1 引言
湖泊流域是維系人類文明的重要淡水生境，主要由入湖河流、湖體和集水區內陸地生態系統組成，多重的棲息地環境為人類的生存和發展提供了淡水、礦產等豐富的資源，同時是流域物種多樣性、氣候調節、水土保持和污染控制的根本保證.我國湖泊總面積約 1200×104 hm2，占國土面積 0.8%，湖泊水質直接影響著我國整體水質狀況，隨著社會經濟的飛速發展，城市化進程加快、工農業以及生活廢水隨意排放，致使湖泊水體遭受嚴重污染(孟平和馬濤，2015).有效解決流域水環境和水質量的關鍵是要建立完整穩定的水生態系統，提高河道自身的凈化能力(高永年和高俊峰，2010)，對不同的生態環境問題提出不同的相應解決對策，而水生態系統結構是水生態系統完整性的基礎，也是區分不同區域生境特征與功能差異的重要指標，因此選用水生態系統結構特征指標作為湖泊流域水生態功能三級分區指標，可以更加準確精細地區分流域不同區域的特征，便于更有效的管理.
水生態功能分區就是基于水生態系統的區域差異，以流域內不同尺度的水生態系統及其影響因素為研究對象，是流域水質目標管理的空間單元，是確定流域水環境基準、標準和總量控制及評價的基礎(孫然好等，2013;王儉等，2013;馬溪平等，2010)，也是實現流域水環境“分區、分類、分級、分期”管理目標的基礎(孟偉等，2011).其最早由加拿大森林學家Orie Loucks在1962年提出，即具有相似生態系統或期待發揮相似生態功能的陸地及水域(Marshall et al., 1987).1980年代中期，美國環境保護署(USEPA)確立，水生態區就是具有相對同質的淡水生態系統或生物體，及其與環境相關的土地單元.基于土壤、自然植被、地形和土地利用4個區域性特征指標，對水生態區進行了區劃(Omernik，1987)，以指導流域管理.隨后世界各國根據本國國情逐漸開展淡水生態分區，例如：2000年歐盟水框架指令(WFD)首次發布了與管理政策相關的歐洲水生態區總體方案;2001年Unmack提出了澳大利亞“淡水魚類生態地理省區劃”(Unmack，2001)等等.
我國對水生態功能分區的研究，以孟偉等提出建立我國水生態分區體系為起點，對水生態類型和分區理論和方法，進行了一系列的研究和實踐(孟偉等， 2007，2013).2008年啟動的有關流域水生態功能分區的研究課題，是“國家水體污染控制與治理科技重大專項”中的重要內容，并取得了初步的成果，為今后進一步研究綜合流域管理奠定了基礎.
目前流域水生態功能分區的研究，主要集中在以區分自然因素與人類活動為目的的大中尺度分區.這些工作主要集中在遼河(孟偉等，2007;李法云等，2012;劉素平，2011)、海河(孫然好等，2013)、太子河(張楠等，2013)以及太湖(高永年和高俊峰，2010)等流域，建立的分區指標主要是反映水生態系統的自然背景空間異質性，如地貌、氣候、植被、水文、土地利用等因子，這些工作為國家流域的水生態功能分區研究奠定了基礎，同時為流域的管理提供了技術框架與指導.隨著國家對水系管理的深化和細化，需要對各流域內不同區域的水生態系統特征和功能進行識別、區分，對不同功能區進行分類，為制定流域生態系統管理目標，提供基礎技術支持.
對于以區分水生態系統結構和功能特征差異為目的的分區研究，有研究者針對遼河流域進行了研究和實踐(劉素平，2011;龔磊等，2012;萬峻等，2013)，研究基于水體生態過程特征如水生生物種群結構、水生生境特征等建立了分區指標體系(劉素平，2011).對于該尺度的湖泊流域水生態功能分區，有高永年等(高永年等，2012)在太湖流域進行了研究和實踐.研究以太湖流域為對象，針對流域水生態系統的層次結構特征和管理需求，以體現太湖流域水生態功能空間差異的目的進行了三級分區，雖然分區指標考慮到了太湖流域特點以及水生態系統結構特征，如葉綠素含量、底棲動物多樣性指數、水生境類別、水體流速等，但只是部分反映了湖泊水生態系統結構特征，缺少基本的河道特征、化學指標等.而且分區指標中，生物指標占比重偏大，對于污染程度較高，水生態系統破壞較高的湖泊，不具有適用性.因此，對于高原淺水且生態系統退化比較嚴重的湖泊，如滇池，需要針對該類湖泊流域特征，研究其水生態功能三級分區指標體系，并通過具體實踐校驗其方法的科學性與可行性.
因此，本文擬以滇池流域為例，在前期一二級分區基礎上(高喆等，2015)，研究滇池湖泊流域的水生態功能三級分區理論和方法，為占我國湖泊面積1.3%(于洋等，2010)的高原湖泊水生態管理，提供技術支持.
2 滇池流域概況與一二級分區結果
滇池流域位于云貴高原中部，為南北長、東西窄的湖盆地，地處長江、紅河、珠江三大水系分水嶺地帶，西有橫斷山脈，東臨滇東高原，北臨烏蒙山、梁王山，介于北緯24°29′～25°28′，東經102°29′～103°01′之間，總面積為2920 km2.滇池屬于長江流域金沙江水系，為斷陷構造湖泊，湖面面積約為300 km2，是云貴高原湖面最大的淡水湖泊.入滇池水系有12個，主要入湖河流29條，呈向心狀流入滇池，只有西園隧道一個出水口，是典型高原湖泊.滇池自1996 年修建了船閘后就被分割為既相互聯系，又幾乎互不交換的草海、外海兩部分.
在本研究組的前期工作中(高喆等，2015)，滇池流域已劃分為5個一級與10個二級水生態功能區(圖 1).一級功能區，主要表示了流域不同區域的自然地理差異，從氣象、水文、地形、土壤植被4個方面來考慮區劃指標的選擇，選取多年年均降水量、多年年均干燥度、高程、坡度、土壤類型、植被覆蓋指數(NDVI)、河網密度、湖庫率作為一級分區的備選指標.對備選指標進行相關性分析和空間異質性分析，最終確定滇池流域水生態功能一級分區指標，即平均高程、湖庫率、植被覆蓋指數(NDVI).二級功能區在自然因素差異的基礎上，主要表述了人類干擾活動差異，考慮土地利用方式和社會經濟條件，反映人類活動的影響，選取農田百分比、農村城市建設用地百分比、人口密度、單位土地GDP作為二級分區的備選指標.對備選指標進行相關性分析和空間異質性分析，最終確定滇池流域水生態功能二級分區指標為農田百分比、農村城市建設用地百分比、人口密度.一、二級水生態功能分區是大、中尺度范圍的分區(唐濤和蔡慶華，2010)，主要從驅動因子考慮;三級功能區則是更精細化的較小尺度分區，主要從水生態系統結構的表征因子出發，區分不同區域間的生境差異.滇池流域水生態功能一級到三級的分區定位從生態區到生態亞區再到生態子區，區域范圍逐漸縮小，區域功能更加具體明晰，特別是二級分區到三級分區完成了分區因子從單純的陸域驅動因素到水體表征因素的過渡，實現了分區水陸完整性的綜合考量，便于更精細化地管理.
?圖1 滇池流域水生態功能一級與二級分區圖
3 數據與方法
3.1 分區目的與原則
水生態功能分區的基本目的是揭示流域水生態系統的層次結構與空間特征差異，為水生態系統差別化管理和水質目標管理提供支撐，進而為實現流域水生態健康服務(高永年等，2012).滇池流域水生態功能三級分區，以反映流域水生態系統功能空間差異性為目的，通過水生態系統的結構差異性反應其功能的差異性.三級分區在二級分區的基礎上進行進一步細化，同時考慮到陸地與水體生態系統結構特征的差異性，對滇池流域陸域與湖體分別進行分區，并以水生態系統結構的完整性為基礎.
因此，滇池流域水生態功能三級分區主要應遵循以下原則：
(1)分區基本單元細化到支流;
(2)源匯分開：陸域與湖體針對各自特點采用不同的分區指標體系;
(3)考慮水文結構和生態系統的完整性;
(4)一致性：合并分區基本單元時應遵循具有相同結構和功能的河段向上合并.
3.2 分區基本單元劃分的理論基礎和方法
分區單元是水生態功能分區的基礎，分區指標空間化是基于分區單元進行的，所以分區單元的確定對于滇池流域水生態功能三級分區至關重要.湖泊流域主要由陸域與湖泊兩大生態系統構成，不同的生態系統具有各自的特點.滇池陸域干支流交錯，構成河網體系，將陸地生態系統中的物質，通過水文過程，輸入到湖體;而湖泊水體在集水區下游，相當于一個大型水庫，承接陸源物質.基于陸域集水區與湖泊水體完整性的理論基礎，以細化到三級支流的子流域為數據基礎，劃分分區單元(圖 2).
?圖2 滇池流域水生態功能三級陸域與湖體分區單元
河流子流域的提取利用水文分析軟件進行，其原理是基于地形起伏提取匯水區.本研究基于1 ∶ 50000的DEM數據，結合流域水系矢量數據，利用ArcGIS的Hydrology模塊進行水文分析，將滇池流域水系劃分為144個匯水區.
滇池湖體是一個完整的水生態系統，沒有天然的分區單元基礎.利用ArcGIS中的Create Fishnet工具，直接對其進行小單元區域劃分，根據最優選擇，將其劃分為500 m×500 m的格里網作為湖體三級分區的基本單元，最后滇池湖體共劃分為1339個分區單元.
3.3 分區指標體系構建
滇池流域水生態功能三級分區目的，是通過識別流域水生態系統功能空間差異性，對全流域分區，并通過水生態系統的結構差異性反應其功能的差異性，為水生態系統健康管理目標的制定，提供技術支持.流域水生態系統由河道、河床、堤岸、水體水文、水化學質量、水生物群落等構成，其結構的穩定與完整性狀態，與水生態系統功能的穩定與完整性息息相關.在水生態系統的河道、水文等水文形貌特征，水質等化學結構特征和生物群落特征，決定了水生態系統的生物棲息地特征，其特征要素是水生態系統完整性的基礎.因此，在三級分區中，將以維持水生態系統穩定性基礎的棲息地生境要素作為指標選擇范圍.
影響生態系統穩定的生境要素主要有地形地貌、土地利用、社會經濟、河道物理特征、水體化學特征、水利工程等，三級水生態功能分區以反映水生態系統結構差異性為主要目的，在指標選取上需要體現水生態系統物理完整性、化學完整性和生物完整性的生境要素;根據不同生境要素特點及滇池流域特征，確定各類生境要素備選指標為：①反映河道水文地貌的指標：河道坡降、蜿蜒度、河道基質、渠道化特征、河流等級、河流連接度、流量以及流速;②反映水化學狀態的指標：營養鹽指標(TP、TN、NH3-N);③反映生物特征的指標：葉綠素a含量、藻毒素含量、藻類SHDI、底棲SHDI.
表1 水生態系統生境要素指標描述
?基于所選生境要素指標，結合各指標的空間差異性與數據可得性選出渠道化特征、藻類SHDI、底棲SHDI、NH3-N、TN、TP、蜿蜒度和坡降作為陸域水生態功能三級分區的備選指標.選出TN、TP、NH3-N、藻毒素、藻類SHDI、Chla(葉綠素a)作為三級湖體水生態功能分區的備選指標.基于因子分析，辨識表征滇池流域入湖河流與湖體水環境狀況的主導因子，篩選出能夠表征水生態系統結構差異性的主導因子作為最終分區指標(表 2).
表2 滇池流域三級水生態功能分區指標體系
?其中，營養鹽指標與葉綠素a為實測采樣數據，樣品采集和保存依據《水和廢水監測分析方法(第4版)》(國家環境保護總局，2002a)進行，樣品測定依據《中華人民共和國地表水環境質量標準(GB3838—2002)》(國家環境保護總局，2002b)進行，二者均由云南省昆明市環境監測中心完成;藻毒素與葉綠素a含量為野外采集水樣經過簡單預處理后，在實驗室測定所得.
蜿蜒度是通過ArcGIS 10.1軟件，利用Analysis Tools中Overlay的Intersect功能統計各子流域內的河段長度，并計算其與該河段的直線距離比值而得到;坡降是基于流域1：50000 DEM數據，在ArcGIS 10.1中，提取子流域河段上游入流域點與下游出流域點的高程值，兩點高差與該河段水平距離的比值即為河道坡降.
渠道化特征為河道純物理特征，同時考慮底質狀態，通過專家打分法量化其特征.具體方法為：將流域內的河流渠道化特征進行綜合評定打分，分成5級(0～0.2，0.2～0.4，0.4～0.6，0.6～0.8，0.8～1.0)，上游河道維持自然狀態，未經過渠道化處理，可打分0.8～1.0之間;下游城市河流三面光，無底泥，水質差，多數排污河，可打分0～0.2之間，其它等級根據實際情況進行評定.
底棲動物與藻類的Shannon-weaver多樣性指數(SHDI)均是通過實際野外采樣獲取底棲動物與藻類樣品，后期經實驗室鑒定分類，基于香農多樣性指數計算公式而得到.
3.4 分區結果確定
分區指標確定后，對指標數據進行歸一化處理，并通過熵權法確定各指標權重因子.熵權法是以一種基于各項指標觀測值提供的信息量來確定指標權重的方法，能夠客觀實際地評價指標因子重要程度.熵是系統無序程度的一個度量，指標的信息熵越小表示該指標提供的信息量越大，在綜合評價中所起作用越大，權重越高(陳瑞等，2012).以各分區指標數據為列向量，構造i×j的矩陣(馬文麗等，2011;遲國泰等，2008)，由公式(1)計算第j個指標第i個測值的特征比重(pij);根據公式(2)由特征比重計算得到各指標的熵值;最后根據公式(3)確定得到各指標權重(表 3).
?表3 分區指標權重因子
?從權重因子可看出，蜿蜒度占據了滇池流域陸域三級分區指標體系的主導地位，這是因為相對于渠道化形成的順直河流，自然彎曲河流對河流物理形態、水文、水化以及水生生物群落等方面的影響存在較大的差異性(趙軍等，2011).蜿蜒度可影響河水泛濫過程(馬宗偉等，2005)，進而影響河道形態，形成多樣的河流生境條件，增加生物多樣性(徐彩彩等，2014)，對水生態系統結構的形成中具有明顯的影響作用.
得到各指標權重因子后，在每個分區單元范圍內，對各項分區指標進行加權求和，得到各分區單元的指標綜合值，之后利用ArcGIS10.1軟件對分區單元綜合值進行聚類分級，最后經邊界調整后得到滇池流域水生態功能三級分區結果.
4 結果與分析
4.1 分區方案
滇池流域水生態功能三級分區共劃分為20個陸域三級區和4個湖體三級區(圖 3).命名原則為：地名+河流/水庫名稱+主要土地利用類型+河道特征+主體功能區.分區主體功能是指分區中生態系統所表現出的最明顯的水生態服務功能類型，是基于生態系統過程和人類發展需求而定的(Costanza，2008).確定各分區的主體功能便于管理者更好地了解各分區生態系統功能特點，從而為水生態保護目標提供支撐.為揭示流域陸地背景對河段水體各類屬性的支持和保障功能，滇池流域三級分區確定主體功能為生境維持、水質調節、水源涵養、社會承載與生物多樣性維持5類(萬峻等，2013).
?圖3 滇池流域水生態功能三級分區圖
表4 滇池流域水生態功能三級分區特征
從空間分布來看，滇池流域各三級區主體功能存在較大的差異性.對于陸域而言，位于滇池流域上游三級區(如：LGI1-1、LGI1-2、LGI1-3區)多表現為以水質調節與水源涵養為主體功能，;環滇池區域的三級區(如：LGIII1-1、LGIII1-4、LGIII2-1區)主要表現為社會承載功能;位于滇池流域東部(如：LGIII3-1、LGIII3-2區)的三級區，由于林地面積比例與植被覆蓋度較高，以生境維持與水源涵養功能為主體功能.對于滇池湖體來說，草海區以生物多樣性維持功能為主體功能，外海區多以水質調節與生物多樣性維持功能為主體功能.
4.2 合理性評價
滇池流域水生態功能三級分區的目的是反映流域水生態系統結構的空間差異性，而結構的差異性可通過生物的群落特征來體現.對中國的多數流域來說，比較適宜采用分布廣泛、適應性較強的著生藻類和底棲動物進行驗證(高喆等，2015).故為驗證三級分區結果的科學性與合理性，采用底棲動物與藻類的Shannon-weaver多樣性指數對三級分區結果從定量與定性兩個角度進行分析與校正.
4.2.1 陸域分區結果檢驗
滇池流域陸域各區著生藻與底棲動物的Shannon-weaver多樣性指數對比情況如圖 4所示.從圖 4看出，著生藻Shannon-weaver多樣性指數在滇池流域變化趨勢大致為中部(LGIII1-1、LGIII1-2、LGIII1-3、LGIII1-4、LGIII2-1、LGIII2-2、LGIII2-3、LGIII3-1、LGIII3-2)較高，南北部較低，LGIII3-1三級水生態功能區著生藻Shannon-weaver多樣性指數最高，LGIII1-2、LGIII2-1三級水生態功能區次之，LGI2-2三級水生態功能區最低;而底棲動物Shannon-weaver多樣性指數空間分布為，在滇池流域變化趨勢為南北部較高，中部較低，其中LGI1-3三級水生態功能區底棲動物Shannon-weaver多樣性指數最高，LGI1-2與LGI2-1三級水生態功能區次之，LGIII3-1三級水生態功能區最低.
?圖4 滇池陸域著生藻與底棲動物Shannon-weaver多樣性指數比對分析
此外，滇池流域陸域各三級區種類分布也存在著較大差異，底棲清潔種多分布于滇池流域上游區，其中球形無齒蚌主要集中在LGI1-1、LGI1-2、LGI1-3、LGI2-2等三級水生態功能區，米蝦集中在LGI21三級水生態功能區，背角無齒蚌集中在LGIII1-4等三級水生態功能區，球蜆集中在LGIII1-2等三級水生態功能區中;下游區分布較少，只有LGIII2-2等少數幾個三級水生態功能區有分布，且多為球形無齒蚌.
綜上，不難看出，各陸域三級水生態功能區之間在種類數與種類分布上具有明顯的差異性，而同一二級區中的三級區又存在著一定的相似性，故符合三級分區結果.
4.2.2 湖體分區結果檢驗
滇池流域湖體各區浮游藻與底棲動物的Shannon-weaver多樣性指數對比情況如圖 5所示.從圖中看出，滇池湖體草海區(LGIV1)浮游藻Shannon-weaver多樣性指數較高，外海區(LGIV2-1、LGIV2-2與LGIV2-3)較低，其中外海區中LGIV2-2三級生態功能區浮游藻Shannon-weaver多樣性指數較高.而湖體底棲動物Shannon-weaver多樣性指數空間分布為，外海區較高，草海區較低，外海區中LGIV2-1三級水生態功能區底棲動物Shannon-weaver多樣性指數較高.
?圖5 滇池湖體浮游藻與底棲動物Shannon-weaver多樣性指數比對分析
綜上，滇池湖體各三級水生態功能區之間浮游藻與底棲動物的Shannon-weaver多樣性指數存在明顯的差異性，而同一二級區中的三級區又存在著一定的相似性，符合湖體三級分區結果.
相較于已有的流域水生態功能三級分區研究，本研究的方法與結果同樣具有一定合理性.如龔磊等在對東遼河流域進行水生態功能三級分區時，在對相應流域的水生態水環境特征監測基礎上，也是運用地理信息系統空間分析和主成分分析等數學方法，提出了流域的三級水生態功能分區方案，并用底棲無脊椎動物的相關指標進行聚類分析證明其合理性(龔磊等，2012).高永年等則以體現太湖流域水生態功能空間差異的目的，基于“基本分類單元確定-各級分類指標空間離散-二階空間聚類-人工輔助歸類-分區特征描述及合理性分析”的技術路線對太湖流域進行了三級分區(高永年等，2012).本研究結合滇池流域特征，借鑒已有研究方法的基礎上，并進行了一定創新，如利用熵權法確定權重，結合藻類與底棲相關指標共同進行分區合理性校驗等，加強了分區方法的科學性和分區結果的可靠性.具體參見 污水處理技術資料或污水技術資料更多相關技術文檔。
5 結論
1)滇池流域水生態功能三級分區以反映流域水生態功能空間差異性為目的，定位于流域水生態系統結構空間差異性，通過結構空間差異性來反映功能空間差異性.分別針對滇池流域陸域與湖體采用不同指標體系進行分區，其中選取渠道化特征、NH3-N、TN、TP、蜿蜒度作為三級陸域水生態功能分區指標，選取TN、TP、NH3-N、藻毒素作為三級湖體水生態功能分區指標，最終在滇池流域水生態功能二級分區的基礎上共劃分了20個陸域水生態功能三級區和4個湖體水生態功能三級區.
2)不同的滇池流域水生態功能三級區具有不同的主體功能，基于水生態系統服務功能的理論基礎，根據滇池流域實際情況與管理需求，將滇池流域陸域三級區主體水生態功能分為生境維持、水質調節、水源涵養、社會承載與生物多樣性維持功能5類;將滇池湖體三級區主體水生態功能分為水質調節與生物多樣性維持功能2類.通過對各區主體水生態功能的計算，最終確定1～2個功能作為各三級區的主體水生態功能.
3)滇池流域24個三級水生態功能區的功能空間差異性間接表明了三級分區結果的合理性，同時通過生物指標的分區校驗，充分說明了三級分區指標選擇與方法的科學性以及結果的合理性.該分區結果可作為后期滇池流域進行水質目標管理控制單元劃分的基礎，為管理者有針對性地對滇池流域不同生境狀況的區域進行保護與修復提供依據，使綜合流域管理更加具體化、精細化.
