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(2008ZX07526-002)“重点流域水生态功能一级二级分区研究”课题

发布时间:2016-05-18 浏览量:1064

加强水生态系统基础研究,推动全国水生态功能分区

 

 

编者按

目前,我国水环境管理正面临由污染控制向生态管理的重大转型,我国地域广阔、自然条件区域差异显著,水生态系统保护的标准、基准和措施等,需要根据区域特征分区、分类、分级、分期予以厘定和落实。因此流域内部的水生态功能分区乃至全国尺度的水生态功能分区将成为实施生态管理的重要科学依据。本课题通过对5个河流流域(松花江、海河、淮河、东江、黑河)和3个湖泊流域(滇池、洱海、巢湖)进行水生态系统调查,揭示了水生态环境特征和主要影响因子及其空间分异格局。在GIS和遥感技术支持下,完成了以上8个重点流域水生态功能一级二级分区,形成了分区方案图集、分区说明、水生态系统调查数据库和分区技术集成系统等。成果在水陆关系耦合定量分析、水生态功能分区校验和水生态功能分区系统等技术等方面体现了创新性,为流域水质目标管理技术体系构建提供了科学依据,也为在全国范围内开展水生态功能分区提供了区域、流域案例和技术及支撑。

一、研究背景

为落实《国家中长期科技发展规划纲要(2006-2020)》的要求,水专项监控预警主题设置了“流域水生态功能分区与质量目标管理技术”项目,重点开展我国流域水生态功能分区、水质目标管理技术研究与示范。水生态功能分区是项目研究的主体部分之一,主要研究目标为:(1)提出松花江、海河、淮河、东江、黑河、巢湖、洱海、滇池等重点流域水生态功能一级和二级分区方案;(2)形成水生态功能分区共性技术;(3)构建能够具有应用前景的水生态功能分区数据库和系统,为水生态功能分区的应用提供技术支撑。因此,本课题的研究是项目目标中不可缺少的重要部分。

早在二十世界七十年代,国外已经开始了水生态系统分区,其中北美水生态分区、欧盟水生态分区、世界淡水生态分区和非洲淡水生态分区对于宏观水生态分区最具有代表性。美国联邦EPA主持过一个北美地区的生态分区工作,该分区主要根据气候条件、土地利用、地表形态、潜在植被和土壤类型所表现出的空间差异,将美国大陆划分为多个类别。1995年美国农业部也完成过一个北美淡水生态分区,根据地理气候、生物以及河流、湖泊形态等进行分区,对北美淡水生态系统进行了6个等级的划分。美国农业部应用分区结果开展生物多样性保护、流域管理以及监测与评估。其分区界限的确定和分区精度充分考虑了现有数据和政区划分基础。欧盟国家在“欧盟水框架指令”的约束下,开展了水生态系统分区,在欧盟的水环境生态分区研究中,大尺度的生态分区基于地形学、生物学或生态学相似描述,中小尺度分区则注重于水生态系统类型的识别。2008年多国科学家在“BioScience”期刊上联合发表了世界淡水生态系统分区,根据水生生物的宏观分布格局以及珍惜濒危物种的分布,将世界淡水生态系统分为12个区域和数百个小区域。

以上各类分区被不同程度应用于水生态系统管理,成为不同区域制定水生态系统保护规划和标准的重要科学依据。

在我国针对流域水生态系统的某些要素也开展了区划研究,以反映地貌、水文、水生生物和水体功能的分布特征。例如,国科学院自然区划工作委员会1959开展了流域区划、湖泊区划等。之后还出现了淡水鱼类分布区划、水功能区划、内陆渔业区划、水文区划等。陆地生态系统的相关区划研究更为普遍。傅伯杰等2001完成了中国生态区划、2007国家环境保护部推出了中国生态功能分区,国家发展与改革委员会至今仍然组织专家开展主体功能分区。

我国现有的各类分区结果或者以陆地生态系统特征和社会经济特征为主要分区依据,例如中国生态分区、中国生态功能分区、主体功能分区等,对于水生态系统特征关注不够。或者针对水生态系统的某方面要素进行分区,例如水功能区划关注水体使用功能及其与污染物相关的水质特征、鱼类分布区划关注鱼类特征等。这些区划虽然都为我国资源环境和生态系统管理提供了宝贵的理论基础和技术支持,但却难以为实现我国水生态系统从水质达标管理向水生态健康管理的转变提供科学依据。

鉴于分区、分类管理的水环境管理国际发展趋势和我国陆地生态系统逐步推行分区规划与管理的实践经验,本课题确定了以国家水环境治理的重点流域为对象,开展水生态功能分区研究的目标,完成重点流域水生态功能一级二级分区。

二、研究成果

课题借鉴国内外各类分区方案,以第一手数据为基础,对5个河流流域和3个湖泊流域进行水生态功能一级二级分区,实现了课题研究目标。

(一)重点流域水生态系统特征区域差异辨识

完成了八个重点流域鱼类、浮游生物、底栖生物、水生高等植物、水质特征、河流生境特点等调查,共计调查27次,涉及1717个河段。获得的水环境参数包括溶解氧、pH、电导率、温度、悬浮物、盐度、硬度、无机碳、有机碳、全碳、高锰酸盐指数、TDS、浊度、综合污染指数、总磷、总氮、氨氮等;底泥参数包括总有机碳、总氮、总磷等;水生生物的优势种类、密度和生物量等数据。根据流域水生态系统调查,参考数据和历史研究,指出了重点流域水生态系统受人类活动改变强烈,部分历史报道中的重要物种,在本次调查中未能发现,例如松花江流域的史氏鲟、细鳞鱼等。浮游植物的调查表明,硅藻和绿藻优势度较高为水环境质量较好河段的特征,松花江、东江、洱海的浮游植物组成特征均属此类。同时调查发现在人类活动对水生态系统的强烈影响下,外来物种入侵显著。

调查结果已经初步总结为八个重点流域的水生态调查报告,并形成了数据光盘。部分调查结果已经在“深圳市生态网络体系建设”、“江苏省湿地调查”和“生态系统修复工程效果评估”等河流生态系统建设与评估中获得应用。

本项研究成果为我国水生态系统研究积累了重要的数据基础,同时在数据调研方法、水质与浮游生物结构关系分析方法、浮游生物参数在水生态系统健康评价中的应用方法等方面提供了可供借鉴的技术总结。在不涉及国家机密和研究单位知识产权得到保护的前提下,数据的公开使用将为我国水生态系统健康评估、水生态系统监测以及水生态系统的基础科学研究等方面提供重要的基础数据和参比条件,也为在我国形成新型水生态系统管理过程中,筛选建立水质基准的标准生物提供了科学依据。

(二)重点流域水生态功能驱动力分析及分区指标体系

充分借鉴“世界淡水生态分区”、“北美陆地生态分区”、“北美淡水生态分区”、“欧盟水框架指令”、“中国自然地理分区”、“中国生态分区”、“中国生态功能分区”、“中国水功能分区”等国内外分区成果,考虑水生态系统管理特征,提出了重点流域水生态功能分区应既遵循共同原则,也应该考虑流域特点,遵循各个流域的特有原则。其中共性原则包括(1)水陆耦合分析原则、(2)自然与人文因素区别选用、综合分析原则、(3)遵循区划基本理论原则、(4)支撑并服务于水生态系统管理原则、(4)定量数据优先使用原则、(5)自然因子主导原则。

在以上原则指导下,通过驱动力分析确定分区被选指标,参考应用较为广泛的流域水文模型、流域水量平衡方程、土壤侵蚀模型、植被气候模型等已有研究基础,通过采集定量和定性数据,对水生态系统特征和流域陆地生态系统特征进行多尺度、多要素关联分析,分别筛选出了河流流域和湖泊流域的水生态功能一级二级分区指标,其中河流流域一级分区共计9个指标、二级分区12个指标;湖泊流域一级分区4个指标、二级分区5个指标。

8个重点流域包括了跨自然地带的复杂流域,例如跨温带和寒温带地区的松花江流域、跨干旱和湿润地区的海河流域、跨温带与亚热带的淮河流域等,也包括了气候条件性对一致的流域。以多种流域类型演变为基础提出的流域水生态功能一级二级分区原则与指标,具有较好的代表性和适用性。

不同流域所采用的水生态功能分区指标筛选方法也为我国今后在全国开展流域水生态功能分区提供了较为丰富的区域参考案例,可供相同类型地区借鉴和应用。如果整合项目组其他流域的水生态功能分区研究成果,例如辽河流域、赣江流域和太湖流域水生态功能一级二级分区,将有望形成一个能够在全国进行应用的技术方法,为我国水生态系统管理提供分区信息和依据。

(三)重点流域水生态功能一级二级分区及图集

本成果是我国在八个重点流域第一次完成的水生态功能一级二级分区。以松花江、海河、淮河、东江、黑河、滇池、洱海、巢湖八个重点流域现状调查数据和相关历史数据为基础,充分考虑了八个重点流域各自所在地区的自然地理背景条件和流域特征,依据水陆关联分析所筛选出的分区指标和分区原则,完成了八个重点流域水生态功能一级二级分区。

统一制定分区报告和说明书编写规程、制定分区方案图制图规程,经过统一培训完成了八个重点流域水生态功能分区基础指标图和流域水生态功能一级二级分区图,揭示了各水生态功能区的基本特征、存在的主要问题、并提出了保护措施建议。

与国外同类研究成果相比,本研究符合水生态分区的原则和原理,适合中国流域的应用与推广,在具体技术和方法上更多的考虑了中国流域特征。与国内现有的各类分区结果相比,重点流域水生态功能分区更加关注水生态系统的整体特征,特别是水生生物特征。其主要创新性体现在:第一次实现了八个重点流域的水生态功能一级二级分区;提出了基于浮游生物组成、底栖生物的物种密度、鱼类区系、水生生物综合多样性指数为依据的流域水生态功能分区校验;明确了水生态功能分区结果应该包括分区方案、分区图、分区说明书、分区简表、依赖于水生态系统特征的重要和优势生物物种及群落组成特征等主要构件。

本课题将尽快建设“重点流域一级二级水生态功能分区网页”,将分区成果向管理部门和社会公开,为全社会提供分区信息下载和查询服务。成果的社会效益体现在对生态系统保护发挥科学技术支撑作用,在水生态系统健康评价与水生态系统管理、水生态检测与风险评估中发挥重要作用。本项目研究成果及其深化和推广将为实现我国水生态系统“分区、分类、分级、分期”的新型管理技术体系提供分区依据及其技术支撑。

(四)重点流域水生态功能一级二级分区信息集成系统

综合运用地理信息系统技术、数据库技术和软件工程技术,基于模块化程序设计的思想,设计了具有自主知识产权的流域水生态功能分区信息集成系统;全面整合了松花江、海河、淮河、东江、黑河、滇池、洱海、巢湖流域水生态功能一级、二级分区原则和分区关键技术、完成以流域为基本单元的水陆数据一体化的组织与管理,并实现面向多模式流域水生态功能分区的交互式操作。系统可以提供流域水生态功能分区指标管理、流域水生态功能分区、分区结果验证、信息查询等功能,为相关流域的水生态功能分区提供智能化的技术平台。

采用ESRI ArcSDE和Oracle 11g搭建高效率的空间数据库和关系数据库,实现对重点流域基础地理数据、调查数据、专题数据和成果数据的高效管理。数据总量达10.3G,其中,矢量数据总量达3.42G,共473487条记录;栅格数据总量达6.76G,表格数据总量达80M,共76张表,21464条记录。数据库的构建中探索了多源、海量、异构水生态功能分区数据的集成方法与关键技术,完成了跨区域、多尺度水生态功能分区数据存储与管理模式的研究,实现了水生态功能分区数据的无缝集成与管理。

本成果实现了面向多模式流域水生态功能分区的交互式操作,在国际国内尚属首次。该成果可实现流域水生态功能的智能化分区,为今后进一步推广流域水生态功能分区提供有力的技术工具;另一方面,本成果研建的重点流域水生态功能分区信息集成系统是一个开放的信息平台,其分区成果可与地方环境保护规划、水污染防治规划相结合,共同为地方环境建设和领导决策提供服务,同时可有效地调动地方政府和社会各界的积极性,促使项目进程中经济、技术和行政手段的凝聚统一,进而推进重点流域水环境的整体持续改善,发挥重要作用,在帮助改善区域生态环境质量的同时,也为当地企业发展、地方经济规划等提供新的发展机会,带来更大的商机,具有极大的经济效益。本成果的实施可为国家生态环境建设和领导决策提供服务。

本成果实施后可带来极大的社会效益,主要表现在重点流域水生态功能分区信息集成系统的数据服务思想与国家科技基础条件平台建设战略是一致的,系统可以应用到其他流域的水生态功能分区,分区验证、分区指标数据管理,指标数据整合,相关数据查询分析(全面报表、水生态功能分区基础数据的查询),统计数据分析,能够为全流域水生态系统管理和水生态功能技术培训提供支持。

三、成果应用

课题研究成果中的一部分已经在国家以及地方的区域规划和水生态系统保护与治理中获得应用,例如《全国重点湖泊水库生态安全保障方案》和《深圳市生态安全体系建设》等,均已经采用了本研究中的部分成果。

四、建议

本课题研究结果表明,我国疆域广阔,流域之间和流域内部在自然与社会经济条件方面区域差异明显,无论是水质基准标准的制定,还是水生态健康评估和水生态系统保护,都应该考虑流域区域差异,流域管理既需要关注共性问题,也需要明确特色目标。本课题仅仅选择了8个重点流域,开展水生态功能一级二级分区研究,虽然研究结果从理论和实践都取得了明显突破,但尚未在全国范围内形成体系,建议继续开展以下工作:

(1)建议在全国范围内,开展流域水生态功能分区。加强水生态系统类型划分及其空间分布研究,建立适合于不同类型区的水生态健康评估基准,建立水生态功能区域安全评估技术标准,建立水生态系统健康监测体系,明确不同区域和不同类型的生态保护目标。

(2)建议配套在水生态功能区尺度上的相关管理法规制度,推进水生态系统分区管理,实现水生态功能区及其管理和保护目标与水功能区管理目标、区域自然保护区和区域生态功能区划的整合与对接。

(3)加强水生态系统基础研究和第一手数据收集,加强数据标准化建设,建议通过立法确保科学数据合理共享,使科学数据能够真正服务于流域水生态系统健康保护和管理。


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