基于水源涵养功能的生态红线划定方法研究

柏松，景连东，李晖，冯文兰

1. 西南民族大学化学与环境保护工程学院，四川 成都 610041；2. 成都信息工程大学资源环境学院，四川 成都 610041

基于水源涵养功能的生态红线划定方法研究

柏松1，景连东1，李晖1，冯文兰2*

1. 西南民族大学化学与环境保护工程学院，四川 成都 610041；2. 成都信息工程大学资源环境学院，四川 成都 610041

生态红线是2011年首次被提出的全新概念，如何科学划定区域生态红线是一个亟待探讨解决的新课题。该研究以四川省为调查对象，采用多源遥感数据、气象站点数据以及太阳辐射站点等数据，综合运用 GIS技术、区域水量平衡法等研究手段，从水源涵养功能价值的角度探讨生态红线的划定方法。结果表明：四川省水源涵养量在5.38～1187.29 mm之间，各地区分布差异显著。四川盆地水源涵养量最高，平均达200 mm以上；川西南山区和四川盆周山区次之，其值在100～200 mm之间；川西北高山高原地区最低，水源涵养量普遍低于100 mm。根据四川省各地水源涵养功能价值差异，将其划分为5个等级生态功能区，即一般重要、轻度重要、中度重要、高度重要和极重要功能区。其中，一般重要和轻度重要功能区的水源涵养量低于150 mm，生态价值不高，面积总和298911 km2，占四川省总面积61.63%；中度重要功能区面积95992 km2，占四川省总面积 19.79%，该功能区水源涵养量为 150～200 mm，生态价值一般；高度重要和极重要功能区的水源涵养量高于200 mm，生态价值较高，面积总计90107 km2，占四川省总面积18.57%。四川生态红线区水源涵养量达250 mm以上，总面积6715 km2，占四川国土总面积1.38%，集中分布于四川盆地的雅安市东部、眉山市西南部和乐山市西北部地区。实地调查显示，该研究划定的生态红线区内不仅水源涵养量丰富，而且水源保护区和水源补给区分布众多，属四川水源涵养极重要的生态功能区。该研究提出的水源涵养生态红线划定方法具有一定的参考价值，研究成果对于中国其他地区生态保护红线的划定工作具有借鉴意义。

生态红线；水源涵养；GIS；四川地区

划定“生态红线”是我国新近推出的一项国家生态保护战略（杨邦杰等，2014）。所谓“生态红线”，是指在重点生态功能区、生态环境敏感区和脆弱区等区域划定出严格管控边界线，即保障国家和区域生态安全的底线（于骥等，2015）。迄今为止，在学术研究领域，“生态红线”仍是一个崭新的研究课题（杨世凡等，2015；王云才等，2015；谢雅婷等，2017）。“生态红线”的概念在国外尚未见报道，它是由中国于2011年在国家正式文件《关于加强环境保护重点工作的意见》中首次提出的（陈凯麒等，2015）。近年来，国家多次提出将在重要生态功能区、陆地和海洋生态环境敏感区、脆弱区等区域划定生态保护红线，即划定出一个必须严格管理和维护的区域，有效保障区域的生态安全（陈海嵩，2015；林勇等，2016；燕守广等，2016；夏方舟等，2017）。因此，划定生态红线对于维护生态安全格局、保障生态系统功能、支撑社会经济可持续发展具有重要意义。

当前，中国生态红线划定研究工作才刚起步。2015年5月，国家环保部首次制定了《生态保护红线划定技术指南》，并在许多典型省份开展试点工作，目前取得的研究成果仍是初步的（尚文绣等，2016；何彦龙等，2016）。关于生态红线的相关划定方法、划分指标体系还很不完善（左志莉，2010；范丽媛，2015）。因此，选择典型区域开展生态红线划定研究是十分必要和迫切的。四川是中国的生态大省，省内生态系统类型复杂多样，生态环境脆弱，敏感地区分布众多（宋述军等，2008）。四川特色鲜明的生态环境和生态功能，在中国具有十分突出的代表性和典型性，是开展生态红线划定研究工作的理想区域。

为此，本研究将从生态系统水源涵养生态功能的角度，以四川为分析对象，依据四川全域多源遥感数据、气象站点数据以及太阳辐射站点等数据，运用GIS技术结合水源涵养功能分级评估方法，探讨水源涵养生态红线的划定方法，为研究和探索生态保护红线划定技术方法提供参考依据。

1. 研究区域与数据来源

1.1 研究区域

四川位于中国西南腹地，介于东经 97°21'～108°33'和 北 纬 26°03'～34°19'之 间 ， 幅 员 面 积4.86×105km2。四川地形地貌悬殊，气候特征差异显著，雨量丰沛，江河纵横。同时，四川地处长江上游，流域面积100 km2以上河流1065条，是长江、黄河重要的水源发源地及涵养区，具有十分重要的生态地位。

图1所示为研究区数字高程模型图（DEM）。

1.2 数据来源

本研究数据来源包括5个方面：遥感数据、气象数据、土地利用数据、土壤数据和其他数据。

1.2.1 遥感数据

遥感数据主要来源于美国航空航天局(NASA)的MODIS13Q1 16 d合成的NDVI产品数据，每年共有23期影像，共下载了2000—2014年的NDVI影像，在MRT下将其重投影为阿尔伯斯等积投影，分辨率为250 m。

1.2.2 气象数据

气象数据主要从中国气象科学数据共享服务网获取，包括四川省范围内52个气象站点2000—2014年逐年月降水量数据、月平均温度、月最高温度与月最低温度。此外还包括四川省及周边地区共23个站点的月太阳总辐射数据，单位为MJ∙m-2。

1.2.3 土地利用数据

地表覆被类型数据为30 m分辨率的IPCC土地覆被类型，主要依据2010年生态10年环境遥感监测土地覆盖分类系统进行土地类型划分。

1.2.4 其他数据

30 m分辨率的DEM以及坡度数据来源于国际科学数据服务平台，坡向数据是在 ARCGIS下从DEM 数据中提取出来的。其中，地震烈度、基本烈度采用6度，设防烈度为7度。

2 研究方法

2.1 水源涵养生态红线划定方法

水源涵养功能生态红线划定方法分以下5个步骤进行：

（1）数据收集与处理

收集与处理四川全域的遥感数据、气象数据、地面数据和统计数据。其中，遥感数据的预处理工作主要在MODIS Swath TOOL和ARGGIS软件平台下完成，包括对各数据的投影、矢量裁剪、格式转换等；

（2）开展水源涵养量评价

本研究目的是划定水源涵养功能生态保护红线，为此，拟先对四川省全域范围开展水源涵养功能重要性评价，再根据评价结果，将四川省内水源涵养功能最重要的区域划定为水源涵养生态红线区。水源涵养重要性评价方法拟采用基于降水和蒸散的水量分解模型法（式 1）来估算四川省水源涵养量。其表达式如下：

式中，Wwater为水源涵养量（mm）；Wpre为降雨量（mm）；Wet为实际蒸散量（mm），Wpet为潜在蒸散量（mm）。ω为下垫面（土地覆盖）影响系数（姜琳，2014）。

区域实际蒸散量参考周广胜等（1995）的研究成果，公式如下：

式中，r(x, t)为某时间段内某区域的降雨量（mm）；Rn(x, t)为某时间段内某区域净辐射量（MJ·m-2）。

根据上述水量分解模型（式 1）及收集的四川省全域范围内的各类基础数据，可以获得四川省不同地区水源涵养量。

（3）根据水源涵养评价结果划定生态红线

以上述计算出的水源涵养量大小作为水源涵养功能重要性的评价指标，即水源涵养量越大，水源涵养功能越重要；反之亦然。采用自然间断点分级方法，利用地理信息系统软件ArcGIS，采用自然断点法将获得的水源涵养量分为5级。水源涵养量最高区域为一级，其次为二级，水源涵养量最低区域为五级。由于水源含量大小代表水源涵养功能大小，因此，按水源涵养服务值大小由低到高依次划分为5个重要性生态功能区，即一般重要、中等重要、重要、极重要水源涵养生态功能区。其对应关系见表1。

对四川省全域水源涵养量进行计算，将水源涵养量最高的区域作为水源涵养功能价值极重要区域，并将这一极重要水源含量功能区划定为水源涵养生态红线区。

3 结果与讨论

3.1 四川水源涵养量分布结果

本研究采用四川多源遥感数据，运用GIS软件对四川省域范围内52个气象站点2000—2014年的逐年月降水量数据进行分析处理，获得四川累年平均降水量分布图（图2）及潜在蒸发量分布图（图3）。根据区域实际蒸散量并结合式 1，获得四川省水源涵养量分布图（图4）。

由图4可见，四川省水源涵养量分布不均，并且各地区间分布差异十分显著。四川省水源涵养量在5.38～1187.29 mm之间，最高值为1187.29 mm，分布于四川盆地西南边缘地区，最低值为5.38 mm，分布于四川省西部边缘高山地区。总体上看，四川省水源涵养量呈现出由东南向西北逐渐递减的趋势，具有较强的地貌分布特征。四川盆地地区水源涵养量最高，均值在200 mm以上；其次为川西南山区和四川盆周山区，其水源涵养量普遍在100～200 mm之间；川西北高山高原地区的水源涵养量最低，均值在100 mm以下，多数地区水源涵养量不足50 mm。由此可见，四川省各地区地形地貌的不同，也成为不同地区水源涵养功能存在差异的原因之一。

图2 累年平均降水量Fig. 2 Cumulative annual average precipitation in Sichuan province

图3 年平均潜在蒸发量Fig. 3 Annual average potential evaporation in Sichuan province

图4 四川水源涵养量分布图Fig. 4 Distribution map of water conservation amount in Sichuan province

表1 水源涵养量大小与水源涵养功能重要性分级对应关系Table 1 Correspondence between water conservation quantity and classification of water conversation function in Sichuan province

3.2 四川水源涵养生态功能区分级

诚如前述，四川各地区水源涵养量分布存在较大差异，这就决定了不同地区间水源涵养功能价值的不同。划定四川省的水源涵养生态保护红线区域，其核心就是识别出省内水源涵养功能价值最重要的区域。由于一个地区水源涵养量的大小决定了该地区水源涵养功能价值的大小，因此，根据各地区水源涵养量的不同，就可以划分出水源涵养功能重要性等级不同的区域。如图4所示，四川省水源涵养量在5.38～1187.29 mm之间变化。采用自然间断点分级法与定性分析相结合的方法（李盈盈，2015；刘娅等，2015），以水源涵养量大小代表水源涵养功能价值大小，划分出5个等级水源涵养生态功能区，具体为：水源涵养量处于5.38～100 mm之间区域为一般重要水源涵养生态功能区；水源涵养量在100～150 mm之间区域为轻度重要生态功能区；150～200 mm 区域为中度重要生态功能区；200～250 mm区域为高度重要生态功能区；水源涵养量＞250 mm以上区域为极重要生态功能区，极重要水源涵养生态功能区即水源涵养功能价值最高区域，也是亟需重点保护的水源涵养生态红线区域。水源涵养分级赋值标准及其与各生态功能区对应关系详见表1。

根据表2的分级结果，基于水源涵养量大小，运用GIS软件将四川省按照水源涵养功能价值分为5个等级的生态功能区，分级结果绘于图5。

根据图5分级结果，运用ArcGIS软件，叠加水源涵养评价结果，获得不同水源涵养生态功能区的分布面积及比例统计结果（表3）。

由图5可知，四川省内水源涵养量一般重要生态功能区（水源涵养量5.38～100 mm）和轻度重要生态功能区（水源涵养量100～150 mm）的分布区域大体一致，集中分布在川西北高山高原地区，且分布面积较大。其中，一般重要生态功能区面积173814 km2，占四川省国土总面积35.84%；轻度重要生态功能区面积125097 km2，占四川国土总面积25.79%，两者面积总和298911 km2，占四川省总面积61.63%。由此说明，四川省半数以上区域水源涵养量均在150 mm以下，水源涵养生态功能价值不高。中度重要生态功能区（水源涵养量 150～200 mm）主要分布在两个区域，一是四川盆地西北部，二是川西南山区中部地区，总面积95992 km2，占四川省国土总面积19.79%；高度重要和极重要生态功能区的分布较为集中，都分布于四川盆地地区。其中，高度重要生态功能区（水源涵养量 200～250 mm）面积 83392 km2，占四川省国土总面积17.19%；极重要的水源涵养功能区的分布尤为集中，集中分布在四川盆地的雅安、眉山和乐山地区，分布面积6715 km2，占四川省总面积1.38%。

图5 四川水源涵养分级分布图Fig. 5 Classification map of water conversation conduction in Sichuan Province

由上述结果可知，本研究划定的高度重要和极重要生态功能区的水源涵养量都在200 mm以上，具有较重要水源涵养生态功能价值，是四川省重要的水源涵养生态功能区。

3.3 水源涵养生态红线划定结果

根据国家环保部2015年5月首次印发的《生态保护红线划定技术指南》（以下简称“指南”），中关于生态保护红线的划定，需在对区域进行生态服务功能重要性评估的基础上，明确生态保护重点区域，将其生态服务功能价值最高区域划定为生态红线区。本研究依照该《指南》要求，对四川省水源涵养功能价值进行了评估，据此划分出5个不同重要性等级的生态功能区，即一般重要、轻度重要，中度重要、高度重要和极重要的水源涵养生态功能区（图5和表3）。

表2 四川水源涵养功能评价分级表Table 2 Evaluation classification of water conversation function in Sichuan province

表3 水源涵养量分级统计表Table 3 Statistical results of classification of water conversation function

前已述及，研究划定的高度重要和极重要生态功能区都具有较高的水源涵养功能价值，生态保护红线应为生态功能价值最高的区域。由此，将本研究划定的极重要生态功能区划定为水源涵养生态红线区。红线区分布范围见图6。

图6 四川水源涵养生态红线区Fig. 6 The ecological red line with water conversation function in Sichuan Province

由图6可知，四川水源涵养生态红线区的分布十分集中，主要分布于四川省雅安市东部，眉山市西南部和乐山市西北部地区。生态红线区总面积6715 km2，占四川国土总面积1.38%。红线区内的行政区涉及四川雅安市、峨眉山市、乐山市、浦江县、丹棱县、洪雅县、夹江县。总体而言，四川省水源涵养生态红线区面积较小，加之分布集中，这为该生态红线区的保护提供了有利条件。

3.4 水源涵养生态红线区实证研究

为进一步明确水源涵养生态红线区的划定与实际情况是否相符，对此生态红线区进行了调查研究。调查结果显示，四川省近年先后划定了169个“饮用水源保护区”，本研究划定的红线区内水源保护地有5个，约占四川水源保护地总数3%。除水源保护地外，该生态红线区内还有象鼻咀水库、梅湾水库、复兴水库等重要水源保护区及四川江河重要的水源补给区。不仅如此，闻名全国的暴雨区，即青衣江暴雨区（或称峨眉山暴雨中心）也分布于生态红线区内，该区域一日最大降水量可达 373.3 mm，多年平均降水深达1776.7 mm。

由此可知，本研究基于水源涵养功能划定出的生态红线区，不仅水源涵养量丰富，而且区内水源保护地分布众多，是值得重点保护的重要生态功能区域。

需要强调的是，本研究工作是对生态保护红线划定方法所做的一次有益尝试，对生态红线划定方案的理解和认识仍然非常有限。事实上，生态红线的划定是一项综合区划研究工作，它涉及区域的地理环境、生态本底、资源状况等诸多方面。另外，基于生态系统保护目标的不同，生态红线划定标准、指标选择和划分方法也存在差异。所以，关于生态红线划定的研究和探索仍有大量工作要做，对于已经划定的生态红线区，应重点关注如何实施有效的保护，如何确保各类生态红线保护工作的可操作性，如何开展生态红线的分级管控等等，这些都是生态红线研究领域亟待探索解决的关键问题。

4 结论

本研究采用四川全域多源遥感数据、气象站点数据及太阳辐射站点等数据，运用GIS软件结合区域水量平衡法划定5个重要性等级不同的水源涵养生态功能区，并将其中最重要的生态功能区划定为生态红线区。获得以下研究结果：

（1）四川省水源涵养量变幅较大，其值在5.38～1187.29 mm之间，各地区分布差异显著，总体上由四川东南向西北呈递减趋势。四川盆地地区水源涵养量最高，均值在200 mm以上；其次为川西南山区和四川盆周山区，其水源涵养量多在100～200 mm之间；川西北高山高原地区的水源涵养量最低，均值在100 mm以下。

城市形象说到底也是人民群众对一座城市的理念识别，齐齐哈尔市在2007年启动申报历史文化名城以来，前后历经了七年之久的时间，终于在2014年被国务院批复为历史文化名城，从而成为我国最北的历史文化名城。申报过程中，市规划局的同志用这样几句话概括了齐齐哈尔市的城市文化形象，渔猎文明摇篮、民族融合热土、北疆戍边重镇、国家工业明珠。但是从目前本地区大众传媒对齐齐哈尔城市文化的塑造来看，主要集中于前三个层面，而对于“国家工业明珠”这一城市文化形象鲜有传播。

（2）根据水源涵养功能价值的不同，将四川省划分出5个重要性等级不同的水源涵养生态功能区，即一般重要、轻度重要、中度重要、高度重要和极重要生态功能区，其中，一般重要和轻度重要生态功能区的水源涵养量低于 150 mm，两者面积总和298911 km2，占四川省国土总面积61.63%；中度重要生态功能区水源涵养功能价值一般，水源涵养量为150～200 mm，其面积为95992 km2，占四川省国土总面积19.79%；高度重要和极重要生态功能区的水源涵养功能价值较高，水源涵养量高于200 mm，两者面积总计 90107 km2，占四川省国土总面积18.57%。

（3）四川水源涵养生态红线区集中分布在四川盆地的雅安市东部、眉山市西南部和乐山市西北部地区，生态红线区总面积6715 km2，占四川国土总面积1.38%。实地调查显示，该生态红线区内水资源涵养量丰富，水源保护地和水源补给区分布众多，与该区域的实际生态功能基本相符。因此，本研究提出的水源涵养生态红线的划定方法是值得参考和借鉴的，研究成果不仅有助于丰富和完善中国生态红线划定技术方案，而且对其他省份生态红线的划定工作也具有参考意义。

陈海嵩. 2015.“生态红线”制度体系建设的路线图[J]. 中国人口资源与环境, 25(9): 52-59.

陈凯麒, 陶洁, 葛怀凤. 2015. 水电生态红线理论框架研究及要素控制初探[J]. 水利学报, 46(1): 17-24.

范丽媛. 2015. 山东省生态红线划分及生态空间管控研究[D]. 济南: 山东师范大学.

何彦龙, 黄华梅, 陈洁, 等. 2016. 我国生态红线体系建设过程综述[J].生态经济, 32(9): 135-139.

李盈盈. 2015. 陕西省北洛河流域水源涵养生态服务功能及其价值估算[D]. 西安: 西北大学: 25-33.

林勇, 樊景凤, 温泉, 等. 2016. 生态红线划分的理论和技术[J]. 生态学报, 36(5): 1244-1252.

刘娅, 朱文博, 韩雅, 等. 2015. 基于SOFM神经网络的京津冀地区水源涵养功能分区[J]. 环境科学研究, 28(3): 369-376.

尚文绣, 王忠静, 赵钟楠, 等. 2016. 水生态红线框架体系和划定方法研究[J]. 水利学报, 47(7): 934-941.

宋述军, 柴微涛, 周万村. 2008. RS和GIS支持下的四川省生态环境状况评价[J]. 环境科学与技术, 31(10): 145-147.

王云才, 吕东, 彭震伟, 等. 2015. 基于生态网络规划的生态红线划定研究——以安徽省宣城市南漪湖地区为例[J]. 城市规划学刊, (3):28-35.

夏方舟, 吴頔, 严金明. 2017. 生态红线区管理：英国科研专用区的历史脉络与经验借鉴[J]. 地域研究与开发, 36(1): 143-147.

谢雅婷, 周忠发, 闫利会, 等. 2017. 贵州省石漠化敏感区生态红线空间分异与管控措施研究[J]. 长江流域资源与环境, 26(4): 624-630

燕守广, 唐欢欢, 曹学章, 等. 2016. 江苏省陆域生态红线区域生态安全评价[J]. 生态环境学报, 25(10): 1638-1643.

杨邦杰, 高吉喜, 邹长新. 2014. 划定生态保护红线的战略意义[J]. 中国发展, 14(1): 1-4.

杨姗姗, 邹长新, 沈渭寿, 等. 2016. 基于生态红线划分的生态安全格局构建——以江西省为例[J]. 生态学杂志, 35(1): 250-258.

杨世凡, 安裕伦, 王培彬, 等. 2015. 贵州赤水河流域生态红线区划分研究[J]. 长江流域资源与环境, 24(8): 1405-1411.

于骥, 何彤慧. 2015. 对生态红线的研究——宁夏生态红线划定的问题和思考[J]. 环境科学与管理, 40(1): 173-176.

周广胜, 张培栋, 王旭峰. 1995. 自然植被净初级性生产力模型初探. 植物生态学报, 19(3): 193-200.

左志莉. 2010. 基于生态红线区划分的土地利用布局研究[D]. 桂林: 广西师范学院: 43-51.

The Demarcation of Ecological Protection Red Line Based on Water Conversation Function

BAI Song1, JING Liangdong1, LI Hui1, FENG Wenlan2*
1. College of Chemistry & Environment Protection Engineering, Southwest University for Nationalities, Chengdu 610041, China;2. College of Resources and Environment, Chengdu University of Information Technology, Chengdu 610225, China

Currently, ecological protection red line is a new study topic in environmental field, and how to designated ecological red line is a problem to be solved urgently. In this study, we should explore the methods to designate ecologic red line which have high water conservation ability, based on remote sensing date, meteorological data and solar radiation date, etc, combined with GIS technology, and the regional water balance method. The results indicate that: The water conservation quantities in Sichuan region distributed unevenly, it is varying 5.38 and 1187.29 mm. The water conservation quantities is highest in Sichuan Basin, which is up to 200 mm, followed by mountain areas in the southwest Sichuan and mountain areas surrounding the Sichuan Basin. In this region,the water conservation quantities is varying 100 and 200 mm. the alpine plateau in Northwest Sichuan have the lowest water conservation quantities, which is below 100 mm. According to differences of water conservation function, the Sichuan province have be separated into five major ecological function region (important, Slightly important, moderately important, highly important, very important ecological function region). The area of important and slightly important ecological function region is about 298911 square kilometres, accounting for 61.63% of total land area of Sichuan. The area of moderately important function region is about 95992 square kilometres, accounting for 19.79% of total land area of Sichuan. The highly important and very important function region is about 90107 square kilometres, accounting for 18.57% of total land area of Sichuan. The ecological red line area in Sichuan province mainly distribute over the eastern Ya’an, southwesten Meishan and northwesten Leshan. The area of ecological red line is about 6715 square kilometres, accounting for 1.38% of total land area of Sichuan. The water conservation quantities in this red line area reach up to 250 mm. Survey results further show that ecological red line areas hold rich water resources and distribute in many water source protection areas. Our results suggest that the ecological red line designated in this study have an important ecological function of water conservation, and the research method for designating ecological red line is worthy of reference. The research results are of great importance for designating ecological protection red line in other regions of our country.

ecological red line; water conservation; geographic information system; Sichuan area

10.16258/j.cnki.1674-5906.2017.10.004

X144

A

1674-5906（2017）10-1665-06

柏松, 景连东, 李晖, 冯文兰. 2017. 基于水源涵养功能的生态红线划定方法研究[J]. 生态环境学报, 26(10):1665-1670.

BAI Song, JING Liangdong, LI Hui, FENG Wenlan. 2017. The demarcation of ecological protection red line based on water conversation function [J]. Ecology and Environmental Sciences, 26(10): 1665-1670.

四川省教育厅重点项目（15ZA0393）；四川省社科规划一般项目（SC14B103）；国家自然科学基金项目（41301653）

柏松（1979年生），男，副教授，博士，研究方向为区域生态环境演变与环境规划。E-mail: songbai1240@126.com*通信作者：冯文兰（1979年生），女，教授，博士，主要从事资源环境遥感研究。E-mail: fwl@cuit.edu.cn

2017-06-14