北京市小流域水土保持安全研究

齐 实，刘 卉，毕 超，李 月，陈芳孝，李世荣，陆大明

(1.水土保持国家林业局重点实验室，北京市水土保持工程技术研究中心，林业生态工程教育部工程研究中心，北京林业大学， 100083，北京； 2.北京林丰源生态环境规划设计院有限公司， 100083，北京； 3.北京市水土保持工作总站， 100036，北京)

作为“人文北京、科技北京、绿色北京”建设战略的重要内容，“绿色北京”是建设资源节约型和环境友好型社会、转变经济发展方式的重要着力点，是努力促进首都经济社会全面协调可持续发展的关键[1]。水土资源是人类进行各项生产的基础，也是人类赖以生存的根本性资源；因此水土保持是保障北京市未来向国际化大都市发展的基石，并且是一项需要长期坚持的基础工作。水土保持作为实施水土流失综合防治、行业管理和国家宏观管理的重要依据与前提，同时还是水土保持规划的重要组成部分，其分区对北京市的水土保持工作具有重要的指导意义[2-3]。

2011年3月1日实施的《中华人民共和国水土保持法》和2016年1月1日实施的《北京市水土保持条例》规定：县级以上人民政府要编制水土保持规划，本级人民政府批准后向社会公布，由水行政部门组织实施。《全国水土保持规划》(2015—2030) 已经被国务院批准并开始实施。北京市以第1次水务普查成果为基础，也编制了《北京市水土保持规划》(2016—2030年) (以下简称《规划》)[4]。北京市水土保持将以小流域为单元进行规划，分区工作还需重点考虑不同地区的基本地理特征，自然条件，水土流失特点，社会经济和行政管理状况，从而分析得出区域间发展的相同点和差异，根据这些不同方面的因素合力规划区域的发展方向，北京市提出将北京建设成为中国特色世界城市和美丽首都的要求，在新形势下，水土保持工作应在目标上突出水源安全、防洪安全和生态安全，管理上突出社会化服务和管理[5]，从而实现小流域的功能定位。有鉴于此，笔者以北京市为研究对象，对北京市进行水土保持小流域“三个安全”分区，根据“三个安全”的需求确定了指标体系，探讨并研究北京市不同小流域的功能定位和管理，在充分明确北京市水土保持功能定位的基础上为北京市水土保持工作和生态文明建设提供科学依据和数据支撑。

1 研究区概况

北京市位于E 115.7°～117.4°，N 39.4°～41.6°，中心位于E 116°25′29″，N 39°54′20″，总面积1万6 410 km2，占全国土地总面积的0.17%。行政区域包括东城、西城、海淀、朝阳、丰台、门头沟、石景山、房山、通州、顺义、昌平、大兴、怀柔、平谷、延庆、密云16个市辖区。北京的东北部、北部和西部属山区，约占总面积的62%，中部和东部是平原，约占总面积的38%，地势呈由北向南、由西向东逐渐降低。北京市地处暖温带半干旱、半湿润季风气候区，年平均气温为8.0～12.0 ℃，其中山区为8.0～11.4 ℃，平原地区为11.0～12 ℃，年均降水量在400～800 mm之间。北京市属于海河流域，境内有潮白河、北运河、永定河、大清河、蓟运河5大水系，全市划分为1 085条小流域，其中山区小流域576条，平原区小流域509条，小流域面积一般为10～50 km2。地带性植被类型为暖温带落叶阔叶林，土壤主要分为棕壤、潮土、褐土和黄垆土。截至2015年，北京市常住人口达到2 170.5万人。根据《2014年北京市水土保持公报》北京市第1次水务普查中水土保持情况普查成果，北京市土壤侵蚀类型主要为水力侵蚀，水土流失面积3 201.86 km2，其中轻度侵蚀面积1 746.08 km2，中度侵蚀面积1 031.46 km2，强度侵蚀面积340.64 km2，极强度侵蚀面积70.12 km2，剧烈侵蚀面积13.56 km2。

2 数据和方法

1)自然基础数据包括：北京市1 085条小流域分布图(北京市水务局)；北京市30 m数字高程模型(中国科学院地理科学与资源研究所)；地貌起伏度(中国科学院地理科学与资源研究所)；土壤类型(中国土壤区划)；多年平均降水量(北京市暴雨图集)；日降雨量>50 mm的天数(北京市暴雨图集)；沟道坡面坡度、沟道纵坡比降、坡面起伏度、林草覆盖(北京市山区小流域沟道普查)。

2)土地利用类型数据包括：北京市土地利用现状(北京市城市规划院)。

3)水土流失数据包括：北京市土壤侵蚀强度分布和土壤侵蚀类型及面积(北京市城市规划院)。

4)社会经济数据包括：北京市人口密度(北京国民经济和社会发展统计公报)；山洪泥石流历史灾害情况(北京市山区小流域沟道普查)；化肥施用程度(北京市水务普查)、畜禽养殖污染情况(北京市水务普查)、生活污水现状(北京市水务普查)、垃圾现状(北京市水务普查)、水质状况(北京市水务普查)等。

笔者采用空间自相关法中的全局莫兰指数法分析各个土地利用类型分区的合理性[6]；使用主成分分析法[7]，确定可代表“三个安全”的指标，并对指标进行“降维”处理，利用主成分分析的计算结果，采用系统聚类分析法[8]，进行“三个安全”分区的划分。

3 指标体系确立

3.1 一级分区指标

首先，由对北京自然条件的分析可以看出，北京的气候、水文、植被、土壤等自然条件都和地貌类型有着密切的关系，不同的地貌类型、气候和植被类型，水土流失类型也不一样；因此，地貌类型作为北京市水土保持分区最基础的指标，被列为一级分区指标。

3.2 二级分区指标

本文分区的重点与服务目标为“三个安全”，因此将遴选出与“水源安全”“防洪安全”“生态安全”有关的指标，并使用主成分分析法确定最终能代表“三个安全”的指标，将其作为二级分区指标。

3.2.1 水源安全指标 水源安全的目标是：溯源治污，基本解决地表水源地一、二级保护区和地下水源地核心区的水土流失和面源污染问题，确保水源地水质达标。

从水源安全的内容可以看出其主要包括2个方面：水源地保护和面源污染防治，因此在指标选取上要将二者都纳入考虑；其中，以面源污染程度为主体评估所有小流域水质情况，在其中重点考虑水源地，最终形成水源安全分区。面源污染程度方面，在村庄、农田用地类型中，存在农村污水、生活垃圾、农业面源污染及畜禽养殖污染问题；水源区旅游和养鱼业带来的污水、垃圾污染、养殖等污染源大部分堆放在河道或沟道附近，造成河道和水库污染的主要来源。为实现分区结果可以体现面源污染严重程度，将选取以下指标：①化肥施用程度(kg/hm2)；②水质；③生活污水现状；④垃圾现状；⑤畜禽养殖污染情况。

3.2.2 防洪安全指标 防洪安全的要求是：以小流域为单元，采取拦、蓄、排、通，构建山区防洪减灾体系，遏制人为水土流失，减少入河入库泥沙，减轻城市排水管网淤积，为防洪排涝提供保障。

从防洪安全的要求出发，北京市防洪要求包括2部分：山洪泥石流等自然灾害以及城市内涝；从地貌类型出发，山洪泥石流等自然灾害主要集中发生在山区，城市内涝则发生在平原；因此，在确定防洪安全指标时将分别从山区和平原出发考虑[9-10]。

1)山区。北京山区由洪水带来的灾害主要是山洪和泥石流。笔者在分析和借鉴国内外山洪泥石流沟道分类方法和经验的基础上，结合北京山区沟道的形成、发育和活动特点确立分区指标。北京山区各类山洪泥石流沟道成因复杂，影响因素众多，主要取决于地形、降雨、地质、沟道特征和砂砾等因素，这些影响因素都是评判山洪泥石流沟道类型的变量。

山洪发生的直接影响因子就是暴雨，有暴雨的山区就会有山洪的发生，因此暴雨是引发山洪的动力条件。根据气象部门的规定，日降水量≥50 mm的降水称为暴雨，因此将日降雨量≥50 mm的天数纳入指标体系。除动力条件外，地形条件也是山洪泥石流发生的重要条件。据灾害发生的历史分析，灾害多发山区多是山高、坡陡、沟谷窄深、沟头呈扇形式半圆形围谷，山坡坡度在30°～45°之间，沟道坡度大于8°～10°。除此之外，坡面有松散堆积物也是泥石流灾害形成的重要物质条件。从历史发生情况看，历史上发生过灾害的严重程度也可以作为重要的参考来评价山洪泥石流沟道；同时，沟道范围内的人口密度也决定了灾害发生时的严重程度。

综上，根据山洪泥石流发育和形成的规律，山区防洪安全将选取以下指标：①日降雨量≥50 mm天数；②坡面起伏度；③沟道纵坡比降；④沟道坡面坡度；⑤土壤质地；⑥人口密度；⑦山洪泥石流历史受灾情况。

2)平原。平原区洪水具有历时长、峰形矮胖，传播时间较慢的特点。随着城市化的进展，北京的中心城区面积也不断扩大，平原区下垫面条件及水文特征也发生了变化。城区由于城市化使得不透水面积增加，径流系数变大，汇流时间缩短，城市洪峰排水流量随之增加。而城市化以外的平原区由于近年来的人类活动大量开采地下水，使得地下水水位大幅度下降，降雨入渗增加，洪水径流减少，随之洪峰相应变小；由此可以看出，平原区中城市化和非城市化的部分洪水发生条件与特点不同。因此，笔者将参考《北京市水文手册——洪水篇》(2005年)，将北京市平原分区分为城区和城市化以外的平原区。

3.2.3 生态安全指标 生态安全的目标是：统筹管理、综合利用水土资源，维护由水资源、土地资源和植被资源组成的流域生态系统健康。

生态安全的实现主要是对流域生态系统进行分类，构筑生态修复、生态治理、生态保护3道防线，区别水土资源健康状况的主要指标便是水土流失情况，如土壤侵蚀面积比例、土壤侵蚀程度等；此外，植被作为反映生态系统健康程度的重要指标，也在生态安全中发挥了重要作用，如植被类型、林草覆盖率等指标也可反映生态系统内水土资源状况[5]。综上，选取以下指标：①土壤侵蚀面积比例；②土壤侵蚀强度；③林草覆盖率。

4 结果与分析

4.1 水源安全分区

水源安全的目标是：溯源治污，基本解决地表水源地一、二级保护区和地下水源地核心区的水土流失和面源污染问题，确保水源地水质达标[11]。

1)面源污染评价与分区。 通过主成分分析计算得到总方差，2个主成分化肥施用强度、水质贡献率分别为49.178%和39.909%，累计贡献率达到89.087%，超过了85%，并且特征值均>1；因此可以说前2个因子大概囊括了水源安全的内容，可作为主成分因子被提取出来反映小流域水源安全状况。因子载荷矩阵见表1。

表1 面源污染指标主成分分析因子载荷矩阵Tab.1 Component matrix of principal component analysis on indicators of non-point source pollution

由因子载荷矩阵可以看出：第1成分载荷主要集中在污水现状与垃圾现状；第2成分载荷主要集中在化肥施用强度、水质、畜禽养殖污染现状。通过计算各指标的公因子方差，将其占总公因子方差的比例作为各指标权重，则各小流域面源污染综合得分模型为

Sw=0.194X1+0.109X2+0.261X3+ 0.264X4+0.172X5。

(1)

式中：Sw是指小流域面源污染综合得分；X1，X2，X3，X4，X5的含义见表1。将结果进行系统聚类分析，选择平方欧式距离计算，得到结果距离为3时将各单元分为2类。各小流域的面源污染分区最终结果如图1所示。

图1 农业面源污染分区Fig.1 Regionalization of agricultural non-point source pollution

2)水源保护区。将北京市一级水源保护区及上游重点水源保护区作为本文水源安全中的水源保护区范围，采用ArcGIS叠加功能确定保护区范围内的小流域，然后转化成以小流域为基本单元的水源保护区图，详见图2。

3)水源安全分区。采用主成分分析法将多个指标进行“降维”，利用得到的主成分计算得分，根据得分进行系统聚类分析，得到面源污染分区图。在面源污染分区基础上考虑水源保护因素，使用ArcGIS叠置功能将面源污染分区图与水源保护区图进行叠加，形成最终水源安全分区图，详见图3，以及水源安全分区表(表2)。

图2 水源保护分区Fig.2 Regionalization of water resource protection

图3 水源安全分区Fig.3 Regionalization of water resource safety

表2 水源安全分区Tab.2 Regionalization of water source safety

4.2 防洪安全分区

1)山区防洪安全评价与分区。针对上述提到的山区防洪安全评价指标，同样采用主成分分析法将多个指标进行“降维”，利用得到的主成分计算得分，根据得分进行系统聚类分析后，最终得到山区防洪安全分区图。

通过主成分分析计算得到总方差，3个主成分是：X1日降雨量≥50 mm天数；X2坡面坡度；X3沟道纵坡比降。贡献率分别为40.332%、28.447%和20.315%，累计贡献率达到89.094%，超过了85%，并且特征值均>1；因此可以说前3个因子大概囊括了山区防洪安全的内容，可作为主成分因子被提取出来反映山区小流域防洪安全状况。因子载荷矩阵见表3。

表3 防洪安全指标主成分分析因子载荷矩阵Tab.3 Component matrix of principal component analysis on factors of flood control safety

由因子载荷矩阵可以看出：第1成分载荷主要集中在坡面起伏度、坡面坡度和沟道比降，第1主成分主要反映山洪发生所需的地形条件；第2成分载荷主要集中在日降雨量≥50 mm天数、土壤质地，第2主成分主要反映山洪发生的气候及物质条件；第3成分载荷主要集中在人口密度和历史受灾情况，第3主成分集中反映了历史情况和灾害严重程度。通过计算各指标对应的公因子方差，将各指标公因子方差占总公因子方差的比例作为各指标权重，则各山区小流域防洪安全综合得分模型为

Sf=0.194X1+0.130X2+0.19X3+0.123X4+ 0.105X5+0.102X6+0.156X7。

(2)

式中:Sf指的是山区小流域防洪安全综合得分，X1，X2，X3，X4，X5，X6，X7的含义见表3。将结果进行下一步系统聚类分析，选择平方欧式距离计算，得到结果中少量样本呈现离散。忽略离散样本，距离为3时将各单元分为2类，分区结果详见图4。

2)平原区防洪安全分区。平原区中城市化和非城市化的部分洪水发生的条件与特点都不同。笔者参考《北京市水文手册——洪水篇》(2005年)，将北京市平原区划分为城区和城市化以外的平原区。在防洪等级上，城区对于防洪要求较高，因此将城市化地区命名为平原一级防洪区，城市化以外的平原区命名为平原二级防洪区。平原区防洪分区详见图5。

图4 山区防洪安全分区Fig.4 Regionalization of control safety in the mountainous area

图5 平原防洪安全分区Fig.5 Regionalization of flood control safety in the plain

3) 防洪安全分区。综合考虑山区防洪分区和平原防洪分区，将二者利用GIS进行综合叠置，最终形成防洪安全分区图(见图6)。防洪安全分区共分为4类：山洪易发区、山洪安全区、平原一级防洪区和平原二级防洪区。

4.3 生态安全分区

1)生态安全分区指标。生态安全的目标是：统筹管理、综合利用水土资源，维护由水资源、土地资源和植被资源组成的流域生态系统健康[13]。结合北京小流域的实际情况和各项指标的特征，生态安全分区将以土壤侵蚀面积比例、土壤侵蚀强度、林草覆盖率作为主要因子，各指标分级标准见表4，使用ArcGIS叠加功能分析后，最终得到生态安全分区。

2)生态安全分区。分别用数值“1～3”为土壤侵蚀面积比例、土壤侵蚀强度和林草覆盖率的不同类型赋值。例如：土壤侵蚀面积比例<30%为1，≥31%为2；土壤侵蚀强度微度侵蚀为1，轻度侵蚀为2，中度侵蚀及以上为3；林草覆盖率>70%为1，55%～70%为2，<55%为3。按不同指标对生态安全的贡献计入不同权重，其中土壤侵蚀面积比例占0.5、土壤侵蚀强度占0.3、林草覆盖率占0.2。根据权重计算得分后得到2个分区：生态危险区与生态安全区。其中得分<2的小流域为生态危险区，得分>2的小流域为生态安全区。分区标准见表5，分区结果见图7。

图6 北京防洪安全分区Fig.6 Regionalization of flood control safety in Beijing

表4 生态安全指标分级标准Tab.4 Classification criteria of ecological safety index

表5 生态安全分区标准Tab.5 Regionalization standard of ecological safety

图7 生态安全分区Fig.7 Regionalization of ecological safety

5 水源、防洪、生态“三个安全”分区

根据地貌，结合水源安全、防洪安全和生态安全，利用ArcGIS将上述分区进行叠加，可得到“三个安全”分区。以地貌为基础，根据3个安全的重要性排序，确定“三个安全”分区的命名规则为：“罗马数字-阿拉伯数字-水源安全分区-防洪安全分区-生态安全分区”，其中罗马数字Ⅰ表示平原区，Ⅱ表示山区，阿拉伯数字代表“三个安全”分区中的不同类型。如Ⅰ-1代表平原区的第1类型区，Ⅱ-1代表山区的1类型区，以此类推。北京市小流域水土保持“三个安全”分区结果详见图8，分区表见表6。

一级分区First level regionalization二级分区Second level regionalization面积Area/km2所占百分数Percentage/%Ⅰ平原 PlainⅠ-1-水质污染-平原二级防洪-生态安全区Ⅰ-1-Water pollution-Second level flood control in plain-Ecological safety zone6353.9Ⅰ平原 PlainⅠ-2-水质污染-平原一级防洪-生态安全区Ⅰ-2-Water pollution-First level flood control in plain-Ecological safety zone1360.8Ⅰ平原 PlainⅠ-3-水源保护-平原二级防洪-生态安全区Ⅰ-3-Water source protection-Second level flood control in plain-Ecological safety zone240.1Ⅰ平原 PlainⅠ-4-水源安全-平原一级防洪-生态危险区Ⅰ-4-Water source safety-First level flood control in plain-Ecological hazard zone680.4Ⅰ平原 PlainⅠ-5-水源安全-平原一级防洪-生态安全区Ⅰ-5-Water source safety-First level flood control in plain-Ecological safety zone10936.7Ⅰ平原 PlainⅠ-6-水源安全-平原二级防洪-生态危险区Ⅰ-6-Water source safety-Second level flood control in plain-Ecological hazard zone3442.1Ⅰ平原 PlainⅠ-7-水源安全-平原二级防洪-生态安全区Ⅰ-7-Water source safety-Second level flood control in plain-Ecological safety zone316819.3

表6(续)

从表6可以看出：就平原区而言，主要问题是水质污染的小流域，占总面积的4.7%，其次是生态危险的小流域，占总面积的2.5%；山区水源危险区小流域的面积占总面积的1.9%，是急需需要治理的地区，水质污染的小流域面积占11.3%，该部分需要加强面源污染防治；山洪易发的小流域面积占24%，范围较大，需要加强防范；处于生态危险的小流域占总面积的14.7%，是进行生态治理的重点小流域；其中山区存在山区水质污染-生态危险(占2.2%)、水质污染-山洪易发(占1%)、水源危险-山洪易发(占0.9%)的双重风险的小流域，这些是需要重点关注的小流域，应纳入近期生态清洁小流域的治理规划。

6 结论与讨论

1)以北京市1 085个小流域为研究对象，以水源安全、防洪安全、生态安全 “三个安全”为目标导向，利用GIS技术，采用主成分分析和聚类分析的方法，构建水源安全、防洪安全和生态安全的评价指标，以此为依据，开展北京市水土保持3个安全的分区，确定了不同小流域的功能。

2)研究得出北京市不同小流域在水源安全、防洪安全和生态安全方面存在的主要问题，为下一步北京市生态清洁小流域开展的重点区域提供了参考依据。

3)确定“三个安全”的指标主要考虑的是降水、植被、土壤等自然因素，对社会经济因素的考虑还不足，使得指标与人类活动的联系不够紧密，需要进一步进行探讨。

从影响因子方面来看，由于分区的过程中会涉及许多影响因素，笔者在确定“三个安全”指标的过程中主要考虑了降水、植被、土壤等自然因素，但欠缺了对社会经济因素的考虑，使得指标与人类活动的联系不够紧密。从分区指标来看，笔者主要是以“三个安全”要求为导向选取了相应的分区指标，但忽略了北京市的其他发展要求，如京津冀一体化、主体功能区规划、矿产资源规划等。在未来的研究中，应考虑将北京市水土保持分区与全国水土保持区划结果相结合，进一步分析本研究的分区结果与全国区划之间的关系与区别，突出并明确北京市各小流域水土保持工作的必要性和特色。