基于“坡面-河道”综合系统的水功能区空间化研究

刘 淼，张 蕊，秦大庸

（1.中国水利水电科学研究院 流域水循环模拟与调控国家重点实验室，北京 100038；2.山西省水资源研究所，山西 太原 030000）

1 研究背景

随着社会经济快速发展和全球气候变化的加剧，我国水问题日趋严峻，水资源矛盾突出反映在水环境污染、水生态退化、洪涝灾害及极端水事件频发等方面。在此背景下，我国提出了“最严格水资源管理”思路以实现人水和谐的可持续发展。基于水功能区的水资源、水生态保护是最严格水资源管理制度的重要组成部分。

水功能区是指以区域或流域水资源及水环境本底条件为基础，综合考虑水资源开发利用现状和区域社会经济发展对水资源的需求状况，在相应水域内划定的具有特定功能的区域。1996年环保部门基于排污控制理念提出了地表水环境功能区的概念[1]，2001—2002年水利部进一步提出了地表水功能区的划分方法[2-3]，目前已完成了包括长江及黄河在内的大型流域级水功能区的划分[4-5]。

随着人类活动对自然水循环系统影响程度的不断加剧，流域/区域水循环及其伴生过程发生了显著变化，成为了一系列水环境和水生态问题的共性根源。传统的水功能区管理着眼于河流主干体系，以河流主干河段作为水功能区划分、评价和管理的对象，通过控制河段内取水量和入河排污量实现水功能区功能水质管理[6-8]。其意义在于以流域水循环的河道过程及其基础上的人类取、排水过程作为调控对象，通过优化水循环各子过程的水质水量结构，实现社会发展与生态保护的协调统一。但近年来，以水土保持工程和农业活动为代表的流域下垫面变化剧烈——特别是在北方半干旱地区——入河水量显著减少，水循环坡面过程通量强度逐渐超越河道过程，成为制约河流廊道内水量以及水质时空分布的重要因素。在这种情况下，单纯建立在骨干河流上水功能区体系由于对坡面及融入坡面系统的细小水系统连通性的刻画不足，限制了其在水资源管理中的作用和应用效率。因此分析水功能区划与相关坡面系统的内在联系，对于明晰水资源保护与开发利用权责，实现最严格水资源管理具有重要的意义。本文以山西省为例，以基于河段定义的水功能区为基础，以产汇流网络为纽带进行水功能区的空间扩展，描述“坡面-河道”一体化的水功能区划，并对结果进行相应的分析。

2 研究区概况

山西省位于华北地区的西部，黄河的中游，黄土高原的东缘。全省面积15.63万km2。省内地形复杂，可大致分为东部山区、西部高原区和中部盆地区三大部分。山西省的河流分属黄河、海河两大流域。其中黄河流域约占全省总面积的62%；海河流域约占全省总面积的38%。山西河流属于自产外流型水系，河流水源来自大气降水，绝大部分河流发源于境内，向省外发散流出。大体上向西、向南流的属黄河水系，汇入黄河干流中游河段。向东流的属海河水系，是海河流域永定河、大清河、子牙河、漳河和卫河等主要河流的发源地。山西河流大多发源于东西两翼山区，具有山地型河流的特点，河长都比较短，普遍具有源短流急，侵蚀切割严重的特点。

山西省是我国重要的能源重化工基地，但全省水资源情势紧张，1980—2000年全省平均水资源量仅109.3亿m3。全省人均占有水资源量256m3，为全国平均值的12.4%，亩均占有水资源量154m3，为全国平均值的10%。水资源的连续偏枯带来一系列生态环境问题，如地下水超采、岩溶大泉干涸、地面沉降、河道生态基本流量得不到满足和水质污染等。这些问题严重影响了山西社会经济的可持续发展，危及京津唐地区的能源安全和首都水资源安全。

3 研究方法

实现“坡面-河道一体化”的水功能区划分，其重点在于建立以产汇流水文过程为纽带的坡面-河道系统的耦合关系。山西省地貌类型多样，平原山区交错，构建正确的河流水系水文关系是实现其水功能区划分的重点和难点。本文采取USGS和NASA联合发布的STRM DEM作为基础地形数据（空间分辨率90m），通过对DEM数据进行前期处理，提取水文关系正确的河流水系，在此基础上参照山西省水功能区划成果，提取各个水功能区断面对应的集水区域。通过空间数据库操作为各个集水区域赋予水功能区属性并进行相应统计。

3.1 DEM的预处理由于栅格化DEM是对连续地貌特征的离散化表示，因此其对地形的刻画存在一定的误差，这种误差可能会引起基于DEM水文计算提取的河流水系特征与实际情况不符，特别是在平原地区，这种误差将被放大并严重影响水系提取的质量。刘家宏等[9]研究表明，采取基于数字化河网水系图修正DEM以强化平原地区流路的方法可以有效提高平原河网的提取精度。但在实际操作中，由于数字水系图的成图比例尺以及成图过程中的制图综合处理，使之与较高精度的地形数据不能良好匹配，若干研究均表明，参考水系图的比例尺及精度对水系提取结果具有影响[10-11]，因此完全依据数字水系图修正DEM会造成人工误差和信息损失，所得结果不能满足水功能区空间化展布所需的精度要求。综合以上情况，本文采用将原始DEM信息提取与人工修正相结合的多次迭代式的综合水系提取方式，取得了较好的应用效果。

首先对原始DEM进行填洼处理，根据原始DEM信息进行第一次河流水系提取并生成矢量化的河流水系图；然后将得到的河流水系图与作为先验知识的数字水系图进行对比，将河流走向相一致，汇流位置正确的水系予以保留，对走向差异较大的水系、汇流位置不正确的河段利用数字水系图进行替代，从而生成参考水系图；之后利用参考水系图对原始DEM进行修正；此后通过不断重复填洼-水系提取-对比修正的过程，直到得到满意的结果。采取这种方法既保留了原始DEM上河流的细部特征，又保证了河流形态与汇流关系与实际情况相一致。

3.2 集水区域的提取参考山西省水功能区划成果表，手工添加并修正各河段间分界断面并生成相应图层，通过ARCGIS平台的水文分析工具，对各个河段提取其集水面积，以此作为“坡面-河道一体化”水功能区的坡面部分。

3.3 分区结果统计通过ARCGIS的空间数据库管理功能，构建山西省水功能区空间数据库，将水功能区属性信息与空间数据相连接，明晰各水功能区的范围及管理保护目标，并对结果进行相应统计分析。

4 结果分析

图1展示了山西省水功能区一级区划图及河道水功能区与水陆综合功能区的衔接关系。其结果反映了对河段水质过程产生侧向影响的空间区域分布，是对河道水功能区段水质条件产生影响的空间区域的集合。

由于山西省水功能区划成果未涉及到黄河干流及西北部山区的部分河长较短的外流河，因此，提取的水功能区总面积为13.69万km2，小于山西省总面积，其中保护区1.92万km2，保留区0.45万km2，开发利用区10.7万km2，缓冲区0.54km2，分别占总面积的14.4%、3.3%、78.4%和3.9%。

表1比较了基于河流干流的水功能区划与基于坡面-河道系统的综合区划方法得到的各个一级类别所占比例情况。两种方法所得结果中，一级区划的占比结构大致相同，这说明了基于坡面-河道系统的综合区划方法所得结果具有合理性。两种方法得到的保留区及缓冲区占比没有显著差异；相对于以河段为对象的水功能区划分结果，基于坡面-河道的综合区划中开发利用区占比略有增加，而保护区的占比略有减小，通过进一步对比两种方法获得的水功能二级区划结果，除工业用水区和景观娱乐用水区外，其它4种类型的面积占比和长度占比基本一致。由于划分为工业用水区和景观娱乐用水区的河流干流尽管长度较短，但在该河段内往往有多条支流汇入，形成较大的产流面积，其水质管理除受到沿河污染物排泄影响外，也受到支流集水面积上的污染物下行运移的影响。

图1 山西省水功能一级区划结果

表1 水功能区划结果

表2给出了山西省各地级市水功能区二级区划面积隶属矩阵，由于水功能区多数具有多个两级功能，本文选取其主要二级功能作为二级功能统计的依据。通过分析各地级市水功能区面积占比结构可以发现：位于山西省东南部的晋中、长治、侯马和晋城4市农业用水区占全市总面积均超过了50%，其区域水生态服务功能以保障农业用水为主，忻州、吕梁、大同和太原4市工业用水区面积均较高，其水质管理目标趋向于保障工业用水；除临汾外，山西省其余地级市景观娱乐用水区面积均不超过4%，绝大多数地级市无景观娱乐用水区；此外值得注意的是，作为汾河水系下游的运城市，由于境内多条河流作为排污河段，其排污控制区面积占比超过了50%。

表2 山西省水功能区-地级市面积隶属矩阵

图2 山西省水功能区

图2结合了水功能区划水质标准和当前河段水质监测情况，展示了坡面-河道水功能区划的水质目标和水质现状的空间展布情况。由图2可见，山西省水质控制目标的高值区主要分布在山西省西部和东南部山区，西部地区具有多处保留及保护区域，具有较高的水生态保护价值，东南部地区虽然作为以农业用水为主的开发利用区，但其水质本底条件较好，因此也给出了较高的保护目标。从现状水质和水质目标，大同-汾河谷地盆地群仍然是今后水环境保护及水资源管理的重点地区。

5 结论

综合以上分析，基于坡面-河流系统的空间化水功能区划与原有水功能区划具有良好的衔接性，体现了水资源管理中一维河流管理和二维区域管理的统一。结合山西省应用实例分析，其分区结果具有其合理性和适用性。基于坡面-河流系统的空间化水功能区划可以用以描述流域或者区域水循环及其伴生过程的特征，是系统性审视区域水生态保护与修复工作的重要基础工具，对于加强区域水资源管理和保护具有重要的现实意义。

基于空间化水功能区划的水资源管理和保护模式研究以及基于坡面-河流系统的空间化水功能分区与区域水生态分区、水生态功能分区间的联系和耦合关系分析研究将是今后研究开展的主要方向。

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