北京市小流域水土保持安全研究

齊 實，劉 卉，畢 超，李 月，陳芳孝，李世榮，陸大明

(1.水土保持國家林業局重點實驗室，北京市水土保持工程技術研究中心，林業生態工程教育部工程研究中心，北京林業大學， 100083，北京； 2.北京林豐源生態環境規劃設計院有限公司， 100083，北京； 3.北京市水土保持工作總站， 100036，北京)

作為“人文北京、科技北京、綠色北京”建設戰略的重要內容，“綠色北京”是建設資源節約型和環境友好型社會、轉變經濟發展方式的重要著力點，是努力促進首都經濟社會全面協調可持續發展的關鍵[1]。水土資源是人類進行各項生產的基礎，也是人類賴以生存的根本性資源；因此水土保持是保障北京市未來向國際化大都市發展的基石，并且是一項需要長期堅持的基礎工作。水土保持作為實施水土流失綜合防治、行業管理和國家宏觀管理的重要依據與前提，同時還是水土保持規劃的重要組成部分，其分區對北京市的水土保持工作具有重要的指導意義[2-3]。

2011年3月1日實施的《中華人民共和國水土保持法》和2016年1月1日實施的《北京市水土保持條例》規定：縣級以上人民政府要編制水土保持規劃，本級人民政府批準后向社會公布，由水行政部門組織實施。《全國水土保持規劃》(2015—2030) 已經被國務院批準并開始實施。北京市以第1次水務普查成果為基礎，也編制了《北京市水土保持規劃》(2016—2030年) (以下簡稱《規劃》)[4]。北京市水土保持將以小流域為單元進行規劃，分區工作還需重點考慮不同地區的基本地理特征，自然條件，水土流失特點，社會經濟和行政管理狀況，從而分析得出區域間發展的相同點和差異，根據這些不同方面的因素合力規劃區域的發展方向，北京市提出將北京建設成為中國特色世界城市和美麗首都的要求，在新形勢下，水土保持工作應在目標上突出水源安全、防洪安全和生態安全，管理上突出社會化服務和管理[5]，從而實現小流域的功能定位。有鑒于此，筆者以北京市為研究對象，對北京市進行水土保持小流域“三個安全”分區，根據“三個安全”的需求確定了指標體系，探討并研究北京市不同小流域的功能定位和管理，在充分明確北京市水土保持功能定位的基礎上為北京市水土保持工作和生態文明建設提供科學依據和數據支撐。

1 研究區概況

北京市位于E 115.7°～117.4°，N 39.4°～41.6°，中心位于E 116°25′29″，N 39°54′20″，總面積1萬6 410 km2，占全國土地總面積的0.17%。行政區域包括東城、西城、海淀、朝陽、豐臺、門頭溝、石景山、房山、通州、順義、昌平、大興、懷柔、平谷、延慶、密云16個市轄區。北京的東北部、北部和西部屬山區，約占總面積的62%，中部和東部是平原，約占總面積的38%，地勢呈由北向南、由西向東逐漸降低。北京市地處暖溫帶半干旱、半濕潤季風氣候區，年平均氣溫為8.0～12.0 ℃，其中山區為8.0～11.4 ℃，平原地區為11.0～12 ℃，年均降水量在400～800 mm之間。北京市屬于海河流域，境內有潮白河、北運河、永定河、大清河、薊運河5大水系，全市劃分為1 085條小流域，其中山區小流域576條，平原區小流域509條，小流域面積一般為10～50 km2。地帶性植被類型為暖溫帶落葉闊葉林，土壤主要分為棕壤、潮土、褐土和黃壚土。截至2015年，北京市常住人口達到2 170.5萬人。根據《2014年北京市水土保持公報》北京市第1次水務普查中水土保持情況普查成果，北京市土壤侵蝕類型主要為水力侵蝕，水土流失面積3 201.86 km2，其中輕度侵蝕面積1 746.08 km2，中度侵蝕面積1 031.46 km2，強度侵蝕面積340.64 km2，極強度侵蝕面積70.12 km2，劇烈侵蝕面積13.56 km2。

2 數據和方法

1)自然基礎數據包括：北京市1 085條小流域分布圖(北京市水務局)；北京市30 m數字高程模型(中國科學院地理科學與資源研究所)；地貌起伏度(中國科學院地理科學與資源研究所)；土壤類型(中國土壤區劃)；多年平均降水量(北京市暴雨圖集)；日降雨量>50 mm的天數(北京市暴雨圖集)；溝道坡面坡度、溝道縱坡比降、坡面起伏度、林草覆蓋(北京市山區小流域溝道普查)。

2)土地利用類型數據包括：北京市土地利用現狀(北京市城市規劃院)。

3)水土流失數據包括：北京市土壤侵蝕強度分布和土壤侵蝕類型及面積(北京市城市規劃院)。

4)社會經濟數據包括：北京市人口密度(北京國民經濟和社會發展統計公報)；山洪泥石流歷史災害情況(北京市山區小流域溝道普查)；化肥施用程度(北京市水務普查)、畜禽養殖污染情況(北京市水務普查)、生活污水現狀(北京市水務普查)、垃圾現狀(北京市水務普查)、水質狀況(北京市水務普查)等。

筆者采用空間自相關法中的全局莫蘭指數法分析各個土地利用類型分區的合理性[6]；使用主成分分析法[7]，確定可代表“三個安全”的指標，并對指標進行“降維”處理，利用主成分分析的計算結果，采用系統聚類分析法[8]，進行“三個安全”分區的劃分。

3 指標體系確立

3.1 一級分區指標

首先，由對北京自然條件的分析可以看出，北京的氣候、水文、植被、土壤等自然條件都和地貌類型有著密切的關系，不同的地貌類型、氣候和植被類型，水土流失類型也不一樣；因此，地貌類型作為北京市水土保持分區最基礎的指標，被列為一級分區指標。

3.2 二級分區指標

本文分區的重點與服務目標為“三個安全”，因此將遴選出與“水源安全”“防洪安全”“生態安全”有關的指標，并使用主成分分析法確定最終能代表“三個安全”的指標，將其作為二級分區指標。

3.2.1 水源安全指標 水源安全的目標是：溯源治污，基本解決地表水源地一、二級保護區和地下水源地核心區的水土流失和面源污染問題，確保水源地水質達標。

從水源安全的內容可以看出其主要包括2個方面：水源地保護和面源污染防治，因此在指標選取上要將二者都納入考慮；其中，以面源污染程度為主體評估所有小流域水質情況，在其中重點考慮水源地，最終形成水源安全分區。面源污染程度方面，在村莊、農田用地類型中，存在農村污水、生活垃圾、農業面源污染及畜禽養殖污染問題；水源區旅游和養魚業帶來的污水、垃圾污染、養殖等污染源大部分堆放在河道或溝道附近，造成河道和水庫污染的主要來源。為實現分區結果可以體現面源污染嚴重程度，將選取以下指標：①化肥施用程度(kg/hm2)；②水質；③生活污水現狀；④垃圾現狀；⑤畜禽養殖污染情況。

3.2.2 防洪安全指標 防洪安全的要求是：以小流域為單元，采取攔、蓄、排、通，構建山區防洪減災體系，遏制人為水土流失，減少入河入庫泥沙，減輕城市排水管網淤積，為防洪排澇提供保障。

從防洪安全的要求出發，北京市防洪要求包括2部分：山洪泥石流等自然災害以及城市內澇；從地貌類型出發，山洪泥石流等自然災害主要集中發生在山區，城市內澇則發生在平原；因此，在確定防洪安全指標時將分別從山區和平原出發考慮[9-10]。

1)山區。北京山區由洪水帶來的災害主要是山洪和泥石流。筆者在分析和借鑒國內外山洪泥石流溝道分類方法和經驗的基礎上，結合北京山區溝道的形成、發育和活動特點確立分區指標。北京山區各類山洪泥石流溝道成因復雜，影響因素眾多，主要取決于地形、降雨、地質、溝道特征和砂礫等因素，這些影響因素都是評判山洪泥石流溝道類型的變量。

山洪發生的直接影響因子就是暴雨，有暴雨的山區就會有山洪的發生，因此暴雨是引發山洪的動力條件。根據氣象部門的規定，日降水量≥50 mm的降水稱為暴雨，因此將日降雨量≥50 mm的天數納入指標體系。除動力條件外，地形條件也是山洪泥石流發生的重要條件。據災害發生的歷史分析，災害多發山區多是山高、坡陡、溝谷窄深、溝頭呈扇形式半圓形圍谷，山坡坡度在30°～45°之間，溝道坡度大于8°～10°。除此之外，坡面有松散堆積物也是泥石流災害形成的重要物質條件。從歷史發生情況看，歷史上發生過災害的嚴重程度也可以作為重要的參考來評價山洪泥石流溝道；同時，溝道范圍內的人口密度也決定了災害發生時的嚴重程度。

綜上，根據山洪泥石流發育和形成的規律，山區防洪安全將選取以下指標：①日降雨量≥50 mm天數；②坡面起伏度；③溝道縱坡比降；④溝道坡面坡度；⑤土壤質地；⑥人口密度；⑦山洪泥石流歷史受災情況。

2)平原。平原區洪水具有歷時長、峰形矮胖，傳播時間較慢的特點。隨著城市化的進展，北京的中心城區面積也不斷擴大，平原區下墊面條件及水文特征也發生了變化。城區由于城市化使得不透水面積增加，徑流系數變大，匯流時間縮短，城市洪峰排水流量隨之增加。而城市化以外的平原區由于近年來的人類活動大量開采地下水，使得地下水水位大幅度下降，降雨入滲增加，洪水徑流減少，隨之洪峰相應變小；由此可以看出，平原區中城市化和非城市化的部分洪水發生條件與特點不同。因此，筆者將參考《北京市水文手冊——洪水篇》(2005年)，將北京市平原分區分為城區和城市化以外的平原區。

3.2.3 生態安全指標 生態安全的目標是：統籌管理、綜合利用水土資源，維護由水資源、土地資源和植被資源組成的流域生態系統健康。

生態安全的實現主要是對流域生態系統進行分類，構筑生態修復、生態治理、生態保護3道防線，區別水土資源健康狀況的主要指標便是水土流失情況，如土壤侵蝕面積比例、土壤侵蝕程度等；此外，植被作為反映生態系統健康程度的重要指標，也在生態安全中發揮了重要作用，如植被類型、林草覆蓋率等指標也可反映生態系統內水土資源狀況[5]。綜上，選取以下指標：①土壤侵蝕面積比例；②土壤侵蝕強度；③林草覆蓋率。

4 結果與分析

4.1 水源安全分區

水源安全的目標是：溯源治污，基本解決地表水源地一、二級保護區和地下水源地核心區的水土流失和面源污染問題，確保水源地水質達標[11]。

1)面源污染評價與分區。 通過主成分分析計算得到總方差，2個主成分化肥施用強度、水質貢獻率分別為49.178%和39.909%，累計貢獻率達到89.087%，超過了85%，并且特征值均>1；因此可以說前2個因子大概囊括了水源安全的內容，可作為主成分因子被提取出來反映小流域水源安全狀況。因子載荷矩陣見表1。

表1 面源污染指標主成分分析因子載荷矩陣Tab.1 Component matrix of principal component analysis on indicators of non-point source pollution

由因子載荷矩陣可以看出：第1成分載荷主要集中在污水現狀與垃圾現狀；第2成分載荷主要集中在化肥施用強度、水質、畜禽養殖污染現狀。通過計算各指標的公因子方差，將其占總公因子方差的比例作為各指標權重，則各小流域面源污染綜合得分模型為

Sw=0.194X1+0.109X2+0.261X3+ 0.264X4+0.172X5。

(1)

式中：Sw是指小流域面源污染綜合得分；X1，X2，X3，X4，X5的含義見表1。將結果進行系統聚類分析，選擇平方歐式距離計算，得到結果距離為3時將各單元分為2類。各小流域的面源污染分區最終結果如圖1所示。

圖1 農業面源污染分區Fig.1 Regionalization of agricultural non-point source pollution

2)水源保護區。將北京市一級水源保護區及上游重點水源保護區作為本文水源安全中的水源保護區范圍，采用ArcGIS疊加功能確定保護區范圍內的小流域，然后轉化成以小流域為基本單元的水源保護區圖，詳見圖2。

3)水源安全分區。采用主成分分析法將多個指標進行“降維”，利用得到的主成分計算得分，根據得分進行系統聚類分析，得到面源污染分區圖。在面源污染分區基礎上考慮水源保護因素，使用ArcGIS疊置功能將面源污染分區圖與水源保護區圖進行疊加，形成最終水源安全分區圖，詳見圖3，以及水源安全分區表(表2)。

圖2 水源保護分區Fig.2 Regionalization of water resource protection

圖3 水源安全分區Fig.3 Regionalization of water resource safety

表2 水源安全分區Tab.2 Regionalization of water source safety

4.2 防洪安全分區

1)山區防洪安全評價與分區。針對上述提到的山區防洪安全評價指標，同樣采用主成分分析法將多個指標進行“降維”，利用得到的主成分計算得分，根據得分進行系統聚類分析后，最終得到山區防洪安全分區圖。

通過主成分分析計算得到總方差，3個主成分是：X1日降雨量≥50 mm天數；X2坡面坡度；X3溝道縱坡比降。貢獻率分別為40.332%、28.447%和20.315%，累計貢獻率達到89.094%，超過了85%，并且特征值均>1；因此可以說前3個因子大概囊括了山區防洪安全的內容，可作為主成分因子被提取出來反映山區小流域防洪安全狀況。因子載荷矩陣見表3。

表3 防洪安全指標主成分分析因子載荷矩陣Tab.3 Component matrix of principal component analysis on factors of flood control safety

由因子載荷矩陣可以看出：第1成分載荷主要集中在坡面起伏度、坡面坡度和溝道比降，第1主成分主要反映山洪發生所需的地形條件；第2成分載荷主要集中在日降雨量≥50 mm天數、土壤質地，第2主成分主要反映山洪發生的氣候及物質條件；第3成分載荷主要集中在人口密度和歷史受災情況，第3主成分集中反映了歷史情況和災害嚴重程度。通過計算各指標對應的公因子方差，將各指標公因子方差占總公因子方差的比例作為各指標權重，則各山區小流域防洪安全綜合得分模型為

Sf=0.194X1+0.130X2+0.19X3+0.123X4+ 0.105X5+0.102X6+0.156X7。

(2)

式中:Sf指的是山區小流域防洪安全綜合得分，X1，X2，X3，X4，X5，X6，X7的含義見表3。將結果進行下一步系統聚類分析，選擇平方歐式距離計算，得到結果中少量樣本呈現離散。忽略離散樣本，距離為3時將各單元分為2類，分區結果詳見圖4。

2)平原區防洪安全分區。平原區中城市化和非城市化的部分洪水發生的條件與特點都不同。筆者參考《北京市水文手冊——洪水篇》(2005年)，將北京市平原區劃分為城區和城市化以外的平原區。在防洪等級上，城區對于防洪要求較高，因此將城市化地區命名為平原一級防洪區，城市化以外的平原區命名為平原二級防洪區。平原區防洪分區詳見圖5。

圖4 山區防洪安全分區Fig.4 Regionalization of control safety in the mountainous area

圖5 平原防洪安全分區Fig.5 Regionalization of flood control safety in the plain

3) 防洪安全分區。綜合考慮山區防洪分區和平原防洪分區，將二者利用GIS進行綜合疊置，最終形成防洪安全分區圖(見圖6)。防洪安全分區共分為4類：山洪易發區、山洪安全區、平原一級防洪區和平原二級防洪區。

4.3 生態安全分區

1)生態安全分區指標。生態安全的目標是：統籌管理、綜合利用水土資源，維護由水資源、土地資源和植被資源組成的流域生態系統健康[13]。結合北京小流域的實際情況和各項指標的特征，生態安全分區將以土壤侵蝕面積比例、土壤侵蝕強度、林草覆蓋率作為主要因子，各指標分級標準見表4，使用ArcGIS疊加功能分析后，最終得到生態安全分區。

2)生態安全分區。分別用數值“1～3”為土壤侵蝕面積比例、土壤侵蝕強度和林草覆蓋率的不同類型賦值。例如：土壤侵蝕面積比例<30%為1，≥31%為2；土壤侵蝕強度微度侵蝕為1，輕度侵蝕為2，中度侵蝕及以上為3；林草覆蓋率>70%為1，55%～70%為2，<55%為3。按不同指標對生態安全的貢獻計入不同權重，其中土壤侵蝕面積比例占0.5、土壤侵蝕強度占0.3、林草覆蓋率占0.2。根據權重計算得分后得到2個分區：生態危險區與生態安全區。其中得分<2的小流域為生態危險區，得分>2的小流域為生態安全區。分區標準見表5，分區結果見圖7。

圖6 北京防洪安全分區Fig.6 Regionalization of flood control safety in Beijing

表4 生態安全指標分級標準Tab.4 Classification criteria of ecological safety index

表5 生態安全分區標準Tab.5 Regionalization standard of ecological safety

圖7 生態安全分區Fig.7 Regionalization of ecological safety

5 水源、防洪、生態“三個安全”分區

根據地貌，結合水源安全、防洪安全和生態安全，利用ArcGIS將上述分區進行疊加，可得到“三個安全”分區。以地貌為基礎，根據3個安全的重要性排序，確定“三個安全”分區的命名規則為：“羅馬數字-阿拉伯數字-水源安全分區-防洪安全分區-生態安全分區”，其中羅馬數字Ⅰ表示平原區，Ⅱ表示山區，阿拉伯數字代表“三個安全”分區中的不同類型。如Ⅰ-1代表平原區的第1類型區，Ⅱ-1代表山區的1類型區，以此類推。北京市小流域水土保持“三個安全”分區結果詳見圖8，分區表見表6。

一級分區First level regionalization二級分區Second level regionalization面積Area/km2所占百分數Percentage/%Ⅰ平原 PlainⅠ-1-水質污染-平原二級防洪-生態安全區Ⅰ-1-Water pollution-Second level flood control in plain-Ecological safety zone6353.9Ⅰ平原 PlainⅠ-2-水質污染-平原一級防洪-生態安全區Ⅰ-2-Water pollution-First level flood control in plain-Ecological safety zone1360.8Ⅰ平原 PlainⅠ-3-水源保護-平原二級防洪-生態安全區Ⅰ-3-Water source protection-Second level flood control in plain-Ecological safety zone240.1Ⅰ平原 PlainⅠ-4-水源安全-平原一級防洪-生態危險區Ⅰ-4-Water source safety-First level flood control in plain-Ecological hazard zone680.4Ⅰ平原 PlainⅠ-5-水源安全-平原一級防洪-生態安全區Ⅰ-5-Water source safety-First level flood control in plain-Ecological safety zone10936.7Ⅰ平原 PlainⅠ-6-水源安全-平原二級防洪-生態危險區Ⅰ-6-Water source safety-Second level flood control in plain-Ecological hazard zone3442.1Ⅰ平原 PlainⅠ-7-水源安全-平原二級防洪-生態安全區Ⅰ-7-Water source safety-Second level flood control in plain-Ecological safety zone316819.3

表6(續)

從表6可以看出：就平原區而言，主要問題是水質污染的小流域，占總面積的4.7%，其次是生態危險的小流域，占總面積的2.5%；山區水源危險區小流域的面積占總面積的1.9%，是急需需要治理的地區，水質污染的小流域面積占11.3%，該部分需要加強面源污染防治；山洪易發的小流域面積占24%，范圍較大，需要加強防范；處于生態危險的小流域占總面積的14.7%，是進行生態治理的重點小流域；其中山區存在山區水質污染-生態危險(占2.2%)、水質污染-山洪易發(占1%)、水源危險-山洪易發(占0.9%)的雙重風險的小流域，這些是需要重點關注的小流域，應納入近期生態清潔小流域的治理規劃。

6 結論與討論

1)以北京市1 085個小流域為研究對象，以水源安全、防洪安全、生態安全 “三個安全”為目標導向，利用GIS技術，采用主成分分析和聚類分析的方法，構建水源安全、防洪安全和生態安全的評價指標，以此為依據，開展北京市水土保持3個安全的分區，確定了不同小流域的功能。

2)研究得出北京市不同小流域在水源安全、防洪安全和生態安全方面存在的主要問題，為下一步北京市生態清潔小流域開展的重點區域提供了參考依據。

3)確定“三個安全”的指標主要考慮的是降水、植被、土壤等自然因素，對社會經濟因素的考慮還不足，使得指標與人類活動的聯系不夠緊密，需要進一步進行探討。

從影響因子方面來看，由于分區的過程中會涉及許多影響因素，筆者在確定“三個安全”指標的過程中主要考慮了降水、植被、土壤等自然因素，但欠缺了對社會經濟因素的考慮，使得指標與人類活動的聯系不夠緊密。從分區指標來看，筆者主要是以“三個安全”要求為導向選取了相應的分區指標，但忽略了北京市的其他發展要求，如京津冀一體化、主體功能區規劃、礦產資源規劃等。在未來的研究中，應考慮將北京市水土保持分區與全國水土保持區劃結果相結合，進一步分析本研究的分區結果與全國區劃之間的關系與區別，突出并明確北京市各小流域水土保持工作的必要性和特色。