水质保护区研究

运用基于GIS的水质保护区分析为河岸带景观 规划提供科学依据

象伟宁　周玉红

【摘要】在美国，沿河流或湖岸建立和维护水质保护区是一种公认的最佳环境管理措施(Best Management Practice，BMP)。这些由各种植被覆盖的缓冲区域能起到沉淀池、过滤器和转换器的作用，从而使被污染的径流在进入地表水之前被延迟、吸收或净化。这类缓冲区对非点源污染的控制效率已被广泛承认。本文中的案例研究主要是利用地理信息系统(GIS)技术对美国北卡来罗那州的流域体系进行水质保护区分析，以辅助景观规划者的决策和规划工作。基于可获得的GIS数据集，通过建立和实施经过科学实验的模型，本研究完成了一系列传统方法很难完成的任务，具体包括:(1)计算和绘制变化的水质保护区;(2)识别需要保护但还未得到保护的区域(如在目前规定的水质保护区之外，但在所计算的缓冲区范围内的区域);(3)估计获取需保护但还未保护的土地成本。分析结果已被决策制定者所接受，同时，也增进了他们对所面临的景观规划问题的知识与经验。

【关键词】水质保护区的描述与绘制　GIS　流域景观规划

1.概　　述

山岛湖流域(Mountain Island LakeWatershed)位于美国北卡来罗那州西南部的皮德蒙特区域(Piedmont region)，距离北卡来罗那州最大的城市夏洛特(Charlotte)的西北部约有28公里(图1)。这一面积为178.9平方公里的流域是Charlotte、Gastonia和Mount Holly等城市的主要水源地，为超过60万的总人口提供饮水保障(Xiang，1993a)。流域百分之八十以上的区域位于北卡来罗那州Mecklenburg县的县域范围内。1993年，Mecklenburg县级行政机构制定和执行流域保护规划，规划规定强制建立和维护沿湖岸、河岸的水质保护区(也称植被缓冲带)(Charlotte/Mecklenburg Planning Commission，1993a;Charlotte/Mecklenburg Planning Commission，1993b)。1994年，该县级行政委员会要求县环境保护部门调查拓宽水质保护区的潜在需求与实施的可能性(Mecklenburg County Board of Commissioners，1994)，县环保部门则以合同形式委托本人进行具体的科学研究。此研究项目为期6个月，已于1995年2月顺利完成(Xiang，1995a;Xiang，1995b)。本文将着重讨论研究所涉及的主要方法和研究结果。

此研究的目标和任务旨在解决县级行政委员会提出的几个问题:

图1　北卡来罗那州Mecklenburg县山岛湖流域的地理位置

1)以科学的方法所确定的缓冲带宽度(即科学计算的宽度)应该是多少?考虑全流域不同地段的自然、生态和人文土地利用条件的空间变化，有效缓冲带的必要宽度又应该是多少?

2)目前县级规章所指定的缓冲带宽度(即政策规定的宽度)是否足够?比较政策规定的宽度和科学计算的宽度，流域是否存在需要保护但还未得到保护的区域(以下称调节不足的区域)?也就是说，是否有那些位于现存的水质保护区之外、且在必要保护区之内的非调节区域?

3)获得土地的成本是多少?如果存在调节不足的区域，要取得这些区域的土地估计需要投入多少成本?

回答以上问题并非易事。首先，无法为以上问题找到简单的答案。科学计算宽度及其与政策规定宽度的差值常随着自然、生态和人文土地利用条件的空间变化而变化(Phillips，1989;Xiang，1993a)。不同空间位置的地块其土地价格有所差异，同时，房地产市场地价又会随时间(按月或年)波动。因此从分析的角度看，以上问题都不能用一个简单的数值(如平均值、最大值、或最小值)来回答，尽管从政治的角度，决策者更愿意以一个简单的数字作为答案。其次，没有简单的方法来获得合理的答案。一方面，现有的科学模型虽然可用来计算宽度变化的缓冲区，但是常常不适合于数据量大、计算复杂的情况(如需要了解各模型的具体细节，请参考Budd等，1987;North Carolina Department of Environment，Health and Natural Resources，1991;Xiang，1993a; Barling and Moore，1994)。另一方面，基于矢量数据的、用于绘制变化缓冲区的模型常产生不准确的结果(Xiang and Stratton，1996)。此外，地理数据集因其数据格式、比例尺、时间框架的差异而又不符合分析的可用性要求。

本研究使用基于地理信息系统(GIS)的分析方法，从而避免了计算、数据库集成和管理的技术负担以及保护区制图的不准确性等问题。把经过科学检验的水质保护区定界模型和可变保护区生成模型集成到GIS的框架中，我们可以根据流域范围内的不同自然、生态和人文土地利用条件来确定和绘制变化的缓冲区。GIS对空间数据的集成和管理能力，可以帮助我们探测政策规定的缓冲带和科学计算的缓冲带之间的差异，在此基础上，进一步估计土地获取的成本。研究结果也证明，GIS可作为有效和高效率的工具辅助景观或环境规划决策。

2.水质保护区定界模型和可变保护区生成模型

本研究主要使用由Xiang(1993a)、Xiang与Stratton(1996)修改的两个模型——水质保护区定界模型和生成模型，在GIS中计算和绘制宽度可变的水质保护区。

2.1　确定水质保护区界限的模型

用于确定水质保护区界限的模型是基于缓冲效率的污染物滞留时间公式而建立的(Phillips，1989;Xiang，1993a)。植被缓冲带的效率是其延迟、吸收或净化径流污染物能力的函数(图2)(有关水质保护区及其函数，请参考Palfrey和Bradley，1982; Lowrance等，1984;Buddetal，1987;Flanagan等，1989;Welsch，1991;Barling和Moore，1994)。因此，我们可通过污染物在缓冲带内的滞留时间来量测缓冲带的效率。径流在缓冲带中停留的时间越长，缓冲带对污染物的去除效率就越高。基于以上假设，通过比较建议缓冲区和用户定义的参考缓冲区各自所能阻挡径流污染物的能力，本研究建立一可变水质保护区的定界模型，用于计算所建议的植被缓冲带的必要宽度。参考缓冲区是指其污染物去除效率可与那些主要加次要污水处理过程相比较的有效缓冲区(Phillips，1989;Xiang，1993a)。比较是基于一系列条件而非具体事件的绝对滞留时间而进行的(Phillips，1989;Xiang，1993a)。更具体地说，植被缓冲区的必要宽度L_b由以下公式计算而来。

图2　植被缓冲带起到过滤径流所携污染物的作用

L_b=(L_r)［(B_b/B_r)(n_r/n_b)^0.6(K_r/K_b)^0.4(s_r/s_b)^－0.7(C_r/C_b)］^0.5　　(1)

其中，下标b和r分别表示某一地块的建议缓冲区和参考缓冲区。B_b/B_r是两个缓冲区效率的比率;n是曼宁粗糙系数;L是缓冲区宽度(英尺或米);K是饱和水力传导度(英寸/小时或厘米/小时)，等同于美国土壤调查局定义的渗透性;s指坡度(%);C是土壤蓄水能力(英寸或厘米)，由有效水容量乘以含水层或季节性高水位以上的纵断面厚度而得到。三个参数都由美国土壤调查局给定。

假设p表示缓冲区效率比，即

B_b/B_r=p　　(2)

把公式(2)带入公式(1)中，并用L_p代替L_b，公式(1)就变成:

L_p=p^0.5L_r［(n_r/n_b)^0.6(K_r/K_b)^0.4(s_r/s_b)^－0.7(C_r/C_b)］^0.5　　(3)

其中，L_p是保证缓冲区达到缓冲区效率比p的必要宽度值。

公式(3)被称为缓冲区宽度模型(Xiang，1993a)。根据此模型，一旦参考缓冲区的植被选定，我们可以由指定的缓冲区效率比以及土壤水文特性、土地覆盖类型和地形，确定一个适宜的缓冲区宽度。缓冲区效率比p很容易被解释。p值小于1表示被评价的建议缓冲区比参考缓冲区的效率要低;相反，p值大于1意味着被评价的缓冲区的效率高于参考缓冲区的效率。计算得到的必要缓冲区宽度值L_p将作为缓冲区生成模型的输入值。接下来我们将介绍水质保护区生成模型以绘制缓冲区。

2.2　可变水质保护区绘制模型

缓冲区效率实现函数是可变水质保护区绘制模型的核心，它基于栅格尺度的自然、生态和人文土地利用条件的空间差异，指导和控制水质保护区的生成过程。该函数是根据“栅格环境下的可变缓冲区制图可被当做边界栅格分配问题来处理”这一概念而定义的(Xiang and Stratton，1996)。

假设有一栅格数据库存储了水系和土地地块等空间数据，其中P_i是土地地块数据集，i=1，2，3，…，m;p_ij是地块P_i的第j个栅格，j=1，2，3，…，n;P₀表示一水系段;p₀₀是表示水系边界的栅格;r是栅格的分辨率(m);B_Wi是为达到一合适的缓冲区效率比p的地块P_i的缓冲区宽度值(米)(有关p的讨论可参见文献Xiang(1993a)，在该文献中B_Wi是用B_W1表示的);B_W1是为达到一合适的缓冲区效率比p的地块P₁(即邻接地块)的缓冲区宽度。可变缓冲区制图可描述为边界栅格分配问题。

对每段水系栅格p₀₀，如何分配水系段两侧的地块栅格p^*_μν(1≤μ≤m，1≤ν≤n)，使生成的缓冲段B_μν(B_μν以p₀₀和p^*_μν为栅格集的上下边界，与水系段垂直)在功能上与定义的B_W1有相同的效率，能达到同样的缓冲区效率比。

因此，在栅格数据集基础上绘制可变缓冲区，可简化为给水系段两侧分配行边界栅格。(根据Xiang and Stratton，1996)，该操作可以准确、方便地由缓冲区效率实现函数来处理(以下简称b函数)。

b函数实质上是一距离权重函数，它基于缓冲区边界栅格对缓冲区效率的累计贡献值来为这些栅格分配适当的数值。

更具体地说，我们将在如图3(a)和图3(b)所示的水系和土地地块栅格数据库中定义以下参数。

1.c_i是地块P_i的单元贡献指数，用来表示单位距离单位(米)的P_i对实现缓冲区效率比p的贡献大小。例如，带宽为B_Wi米的缓冲区对实现缓冲区效率比p的总贡献值是100%，因此每一米缓冲区的贡献份额为1/B_Wi，如下式所示:

图3　(a)栅格形式的水系和土地地块边界(b)栅格形式的水系和土地地块(其中:粗线为水系和土地地块边界;细线为栅格边界)

2.υ_ij是地块P_i的栅格贡献指数，表示栅格p_ij对实现缓冲区效率p的贡献率。当给定单元贡献指数c_i时，υ_ij可以通过c_i与栅格分辨率r相乘而得到，即:

υ_ij=c_ir　　υ_ij∈［0，1］　　当径流在p_ij的路径平行于栅格的边　　(5)

υ_ij=　　υ_ij∈　　［0，1］当径流在p_ij的路径是栅格的对角线　　(6)

b函数是一缓冲区段B_mn所有栅格贡献指数值的线性累加，其中缓冲区段B_mn是垂直于水系段(不一定是水系栅格)，且以水系栅格p₀₀和土地地块栅格p_mn为边界的栅格区域。

对B_mn中的任何单个栅格p_μν(1≤μ≤m，1≤ν≤n)，公式(7)可用下面的公式表达:

在公式(8)中，V_μν是栅格p_μν的缓冲区效率实现值(以下称为b值)。它代表缓冲区段B_mn内所有栅格缓冲区效率贡献值的累计(包括栅格p_μν)。

b函数有两个重要特性。第一，当我们合计从p₀₀到p_mn各栅格的贡献值时，随着更多的栅格值被累加，b函数的计算值将单调递增，其取值范围是［0，+∞］(关于单调函数的更多信息，请参见Skrapek等，1976，pp.243-244)。因此，对每个栅格集范围是从p₀₀到p_mn的缓冲区段而言，只要V_mn≥1，则有且仅有一个土地地块栅格p_μν(1≤μ≤m，1≤ν≤n)使V_μν的值为1。b函数的第二个特性是，V_μν的b函数值等于1，是缓冲区段B_mn在功能上可与当前地块P₁的理论缓冲区B_W1相等同的充分必要条件，即当且仅当缓冲区段B_mn的边界栅格p_μν的b函数满足V_μν=1时，B_mn与B_W1有相同的缓冲区效率。以上特性保证了b函数可为上述的边界栅格分配问题提供一个简单而准确的解决方案:当且仅当土地地块栅格p_μν的b函数满足V_μν=1时，该栅格成为必要缓冲区边界栅格p^*_μν(Xiang and Stratton，1996)。

2.3　有关模型使用的经验

自1993年以来，可变水质保护区宽度模型和生成模型(公式(3)、公式(7)和公式(8))已被成功应用于北卡来罗那州的多个流域(Xiang，1993a，Xiang，1993b; Xiang and Stratton，1993a;Xiang and Stratton，1996)。该建模方法也为其他国家和地区的环境学家和GIS专业人员所关注和应用到相关领域(Xiang and Stratton，1996)。另外，本人在北卡来罗那州立大学夏洛特分校(the University of North Carolina at Charlotte)教授“高级GIS技术”这一课程时，以上模型也被作为课程的基本练习之一(Xiang，1995c)。已有的模型使用经验可证明这两个模型具有有效的、高效率和用户友好的优点。

3.GIS方法

图4　对北卡来罗那州Mecklenburg县山岛湖流域进行基于GIS的水质保护区分析的工作流程

为回答Mecklenburg县级行政机构所提出的相关问题，我们设计了一个分析框架(如图4所示)。该框架由三个部分组成，以下我们将分别介绍每个分析步骤的相关细节。值得说明的是，我们主要使用Arc/INFO(Environmental Systems Research Institute，1989)这一GIS软件来实现整个分析过程，因此下述讨论的有关GIS函数的术语都仅为Arc/INFO所使用。其他各种GIS软件或系统往往可提供相似的功能过程或函数，只是其过程或函数的名称不同。

3.1　可变水质保护区的计算和制图

为了建立所谓“以科学的方法确定缓冲区”的基准，我们设计了一个基于上述模型(水质保护区定界和生成模型)的四步GIS操作流程(图5)，以计算和绘制可变水质保护区。

图5　可变水质保护区计算和制图的GIS流程

该流程的第一步是建立用于流域缓冲区建模的GIS数据库。该数据库将包含从美国地质调查局提供的1∶24 000地形图上提取的地形和水文信息，以及从北卡来罗那州Mecklenburg县土壤调查获得的土壤数据(Soil Conservation Service，1980)。饱和水力传导度(K_b)，等同于表层渗透性(Phillips，1989)，直接通过土壤调查获得(Soil Conservation Service，1980，pp.91-92)。土壤调查还可提供用于计算土壤蓄水能力(C_b)的信息，如水容量、土壤剖面的水平厚度和深度等信息。土地利用和土地覆盖数据层则是从Mecklenburg县工程部提供的1992年航空照片上所提取的。这些数据的比例尺大约为1∶12 000。

第二步，需要创建一合并图层以包含所有缓冲区宽度模型(公式(3))所需的属性C_b，K_b，n_b和s_b，以便计算缓冲区宽度。该操作由GIS的叠加功能来实现。把两个图层与第三个图层叠加，则合并后的第三个图层将包括前两个图层的所有数据。

第三步，使用GIS功能来实现缓冲区生成模型，主要是计算每个地块的缓冲区宽度。与参考缓冲区和p有关的参数是常量，并被直接用于计算公式(3)中。参考缓冲区(如表1所示;fromXiang，1993a，p.64)是指其污染物去除效率可与那些主要加次要污水处理过程相比较的有效缓冲区(Phillips，1989;Xiang，1993a)。因此，设p值为1，L_p=1的结果值代表功能上等同于参考缓冲区的有效缓冲区(Phillips，1989; Xiang，1993a)。L_p=1的结果值被保存于合并后的数据层，每个值与一土地区域内的水系或湖岸线段相关。

表1　参考缓冲区的参数

第四步，把合并的矢量数据转换为栅格格式，再采用由Xiang和Stratton开发的GIS过程实施可变缓冲区生成模型，根据土地面积的L_p=1值，绘制可变水质保护区，其结果被存储为GIS栅格层‘des-buf1’。

3.2　识别不足调节区域

以下标准(表2)用于识别完全调节区域和不足调节区域(区域如图6所示)。基于这些标准，我们采取三步骤法来辨别不足调节区域。第一步，准备县级有关部门规定的缓冲区边界图层，命名为‘regs’(Charlotte/Mecklenburg Planning Commission，1993a; Charlotte/Mecklenburg Planning Commission，1993b)。第二步，将表示必要缓冲区边界的栅格层‘des-buf1’转换为矢量格式，命名为‘des-buf2’。第三步，叠加‘regs’和‘des-buf2’数据层，计算两缓冲区的宽度差异，并存储为新图层‘discrep’。该图层记录了政策规定的缓冲区宽度下的完全调节区域和不足调节区域，包括其在流域中的位置、地理边界和规模大小。

表2　识别完全或不足调节区域的标准

图6　完全调节区域和调节不足区域的图示

3.3　估计土地获得成本

获得不足调节区域的土地成本的计算过程分两步走。第一步，通过叠加‘discrep’图层和流域范围内的税收地块数据层，得到不足调节区域的税收地块。第二步，把平均单位土地价值(美元/平方公里)乘以税收地块的面积，得到估计的土地获得成本。根据Mecklenburg县税收部门提供的税收数据和基于1991年的估定地价，我们还进一步补充和调整了税收地块的有关信息(一个更新的税收评估过程正在进行中，但在本研究项目结束之前我们并未取得和使用最新的评估结果)。

4.分析结果

以上的分析已经充分地回答了县级行政部门提出的三个问题(参见概述部分)。

1)科学计算的缓冲带宽度的值应该是多少?必要缓冲区宽度是可变的。随着坡度、土壤特征和土地地表条件的变化，必要缓冲区宽度值在最小值7.9米(26英尺)和最大值176米(580英尺)之间变化。

2)政策规定的缓冲带宽度是否足够?基于表2中所列的标准，63.09%(5.87平方公里或1451英亩)符合条件的保护区域(对应于沿湖岸和河岸两侧将近91米或200英尺的缓冲带，总面积为9.31平方公里或2300英亩)是完全调节区域。该区域包括位于必要缓冲区之外、100年一遇洪水水位边界之内的，面积为0.85平方公里(210英亩)的区域。然而，36.91%(3.44平方公里或849英亩)的区域是需要保护而未得到保护的。这些区域的地理位置、边界和规模大小信息被存储于GIS数据层‘discrep’中。

3)获得土地的成本是多少?根据1991年估定地价，要获得位于不足调节区域范围内、所有权不归Mecklenburg县或Charlotte市政府所有的土地，所需的总成本估计在3千万美元(土地单价为1.25千万美元/平方公里，或5万美元/英亩)到5.2千万美元/英亩(土地单价为1.85千万美元/平方公里，或7.3957万美元/英亩)之间。

当我们把分析结果提交给县行政委员会后，委员们相信山岛湖流域有更多的土地需要保护。然而，他们也顾虑高额的估计土地获取成本，并想进一步知道是否存在可能的解决方案，以保证在保护水平不变的前提下(Charlotte Observer，2 February 1995; Charlotte Observer，3 February，1995)，降低土地获取成本。该决策问题将留待今后进一步地研究。

5.GIS方法用于解决‘what-if’分析问题的潜力

本文中所采取的GIS方法的最大优点就是其灵活性(图4)。此灵活性来自缓冲区宽度模型本身(公式(3))。正如2.1节所指出的，参考缓冲区、缓冲区效率比(p)、坡度(s_b)和所建议的缓冲区(n_b)的土地覆盖类型或地表条件。我们能很容易修改模型中的变量以适应真实世界的各种情况(Xiang，1993a)。缓冲区宽度模型(公式(3))、缓冲区生成模型(公式(7)和公式(8))与GIS的集成为该方法提供了更大的灵活性。GIS技术有助于实现数据处理和计算过程的自动化，并能有效地绘制、显示和表达分析结果。我们可以以一种交互式和动态的方式实现GIS分析，以回答公众和政府官员可能提出的‘what-if’问题。以下所列为最可能的‘what-if’问题，但实际中出现的问题并不局限于此。

1)如果缓冲区效率比(p)从1提升到1.5，科学计算的缓冲带宽度应该是多少?流域中有多少比例的符合条件的缓冲区域是调节不足的?对应的土地获取成本是多少?

2)如果缓冲区效率比(p)从1降低到0.9，结果又会如何?

3)如果考虑符合规划分区要求的未来发展建设方案，结果又将如何?

第一个和第二个问题可以简单地通过修改参数而解决，具体地，在缓冲区宽度计算公式中用p=1.5(问题1)和p=0.9(问题2)代替p=1。为了回答第三个问题，首先应创建代表未来土地使用方案的GIS数据层，再使用不同的n_b值计算必要缓冲区宽度。所有的设想方案可以用地图表达，并提交给公众和政府官员进行评价和决策。

6.结　　论

Bob Twiss(当时是加利福尼亚大学伯克利分校景观建筑系的教授)在其20年前出版的一本书中曾指出把“环境信息纳入地方规划、州级规划和区域规划”策略的重要性(Twiss，1975，p.235)。然而，当时他对定量模型在这一策略实现过程中所扮演的角色仍持怀疑态度，并提到，“然而，我还未发现任何持续使用建模方法作为决策参考点的案例”(Twiss，1975，p.235)。

近年来有许多研究已经把建模方法与景观、环境规划决策相结合，本文的案例研究就是其中之一(例如Fabos，1988;Hendrix et al.，1988;Lange，1994;Orland，1994; Bishop and Hulse，1994;Gimblett等，1994)。本研究仔细地设计了一系列分析模型，模型使用一般可获得的数据集，并在GIS环境中被成功地实现。建模分析结果大大提升了决策者对其所面临的景观规划问题的认识。建模质量的改进很大程度上归因于我们对自然和人文景观的更多更深刻的认识，也取决于相关工具集的不断扩展和进步(Fabos，1988;Hendrix等，1988;Ball，1994;Bishop，1994;Gimblett等，1994)。本文所报告的工具是基于GIS的方法和支持性的模型，它们可潜在地被转用到其他区域的流域。

在山岛湖流域建立和维护水质保护区只是平衡性水域管理的第一步。还有更多的研究工作有待完成，而在保护区之外规划和设计多用途的绿色走廊是今后的重要任务之一。

致　　谢

在此我想对许多人表达我的由衷感谢，他们包括:Ken Rutherford，Holly Barcus，Bart Killpack，Gary Addington，Paul Smith，WayneWalcott and Becky Guy(以上都是北卡来罗那州立大学夏洛特分校的教师);Don Willard，Dave Canaan，Linda Beverly，Bob Bounty，Sid Covington，BarbaraWiggins，Libby Clapp，TomCash，KurtOlmsted and Andy Goretti(北卡来罗那州Charlotte/Mecklenburg政府的工作人员)。没有这些人的帮助，本研究也无法顺利完成。

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