水生態修複目標和指標(中)

2021-01-09 北極星環保網

北極星環境修復網訊:5.2.3 河流生態狀況分級系統

河流生態狀況分級系統是河流生態修複目標定量化的有用工具。在這個系統中,定義未大規模開發的自然河流生態狀況作為參照系統,是最佳理想狀況。定義河流生態系統嚴重退化狀況作為最壞狀況,中間分成若干等級,據此構造分級體系表(董哲仁,2013)。

1 指標矩陣

分級系統表分為要素層、指標層和等級層三個層次。生態要素包括生物質量、水文情勢、物理化學和河流地貌形態4類。生態要素層下設若干生態指標,生態指標的數量,根據具體項目規模和數據可達性確定。生態指標下設5個等級,即優、良、中、差、劣。

首先,需要定義一個河流參照系統,參照系統是自然河流生態狀況,可以近似認為水資源大規模開發前的河流生態狀況是近自然狀況。建立參照系統需要開展大量的基礎工作,包括河流調查、生物調查,收集歷史與現狀數據資料,在大量數據支持下,按照統計學原理結合專家經驗,確定各項指標值。有些指標如水質類指標有相關國家或行業標準,可以直接引用。建立參照系統的具體方法見3-2-5節。

在分級系統中,把參照系統狀況定為「優」等級。然後,以河流生態系統嚴重退化狀況作為最壞狀況,定為「劣」等級,其表徵是棲息地嚴重退化,生物群落多樣性嚴重下降,甚至導致水生生物死亡。在「優」與「劣」之間又劃分「良」、「中」和「差」3級,形成優、良、中、差、劣5級系統。所謂生態狀況「優」,表示生物質量、水文情勢、地貌形態和物理化學等生態要素均達到理想狀況。所謂「良」表示受人類活動影響,各生態要素均發生一定改變。所謂生態狀況「中」,表示各生態要素均發生中等變化。所謂生態狀況「差」,表示各生態要素均發生重大變化。所謂生態狀況「劣」,表示各生態要素均發生嚴重變化,生物群落大部分缺失,生物大批死亡。

按照生態狀況分級原則,構造生態狀況指標賦值矩陣,其步驟如下:①按照上述構建河流生態狀況參照系統方法,給「優」等級的各項生態指標賦值。②依據不同類別的生態要素特徵,確定賦值準則。③以參照系統的理想標準值為基準,按照與理想標準值的偏離程度(變化率),將各生態指標分5個等級。生態指標與理想標準值的比值,是一個無量綱值,以100計分,「優」等級記為100,其他等級依次遞減,不同類別生態指標遞減程度需符合賦值準則。這樣就構造了生態狀況指標賦值矩陣。

表5-2-3是一個河流生態狀況指標賦值矩陣範例。該矩陣中,生態要素包括生物質量、水文情勢、物理化學、河流地貌共4類。生態要素層下設10項生態指標。其中,生物要素下設豐度和生物量2項指標;水文情勢要素下設生態基流和水文過程2項指標;物理化學要素下設水質、水溫和一般狀況3項指標;地貌形態要素下設連續性、連通性和河流形態3項指標。

採用矩陣下標表示法構造指標矩陣。表5-2-3中的10項指標分別用a、b、c、d、e、f、g、h、i、j表示。下標的標註方法如下:規定第一個下標表示要素層,令生物、水文、物理化學、河流地貌等4類要素層的下標編號分別為m、n、o、p。規定第二個下標表示等級層,令等級層的優、良、中、差、劣的下標編號分別為1,2,3,4,5。舉例:指標cn2中的c表示生態基流指標,第1個下標為n,表示屬水文要素類;第2個下標為2,表示屬於「良」等級。這樣指標cn2表示水文類要素,生態基流指標,等級為良。

對於生物質量類指標,評價物種可以有多種,包括浮遊植物、大型水生植物、魚類和底棲無脊椎動物等。在這種情況下,要素層下標m需要賦值,m=1,2,3,4。其中,規定浮遊植物m=1,大型水生植物m=2,魚類m=3,底棲無脊椎動物m=4。例如b43則表示生物要素類,底棲無脊椎動物,生物量指標,等級為「中」。

多個評價物種的指標需經過數學方法處理得到生物質量的綜合指標。按照以上規則即構造了一個指標矩陣,然後按照「優」等級折減方法,為所有指標賦值,形成河流生態狀況分級系統(表5-2-3)。用這種方法既能表示出指標所屬生態要素類別,又可表示所屬等級,矩陣格式也方便計算機存儲運算。

2 指標賦值準則

1)生物質量

生物質量包括豐度(am)和生物量(bm)2項指標,可選擇浮遊植物(m=1)、大型水生植物(m=2)、魚類(m=3)和底棲無脊椎動物(m=4)作為評價物種,其指標賦值準則分述如下:

①浮遊植物(m=1)

am1~am5,bm1~bm5-以植物物種的類別構成、藻類生長狀況以及水體透明度等與受到大規模幹擾前比較,以變化率為指標,劃分5個等級。

②大型水生植物(m=2)

am1~am5,bm1~bm5-大型水生植物類別構成及平均數量與參照系統比較,以變化率為指標,劃分5個等級。

③魚類(m=3)

am1,bm1-魚類類別構成與參照系統幾乎一致。所有特定類別的幹擾敏感性物種都存在。魚類群體年齡結構受人類活動幹擾微小,物種的繁殖發育可順利進行。

am2,bm2-由於人類活動對水質和水文過程影響,魚類的構成和數量與特定的生物群落相比發生了一定變化。魚類群體的年齡結構受到幹擾,個別物種的繁殖發育失敗,某些魚類的年齡段缺失。

am3,bm3-由於人類活動對水質和水文過程影響,魚類的構成和數量與特定的生物群落相比,發生了中等程度的變化。魚類年齡結構受到幹擾的跡象明顯,個別魚類物種消失或數量降低。

am4,bm4-由於人類活動對水質和水文過程影響,魚類的構成和數量與特定的生物群落相比,發生了重大變化。魚類年齡結構受到嚴重幹擾。

am5,bm5-由於人類活動對水質和水文過程影響,大量魚類死亡,漁業資源嚴重破壞,一些珍稀和特有魚類物種消失或瀕危。

④底棲無脊椎動物(m=4)

am1~am5,bm1~bm5-底棲無脊椎動物豐度、種類組成、耐受性/非耐受性、食性和棲息地特徵與參照系統相比較,以變化率為指標,劃分5個等級。

2)水文

cn1~cn5-生態基流的滿足程度,劃分5個等級。

dn1~dn5-若按水文過程表示,則與幹擾前的自然流量過程相比;若按敏感生態需水表示,則敏感期內水流條件與具有生物目標的敏感生態需水相比。二者均以偏差率為指標,劃分5個等級。

3)物理化學

eo1~eo5-以規劃區水功能區水質達標率為指標評估,劃分5個等級。

fo1~fo5-以水環境質量標準和水汙染物排放標準為依據,以汙染物入河控制量、納汙能力、湖庫富營養化指數為指標,劃分5個等級。

go1~go5-結合敏感生物物種目標,水工建築物下洩水流水溫與自然水流水溫的偏差率,劃分5個等級。

4)河流地貌

hp1~hp5-連續性指標。考慮營養物質、泥沙輸移條件和魚類洄遊條件,以縱向連續性指數為指標,劃分5個等級。

ip1~ip5-連通性指標。考慮灘區漫灘效應、河湖連接、水網連通條件,以河流橫向連通性指數或河湖、水網連通性指數為指標,劃分5個等級。

jp1~jp5-河流形態指標。與幹擾前河流蜿蜒性、寬深比、岸坡結構和河流基質相比較,以變化率為指標劃分5個等級。

3 簡易賦值方法

為簡化計算,小型河流可以採用簡易賦值方法。以參考系統值為基準,各生態要素的其他等級按照變化率φi折減,用以表示與參考系統的偏離程度,獲得不同等級的指標。不同生態修復項目的變化率φi取值應根據當地自然條件、水資源開發程度以及水質現狀具體確定。表5-2-4給出了生態狀況等級劃分參考值。舉例,「中」等級的水文類指標值變化率φi=60%;「良」等級地貌類指標值變化率φi=80%,等等。

4 生態現狀與參照系統對比分析

生態現狀與歷史狀況的對比分析,是理解河流生態系統演替趨勢的重要方法。利用河流生態狀況分級系統,把現狀調查數據填進分級表,然後與等級「優」的相應指標進行對比,就可以掌握該項生態指標與參照系統的偏離程度。舉例,表5-2-5中,現狀生態指標標記為▲,可以查出河流生態現狀水體物理化學一般狀況指標、水質、河流地貌形態3項指標均為「差」,水溫指標為「良」,其餘6項為「中」。分析指出,由於人類大規模活動,導致水環境汙染和河流自然地貌條件發生較大改變,致使水質和地貌形態(蜿蜒性、連通性等)等指標發生較大偏離。

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