基于GIS的青海湖流域水生态功能分区

陈治荣，曹广超，陈克龙，马元希，王欣烨

(1.宁夏师范学院 资源环境与生命科学学院，宁夏 固原 755100； 2.青海师范大学 地理科学学院，西宁 810008； 3.青海师范大学 青海省自然地理与环境过程重点实验室，西宁 810008； 4.青藏高原地表过程与生态保育教育部重点实验室，西宁 810008)

1 研究背景

水资源是人类赖以生存的宝贵资源，研究表明我国57%的河流水体的污染严重，导致水生态功能退化，水质性缺水成为目前亟待解决的问题[1-3]。从生态系统方面入手，建立完整稳定的水生态功能分区，以生态环境为首，科学规划各生态功能区的水生态系统，是有效解决流域水环境和水质量问题的关键[4]。同时，不同水生态功能的结构存在差异，其对应的生态环境问题不同，需根据水生态功能的环境特征提出相应的解决方法和措施[5]。开展水生态功能分区研究，可为水行政管理部门提供一定的技术指导，对具有同样生态功能特征或同一种群的水体进行统一管理[6]。

青海湖位于青藏高原的东北缘，是阻止西部荒漠化向东蔓延的天然屏障，是维系青藏高原东北部生态安全的重要节点，是中国最大的内陆咸水湖，湖水容积8.55×1010m3、湖岸线长360 km。近年来青海湖水体面积连续增加，至2019年，青海湖水体面积已扩大至4 549.38 km2，与2018年同期相比增加了20.08 km2，十几年来青海湖水位连续上升。联合国政府间气候变化专门委员会(Intergovernmental Panel on Climate Change)发布了第五次评估报告，第一次评估报告(1990年)至第五次评估报告(2014年)均提到了全球平均地表温度在过去100多年(1880—2012年)中增加了0.3～0.6 ℃(1990年)、0.3～0.6 ℃(1996年)、0.4～0.8 ℃(2001年)、0.74(2007年)、0.85 ℃(2014年)[7-10]。近半个世纪以来，青藏高原气候出现了由暖干向暖湿方向的转型，且暖湿化程度明显，青海湖则是以降水补给为主的封闭湖泊，受暖干气候的影响，1974—2004年青海湖面积减少了253.8 km2，约为1974年湖面积的5.67%[11]。

水生态功能分区目的是揭示流域水生态系统的空间规律，反映水生态系统特征及其与自然因素的关系[6，12]。国内外学者在水生态功能分区研究方面的原则、依据、指标和技术方法各不相同[13]，取得了丰硕的成果。本文在前人研究的基础上，以青藏高原东北部重要的自然地理单元青海湖流域为研究区域，基于GIS技术，以流域内大中尺度的水生态系统及其影响因素为研究对象开展水生态功能分区[14]，为流域水生态环境保护规划、管理方案提供依据。同时，探讨流域水生态的保护目标及其实现途径，维护良好的生态环境，是发展青海湖国家级自然保护区、建设青海湖国家公园的重要支撑，也是青藏高原生态系统保护和修复的重要举措。

2 材料和方法

2.1 研究区概况

青海湖流域又称青海湖盆地，是一个独立完整的自然地理单元，地理位置介于97°50′E—101°20′E、36°15′N—38°20′N(图1)，流域总面积29 600 km2，北起大通山，南至青海南山，西临阿木尼尼库山，东靠日月山。青海湖流域既是连接青海省东部、西部和青南地区的枢纽地带，又是通达甘肃省河西走廊、西藏自治区、新疆维吾尔自治区的主要通道[15]，涉及行政范围包括海西蒙古族自治州天峻县、海北藏族自治州刚察县、海晏县、海南藏族自治州共和县等3个州、4个县、26个乡(镇)、125个行政村(其中跨流域村44个)，以及5个省、州、县属国有农牧场。青海湖流域是青海省生态环境保护和建设的重点区域之一，也是维系青藏高原东北部生态安全的重要水体[16]。流域河网呈现明显的不对称分布，西北部面积广阔，河网发育，径流量大，区域内的较大河流均分布于此；东南部地域狭窄，河网稀疏，水量贫乏，多为季节性河流，径流量小。流域多年平均径流量为16.68×108m3，其中6—9月份径流量占全年的80%[17]。

图1 研究区概况Fig.1 Map of the Qinghai Lake basin

2.2 数据来源与处理

利用青海湖流域数字高程模型(DEM)、流域7大主要河流水系、归一化植被指数(NDVI)、生态系统服务价值总量、土地利用类型等数据开展本研究。DEM数据来源于地理空间数据云(http：//www.gscloud.cn)，空间分辨率为90 m，栅格大小为90 m×90 m。研究区主要有布哈河、沙柳河、哈尔盖河、泉吉河、甘子河、倒淌河、黑马河7大河流，在ArcGIS 10.0软件中，以青海湖流域1：250 000数字高程模型图(DEM)作为底图，应用水文分析模块，经过修正填洼，提取出河网形状。研究区运用的遥感数据是从地理空间数据云(https：//ladsweb.nascom.nasa.gov/search/)下载的2000—2016年标准化500 m MOD13A1植被指数。基于遥感对地观测数据、GIS地理信息数据、站点观测数据、统计数据等，综合集成生态系统服务定量测量方法，分别模拟和核算青海省各土地利用/覆盖类型的生态系统服务物质量及货币价值量，主要包括供给服务、支持服务、调节服务和文化服务，建立2000—2018年研究区各类生态系统服务物质量及价值量账户，最终确定生态系统服务价值总量数据，单位是1×108元/km。土地利用类型数据引用2014年解译的青海湖流域土地利用类型图。

2.3 研究方法

水生态功能分区一般采用“自上而下”的方法开展，该方法根据区域环境的地域分异规律以及水生态系统的异质性进行分析。青海湖流域水生态功能一二级分区属于大中尺度流域的高级别分区，适合“自上而下”的分区方法，参考已有的研究成果以及专家经验，体现青海湖流域水生态功能的宏观规律性。“自上而下”的分区方法的基本原则包括整体性原则[18]、水陆耦合原则、层次性原则、主导因子原则[19]、可持续性原则[20]。

水生态功能分区指标选择和体系建立：青海湖流域水生态功能分区指标体系是进行水生态功能区划的重要依据，主要反映流域水生态系统特征的自然情况差异[21]。根据水陆耦合原则确定7大主要河流水系、DEM 2个因子作为青海湖流域水生态功能一级分区指标。根据空间自相关距离的大小，确定河流水系可作为水生态功能一级分区的主导指标[18]。青海湖流域水生态功能二级分区在一级水生态功能分区基础上，根据整体性的原则确定生态系统服务价值总量、近17年平均NDVI、土地利用类型等作为研究区水生态功能二级分区的指标。对指标进行空间自相关距离分析，确定生态系统服务价值总量作为二级水生态功能分区的主导指标。水生态功能二级分区是为了将大尺度的水生态功能一级分区进一步细分，体现区域的局部生态特征以及生态环境的差异性。另外，在调整边界时尽量考虑研究区各子流域的完整性[13]。

运用空间自相关技术，生成空间权重矩阵，确定各空间单元的权重，再根据各单元的属性信息进行空间自相关分析。基于自相关分析法的基本原理，若某一变量在空间上不属于随机分布，呈现一定的规律性，那么该变量就存在空间自相关。根据以往对水生态功能区分区指标选取的经验和研究区特殊的环境条件，本研究在指标选择时使用GS+软件中自带的半方差函数对研究区各指标的空间自相关性[22]进行分析，变异函数γ(h)的计算公式为

(1)

式中：N(h)表示间距为h的数值对数；Z(xi)表示区域化变量在点xi处的值；Z(xi+h)表示区域化变量在点xi+h处的值。

变异函数的主要参数有块金值(C0)、基台值(C0+C)及变程(a)。其中，块金值指由小于试验取样尺度和试验误差引起的变异，基台值指系统属性中最大的变异，变程反映变量空间自相关的范围。

在青海湖流域水生态功能分区研究中，运用Fuzzy Gamma方法，Fuzzy Gamma是以Fuzzy Sum和Fuzzy Product为底，以Gamma为指数的代数乘积。Fuzzy Sum是递增函数，当多个证据栅格的组合的重要性或该组合大于任何单个输入栅格时使用此函数；Fuzzy Product是递减函数，当多个证据栅格的组合的重要性或该组合小于任何单个输入栅格时使用此函数。

3 结果和分析

3.1 青海湖流域水生态功能一级分区

由表1可知，青海湖流域布哈河、沙柳河、哈尔盖河、泉吉河、甘子河、倒淌河、黑马河等7大主要河流水系的协方差(r2)为0.953，空间自相关距离为259.62 km；DEM的协方差(r2)为0.849，空间自相关距离为466.32 km。主要河流流域水系的空间自相关距离相对较小，可作为该区域水生态功能一级分区的主导指标，DEM作为该区域水生态功能分区的影响指标。

表1 青海湖流域水生态功能分区一级指标的空间自相关距离Table 1 Spatial autocorrelation distance of the first-level indicators of water ecological function in the Qinghai Lake basin

青海湖流域属于高原半干旱内流水系，河流大多发源于四周高山，进而向中部聚集，最终汇聚于青海湖。流入青海湖的大小河流有70余条，呈明显不对称分布，西北部河流相对较多，径流量大；东南部河流稀疏，多为季节性河流。青海湖流域内湖泊较多，面积>0.03 km2的湖泊有40多个，面积>0.30 km2的湖泊有17个，这些湖泊集中分布于青海湖西北地势较高的河流源头地区和青海湖东部的湖滨地带。在地形地貌方面：地貌类型由湖滨平原、冲积平原、低山丘陵、中山和高山、冰原台地和现代冰川等组成。流域内山地面积大，约占流域总面积的67%，山势陡峻、沟谷密布且多冰蚀地形，主要分布在流域西北分水岭地带；河谷和平原约占流域总面积的33%，主要分布于河流下游和青海湖周围。

3.2 水生态功能一级分区过程及结果

图2(a)是青海湖流域DEM，图2(b)是青海湖流域河流水系，将研究区DEM图层、水系图层通过模糊叠加后(图2(c))，基于小流域边界完整性的要求，对一级分区边界进行了修正，得到研究区水生态功能一级分区界线。根据研究区的河流分布和地貌特征，其水生态功能一级分区的命名参照青海省水功能区划命名原则，采用“河流水系名称+水生态功能区”[23]。输出青海湖流域水生态功能一级分区结果(如图3)：Ⅰ布哈河水系水生态功能区；Ⅱ泉吉河水系水生态功能区；Ⅲ沙柳河水系水生态功能区；Ⅳ哈尔盖河水系水生态功能区；Ⅴ甘子河水系水生态功能区；Ⅵ倒淌河水系水生态功能区；Ⅶ黑马河水系水生态功能区；Ⅷ青海湖湖体水系水生态功能分区。

图2 青海湖流域水生态功能一级分区模糊叠加Fig.2 Fuzzy overlay of first-level water ecological functional zones in the Qinghai Lake basin

图3 青海湖流域水生态功能一级分区结果Fig.3 Result of first-level water ecological functional zones in the Qinghai Lake basin

3.3 青海湖流域水生态功能二级分区

由表2可知，青海湖流域2000—2018年年均生态系统服务价值总量的协方差(r2)为0.691，空间自相关距离为174.98 km；2000—2016年年均NDVI的协方差(r2)为0.802，空间自相关距离为201.55 km；2014年土地利用类型的协方差(r2)为0.866，空间自相关距离为208.02 km。在二级分区的3个指标中空间自相关距离最小的是2000—2018年年均生态系统服务价值总量，因此选择生态系统服务价值总量作为青海湖流域水生态功能二级分区的主导指标，2000—2016年年均NDVI、土地利用类型等指标作为青海湖流域水生态功能二级分区的影响指标。

表2 青海湖流域水生态功能分区二级指标的空间自相关距离Table 2 Spatial autocorrelation distance of the secondary indicators of water ecological function zones in the Qinghai Lake basin

通过计算可知：青海湖流域2000—2018年年均生态系统服务价值总量为1 886.15亿元/a，其中，2000—2012年呈逐年增加的趋势，由1 691.70亿元/a增加到2 280.51亿元/a，增长34.81%，2013—2018年呈现第二个增长点，由1 863.11亿元/a增加到2 166.92亿元/a，增长16.31%。近17 a NDVI总体上呈现明显增加的趋势，生态环境得到明显改善。青海湖流域土地利用类型主要有裸岩、山地灌木、高寒沼泽、湖滨沼泽、河谷沼泽、耕地、居民地、河谷灌木、沙地、裸土地、石砾地、河流、湖泊、高寒草甸、高山流石稀疏植被和温性草原等16种类型。

3.4 水生态功能二级分区过程及结果

根据青海湖流域水生态功能一级分区结果，在ArcGIS 10.0软件支持下，将研究区2000—2018年年均生态系统服务价值总量栅格图、2000—2016年年均NDVI栅格图、2014年土地利用类型矢量图等图层进行模糊叠加，如图4，红线表示水生态功能一级分区边界，绿线表示水生态功能二级分区模糊叠加边界，以8个一级分区边界作为二级分区的外边界，以生态系统服务价值总量为主导指标，基于土地利用类型完整性的要求，对二级分区边界进行了修正，得到青海湖流域水生态功能二级分区(如图5)。根据青海湖流域土地利用类型及其环境因素，其二级水生态功能分区的命名参照青海省水功能区划命名原则，采用“水系名称+主要土地利用类型+水生态功能区”。命名结果依次为：Ⅰ- 1布哈河水系裸岩(土)水生态功能分区，Ⅰ- 2布哈河水系高寒沼泽地水生态功能分区，Ⅰ- 3布哈河水系河谷灌丛水生态功能分区，Ⅰ- 4布哈河水系河谷沼泽水生态功能分区，Ⅰ- 5布哈河水系高山流石稀疏植被水生态功能分区；Ⅱ- 1泉吉河水系温性草原水生态功能分区，Ⅱ- 2泉吉河水系河谷沼泽水生态功能分区，Ⅱ- 3泉吉河水系高山流石稀疏植被水生态功能分区；Ⅲ- 1沙柳河水系温性草原水生态功能分区，Ⅲ- 2沙柳河水系河谷沼泽水生态功能分区，Ⅲ- 3沙柳河水系高寒沼泽水生态功能分区，Ⅲ- 4沙柳河水系裸岩(土)水生态功能分区；Ⅳ- 1哈尔盖河水系温性草原水生态功能分区，Ⅳ- 2哈尔盖河水系河谷沼泽水生态功能分区，Ⅳ- 3哈尔盖河水系高寒沼泽水生态功能分区，Ⅳ- 4哈尔盖河水系高山流石稀疏植被水生态功能分区；Ⅴ- 1甘子河水系沙地水生态功能分区，Ⅴ- 2甘子河水系居民区与工矿用地水生态功能分区，Ⅴ- 3甘子河水系河谷灌丛水生态功能分区；Ⅵ- 1倒淌河水系沙地水生态功能分区，Ⅵ- 2倒淌河水系耕地水生态功能分区，Ⅵ- 3倒淌河水系温性草原水生态功能分区，Ⅵ- 4倒淌河水系耕地水生态功能分区；Ⅶ- 1黑马河水系湖滨沼泽水生态功能分区，Ⅶ- 2黑马河水系山地灌丛水生态功能分区，Ⅶ- 3黑马河水系耕地水生态功能分区；Ⅷ- 1青海湖湖体湖泊水生态功能分区。

图4 青海湖流域水生态功能二级分区模糊叠加Fig.4 Fuzzy overlay of secondary water ecological functional zones in the Qinghai Lake basin

图5 青海湖流域水生态功能二级分区结果Fig.5 Result of secondary water ecological functional zones in the Qinghai Lake basin

4 结论与展望

4.1 结 论

通过对青海湖流域DEM数据、主要河流水系数据、生态系统服务价值总量数据、NDVI数据和土地利用类型数据进行分析，结合研究区实际情况，在ArcGIS 10.0软件支持下，使用GS+软件研究各指标要素的空间自相关距离性，以及各因子之间的自相关距离，确定水生态功能一二级分区主导指标和影响指标，得到以下结论：

(1)利用青海湖流域DEM和7大主要河流水系2个因子，以河流水系为主导因子，确定水生态功能一级分区共分为8个；利用研究区生态系统服务价值总量、NDVI、土地利用类型3个因子，以生态系统服务价值总量为主导因子，在一级分区的基础上，确定水生态功能二级分区共分为27个。

(2)青海湖流域水生态功能一级分区与水功能分区基本一致，在生态保护方面，要将水资源的开发、利用和保护与生态系统的开发、利用和保护相结合，实现流域生态系统的整体开发、利用和保护，对青海湖国家公园的建设有一定的借鉴意义。对研究区二级分区的各个生态系统保护方面提供了一定的开发和保育策略。

4.2 展 望

本研究对青海湖流域水生态功能分区开展研究，并确定出流域内一级和二级水生态功能分区，对其他高原湖泊流域的水生态功能区划具有一定的指导意义。但是，目前我国的水生态功能分区仍然处于起步阶段，本研究在分区指标选择、指标体系建立的过程中依据河流水系特征、DEM特征、土地利用类型特征等要素建立指标体系，在边界修正中人为主观因素干扰比较大，不确定性难以把握，缺乏统一的方法和原则。作为一篇初探性的文章，主要参考前人研究的技术方法和成果，试探性地开展研究，研究结果比较单一，在指标综合聚类[24]、边界修正和结果命名等工作中仍然存在不足，需要在以后的科研工作中改进完善。