水生態保護目標制定的理論與應用

高俊峰,張志明,蔡永久,黃佳聰

中國科學院南京地理與湖泊研究所,流域地理學重點實驗室, 南京 210008

水生態建設是生態文明建設的重要組成部分。我國經濟快速發展累積了大量水生態問題,成為生態文明建設的明顯短板[1—5]。表現出各種水生態問題相互疊加,同一問題反復出現,并且在地域上相互關聯但又存在區域差異[3,6—8]。這些問題涉及到水生生物、生物棲息地、水質與水量等要素,生產、生活等人類活動方式[9]。但我國目前尚未形成統領這些要素的水生態保護體系,以指導水生態保護和管理。

水生態是水專項研發的重點內容之一。通過“十一五”和“十二五”的研究,形成了全國重點流域的水生態功能分區方案,提出了“功能區劃分—健康評價—目標制定—管理決策”的思路,研發了保護物種篩選、群落目標確定、耐污值和保護物種篩選、生境要素閾值確定、流域土地開發利用干擾閾值確定等技術,提出瀕危指數、特有種指數、傘護種指數和適應不同功能要求的生物群落指標,為分區制定水生態保護目標奠定了技術基礎[6,10—16]。

水生態保護目標制定技術研發是“十三五”水專項“流域水生態功能分區管理技術集成研發”的內容之一。基于“十一五”、“十二五”期間水專項研究成果,圍繞國家“水十條”方案的實施、長江大保護、水(環境)功能區修編等的要求,針對水生態分區管控的需求,通過對已有技術的評估、完善、研發、集成、形成了水生態保護目標制定技術體系,并選擇常州市開展應用實踐,驗證技術體系的適用性和可行性,以期為水生態保護的相關工作提供技術支撐。

1 水生態保護目標制定的基礎

水生態保護目標的制定涉及到不同水生物生存空間和生存周期、對環境的適應能力、對環境壓迫的響應方式等科學問題,厘清這些問題的科學機制和規律,對科學制定水生態保護目標具有重要意義。

1.1 影響水生態系統的要素具有尺度效應

水、土、氣、生等生態系統的控制性因素具有不同的時間和空間尺度,決定了區域水生態系統的組成、結構與功能[9,17—18]：(1)氣候因素主要包括降水、氣溫、濕度和輻射等,反映水熱分布的格局,是生態系統重要的物質與能量基礎;降水量和溫度在較大尺度上保持相對穩定,對水生態系統影響最大,對水循環和生態水文過程起到控制性作用;(2)地形地貌類型是區域尺度水生態系統的重要影響因素,反映地表形態特征;坡度、坡向、海拔等不同的地貌類型造就了物種在空間分布上的差異,影響區域水熱分布格局、水文情勢、侵蝕搬運和營養物質傳輸,并間接影響氣候和植被類型;(3)土地利用方式是人類活動對生態系統造成影響的最直接體現,關系到一定范圍降雨徑流的地表截留和水分蒸散對水文循環的影響,進而影響水文過程；同時,土地覆蓋控制著泥沙來源和形成水體底質的物質類型;(4)局部區域的水體形態、物理、化學等生境因子直接或者通過影響水生生物棲息地的特征間接地作用于水生生物,導致生物狀況的差異(圖1)。

圖1 水生態系統關鍵因素的尺度效應

1.2 不同水生生物在時空尺度上的差異

水生態系統中不同生物類群的生命周期、空間活動范圍差異極大,能夠反映不同時空尺度的環境狀況(圖2)。時間尺度上,不同水生物的生命周期從數小時到幾十年跨度極大,反映短期和長期的環境變化狀況。浮游藻類、著生藻類和浮游動物生命周期較為短暫,一般幾天,甚至幾小時就可以完成一個生命周期,反映了短時間內的環境狀況[10,19—20]；而大型底棲無脊椎動物和大型水生植物具有相對較長的生活周期,一般以月和季度為度量單位,能反映年內不同季度的環境狀況[10, 21]；魚類生命周期更長,能夠反映長時間環境干擾的影響,如特定區域魚類的種類組成及魚寄生蟲的有無等可反映外界干擾對區域長期作用的結果[22—23]。空間尺度上,不同類群水生生物活動的空間范圍從平方米至數萬平方公里不等,可反映不同空間尺度的環境狀況。著生藻類因其生境相對固定,處于水生態系統食物鏈底端,活動范圍很小[24]；浮游藻類的分布很大程度上也受到水體流速和風速的影響,空間分布范圍相對較廣[25]；浮游動物是水生態系統中重要的初級消費者,隨水流各處飄動,空間分布范圍較廣,對環境反應較為敏感；大型底棲無脊椎動物生存位置相對固定,在不同質量的生境中都有分布,不同類群空間活動范圍差異較大；水生植物和大型底棲無脊椎動物類似,生存位置相對固定；魚類具有較強的移動性,生長的空間范圍是水生生物中最廣[26—27]。不同生物類群的反映了不同時空尺度的環境狀況,因而可以采用多種生物類型衡量水生態系統的不同狀態。流域水生態狀況評價中,浮游藻類、著生藻類、大型底棲無脊椎動物是最常用的生物類群,其次是魚類和大型水生植物[6,15]。

圖2 不同水生生物的時空尺度差異

1.3 水生生物完整性對壓力響應存在梯度效應

水生生物完整性是指水生態系統中水生生物群落所具有的種類組成、多樣性和功能結構特征,以及該群落所具有的維持自身平衡、保持結構完整和適應環境變化的能力[26—27]。水生生物完整性是水生態狀態評價的核心,水文、物理、化學完整性是水生生物健康狀態的支撐條件。外部壓力會導致支撐條件惡化,水生生物完整性會呈現梯度式下降,可分為6個階段[28—30]：(1)沒有人類干擾,生物處于自然狀態,結構和功能完整性高,其變化保持在自然變化范圍內；(2)人類干擾出現,但極小,生物結構和功能完整性接近自然狀態,生物群落結構和生態系統功能發生細微變化；(3)環境壓力增加,生物群落結構發生明顯變化,部分敏感種缺失,但仍能維持功能的完整性,生態系統功能出現明顯變化；(4)生物群落結構發生較大變化,部分敏感種被耐物種替代,生態系統功能不能完全滿足；(5)生物群落結構發生重大變化,敏感種基本消失,物種組成不平衡,少數種占優勢,生態系統功能受損；(6)生物群落結構發生極大變化,個別物種密度異常,生物多樣性喪失,生態系統功能嚴重喪失(圖3)。此外,不同生物類群對不同類型環境脅迫(不包括水生態系統功能的自然變化)的敏感程度不同,一般而言,魚類和底棲動物對水文條件和物理生境條件變化敏感,而著生藻類、浮游藻類對物理生境變化敏感性相對較弱,對水質、水動力變化較為敏感[31—32]。當前,水生態系統往往面臨多重環境壓力影響,通過對不同水生物變化特征的分析,可以揭示不同類型的環境壓力及對水生物脅迫的程度[1—2,9—10]。

圖3 生物完整性對環境壓力的響應

2 水生態保護目標制定的技術路線

我國幅源廣闊,自然地理的多樣性決定了不用區域之間水生態結構具有明顯的差異性。針對這種差異性,在“十一五”、“十二五”水專項研發中,選擇有代表性的流域,根據分類、分區、分級的思路,研發了水生態功能分區的技術路線,形成不同類型流域的水生態功能分區,闡明自然流域集水區和不同尺度生物地理要素的等級特征,既反映水生態系統的連續性,也反映不同區域之間的差異性[1,9,12—14,17—18]。同時,也考慮了同一水生態功能區內不同水體類型的差別。

基于水生態保護目標制定的理論依據,水生態狀態的評價應該考慮水生生物本身及其棲息的環境。因此,在水生態功能分區的基礎上,提出了我國水生態保護目標制定技術框架,構建以“水生態功能分區—水生態狀態評價—水生態問題診斷—水生態保護目標預設—可達性評價—水生態保護目標確定”為主線的水生態保護目標制定技術體系(圖4)。

圖4 水生態保護目標制定技術路線圖

3 水生態保護目標制定的方法

3.1 水生態狀態評價

3.1.1水生態狀態評價指標體系

根據水生態系統完整性理論,一般從物理、化學、生物幾方面描述水生態狀態(Aquatic Ecological Status,AES),其中生物完整性是核心[26—27]。根據科學實用、因區制宜、循序漸進和方便操作的原則,在綜合分析水生態功能區自然地理特征和主導生態功能的基礎上,銜接我國現行生態環境監測體系[33],對水生態狀態評價的要素進行合理分類,分生物完整性、水質、棲息地質量和生態需水四類要素進行水生態狀態評價,其中生物完整性和水質為必選要素,生態需水和棲息地為備選要素(表1)[9,17]。

表1 水生態狀態評價指標體系

3.1.2生物完整性評價

生物完整性為必選要素,以生物完整性指數(Index of Biological Integrity, IBI)表達。其中河流的必選指標為著生藻類完整性指數和大型底棲無脊椎動物完整性指數,湖泊的必選指標為浮游藻類完整性指數和大型底棲無脊椎動物完整性指數(淺水湖泊)。應用實踐中,根據水體類型、功能區的自然地理與生物區系特征、環境脅迫的時空差異,以及管理需求,選擇適合的水生生物類群[33—35]。環境變化的長期生物脅迫效應評價首選大型底棲無脊椎動物和魚類[21,36],短期效應評價則考慮著生藻類、浮游藻類或浮游動物[37—38]。評價的水生態功能區如有魚類自然保護區,應將魚類完整性納入評價體系。

IBI構建的技術流程包括以下步驟(圖5)：(1)水生生物監測：在功能區內選擇“無干擾”或“最小干擾”、水質優良、物理生境完好的區域設置參照點[39—42],選擇干擾較強的區域設置受損點；(2)候選生物參數計算：計算各類群生物完整性指數的候選生物參數,一般包括六類參數：物種豐富度、群落組成、耐受性/敏感性、物種多樣性、功能群、現存量等[17,43]；(3)核心參數篩選：基于分布范圍檢驗、判別能力分析、冗余分析,篩選出特定功能區、特定水體的生物完整性核心參數[17,43]；(4)參數歸一化：將參數的分布范圍標準化為0—1,將正向參數和反向參數對環境干擾的響應方向調整為隨干擾增加而降低[43]；(5)生物完整性指數計算：采用等權重的方式,將各個核心參數記分值進行平均,計算得出生物完整性指數；(6)等級確定：以參照點生物完整性指數值分布的25%分位數或所有樣點95%分位數為基準值,高于該閾值則表示該點位受到的干擾很小,低于該值的數值進行4等分,代表生物完整性由高到低的不同等級,計為“優、良、中、差、劣”5個等級,并確定對應等級的劃分閾值；(7)評價結果驗證與修訂：根據生物完整性指數對環境壓力的響應特征,采用區分率、判別分析、穩定性、敏感性檢驗方法[44—45],對IBI評價參數進行驗證,對未能通過驗證的參數進行剔除,對參數篩選和評價等級標準進行修訂,形成特定功能區、特定水體的生物完整性評價體系。

圖5 生物完整性評價的技術路線圖

3.1.3水質評價

水質評價包括兩項指標,分別是水質類別指數和湖泊營養狀態指數,前者應用于河流和湖泊,后者應用于湖泊。存在富營養化和藻類水華風險的湖泊,應將營養狀態指數納入評價體系。

水質類別指數計算參照《地表水環境質量標準》(GB 3838)[46]基本項目的標準限值,進行單因子評價(其中水溫和pH不作為評價指標)(表2),將該項目實測濃度值和對照評分閾值進行線性內插得到評分值。

表2 水質類別指數評價標準

營養狀態評價采用綜合營養狀態指數,指標計算采用葉綠素a、總氮、總磷、透明度和高錳酸鹽指數共5項參數(表3)[47]。同時采用水質類別和營養狀態指數評價時,取平均得分為水質評價結果。

表3 湖泊營養狀態評價標準

3.1.4棲息地質量評價

篩選與生物完整性及水質密切關聯的指標進行河湖棲息地評價[17,48—49]。河流系統棲息地包括河岸帶和河道指標,湖泊系統包括湖岸帶和湖泊指標(表4)。河(湖)岸帶指標包括生態岸線指數、岸線開發利用程度、河(湖)岸帶植被覆蓋度；河道指標包括河流縱向連通性、沉積物污染指數；湖泊指標包括河湖連通性、水面開發利用程度、大型水生植被覆蓋度、沉積物污染指數。在篩選特定功能區棲息地質量評價指標時,需結合棲息地特征及面臨的問題進行遴選。根據區域參照狀態、歷史狀態,結合專家判斷,確定各評價指標的閾值、分值和分級標準,形成優、良、中、差、劣5個評價等級及其對應的等級數值[41,50—51]。

表4 河流和湖泊棲息地評價指標組成

3.1.5生態需水滿足程度

生態需水是為滿足河湖生物生長和繁殖等生命過程需要的水文條件。選用生態流量或生態水位滿足程度進行評價。前者適用于河流,后者適用于湖泊或河流。河流優先考慮生態流量滿足程度,但對流向不明、流速微弱、潮汐河流、無流量數據的河流,可選用生態水位滿足程度。生態需水計算方法可采用水文學法、水力學法、棲息地模擬法、整體分析法等方法進行確定[52—54],具體參照《河湖生態環境需水計算規范》(SL/Z 712)的相關規定計算。

河流生態流量滿足程度。分別計算4—9月及10—3月最小日均流量占多年平均流量的百分比,分別計算賦分值,取二者的最低賦分為河流生態流量滿足程度賦分(表5)。評估斷面應選擇國家有明確要求的、具有重要生態保護價值或重要敏感物種的水域或行政區界斷面。

表5 河流生態流量滿足程度賦分和分級標準

評價生態水位滿足程度。生態水位依據相關規劃或管理文件確定的限值,或采用天然水位資料法、湖泊形態法、生物空間最小需求法等方法確定(表6)。

表6 生態水位滿足程度賦分和分級標準

3.1.6水生態狀態指數

水生態綜合評價時,取四類要素評價結果的最低等級作為水生態狀態綜合評價等級,并獲得對應指標的等級數值(圖6)。

圖6 水生態狀態綜合評價技術路線圖

3.2 水生態問題診斷

基于水生態狀態的評價結果,診斷生物完整性、水質、棲息地質量、生態需水等方面的問題,重點分析生物完整性狀況。應用排序分析、廣義線性模型、結構方程模型等多元統計方法,以水質、棲息地、水文條件等環境參數為解釋變量,基于方差分析,分析不同因子對生物完整性的相對影響程度,優先確定出影響敏感生物類群和解釋量大的因子,進而明確影響生物完整性的關鍵環境脅迫因子[55—56]。收集功能區產業結構與污染源、土地利用、水資源開發、涉水工程建設、水域岸線開發利用等方面的資料,分析造成水生態問題的主要原因,根據功能區的主導功能,對問題進行主次排序,明確水生態問題[57—59]。

3.3 水生態保護目標預設

根據主導水生態功能定位、水功能區劃、“三條紅線”和現行水質考核目標等對水環境和水生態的要求,按照銜接管理、合理可行、分期提升、先易后難的原則,結合水生態現狀等級,從水質、水量、棲息地和水生生物四個方面,預設水生態保護目標,明確約束條件。重點關注得分低、等級低的要素(圖7)。

圖7 水生態保護目標預設技術路線

水生態保護目標預設包括以下四方面：(1)確定水生態功能分區的主導水生態功能[9,60],其中,以水源涵養與水文調節、生境維持、水生珍稀特有物種棲息地與洄游通道、重要生態資產保護等為主導功能的,水生態保護目標預設為“優”或“良”；以土壤保持、農業生產支撐和城市生活支撐功能等為主導功能的,水生態保護目標可預設為“中”；(2)對生態紅線劃定區域[61—62],如飲用水源保護區、自然保護區、水源涵養區、重要漁業水域、重要濕地等,水生態保護目標預設為“優”或“良”；(3)對有明確用途的水功能區,如保護區、保留區、飲用水源地、漁業用水區等,水生態保護目標預設為“優”或“良”；工業用水區、景觀用水區、農業用水區等,水生態保護目標預設為“中”或提升一個等級；(4)對其他非重要或沒有明確水生態功能要求的區域,結合水生態狀態現狀等級,逐級提升,規定水生態保護目標預設為“中”或提升一個等級。上述預設條件如有重疊的區域,取高等級為水生態保護預設目標。

3.4 水生態保護目標可達性評估

在河湖水生態現狀不滿足水生態保護目標情況下,構建河湖水動力-水質-水生態模型,模擬典型氣象水文條件下的水生態要素時空變化過程,預測不同修復措施情景下的水生態狀態變化,評價保護目標可達性(Accessibility Assessment,AA)[63—66]。具體過程如下：(1)從“(水)質-(水)量-(棲息)地-(水)生(物)”4個方面指標出發,以功能定位與水質目標等為約束條件,分析參照狀態設定的指標閾值,評價水生態保護目標的可達性；(2)通過構建河湖水動力-水質-水生態模型,模擬不同氣象、水文及生態修復工程等情景下水生態狀態,設定不同指標的提升潛力閾值；(3)采用蒙特卡羅(Monte Carlo)、遺傳算法(Genetic Algorithm,GA)、蟻群算法(Ant Clony Optimization,ACO)等智能優化算法,構建優化模型,進行情景設計評價與全局優化求解,分析最優情景,確定提升方案和優化保護目標,從而提出提升方案優化并進行可達性分析；(4)如果保護目標可達,則優化后的保護目標即為水生保護目標,若不可達,返回水生態保護預設目標,重新預設目標(圖8)。

圖8 水生態保護目標可達性分析技術路線

3.5 水生態保護目標確定與方案編制

根據可達性分析和優化結果,確定水生態保護目標,并編制各功能區的水生態保護方案。水生態狀況等級為“優”和“良”的分區,應重點采取保護措施；等級為“中”和“差”的分區,應重點采取修復措施；等級為“劣”的分區,應重點采取生態重建措施。根據水生態問題診斷,從生態需水保障、生境保護與修復、外源污染治理、內源污染治理、生物多樣性維持等方面提出治理措施,形成保護、修復措施清單。措施的第一階段重點是清理、整治現存和潛在污染,以工程措施改善生態質量；第二階段重點是以自然生態恢復為主,建立完善、長效的管理機制。

4 常州水生態功能區水生態保護目標制定應用

水生態保護目標制定技術體系在常州水生態功能區進行示范應用,以驗證方法技術的可行性、合理性和適用性。該功能區面積4385 km2,劃分為17個水生態功能區,確定了分區界線和主導功能(圖9)[67]。

圖9 常州市水生態功能區及其主導功能定位

4.1 功能區水生態狀態評價

根據2017—2019年水生生物、水質、棲息地和水文的調查和監測結果,依據水生態狀況評價方法,對常州市各功能區開展水生態狀態的各要素和單項指標評價,并進行綜合狀況評價。為增強水生態保護目標的科學性和實用性,常州水生態保護目標制定相關采樣點按照網格布點法,確保每個水生態功能區采樣點不少于3個。取同一水生態功能區所有采樣點評價結果的平均值作為該區水生態狀態的最終結果。

評價結果顯示(圖10),水生生物完整性大部分處于“中”和“差”的狀態,占88%,只有二個處于山丘區的分區處于“良”的狀態,尤其是城區的幾個分區,均處于“差”的狀態；水質狀況大部分為“中”的狀態,“優”、“良”狀態分區處于山丘和沿江區域,占23%,滆湖、長蕩湖處于“劣”的狀態；生物棲息地大部分處于“中”和“差”的狀態,占88%,尤其是城區和滆湖、長蕩湖,二個山丘區處于“良”的狀態；平原區生態水位滿足程度均為“優”,山丘區和洮滆高地區為“良”。

圖10 常州水生態功能區各生態要素評價結果

綜合評價結果2個區為“良”,4個區為“中”,2個區為“劣”(圖11)。評價為“差”的主要的限制指標為生物完整性和水質,基本處于劣Ⅴ類水質或中度富營養,水面開發利用強度大,水生植物覆蓋度退化嚴重。

4.2 水生態問題診斷

常州示范區的水生態問題主要包括：(1)河流和湖泊大型底棲無脊椎動物完整性低，耐污種占優，湖泊藍藻密度高；(2)河流水質以IV—劣V類為主，占比超過80%，冬春季水質較差(劣V類斷面占比超過10%)，主要為常州市區及周邊城鎮的河流；(3)滆湖總氮為劣V類，總磷為V—-劣V類，長蕩湖總氮為劣V類，總磷為IV—V類，滆湖、長蕩湖全年處于中度富營養狀態；(4)河流棲息地岸線開發利用程度較高，城市河道內源污染負荷大，氮磷污染程度高；湖泊棲息地圈圩(圍)養殖開發利用強度大，水生植物覆蓋度退化嚴重，底泥淤積嚴重，內源負荷高；(5)河流水體流動性差。

4.3 水生態保護目標預設

根據水生態保護目標制定技術框架,收集了常州示范區生態紅線、水環境質量考核目標、水功能區劃等方面的資料,確定了各水生態功能區的主導生態功能,結合常州水環境質量考核要求,通過疊加分析,并充分考慮水生態現狀等級、社會經濟發展需求等要素,預設了水生態保護目標(圖11)

4.4 水生態保護目標可達性評估

基于水生態狀態評價和問題診斷結果,以水生態保護預設目標為基礎,以功能定位、水質目標、三條紅線等為約束條件,分析“水質-水量-棲息地-水生生物”四類指標提升潛力和閾值,根據提升潛力大小對指標進行排序,排序高的指標在可達性評估模型中優先進入提升優化方案。優化結果顯示,有5個功能區不能達到預設目標,包括2個湖泊為主的分區和3個河流為主的分區,水生態保護目標從“良”降為“中”。最終確定4個水生態保護目標設定為“良”,其他為“中”(圖11)。常州水生態功能區屬于重干擾、水生態退化、重點在于治理的區域。根據優化后的目標,可以進行有針對性的水生態保護方案編制。

圖11 常州水生態功能區水生態現狀及目標優化

5 結論

(1)梳理形成的水生態系統要素的尺度效應、水生生物時空尺度的差異性、水生物對環境脅迫的敏感性差異、生物完整性對壓力響應存在梯度效應等理念,為水生態保護目標的制定提供了理論依據。

(2)研究提出的水生態“功能分區-狀態評價-問題診斷-目標預設-可達性評估-目標確定”為主線的水生態保護目標制定技術路線,明確了工作流程。

(3)研發的水生態保護目標制定的關鍵技術,包括水生態狀態評價的指標體系構建技術、生物完整性評價技術、水生態保護目標預設技術和可達性評估技術,解決了水生態保護目標制定的技術瓶頸。

(4)通過在太湖流域常州水生態功能區的應用實踐,發現有5個區域達不到預設的目標,為地方實施水生態綜合管理提供了參考,驗證了水生態保護目標制定技術的可行性、合理性和適用性。

(5)水生態保護是一個宏大的命題,針對我國不同區域、不同水體,提出相對一致的技術方法,還存在諸多的困難。該文研發的技術體系還需在更多不同類型的功能區進行應用驗證,逐步修改完善,為相關工作提供科學支撐。