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流域水生态健康如何保护与管控?

作者:宁小编   来源:中国环境报   宁远信息网   更新时间:2020-06-25 15:44
中国环境报讯(作者:刘晓星)我国经济社会长期快速发展导致水生态系统退化问题突出,不仅影响人民群众健康,也制约了经济社会可持续发展。近年来,水生态健康受到高度重视,长江大保护、黄河流域生态保护和高质量发展先后上升为国家战略;“十四五”流域生态环境保护规划提出“有河有水、有鱼有草、人水和谐”的总体要求,强调对水生态系统健康保护与管控的迫切需求。面向我国水生态健康管理战略需求,国家重大水专项“流域水生态功能分区管理技术集成”课题,由中国环境科学研究院水生态环境研究所张远研究员负责,在“十一五”和“十二五”研究基础上,通过技术评估、验证及突破完善,系统集成流域水生态健康管理成套技术体系,全面回答了如何划分水生态健康管控单元、如何制定水生态保护目标、如何开展水生态空间管控以及如何实现水生态承载力优化提升等关键科技问题,助力推动我国水生态健康管理应用。
实现水生态功能区统一划分,为全国水生态健康分区管理提供技术支撑
水生态健康管理的难点在于如何解决水生态系统的区域差异化问题。依据水生态功能区实施差异化管理是国际普遍认可的方式,美国和欧盟都建立了基于水生态分区的流域管理体系,实现流域水生态健康保护和管控,代表了当前水生态环境管理的发展方向。因此,我国需要突破体现水生态区域分异规律的分区技术方法,构建科学统筹水陆关系及“水资源、水环境、水生态”特征的管控单元。
针对如何统一划分全国水生态健康管理单元的问题,课题组在 “十一五”和“十二五”水专项完成的典型流域水生态功能分区成果基础上,系统总结水生态系统空间格局、尺度特征及其与复合环境要素的耦合关系,集成创新提出了我国涵盖地理区、流域区、单元区由大到小等级嵌套的8级分区理论体系,能客观反映水生态系统结构及其生境的空间分异规律。8级分区体系包括水生态地理大区、水生态地理区、水生态流域区、水生态流域亚区、水生态流域小区、水生态单元区、水生态单元亚区和水生态单元小区。其中,地理区和流域区为国家级分区,由国家统一组织划定;单元区为区域级分级,由省市根据管理需要划定。
在水生态功能分区理论体系指导下,课题组突破了基于水陆耦合关联度分析的指标筛选、河流生境分类、空间定量聚类划分、分区校验、功能定量评价等12项核心技术,将全国划分为一级区6个,二级区33个,三级区107个,四级区354个,五级区1404个。制定了《全国水生态功能区分级分类管理指导方案》,提出《流域水生态功能分区管理办法》和《流域水生态功能分区考核办法》,构建了全国水生态功能分区数据管理与共享系统,可实现流域—行政区—功能区三个维度的信息浏览查询功能,为我国水生态健康管理工作实施奠定了基础。
研发水生态健康评价、诊断和目标可达性评估技术,实现水生态健康管理目标科学制定
目前,我国流域水环境保护主要依据地表水环境质量标准确定目标,事实证明从单一水质角度并不能体现水生态系统健康,水生态保护目标应包括水生生物完整性、水体化学完整性和物理完整性三个主要方面,只有水生态系统组成、结构和功能实现了完整性,才能真正维持河湖的健康。
水生态状态评价是系统诊断人类活动干扰下生态系统的健康状况、识别关键问题和胁迫因子的重要技术手段。针对流域(区域)水生态状态本底不清晰、问题不明确的情况,课题组研发了水生态健康状态评价与问题诊断技术,依据水生态系统完整性理论,提出了涵盖水生生物完整性、水质、栖息地和生态需水共四类要素水生态状态评价指标体系。基于生物完整性对环境压力的响应关系,建立了水生生物完整性指数构建标准方法,提出了适合我国的浮游藻类、着生藻类、浮游动物、底栖动物及鱼类完整性指数参数集,明确了不同参数的推荐度。依据太湖流域常州市60余个样点水生态调查数据,结合生态环境、水利等部门资料,科学评估了常州市16个水生态功能区的水生态健康状态,诊断了不同类型功能区面临的生物完整性、水质、河湖岸线利用、湖泊水域侵占、底泥污染等问题,并结合社会经济发展和人类活动资料识别主要成因,为区域水生态保护与修复提供了科学支撑。
针对我国水生态健康管理目标制定的技术需求,课题组从水生态目标预设、可达性评估、水生态目标确定三个方面,研发了水生态目标可达性评估技术。该技术根据流域主导水生态功能定位、水功能区划、三条红线和现行水质考核等对水环境和水生态的要求,按照衔接管理、合理可行、分期提升、先易后难等原则,从水质、水量、栖息地、水生生物四个方面分析水生态状态指标提升潜力,评估目标可达性,优化水生态保护目标体系。在太湖流域常州地区,通过对16个分区的功能定位分析,结合现行管理要求,构建了可达性优化评估模型,结合社会经济和技术发展水平开展情景分析和方案比选,优化确定了不同类型区水生态目标,解决了水生态管理目标技术研发到实际应用之间的脱节问题,编制了《常州市水生态保护目标方案》,为地方政府水生态管理决策制定提供了科学支撑。
研发流域水生态空间优化管控技术,实现流域水陆统筹管理
土地利用已经成为影响水生态系统不可忽视的因素,“欧盟水框架指令”明确提出土地利用优化应该作为水生态健康管理的考虑因素。当前,我国功能区管理技术水平仍难以满足水陆一体化管理的迫切需求,急需加强面向水生态健康的土地利用优化技术研究,实现流域水生态空间优化管控。
针对管控单元土地利用对水生态影响程度不清,陆域污染关键区识别不明的情况,课题组从功能区水陆耦合关系角度出发,研发了土地利用的水生态效应评估技术。在缓冲区和集水区(汇水区)的不同空间尺度上,定量构建了土地利用组成和格局对河流水质的响应关系,研发了流域水生态空间优化管控技术方法。利用土地利用的数量和空间分布格局对水生态的影响效应,建立基于水生态健康目标的土地利用优化管控模拟模型,科学识别水生态健康的敏感因子和敏感区域,有针对性地对敏感地区进行管控、调整敏感因子的数量和空间分布,在既定的水生态健康目标下,实现土地利用的优化布局,保障水生态系统健康。
在太湖常州地区,通过河流水生态系统野外调查和土地利用遥感影像解译分析,应用评估技术方法量化了土地利用对河流水质的影响,建立了主要面源污染物TN、TP输出负荷的土地利用空间贡献关系。在乡镇和水功能区两个尺度上,识别了对河流水质产生重要影响的关键污染源区,为当地生态环境管理部门开展土地利用空间调控提供了具体抓手,便于管理措施的落地和实施。开展了不同情景条件下(自然发展情景、总氮减少情景、总磷减少情景)常州市土地利用的空间拟合,在功能区尺度上评估了TN、TP输出量的变化情况,编制了《常州市土地利用优化与空间管控方案》,有效支撑制定符合本地水生态空间管控需求的土地利用优化调整策略。
研发水生态超载问题诊断、成因解析和综合调控技术,实现流域水生态承载力整体提升
我国经济社会发展对水生态系统造成巨大压力,超载问题频发。水生态承载力是衡量水生态系统与经济社会协调发展关系的科学概念,其调控是系统改善水生态健康状况与促进经济社会高质量发展的重要手段。当前水生态问题错综复杂,单纯的水污染防治手段尚不能系统解决水生态系统保护与经济社会发展之间的矛盾,亟待加强面向水生态系统保护的超载问题诊断、成因分析与综合优化调控技术管理应用。
水生态承载力评估是系统诊断水生态环境对经济社会活动的承载状态、识别主要超载因子的重要技术手段。针对流域(区域)水生态系统承载力底数不清、超载问题不明的情况,课题组研发了水生态承载力评估诊断技术,通过系统的文献调研、案例分析和专家咨询,建立系统表征水生态系统承载状态的评估指标体系及定量评估方法。采用太湖常州地区统计年鉴、生态环境、农业农村、水利等部门可获取数据资料,应用评估技术方法科学量化了太湖流域常州市2010年以来水生态承载力演变过程,首次实现了区域水生态承载力系统评估,诊断了常州市天宁区、钟楼区等中心城区超载状态,识别了河流连通性、水环境质量、水域面积指数等超载指标,为区域水生态环境管理指明了工作方向。
近年来鄱阳湖流域(江西)总磷污染日益严峻,为科学剖析鄱阳湖总磷污染来源与成因,通过流域磷污染源产排污过程系统调研,构建了涵盖工业企业、城镇生活、城市径流、农业种植、畜禽养殖、水产养殖等在内的9类水污染源清单,依托MATLAB计算机程序语言设计开发了精细化模拟各类污染源产排污过程的WAPSAT模型及其数据参数库,核定了鄱阳湖流域100个区县、86个子流域单元各类污染源负荷产生量和排放量;进一步采用流域污染物时空传输模型方法,系统解析了入湖磷污染负荷的时空来源。通过水污染源模拟解析技术应用,科学识别了鄱阳湖总磷污染的主要污染负荷贡献区域,锁定了农业种植、城镇生活、畜禽养殖、水产养殖四大关键污染来源,辨识了入湖磷污染负荷季节波动规律,为鄱阳湖磷污染防治工作提供了重要依据。
针对流域水生态超载问题改善潜力认识不足和整体优化提升策略不清的情况,研发了水生态承载力综合优化调控关键技术。依据水生态与经济社会复杂系统间相互影响关系,从“减排”(降低经济社会压力)和“增容”(增加水生态承载能力)两个方面,结合太湖常州地区和江西鄱阳湖流域水生态环境管理政策要求,针对区域突出超载问题,建立水生态承载力调控系统模型方法,在常州市和鄱阳湖流域分别开展产业结构调整、闸坝流量调度、生态空间管控、滨岸带林草修复等措施对超载问题的改善潜力评估,识别各调控措施对区域承载力提升的影响特征和效益。以“生态优先、绿色发展、成本效益”为原则,通过承载力调控情景模拟优化,提出近远期发展情景下常州市和江西省示范区承载力整体提升方案,为水生态环境综合管控提供科技支撑。
构建典型城市水生态功能区数字化管理平台,实现水生态健康管理平台业务化应用
数字化管理平台建设,是实现国家水生态环境管理精细化、现代化升级转型的必由之路。面向国家水生态健康管理战略需求,急需构建可推广的典型功能区水生态健康数字化管理平台,实现业务化应用示范,为国家未来水生态健康科学保护与管理提供决策支撑和借鉴。课题组结合太湖流域水生态环境功能分区管理及常州市水生态环境管理需求,以海量动态数据资源为基础,建立了太湖流域典型城市水生态环境功能分区数据资源体系,实现了水生态环境基础信息共享、服务及发布;基于流域水生态环境功能分区现状,重点研究了水生态健康评价、土地利用空间管控、水生态承载力评估及水生态功能区管理等功能模块开发及平台嵌入,构建了“常州市水生态功能区数字化管理平台”。
针对数字化平台水生态基础数据汇集与分析问题,课题组系统梳理了典型功能区水生态、污染源、气象、社会经济以及基础空间信息等数据状况,编制了水生态环境数据资源目录。研究集成多源异构数据匹配融合的数据资源管理关键技术,构建了功能区水生态数据资源共享中心。课题组采用数据挖掘和分析技术,开发了水生态数据动态采集与综合分析模块,实现对海量生态环境数据的挖掘及关联性分析。针对平台业务化功能模块构建的难题,课题组整合了水生态健康评估、保护目标制定、土地利用空间管控、承载力评估与调控等技术方法,集成构建了水生态健康监测、问题诊断与分区管控功能模块系统,实现了区域水生态健康评估诊断与调控的可视化展示,以提升水生态环境管理的科学决策能力。
目前,所构建的“常州市水生态功能区数字化管理平台”已于2019年12月正式移交常州市生态环境局开展业务化应用。该数字化管理平台可为常州水生态健康分区管理提供科学高效的决策支持,同时实现了对常州市内主要河流湖库水环境质量的实时预警,有效支撑了《常州市“十四五”地表水污染防治规划》的编制工作,提升区域水生态环境风险管控与生态文明建设水平。
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