中国生态水文分区

水利学报2008年3月SHUILI XUEBAO第39卷第3期文章编号:05599350(2008)03-03207中国生态水文分区杨爱民1,唐克旺!,王浩!,程金花2(1.中国水利水电科学研究院水资源研充所,北京1004;2.北京林业大学水土保持学院,北京100083)摘要:在综合分析生态分区、水文分区、综合自然分区与水资源分区等相关研究的基础上,首次提出并界定了生态水文分区的概念。根据我国不同流域或区域的生态水文特征,提出了生态水文分区的原则,建立了生态水文分区的指标体系。以水资源三级区为单元,采用定性与定量的 ISODATA模糊聚类分析相结合的方法,将全国划分为3个生态水文大区、36个生态水文区,并提出了各生态水文一级区与水有关的生态环境保护目标与准则,旨在为合理确定不同流域或区域的生态环境保护目标及河道外生态需水的计算方法和标准提供重要理论依据。关键词:中国;生态水文分区; SODATA模糊聚类分析;生态需水;生态分区;水文分区;分区指标中图分类号:P37文献标识码:A1研究背景我国地域辽阔,地势呈三大台阶,地貌类型复杂多样,气候、土壤、植被、水文等环境条件时空分异显著,不同地区社会经济条件也存在明显差异,使得我国不同流域或区域的生态水文特征千差万别。早在20世纪50年代中期,我国学者就采用定性分析法提出了《中国地貌区划》、《中国气候区划》、《中国土壤区划》、《中国植被区划》、《中国水文区划》的区划方案,这五种区划通称五大自然区划。在综合考虑地貌、气候、土壤、植被、水文五种自然条件的基础上,又提出了《中国综合自然区划》方案。从20世纪50年代末期到90年代中期,不同学者又分别提出了不同的区划方案。在各种综合自然区划方案中,多将一级区划分为3个区。关于《中国水文区划》我国共提出过三种区划方案。采用定性的分区方法,罗开富提出了第一种水文区划方案、中国科学院自然区划委员会提出了第二种水文区划方案。熊怡等采用定性和定量(模糊聚类法)相结合的方法,以径流深、不同时段径流量占年径流量的百分比为分区指标提出了第三种分区方案,将全国分为11个一级区,56个二级区。傅伯杰等3根据我国的自然地域特点、生态系统类型、主要区域环境问题和人类活动状况等要素,采用专家集成与模型定量相结合的方法提出了《全国生态区划》方案,将全国生态区划分为3个一级区,13个二级区,57个三级区。该生态区划的一级区与综合自然区划的一级区类似。有关水资源分区,1980年完成的《全国水资源现状评价》将全国分为9个一级区。目前正在全国开展的全国水资源综合规划对水资源分区进行了调整,将全国分为10个一级区,80个二级区,214个三级区。这些区划(亦称分区)可基本反映我国地貌、气候、土壤、植被、水文、水资源等自然条件及生态环境在空间上的分异特征,但不能科学地揭示生态水文复合系统(即生态水文类型区)的分异规律。不同生态水文类型区的生态环境保护目标与河道外生态需水的计算方法和标准有明显不同。因此,为了便于生态环境保护、恢复和改善工作的分类指导,进行全国生态水文分区的研究具有重要的理论和实践意义,其可为水资源规划与管理提供重要理论依据。收稿日期:2007~0206中国煤化工基金项目:全国水资源综合规划专题(01-06-02);973项目(2006CB4CN MHG2006BABO4AI5作者简介:杨爱民(193-),男内蒙古扎来特旗人,博士,主要从事水资源、水生态等方面的研究。Eml; yimin@iwhr,com3322生态水文分区的概念与原则21概念生态水文分区是一个全新理念,是进行生态需水计算的基础。它与生态分区、水文分区、综合自然分区与水资源分区等既有联系,又有区别。生态水文分区是指在对流域生态水文系统客观认识和充分研究的基础上,应用生态学、水文学、水资源学和生态水文学原理和方法,采用遥感、地理信息系统等技术手段,揭示流域自然生态水文系统的相似性和差异性规律以及人类活动对流域生态水文系统干扰的规律,从而进行整合和分区,划分生态水文的区域单元,并在图上准确地反映出来。生态水文分区亦称生态水文区划2.2原则生态水文分区的原则取决于流域生态水文系统的特征及人们对它的认识程度。现存流域生态水文系统是自然界长期演化发展和人类活动干扰的综合结果。不同流域生态水文系统占据着一定的地理空间位置,具有各自的结构、功能等特点,而且受不同强度人类活动的影响。但是各流域生态水文系统不是截然分开的,它们之间是相互包含,相互联系,互为影响的。一般而言,流域生态水文系统具有以下特性:(1)生态水文系统的整体性;(2)生态水文系统的相似性和差异性;(3)生态水文系统地理位置的不重叠性;(4)生态水文系统的等级性;(5)人类干扰的强弱性等。正是由于流域生态水文系统的这些特性,所以才能客观地将自然界的各流域生态水文系统进行合并与分异,从而划分其区域单元。生态水文分区必须遵循以下原则3:(1)生态水文系统的分异性原则。宏观生态水文系统是一个由一系列不同类型组合的、在空间上连续的整体。在不同的区域范围内,由于地貌、地形、气候、土壤、水文循环等特征的不同,因而表现出与此相联系的生态水文系统的分异。根据这些差异,便可划分出不同的生态水文单元。生态水文系统的分异性原则是生态水文分区的最基本原则;(2)生态水文系统的完整性原则。自然界中任何生态水文系统都不是孤立存在的,它们是一个开放的系统,相邻的系统之间或相互镶嵌,相互包含,或通过物质和能量的交换而互为联系。因此,在进行区划时应从整体的观点、流域的观点出发,保证生态水文系统的完整性;(3)生态水文系统的等级性原则。生态水文系统可出现在任何空间尺度上,而在不同的空间尺度上具有不同的表现形式,它包含生态水文系统的结构等级、生态过程等级和水文循环过程三方面的内容。一般而言,生态水文系统的等级性体现出以下几方面特点:①高等级组分的格局能在低等级中得到反映;②低等级组分的存在依附于高等级;③水分等物质和能量通常从高等级流向低等级;④一些独立组分的变化不可避免地影响到相关的组分。等级性原则是了解生态水文系统空间格局的基础,也是生态水文系统逐级划分的理论依据;(4)生态水文系统内的相似性和区际间的差异性原则。自然地理环境是生态水文系统形成和分异的物质基础,虽然在一区域内其总体的生态水文特征趋于一致,但是由于其他一些自然因素的差别,因此使得区域内各生态水文系统的结构也存在着一定的相似性和差异性,而生态水文分区正是根据其相似性和差异性加以识别和概括,然后进行区域的合并和分异;(5)人类活动对生态水文系统演变的影响具有强弱不同性原则。生态水文系统中的生态环境是人类赖以生存和发展的物质基础,而人类活动又对生态环境产生一定的影响。现存的生态水文系统都或多或少地受到人类活动的影响,但是由于区域间受人类活动影响的程度不同,导致不同区域的生态水文系统特征不同,由此诱发的生态环境问题也有所差异。因此,在生态水文区划时必须考虑到人类活动的因素,正确评价人类活动在生态水文系统中的作用和地位。3生态水文分区的指标体系与方法3.1分区指标体系指标体系是划分生态水文区的理论依据。指标体系的确定和各个指标的选取应尽可能地反映出不同区域生态水文系统的分异规律。由于生态水文系统的结构、功能及其形成过程是极其复杂的,它受多种因素的影响,是各个因素综合作用的时,应在综合分析各要素的基础上,抓住其主导因素,这样既H中国煤化工区划分的指标CNMHG统的本质又不会使指标体系过于繁杂而重复。333根据我国的地势地貌、气候、地形、植被、生态水文系统特征以及人类经济活动等特征,并考虑指标值收集与计算的难易性和完整性,选取的生态水文分区指标体系为:1降水深(mm)、2径流深(mm)3水面蒸发量(mm)4产水模数(万m3/km2)5径流系数6干旱指数、7耕地占幅员面积%、8林地占幅员面积%9草地占幅员面积%、10水域占幅员面积%、1l建设用地占幅员面积%、12未利用地占幅员面积%、13人均GDP(元八人)和14人口密度(人/km2)。其中,第1~6个指标值及第13、14个指标值根据全国水资源综合规划统计资料经计算得到,第7~12个指标值依据1:10万全国2000年土地利用电子图,利用 ARCGIS9.0与全国水资源分区图切割统计得到32分区方法以水资源214个三级区为单元,利用生态水文分区的指标体系值建立数据库,采用定性与定量相结合的分区方法进行分类。本生态水文分区采用二级分区系统,也称二级分区方案。其中,一级区采用定性方法进行划分以《全国生态区划》与《中国综合自然区划》的一级区为基础,以水资源三级区边界为区界进行分区。二级区采用定量方法进行划分,也就是以水资源214个三级区为单元,采用 ISODATA( Iterative Self-Organizing Data Analysis Technique A)模糊聚类分析法进行分类。 ISODATA模糊聚类分析法与主成分分析、星状聚类、系统聚类等聚类方法相比具有的优点是:对于n个样本,只要给出初始分类C,通过迭代计算,就能很快得到分类结果,而且能对聚类效果进行检验,主观随意性较小,即:求得的模糊分划系数F(R;)越接近1聚类效果越理想”。F,(R;)式中:F(R)为模糊分划系数;n为样本数;C为初始分类数;r为矩阵中的元素。4分区结果先将生态水文一级区分为3个区,即I、Ⅱ、Ⅲ区。然后,将I、Ⅱ、Ⅲ区所包含的水资源三级区指标值分别输入计算机,采用 ISODATA模糊聚类分析法进行运算。对于I区,经多次迭代计算,当C=22时,模糊分划系数F(R;)=0.8981为最大,这说明将I区分为22个二级区最为理想。同理,对于Ⅱ、Ⅲ区,当C=9时,模糊分划系数F(R)=0936509126为最大即将Ⅱ、Ⅲ区分别划分为9个、5个二级区最为理想。本文将生态水文区的一级区、二级区分别命名为生态水文大区( Eco-hydrodomain)和生态水文区Eo- hydroregion)。生态水文大区:大地理位置+温湿状况;生态水文区:流域位置+主要植被类型+水文特征+人类活动影响程度。植被类型分为森林、草原、荒漠与草甸等,其中森林又分为针叶林、针阔混交林、落叶阔叶林、常绿阔叶林、雨林、季雨林等。主要植被类型是指占幅员面积最大的植被种类。当森林的面积与草原的面积接近时,由于森林的生态功能更为强大,按森林植被来命名。细分的植被种类是依据其地理位置和气候条件来确定的。水文特征是降水深、径流深、水面蒸发量、产水模数、径流系数、干旱指数等指标的综合反映,分为极丰水、丰水、多水、平水、少水极少水6个级别。人类活动影响程度是耕地、林地、草地、水域、建设用地、未利用地占幅员面积的百分比及人均CDP、人口密度等指标的综合反映,分为极微度、微度、轻度、中度、强度、极强度活动6个级别。全国生态水文分区分为3个一级区:东部湿润、半湿润生态水文大区;西北干旱、半干旱生态水文大区;青藏高原高寒生态水文大区东部湿润、半湿润生态水文大区又分为22个二级区,包括:I1嫩江针叶林平水轻度活动生态水文区;I2松花江针叶林平水中度活动生态水文区;I3辽河针阔混交林多水中度活动生态水文区;I4辽河落叶阔叶林平水中度活动生态水文区;I5海河落叶阔吐林子水强唐活动生杰水立区;I6汾河渭河落叶阔叶林平水中度活动生态水文区;Ⅰ7黄河常绿阔叶中国煤化工区;18环渤海落叶阔叶林多水极强厦活动生态区;I9淮河落叶阔叶林丰CNMHG10洪泽湖常绿阔叶林极丰水强度活动生态水文区;II1嘉陵江、汉江常绿阔叶林丰水强度活动生态水文区;I12乌江常334绿阔叶林丰水中度活动生态水文区;I13洞庭湖常绿阔叶林极丰水中度活动生态水文区;I14鄱阳湖常绿阔叶林极丰水中度活动生态水文区;I15太湖常绿阔叶林丰水极强度活动生态水文区;I16东南诸河常绿阔叶林极丰水强度活动生态水文区;I17珠江上游常绿阔叶林极丰水中度活动生态水文区;I18闽粤诸河常绿阔叶林极丰水强度活动生态水文区;I19海南及台湾诸岛雨林、季雨林极丰水强度活动生态水文区;I20珠江三角洲常绿阔叶林极丰水强度活动生态水文区;I21西江、桂贺江、北江常绿阔叶林极丰水中度活动生态水文区;I22怒江、元江、李仙江常绿阔叶林丰水微度活动生态水文区。西北干旱、半干旱生态水文大区又分为9个二级区,包括:Ⅱ1额尔古纳河草原少水极微度活动生态水文区;Ⅱ2西辽河草原平水轻度活动生态水文区;Ⅱ3内蒙古高草原少水微度活动生态水文区;Ⅱ4内流区草原生态少水轻度活动水文区;Ⅱ5黑河河西荒漠极少水微度活动生态水文区;Ⅱ6准葛尔盆地荒漠草原极少水微度活动生态水文区;Ⅱ7阿尔泰山南麓森林草原少水极微度活动生态水文区;Ⅱ8天山山地草原-荒漠少水微度活动生态水文区;Ⅱ9塔里木盆地荒漠极少水极微度活动生态水文区。青藏高原高寒生态水文大区又分为5个二级区:包括:Ⅲ1江河源区高寒草甸丰水轻度活动生态水文区;Ⅲ2柴达木盆地、青海湖高山草原平水轻度活动生态水文区;Ⅲ3羌唐高原高寒草原-荒漠极少水微度活动生态水文区;Ⅲ4通天河高寒草甸丰水极微度活动生态水文区;Ⅲ5藏南藏西诸河农牧平水极微度活动生态水文区。各区空间分布及其生态水文特征见图1与表1。3个一级区与水有关的生态环境保护目标与准则如表2。II5图1中国生态水文分区5结论生态分区、水文分区、水资源分区与综合自然分区等是生态水文分区的基础,而生态水文分区则是生态分区、水文分区、水资源分区与综合自然分区的有机结合和相互统一。充分理解和掌握生态分区、水文分区、水资源分区和综合自然分区的主要内容是科学地进行生态水文分区的前提。这些分区可基本反映我国地貌、气候、土壤、植被、水文、水资源等自然条件及生态环境在空间上的分异特征,但不能科学地揭示生态水文复合系统的分异规律。在综合分析这些分区的基础上,提出了生态水文分区的概念与原则,选取降水深、径流深、水面蒸发量、产水模数、径流系数、干旱指数、人均CDP、人口密度以及耕地、林地、草地、水域、建设用地、未利用地占幅员面积的百分比等为分区指标,以水资源214个三级区为单元,采用定性与定量的 ISODATA模糊聚类分析相结合的生态水文区,并提出了3个生态水文一级区与水有关的生态H中国煤化工文大区、36个CNMHG资源规划和管理中的生态环境保护提供重要的基础和平台。335表1中国生态水文分区指标值生态水文区指标值积径流深/水面蒸发量产水模数/及区径流系数干早指数419606500.5130.5552595375612644.55.561.1514906777,9337,6694.012.720.921.375282979.1638.3942.22.521.4915795492.11036.31.76229780.I101242.37996III3417929793425.0703.30.74226427175.37|0.61501.9130.570.48l620651695,0898,240.52360.1850.412.840.3276I161651.822.770.540.52561.71050.91586061686.61017.00.61I19711605.827.710.85709431824.31070.222,810.570.591135631670.4926.116.420.561629.1I1l3.48.110.74全区43204571063.3734.110.400.361,01180643837.72.21141903434.51013.92.45175678264.40.350.055.283I378280.0497419l37.21327.50.201174.55.8739.732661701232.910.35871.9485.3807,51.08412250358.0895.51423.4030.278.574671461104.0l27.7993.0551.633.6H中国煤化工4.532551441613,9154.1注:表中数据为多年平均值CNMHG336表1(续)中国生态水文分区指标值一级区《耕地占面积林地占面积草地占面积水域占面积建设用地占未利用地占人均cDP人均密度级(%)%)面积(%)面积(%)(元/人)(人/km2)25.327211I248.253.35I3l.99163168761.8120,571.145.0410.076354.91Ill51.2835.0551.0725.2564.92l1.210.0822.712.12l50621.7055.070.706574I2026.555,987.745.2520.530.3138.7710503.3.4633.472.61Ⅱ21,68394019.262.701.3312860.8770347,6941.895.751.703.8727.7863.829.0642.642.1835.62620542.863.1349590.7029827241.28注:(1)表中数据为2000年值;(2)由于I19的指标值空缺,其命PH中国煤化工4CNMHG337表2各生态水文一级区与水有关的生态环境保护目标与准则生态水文主要生态生态环境建设水利保障级区环境问题保护目标用水要求条件水土流失、湿地萎缩、水体一般湿地维持现状规模重城市生态用水、湿地与河道水库调蓄、水利工程调度、跨污染、地下水超采、河道断婴湿地有所恢复、水污染趋生态用水、植被恢复用水、流域调水控制地下水开采流湖库河道泥沙淤积、河势得到控制防止水土流河道和水库冲沙用水、稀释污染治理排污总鬟控制、人I口生态退化、植被减少等。失、提高林草覆盖率保证净化用水、冲淤保港用水、工造林种草、天然林保护、退湿地和河道用水防止洪水防潮压域用水、河口生物用耕还林还草小流域治理河危害、防止河道湖库淤积、水、地下水回灌用水等口维持流量、提高灌溉用水效增加生物多样性等n河流干,植被遇化和沙漠防止植被退化和沙误化保湿地与河通生态用水植锁流域调水节水生态化、天然绿洲萎缩等。护生物多样性生态用水等用水调配。冻融侵蚀、地质灾害、土地防止植被退化和沙漠化保生活生产污水处理等抄漠化、生活生产水污染护生物多样性、有序开采抄金、防御地质灾害、保护湿地保护中华水塔等参考文献:[1]中国地图出版社编辑部.中国自然地理图集[M]北京:中国地图出版社,1998[2]熊怡,张家桢中国水文区划[M]北京:科学出版社,1995[3]傅伯杰,刘国华,陈利顶,等中国生态区划方案[].生态学报,2001,21(1):1-6[4]傅伯杰陈利顶,刘国华中国生态区划的目的、任务及特点[]生态学报,199,19(5):591-595[5]杨爱民,唐克旺,王浩,等,生态用水的基本理论与计算方法[J].水利学报,2004,(12):39-45.6]杨爱民,王礼先,王玉杰,等.三峡库区农业生态经济分区的研究[门生态学报,001,21(4):561-568Eco-hydrological regionalization in ChinaYANG Ai-min, TANG Ke-wang, WANG Hao, CHENG Jin-hua(l. China institute of Water Resources and Hydropower Research, Beying 100044,China;2. Beiing Forestry Uninersity, Beying 100083, China)Abstract: The concept of eco-hydrological regionalization was proposed and its connotation was definedAccording to the eco-hydrological characteristics of different river basins and regions, the principles ofregionalization of China were suggested and the index system was established. By taking the third gradeunit of regionalization of water resources as the classification unit, the fuzzy cluster analysis of iterativeself-organizing data analysis(ISODATA)technique was applied to divide the whole country into 3 eco-hydrodomains and 36 eco-hydroregions. The corresponding objectives and standards of eco-environmentprotection for different domains and different regions were defined. The regionalization is aiming at thetarget of reasonably dividing the objective of different river basins and regions and providing the theoreticalbasis and method for calculating the ecological water demand outside the riverKey words: Eco-hydrological regionalization; fuzzy clusier analysis; ISODATA; ecological waterdemand; ecological regionalization; hydrological regionalizat中国煤化工母:王冰伟)CNMHG