流域水生态功能管理区决策支持系统设计

胡顺强，胡卓玮*，李泽琪，李 梦，史岩岩

（1. 首都师范大学 资源环境与地理信息系统北京市重点实验室，北京 100048；2.首都师范大学 三维信息获取与应用教育部重点实验室，北京 100048）

流域水生态功能管理区决策支持系统设计

胡顺强1,2，胡卓玮1,2*，李泽琪1,2，李 梦1,2，史岩岩1,2

（1. 首都师范大学 资源环境与地理信息系统北京市重点实验室，北京 100048；2.首都师范大学 三维信息获取与应用教育部重点实验室，北京 100048）

应用ArcGIS Engine10.1开发工具包，在Visual Studio 2010开发环境下，完成了流域水生态功能管理区决策支持系统的设计与开发。该系统将流域水生态功能管理区划分成联合管理﹑独立管理和委托管理等子单元；并通过对子单元的水生态系统健康进行评价，将子单元的水生态系统受损程度分为好﹑中﹑差3类，以差异化的水环境管理方法为流域水生态功能管理决策和实施提供支持，有助于流域管理主体建立基于水生态功能的水质目标管理体系。

流域水生态功能管理区；水生态系统；管理决策；流域水资源

近年来，国内与水生态功能分区相关的研究成果日益增多[1-2]，基于水生态功能管理分区的水环境管理理念也逐步被人们所接受，功能管理区是区域性环境管理的重要手段[3-7]。水生态系统健康评价是实施流域水生态综合管理的重要基础[8]。20世纪80年代，河流管理和保护开始从目标单一的水质保护转向河流水环境综合管理和流域水生态系统恢复，随之出现了生物完整性指数[9]﹑河流无脊椎动物预测和分类系统[10]等河流健康监测和评价方法。20世纪90年代，美国启动了环境监测评价计划[11]。

在研究水生态功能管理区划分原则与方法的基础上，本文提出了一种将水环境保护与行政管理功能相结合的流域水生态功能区划概念。水生态功能管理区的划分不再根据常规的流域边界，而是结合河流流经地区的行政管控边界，采用GIS的空间叠加与流域水系分布﹑流域汇水区﹑居民点分布﹑重点主体功能分区数据的多准则条件判断方法相结合的技术，实现以省﹑市﹑县为主体的三级水生态功能管理区。采用多指标综合评价法对水生态功能管理区划分完成的水生态系统健康进行评价；通过对监测点所获得的一系列生物﹑水质和生态系统结构和功能参数进行全面客观地评价，为流域水生态功能管理区管理目标确定和方案制定提供参考。

1 水生态功能管理区划分方法及健康评价体系

1.1 水生态功能管理区划分方法

水生态功能管理区通过将水生态功能分区与行政区划进行叠加，获得具有唯一行政区属性和水生态功能属性的初步划分区域单元。依据与流域的关系，初步划分区域单元可分为独立管理子单元﹑联合管理子单元和委托管理子单元。独立管理子单元是存在于单个行政单元内的﹑大面积的﹑流域完整的管理子单元。联合管理子单元是为保证流域完整性，将同一个流域内包含的多个管理子单元合并为一个联合管理区，由相关的行政单元联合管理，各管理子单元为联合管理子单元。委托管理子单元是指行政单元内不存在相同类型的管理子单元且面积较小的管理子单元，在不分割流域完整性的情况下，委托给相邻的同类型管理子单元进行统一管理。

由于行政边界与流域自然边界的差异性，子单元的划分无法保障流域的完整性，且一个行政单元通常被划分为多个零散的子单元不利于行政管理。因此，在子单元划分的基础上，根据流域水系分布﹑流域汇水区与子单元的水系相关性进行归类合并，获得联合管理子单元；再根据水生态功能管理区的面积占比﹑GDP占比﹑人口占比，水生态功能管理区和居民点分布以及重点主体功能分区数据的空间关系来判别独立管理子单元和委托管理子单元，划分流程如图1所示。

1.2 水生态系统健康评价体系

采用多指标综合评价法对已划分的水生态功能管理区进行水生态系统健康评价，依据评价结果来确定其水生态系统的受损程度，并将受损程度分为好﹑中﹑差3类。水生态系统健康评价指标主要由水质评价﹑生境评价和生物评价组成。

水生态系统健康综合评价采用综合指数法，将水质评价﹑生境评价和生物评价指标加权求和，构建综合评估指数WQI，以表示水环境整体的质量状况。

图1 水生态功能管理区划分技术路线图

式中，xi为评价指标分值；wi为评价指标权重。

在综合评价时，水质指标﹑生境指标和生物指标（大型底栖动物指标﹑着生藻类指标）的分值及权重如表1所示。

表1 水生态环境综合评价指标分值及权重

根据WQI结果，将水生态环境质量受损程度分为好﹑中﹑差3类，具体指数分值和分级见表2。

表2 水生态环境质量受损程度分级标准

1.2.1 水质评价

根据水质浓度所在区间，求取其水质类别及相应分值。参照GB 3838-2002《地表水环境质量标准》[12]基本项目标准限值，根据不同功能分区水质类别的标准限值，进行单因子评价（其中水温和PH不作为评价指标）；再根据水质类别等级进行赋分，赋分标准见表 3。限制水质参数个数：最多选择5项，最少选择1项，对于多项水质，以其算数平均值为水质评价值。

表3 水质指标评价等级

1.2.2 生境评价

建立物理生境等级对照，评价参数由底质﹑栖息地复杂性﹑流速度结合特性﹑河岸稳定性﹑河道变化﹑河水水量状况﹑植被多样性﹑水质状况﹑人类活动强度﹑河岸土地利用类型10个指标构成。根据10个生境监测项目得分之和所在的区间，得到其生境类别及分值。各参数分值范围均为0～20，分为4个评价等级。栖息地生境质量以H表示，各监测断面生境总分由10个参数分值累加计算H，分级评价标准见表4。

表4 栖息地生境质量的分级评价标准

1.2.3 生物评价

生物评价选取在国内多类水体中应用过的生物完整性指数（IBI），经常使用的生物类群为大型底栖动物及藻类。IBI指数评价等级及其对应的赋分标准，见表5。

表5 IBI指数的分级评价标准

2 系统框架设计

根据水生态功能管理区的划分方法和水生态系统健康评价体系，结合GIS空间关系和空间分析的多准则条件，采用C#+ArcGIS Engine的开发方式，对管理区进行划分，并运用多指标评价法进行水生态系统健康评价分类。

系统构建在.NET体系结构上，具备4层体系结构，如图2所示。用户层：系统为使用人员进行展示。逻辑层：提供基础的应用服务，中间层包括数据加载﹑管理区划分﹑管理区分类﹑地图整饰与输出等。数据层：主要包括县级行政区划数据﹑流域汇水分布图数据﹑居民区分布图数据﹑重点主体功能区数据和水生态功能三级分区数据。系统层：主要包括系统搭建所需的软硬件平台，如客户端硬件配置﹑系统运行软件环境等。

图2 系统体系框架

3 系统功能设计与实现

3.1 系统功能设计

系统总体采用模块化设计，分为4个主要功能模块：数据加载﹑管理区划分﹑管理区分类﹑地图整饰与输出模块，总体功能见图3。

图3 系统主体功能模块

3.2 关键模块的实现

3.2.1 管理区划分

水生态功能管理区主要是将水生态功能三级分区与县级行政区划进行矢量叠加，使用了矢量分析中的标识叠加Identify功能。在水生态功能管理区中，面积较小的区域无独立管理价值，在进行管理区划分前需对碎部面进行处理，以行政区划为基准，将面积小于5 km2的碎部面合并给相邻的同属一个行政区的管理区。叠加后的结果及局部碎部面处理结果如图4所示。

图4 叠加及局部碎部面处理结果（审图号：GS(2008)1304）

水生态功能管理区功能实现的相关部分代码为：

AnalysisTools.Identity pIdentity = new AnalysisTools. Identity(); ‘水生态功能三级分区和县级行政区划数据进行标识叠加

query.WhereClause = ″Shape_Area＜5″; ‘选择面积小于5 km2的要素

while (pff != null) ‘面积小于5 km2的要素

query1.WhereClause = ″Shape_Area>5″; ‘选择面积大于5 km2的要素

IFeature pff1 = fec1.NextFeature(); ‘面积大于5 km2的要素

IRelationalOperator re = pff.Shape as IRelationalOperator;

if (re.Touches(pff1.Shape)) ‘判断碎部面与面积大于5 km2的面相交

if (pff1.get_Value(i).ToString() == pff.get_Value(i). ToString()) ‘行政区划属性相同判断

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

水生态功能管理区划分首先需根据流域水系相关性人工判断联合管理子单元。联合管理子单元的划分需依据汇水区分布图，一般而言汇水区内均包含相对完整的水系，然而其会与多个管理子单元相交，因此首先需选择与其相交的多个管理子单元；若上述多个管理子单元合并对汇水区的完整性产生破坏，则对相邻的汇水区采用相同操作，将多个汇水区对应的管理子单元进行合并，然后再次判断汇水区及水系的完整性；最后，当选中的管理子单元能满足汇水区及水系的完整性时，则将合并后的管理区类型修改为联合管理区，如图5所示。

图5 局部划分的联合管理区（审图号：GS(2008)1304）

联合管理子单元判断完成后，再利用水生态功能管理区的GDP占比大于0.5，人口占比大于0.5，面积占比大于0.5，与居民点分布图包含﹑重点主体功能分区数据相交等多准则条件辅助进行独立管理子单元和委托管理子单元的判别，只要满足上述5个条件之一，即为独立管理子单元。图6为独立和委托管理子单元判别的功能界面，图7为管理区划分后的结果。

图6 独立和委托管理子单元划分功能界面

管理区划分功能相关部分代码为：

‘联合管理子单元划分

IFeature pNewFeature = featureLayer.FeatureClass. CreateFeature(); ‘创建一个新要素

while (pFeature != null) ‘选择与流域水系相关的要素pUnionGeo = pTopoOperator2.Union(pGeometry); ‘合并‘独立和委托管理子单元划分

图7 管理区划分结果（审图号：GS(2008)1304）

queryf.WhereClause = ″GDP占 比 >″ + Convert. ToDouble(textBox4.Text) + ″ Or 人 口 占 比 >″ + Convert. ToDouble(textBox2.Text) + ″ Or 面 积 占 比 >″+Convert. ToDouble(textBox3.Text) + ″″; ‘GDP占比、人口占比、面积占比属性的判断条件

pFeature.set_Value(z, ″独立管理子单元″); ‘将符合上述3 个属性判断的条件，子单元设为独立管理子单元

spatialFilter2.SpatialRel = esriSpatialRelEnum. esriSpatialRelOverlaps; ‘包含关系

spatialFilter2.SpatialRel = esriSpatialRelEnum. esriSpatialRelIntersects; ‘相交关系

pf2.set_Value(i, ″委托管理子单元″); ‘上述条件都不满足，子单元设为委托管理子单元

3.2.2 管理区分类

水生态系统健康评价分类由水质评价﹑生境评价和生物评价的结果加权求和得到。通过监测点所获得的一系列生物﹑水质和生态系统结构和功能参数对某一划分好的管理子单元进行水生态系统健康评价，并将评价结果写入管理子单元属性中。图8为水生态健康评价分类功能及评价结果主界面。

图8 水生态健康评价分类功能及评价结果

水生态系统健康评价分类功能相关部分代码为：

waterValue = calculateWater(); ‘水质评价结果函数

shengwuValue = calculateShengwu(); ‘生物评价结果函数

shengjingValue = calculateShengjing();‘生境评价结果函数

zongheValue = waterValue * f1 + shengwuValue * f2 + shengjingValue * f3; ‘加权平均求和

4 结 语

系统实现了对管理区的划分和水生态系统健康评价的分类。在水生态功能分区的基础上，综合考虑特定地区水环境管理的行政区划和社会经济条件等制约因素，划分水生态管理区，并根据健康评价状况，确定水生态管理区类别，可为水环境管理中建立基本的区域控制体系奠定基础，搭建水生态功能分区与水生态目标管理之间的技术桥梁，将为制定综合流域生态系统管理策略和水生态保护目标提供关键技术手段。

[1] 万忠成,王治江,王延松,等.辽宁省生态功能分区与生态服务功能重要区域[J].气象与环境学报,2006,22(5):69-71

[2] 孙小银,周启星.中国水生态分区初探[J].环境科学学报,2010,30(2):415-423

[3] 蔡佳亮,殷贺,黄艺.生态功能区划理论研究进展[J].生态学报,2010,30(11):3 018-3 027

[4] 孟伟,张楠,张远,等.流域水质目标管理技术研究(I):控制单元的总量控制技术[J].环境科学研究,2007,20(4):1-8

[5] 刘燕华,郑度,葛全胜,等.关于开展中国综合区划研究若干问题的认识[J].地理研究,2005,24(3):321-329

[6] 吴忠勇,王文杰,李雪.国家级环境区划理论与方法初探[J].农村生态环境,1995,11(3):1-3

[7] 张晶,吴绍洪,唐炳舜.地域系统研究进展与展望[J].中国人口·资源与环境,2007,17(4):49-54

[8] 张楠, 孟伟, 张远, 等.辽河流域河流生态系统健康的多指标评价方法[J].环境科学研究,2009,22(2):162-170

[9] James R K. Assessments of Biotic Integrity Using Fish Communities[J].Fisheries,1981,6(6):21-27

[10] Wright J F, Sutcliffe D W, Furse M T. Assessing the Biological Quality of Fresh Waters: RJPACS and Other Techniques[M]. Oxford, UK Ambleside: the Freshwater Biological Association,2000:1-24

[11] Hughem R M, Paulsen S G, Stoddard J L. EMAP-surface Water: A Multi-assemblage Probability Survey of Ecological Integrity in the USA [J]. Hydrobiologia,2000,17(5):429-443

[12] GB 3838-2002.地表水环境质量标准[S].北京:中国环境科学出版社,2002:2-3

P208

B

1672-4623（2017）09-0045-04

10.3969/j.issn.1672-4623.2017.09.015

2016-07-12。

项目来源：国家水体污染控制与治理科技重大专项资助项目（2012ZX07501－001）；国家自然科学基金资助项目（41301468）；国家科技支撑计划资助项目（2013BAC03B04）。

（*为通讯作者）

胡顺强，硕士研究生，研究方向为地理信息系统设计与研发。