流域水生態功能分區與健康管控技術手冊 節選

第1章 緒論 1.1 流域水生態功能分區與健康管控的背景和意義 我國水環境長期污染，水生態系統退化嚴重，實施水生態健康系統管理，對于客觀判別我國水生態退化狀況、支撐我國流域水生態保護與恢復工作具有重要意義。黨的十九大提出了21世紀中葉的“美麗中國”建設藍圖，明確了到2035年生態環境質量實現根本好轉，美麗中國目標基本實現的建設目標。2019年12月，生態環境部印發《重點流域水生態環境保護“十四五”規劃編制技術大綱》，明確提出要突出水資源、水生態、水環境“三水”統籌，實現“有河有水，有魚有草，人水和諧”的目標，標志著我國水環境管理已經從傳統理化指標水質改善向水生態健康轉變。 “針對生態環境特點，實施區域差異性管理”是國際水環境管理的成功經驗。歐美等國家都將水生態健康作為核心管理目標，建立了基于水生態分區的水環境管理體系。美國從1987年開始實施全國水生態區劃方案，將美國大陸劃分為15個一級區，50個二級區，85個三級區，791個四級區，目前大多數州都已經劃分到五級區。歐盟基于海拔、地質和集水區面積等要素劃分水生態區，在此基礎上進一步識別水體類型，建立了水體分區分類管理體系。以水生態分區為基礎，美國和歐盟開展了水生態健康分區管理工作，實施制定了以水生態健康恢復為目標的保護修復措施，水生態健康評價指標也從單指標評價、多參數評價向水生態完整性評價、水生態狀況綜合評價轉變。 與國外相比，我國水生態健康管控技術總體滯后，存在突出的技術短板：一是缺乏體現水生態區域分異規律的分區方法，不能為水生態健康管理提供合理的單元；二是水生態健康評價方法長期采用歐美指標和標準，缺乏本土化指標體系和評價標準，水生態保護目標制定技術缺乏研究，難以科學指導我國水生態管理考核工作；三是水生態健康管控技術薄弱，難以有效支撐以水生態健康為目標的“三水”統籌管理。因此面向我國水生態健康管理戰略需求，國家水體污染控制與治理科技重大專項（簡稱水專項）經過十余年的技術研發，在水生態功能分區、水生態健康評價、水生態保護目標制定、土地利用空間管控和水生態承載力調控等關鍵環節開展了技術突破，初步構建了我國以水生態功能分區為基礎的健康管控成套技術體系，引領帶動了我國水環境管理模式的提質升級。 1.2 國內外研究進展 1.2.1 水生態功能分區 生態（功能）區是國家實施區域差異性環境管理的基礎。1987年，Omernik提出了水生態分區的概念和劃分方法，以Omernik理念為指導，20世紀80年代末美國環境保護署(Environmental Protection Agency，EPA)形成了五級分區體系，以影響水生態系統空間分布與組成的自然環境因素為分區指標開展了水生態區的劃定，大尺度以氣候、地形等為分區指標，中小尺度以植被、人類活動、水生生境、水生生物群落組成等為分區指標。*初以專題圖疊置和專家經驗等定性分析的方法確定水生態區邊界，隨著GIS技術的發展，美國各州逐漸開始采用定量化的區劃技術方法（Host et al.，1996），對原有的生態區劃邊界進行修訂。1995年，在美國農業部（United States Department of Agriculture，USDA）支持下，為保護北美水生生物多樣性，根據北美魚類分布特征，Maxwell等（1995）建立了基于多尺度的北美淡水生態分區等級結構，包括動物地理大區（zones）、動物地理亞區（subzones）、地區（regions）、亞地區（subregions）、流域（basins）、亞流域（subbasins）乃至更小的分區單元。奧地利學者在1997年運用USEPA模型，采用“自上而下”的方法，大尺度以氣候要素等為分區指標，小尺度以水質等為分區指標，將奧地利劃分為17個水生態區。歐盟于2000年頒布了《歐盟水框架指令》(Water Framework Directive，WFD)，在水體類型確定基礎上，提出了生態區+分類的水生態區劃分方法（Moog et al.，2004），基于海拔、集水區、面積、地質等大尺度環境要素將歐盟劃分為25個水生態區，在此基礎上進一步引入水生生境、水生生物等指標進行細分。2008年，在北美淡水生態分區基礎上，為保護世界淡水生物多樣性，世界自然基金會（World Wildlife Fund，WWF）組織200多名學者依據全球淡水魚類資源的組成及分布差異，將全球劃分為426個水生態區（Abell et al.，2008）。此外，南非共和國、德國、澳大利亞、新西蘭等國家為支撐水生態監測評價工作也開展了水生態區的劃定工作。 過去幾十年里，我國針對淡水生態系統也開展了區劃研究。李思忠（1981）根據魚類組成和屬種的差異將淡水魚類分為5個一級區、2個二級區；熊怡和張家楨（1995）根據徑流深、徑流年內分配和徑流動態，按照定性和定量（模糊聚類）相結合的方法，將全國劃分為11個水文一級區、56個水文二級區；尹民等（2005）開展了中國河流生態水文區劃研究，將中國河流劃分為10個一級區、44個二級區、406個三級區；20世紀80年代開始，環境保護部開展了全國水環境功能區劃分，以期為水污染控制提供依據；2002年，水利部提出了全國的水功能區方案，將其作為全國水體功能管理的基礎。以上分區主要是針對水生態系統的部分要素開展的區劃研究，并不是真正意義上的水生態區劃。2008年在水體污染控制與治理科技重大專項的支持下，我國開始了水生態功能分區理論和技術方法研究工作，并在松花江、海河、淮河、遼河、東江、黑河、贛江、太湖、滇池、洱海、巢湖11個流域開展了水生態功能一～四級分區方案的劃分。其中，張遠等（2007）在GIS技術支持下，采用多指標疊加分析和專家經驗方法，通過對遼河流域自然要素和水生生物指標進行典型相關分析（component analysis，CA），劃分出遼河流域水生態功能分區方案。許莎莎（2012）以GIS和SWAT水文模型為主要技術手段，通過空間疊置法、多變量空間分析法篩選并確定了黑河流域水生態功能分區指標和方法。孫然好等（2013）通過分析海河流域的陸地和水生態系統特點，運用地貌類型、徑流深、年降水量、年蒸發量等指標將海河流域劃分為6個一級區；運用植被類型和土壤類型的空間異質性將海河流域劃分為16個二級區；從水資源調節功能、水環境調節功能、生境調節功能、河流類型4方面指標出發，自下而上聚類和人工判讀相結合，將海流域劃分為73個三級區；選取蜿蜒度、比降、斷流風險、鹽度4個指標，通過疊加分析、空間融合、拓撲查錯和人工判讀，*終將海河流域劃分為428個四級區。高俊峰等（2019）以太湖和巢湖為案例，深入探討了湖泊型流域水生態功能分區等級體系、方法體系和指標體系，建立了湖泊型流域水生態功能分區理論。高喆等（2015）以滇池流域為例，基于生態功能區劃的生態系統服務功能、尺度效應、地域分異規律等理論，以一～四級分區反映自然地理差異、人類干擾差異、水生生物生存空間差異、水生生物生境差異為目標，通過空間疊加聚類將滇池流域劃分為5個一級區、10個二級區、23個三級區、41個四級區。以上區劃方面的研究工作，無論是從理論層面還是從技術層面，都為我國水生態功能區劃工作的開展提供了重要基礎。 1.2.2 水生態健康評價與保護目標制定 近半個世紀以來，隨著經濟社會的快速發展，人口急劇膨脹，特別是工業化和城市化的深入推進，人類活動對于流域水生態系統的干擾和改造強度不斷提高，而工業的迅速發展導致水資源的需求大量增加、污染物大量排放以及流域棲息地改變和受損，流域水生態系統的結構和功能受到嚴重破壞，直接影響到流域水生態系統生態功能和服務功能的正常供給，部分河湖已經演變為人類主導下的河湖生態系統，水環境惡化、水生態退化現象普遍（許有鵬，2012；Pelicice et al.，2015；Pongruktham and Ochs，2015；高俊峰等，2016；崔廣柏等，2017；Shi et al.，2017）。 水生態健康屬生態學研究的重要領域之一，經過長期研究實踐，其概念的內涵和外延不斷充實和深化。從生態系統角度，水生態健康具備重要的維持化學、物理及生物完整性的功能（Karr et al.，1986）；從時間角度，水生態健康反映了生態系統中自然發生的演替或預期的順序變化；從生物學角度，健康的水生態系統具有初級生產力與次級生產力高、營養元素變化循環、物種多樣性高的特征（Rapport，1999）；從服務功能角度，健康的水生態系統不僅能保持化學、物理及生物完整性，還能維持其對人類社會提供的各種服務功能（Karr，1999），隨著國內外陸地水生態研究及應用不斷深入，水生態健康評價及應用體系逐步形成并走向完善。 水生態健康評價發展歷程大體可以分為三個階段。**階段主要是利用水生生物的生物學和生態學屬性信息進行水體評價。20世紀初期至50年代，利用水生生物對河流有機污染的敏感性進行水體評價開始逐步發展，但生物種類分布受到地區和各種環境因素的限制，對于利用污水生物系統指示水體污染狀況可靠性差。第二階段主要是利用生物指數計算、模型分析等梳理統計手段開展水生態健康評價。60～70年代反映水生生物群落結構與功能特征的生物指數（biological index，BI）、香農-維納（Shannon-Wiener）多樣性指數（H′）等水生生物評價指數得到了快速發展。80年代以后，水生態評價從單一生物指數逐漸向多參數或綜合參數生物指數過渡，如生物完整性指數（index of biological integrity，IBI）、魚類集聚完整性指數（fish assemblage integrity index，FAII）、營養完整性指數（ITC）、營養硅藻指數（TDI）等，其中生物完整性指數在世界范圍內應用*為廣泛。此后以水生生物要素為核心，綜合考慮水文、水化學、物理生境等要素的流域綜合評價方法逐步形成并完善，許多國家都將其納入流域管理中。第三階段依靠當前不斷發展的各類生物新技術方法，開始從水生生物個體水平評價水生態系統健康狀況，如利用魚類、大型底棲動物水體及水生生物體內含污量、關鍵生理指標活力水平進行水生態評價。此外近年基于水體環境DNA的水生態健康高效監測評價技術開始得到發展，目前這一研究方向剛剛起步，在評價指標、評價標準等許多方面還需要不斷完善。 歐美發達國家從20世紀50～60年代起，一直以水化學指標作為河流生態系統保護的主要目標，近30年來逐漸從水體化學指標的保護向水生態系統保護轉變，并開展了大量水生態保護目標的研究工作，如美國的《清潔水法》和歐盟的《歐盟水框架指令》（EC，2000；Brack et al.，2016；EPA，2016；Rossberg et al.，2017）。我國未來一段時間內將從水體污染控制向水生態管理轉變，而水生態保護目標的制定技術長期滯后，在很大程度上制約了水生態管理技術的應用和發展（高俊峰等，2017）。目前大量的研究已經證明，單純從水質角度來評估和檢測流域生態系統的健康，并不能達到良好的效果，只有維持流域生態系統結構和功能的完整性，即具有健康的水生生物群落和良好的物理化學條件，才能實現河流湖泊的真正健康（Brack et al.，2016；高俊峰等，2016；Rossberg et al.，2017）。因此，水生態系統保護目標的研究，應當是針對水生態系統完整性的保護和恢復，包括水生生物完整性、水體化學完整性和河流物理完整性三個主要方面（Working Group 2A，2003；Hering et al.，2010；Andersen et al.，2016）。因此必須首先確定水生態系統完整性的參照條件，在此基礎上結合技術、經濟以及人類需求，確定水生態系統的保護目標。目前，中國的河流水生態保護只能夠參照地表水或者地下水環境標準確定目標，這顯然是不合適的，水生態系統究竟修復到何種水平，不能僅