水生態(tài)修復閾值界定指標體系構(gòu)建——以開封市馬家河流域為例

郭春梅，曹瑞仙，崔花瑞

（1.河南省開封市城區(qū)水利局，475000，開封；2.河南省安陽水文水資源勘測局，455000，安陽）

近幾十年來，隨著工業(yè)化、城市化、集約化農(nóng)業(yè)的發(fā)展，河流生態(tài)系統(tǒng)受人為活動干擾強度不斷增大，出現(xiàn)了河流斷流、水質(zhì)惡化、生境退化等問題，導致河流生態(tài)系統(tǒng)的健康程度不斷下降，生態(tài)功能退化嚴重。目前，河流生態(tài)修復和生態(tài)系統(tǒng)管理已經(jīng)成為國內(nèi)外學者的研究重點，恢復河流的物理、化學和生物完整性已成為河流管理的目標。但是關于河流生態(tài)修復生態(tài)閾值的研究較少，生態(tài)閾值的研究主要集中在資源保護及可持續(xù)生態(tài)系統(tǒng)管理等領域的理論研究。本研究以開封市馬家河流域作為案例，將馬家河生態(tài)系統(tǒng)的退化程度作為研究對象，將生態(tài)系統(tǒng)退化程度突破閾值即形成生態(tài)系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)轉(zhuǎn)換作為目標事件，建立河流水生態(tài)修復閾值界定指標體系，計算河流生態(tài)系統(tǒng)退化的強度，研究在哪些退化程度條件下可能會引起這一后果，確定河流水生態(tài)修復目標，為受損河流生態(tài)系統(tǒng)的恢復提供理論和方法支撐。

一、研究區(qū)概況

開封市馬家河河道長29.68 km，屬淮河流域惠濟河水系。該河為開封市一條主要的排洪除澇河道，地形自西北向東南微傾斜，地勢較平坦。流域內(nèi)多年年平均降水量659 mm，流域面積約為206 km2，流域總?cè)丝?9萬人。

馬家河按照5年一遇除澇標準、20年一遇防洪標準進行整治,河槽底寬17 m，邊坡1∶2.5，設計流量68.8 m3/s，流速1.16 m/s。由于管理機構(gòu)不健全，經(jīng)過多年運行，水土流失嚴重，堤防工程損壞，河道淤積，河道斷面防洪能力小，個別河段的河底淤高達1．5 m左右，全河段呈寬淺狀,河底寬度嚴重縮窄。因此，河道工程不能滿足高標準的防洪要求，與擴展后的城區(qū)建設及城區(qū)防洪標準很不配套。

二、河流水生態(tài)修復指標體系構(gòu)建

1.河流水生態(tài)修復閾值的概念

河流水生態(tài)修復閾值是指：根據(jù)河流生態(tài)系統(tǒng)的自然屬性、生態(tài)功能和區(qū)域經(jīng)濟社會發(fā)展需求，判定退化到何種程度的水生態(tài)系統(tǒng)需要進行修復。如果水生態(tài)系統(tǒng)退化的程度大于此修復閾值，則需要進行水生態(tài)修復；如其退化程度小于此修復閾值，則不需要進行修復。近年，我國河流水生態(tài)修復在理論研究、技術與方法方面已經(jīng)取得了巨大進展，但是關于如何判定水生態(tài)系統(tǒng)修復閾值指標體系的研究較少。

河流生態(tài)系統(tǒng)要保障其生態(tài)功能，就需要保持其生態(tài)完整性。生態(tài)完整性主要包括物理、化學和生物的完整性，因此河流的水生態(tài)修復是一個多目標、多層次、多約束條件的綜合問題，受到很多因素的綜合影響?；诖?，構(gòu)建合理的區(qū)域河流水生態(tài)修復閾值指標體系，判定河流水生態(tài)修復閾值，可以為區(qū)域水生態(tài)修復提供科學依據(jù)和決策支持。

2.河流水生態(tài)修復閾值界定指標體系的構(gòu)建

根據(jù)科學性、整體性與代表性、實用性和可操作性、經(jīng)濟效益與生態(tài)效益相統(tǒng)一原則，首先運用頻度分析和理論分析法初步篩選指標，然后運用主成分分析法確定指標體系，再通過統(tǒng)計模型、數(shù)學模型、物理模型來判定水生態(tài)修復的關鍵閾值?？偨Y(jié)國內(nèi)外河流生態(tài)系統(tǒng)退化、生態(tài)完整性、修復等方面的研究，影響河流水生態(tài)系統(tǒng)的主要因素有物理結(jié)構(gòu)、人為活動強度、水文條件、水質(zhì)狀況、水生生物、河流功能等。每種要素層下面有1個或若干個指標層，本研究根據(jù)水生態(tài)修復閾值界定指標體系的構(gòu)建原則，采用理論分析和頻度分析方法，構(gòu)建要素層和指標層，選取6大要素共12項指標作為馬家河水生態(tài)修復閾值界定的指標體系，并根據(jù)文獻資料的劃分方法，判定了5個等級的閾值，構(gòu)建了開封市馬家河水生態(tài)修復閾值界定指標體系及閾值劃分標準（表1）。根據(jù)5分法的劃分原則，建立了河流水生態(tài)系統(tǒng)健康評價標準（表2），將一般狀況即指標值為4.8～7.2區(qū)間作為河流水生態(tài)受損的閾值帶。當河流生態(tài)系統(tǒng)健康指數(shù)大于7.2，則認為該河流不需要進行水生態(tài)修復；若河流生態(tài)系統(tǒng)健康指數(shù)小于4.8，則認為該河流必須進行水生態(tài)修復；當河流生態(tài)系統(tǒng)健康指數(shù)在4.8～7.2區(qū)間，則需要判定影響河流生態(tài)系統(tǒng)健康的主要影響因素，根據(jù)具體情況作出是否進行水生態(tài)修復的決策。

三、開封市馬家河水生態(tài)系統(tǒng)健康現(xiàn)狀

1.主要指標值的計算方法

①年均流量偏差 (VAF)

式中，Qp為現(xiàn)狀水文年（2000—2005年）多年平均徑流量(m3/s)；Qa為歷史水文年多年平均徑流量（19世紀60年代，m3/s)，Qp及Qa根據(jù)控制水文站長系列水文數(shù)據(jù)計算。

②環(huán)境流量保障率（GEF）

式中，Qd為 2000—2005年枯水期平均水量 (億m3/a)；Qe為河流環(huán)境流量(億 m3)(盧作亮等，2010)。

表1 開封市馬家河水生態(tài)修復閾值界定指標體系和閾值劃分標準

③生態(tài)需水保障率(GEWD)

式中，Qn為2000—2005年控制水文站年平均徑流量(億m3/a)；Qc為水文站控制流域內(nèi)生態(tài)需水量（億m3/a）。

④地表水資源開發(fā)利用率（ESWR）

式中，We為流域年均地表水開發(fā)利用量 (億m3/a)；Wt為流域多年平均地表水資源量(億m3/a)。

⑤地下水資源開發(fā)利用率(EUWR)

式中，Wa為地下水年均開發(fā)利用量（億 m3/a）；Wg為地下水資源年均儲量（億 m3/a）。

⑥水功能區(qū)水質(zhì)達標率(AWR)：

式中，La為水功能區(qū)水質(zhì)達標河段長度（km）；L為河段總長度（km）。

⑦ 縱向連通性(LoC)

式中，λ為100 km長河段平均的閘壩數(shù)。

⑧河流水力幾何形態(tài)指數(shù)(RHGI)：

式中，b為河流斷面平均寬度指數(shù)；f為河流斷面平均深度指數(shù)。

⑨水生生物多樣性指數(shù)（H′）

以浮游動物Shannon-Wiener多樣性指數(shù)計算：

式中，Pi為i物種個數(shù)占采集到物種總個數(shù)的比例。

⑩河岸帶植被覆蓋率(RVWI)：

式中，Sv為河岸帶100 m2范圍內(nèi)植被覆蓋面積(m2)；Sr為 100 m2。

2.計算結(jié)果

根據(jù)上述所建立的指標及計算方法，計算了馬家河的各項指數(shù)值（表3），計算結(jié)果表明馬家河的水生態(tài)系統(tǒng)健康處于較差水平，需要進行河流水生態(tài)修復。根據(jù)各個指標值的計算結(jié)果，表明物理結(jié)構(gòu)、人為活動強度和水生生物是影響馬家河水生態(tài)健康狀況的主要因素。

四、結(jié) 論

①河流水生態(tài)系統(tǒng)的主要影響因素包括：物理結(jié)構(gòu)、人為活動強度、水文條件、水質(zhì)狀況、水生生物、河流功能等6個要素。河流水生態(tài)系統(tǒng)健康評估是生態(tài)系統(tǒng)恢復的基礎，包括河道蜿蜒度、縱向連續(xù)性指數(shù)、橫向連續(xù)性指數(shù)、河岸帶寬度、底質(zhì)構(gòu)成指數(shù)、棲境復雜性指數(shù)、堤岸穩(wěn)定性指數(shù)、環(huán)境流量保障率、河流水質(zhì)平均污染指數(shù)、河岸帶人類活動強度指數(shù)、生物多樣性指數(shù)、水功能區(qū)水質(zhì)達標率等12項指標。

表2 河流水生態(tài)系統(tǒng)健康綜合評價標準

表3 馬家河水生態(tài)修復閾值界定指標計算結(jié)果

②馬家河的水生態(tài)系統(tǒng)健康處于較差水平，根據(jù)此前所判定的河流水生態(tài)受損的閾值帶，馬家河需要進行河流水生態(tài)修復。根據(jù)各個指標值的計算結(jié)果表明，物理結(jié)構(gòu)、人為活動強度和水生生物是影響馬家河水生態(tài)健康狀況的主要因素。因此，為了保障馬家河的生態(tài)功能，應對受損河流及時采取措施進行生態(tài)修復。

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