水生态修复阈值界定指标体系构建——以开封市马家河流域为例

郭春梅，曹瑞仙，崔花瑞

（1.河南省开封市城区水利局，475000，开封；2.河南省安阳水文水资源勘测局，455000，安阳）

近几十年来，随着工业化、城市化、集约化农业的发展，河流生态系统受人为活动干扰强度不断增大，出现了河流断流、水质恶化、生境退化等问题，导致河流生态系统的健康程度不断下降，生态功能退化严重。目前，河流生态修复和生态系统管理已经成为国内外学者的研究重点，恢复河流的物理、化学和生物完整性已成为河流管理的目标。但是关于河流生态修复生态阈值的研究较少，生态阈值的研究主要集中在资源保护及可持续生态系统管理等领域的理论研究。本研究以开封市马家河流域作为案例，将马家河生态系统的退化程度作为研究对象，将生态系统退化程度突破阈值即形成生态系统稳态转换作为目标事件，建立河流水生态修复阈值界定指标体系，计算河流生态系统退化的强度，研究在哪些退化程度条件下可能会引起这一后果，确定河流水生态修复目标，为受损河流生态系统的恢复提供理论和方法支撑。

一、研究区概况

开封市马家河河道长29.68 km，属淮河流域惠济河水系。该河为开封市一条主要的排洪除涝河道，地形自西北向东南微倾斜，地势较平坦。流域内多年年平均降水量659 mm，流域面积约为206 km2，流域总人口19万人。

马家河按照5年一遇除涝标准、20年一遇防洪标准进行整治,河槽底宽17 m，边坡1∶2.5，设计流量68.8 m3/s，流速1.16 m/s。由于管理机构不健全，经过多年运行，水土流失严重，堤防工程损坏，河道淤积，河道断面防洪能力小，个别河段的河底淤高达1．5 m左右，全河段呈宽浅状,河底宽度严重缩窄。因此，河道工程不能满足高标准的防洪要求，与扩展后的城区建设及城区防洪标准很不配套。

二、河流水生态修复指标体系构建

1.河流水生态修复阈值的概念

河流水生态修复阈值是指：根据河流生态系统的自然属性、生态功能和区域经济社会发展需求，判定退化到何种程度的水生态系统需要进行修复。如果水生态系统退化的程度大于此修复阈值，则需要进行水生态修复；如其退化程度小于此修复阈值，则不需要进行修复。近年，我国河流水生态修复在理论研究、技术与方法方面已经取得了巨大进展，但是关于如何判定水生态系统修复阈值指标体系的研究较少。

河流生态系统要保障其生态功能，就需要保持其生态完整性。生态完整性主要包括物理、化学和生物的完整性，因此河流的水生态修复是一个多目标、多层次、多约束条件的综合问题，受到很多因素的综合影响。基于此，构建合理的区域河流水生态修复阈值指标体系，判定河流水生态修复阈值，可以为区域水生态修复提供科学依据和决策支持。

2.河流水生态修复阈值界定指标体系的构建

根据科学性、整体性与代表性、实用性和可操作性、经济效益与生态效益相统一原则，首先运用频度分析和理论分析法初步筛选指标，然后运用主成分分析法确定指标体系，再通过统计模型、数学模型、物理模型来判定水生态修复的关键阈值。总结国内外河流生态系统退化、生态完整性、修复等方面的研究，影响河流水生态系统的主要因素有物理结构、人为活动强度、水文条件、水质状况、水生生物、河流功能等。每种要素层下面有1个或若干个指标层，本研究根据水生态修复阈值界定指标体系的构建原则，采用理论分析和频度分析方法，构建要素层和指标层，选取6大要素共12项指标作为马家河水生态修复阈值界定的指标体系，并根据文献资料的划分方法，判定了5个等级的阈值，构建了开封市马家河水生态修复阈值界定指标体系及阈值划分标准（表1）。根据5分法的划分原则，建立了河流水生态系统健康评价标准（表2），将一般状况即指标值为4.8～7.2区间作为河流水生态受损的阈值带。当河流生态系统健康指数大于7.2，则认为该河流不需要进行水生态修复；若河流生态系统健康指数小于4.8，则认为该河流必须进行水生态修复；当河流生态系统健康指数在4.8～7.2区间，则需要判定影响河流生态系统健康的主要影响因素，根据具体情况作出是否进行水生态修复的决策。

三、开封市马家河水生态系统健康现状

1.主要指标值的计算方法

①年均流量偏差 (VAF)

式中，Qp为现状水文年（2000—2005年）多年平均径流量(m3/s)；Qa为历史水文年多年平均径流量（19世纪60年代，m3/s)，Qp及Qa根据控制水文站长系列水文数据计算。

②环境流量保障率（GEF）

式中，Qd为 2000—2005年枯水期平均水量 (亿m3/a)；Qe为河流环境流量(亿 m3)(卢作亮等，2010)。

表1 开封市马家河水生态修复阈值界定指标体系和阈值划分标准

③生态需水保障率(GEWD)

式中，Qn为2000—2005年控制水文站年平均径流量(亿m3/a)；Qc为水文站控制流域内生态需水量（亿m3/a）。

④地表水资源开发利用率（ESWR）

式中，We为流域年均地表水开发利用量 (亿m3/a)；Wt为流域多年平均地表水资源量(亿m3/a)。

⑤地下水资源开发利用率(EUWR)

式中，Wa为地下水年均开发利用量（亿 m3/a）；Wg为地下水资源年均储量（亿 m3/a）。

⑥水功能区水质达标率(AWR)：

式中，La为水功能区水质达标河段长度（km）；L为河段总长度（km）。

⑦ 纵向连通性(LoC)

式中，λ为100 km长河段平均的闸坝数。

⑧河流水力几何形态指数(RHGI)：

式中，b为河流断面平均宽度指数；f为河流断面平均深度指数。

⑨水生生物多样性指数（H′）

以浮游动物Shannon-Wiener多样性指数计算：

式中，Pi为i物种个数占采集到物种总个数的比例。

⑩河岸带植被覆盖率(RVWI)：

式中，Sv为河岸带100 m2范围内植被覆盖面积(m2)；Sr为 100 m2。

2.计算结果

根据上述所建立的指标及计算方法，计算了马家河的各项指数值（表3），计算结果表明马家河的水生态系统健康处于较差水平，需要进行河流水生态修复。根据各个指标值的计算结果，表明物理结构、人为活动强度和水生生物是影响马家河水生态健康状况的主要因素。

四、结 论

①河流水生态系统的主要影响因素包括：物理结构、人为活动强度、水文条件、水质状况、水生生物、河流功能等6个要素。河流水生态系统健康评估是生态系统恢复的基础，包括河道蜿蜒度、纵向连续性指数、横向连续性指数、河岸带宽度、底质构成指数、栖境复杂性指数、堤岸稳定性指数、环境流量保障率、河流水质平均污染指数、河岸带人类活动强度指数、生物多样性指数、水功能区水质达标率等12项指标。

表2 河流水生态系统健康综合评价标准

表3 马家河水生态修复阈值界定指标计算结果

②马家河的水生态系统健康处于较差水平，根据此前所判定的河流水生态受损的阈值带，马家河需要进行河流水生态修复。根据各个指标值的计算结果表明，物理结构、人为活动强度和水生生物是影响马家河水生态健康状况的主要因素。因此，为了保障马家河的生态功能，应对受损河流及时采取措施进行生态修复。

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