流域水生態(tài)功能管理區(qū)決策支持系統(tǒng)設(shè)計(jì)

胡順強(qiáng)，胡卓瑋*，李澤琪，李 夢(mèng)，史巖巖

（1. 首都師范大學(xué) 資源環(huán)境與地理信息系統(tǒng)北京市重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100048；2.首都師范大學(xué) 三維信息獲取與應(yīng)用教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100048）

流域水生態(tài)功能管理區(qū)決策支持系統(tǒng)設(shè)計(jì)

胡順強(qiáng)1,2，胡卓瑋1,2*，李澤琪1,2，李 夢(mèng)1,2，史巖巖1,2

（1. 首都師范大學(xué) 資源環(huán)境與地理信息系統(tǒng)北京市重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100048；2.首都師范大學(xué) 三維信息獲取與應(yīng)用教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100048）

應(yīng)用ArcGIS Engine10.1開(kāi)發(fā)工具包，在Visual Studio 2010開(kāi)發(fā)環(huán)境下，完成了流域水生態(tài)功能管理區(qū)決策支持系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與開(kāi)發(fā)。該系統(tǒng)將流域水生態(tài)功能管理區(qū)劃分成聯(lián)合管理﹑獨(dú)立管理和委托管理等子單元；并通過(guò)對(duì)子單元的水生態(tài)系統(tǒng)健康進(jìn)行評(píng)價(jià)，將子單元的水生態(tài)系統(tǒng)受損程度分為好﹑中﹑差3類，以差異化的水環(huán)境管理方法為流域水生態(tài)功能管理決策和實(shí)施提供支持，有助于流域管理主體建立基于水生態(tài)功能的水質(zhì)目標(biāo)管理體系。

流域水生態(tài)功能管理區(qū)；水生態(tài)系統(tǒng)；管理決策；流域水資源

近年來(lái)，國(guó)內(nèi)與水生態(tài)功能分區(qū)相關(guān)的研究成果日益增多[1-2]，基于水生態(tài)功能管理分區(qū)的水環(huán)境管理理念也逐步被人們所接受，功能管理區(qū)是區(qū)域性環(huán)境管理的重要手段[3-7]。水生態(tài)系統(tǒng)健康評(píng)價(jià)是實(shí)施流域水生態(tài)綜合管理的重要基礎(chǔ)[8]。20世紀(jì)80年代，河流管理和保護(hù)開(kāi)始從目標(biāo)單一的水質(zhì)保護(hù)轉(zhuǎn)向河流水環(huán)境綜合管理和流域水生態(tài)系統(tǒng)恢復(fù)，隨之出現(xiàn)了生物完整性指數(shù)[9]﹑河流無(wú)脊椎動(dòng)物預(yù)測(cè)和分類系統(tǒng)[10]等河流健康監(jiān)測(cè)和評(píng)價(jià)方法。20世紀(jì)90年代，美國(guó)啟動(dòng)了環(huán)境監(jiān)測(cè)評(píng)價(jià)計(jì)劃[11]。

在研究水生態(tài)功能管理區(qū)劃分原則與方法的基礎(chǔ)上，本文提出了一種將水環(huán)境保護(hù)與行政管理功能相結(jié)合的流域水生態(tài)功能區(qū)劃概念。水生態(tài)功能管理區(qū)的劃分不再根據(jù)常規(guī)的流域邊界，而是結(jié)合河流流經(jīng)地區(qū)的行政管控邊界，采用GIS的空間疊加與流域水系分布﹑流域匯水區(qū)﹑居民點(diǎn)分布﹑重點(diǎn)主體功能分區(qū)數(shù)據(jù)的多準(zhǔn)則條件判斷方法相結(jié)合的技術(shù)，實(shí)現(xiàn)以省﹑市﹑縣為主體的三級(jí)水生態(tài)功能管理區(qū)。采用多指標(biāo)綜合評(píng)價(jià)法對(duì)水生態(tài)功能管理區(qū)劃分完成的水生態(tài)系統(tǒng)健康進(jìn)行評(píng)價(jià)；通過(guò)對(duì)監(jiān)測(cè)點(diǎn)所獲得的一系列生物﹑水質(zhì)和生態(tài)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和功能參數(shù)進(jìn)行全面客觀地評(píng)價(jià)，為流域水生態(tài)功能管理區(qū)管理目標(biāo)確定和方案制定提供參考。

1 水生態(tài)功能管理區(qū)劃分方法及健康評(píng)價(jià)體系

1.1 水生態(tài)功能管理區(qū)劃分方法

水生態(tài)功能管理區(qū)通過(guò)將水生態(tài)功能分區(qū)與行政區(qū)劃進(jìn)行疊加，獲得具有唯一行政區(qū)屬性和水生態(tài)功能屬性的初步劃分區(qū)域單元。依據(jù)與流域的關(guān)系，初步劃分區(qū)域單元可分為獨(dú)立管理子單元﹑聯(lián)合管理子單元和委托管理子單元。獨(dú)立管理子單元是存在于單個(gè)行政單元內(nèi)的﹑大面積的﹑流域完整的管理子單元。聯(lián)合管理子單元是為保證流域完整性，將同一個(gè)流域內(nèi)包含的多個(gè)管理子單元合并為一個(gè)聯(lián)合管理區(qū)，由相關(guān)的行政單元聯(lián)合管理，各管理子單元為聯(lián)合管理子單元。委托管理子單元是指行政單元內(nèi)不存在相同類型的管理子單元且面積較小的管理子單元，在不分割流域完整性的情況下，委托給相鄰的同類型管理子單元進(jìn)行統(tǒng)一管理。

由于行政邊界與流域自然邊界的差異性，子單元的劃分無(wú)法保障流域的完整性，且一個(gè)行政單元通常被劃分為多個(gè)零散的子單元不利于行政管理。因此，在子單元?jiǎng)澐值幕A(chǔ)上，根據(jù)流域水系分布﹑流域匯水區(qū)與子單元的水系相關(guān)性進(jìn)行歸類合并，獲得聯(lián)合管理子單元；再根據(jù)水生態(tài)功能管理區(qū)的面積占比﹑GDP占比﹑人口占比，水生態(tài)功能管理區(qū)和居民點(diǎn)分布以及重點(diǎn)主體功能分區(qū)數(shù)據(jù)的空間關(guān)系來(lái)判別獨(dú)立管理子單元和委托管理子單元，劃分流程如圖1所示。

1.2 水生態(tài)系統(tǒng)健康評(píng)價(jià)體系

采用多指標(biāo)綜合評(píng)價(jià)法對(duì)已劃分的水生態(tài)功能管理區(qū)進(jìn)行水生態(tài)系統(tǒng)健康評(píng)價(jià)，依據(jù)評(píng)價(jià)結(jié)果來(lái)確定其水生態(tài)系統(tǒng)的受損程度，并將受損程度分為好﹑中﹑差3類。水生態(tài)系統(tǒng)健康評(píng)價(jià)指標(biāo)主要由水質(zhì)評(píng)價(jià)﹑生境評(píng)價(jià)和生物評(píng)價(jià)組成。

水生態(tài)系統(tǒng)健康綜合評(píng)價(jià)采用綜合指數(shù)法，將水質(zhì)評(píng)價(jià)﹑生境評(píng)價(jià)和生物評(píng)價(jià)指標(biāo)加權(quán)求和，構(gòu)建綜合評(píng)估指數(shù)WQI，以表示水環(huán)境整體的質(zhì)量狀況。

圖1 水生態(tài)功能管理區(qū)劃分技術(shù)路線圖

式中，xi為評(píng)價(jià)指標(biāo)分值；wi為評(píng)價(jià)指標(biāo)權(quán)重。

在綜合評(píng)價(jià)時(shí)，水質(zhì)指標(biāo)﹑生境指標(biāo)和生物指標(biāo)（大型底棲動(dòng)物指標(biāo)﹑著生藻類指標(biāo)）的分值及權(quán)重如表1所示。

表1 水生態(tài)環(huán)境綜合評(píng)價(jià)指標(biāo)分值及權(quán)重

根據(jù)WQI結(jié)果，將水生態(tài)環(huán)境質(zhì)量受損程度分為好﹑中﹑差3類，具體指數(shù)分值和分級(jí)見(jiàn)表2。

表2 水生態(tài)環(huán)境質(zhì)量受損程度分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)

1.2.1 水質(zhì)評(píng)價(jià)

根據(jù)水質(zhì)濃度所在區(qū)間，求取其水質(zhì)類別及相應(yīng)分值。參照GB 3838-2002《地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》[12]基本項(xiàng)目標(biāo)準(zhǔn)限值，根據(jù)不同功能分區(qū)水質(zhì)類別的標(biāo)準(zhǔn)限值，進(jìn)行單因子評(píng)價(jià)（其中水溫和PH不作為評(píng)價(jià)指標(biāo)）；再根據(jù)水質(zhì)類別等級(jí)進(jìn)行賦分，賦分標(biāo)準(zhǔn)見(jiàn)表 3。限制水質(zhì)參數(shù)個(gè)數(shù)：最多選擇5項(xiàng)，最少選擇1項(xiàng)，對(duì)于多項(xiàng)水質(zhì)，以其算數(shù)平均值為水質(zhì)評(píng)價(jià)值。

表3 水質(zhì)指標(biāo)評(píng)價(jià)等級(jí)

1.2.2 生境評(píng)價(jià)

建立物理生境等級(jí)對(duì)照，評(píng)價(jià)參數(shù)由底質(zhì)﹑棲息地復(fù)雜性﹑流速度結(jié)合特性﹑河岸穩(wěn)定性﹑河道變化﹑河水水量狀況﹑植被多樣性﹑水質(zhì)狀況﹑人類活動(dòng)強(qiáng)度﹑河岸土地利用類型10個(gè)指標(biāo)構(gòu)成。根據(jù)10個(gè)生境監(jiān)測(cè)項(xiàng)目得分之和所在的區(qū)間，得到其生境類別及分值。各參數(shù)分值范圍均為0～20，分為4個(gè)評(píng)價(jià)等級(jí)。棲息地生境質(zhì)量以H表示，各監(jiān)測(cè)斷面生境總分由10個(gè)參數(shù)分值累加計(jì)算H，分級(jí)評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)見(jiàn)表4。

表4 棲息地生境質(zhì)量的分級(jí)評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)

1.2.3 生物評(píng)價(jià)

生物評(píng)價(jià)選取在國(guó)內(nèi)多類水體中應(yīng)用過(guò)的生物完整性指數(shù)（IBI），經(jīng)常使用的生物類群為大型底棲動(dòng)物及藻類。IBI指數(shù)評(píng)價(jià)等級(jí)及其對(duì)應(yīng)的賦分標(biāo)準(zhǔn)，見(jiàn)表5。

表5 IBI指數(shù)的分級(jí)評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)

2 系統(tǒng)框架設(shè)計(jì)

根據(jù)水生態(tài)功能管理區(qū)的劃分方法和水生態(tài)系統(tǒng)健康評(píng)價(jià)體系，結(jié)合GIS空間關(guān)系和空間分析的多準(zhǔn)則條件，采用C#+ArcGIS Engine的開(kāi)發(fā)方式，對(duì)管理區(qū)進(jìn)行劃分，并運(yùn)用多指標(biāo)評(píng)價(jià)法進(jìn)行水生態(tài)系統(tǒng)健康評(píng)價(jià)分類。

系統(tǒng)構(gòu)建在.NET體系結(jié)構(gòu)上，具備4層體系結(jié)構(gòu)，如圖2所示。用戶層：系統(tǒng)為使用人員進(jìn)行展示。邏輯層：提供基礎(chǔ)的應(yīng)用服務(wù)，中間層包括數(shù)據(jù)加載﹑管理區(qū)劃分﹑管理區(qū)分類﹑地圖整飾與輸出等。數(shù)據(jù)層：主要包括縣級(jí)行政區(qū)劃數(shù)據(jù)﹑流域匯水分布圖數(shù)據(jù)﹑居民區(qū)分布圖數(shù)據(jù)﹑重點(diǎn)主體功能區(qū)數(shù)據(jù)和水生態(tài)功能三級(jí)分區(qū)數(shù)據(jù)。系統(tǒng)層：主要包括系統(tǒng)搭建所需的軟硬件平臺(tái)，如客戶端硬件配置﹑系統(tǒng)運(yùn)行軟件環(huán)境等。

圖2 系統(tǒng)體系框架

3 系統(tǒng)功能設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

3.1 系統(tǒng)功能設(shè)計(jì)

系統(tǒng)總體采用模塊化設(shè)計(jì)，分為4個(gè)主要功能模塊：數(shù)據(jù)加載﹑管理區(qū)劃分﹑管理區(qū)分類﹑地圖整飾與輸出模塊，總體功能見(jiàn)圖3。

圖3 系統(tǒng)主體功能模塊

3.2 關(guān)鍵模塊的實(shí)現(xiàn)

3.2.1 管理區(qū)劃分

水生態(tài)功能管理區(qū)主要是將水生態(tài)功能三級(jí)分區(qū)與縣級(jí)行政區(qū)劃進(jìn)行矢量疊加，使用了矢量分析中的標(biāo)識(shí)疊加Identify功能。在水生態(tài)功能管理區(qū)中，面積較小的區(qū)域無(wú)獨(dú)立管理價(jià)值，在進(jìn)行管理區(qū)劃分前需對(duì)碎部面進(jìn)行處理，以行政區(qū)劃為基準(zhǔn)，將面積小于5 km2的碎部面合并給相鄰的同屬一個(gè)行政區(qū)的管理區(qū)。疊加后的結(jié)果及局部碎部面處理結(jié)果如圖4所示。

圖4 疊加及局部碎部面處理結(jié)果（審圖號(hào)：GS(2008)1304）

水生態(tài)功能管理區(qū)功能實(shí)現(xiàn)的相關(guān)部分代碼為：

AnalysisTools.Identity pIdentity = new AnalysisTools. Identity(); ‘水生態(tài)功能三級(jí)分區(qū)和縣級(jí)行政區(qū)劃數(shù)據(jù)進(jìn)行標(biāo)識(shí)疊加

query.WhereClause = ″Shape_Area＜5″; ‘選擇面積小于5 km2的要素

while (pff != null) ‘面積小于5 km2的要素

query1.WhereClause = ″Shape_Area>5″; ‘選擇面積大于5 km2的要素

IFeature pff1 = fec1.NextFeature(); ‘面積大于5 km2的要素

IRelationalOperator re = pff.Shape as IRelationalOperator;

if (re.Touches(pff1.Shape)) ‘判斷碎部面與面積大于5 km2的面相交

if (pff1.get_Value(i).ToString() == pff.get_Value(i). ToString()) ‘行政區(qū)劃屬性相同判斷

pUnionGeo = pTopoOperator2.Union(pGeometry); ‘進(jìn)行合并

水生態(tài)功能管理區(qū)劃分首先需根據(jù)流域水系相關(guān)性人工判斷聯(lián)合管理子單元。聯(lián)合管理子單元的劃分需依據(jù)匯水區(qū)分布圖，一般而言匯水區(qū)內(nèi)均包含相對(duì)完整的水系，然而其會(huì)與多個(gè)管理子單元相交，因此首先需選擇與其相交的多個(gè)管理子單元；若上述多個(gè)管理子單元合并對(duì)匯水區(qū)的完整性產(chǎn)生破壞，則對(duì)相鄰的匯水區(qū)采用相同操作，將多個(gè)匯水區(qū)對(duì)應(yīng)的管理子單元進(jìn)行合并，然后再次判斷匯水區(qū)及水系的完整性；最后，當(dāng)選中的管理子單元能滿足匯水區(qū)及水系的完整性時(shí)，則將合并后的管理區(qū)類型修改為聯(lián)合管理區(qū)，如圖5所示。

圖5 局部劃分的聯(lián)合管理區(qū)（審圖號(hào)：GS(2008)1304）

聯(lián)合管理子單元判斷完成后，再利用水生態(tài)功能管理區(qū)的GDP占比大于0.5，人口占比大于0.5，面積占比大于0.5，與居民點(diǎn)分布圖包含﹑重點(diǎn)主體功能分區(qū)數(shù)據(jù)相交等多準(zhǔn)則條件輔助進(jìn)行獨(dú)立管理子單元和委托管理子單元的判別，只要滿足上述5個(gè)條件之一，即為獨(dú)立管理子單元。圖6為獨(dú)立和委托管理子單元判別的功能界面，圖7為管理區(qū)劃分后的結(jié)果。

圖6 獨(dú)立和委托管理子單元?jiǎng)澐止δ芙缑?/p>

管理區(qū)劃分功能相關(guān)部分代碼為：

‘聯(lián)合管理子單元?jiǎng)澐?/p>

IFeature pNewFeature = featureLayer.FeatureClass. CreateFeature(); ‘創(chuàng)建一個(gè)新要素

while (pFeature != null) ‘選擇與流域水系相關(guān)的要素pUnionGeo = pTopoOperator2.Union(pGeometry); ‘合并‘獨(dú)立和委托管理子單元?jiǎng)澐?/p>

圖7 管理區(qū)劃分結(jié)果（審圖號(hào)：GS(2008)1304）

queryf.WhereClause = ″GDP占 比 >″ + Convert. ToDouble(textBox4.Text) + ″ Or 人 口 占 比 >″ + Convert. ToDouble(textBox2.Text) + ″ Or 面 積 占 比 >″+Convert. ToDouble(textBox3.Text) + ″″; ‘GDP占比、人口占比、面積占比屬性的判斷條件

pFeature.set_Value(z, ″獨(dú)立管理子單元″); ‘將符合上述3 個(gè)屬性判斷的條件，子單元設(shè)為獨(dú)立管理子單元

spatialFilter2.SpatialRel = esriSpatialRelEnum. esriSpatialRelOverlaps; ‘包含關(guān)系

spatialFilter2.SpatialRel = esriSpatialRelEnum. esriSpatialRelIntersects; ‘相交關(guān)系

pf2.set_Value(i, ″委托管理子單元″); ‘上述條件都不滿足，子單元設(shè)為委托管理子單元

3.2.2 管理區(qū)分類

水生態(tài)系統(tǒng)健康評(píng)價(jià)分類由水質(zhì)評(píng)價(jià)﹑生境評(píng)價(jià)和生物評(píng)價(jià)的結(jié)果加權(quán)求和得到。通過(guò)監(jiān)測(cè)點(diǎn)所獲得的一系列生物﹑水質(zhì)和生態(tài)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和功能參數(shù)對(duì)某一劃分好的管理子單元進(jìn)行水生態(tài)系統(tǒng)健康評(píng)價(jià)，并將評(píng)價(jià)結(jié)果寫(xiě)入管理子單元屬性中。圖8為水生態(tài)健康評(píng)價(jià)分類功能及評(píng)價(jià)結(jié)果主界面。

圖8 水生態(tài)健康評(píng)價(jià)分類功能及評(píng)價(jià)結(jié)果

水生態(tài)系統(tǒng)健康評(píng)價(jià)分類功能相關(guān)部分代碼為：

waterValue = calculateWater(); ‘水質(zhì)評(píng)價(jià)結(jié)果函數(shù)

shengwuValue = calculateShengwu(); ‘生物評(píng)價(jià)結(jié)果函數(shù)

shengjingValue = calculateShengjing();‘生境評(píng)價(jià)結(jié)果函數(shù)

zongheValue = waterValue * f1 + shengwuValue * f2 + shengjingValue * f3; ‘加權(quán)平均求和

4 結(jié) 語(yǔ)

系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了對(duì)管理區(qū)的劃分和水生態(tài)系統(tǒng)健康評(píng)價(jià)的分類。在水生態(tài)功能分區(qū)的基礎(chǔ)上，綜合考慮特定地區(qū)水環(huán)境管理的行政區(qū)劃和社會(huì)經(jīng)濟(jì)條件等制約因素，劃分水生態(tài)管理區(qū)，并根據(jù)健康評(píng)價(jià)狀況，確定水生態(tài)管理區(qū)類別，可為水環(huán)境管理中建立基本的區(qū)域控制體系奠定基礎(chǔ)，搭建水生態(tài)功能分區(qū)與水生態(tài)目標(biāo)管理之間的技術(shù)橋梁，將為制定綜合流域生態(tài)系統(tǒng)管理策略和水生態(tài)保護(hù)目標(biāo)提供關(guān)鍵技術(shù)手段。

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P208

B

1672-4623（2017）09-0045-04

10.3969/j.issn.1672-4623.2017.09.015

2016-07-12。

項(xiàng)目來(lái)源：國(guó)家水體污染控制與治理科技重大專項(xiàng)資助項(xiàng)目（2012ZX07501－001）；國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目（41301468）；國(guó)家科技支撐計(jì)劃資助項(xiàng)目（2013BAC03B04）。

（*為通訊作者）

胡順強(qiáng)，碩士研究生，研究方向?yàn)榈乩硇畔⑾到y(tǒng)設(shè)計(jì)與研發(fā)。