流域水生态功能分区与健康管控技术手册

第1章 绪论 1.1 流域水生态功能分区与健康管控的背景和意义 我国水环境长期污染，水生态系统退化严重，实施水生态健康系统管理，对于客观判别我国水生态退化状况、支撑我国流域水生态保护与恢复工作具有重要意义。党的十九大提出了21世纪中叶的“美丽中国”建设蓝图，明确了到2035年生态环境质量实现根本好转，美丽中国目标基本实现的建设目标。2019年12月，生态环境部印发《重点流域水生态环境保护“十四五”规划编制技术大纲》，明确提出要突出水资源、水生态、水环境“三水”统筹，实现“有河有水，有鱼有草，人水和谐”的目标，标志着我国水环境管理已经从传统理化指标水质改善向水生态健康转变。 “针对生态环境特点，实施区域差异性管理”是国际水环境管理的成功经验。欧美等国家都将水生态健康作为核心管理目标，建立了基于水生态分区的水环境管理体系。美国从1987年开始实施全国水生态区划方案，将美国大陆划分为15个一级区，50个二级区，85个三级区，791个四级区，目前大多数州都已经划分到五级区。欧盟基于海拔、地质和集水区面积等要素划分水生态区，在此基础上进一步识别水体类型，建立了水体分区分类管理体系。以水生态分区为基础，美国和欧盟开展了水生态健康分区管理工作，实施制定了以水生态健康恢复为目标的保护修复措施，水生态健康评价指标也从单指标评价、多参数评价向水生态完整性评价、水生态状况综合评价转变。 与国外相比，我国水生态健康管控技术总体滞后，存在突出的技术短板：一是缺乏体现水生态区域分异规律的分区方法，不能为水生态健康管理提供合理的单元；二是水生态健康评价方法长期采用欧美指标和标准，缺乏本土化指标体系和评价标准，水生态保护目标制定技术缺乏研究，难以科学指导我国水生态管理考核工作；三是水生态健康管控技术薄弱，难以有效支撑以水生态健康为目标的“三水”统筹管理。因此面向我国水生态健康管理战略需求，国家水体污染控制与治理科技重大专项（简称水专项）经过十余年的技术研发，在水生态功能分区、水生态健康评价、水生态保护目标制定、土地利用空间管控和水生态承载力调控等关键环节开展了技术突破，初步构建了我国以水生态功能分区为基础的健康管控成套技术体系，引领带动了我国水环境管理模式的提质升级。 1.2 国内外研究进展 1.2.1 水生态功能分区 生态（功能）区是国家实施区域差异性环境管理的基础。1987年，Omernik提出了水生态分区的概念和划分方法，以Omernik理念为指导，20世纪80年代末美国环境保护署(Environmental Protection Agency，EPA)形成了五级分区体系，以影响水生态系统空间分布与组成的自然环境因素为分区指标开展了水生态区的划定，大尺度以气候、地形等为分区指标，中小尺度以植被、人类活动、水生生境、水生生物群落组成等为分区指标。*初以专题图叠置和专家经验等定性分析的方法确定水生态区边界，随着GIS技术的发展，美国各州逐渐开始采用定量化的区划技术方法（Host et al.，1996），对原有的生态区划边界进行修订。1995年，在美国农业部（United States Department of Agriculture，USDA）支持下，为保护北美水生生物多样性，根据北美鱼类分布特征，Maxwell等（1995）建立了基于多尺度的北美淡水生态分区等级结构，包括动物地理大区（zones）、动物地理亚区（subzones）、地区（regions）、亚地区（subregions）、流域（basins）、亚流域（subbasins）乃至更小的分区单元。奥地利学者在1997年运用USEPA模型，采用“自上而下”的方法，大尺度以气候要素等为分区指标，小尺度以水质等为分区指标，将奥地利划分为17个水生态区。欧盟于2000年颁布了《欧盟水框架指令》(Water Framework Directive，WFD)，在水体类型确定基础上，提出了生态区+分类的水生态区划分方法（Moog et al.，2004），基于海拔、集水区、面积、地质等大尺度环境要素将欧盟划分为25个水生态区，在此基础上进一步引入水生生境、水生生物等指标进行细分。2008年，在北美淡水生态分区基础上，为保护世界淡水生物多样性，世界自然基金会（World Wildlife Fund，WWF）组织200多名学者依据全球淡水鱼类资源的组成及分布差异，将全球划分为426个水生态区（Abell et al.，2008）。此外，南非共和国、德国、澳大利亚、新西兰等国家为支撑水生态监测评价工作也开展了水生态区的划定工作。 过去几十年里，我国针对淡水生态系统也开展了区划研究。李思忠（1981）根据鱼类组成和属种的差异将淡水鱼类分为5个一级区、2个二级区；熊怡和张家桢（1995）根据径流深、径流年内分配和径流动态，按照定性和定量（模糊聚类）相结合的方法，将全国划分为11个水文一级区、56个水文二级区；尹民等（2005）开展了中国河流生态水文区划研究，将中国河流划分为10个一级区、44个二级区、406个三级区；20世纪80年代开始，环境保护部开展了全国水环境功能区划分，以期为水污染控制提供依据；2002年，水利部提出了全国的水功能区方案，将其作为全国水体功能管理的基础。以上分区主要是针对水生态系统的部分要素开展的区划研究，并不是真正意义上的水生态区划。2008年在水体污染控制与治理科技重大专项的支持下，我国开始了水生态功能分区理论和技术方法研究工作，并在松花江、海河、淮河、辽河、东江、黑河、赣江、太湖、滇池、洱海、巢湖11个流域开展了水生态功能一～四级分区方案的划分。其中，张远等（2007）在GIS技术支持下，采用多指标叠加分析和专家经验方法，通过对辽河流域自然要素和水生生物指标进行典型相关分析（component analysis，CA），划分出辽河流域水生态功能分区方案。许莎莎（2012）以GIS和SWAT水文模型为主要技术手段，通过空间叠置法、多变量空间分析法筛选并确定了黑河流域水生态功能分区指标和方法。孙然好等（2013）通过分析海河流域的陆地和水生态系统特点，运用地貌类型、径流深、年降水量、年蒸发量等指标将海河流域划分为6个一级区；运用植被类型和土壤类型的空间异质性将海河流域划分为16个二级区；从水资源调节功能、水环境调节功能、生境调节功能、河流类型4方面指标出发，自下而上聚类和人工判读相结合，将海流域划分为73个三级区；选取蜿蜒度、比降、断流风险、盐度4个指标，通过叠加分析、空间融合、拓扑查错和人工判读，*终将海河流域划分为428个四级区。高俊峰等（2019）以太湖和巢湖为案例，深入探讨了湖泊型流域水生态功能分区等级体系、方法体系和指标体系，建立了湖泊型流域水生态功能分区理论。高喆等（2015）以滇池流域为例，基于生态功能区划的生态系统服务功能、尺度效应、地域分异规律等理论，以一～四级分区反映自然地理差异、人类干扰差异、水生生物生存空间差异、水生生物生境差异为目标，通过空间叠加聚类将滇池流域划分为5个一级区、10个二级区、23个三级区、41个四级区。以上区划方面的研究工作，无论是从理论层面还是从技术层面，都为我国水生态功能区划工作的开展提供了重要基础。 1.2.2 水生态健康评价与保护目标制定 近半个世纪以来，随着经济社会的快速发展，人口急剧膨胀，特别是工业化和城市化的深入推进，人类活动对于流域水生态系统的干扰和改造强度不断提高，而工业的迅速发展导致水资源的需求大量增加、污染物大量排放以及流域栖息地改变和受损，流域水生态系统的结构和功能受到严重破坏，直接影响到流域水生态系统生态功能和服务功能的正常供给，部分河湖已经演变为人类主导下的河湖生态系统，水环境恶化、水生态退化现象普遍（许有鹏，2012；Pelicice et al.，2015；Pongruktham and Ochs，2015；高俊峰等，2016；崔广柏等，2017；Shi et al.，2017）。 水生态健康属生态学研究的重要领域之一，经过长期研究实践，其概念的内涵和外延不断充实和深化。从生态系统角度，水生态健康具备重要的维持化学、物理及生物完整性的功能（Karr et al.，1986）；从时间角度，水生态健康反映了生态系统中自然发生的演替或预期的顺序变化；从生物学角度，健康的水生态系统具有初级生产力与次级生产力高、营养元素变化循环、物种多样性高的特征（Rapport，1999）；从服务功能角度，健康的水生态系统不仅能保持化学、物理及生物完整性，还能维持其对人类社会提供的各种服务功能（Karr，1999），随着国内外陆地水生态研究及应用不断深入，水生态健康评价及应用体系逐步形成并走向完善。 水生态健康评价发展历程大体可以分为三个阶段。**阶段主要是利用水生生物的生物学和生态学属性信息进行水体评价。20世纪初期至50年代，利用水生生物对河流有机污染的敏感性进行水体评价开始逐步发展，但生物种类分布受到地区和各种环境因素的限制，对于利用污水生物系统指示水体污染状况可靠性差。第二阶段主要是利用生物指数计算、模型分析等梳理统计手段开展水生态健康评价。60～70年代反映水生生物群落结构与功能特征的生物指数（biological index，BI）、香农-维纳（Shannon-Wiener）多样性指数（H′）等水生生物评价指数得到了快速发展。80年代以后，水生态评价从单一生物指数逐渐向多参数或综合参数生物指数过渡，如生物完整性指数（index of biological integrity，IBI）、鱼类集聚完整性指数（fish assemblage integrity index，FAII）、营养完整性指数（ITC）、营养硅藻指数（TDI）等，其中生物完整性指数在世界范围内应用*为广泛。此后以水生生物要素为核心，综合考虑水文、水化学、物理生境等要素的流域综合评价方法逐步形成并完善，许多国家都将其纳入流域管理中。第三阶段依靠当前不断发展的各类生物新技术方法，开始从水生生物个体水平评价水生态系统健康状况，如利用鱼类、大型底栖动物水体及水生生物体内含污量、关键生理指标活力水平进行水生态评价。此外近年基于水体环境DNA的水生态健康高效监测评价技术开始得到发展，目前这一研究方向刚刚起步，在评价指标、评价标准等许多方面还需要不断完善。 欧美发达国家从20世纪50～60年代起，一直以水化学指标作为河流生态系统保护的主要目标，近30年来逐渐从水体化学指标的保护向水生态系统保护转变，并开展了大量水生态保护目标的研究工作，如美国的《清洁水法》和欧盟的《欧盟水框架指令》（EC，2000；Brack et al.，2016；EPA，2016；Rossberg et al.，2017）。我国未来一段时间内将从水体污染控制向水生态管理转变，而水生态保护目标的制定技术长期滞后，在很大程度上制约了水生态管理技术的应用和发展（高俊峰等，2017）。目前大量的研究已经证明，单纯从水质角度来评估和检测流域生态系统的健康，并不能达到良好的效果，只有维持流域生态系统结构和功能的完整性，即具有健康的水生生物群落和良好的物理化学条件，才能实现河流湖泊的真正健康（Brack et al.，2016；高俊峰等，2016；Rossberg et al.，2017）。因此，水生态系统保护目标的研究，应当是针对水生态系统完整性的保护和恢复，包括水生生物完整性、水体化学完整性和河流物理完整性三个主要方面（Working Group 2A，2003；Hering et al.，2010；Andersen et al.，2016）。因此必须首先确定水生态系统完整性的参照条件，在此基础上结合技术、经济以及人类需求，确定水生态系统的保护目标。目前，中国的河流水生态保护只能够参照地表水或者地下水环境标准确定目标，这显然是不合适的，水生态系统究竟修复到何种水平，不能仅