候选指标主要包括高程、土地利用、水生态因子、气象要素（降水、蒸发）四类数据。现以济南市为例进行城市水生态分区的研究，为与管理实践更好的结合，本次各级分区均参考行政边界对水生态边界进行调整。具体而言，利用ArcGIS软件的地统计功能，分析得到各指标的地统计特征，由此研究各环境要素指标的空间自相关距离，根据空间自相关距离的大小，判断指标的适宜分区尺度。然后建立环境要素与水生态因子的相关分析，指出环境因子与水生态关系密切的指标作为河流周边的主要环境要素。

3　分区指标确定与分区结果

3.1分区指标确定

利用ArcGIS软件的地统计功能，分析得到各指标的地统计特征，由此研究各环境要素指标的空间自相关距离，根据空间自相关距离的大小，判断指标的适宜分区尺度。其中，由于土地利用各类型之间存在一定相关性，计算得到的不同地类的空间自相关距离有较大程度相似，本次研究只选择了林地和未利用土地两个地类计算空间异质性。各环境要素指标的空间自相关距离为林地16km；未利用土地14km；年平均降水量434km；年平均蒸发量448km。其中年平均降水量和年平均蒸发量的空间自相关距离均在430 km以上，相对于济南市行政面积，分区尺度过大，不适用于济南水生态分区。高程的空间自相关距离为53km，是济南市水生态分区大尺度分区的适宜指标，而土地利用类型的林地和未利用土地则适合中尺度分区。

以上分析表明，高程和土地利用是与济南市水生态关系密切的两类指标，因此两者被选入济南市水生态分区指标体系。

3.2分区结果

济南市水生态一级分区以济南市现有的3大水系和城区区划为基础，依据济南市高程指标，完成对3大水系集水面积的识别和水生态一级区划分。土地利用作为河流周边的环境要素，对水生态系统结构和功能具有重要作用。按照空间异质性大小作为分区指标的原则，本次水生态二级分区依据济南市土地利用 （林地和未利用地）的分布格局，完成初步划分后，再根据济南市县级区划对初步划分结果进行调整，使其与基层河流管理边界相结合，最终完成济南市水生态二级区的划分。

水生态三级分区作为本次分区的最小单元，为了保证其作为一个地理单元的完整性，采用“自下而上”的区划方法确定，即在一、二级分区的基础上，从更低级的子流域单元合并得到一个或多个三级分区。具体分区步骤：选择一个二级水生态分区，采用GIS软件提供的水文分析工具，以采样点为子流域出口，划分出子流域；采用系统聚类法对采样点的水质数据进行聚类分析，所采用的水质数据有电导率、溶解氧、总氮、氨氮、亚硝酸盐氮、硝酸盐氮、高锰酸盐指数、生化需氧量和总磷。依据聚类结果，同一类且位于同一、二级分区内的采样点对应的子流域合并作为该二级分区下的一个三级分区，继续上述过程，直至得到所有三级分区结果。

4　结语

本文采用“自上而下”和“自下而上”相结合的方法，完成了济南市水生态一、二和三级分区划分。其中济南市水生态一级分区为4个，水生态二级分区共划为8个，三级分区共划为15个。水生态一级分区主要由济南市三大水系，即黄河水系、小清河水系和徒骇马颊河水系，外加城区组成。水生态二级分区则主要参考济南市2007年土地利用分布状况完成，其中徒骇马颊河区的土地利用主要由盐碱地类的未利用土地组成，黄河区和小清河区的土地利用主要是林地和草地，其余二级分区则是耕地以及乡镇居民用地。水生态三级分区是在二级分区的基础上，采用“自下而上”的分区技术，通过对采样点的水质指标进行聚类分析，以此为依据进而合并采样点控制的子流域而完成的。

（责任编辑赵其芬）

【中图分类号】X321

【文献标识码】B

【文章编号】1009-6159（2015）-06-0057-02

收稿日期：2015-03-19

作者简介：杨增丽（1962—），女，工程师