太湖流域水生态功能分区研究

胡开明 陆嘉昂 冯彬 常闻捷 巫丹

摘 要：水生态功能分区的目的是实现中国流域的“分区、分类、分级、分期”管理的精细管理理念，综合考虑江苏省太湖流域水生态系统的物理、化学和生物特征等，确定分区指标体系，运用地理信息系统空间分析和聚类分析等数学方法，对基础空间数据和流域水生态系统特征调查资料进行了分析，提出了流域水生态功能分区方案，将太湖流域划分为49个分区（陆域43个和水域6个），并提出了江苏省太湖流域水生态环境治理与保护方向，为该区域水陆一体化管理和生态环境综合治理提供技术支撑。

关键词：太湖流域;水生态功能分区;水生态环境管理;分区指标体系

中图分类号 X171文献标识码 A文章编号 1007-7731（2019）19-0098-07

Study on Aquatic Ecological Function Regionalization in Lake Taihu Basin

Hu Kaiming et al.

Abstract：The purpose of aquatic ecological function regionalization is to achieve the management goal of “partition，classification，grading and staging” for Chinese basin.Considering the physical，chemical and biological characteristics of aquatic ecosystem structure inLake TaihuBasin，regionalization index systemwas constructed.Through analyzing the basic spatial data and the survey data of the watershed ecosystem characteristics with the Spatial analysis function of Arc GIS and Mathematical methods such as cluster analysis，the division methods of aquatic ecological function regionalization in Lake TaihuBasin had been proposed.Lake TaihuBasin was divided into 49 regions（including 43land regions and 6 lake regions）.The direction of management and protection for aquatic ecological environment in Lake Taihu Basin is proposed according to the findings.This study also provides technical support for management of water-land integration as well as ecology and environment in the research area.

Key words：Lake Taihu Basin;Aquatic ecological function regionalization;Aquatic ecological environment management;Regionalization index system

当前，我国水体管理正处在从水资源管理和水环境治理向水生态管理转变的过程中，水资源开发、利用和保护都要考虑到水生态系统的基本要求，而水生态系统具有区域性与层次性特征，客观上要求建立以水生态功能分区为基础的管理技术体系[1]。水生态功能分区是依据河流生态学中的格局与尺度理论，反映流域水生态系统在不同空间尺度下的分布格局，基于流域水生态系统空间特征差异，结合人类活动影响因素而提出来的[2-4]，实质上就是划分出反映水生态系统空间特征差异与环境相互关系的区域单元[5]。

“生态区”一词最早是由加拿大森林学家Orie Loucks在1962年提出的[6]。1967年，Crowley[7]根据气候和植被的宏观特征，绘制了加拿大的生态区地图，并对生态区进行了定义：生态区是指具有相似生态系统或期待发挥相似生态功能的陆地及水域。1980年代中期，美国环境保护署（USEPA）确立，水生态区就是具有相对同质的淡水生态系统或生物体，及其与环境相关的土地单元[8]。基于土壤、自然植被、地形和土地利用4个区域性特征指标，对水生态区进行了区划，以指导流域管理。随后世界各国根据本国国情逐渐开展水生态分区工作。2000年，欧盟委员会提出欧洲水框架指令（European Water Framework Directive，WFD），首次全面闡述了欧洲淡水生态系统的管理和保护概念，提出要以水生态区为基础确定水体的参考条件，根据参考条件评估水体的生态状况，最终确定生态保护和恢复目标的淡水生态系统保护原则[9]。目前，水生态功能分区已逐渐发展成为国际水资源管理的常用基本单元[10-11]。国内对于水生态功能分区的研究起步较晚，孟伟等于2007年对水生态区划方法及其在中国的应用前景进行了探讨[1]，并对辽河流域进行了水生态分区[12]，这是我国首次对水生态分区问题进行的探索研究。此后，Zhou等对中国湖泊水库进行了水生态分区[13]，孙小银等对中国水生态分区进行了初探[14]，随着研究的深入，一些学者开始对水生态功能分区目的、指标体系和技术方法以及框架等基本问题进行系统探讨[15-17]。

本研究基于太湖流域生态环境特征，充分借鉴国内外水生态功能分区理论与实践經验，在太湖流域现有一二级分区[18]的基础上，对流域内不同区域的水生态系统特征和功能进行识别、区分，探讨面向管理尺度的分区单元，以期突破以往水功能区划和水环境功能区中割裂水—陆联系、重水质轻生态、重人类需求轻自然系统需求等问题，强调水—陆统一性和流域完整性，从而实现“分区、分类、分级和分期”的太湖流域多维综合管理模式。

1 研究区域概况

太湖流域地跨江苏、浙江、安徽、上海3省1市，是长江三角洲的核心区域，总面积3.69万km2。属亚热带季风气候区，四季分明，雨水丰沛，流域多年平均降水量1177mm。江苏省太湖流域包括太湖湖体、苏州市、无锡市、常州市和丹阳市的全部行政区域，以及镇江市区、丹徒区、句容市，南京高淳区行政区域内对太湖水质有影响的河流、湖泊、水库、渠道等水体所在区域，总面积约1.94万km2，占太湖全流域的52.6%，其中陆地面积约1.37万km2，水面面积0.57万km2。全流域地势平坦低洼，西南高，东北低，地形以平原水网为主，少量低山丘陵分布于流域西部，太湖流域的自然植被主要分布于丘陵、山地。丘陵山地的现存自然植被，从北向南植被组成与类型渐趋复杂，长绿树种逐渐增多。流域内水网交错，湖泊众多，水流流速缓慢，太湖是流域内最大的湖泊，也是流域洪水和水资源调蓄中心，水面积2338km2，多年平均蓄水量44.28亿m3。

2 分区方法

2.1 分区目的 太湖流域水生态功能分区是在太湖流域现有一、二级分区研究成果的基础上，进一步探索揭示流域水生态系统的空间规律，反映水生态系统特征及其与自然、人类活动影响因素关系。构建基于水生态健康的差别化的分区体系，提出差异化的管理目标，为江苏省太湖流域各区域制定社会经济发展规划、环境管理制度等工作提供基础依据。

2.2 分区原则 太湖流域水生态功能分区应遵循太湖流域一、二级分区的原则，即区内相似性原则、区内差异性原则、等级性原则、综合性与主导性原则、共轭性原则、以水定陆、水陆耦合原则、发生学原则和子流域完整性原则、体现水生态自然维持功能差异性原则、湖体与非湖体分区指标的一致性与差异性原则、突出底栖动物的代表性原则等[19-23]。但太湖流域水生态功能分区除了遵循以上原则外，还应遵循以下特有原则：

2.2.1 水质与水生态保护并重 遵循山水林田湖草是一个生命共同体的理念，实施水质与水生态保护并重，按照生态系统的整体性、系统性及其内在规律，统筹考虑自然生态各要素，进行整体保护、系统修复、综合治理，增强生态系统循环能力，维护生态平衡，促进经济社会和生态环境协调发展。

2.2.2 生态保护与生态修复 并举对水生态环境功能实行分区分级管控，划分生态I级区（健全生态功能区）、生态Ⅱ级区（较健全生态功能区）、生态Ⅲ级区（一般生态功能区）、生态Ⅳ级区（较低生态功能区），实施差别化的流域产业结构调整与准入政策，对生态I级区、Ⅱ级区重点实施生态保护，对生态Ⅲ级区、Ⅳ级区重点实施生态修复。

2.2.3 各类环境区划统筹兼顾 水生态功能分区与水（环境）功能区划、主体功能区划、生态保护红线、太湖分级保护区、控制单元等成果进行技术耦合、聚类分析和空间叠置，统筹兼顾，同步实施。

2.2.4 区间差异化与区内相似性 反映流域水生态系统的空间差异及分布规律，现状与生态保护相结合，充分体现水生态系统的主导功能;同一个区内80%以上监测点位水质类别和水生态健康状况属同一级别;特征污染物来源范围、重要物种及其栖息地不与相邻区形成交叉。

2.2.5 流域与行政区界相结合 流域与镇级行政区域有机结合，在保证小流域完整性的同时，兼顾行政分区的完整性，便于行政区域管理，使得区划具备可操作性。

2.2.6 水生生物资源合理利用、持续发展 在分区设置权重分配时，充分考虑水生生物资源利用的可持续性，水生生物资源利用与保护的底线是：不得改变水生生态系统的基本功能，不得破坏水生动植物的生息繁衍场所，不得超出资源的再生能力或者给水生动植物物种造成永久性损害，保障水生生物资源再生与珍稀物种恢复。

2.2.7 管理手段多元化 按照河湖统筹、水陆统筹系统化管理的技术路线，与排污许可证、容量总量控制、生态红线等环境管理手段相结合，逐步实施水质、水生态、空间三重管控，实现分区、分类、分级和分期管理。保护流域水生态系统的物理完整性、化学完整性和生物完整性，保障流域水生态系统健康。

2.2.8 功能区界动态更新 水生态功能区根据水生态现状及相关指标进行聚类划分，可动态跟踪，随着水生态状况的逐步改善，功能区边界可进行合理调整和动态更新。

2.3 分区指标体系 以流域内不同区域的水生态系统差异及其影响因素为研究对象，应用生态学对水体及其周围陆地所进行的区域分类方法，反映流域水生态系统在不同空间的分布格局。考虑到自然、人类活动影响因素与水生态系统类型之间的因果关系，力图通过水质、底栖动物、浮游植物、鱼类及各类保护区和管理区划等要素来反映水生态系统的基本特征，包括土地利用类型、物种的组成分布等。不仅反映了水生态空间分布的差异，也在一定程度上考虑了人类活动对水生态系统的影响，实现了自然要素与人为要素的结合，提出了面向水生态健康的管理区域，因而更具管理意义，体现了保护水生态的理念。选用的指标包括生态功能供给类指标与空间控制要素指标两大类，其中生态功能供给类指标包括水质常规指标（COD、氨氮、总氮、总磷、DO等）、底栖动物、浮游植物、鱼类优势度、Shannon-Wiener、BPI、FBI、叶绿素a等相关指数;空间控制要素涵盖土地利用情况、各类保护区、各类功能区划、行政区划等指标因素。

2.3.1 生态功能供给类指标

2.3.1.1 浮游植物和底栖动物相关指数 通过对浮游植物和底栖动物优势度、多样性等相关指数的计算（表2），反映水生生物的多样性维持等功能，体现以浮游植物和底栖动物为代表的水生生物稳定性及物种丰富程度。

表2 各指数计算方法

[指标 计算公式 说明 优势度指数

（Y） Y=（ni/N）×fi ni—第i類个体数量;

N—样本中所有个体数量;

fi—i种在各点位出现的频率。 Shannon-Wiener指数（H） [H=-i=1sniNlnniN] ni—第i类个体数量;

N—样本中所有个体数量;

S—样本中的种类数。 物种丰富度指数（D） D=（S-1）/lnN S—物种数;

N—全部种的个体总数。 相对重要性指数（IRI） IRI=（W+N）×F N—某个种类的尾数在总渔获物尾数中所占的比例;

W—某个种类的重量在总渔获重量中所占的比例;

F—某个种类出现的站位数与总调查站位数之比。 BPI指数 BPI=lg（N1+2）[/lg（N2+2）

+lg（N3+2）] N1—寡毛类、蛭类和摇蚊幼虫个体数（个/m2）;

N2—多毛类、甲壳类、除摇蚊幼虫以外的其他水生昆虫的个体数（个/m2）;

N3—软体类个体数（个/m2）。 FBI生物指数 [FBI=i=1nniti/N] ni—第i个分类单元的个体数;

ti—第i个分类单元的质量值（quality value），即现在的耐污值。 藻蓝素（PC） PC=0.187A620-0.089A652 A—分别表示620nm，652nm处的吸光度。 叶绿素a（chla） chla=[11.64（A663-A750）-2.16（A645-A750）/0.10（A630-A750）]×V1/（V×C） C—比色皿光程（cm）;A—吸光度;

V1—提取液定容后体积（mL）;V—水样体积（L）。 ]

注：浮游植物Shannon-Wiener多样性指数：反映浮游植物生物多样性，指标越高表示物种种类和数量结构越稳定;反之，表示种类较少或组成单一。浮游植物优势度指数：反映浮游植物物种种群数量的变化情况，生态优势度指数越大，说明群落内物种数量分布越不均匀，优势种地位越突出。底栖动物Shannon-Wiener多样性指数：反映水生生物多样性维持功能，体现以底栖动物为代表的水生生物稳定性。底栖动物优势度指数：反映底栖生物物种种群数量的变化情况，生态优势度指数越大，说明群落内物种数量分布越不均匀。底栖动物BPI指数：底栖动物生物学污染指数，基于底栖动物的生物监测评价，指数反映水质污染的严重程度。

2.3.1.2 常规/特征水质指标 （1）常规水质指标：反映水体水质最基本特征和信息的污染因子，监测系统日常测量和分析所用的指标。采用高锰酸盐指数、氨氮、总磷、总氮、溶解氧等常规指标，分3个水期综合判定水质类别（河流不考虑总氮），按各调查点位常规指标达到《地表水环境质量标准》（GB3838-2002）Ⅰ～Ⅴ类标准的情况划分区域。（2）特征水质指标：指水体污染物中除常规指标以外的特有污染因子。能够反映某种行业所排放污染物中有代表的部分，能够显示此行业的污染程度的指标。在常规指标的基础上，综合考虑河流、湖体在3个水期中AOX、硫化物、苯胺、总氰化物、二甲苯、铜、镍、锌、铬、镉、汞、表面活性剂等特征指标的超标情况。依调查点位水样检出情况，筛选研究区域镉、铬、汞3个特征指标。按各调查点位特征指标（如镉、铬、汞等重金属）超过《地表水环境质量标准》（GB3838-2002）的情况划分区域。

2.3.1.3 物种指标 通过对鱼类丰富度指数、多样性指数、濒危物种、珍稀物种、指示种、敏感种、已消失物种等重要鱼类种群及指标的计算与分析，反映区域相对高级的生态系统完整性与受损性情况。本研究根据自身调查及走访数据，结合江苏省淡水水产研究所、中国水产科学研究院渔业中心、中科院南京地湖所等单位积累的多年数据，识别太湖流域（江苏）重点保护物种与分级状况（表3）。

2.3.2 空间控制要素指标

2.3.2.1 开发区分布 结合工业点源分布及特征污染物达标情况，反映区域水体水质及水生态现状质量的差别。研究区共有省级以上开发区37家，其中国家级13家，省级24家。

2.3.2.2 土地利用指标 通过统计自然植被、农田、城镇建设用地所占的比例，体现人类活动对河流系统的影响，反映不同土地利用类型对水生态系统的影响。对土地利用遥感影像进行解译，分成耕地、林地、城镇建设用地、农村建设用地、工矿仓储用地、交通用地、河流、湖泊、坑塘、水库和其他土地共11类用地类型，通过不同的土地利用类型赋予区域不同的水生态功能。

2.3.2.3 保护区 对自然保护区、珍稀物种保护区、鱼类三场一通道、饮用水源地等有代表性的生态系统、有特殊意义的保护对象进行分类统计，作为特殊需要保护的区域单独区分。依据《江苏省生态红线区域保护规划》，三级区内的保护区共有14个种类，分为一级管控区和二级管控区两大类。

2.3.3 划分方法 在一二级水生态功能区基础上，结合行政区划，进行水生态功能管理区的划分。将各分区指标在分区功能单元基础上进行空间离散，形成基于分区功能单元的分区指标空间分布图。将各级分区指标进行空间聚类分析，形成分区结果草图。对于零散分布的单元根据就近合并的原则进行人工辅助判识，形成修正的分区图。对分区界线，采用分区结果校验方法验证分区的合理性和可靠性，进行必要的调整和修正，最后进行分区特征的描述。以太湖流域最小控制单元为基础，制作水质常规指标与浮游植物、底栖动物指标、水质特征指标、土地利用、重要保护区和重要物种保护等指标的空间分布见图1。

3 分区结果

结合对太湖全流域“水文—水质—水生态”的系统调查、水生态健康指数指标体系的建立、流域重要保护物种的研究，构建了水生态功能分区指标体系，在考虑区间差异化与区内相似性、不同区划兼顾以及具备可操作性、实用可行等原则的基础上，通过GIS聚类分析、空间叠置等空间化技术方法，在太湖流域共划分出49个（陆域43个和水域6个）基于水生态健康的、可实现差别化管理的江苏省太湖流域水生态功能分区，其空间分布如图2所示。其中，常州市、无锡市、苏州市和镇江市分别涉及16、20、21和5个水生态功能分区，而南京市仅高淳区涉及1个分区。它们分属4个等级，其中生态Ⅰ级区5个、生态Ⅱ级区10个、生态Ⅲ级区20个、生态Ⅳ级区14个，如表4至表7所示。生态Ⅰ级区：水生态系统保持自然生态状态，具有健全的生态功能，需全面保护的区域。生态Ⅱ级区：水生态系统保持较好生态状态，具有较健全的生态功能，需重点保护的区域。生态Ⅲ级区：水生态系统保持一般生态状态，部分生态功能受到威胁，需重点修复的区域。生态Ⅳ级区：水生态系统保持较低生态状态，能发挥一定程度生态功能，需全面修复的区域。

4 结语

（1）在江苏省太湖流域试行水生态功能分区管理，逐步实现从单一的水质目标管理向水生态健康指数、容量总量控制、生态空间管控、物种保护等多指标综合管理转变。实施水生态健康指标考核，强化对生物物种的保护，恢复和提升水体的生态服务功能;完善排污许可证管理，逐步实现由目标总量控制向容量总量控制过渡;实施生态红线和土地利用空间管控，实现水陆统筹、系统治污和生态修复。

（2）对水生态功能实行分区、分级管控，在4级水生态功能区逐步实施差别化的流域产业结构调整与准入政策，淘汰落后生产工艺、设备，加快化工、含电镀工序的电子信息及机械加工企业搬迁入园进度，完善园区外的印染、电镀企业退出机制，定期开展化工、印染、电镀等园区的环境综合整治。在生态Ⅲ级、Ⅳ级区新建项目实行污染物排放等量或减量置换;在生态Ⅰ级、Ⅱ级区新建、扩建产业开发项目逐步实现污染物排放“减二增一”。

（3）建立太湖流域水生态功能监测与评价体系，将水生态健康指标纳入到现有的水环境监测与管理体系。简化水生态监测方法，加快水生态环境监测能力建设，完善现有太湖流域水生态环境质量监控网络，逐步实现水生态环境质量信息共享。

（4）在试行的基础上，逐步将水生态环境功能管理目标纳入到太湖流域地方政府目标责任书考核体系，定期监督考核分区、分级目标完成情况，作为对领导班子和领导干部综合考核评价的依据。对于未通过年度考核、水生态环境受到重大损害的市、区，提出限期整改要求，限期整改不到位的暂停审批区域内除环保基础设施外的建设项目。对年度考核成绩优异的市、区，予以表彰和奖励。

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