三峡库区生态屏障建设相对适宜度研究

三峡库区生态屏障建设相对适宜度研究

1生态屏障建设概述长江水库位于长江流域的底部，属于大巴山区。水库地形以山脉为主，库水河起伏较大。随着三峡大坝的建成及投入使用,库区内部及其周边的水环境情况发生了明显变化,生态系统的完整性遭到破坏,河流自然降解能力降低,水库内存储的大量静态水体易富营养化,若不加以保护,库区即将面临长远而紧迫的生态安全问题。因此国内外诸多学者、专家对如何保护三峡库区的生态环境进行了广泛的研究,其中建立长江上游的生态屏障已成为有效保护库区生态环境的共识。在三峡水库库岸带建设生态屏障区,主要是三峡水库建成蓄水后,局部出现生态环境问题以后才提出来的,近几年主要关注生态屏障的功能和建设,对如何合理地界定生态屏障区的范围,国内外还未做相关研究,而这正是目前为保障三峡库区生态环境优良和社会经济的和谐发展亟待解决的技术瓶颈。本文在杨冬生、陈国阶和潘开文等对生态屏障内涵与功能分析的基础上,提出了三峡库区生态屏障建设相对适宜度。以生态屏障建设相对适宜度为基础,利用收集到的忠县洋渡镇的相关资料,确定了2种建设情景下的生态屏障区范围。2生态屏障及其定义指标2.1生态屏障的概念2.2生态屏障的功能从理论上来说,为保护下游地区的生态环境,生态屏障范围应建设得越大越好,但由于生态屏障区范围内基本为移民搬迁的聚集区,范围过大会占用大量良田,影响当地群众生活,因此在划分生态屏障范围时要考虑一定的建设指标。为提出合理的生态屏障范围划定标准,应先对生态屏障的功能进行分析,这里引用潘开文等的论述,即生态屏障具有过滤、缓冲、隔板、庇护所、水源涵养、精神美学等功能。(1)过滤功能是指生态屏障对从系统外进入或系统内流出的物质具有过滤能力,这一功能的内涵即是生态屏障内所具有的净化上游水源、减少污染、提高水质与空气质量等的作用。因此,生态屏障应位于被保护区的上游部分,为使生态屏障的过滤能力增强,系统外进入的物质在生态屏障内的滞留时间应尽可能长,以保证系统内部有足够的时间进行过滤、净化。(2)缓冲功能是指生态屏障对来自外界或内部的干扰有一定的缓冲能力,该功能反映了生态屏障内部本身具有较强的稳定性,可以灵活适应周边地区不同的生态环境。为达到这一要求,一方面应合理建设生态屏障,例如在生态屏障内部分布合理的乔、灌、草结构,另一方面在划分生态屏障范围时,其内部自然的生态条件应当较好。对三峡库区来说,生态屏障应建设在水源涵养条件较好的地区,以利于生态屏障内部生物的健康生长。(3)隔板功能是指生态屏障可以作为其上游和下游生境异质性的过渡地带,该功能体现了生态屏障相对于周边生态系统具有的类似细胞膜的作用。这一功能的具体体现与研究问题的具体尺度有关,就三峡库区生态屏障来说,由于三峡库区地处大巴山区地带,地势起伏大,滑坡、泥石流等地质灾害易于发生。为保护下游库区生态系统,避免山体滑坡直接进入库区,生态屏障应建在地形相对稳定处,将生态屏障区作为上游山坡生态环境到库区水域生态系统转变的过渡地带。(4)庇护所功能是指生态屏障具有物种基因库的功能,因此在建设生态屏障时,应注意保持生态屏障内部的物种多样性,建议在生态屏障内部可种植多种植物;另外,对三峡库区来说,在河道两岸可以种植些高大植被,以为水中鱼类等生物的生长提供植物碎屑和荫蔽的生长环境。(5)水源涵养功能是指生态屏障要具有涵养水源、净化水质的功能,其内涵是生态屏障内部具有较强的对不利环境的缓和作用,例如在三峡库区,生态屏障能够平缓上游山区降雨后库区河道陡涨的来水过程。因此在确定生态屏障范围时应考虑该区的地形、土壤状况,应当优先选择具有松软而发达的团粒结构的土壤,因为这种土壤渗水性能优,能有效减少降雨过程中的地表径流成分,平缓河道来水过程并可避免污染物质直接进入下游库区。(6)精神美学功能是指生态屏障具有的文化、美学等作用,主要体现在生态屏障的建设方法上。2.3生态屏障范围界定综合评价指标通过上述分析,在界定生态屏障范围时,应考虑地形、地貌、土地利用、土壤质地等各种具体条件。为定量研究生态屏障界定方法,本文根据上述指标,建立相关数学模型,对研究区内各点的生态屏障功能与建设费用进行定量评价,评价结果即称为生态屏障建设相对适宜度。生态屏障建设相对适宜度从生态屏障区功能最大化与建设费用相对较小的角度出发,可为生态屏障范围的划定提供客观依据。对于过滤功能,生态屏障需设置于下游库区的上段,且能够使水流通过其间的滞留时间较长。在已知生态屏障下边界的情况下,可建立上端研究区各点到边界处的汇流时间矩阵,则一般情况下汇流时间越短的点距下边界越近,应将其划为生态屏障区,以过滤上游来水。令τ(i)表示库区上游i点到出口处的汇流时间,则τ(i)越小的点其权重越大。对于缓冲功能,生态屏障应当有较好的水源条件,以利于内部生物生长。田间持水量作为维持作物生长的临界含水量,若一地区的土壤含水量能够长期维持这种状态则可保证作物常年正常生长。在水文学上,常将某点的土壤含水量是否达到田间持水量作为该点产流开始的标志。因此亦可以产流开始时间作为标准,令λ(i)表示库区上游i处在一次降雨过程中产流开始时间,则λ(i)越小的点其权重越大。对于隔板功能,生态屏障应能够缓和上游山区和下游湖泊间的生态环境异质性,维持水库上游地形结构的稳定,即生态屏障应位于地形相对稳定处。在三峡库区,局地的气候条件、土壤质地基本相似,地形的稳定性主要受坡度影响。因此可以各点处坡度为标准,令δ(i)表示库区上游i处的坡度,则坡度越小的点其权重越大。水源涵养功能要求生态屏障内部的土壤质地具有较强的滞留水源的功能,因此可以根据研究范围内的土壤状况,进行定量评价赋值,评价值越大的点,质地越优,作为生态屏障的权重就越大。令ψmax为土壤质地评价结果的最大值,ψmin为土壤质地评价结果中的最小值。令ψ(i)为任一点i对应的土壤质地评价值,且ψmax>ψ(i)>ψmin。庇护所功能和精神美学功能可在生态屏障范围界定后,在建设过程中来体现。综上,可建立生态屏障范围界定综合评价指标:式中:τmax为研究区汇流时间最大值,τmin为汇流时间最小值;λmax为研究区产流开始时间的最大值,λmin为产流开始时间最小值;δmax为研究区坡度最大值,δmin为研究区坡度最小值;α1、α2、α3、α4为相应指标的权重系数;F(i)为i点对应的生态屏障综合指数。另外,在建设生态屏障时还应考虑当地实际情况及其资金投入问题,可以根据当地实际的土地利用状况来分析。例如,若该地为居民区,则会牵涉到移民问题或建设特殊保护区;若该地为农田,则要采取退耕还林等保护措施,以避免农田面源污染的产生等等,这些都会加大生态屏障建设的投资。因此,应当根据研究区的土地利用状况,进行定量评价赋值。令γmax为生态屏障建设花费最大值,γmin为生态屏障建设花费最低值,γ(i)为任一点i对应得生态屏障建设费用,且γmax>γ(i)>γmin。则考虑生态屏障建设效益的总的研究区生态屏障建设评价指标函数可表达为:式中:β为建设费用的权重参数;H(i)为i点对应的考虑建设费用的生态屏障综合指数。这里称H(i)为研究区i点对应的生态屏障建设相对适宜度,H(i)越大表示该点越适宜于生态屏障建设。3水环境及dem模型本文选择的典型区为重庆市忠县洋渡镇,该镇位于长江南岸,与邻接的丰都县、石柱县接壤,是三峡生态屏障建设典型地区,其位置如图1所示。三峡生态屏障建立的首要目标是降解、净化三峡库区上游来水对库区水体的污染。上游来水主要通过坡面和河道进入库区,对于河道来水可以通过河道治理等途径进行集中处理,但对坡面来水,由于其分布范围广、污染物来源复杂、治理困难,需通过建立生态屏障区对坡面上的水流进行净化处理。研究区的下边界为库区水体的最高淹没线,即三峡水库的正常高水位——175m;研究区的上边界为距库区最近的第一条山脊线,可以利用典型区的地形资料进行提取。利用由忠县移民局提供的1∶10000等高线资料,进行数字化生成10m精度的DEM。图2为利用洋渡镇地形、水系资料提取的生态屏障研究范围示意图,为了地形的突出显示,图中以地形的阴影图作为背景。3.1社会网络地理计算研究区各点处产流开始时间计算:由于典型区缺乏产流计算需要的水文资料,为模拟结果的准确性,预先收集了研究区周边石柱、长滩和两河3个流域2001—2008年的水文资料,并建立了相应流域的概念性新安江模型,将其率定的参数作为Grid-Xinanjiang模型相关参数的参考。对于生态屏障建设来说,产流开始时间计算的目的是为了评价其内部的水源条件,为提高模拟结果的客观性,这里对降雨等水文资料进行假定,即假定在恒定雨强作用下,通过计算研究区各点处的产流时间,可以得到研究区内各点的产流开始时刻分布图,结果如图3所示。图中设定的恒定雨强为10mm/h。根据2中的描述,产流模型计算的目的是评价各网格处相对独立的水源条件而非进行水文过程模拟,因此在计算过程中假定各网格为独立的,即各网格的产流量并不贡献给下游网格的蓄量。图中对于淹没区不参与计算,产流时刻统一设定为-1。研究区各点处汇流至边界的时间计算:按网格水滴汇流模型计算的原理,统计了各网格汇流至边界的时段数,结果如图4所示,图中存在突变情况,是由于该网格的坡度极小。图中对于淹没区也不参与计算,汇流时段数设定为-1。研究区的坡度利用地形资料进行计算,土壤质地评价根据收集到的土壤类型资料进行评估,这里依据忠县土壤普查办公室于1984年出版的《忠县土壤》上对各种土壤类型生产性能的分析,认为越利于植物生长的土层评价值越大;生态屏障建设费用利用收集到的土地利用类型资料进行评估,根据忠县移民局提供的近期航拍资料,认为人类开发利用影响越大的地方,其建设费用越高。例如居民区的建设费用大于道路,道路的建设费用大于农田等。当各分项指标均计算完毕后,即可按式(1)和式(2)计算研究区各栅格点位的生态屏障建设相对适宜度。式(1)中的权重系数α1、α2、α3、α4反映了相应生态屏障功能的相对重要性,由于三峡生态屏障建立的首要目标是降解、净化三峡库区上游来水对库区水体的污染,这要求生态屏障要发挥出过滤功能、缓冲功能及水源涵养功能;另外由于选择的研究区地形起伏较大,生态屏障内的隔板功能也应受到重视。因此,令α1=α2=α3=α4=0.25。式(2)中的β反应了生态屏障建设费用因子相对于生态屏障综合功能的权重,由于研究区内生态屏障范围基本为移民搬迁的聚集区,为尽量保护当地群众的生产用地面积,这里令β=0.5。生态屏障模型计算结果如图5所示。3.2生态屏障严格定值的确定方法确定由图5可知,研究区内生态屏障建设适宜度较大的地方并不总与淹没线邻接,这是合理的,因为上述提出的生态屏障界定指标综合考虑了多种因素,与淹没线临近的地方各项指标并不总是最大。但在实际建设三峡库区生态屏障时,由于其总的目标是保护下游库区内水体的环境质量,因此生态屏障区必然位于与淹没线临接的上游部分。实践中通常采用2种方法来划分生态屏障范围:一是在淹没线的边界处按照一定宽度阈值进行划定,这里称为缓冲区方法或宽度情景;二是根据地形等高线资料,按照一定的高程阈值进行划定,这里称为高程方法或高程情景。不论采用何种方法都要确定相应方法下的界定阈值,该阈值可以利用上述过程得到的生态屏障建设相对适宜度来确定。为合理确定阈值,这里用不同阈值下生态屏障范围内的平均适宜度作为生态效益的评价指标。生态屏障平均适宜度为生态屏障范围内各栅格点位适宜度之和与生态屏障范围总的网格单元数之比。图6示意了缓冲区方法和高程方法下的生态屏障平均适宜度变化曲线。从图6中可以发现该曲线总体的变化趋势是一致的,即都经过了一段快速增长期过后达到峰值,峰值过后经过小范围的消退期后趋于稳定。即生态屏障区总体的平均适宜度先随生态屏障区的范围增大而增大,达到某一阈值后达到峰值;其后平均适宜度会趋于稳定,即达到全区域的平均适宜度,因此本文认为平均适宜度达到峰值时的阈值即为所求。由图6(a)可以得出在缓冲区情景下的生态屏障宽度阈值为710m,图6(b)得出等高线情景下的生态屏障高程阈值为291m。图7为这两个情景阈值下确定的生态屏障区边界范围分布示意图。为便于比较图中用研究区内的适宜度分布作为底图,从图中可以看出采用高程情景确定的阈值要优于缓冲区情景,因此建议采用高程阈值,按高程情景进行生态屏障区范围界定。4模型计算与应用建设三峡生态屏障是保护三峡库区水体环境质量的一项重要措施,本文通过分析现有的关于生态屏障的认识,针对三峡库区生态屏障功能的具体体现,提出了相应的三峡库区生态屏障界定指标。通过对这些指标进行数学建模,构建了三峡库区生态屏障