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(cè)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(dòng)干擾強(qiáng)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(dǎo)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(yán)重。目前，河流生態(tài)修復(fù)和生態(tài)系統(tǒng)管理已經(jīng)成為國內(nèi)外學(xué)者的研究重點(diǎn)，恢復(fù)河流的物理、化學(xué)和生物完整性已成為河流管理的目標(biāo)。但是關(guān)于河流生態(tài)修復(fù)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(hù)及可持續(xù)生態(tài)系統(tǒng)管理等領(lǐng)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(duì)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(biāo)事件，建立河流水生態(tài)修復(fù)閾值界定指標(biāo)體系，計(jì)算河流生態(tài)系統(tǒng)退化的強(qiáng)度，研究在哪些退化程度條件下可能會(huì)引起這一后果，確定河流水生態(tài)修復(fù)目標(biāo)，為受損河流生態(tài)系統(tǒng)的恢復(fù)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(jì)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(shì)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(biāo)準(zhǔn)、20年一遇防洪標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行整治,河槽底寬17 m，邊坡1∶2.5，設(shè)計(jì)流量68.8 m3/s，流速1.16 m/s。由于管理機(jī)構(gòu)不健全，經(jīng)過多年運(yùn)行，水土流失嚴(yán)重，堤防工程損壞，河道淤積，河道斷面防洪能力小，個(gè)別河段的河底淤高達(dá)1．5 m左右，全河段呈寬淺狀,河底寬度嚴(yán)重縮窄。因此，河道工程不能滿足高標(biāo)準(zhǔn)的防洪要求，與擴(kuò)展后的城區(qū)建設(shè)及城區(qū)防洪標(biāo)準(zhǔn)很不配套。

二、河流水生態(tài)修復(fù)指標(biāo)體系構(gòu)建

1.河流水生態(tài)修復(fù)閾值的概念

河流水生態(tài)修復(fù)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(jì)社會(huì)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(jìn)行修復(fù)。如果水生態(tài)系統(tǒng)退化的程度大于此修復(fù)閾值，則需要進(jìn)行水生態(tài)修復(fù)；如其退化程度小于此修復(fù)閾值，則不需要進(jìn)行修復(fù)。近年，我國河流水生態(tài)修復(fù)在理論研究、技術(shù)與方法方面已經(jīng)取得了巨大進(jìn)展，但是關(guān)于如何判定水生態(tài)系統(tǒng)修復(fù)閾值指標(biāo)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(xué)和生物的完整性，因此河流的水生態(tài)修復(fù)是一個(gè)多目標(biāo)、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(fù)閾值指標(biāo)體系，判定河流水生態(tài)修復(fù)閾值，可以為區(qū)域水生態(tài)修復(fù)提供科學(xué)依據(jù)和決策支持。

2.河流水生態(tài)修復(fù)閾值界定指標(biāo)體系的構(gòu)建

根據(jù)科學(xué)性、整體性與代表性、實(shí)用性和可操作性、經(jīng)濟(jì)效益與生態(tài)效益相統(tǒng)一原則，首先運(yùn)用頻度分析和理論分析法初步篩選指標(biāo)，然后運(yùn)用主成分分析法確定指標(biāo)體系，再通過統(tǒng)計(jì)模型、數(shù)學(xué)模型、物理模型來判定水生態(tài)修復(fù)的關(guān)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(fù)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(dòng)強(qiáng)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(gè)或若干個(gè)指標(biāo)層，本研究根據(jù)水生態(tài)修復(fù)閾值界定指標(biāo)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(biāo)層，選取6大要素共12項(xiàng)指標(biāo)作為馬家河水生態(tài)修復(fù)閾值界定的指標(biāo)體系，并根據(jù)文獻(xiàn)資料的劃分方法，判定了5個(gè)等級(jí)的閾值，構(gòu)建了開封市馬家河水生態(tài)修復(fù)閾值界定指標(biāo)體系及閾值劃分標(biāo)準(zhǔn)（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(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)（表2），將一般狀況即指標(biāo)值為4.8～7.2區(qū)間作為河流水生態(tài)受損的閾值帶。當(dāng)河流生態(tài)系統(tǒng)健康指數(shù)大于7.2，則認(rèn)為該河流不需要進(jìn)行水生態(tài)修復(fù)；若河流生態(tài)系統(tǒng)健康指數(shù)小于4.8，則認(rèn)為該河流必須進(jìn)行水生態(tài)修復(fù)；當(dāng)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(jìn)行水生態(tài)修復(fù)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(biāo)值的計(jì)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(jì)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(jì)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(fù)閾值界定指標(biāo)體系和閾值劃分標(biāo)準(zhǔn)

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(chǔ)量（億 m3/a）。

⑥水功能區(qū)水質(zhì)達(dá)標(biāo)率(AWR)：

式中，La為水功能區(qū)水質(zhì)達(dá)標(biāo)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(dòng)物Shannon-Wiener多樣性指數(shù)計(jì)算：

式中，Pi為i物種個(gè)數(shù)占采集到物種總個(gè)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(jì)算結(jié)果

根據(jù)上述所建立的指標(biāo)及計(jì)算方法，計(jì)算了馬家河的各項(xiàng)指數(shù)值（表3），計(jì)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(jìn)行河流水生態(tài)修復(fù)。根據(jù)各個(gè)指標(biāo)值的計(jì)算結(jié)果，表明物理結(jié)構(gòu)、人為活動(dòng)強(qiáng)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(dòng)強(qiáng)度、水文條件、水質(zhì)狀況、水生生物、河流功能等6個(gè)要素。河流水生態(tài)系統(tǒng)健康評(píng)估是生態(tài)系統(tǒng)恢復(fù)的基礎(chǔ)，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(fù)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(dòng)強(qiáng)度指數(shù)、生物多樣性指數(shù)、水功能區(qū)水質(zhì)達(dá)標(biāo)率等12項(xiàng)指標(biāo)。

表2 河流水生態(tài)系統(tǒng)健康綜合評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)

表3 馬家河水生態(tài)修復(fù)閾值界定指標(biāo)計(jì)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(jìn)行河流水生態(tài)修復(fù)。根據(jù)各個(gè)指標(biāo)值的計(jì)算結(jié)果表明，物理結(jié)構(gòu)、人為活動(dòng)強(qiáng)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(yīng)對(duì)受損河流及時(shí)采取措施進(jìn)行生態(tài)修復(fù)。

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