基于生态系统服务的浙江省水生态环境分区分类管控

王飞儿,郑思远,杨泓蕊,俞 洁,王一旭,王浙明

1 浙江大学环境与资源学院,杭州 310058 2 浙江省环境监测中心,杭州 310012 3 浙江省环境保护科学设计研究院,杭州 310007

实施“分区、分类、分级、分期”的水生态环境管控是流域精细化管理的主流思想[1—2]。国务院2015年发布的《水污染防治行动计划》明确提出了“研究建立流域水生态环境功能分区管理体系”,并提出对全国重点流域进行分流域、分区域、分阶段的科学治理。“十三五”重点流域水污染防治规划也提出了“流域-控制区-控制单元”三级分区管理体系[3]。“十四五”重点流域规划由水污染防治改为水生态环境保护,反映我国水环境管理在由总量控制向环境质量转型的基础上,进一步向水生态系统健康方向转变[4]。因此随着流域空间管控思想的深入,开展水生态环境分区,明确不同区域水生态环境目标,制定差异化管控对策,将成为我国流域水生态环境精细化管理的核心内容之一[5]。

根据不同的管理模式和划分依据,国内外关于水生态环境分区的类型及方法较多,包括水生态分区、水生态功能分区、水环境功能分区等。Omernik[6]提出水生态区概念并采用地质、土壤、地形地貌、土地利用、植被、气候等指标体系完成了美国国家尺度和地方尺度的水生态分区；欧盟、新西兰等国家在Omernik指标的基础上开展了适合本国情况及管理目标的水生态区划[7—8]。我国在流域水生态环境分区中,因为管理目标不同,形成的分区体系也各异。始于20世纪90年代的水环境功能分区结合区域水资源开发利用现状和社会需求,从污染物排放及水质影响等角度开展水体区划；“十一五”以来辽河、海河、太湖、滇池等一些重点流域开展了不同层级的水生态功能分区,通过识别流域水生态系统格局与功能的空间异质性特征,辨析水-陆生态系统的耦合关系,而将流域划分成若干个相对独立、完整单元[9—12]；另外,始于“九五”的流域水污染控制分区实践也逐渐得到发展,在“十三五”重点流域水污染控制规划中形成了“流域-区域-控制单元”的分区体系[3]。但各类水生态环境分区在发展与应用过程中,仍存在较多的问题。如水环境功能区划依据用水功能以及水质类别进行划分,忽略了水陆协同性、水生态系统完整性；水生态功能区划将水生态系统完整性纳入划分依据,但未与行政管理相结合导致分区未能真正落实到实际的管理中；“十三五”流域管控中划分的控制单元实现了从污染源到入河排污口到水体水质之间的响应,但是目前控制单元的划分忽略了水体的自然特征和生态特征。因此兼顾水生态保护与水污染控制管理目标,耦合现有的各类水生态环境分区,构建新的分区体系,将成为指导流域水生态环境管理的重要依据。

生态系统服务是人类直接或者间接从生态系统中获得的各种惠益,是衔接自然环境与人类需求的重要纽带[13—15]。流域具有多种类型的生态系统服务功能,包括水文调节、水土保持、气候调节、废物处理等,直接或间接影响着流域水生态环境状态[16]。随着流域管理从水资源保护、水污染控制向水资源水环境水生态综合管理转变[1],将生态系统服务功能纳入流域管理,有助于流域水生态与水环境的协同。因此构建兼顾生态系统服务与水环境质量的流域水生态环境分区分类体系,在宏观尺度上把握水生态保护格局,在操作层面上落实水生态环境目标,推进流域水生态环境精细化管理。

本研究以浙江省八大水系为研究对象,基于流域生态特征与水环境响应,构建不同类型的分区指标体系及方法,划定水生态功能区和水环境控制单元,在对各控制单元的生态服务功能价值进行评估及聚类的基础上,提出各类生态服务簇内控制单元的水生态环境分类管控要求,为落实水环境质量底线、开展精细化的水生态环境管控提供技术支持。

1 材料与方法

1.1 研究区域

浙江省位于长江三角洲南翼,地势由西南向东北倾斜,地形复杂,以山地丘陵为主,陆域总面积10.43万 km2。属亚热带季风性湿润气候,年平均气温在15—18℃之间,年均降水量在1100—2000 mm之间。境内拥有钱塘江、瓯江、椒江、甬江、苕溪、运河、飞云江、鳌江等八大水系。浙江省人口密度高,经济发展较快,水环境压力较大。虽然近年来开展的各类治水行动使浙江的水环境得到较大的改善,但局部区域仍存在污染物排放量大、强度高,水质不能全面稳定达标、水环境管理短板未补齐、水生态管理缺乏足够重视等问题。

1.2 研究方法

1.2.1水生态环境分区

水生态环境分区包括水生态功能分区及水环境控制单元,其中水生态功能区划综合考虑了水生态系统空间格局,是水环境控制单元划定的基础,其生态目标要通过水环境控制单元去落实；水环境控制单元是落实水生态水环境目标的具体操作单元。本研究采用自上而下的划分思路,根据流域生态系统特征划定水生态功能区,在此基础上进一步耦合流域汇水单元、行政管理单元以及水(环境)功能区,开展水环境控制单元的划分,形成水生态功能区-水环境控制单元的多层级水生态环境分区体系,有效落实水生态环境目标及差异化管控对策。

图1 生态因子与水质CCA分析结果Fig.1 The result of CCA analysis on ecological factors and water qualityCCA, 典范对应分析 Canonical Correspondence Analysis; R1, 环境因子1 Environmental factor 1; R2, 环境因子2 Environmental factor 2; R3, 环境因子3 Environmental factor 3; R4, 环境因子4 Environmental factor 4; R5, 环境因子5 Environmental factor 5

(1)水生态功能分区

水生态功能区的划分指标主要考虑能反映流域生态系统特征差异性指标,包括降雨、气温、地形、土壤类型、土地利用类型、植被覆盖类型、归一化植被指数(NDVI)、人口密度等。基于CANOCO软件,将各生态因子与水质数据进行典范对应分析(CCA)[17]。根据生态因子和水质的CCA分析(图1)筛选了土地利用、土壤类型、NDVI和人口密度作为体现流域水生态系统空间格局的指标。其中土地利用类型体现了自然环境与人类活动的综合影响；土壤类型决定了土壤不同的渗透性和持水能力；植被覆盖类型和NDVI指数反映了物质的迁移转化对水生态系统异质性的影响；人口密度则反映了潜在污染负荷对水生态系统的影响[18—19]。

依据CCA分析筛选出的与水质相关的指标,采用ISODATA非监督空间聚类方法[20],划定水生态功能区。

(2)水环境控制单元划分

按照水系完整性、行政管理可操作性以及污染传输封闭性原则开展水环境控制单元划分。采用ArcGIS的Hydrology模块,利用浙江省数字高程数据(DEM)提取全省水系,以5000为划分阈值,结合实际水系修正得到389个汇水区。在ArcGIS平台采用空间叠置分析,将水生态功能分区、389个汇水区以及1386个乡镇边界进行叠加。控制单元初步划分基本思路如下：1)一个水生态功能区包括多个完整的控制单元；2)山地丘陵区汇水特征明显的以汇水区边界作为控制单元边界,将汇入同一水体的陆域包括在一个控制单元内；3)平原河网区难以确定水文以及污染物传输空间边界的地区,则以行政边界作为控制单元的边界；4)控制单元不能跨县界,否则以县界进行切分。在初步划定水环境控制单元后,利用水环境功能区对控制单元的初始边界进行修正或分割,确保同一水环境功能区尽可能在同一控制单元内。

1.2.2水生态环境分类管控

为实现水环境水生态协同管理,以水环境控制单元的生态系统服务空间差异为主导,基于控制单元的生态特征和水质特征对控制单元进行分类,落实差异化的管控措施。

(1)生态服务价值评估

由于生态系统服务的各物理量很难进行直接比对,因此将各类生态服务货币化,采用生态服务价值开展评估。各控制单元的生态服务价值采用谢高地等人提出的当量因子法进行估算[21—22]。根据相关资料,2015年浙江省粮食单位产出量均值为5886 kg/hm2[23],国家粮食和物资储备局公布当年稻谷平均最低收购价2.7 元/kg[24]。采用粮食产量与当年粮食价格进行修正,得到研究区域一个当量因子为2270 元/hm2。根据不同类型生态系统单位面积的产品种类、数量及相应价格,得到代表全省不同生态系统单位面积生态服务功能价值的当量因子(表1)。

表1 浙江省不同生态系统单位面积生态系统服务价值

以水环境控制单元为评估单元,根据各控制单元内各类生态系统面积及当量因子,计算各单元的生态服务价值：

式中,ESV为生态服务价值(万元/a)；Si为第i类生态系统的面积(km2)；EFi为第i类生态系统的当量因子(万元·km2·a1)。

由于同一种土地利用类型通常采用相同的当量因子,但不同的环境条件也会影响具有相同利用类型土地的生态服务价值[25],故需要对当量因子进行适当的修正。本研究中生态服务价值确定是基于生态系统的生产能力,而生物量是表征生态系统初级生产能力的重要因子,可以在一定程度上反映不同区域之间生态服务功能的差异[26—27]。基于归一化植被指数(NDVI)可用于表征植被类型和数量[28],故利用NDVI对各个控制单元内的林地、耕地、草地的生态服务价值当量因子进行空间修正:

式中,ω为各管控分区的空间修正因子,NDVIj表示第i控制单元的归一化植被指数,k表示控制单元总数。

(2)生态系统服务簇分类

生态系统服务簇是指在时间与空间上反复出现的一组生态服务功能[29—30]。通过对不同区域内生态服务功能的空间聚类,得到生态服务功能比较一致的生态系统服务簇,依据各个簇内的主导生态服务功能类型进行差异化管理。本文利用SPSS软件,以9种生态服务功能为变量,以各水环境控制单元为评估单元,根据各类生态服务功能价值,采用K均值聚类法开展水环境控制单元生态系统服务簇及其主导生态服务功能的识别。同时解析各生态服务簇的水质特征,确定各类簇水环境控制单元的管控目标和差异化管控要求。

1.3 数据来源

浙江省数字高程数据(30 m-DEM),2015年浙江省土地利用类型、土壤类型、植被类型、NDVI指数和人口密度数据分辨率为1 km×1 km,均来源于中国科学院资源环境科学数据中心(http://www.resdc.cn)；乡镇级行政区划、水系分布来源于浙江省测绘与地理信息局；水(环境)功能区划和2015年的环统数据来自浙江省生态环境厅；2015年省控断面的水质数据来源于浙江省环境监测中心。

图2 浙江省水生态功能分区Fig.2 Regionalization of aquatic ecoregions function in Zhejiang Province Ⅰ—Ⅳ为水生态分区编号，1—4为水生态功能分区编号

2 结果与讨论

2.1 水生态环境区划

(1)水生态功能分区

浙江省水生态功能区主要体现自然环境和人类活动对水生态系统的叠加影响。根据土壤类型、土地利用、植被以及人口密度的空间差异性,采用ISODATA空间聚类共得到10个浙江省水生态功能区,具体见图2。

根据分区结果,Ⅲ2区、Ⅲ3区和Ⅳ2区的人口密度较高,人类活动的影响较大,人工植被、耕地、人为土的占比较高；Ⅰ2区、Ⅱ2区、Ⅲ1区、Ⅲ4区和Ⅳ1区的人口密度中等,较好地体现了自然环境因素和人为活动因素的复合影响,植被类型主要包括人工植被和阔叶林、针叶林等自然植被,林地和耕地两种土地利用类型占比相当；Ⅰ1区和Ⅱ1区的人口密度较低,受自然环境因素的影响较大,土地利用类型以林地为主导,NDVI指数也较高。十个水生态功能区中,面积最大的是中部盆地水生态功能区(Ⅱ2区),区域面积为25777.9 km2,面积最小的是中部丘陵水生态功能区(Ⅰ2区),为4354.0 km2。

(2) 水环境控制单元

在水生态功能区划基础上,耦合流域汇水区、乡镇边界(含县市区边界),采用空间叠置方法进行分区,同时根据水环境功能区划对各控制单元边界进行修正,得到510个水环境控制单元,见图3。

图3 浙江省水环境控制单元划分Fig.3 Water environment control units in Zhejiang Province

510个控制单元平均面积205 km2,最大和最小控制单元的面积分别为924.10 km2和13.06 km2。从各水生态功能区分布来看(表2,中部盆地水生态功能区的控制单元最多,共有107个,而中部丘陵水生态功能区的控制单元最少,仅19个；从行政分区来看(表2,杭州、宁波和台州的控制单元较多,分别为69个、66个和64个,而舟山市最小,仅有6个控制单元；从空间位置来看,上游山地区控制单元划分较为稀疏,而下游平原区控制单元划分则较为密集。

2.2 水生态环境特征识别

(1)生态服务功能特征识别

根据各控制单元的土地利用类型开展生态服务价值评估。结果显示,全省生态服务价值总计为5123.73亿元/a。各控制单元的生态服务价值在136.53—59.87亿元/a之间波动,各控制单元单位面积的生态服务价值为6.50—818.45万元/km2,生态服务价值在空间分布上整体呈现西高东低、南高北低的趋势(图4)。

以保持各簇的完整性及不同簇别间的空间异质性为原则,采用K均值聚类,最终确定了4类生态系统服务簇(图4)。Ⅰ类簇的区域面积最大,占全省总面积的52.68%,主要分布在西部丘陵山地区和西南山区,土地利用类型以林地为主,单位面积生态服务价值高,总生态服务价值占全省总生态服务价值的65.46%；Ⅱ类簇面积最小,主要分布在千岛湖以及钱塘江入海口,水域占比较大,总生态服务价值占全省总生态服务价值的2.02%,但单位面积服务价值较高；Ⅲ类簇主要分布于低山丘陵区,土地利用类型以林地(山地区)和耕地(平原区)为主,人类活动相对频繁,单位面积生态服务价值相对较高,总生态服务价值占全省总生态服务价值的26.43%；Ⅳ类簇集中分布在北部平原、中部金衢盆地和东南沿海平原。该类簇城镇用地比重也较大,是城镇集聚区,单位面积生态服务价值相对较小,区域总服务价值占全省的6.09%。

表2 水环境控制单元区域分布

图4 浙江省生态服务功能空间分布特征Fig.4 The spatial distribution characteristics of ecological service function in Zhejiang ProvinceESV, 生态服务价值 Ecological service value

根据各生态服务簇的生态服务功能价值组成(图5)可知,不同簇的主导生态服务功能存在一定的差异。Ⅰ类簇总生态服务价值较高,保持土壤、气体调节、气候调节、维持生物多样性和原材料生产等生态服务功能价值明显高于其它簇别,但食物生产服务功能相对较差。Ⅱ类簇在废物处理、水文调节和提供美学景观方面具有相近的生态服务功能价值,且明显优于其它类型的生态服务功能。Ⅲ类簇在保持土壤、气体调节、气候调节、食物生产、原材料生产等方面具有较高的生产服务功能价值,其中食物生产功能的生态服务价值最大。Ⅳ类簇的食物生产服务价值明显高于簇内其它类型以及其他簇的食物生产功能,是该簇的主导生态服务功能。

图5 四类簇生态服务功能单位面积价值组成结构Fig.5 The composition structure of ecosystem service function per unit area of 4 bundles

(2)水环境质量特征解析

流域水环境特征与生态服务功能存在较紧密的关联。各类簇的水环境质量评估结果显示,Ⅰ类簇中水质类别主要为Ⅰ—Ⅲ类水,其中Ⅱ类水和Ⅰ类水占比分别为66%和25%；Ⅱ类簇水质类别主要为Ⅱ、Ⅲ类水为主,其断面占比分别为36%和45%,整体水质良好；Ⅲ类簇中以Ⅱ、Ⅲ类水为主,占比分别为30%和43%,但也有劣V类水存在。Ⅳ类簇水质类别为Ⅱ—劣Ⅴ类水,Ⅴ类水和劣Ⅴ类水的总占比达到了21%,水质整体较差。由四类簇内各断面水质主要指标浓度分布(图6)可知,生态服务价值越高的簇,水质越好,而生态服务价值水平相对较低,则水质相对较差。

图6 四类簇主要水质指标特征Fig.6 The characteristics of main water quality indicators of 4bundles

2.3水生态环境分类管控

根据各控制单元的水质特征及生态服务特征,将全省510个控制单元按生态服务簇进行分类：

1)保护维持型：将生态服务功能高、水环境质量好的Ⅰ类生态服务簇内的控制单元按保护与维持进行管控,即以生态保护为核心,维持区域优质水质,进一步提升生态服务功能。

2)功能维护型：将具有较高废物处理、水文调节和提供美学景观的Ⅱ类生态服务簇作为功能维护型进行管控。该类控制单元以维护和提升生态服务为目标,充分发挥该类型控制单元在处理废物、调节水文和美化环境等方面的作用。

3)预防改善型：将生态服务功能中等、水质一般的Ⅲ类生态服务簇内的控制单元纳入预防改善型。该类控制单元以维持水质总体稳定的基础上改善局部水质为目标,推进普适性污染预防及治理措施,强化污染预防。

4)整治提升型：将生态服务功能低、水质较差的Ⅳ类生态服务簇内的控制单元归为整治提升型。该类控制单元以改善水质、防范环境风险为目标,重视空间布局优化,强化污染整治,提升生态功能,按控制单元落实精细化管控。

3 结论

1)以水生态特征空间差异性为基础,根据流域生态系统特征与水质响应关系,结合子流域汇水单元、行政管理单元以及水(环境)功能区划,通过空间聚类和空间叠加分析划分了10个水生态功能区、510个水环境控制单元。

2)根据各水环境控制单元生态服务价值,聚类得到4类生态系统服务簇,识别了各簇的主导生态服务功能和水质特征,提出了差异化管控要求。其中Ⅰ类簇内的控制单元按优先保护原则进行管理,以维持优质水质,并进一步提升生态服务功能；Ⅱ类簇的控制单元以主导生态服务功能提升与维持进行管控；Ⅲ类簇的控制单元以预防为主,局部治理,以提升区域水环境质量和生态功能；Ⅳ类簇内的控制单元要落实水质改善、环境风险防范的要求,加大水环境综合整治力度。

3)构建基于流域水生态水环境特征的分区分类体系,实现流域水生态保护与水环境质量改善的有机融合,为流域水生态环境精细化管控提供技术支撑。