水生態(tài)保護(hù)目標(biāo)制定的理論與應(yīng)用

高俊峰,張志明,蔡永久,黃佳聰

中國(guó)科學(xué)院南京地理與湖泊研究所,流域地理學(xué)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 南京 210008

水生態(tài)建設(shè)是生態(tài)文明建設(shè)的重要組成部分。我國(guó)經(jīng)濟(jì)快速發(fā)展累積了大量水生態(tài)問(wèn)題,成為生態(tài)文明建設(shè)的明顯短板[1—5]。表現(xiàn)出各種水生態(tài)問(wèn)題相互疊加,同一問(wèn)題反復(fù)出現(xiàn),并且在地域上相互關(guān)聯(lián)但又存在區(qū)域差異[3,6—8]。這些問(wèn)題涉及到水生生物、生物棲息地、水質(zhì)與水量等要素,生產(chǎn)、生活等人類活動(dòng)方式[9]。但我國(guó)目前尚未形成統(tǒng)領(lǐng)這些要素的水生態(tài)保護(hù)體系,以指導(dǎo)水生態(tài)保護(hù)和管理。

水生態(tài)是水專項(xiàng)研發(fā)的重點(diǎn)內(nèi)容之一。通過(guò)“十一五”和“十二五”的研究,形成了全國(guó)重點(diǎn)流域的水生態(tài)功能分區(qū)方案,提出了“功能區(qū)劃分—健康評(píng)價(jià)—目標(biāo)制定—管理決策”的思路,研發(fā)了保護(hù)物種篩選、群落目標(biāo)確定、耐污值和保護(hù)物種篩選、生境要素閾值確定、流域土地開(kāi)發(fā)利用干擾閾值確定等技術(shù),提出瀕危指數(shù)、特有種指數(shù)、傘護(hù)種指數(shù)和適應(yīng)不同功能要求的生物群落指標(biāo),為分區(qū)制定水生態(tài)保護(hù)目標(biāo)奠定了技術(shù)基礎(chǔ)[6,10—16]。

水生態(tài)保護(hù)目標(biāo)制定技術(shù)研發(fā)是“十三五”水專項(xiàng)“流域水生態(tài)功能分區(qū)管理技術(shù)集成研發(fā)”的內(nèi)容之一。基于“十一五”、“十二五”期間水專項(xiàng)研究成果,圍繞國(guó)家“水十條”方案的實(shí)施、長(zhǎng)江大保護(hù)、水(環(huán)境)功能區(qū)修編等的要求,針對(duì)水生態(tài)分區(qū)管控的需求,通過(guò)對(duì)已有技術(shù)的評(píng)估、完善、研發(fā)、集成、形成了水生態(tài)保護(hù)目標(biāo)制定技術(shù)體系,并選擇常州市開(kāi)展應(yīng)用實(shí)踐,驗(yàn)證技術(shù)體系的適用性和可行性,以期為水生態(tài)保護(hù)的相關(guān)工作提供技術(shù)支撐。

1 水生態(tài)保護(hù)目標(biāo)制定的基礎(chǔ)

水生態(tài)保護(hù)目標(biāo)的制定涉及到不同水生物生存空間和生存周期、對(duì)環(huán)境的適應(yīng)能力、對(duì)環(huán)境壓迫的響應(yīng)方式等科學(xué)問(wèn)題,厘清這些問(wèn)題的科學(xué)機(jī)制和規(guī)律,對(duì)科學(xué)制定水生態(tài)保護(hù)目標(biāo)具有重要意義。

1.1 影響水生態(tài)系統(tǒng)的要素具有尺度效應(yīng)

水、土、氣、生等生態(tài)系統(tǒng)的控制性因素具有不同的時(shí)間和空間尺度,決定了區(qū)域水生態(tài)系統(tǒng)的組成、結(jié)構(gòu)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(tài)系統(tǒng)重要的物質(zhì)與能量基礎(chǔ);降水量和溫度在較大尺度上保持相對(duì)穩(wěn)定,對(duì)水生態(tài)系統(tǒng)影響最大,對(duì)水循環(huán)和生態(tài)水文過(guò)程起到控制性作用;(2)地形地貌類型是區(qū)域尺度水生態(tài)系統(tǒng)的重要影響因素,反映地表形態(tài)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(qū)域水熱分布格局、水文情勢(shì)、侵蝕搬運(yùn)和營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)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(dòng)對(duì)生態(tài)系統(tǒng)造成影響的最直接體現(xiàn),關(guān)系到一定范圍降雨徑流的地表截留和水分蒸散對(duì)水文循環(huán)的影響,進(jìn)而影響水文過(guò)程；同時(shí),土地覆蓋控制著泥沙來(lái)源和形成水體底質(zhì)的物質(zhì)類型;(4)局部區(qū)域的水體形態(tài)、物理、化學(xué)等生境因子直接或者通過(guò)影響水生生物棲息地的特征間接地作用于水生生物,導(dǎo)致生物狀況的差異(圖1)。

圖1 水生態(tài)系統(tǒng)關(guān)鍵因素的尺度效應(yīng)

1.2 不同水生生物在時(shí)空尺度上的差異

水生態(tài)系統(tǒng)中不同生物類群的生命周期、空間活動(dòng)范圍差異極大,能夠反映不同時(shí)空尺度的環(huán)境狀況(圖2)。時(shí)間尺度上,不同水生物的生命周期從數(shù)小時(shí)到幾十年跨度極大,反映短期和長(zhǎng)期的環(huán)境變化狀況。浮游藻類、著生藻類和浮游動(dòng)物生命周期較為短暫,一般幾天,甚至幾小時(shí)就可以完成一個(gè)生命周期,反映了短時(shí)間內(nèi)的環(huán)境狀況[10,19—20]；而大型底棲無(wú)脊椎動(dòng)物和大型水生植物具有相對(duì)較長(zhǎng)的生活周期,一般以月和季度為度量單位,能反映年內(nèi)不同季度的環(huán)境狀況[10, 21]；魚(yú)類生命周期更長(zhǎng),能夠反映長(zhǎng)時(shí)間環(huán)境干擾的影響,如特定區(qū)域魚(yú)類的種類組成及魚(yú)寄生蟲(chóng)的有無(wú)等可反映外界干擾對(duì)區(qū)域長(zhǎng)期作用的結(jié)果[22—23]。空間尺度上,不同類群水生生物活動(dòng)的空間范圍從平方米至數(shù)萬(wàn)平方公里不等,可反映不同空間尺度的環(huán)境狀況。著生藻類因其生境相對(duì)固定,處于水生態(tài)系統(tǒng)食物鏈底端,活動(dòng)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(fēng)速的影響,空間分布范圍相對(duì)較廣[25]；浮游動(dòng)物是水生態(tài)系統(tǒng)中重要的初級(jí)消費(fèi)者,隨水流各處飄動(dòng),空間分布范圍較廣,對(duì)環(huán)境反應(yīng)較為敏感；大型底棲無(wú)脊椎動(dòng)物生存位置相對(duì)固定,在不同質(zhì)量的生境中都有分布,不同類群空間活動(dòng)范圍差異較大；水生植物和大型底棲無(wú)脊椎動(dòng)物類似,生存位置相對(duì)固定；魚(yú)類具有較強(qiáng)的移動(dòng)性,生長(zhǎng)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(shí)空尺度的環(huán)境狀況,因而可以采用多種生物類型衡量水生態(tài)系統(tǒng)的不同狀態(tài)。流域水生態(tài)狀況評(píng)價(jià)中,浮游藻類、著生藻類、大型底棲無(wú)脊椎動(dòng)物是最常用的生物類群,其次是魚(yú)類和大型水生植物[6,15]。

圖2 不同水生生物的時(shí)空尺度差異

1.3 水生生物完整性對(duì)壓力響應(yīng)存在梯度效應(yīng)

水生生物完整性是指水生態(tài)系統(tǒng)中水生生物群落所具有的種類組成、多樣性和功能結(jié)構(gòu)特征,以及該群落所具有的維持自身平衡、保持結(jié)構(gòu)完整和適應(yīng)環(huán)境變化的能力[26—27]。水生生物完整性是水生態(tài)狀態(tài)評(píng)價(jià)的核心,水文、物理、化學(xué)完整性是水生生物健康狀態(tài)的支撐條件。外部壓力會(huì)導(dǎo)致支撐條件惡化,水生生物完整性會(huì)呈現(xiàn)梯度式下降,可分為6個(gè)階段[28—30]：(1)沒(méi)有人類干擾,生物處于自然狀態(tài),結(jié)構(gòu)和功能完整性高,其變化保持在自然變化范圍內(nèi)；(2)人類干擾出現(xiàn),但極小,生物結(jié)構(gòu)和功能完整性接近自然狀態(tài),生物群落結(jié)構(gòu)和生態(tài)系統(tǒng)功能發(fā)生細(xì)微變化；(3)環(huán)境壓力增加,生物群落結(jié)構(gòu)發(fā)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(tài)系統(tǒng)功能出現(xiàn)明顯變化；(4)生物群落結(jié)構(gòu)發(fā)生較大變化,部分敏感種被耐物種替代,生態(tài)系統(tǒng)功能不能完全滿足；(5)生物群落結(jié)構(gòu)發(fā)生重大變化,敏感種基本消失,物種組成不平衡,少數(shù)種占優(yōu)勢(shì),生態(tài)系統(tǒng)功能受損；(6)生物群落結(jié)構(gòu)發(fā)生極大變化,個(gè)別物種密度異常,生物多樣性喪失,生態(tài)系統(tǒng)功能嚴(yán)重喪失(圖3)。此外,不同生物類群對(duì)不同類型環(huán)境脅迫(不包括水生態(tài)系統(tǒng)功能的自然變化)的敏感程度不同,一般而言,魚(yú)類和底棲動(dòng)物對(duì)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(duì)物理生境變化敏感性相對(duì)較弱,對(duì)水質(zhì)、水動(dòng)力變化較為敏感[31—32]。當(dāng)前,水生態(tài)系統(tǒng)往往面臨多重環(huán)境壓力影響,通過(guò)對(duì)不同水生物變化特征的分析,可以揭示不同類型的環(huán)境壓力及對(duì)水生物脅迫的程度[1—2,9—10]。

圖3 生物完整性對(duì)環(huán)境壓力的響應(yīng)

2 水生態(tài)保護(hù)目標(biāo)制定的技術(shù)路線

我國(guó)幅源廣闊,自然地理的多樣性決定了不用區(qū)域之間水生態(tài)結(jié)構(gòu)具有明顯的差異性。針對(duì)這種差異性,在“十一五”、“十二五”水專項(xiàng)研發(fā)中,選擇有代表性的流域,根據(jù)分類、分區(qū)、分級(jí)的思路,研發(fā)了水生態(tài)功能分區(qū)的技術(shù)路線,形成不同類型流域的水生態(tài)功能分區(qū),闡明自然流域集水區(qū)和不同尺度生物地理要素的等級(jí)特征,既反映水生態(tài)系統(tǒng)的連續(xù)性,也反映不同區(qū)域之間的差異性[1,9,12—14,17—18]。同時(shí),也考慮了同一水生態(tài)功能區(qū)內(nèi)不同水體類型的差別。

基于水生態(tài)保護(hù)目標(biāo)制定的理論依據(jù),水生態(tài)狀態(tài)的評(píng)價(jià)應(yīng)該考慮水生生物本身及其棲息的環(huán)境。因此,在水生態(tài)功能分區(qū)的基礎(chǔ)上,提出了我國(guó)水生態(tài)保護(hù)目標(biāo)制定技術(shù)框架,構(gòu)建以“水生態(tài)功能分區(qū)—水生態(tài)狀態(tài)評(píng)價(jià)—水生態(tài)問(wèn)題診斷—水生態(tài)保護(hù)目標(biāo)預(yù)設(shè)—可達(dá)性評(píng)價(jià)—水生態(tài)保護(hù)目標(biāo)確定”為主線的水生態(tài)保護(hù)目標(biāo)制定技術(shù)體系(圖4)。

圖4 水生態(tài)保護(hù)目標(biāo)制定技術(shù)路線圖

3 水生態(tài)保護(hù)目標(biāo)制定的方法

3.1 水生態(tài)狀態(tài)評(píng)價(jià)

3.1.1水生態(tài)狀態(tài)評(píng)價(jià)指標(biāo)體系

根據(jù)水生態(tài)系統(tǒng)完整性理論,一般從物理、化學(xué)、生物幾方面描述水生態(tài)狀態(tài)(Aquatic Ecological Status,AES),其中生物完整性是核心[26—27]。根據(jù)科學(xué)實(shí)用、因區(qū)制宜、循序漸進(jìn)和方便操作的原則,在綜合分析水生態(tài)功能區(qū)自然地理特征和主導(dǎo)生態(tài)功能的基礎(chǔ)上,銜接我國(guó)現(xiàn)行生態(tài)環(huán)境監(jiān)測(cè)體系[33],對(duì)水生態(tài)狀態(tài)評(píng)價(jià)的要素進(jìn)行合理分類,分生物完整性、水質(zhì)、棲息地質(zhì)量和生態(tài)需水四類要素進(jìn)行水生態(tài)狀態(tài)評(píng)價(jià),其中生物完整性和水質(zhì)為必選要素,生態(tài)需水和棲息地為備選要素(表1)[9,17]。

表1 水生態(tài)狀態(tài)評(píng)價(jià)指標(biāo)體系

3.1.2生物完整性評(píng)價(jià)

生物完整性為必選要素,以生物完整性指數(shù)(Index of Biological Integrity, IBI)表達(dá)。其中河流的必選指標(biāo)為著生藻類完整性指數(shù)和大型底棲無(wú)脊椎動(dòng)物完整性指數(shù),湖泊的必選指標(biāo)為浮游藻類完整性指數(shù)和大型底棲無(wú)脊椎動(dòng)物完整性指數(shù)(淺水湖泊)。應(yīng)用實(shí)踐中,根據(jù)水體類型、功能區(qū)的自然地理與生物區(qū)系特征、環(huán)境脅迫的時(shí)空差異,以及管理需求,選擇適合的水生生物類群[33—35]。環(huán)境變化的長(zhǎng)期生物脅迫效應(yīng)評(píng)價(jià)首選大型底棲無(wú)脊椎動(dòng)物和魚(yú)類[21,36],短期效應(yīng)評(píng)價(jià)則考慮著生藻類、浮游藻類或浮游動(dòng)物[37—38]。評(píng)價(jià)的水生態(tài)功能區(qū)如有魚(yú)類自然保護(hù)區(qū),應(yīng)將魚(yú)類完整性納入評(píng)價(jià)體系。

IBI構(gòu)建的技術(shù)流程包括以下步驟(圖5)：(1)水生生物監(jiān)測(cè)：在功能區(qū)內(nèi)選擇“無(wú)干擾”或“最小干擾”、水質(zhì)優(yōu)良、物理生境完好的區(qū)域設(shè)置參照點(diǎn)[39—42],選擇干擾較強(qiáng)的區(qū)域設(shè)置受損點(diǎn)；(2)候選生物參數(shù)計(jì)算：計(jì)算各類群生物完整性指數(shù)的候選生物參數(shù),一般包括六類參數(shù)：物種豐富度、群落組成、耐受性/敏感性、物種多樣性、功能群、現(xiàn)存量等[17,43]；(3)核心參數(shù)篩選：基于分布范圍檢驗(yàn)、判別能力分析、冗余分析,篩選出特定功能區(qū)、特定水體的生物完整性核心參數(shù)[17,43]；(4)參數(shù)歸一化：將參數(shù)的分布范圍標(biāo)準(zhǔn)化為0—1,將正向參數(shù)和反向參數(shù)對(duì)環(huán)境干擾的響應(yīng)方向調(diào)整為隨干擾增加而降低[43]；(5)生物完整性指數(shù)計(jì)算：采用等權(quán)重的方式,將各個(gè)核心參數(shù)記分值進(jìn)行平均,計(jì)算得出生物完整性指數(shù)；(6)等級(jí)確定：以參照點(diǎn)生物完整性指數(shù)值分布的25%分位數(shù)或所有樣點(diǎn)95%分位數(shù)為基準(zhǔn)值,高于該閾值則表示該點(diǎn)位受到的干擾很小,低于該值的數(shù)值進(jìn)行4等分,代表生物完整性由高到低的不同等級(jí),計(jì)為“優(yōu)、良、中、差、劣”5個(gè)等級(jí),并確定對(duì)應(yīng)等級(jí)的劃分閾值；(7)評(píng)價(jià)結(jié)果驗(yàn)證與修訂：根據(jù)生物完整性指數(shù)對(duì)環(huán)境壓力的響應(yīng)特征,采用區(qū)分率、判別分析、穩(wěn)定性、敏感性檢驗(yàn)方法[44—45],對(duì)IBI評(píng)價(jià)參數(shù)進(jìn)行驗(yàn)證,對(duì)未能通過(guò)驗(yàn)證的參數(shù)進(jìn)行剔除,對(duì)參數(shù)篩選和評(píng)價(jià)等級(jí)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行修訂,形成特定功能區(qū)、特定水體的生物完整性評(píng)價(jià)體系。

圖5 生物完整性評(píng)價(jià)的技術(shù)路線圖

3.1.3水質(zhì)評(píng)價(jià)

水質(zhì)評(píng)價(jià)包括兩項(xiàng)指標(biāo),分別是水質(zhì)類別指數(shù)和湖泊營(yíng)養(yǎng)狀態(tài)指數(shù),前者應(yīng)用于河流和湖泊,后者應(yīng)用于湖泊。存在富營(yíng)養(yǎng)化和藻類水華風(fēng)險(xiǎn)的湖泊,應(yīng)將營(yíng)養(yǎng)狀態(tài)指數(shù)納入評(píng)價(jià)體系。

水質(zhì)類別指數(shù)計(jì)算參照《地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》(GB 3838)[46]基本項(xiàng)目的標(biāo)準(zhǔn)限值,進(jìn)行單因子評(píng)價(jià)(其中水溫和pH不作為評(píng)價(jià)指標(biāo))(表2),將該項(xiàng)目實(shí)測(cè)濃度值和對(duì)照評(píng)分閾值進(jìn)行線性內(nèi)插得到評(píng)分值。

表2 水質(zhì)類別指數(shù)評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)

營(yíng)養(yǎng)狀態(tài)評(píng)價(jià)采用綜合營(yíng)養(yǎng)狀態(tài)指數(shù),指標(biāo)計(jì)算采用葉綠素a、總氮、總磷、透明度和高錳酸鹽指數(shù)共5項(xiàng)參數(shù)(表3)[47]。同時(shí)采用水質(zhì)類別和營(yíng)養(yǎng)狀態(tài)指數(shù)評(píng)價(jià)時(shí),取平均得分為水質(zhì)評(píng)價(jià)結(jié)果。

表3 湖泊營(yíng)養(yǎng)狀態(tài)評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)

3.1.4棲息地質(zhì)量評(píng)價(jià)

篩選與生物完整性及水質(zhì)密切關(guān)聯(lián)的指標(biāo)進(jìn)行河湖棲息地評(píng)價(jià)[17,48—49]。河流系統(tǒng)棲息地包括河岸帶和河道指標(biāo),湖泊系統(tǒng)包括湖岸帶和湖泊指標(biāo)(表4)。河(湖)岸帶指標(biāo)包括生態(tài)岸線指數(shù)、岸線開(kāi)發(fā)利用程度、河(湖)岸帶植被覆蓋度；河道指標(biāo)包括河流縱向連通性、沉積物污染指數(shù)；湖泊指標(biāo)包括河湖連通性、水面開(kāi)發(fā)利用程度、大型水生植被覆蓋度、沉積物污染指數(shù)。在篩選特定功能區(qū)棲息地質(zhì)量評(píng)價(jià)指標(biāo)時(shí),需結(jié)合棲息地特征及面臨的問(wèn)題進(jìn)行遴選。根據(jù)區(qū)域參照狀態(tài)、歷史狀態(tài),結(jié)合專家判斷,確定各評(píng)價(jià)指標(biāo)的閾值、分值和分級(jí)標(biāo)準(zhǔn),形成優(yōu)、良、中、差、劣5個(gè)評(píng)價(jià)等級(jí)及其對(duì)應(yīng)的等級(jí)數(shù)值[41,50—51]。

表4 河流和湖泊棲息地評(píng)價(jià)指標(biāo)組成

3.1.5生態(tài)需水滿足程度

生態(tài)需水是為滿足河湖生物生長(zhǎng)和繁殖等生命過(guò)程需要的水文條件。選用生態(tài)流量或生態(tài)水位滿足程度進(jìn)行評(píng)價(jià)。前者適用于河流,后者適用于湖泊或河流。河流優(yōu)先考慮生態(tài)流量滿足程度,但對(duì)流向不明、流速微弱、潮汐河流、無(wú)流量數(shù)據(jù)的河流,可選用生態(tài)水位滿足程度。生態(tài)需水計(jì)算方法可采用水文學(xué)法、水力學(xué)法、棲息地模擬法、整體分析法等方法進(jìn)行確定[52—54],具體參照《河湖生態(tài)環(huán)境需水計(jì)算規(guī)范》(SL/Z 712)的相關(guān)規(guī)定計(jì)算。

河流生態(tài)流量滿足程度。分別計(jì)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(jì)算賦分值,取二者的最低賦分為河流生態(tài)流量滿足程度賦分(表5)。評(píng)估斷面應(yīng)選擇國(guó)家有明確要求的、具有重要生態(tài)保護(hù)價(jià)值或重要敏感物種的水域或行政區(qū)界斷面。

表5 河流生態(tài)流量滿足程度賦分和分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)

評(píng)價(jià)生態(tài)水位滿足程度。生態(tài)水位依據(jù)相關(guān)規(guī)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(tài)法、生物空間最小需求法等方法確定(表6)。

表6 生態(tài)水位滿足程度賦分和分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)

3.1.6水生態(tài)狀態(tài)指數(shù)

水生態(tài)綜合評(píng)價(jià)時(shí),取四類要素評(píng)價(jià)結(jié)果的最低等級(jí)作為水生態(tài)狀態(tài)綜合評(píng)價(jià)等級(jí),并獲得對(duì)應(yīng)指標(biāo)的等級(jí)數(shù)值(圖6)。

圖6 水生態(tài)狀態(tài)綜合評(píng)價(jià)技術(shù)路線圖

3.2 水生態(tài)問(wèn)題診斷

基于水生態(tài)狀態(tài)的評(píng)價(jià)結(jié)果,診斷生物完整性、水質(zhì)、棲息地質(zhì)量、生態(tài)需水等方面的問(wèn)題,重點(diǎn)分析生物完整性狀況。應(yīng)用排序分析、廣義線性模型、結(jié)構(gòu)方程模型等多元統(tǒng)計(jì)方法,以水質(zhì)、棲息地、水文條件等環(huán)境參數(shù)為解釋變量,基于方差分析,分析不同因子對(duì)生物完整性的相對(duì)影響程度,優(yōu)先確定出影響敏感生物類群和解釋量大的因子,進(jìn)而明確影響生物完整性的關(guān)鍵環(huán)境脅迫因子[55—56]。收集功能區(qū)產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)與污染源、土地利用、水資源開(kāi)發(fā)、涉水工程建設(shè)、水域岸線開(kāi)發(fā)利用等方面的資料,分析造成水生態(tài)問(wèn)題的主要原因,根據(jù)功能區(qū)的主導(dǎo)功能,對(duì)問(wèn)題進(jìn)行主次排序,明確水生態(tài)問(wèn)題[57—59]。

3.3 水生態(tài)保護(hù)目標(biāo)預(yù)設(shè)

根據(jù)主導(dǎo)水生態(tài)功能定位、水功能區(qū)劃、“三條紅線”和現(xiàn)行水質(zhì)考核目標(biāo)等對(duì)水環(huán)境和水生態(tài)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(jié)合水生態(tài)現(xiàn)狀等級(jí),從水質(zhì)、水量、棲息地和水生生物四個(gè)方面,預(yù)設(shè)水生態(tài)保護(hù)目標(biāo),明確約束條件。重點(diǎn)關(guān)注得分低、等級(jí)低的要素(圖7)。

圖7 水生態(tài)保護(hù)目標(biāo)預(yù)設(shè)技術(shù)路線

水生態(tài)保護(hù)目標(biāo)預(yù)設(shè)包括以下四方面：(1)確定水生態(tài)功能分區(qū)的主導(dǎo)水生態(tài)功能[9,60],其中,以水源涵養(yǎng)與水文調(diào)節(jié)、生境維持、水生珍稀特有物種棲息地與洄游通道、重要生態(tài)資產(chǎn)保護(hù)等為主導(dǎo)功能的,水生態(tài)保護(hù)目標(biāo)預(yù)設(shè)為“優(yōu)”或“良”；以土壤保持、農(nóng)業(yè)生產(chǎn)支撐和城市生活支撐功能等為主導(dǎo)功能的,水生態(tài)保護(hù)目標(biāo)可預(yù)設(shè)為“中”；(2)對(duì)生態(tài)紅線劃定區(qū)域[61—62],如飲用水源保護(hù)區(qū)、自然保護(hù)區(qū)、水源涵養(yǎng)區(qū)、重要漁業(yè)水域、重要濕地等,水生態(tài)保護(hù)目標(biāo)預(yù)設(shè)為“優(yōu)”或“良”；(3)對(duì)有明確用途的水功能區(qū),如保護(hù)區(qū)、保留區(qū)、飲用水源地、漁業(yè)用水區(qū)等,水生態(tài)保護(hù)目標(biāo)預(yù)設(shè)為“優(yōu)”或“良”；工業(yè)用水區(qū)、景觀用水區(qū)、農(nóng)業(yè)用水區(qū)等,水生態(tài)保護(hù)目標(biāo)預(yù)設(shè)為“中”或提升一個(gè)等級(jí)；(4)對(duì)其他非重要或沒(méi)有明確水生態(tài)功能要求的區(qū)域,結(jié)合水生態(tài)狀態(tài)現(xiàn)狀等級(jí),逐級(jí)提升,規(guī)定水生態(tài)保護(hù)目標(biāo)預(yù)設(shè)為“中”或提升一個(gè)等級(jí)。上述預(yù)設(shè)條件如有重疊的區(qū)域,取高等級(jí)為水生態(tài)保護(hù)預(yù)設(shè)目標(biāo)。

3.4 水生態(tài)保護(hù)目標(biāo)可達(dá)性評(píng)估

在河湖水生態(tài)現(xiàn)狀不滿足水生態(tài)保護(hù)目標(biāo)情況下,構(gòu)建河湖水動(dòng)力-水質(zhì)-水生態(tài)模型,模擬典型氣象水文條件下的水生態(tài)要素時(shí)空變化過(guò)程,預(yù)測(cè)不同修復(fù)措施情景下的水生態(tài)狀態(tài)變化,評(píng)價(jià)保護(hù)目標(biāo)可達(dá)性(Accessibility Assessment,AA)[63—66]。具體過(guò)程如下：(1)從“(水)質(zhì)-(水)量-(棲息)地-(水)生(物)”4個(gè)方面指標(biāo)出發(fā),以功能定位與水質(zhì)目標(biāo)等為約束條件,分析參照狀態(tài)設(shè)定的指標(biāo)閾值,評(píng)價(jià)水生態(tài)保護(hù)目標(biāo)的可達(dá)性；(2)通過(guò)構(gòu)建河湖水動(dòng)力-水質(zhì)-水生態(tài)模型,模擬不同氣象、水文及生態(tài)修復(fù)工程等情景下水生態(tài)狀態(tài),設(shè)定不同指標(biāo)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(yōu)化算法,構(gòu)建優(yōu)化模型,進(jìn)行情景設(shè)計(jì)評(píng)價(jià)與全局優(yōu)化求解,分析最優(yōu)情景,確定提升方案和優(yōu)化保護(hù)目標(biāo),從而提出提升方案優(yōu)化并進(jìn)行可達(dá)性分析；(4)如果保護(hù)目標(biāo)可達(dá),則優(yōu)化后的保護(hù)目標(biāo)即為水生保護(hù)目標(biāo),若不可達(dá),返回水生態(tài)保護(hù)預(yù)設(shè)目標(biāo),重新預(yù)設(shè)目標(biāo)(圖8)。

圖8 水生態(tài)保護(hù)目標(biāo)可達(dá)性分析技術(shù)路線

3.5 水生態(tài)保護(hù)目標(biāo)確定與方案編制

根據(jù)可達(dá)性分析和優(yōu)化結(jié)果,確定水生態(tài)保護(hù)目標(biāo),并編制各功能區(qū)的水生態(tài)保護(hù)方案。水生態(tài)狀況等級(jí)為“優(yōu)”和“良”的分區(qū),應(yīng)重點(diǎn)采取保護(hù)措施；等級(jí)為“中”和“差”的分區(qū),應(yīng)重點(diǎn)采取修復(fù)措施；等級(jí)為“劣”的分區(qū),應(yīng)重點(diǎn)采取生態(tài)重建措施。根據(jù)水生態(tài)問(wèn)題診斷,從生態(tài)需水保障、生境保護(hù)與修復(fù)、外源污染治理、內(nèi)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(hù)、修復(fù)措施清單。措施的第一階段重點(diǎn)是清理、整治現(xiàn)存和潛在污染,以工程措施改善生態(tài)質(zhì)量；第二階段重點(diǎn)是以自然生態(tài)恢復(fù)為主,建立完善、長(zhǎng)效的管理機(jī)制。

4 常州水生態(tài)功能區(qū)水生態(tài)保護(hù)目標(biāo)制定應(yīng)用

水生態(tài)保護(hù)目標(biāo)制定技術(shù)體系在常州水生態(tài)功能區(qū)進(jìn)行示范應(yīng)用,以驗(yàn)證方法技術(shù)的可行性、合理性和適用性。該功能區(qū)面積4385 km2,劃分為17個(gè)水生態(tài)功能區(qū),確定了分區(qū)界線和主導(dǎo)功能(圖9)[67]。

圖9 常州市水生態(tài)功能區(qū)及其主導(dǎo)功能定位

4.1 功能區(qū)水生態(tài)狀態(tài)評(píng)價(jià)

根據(jù)2017—2019年水生生物、水質(zhì)、棲息地和水文的調(diào)查和監(jiān)測(cè)結(jié)果,依據(jù)水生態(tài)狀況評(píng)價(jià)方法,對(duì)常州市各功能區(qū)開(kāi)展水生態(tài)狀態(tài)的各要素和單項(xiàng)指標(biāo)評(píng)價(jià),并進(jìn)行綜合狀況評(píng)價(jià)。為增強(qiáng)水生態(tài)保護(hù)目標(biāo)的科學(xué)性和實(shí)用性,常州水生態(tài)保護(hù)目標(biāo)制定相關(guān)采樣點(diǎn)按照網(wǎng)格布點(diǎn)法,確保每個(gè)水生態(tài)功能區(qū)采樣點(diǎn)不少于3個(gè)。取同一水生態(tài)功能區(qū)所有采樣點(diǎn)評(píng)價(jià)結(jié)果的平均值作為該區(qū)水生態(tài)狀態(tài)的最終結(jié)果。

評(píng)價(jià)結(jié)果顯示(圖10),水生生物完整性大部分處于“中”和“差”的狀態(tài),占88%,只有二個(gè)處于山丘區(qū)的分區(qū)處于“良”的狀態(tài),尤其是城區(qū)的幾個(gè)分區(qū),均處于“差”的狀態(tài)；水質(zhì)狀況大部分為“中”的狀態(tài),“優(yōu)”、“良”狀態(tài)分區(qū)處于山丘和沿江區(qū)域,占23%,滆湖、長(zhǎng)蕩湖處于“劣”的狀態(tài)；生物棲息地大部分處于“中”和“差”的狀態(tài),占88%,尤其是城區(qū)和滆湖、長(zhǎng)蕩湖,二個(gè)山丘區(qū)處于“良”的狀態(tài)；平原區(qū)生態(tài)水位滿足程度均為“優(yōu)”,山丘區(qū)和洮滆高地區(qū)為“良”。

圖10 常州水生態(tài)功能區(qū)各生態(tài)要素評(píng)價(jià)結(jié)果

綜合評(píng)價(jià)結(jié)果2個(gè)區(qū)為“良”,4個(gè)區(qū)為“中”,2個(gè)區(qū)為“劣”(圖11)。評(píng)價(jià)為“差”的主要的限制指標(biāo)為生物完整性和水質(zhì),基本處于劣Ⅴ類水質(zhì)或中度富營(yíng)養(yǎng),水面開(kāi)發(fā)利用強(qiáng)度大,水生植物覆蓋度退化嚴(yán)重。

4.2 水生態(tài)問(wèn)題診斷

常州示范區(qū)的水生態(tài)問(wèn)題主要包括：(1)河流和湖泊大型底棲無(wú)脊椎動(dòng)物完整性低，耐污種占優(yōu)，湖泊藍(lán)藻密度高；(2)河流水質(zhì)以IV—劣V類為主，占比超過(guò)80%，冬春季水質(zhì)較差(劣V類斷面占比超過(guò)10%)，主要為常州市區(qū)及周邊城鎮(zhèn)的河流；(3)滆湖總氮為劣V類，總磷為V—-劣V類，長(zhǎng)蕩湖總氮為劣V類，總磷為IV—V類，滆湖、長(zhǎng)蕩湖全年處于中度富營(yíng)養(yǎng)狀態(tài)；(4)河流棲息地岸線開(kāi)發(fā)利用程度較高，城市河道內(nèi)源污染負(fù)荷大，氮磷污染程度高；湖泊棲息地圈圩(圍)養(yǎng)殖開(kāi)發(fā)利用強(qiáng)度大，水生植物覆蓋度退化嚴(yán)重，底泥淤積嚴(yán)重，內(nèi)源負(fù)荷高；(5)河流水體流動(dòng)性差。

4.3 水生態(tài)保護(hù)目標(biāo)預(yù)設(shè)

根據(jù)水生態(tài)保護(hù)目標(biāo)制定技術(shù)框架,收集了常州示范區(qū)生態(tài)紅線、水環(huán)境質(zhì)量考核目標(biāo)、水功能區(qū)劃等方面的資料,確定了各水生態(tài)功能區(qū)的主導(dǎo)生態(tài)功能,結(jié)合常州水環(huán)境質(zhì)量考核要求,通過(guò)疊加分析,并充分考慮水生態(tài)現(xiàn)狀等級(jí)、社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展需求等要素,預(yù)設(shè)了水生態(tài)保護(hù)目標(biāo)(圖11)

4.4 水生態(tài)保護(hù)目標(biāo)可達(dá)性評(píng)估

基于水生態(tài)狀態(tài)評(píng)價(jià)和問(wèn)題診斷結(jié)果,以水生態(tài)保護(hù)預(yù)設(shè)目標(biāo)為基礎(chǔ),以功能定位、水質(zhì)目標(biāo)、三條紅線等為約束條件,分析“水質(zhì)-水量-棲息地-水生生物”四類指標(biāo)提升潛力和閾值,根據(jù)提升潛力大小對(duì)指標(biāo)進(jìn)行排序,排序高的指標(biāo)在可達(dá)性評(píng)估模型中優(yōu)先進(jìn)入提升優(yōu)化方案。優(yōu)化結(jié)果顯示,有5個(gè)功能區(qū)不能達(dá)到預(yù)設(shè)目標(biāo),包括2個(gè)湖泊為主的分區(qū)和3個(gè)河流為主的分區(qū),水生態(tài)保護(hù)目標(biāo)從“良”降為“中”。最終確定4個(gè)水生態(tài)保護(hù)目標(biāo)設(shè)定為“良”,其他為“中”(圖11)。常州水生態(tài)功能區(qū)屬于重干擾、水生態(tài)退化、重點(diǎn)在于治理的區(qū)域。根據(jù)優(yōu)化后的目標(biāo),可以進(jìn)行有針對(duì)性的水生態(tài)保護(hù)方案編制。

圖11 常州水生態(tài)功能區(qū)水生態(tài)現(xiàn)狀及目標(biāo)優(yōu)化

5 結(jié)論

(1)梳理形成的水生態(tài)系統(tǒng)要素的尺度效應(yīng)、水生生物時(shí)空尺度的差異性、水生物對(duì)環(huán)境脅迫的敏感性差異、生物完整性對(duì)壓力響應(yīng)存在梯度效應(yīng)等理念,為水生態(tài)保護(hù)目標(biāo)的制定提供了理論依據(jù)。

(2)研究提出的水生態(tài)“功能分區(qū)-狀態(tài)評(píng)價(jià)-問(wèn)題診斷-目標(biāo)預(yù)設(shè)-可達(dá)性評(píng)估-目標(biāo)確定”為主線的水生態(tài)保護(hù)目標(biāo)制定技術(shù)路線,明確了工作流程。

(3)研發(fā)的水生態(tài)保護(hù)目標(biāo)制定的關(guān)鍵技術(shù),包括水生態(tài)狀態(tài)評(píng)價(jià)的指標(biāo)體系構(gòu)建技術(shù)、生物完整性評(píng)價(jià)技術(shù)、水生態(tài)保護(hù)目標(biāo)預(yù)設(shè)技術(shù)和可達(dá)性評(píng)估技術(shù),解決了水生態(tài)保護(hù)目標(biāo)制定的技術(shù)瓶頸。

(4)通過(guò)在太湖流域常州水生態(tài)功能區(qū)的應(yīng)用實(shí)踐,發(fā)現(xiàn)有5個(gè)區(qū)域達(dá)不到預(yù)設(shè)的目標(biāo),為地方實(shí)施水生態(tài)綜合管理提供了參考,驗(yàn)證了水生態(tài)保護(hù)目標(biāo)制定技術(shù)的可行性、合理性和適用性。

(5)水生態(tài)保護(hù)是一個(gè)宏大的命題,針對(duì)我國(guó)不同區(qū)域、不同水體,提出相對(duì)一致的技術(shù)方法,還存在諸多的困難。該文研發(fā)的技術(shù)體系還需在更多不同類型的功能區(qū)進(jìn)行應(yīng)用驗(yàn)證,逐步修改完善,為相關(guān)工作提供科學(xué)支撐。