CN106096253A - 一种划定湖泊缓冲带范围的方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种划定湖泊缓冲带范围的方法。为确定能满足湖泊水环境和生态保护需求的最小缓冲带范围，本发明在考虑目标及标准、生态环境现状、技术经济约束、社会与管理制度制约等影响因素的基础上，先用关键源区和生态敏感区识别技术识别出对湖泊等受纳水体的水环境和生态系统有决定性作用的少数区域，再用污染物总量控制技术确定了缓冲带范围。该方法科学合理、方便可行，对减少湖泊富营养化、防治面源污染、修复天然缓冲体系具有重要的意义，也可为流域尺度上的湖泊缓冲带建设及相关治理提供依据和指导。

Description

一种划定湖泊缓冲带范围的方法

技术领域

本发明涉及湖泊流域污染控制与生态修复领域，具体涉及到湖泊缓冲带范围的划定。

背景技术

缓冲带技术始于15-16世纪的欧洲，成型于19世纪初，最初主要应用于水土保持领域，后来逐步被扩展到面源污染防治、水体保护、生物保护和生态恢复等领域。“十一五”以来，缓冲带技术被应用到我国洱海、抚仙湖、太湖等大型湖泊的生态环境改善中，并取得了一定成效，然而在缓冲带宽度的确定问题上仍存在着较大争议。

湖泊岸线在发挥重要的生态功能的同时，也是重要的土地资源，从生态保护的角度出发，湖泊缓冲带应尽量宽，但从岸线资源利用的角度，缓冲带应在保持其功能的前提下尽量窄。因此，为缓解湖泊保护与土地开发、社会发展之间的矛盾，应研究缓冲带在满足湖泊水环境与生态保护需求下的最小范围，本发明中提到的湖泊缓冲带范围均指的是最小范围。

针对此难题，国内外学者进行了一些研究，如美国及加拿大根据流域、地形、水文等影响因素，制定了多个大型湖泊缓冲带最小宽度范围为17.4-52.2m；国内一般根据相关经验或当地保护规划中的一级保护区范围来确定湖泊缓冲带范围，并以山体、公路等地标物做为上边界。

这些都为湖泊缓冲带的合理规划与科学布局奠定了良好的研究基础，但也存在如下问题：局限于小尺度上的湖滨带和河岸植被带，未能从流域尺度上来把握湖泊缓冲带的内涵；宽度未经过科学计算，影响了湖泊缓冲带功能的发挥。总体来看，我国湖泊缓冲带的保护与构建工作中许多科技支撑处于空白，缓冲带范围的划分规范、技术方法滞后，严重制约了湖泊流域保护工作的实施和空间的资源合理利用。

因此，本领域需要流域尺度上的湖泊缓冲带最小范围划定的技术体系。

发明内容

本发明针对本领域湖泊缓冲带范围划定的科技支撑处于空白、技术方法滞后等问题，提出了流域尺度上的湖泊缓冲带最小范围划定的技术体系，它集成了非点源污染流失的关键源区识别、生态敏感区识别、污染物总量控制等技术。

因此，本发明提供了一种划定湖泊缓冲带范围的方法，所述方法包括如下步骤：(i)先识别流域内的关键源区和生态敏感区；(ii)划定一个覆盖所述关键源区和生态敏感区的初步湖泊缓冲带范围；(iii)用污染物总量控制分析的方法来调整所述初步湖泊缓冲带范围；(iv)结合所述初步湖泊缓冲带范围的地形、地标、地物特点确定湖泊缓冲带范围的上、下边界。

在一个实施方案中，步骤(i)中识别所述关键源区基于污染流失风险评价进行，所述污染流失风险评价的评价因子包括源因子和迁移因子，所述源因子包括总氮输出和总磷输出，所述迁移因子包括土壤侵蚀、年径流深和污染源入湖距离，非点源的污染流失风险评价的值通过公式(1)进行量化：

R＝∑(Vsx·Wsx)×∑(Vty·Wty) 公式(1)

式中：R为非点源污染流失风险评价的值，sx为第x(x＝1，2)个源因子，ty为第y(y＝1，2，3)个迁移因子，V为各因子的风险等级分值；W为各因子权重。

在一个实施方案中，量化非点源污染流失风险评价的值后，按如下风险分级方案识别关键源区：R＜a为低风险区，R在a和b之间为中风险区，R＞b为高风险区，其中所述高风险区即为关键源区。上述风险分级方案中，a是低风险区阈值，b是高风险区阈值，两者的取值与风险等级分值V有关。在实施例中，a＝4，b＝8。

在一个实施方案中，在步骤(iii)中检验所述初步湖泊缓冲带范围的合理性的标准是建设所述初步湖泊缓冲带后，污染负荷入湖量不超过湖泊的纳污能力，具体方法是：获得建设所述湖泊缓冲带后的污染负荷入湖量和湖泊纳污能力，i)如果所述污染负荷入湖量小于湖泊纳污能力上限并大于湖泊纳污能力下限，则所述湖泊缓冲带的范围是合理的；ii)如果所述污染负荷入湖量大于湖泊纳污能力上限，则增大所述湖泊缓冲带的范围，使所述污染负荷入湖量符合上述第i)项；如果所述污染负荷入湖量小于湖泊纳污能力下限，则缩小所述湖泊缓冲带的范围，使所述污染负荷入湖量符合上述第i)项。

在一个实施方案中，其中所述污染负荷入湖量用基于流域单元的非点源的污染负荷估算方法进行计算，所述基于流域单元的非点源的污染负荷估算方法根据单位面积不同土地利用类型的污染负荷输出系数与入湖系数来估算所述污染负荷入湖量，计算公式为：

其中，P为污染负荷入湖量；λ_ij为流域内第i个流域单元内第j种土地利用类型的入湖系数；A_ij为流域内第i个流域单元内第j种土地利用类型的面积；I_ij为流域内第i流域单元内第j种土地利用类型的污染物输出系数。各参数的确定方法见具体实施方式。

在本发明中，检验初步湖泊缓冲带范围的合理性时，湖泊的纳污能力采用的是一个范围。范围的上限即湖泊纳污能力值，将此值向下进行一定的浮动得到该范围的下限。浮动方案为：最优选浮动5％，优选浮动10％，浮动15％。

在一个实施方案中，其中在步骤(iv)中缓冲带上、下边界的确定方法为：所述下边界是湖泊大提，无大堤的区域则以最高水位线为准；所述上边界尽量选择距缓冲带边界50m范围内的分水线、行政界线、交通要道、大型建筑物、水库大坝等永久性明显标志，若无此类标志则以原边界为准。

本发明所述的划定湖泊缓冲带范围的方法，从流域尺度上来考虑在满足一定目标要求下的湖泊缓冲带的最小范围，由此确定的湖泊缓冲带一般为由湖岸线向陆域延伸的宽度不固定的扇形区，湖泊缓冲带宽度根据不同区域的特征而变化。

附图说明

图1为本发明的划定湖泊缓冲带范围的技术流程图。

具体实施方式

本发明针对湖泊缓冲带范围划定领域的科技支撑处于空白、技术方法滞后等问题，提出了流域尺度上的湖泊缓冲带最小范围划定的技术体系，集成了非点源污染流失的关键源区识别、生态敏感区识别、污染物总量控制等技术。

本发明所述的湖泊缓冲带用于保护湖泊的隔离生境，是缓解或减轻湖泊水生态系统受到流域内人类活动或自然过程的破坏、干扰和污染的空间，一般为由湖岸线向陆域延伸的扇形区，宽度在数百米至数公里。

本发明所述的划定湖泊缓冲带范围的方法，分析了湖泊缓冲带范围的主要影响因素：目标及功能定位、生态环境现状、技术经济约束、社会与管理制约，确定了范围划定的关键是要协调好人与自然的关系，在两者之间找到一个平衡点。

本发明所述的湖泊缓冲带的功能定位有：(1)环境类功能——将高强度开发利用活动与湖泊水体相隔离，缓冲污染物对湖泊水体产生的不利影响，改善湖泊富营养化问题；(2)生态类功能——合理规划湖泊缓冲带的生态建设，修复带内缓冲体系，提升缓冲带的生态服务功能；(3)社会经济类功能——如教育示范功能，缓冲带保护宣传功能，景观美化功能，以及为湖泊缓冲带区域内实施特殊的环境经济政策和生态补偿机制提供依据，协调生态环境保护和经济发展相关建设方之间的利益关系。

本发明所述的划定湖泊缓冲带范围的方法，其流程见说明书附图1，所述方法包括步骤：(i)先识别流域内的关键源区和生态敏感区；(ii)划定一个覆盖所述关键源区和生态敏感区的初步湖泊缓冲带范围；(iii)用污染物总量控制分析的方法来检验所述初步湖泊缓冲带范围的合理性，检验标准优选为建设缓冲带后污染负荷入湖量不超过湖泊的纳污能力，当污染物负荷入湖量超过湖泊的纳污能力此条件时，对所述初步湖泊缓冲带范围，使其不超过湖泊的纳污能力；(iv)所述初步湖泊缓冲带范围的下边界为湖泊等受纳水体的边缘，上边界的确定比较复杂，除了满足上述(iii)中的范围要求之外，为便于工程的实施和管理，如果缓冲带边界附近有分水线、行政界线、交通要道、大型建筑物、水库大坝等永久性的明显标志，则以这些标志来做为缓冲带界线。

在本发明中，非点源污染是指溶解的和固体的污染物从非特定的地点，在降水(或融雪)冲刷作用下，通过径流过程而汇入受纳水体并引起水体的富营养化或其它形式的污染。

在本发明中，关键源区(CSA：Critical Source Area)的概念为：非点源污染空间差异性非常显著，流域内不同景观单元(即源区)单位面积的污染负荷有很大差别，少数景观单元输出的污染物往往占了整个流域污染负荷的大部分，对受纳水体的质量有着决定性的影响，这些少数景观单元因而成为非点源污染物的关键源区。本发明中，关键源区的最低标准是能以30％的面积输出60％以上的污染负荷，中级标准是能以25％的面积输出75％以上的污染负荷，最高标准是能以10％的面积输出90％以上的污染负荷。

在本发明中，生态敏感区(Ecological sensitive area)是指对区域总体生态环境起决定性作用的生态要素和生态实体，对人类生产、生活活动具有特殊敏感性或具有潜在自然灾害影响，极易受到人为的不当开发活动影响而产生生态负面效应的地区。在本发明中，考虑的生态敏感区包括水环境敏感区，如河流水系、湖泊、湿地及其30m宽度内的水系近岸区；生境敏感区，如自然保护区、珍稀动植物栖息地等；土地环境敏感区，如山地、荒地等自然条件恶劣的地区和沙化土地、易侵蚀土地等容易造成水土流失、土地退化的区域，以及基本农田保护区、防护林带等土地控制区。在本发明中，生态敏感区通过实地调查来确定。

在本发明中，对非点源污染关键源区识别的一般方法进行了改进，使其适合湖泊缓冲带范围的确定，其中所述关键源区识别的方法由常用的输出系数法与磷指数法结合而成，具体是：评价因子的类型、评价体系的构建以及计算方法参照磷指数法，而源因子则用总氮、总磷的输出系数来表示。所述方法基于污染流失风险评价进行，所述污染流失风险评价的评价因子包括源因子和迁移因子两类，所述源因子主要反映各土地利用方式下污染物的输出潜力，包括总氮和总磷的输出系数；所述迁移因子指直接和间接影响养分迁移的因子，包括土壤侵蚀、年径流深和污染源入湖距离，评价指标体系可以参见表2。将两类因子相乘来计算所述污染流失风险评价的值，以保证在污染源和有效的迁移机制同时存在时，污染才会发生，非点源污染流失风险评价值的计算公式见公式(1)。

公式(2)中，入湖系数λ反映了进入湖泊的污染物量占污染物排放量的比例，通过相应地区污染物入湖量与排放量的比值来计算，也可采用相似地区的入湖系数。

公式(2)中，土地利用类型指的是土地利用方式相同的土地资源单元，是根据土地利用的地域差异划分的，是反映土地用途、性质及其分布规律的基本地域单位。本发明中，主要研究的土地利用类型有林地、草地、水域、园地、耕地、城镇用地、住宅用地、未利用地等。

公式(2)中，输出系数是指单位时间内某种土地利用方式下输出的污染物总负荷的标准化估计，单位kg/hm²·a，在很大程度上反映了区域非点源污染输出的强度，输出系数是一种经验统计数据，通用性较差，不同地区同种土地利用类型的输出系数也会有很大差别，一般通过单一土地利用方式下的小流域或田间小区的监测试验确定，当无法采用监测途径时，也可通过查阅当地或相似地区的文献资料确定。

公式(2)中，流域又称集水区域，是指流经其中的水流和其它物质从一个公共的出水口排出从而形成一个集中的排水区域，由于其具有空间特征的完整性和能量流动的准封闭性，经常被看做非点源污染研究的基本单元。流域单元划分可参照《ArcGIS地理信息系统空间分析实验教程》(汤国安)中的第十一章第五节进行操作。

在本发明中，湖泊的纳污能力是指在水域使用功能不受破坏的条件下，受纳污染物的最大数量，它反映了污染物在水体中迁移、转化和积存的规律，也反映了水体在满足特定环境功能条件下对污染物的承受能力。理论上湖泊的纳污能力的计算可参照《水域纳污能力计算规程(GB/T 25173-2010)》(以下简称规程)的第6节，湖(库)纳污能力数学模型计算法。按照规程，要先根据湖泊的污染特性、平均水深、水面面积等特点划分湖泊类型，不同的湖泊类型选择不同的模型进行计算。湖泊类型的具体划分方法和模型计算方法详见规程。

在本发明中，下边界一般为湖泊等受纳水体的边缘，上边界的确定比较复杂，除要满足范围要求外，为便于工程的实施和管理，还应结合研究区的地形、地标、地物特点，充分利用具有永久性的明显标志如分水线、行政界线、交通要道、大型建筑物、水库大坝等标示缓冲带界线。

在本发明中，从流域尺度上来考虑在满足一定目标要求下的湖泊缓冲带的最小范围，由此确定的缓冲带一般为由湖岸线向陆域延伸的宽度不固定的扇形区，缓冲带宽度根据不同区域的特征而变化。

本发明的实施方式参考以下实施例的说明。以下所述的实施例仅仅是对本发明的优选实施方式进行描述，并非对本发明进行限定，在不脱离本发明设计精神的前提下，本领域普通技术人员对本发明的技术方案作出的各种变形和改进，均应落入本发明权利要求书确定的保护范围内。

实施例

运用本发明对太湖竺山湾湖泊的缓冲带范围进行了确定。方法的第一步是是收集所需资料，数据清单见表1。

表1竺山湾湖泊缓冲带范围划定数据清单

然后利用GIS技术，建立竺山湾湖泊缓冲带空间数据库。由于涉及空间形态的多类图层，为了方便对图层的统一管理和综合应用，必须要将所有图层转换到统一的地理坐标系和地图投影中，且所有图层的精度一样。本数据库中的图层格式为.grd和.shp，即栅格类型和矢量类型图，空间数据图层包括：数字高程模型(.grd)、土壤类型图(.shp)、土地利用图(.shp)、水系分布图(.shp)，属性数据包括：日降雨量数据、土壤理化性质数据、社会经济数据(人口、农业耕作方式、施肥方式)。

关键源区评价体系中，源因子评价指标总氮、总磷的输出系数通过查阅研究区相关文献或在当地进行长期实地监测得到。迁移因子各项指标的量化方法：土壤侵蚀量，本例采用修正的土壤侵蚀模型(USLE)计算；年径流深，采用SCS-CN径流曲线法计算；污染源入湖距离，基于水系分布图，用ArcGIS的距离分析和网络分析功能计算得到。

根据各因子的确定方法以及流失风险性等级，在GIS帮助下，将研究区范围内的各因子评价值制成图件，根据污染流失风险性的计算公式，通过GIS的空间分析运算功能将各因子的评价值图件处理叠加，就可得到研究区内的非点源磷流失的风险性大小的数值图。计算得出的最后评价值范围在1.0-16.0之间，风险分级方案：＜4为低风险区，4-8为中风险区，＞8为高风险区，其中“高”风险区即为关键源区。

表2非点源污染氮磷流失风险评价指标体系

注：该评价体系中的权重及分级方案仅是针对太湖竺山湾设定，若要用于其它地区，应考虑进行适当调整。

在本案例中研究区生态敏感区通过实地调查确定，并与当地保护规划文件进行相应结合。

在本案例中，在进行污染物总量控制分析时，根据竺山湾的湖泊类型，选取了较为成熟的二维非稳态水量水质数据模型(模型应用守恒的二维非恒定流浅水方程)，计算得到了竺山湖的水环境容量；运用较为成熟的输出系数法估算了入湖污染负荷。本案例中划定的缓冲带范围符合要求。

下边界：根据竺山湾实际情况，主要以太湖大堤作为下边界，部分无大堤的区域则以太湖最高水位线为准；上边界：根据初步缓冲带的范围，在不影响缓冲带生态和环境保护功能的基础的前提下进行细微调整，尽量利用交通线、山脊线、行政界限、河流等为上边界。根据上述边界的划分原则，结合现场调查情况，得到太湖缓冲带的范围。竺山湾缓冲带是由湖岸线向陆域延伸的宽度不一的扇形区，面积约31.24km²，宽度在800-2000m之间。最后确定的湖泊缓冲带范围在边界上有少量调整，大体范围与非点源污染关键源区和生态敏感区相符。

Claims (8)

1.一种划定湖泊缓冲带范围的方法，其特征在于，包括如下步骤：(i)先识别流域内的关键源区和生态敏感区；(ii)划定一个覆盖所述关键源区和生态敏感区的初步湖泊缓冲带范围；(iii)用污染物总量控制分析的方法来调整所述初步湖泊缓冲带范围；(iv)结合所述初步湖泊缓冲带范围的地形、地标、地物特点确定湖泊缓冲带范围的上、下边界。

2.根据权利要求1所述的划定湖泊缓冲带范围的方法，其特征在于，步骤(i)中识别所述关键源区基于污染流失风险评价进行，所述污染流失风险评价的评价因子包括源因子和迁移因子，所述源因子包括总氮输出系数和总磷输出系数，所述迁移因子包括土壤侵蚀、年径流深和污染源入湖距离，非点源的污染流失风险评价的值通过如下的计算公式进行量化：

R＝∑(Vsx·Wsx)×∑(Vty·Wty) 公式(1)

式中：R为非点源污染流失风险评价的值；sx为第x(x＝1，2)个源因子；ty为第y(y＝1，2，3)个迁移因子；V为各因子的风险等级分值，分值的确定应能保证风险评价值R的可识别性，取值可参照表1；W为各因子权重，根据专家打分法进行确定，各个因子对污染流失风险的影响越大，权重越大，取值可参照表1。

表1非点源污染氮磷流失风险评价指标体系

注：该评价体系中的权重及分级方案仅是针对太湖竺山湾设定，若要用于其它地区，应考虑进行适当调整。

3.根据权利要求2所述的划定湖泊缓冲带范围的方法，其特征在于，按如下风险分级方案识别关键源区：R＜a为低风险区，R在a和b之间为中风险区，R＞b为高风险区，其中所述高风险区即为关键源区，其中a是低风险区阈值，b是高风险区阈值，两者的取值与风险等级分值V有关，在实施例中，a＝4，b＝8。

4.根据权利要求1所述的划定湖泊缓冲带范围的方法，其特征在于，在步骤(iii)中检验所述初步湖泊缓冲带范围的合理性的标准是建设所述初步湖泊缓冲带后，污染负荷入湖量不超过湖泊的纳污能力，具体方法是：获得建设所述湖泊缓冲带后的污染负荷入湖量和湖泊纳污能力，i)如果所述污染负荷入湖量小于湖泊纳污能力上限并大于湖泊纳污能力下限，则所述湖泊缓冲带的范围是合理的；ii)如果所述污染负荷入湖量大于湖泊纳污能力上限，则增大所述湖泊缓冲带的范围，使所述污染负荷入湖量符合上述第i)项；如果所述污染负荷入湖量小于湖泊纳污能力下限，则缩小所述湖泊缓冲带的范围，使所述污染负荷入湖量符合上述第i)项。

5.根据权利要求4所述的划定湖泊缓冲带范围的方法，其特征在于检验初步湖泊缓冲带范围的合理性时，湖泊的纳污能力采用的是一个范围，范围的上限即湖泊纳污能力值，将此值向下进行一定的浮动得到该范围的下限，浮动方案为：最优选浮动5％，优选浮动10％，浮动15％。

6.根据权利要求3中所述的划定湖泊缓冲带范围的方法，其特征在于，其中所述污染负荷入湖量用基于流域单元的非点源的污染负荷估算方法进行计算，所述基于流域单元的非点源的污染负荷估算方法根据单位面积不同土地利用类型的污染负荷输出系数与入湖系数来估算所述污染负荷入湖量，计算公式为：

式中：P为污染负荷入湖量；λ_ij为流域内第i个流域单元内第j种土地利用类型的入湖系数；A_ij为流域内第i个流域单元内第j种土地利用类型的面积；I_ij为流域内第i流域单元内第j种土地利用类型的污染物输出系数。

7.湖泊的纳污能力的计算方法参照《水域纳污能力计算规程(GB/T 25173-2010)》，规程中不同类型的湖泊采用了不同的数学模型计算水域纳污能力，湖泊类型根据其枯水期的平均水深和水面面积划分：

a)平均水深不小于10m：水面面积大于25km²的为大型湖库；水面面积在2.5～25km²的为中型湖库；水面面积小于2.5km²的为小型湖库

b)平均水深小于10m：大于50km²的为大型；在5～50km²的为中型；小于5km²的为小型

1)小型湖泊适合采用均匀混合模型计算水域纳污能力，计算公式如下：

a)污染物平均浓度按式(1)计算：

m₀＝C₀Q_L 公式(5)

式中：K污染物综合衰减系数，单位为负一次方秒(1/s)；K_h——中间变量，单位为负一次方秒(1/s)；C_h——湖(库)现状污染物浓度，单位为毫克每升(mg/L)；m——污染物入湖速率，单位为克每秒(g/s)；m₀——湖(库)入流污染物排放速率，单位为克每秒(g/s)；V——设计水文条件下的湖(库)容积，单位为立方米(m³)；Q_L——湖(库)出流量，单位为立方米每秒(m³/s)；t——计算时段长，单位为秒(s)；C(t)——计算时段t内的污染物浓度，单位为毫克每升(mg/L)；

b)当流入和流出湖库的水量平衡时，小型湖库的水域纳污能力按下式计算：

M＝(C_s-C₀)V 公式(6)

式中：M——水域纳污能力，单位为克每秒(g/s)；C_s——水质目标浓度值，单位为毫克每升(mg/L).其余符号意义同前

2)大中型湖库适合采用非均匀混合模型计算水域纳污能力，计算公式如下：

式中：Φ——扩散角，由排放口附近地形决定，排放口在开阔的岸边垂直排放时，Φ＝π；湖库中排放时，Φ＝2π；h_L——扩散区湖库平均水深，单位为米(m)；r——计算水域外边界到入河排污口的距离，单位为米(m)；Q_p——废污水排放流量，单位为立方米每秒(m³/s)；其余符号意义同前

水功能区水质目标浓度C_s值，应根据水功能区的水质目标、水质状况、排污状况和当地技术经济等条件确定；初始断面污染物浓度C₀值，应根据上一个水功能区的水质目标浓度值C_s确定

综合衰减系数K，可采用分析借用法：将计算水域以往工作和研究中的有关资料，经过分析检验后可以采用，无计算水域的资料时，可借用水力特性、污染状况及地理、气候条件相似的邻近水域的资料；实测法：选取一个入河排污口，在距入河排污口一定距离处分别布设2个采样点(近距离处A点，远距离处B点)，监测污水排放流量和污染物浓度值，按下式计算K值：

式中：r_A、r_B——分别为远近两侧点距排放点的距离，单位为米(m)；C_A——上段面污染物浓度，单位为毫克每升(mg/L)；C_B——下断面污染物浓度，单位为毫克每升(mg/L)；H——湖库平均水深，单位为米(m)；其余符号意义同前 。

8.根据权利要求1所述的划定湖泊缓冲带范围方法，其特征在于，其中在步骤(iv)中缓冲带上、下边界的确定方法为：所述下边界是湖泊大提，无大堤的区域则以最高水位线为准；所述上边界尽量选择距缓冲带边界50m范围内的分水线、行政界线、交通要道、大型建筑物、水库大坝等永久性明显标志，若无此类标志则以原边界为准。