渭河流域河流健康調查與評價

徐宗學，顧曉昀,3，劉麟菲

(1. 北京師范大學水科學研究院，北京 100875；2. 城市水循環與海綿城市技術北京市重點實驗室，北京 100875；3. 大連海洋大學水產與生命學院，遼寧 大連 116023)

河流系統是由水生生物群落與非生物環境組成的自然生態系統。各國對河流健康的管理經歷了過度開發利用—水資源管理—水環境污染治理—水生態管理不斷深化的過程[1]，逐漸形成水資源-水環境-水生態的河流健康綜合管理理念，水文情勢、水質和水生生物成為河流健康調查與評價對象的重要組成部分。水文循環作為聯系大氣圈-地圈-生物圈的重要紐帶，決定著水資源的形成與演變規律，也決定著流域的水環境和水生態狀況。受氣候變化和人類活動的雙重影響，全球范圍內的流域水文水資源時空演變規律正在發生劇烈變化，尤其是河流的水文情勢不斷發生重大改變，因此，開展水文水資源研究對流域可持續發展具有重要的現實意義[2-4]。當水體中的某些化學物質達到一定限度時，水體功能和環境質量就會受到損害，因此，水質在一定程度上可以直接表征河流的健康狀況。水質變化不僅可以反映水文特征、水生生物特征等在流域中的分布，而且能夠體現流域內社會經濟和人類活動對水環境質量的影響。隨著水環境污染問題的日益突出，水質變化已成為眾多學者關注的熱點[5-6]。水生生物與水生態系統之間時刻進行著物質和能量的交換，是河流系統的重要組成部分。水生生物受水文情勢、水環境質量等多種因素的綜合影響，其群落結構與生物特性對環境變化具有高度敏感性，能迅速反映不同時空尺度上河流的變化特征，是表征河流健康狀況的重要指示因子[7-8]。

我國正處于城市化快速發展的階段，社會經濟的發展對河流產生了巨大的影響，河流健康問題正逐漸從局部性、區域性向整體性、全國性演變。水資源短缺[9]、水環境惡化和水生態脆弱成為當前我國河流健康管理面臨的嚴峻考驗。筆者采取野外采樣調查方法，從渭河流域水文情勢、水質現狀和水生態現狀等方面了解和評價渭河流域河流健康現狀，并提出恢復、維持渭河流域河流健康的建議。

1 研究區概況

渭河是黃河最大的支流，發源于甘肅省渭源縣鳥鼠山，干流全長818 km，流域面積13.43萬km2(圖1(a))。涇河是渭河最大支流，北洛河是渭河第二大支流。渭河流域的水系呈不對稱分布，北側支流流經黃土高原丘陵溝壑區，源遠流長，集水面積大，主要支流有涇河、北洛河等，南側支流源于秦嶺北麓，源短流急，集水面積小，主要支流有石頭河、黑河等。整個渭河流域大多被黃土覆蓋，水土流失嚴重[7, 10-11]。西安、寶雞、咸陽等市擁有機械、航空、化工和有色金屬等產業，是我國西北地區重要的工業基地。以銅川為中心的渭河北岸煤炭資源豐富，涇河的甘肅慶陽石油資源豐富，北洛河上游是陜北油氣資源勘探開采重地，這些在渭河流域內形成了一條以能源為主的產業開發帶。此外，自中華人民共和國成立以來，渭河流域共興建大型水庫4座、中型水庫28座，林家村以下的關中地區共建成八大灌區。渭河是陜西關中地區的生命之河，其健康狀況直接影響關中地區的經濟可持續發展[12-13]。

近年來，由于人口數量增多，氣候變化劇烈，水資源需求急劇增加，而渭河流域的年平均徑流量急劇減少、水環境污染日趨嚴重、水生態系統加速退化，渭河流域在水文、水質和水生態3方面的現狀都不容樂觀[14]。有統計結果顯示：①1991—2000年林家村和華縣水文站測得的年均徑流量與1981—1990年相比分別減少了53.9%和50.3%；②渭河流域水質指標的全年平均濃度單項分類評價超Ⅲ類水的河長占總河長的76.3%，超Ⅴ類水的占54.2%；③渭河流域河道內魚蝦數量急劇減少，河流功能不斷退化[15-17]。這些生態環境問題嚴重制約了渭河流域經濟與社會的可持續發展。解決渭河流域的河流健康問題迫在眉睫，恢復并維持河流健康成為渭河流域管理和保護的首要目標。

2 研究方法與結果討論

為了解渭河流域河流健康現狀，筆者收集和分析了大量水文數據資料，并于2011年10月、2012年4月、2012年10月和2013年4月兩個水文年的汛前和汛后分4次對渭河流域的水質和水生態現狀進行了野外采樣調查，共設置采樣點位77個，具體的采樣點布設如圖1(b)所示。

2.1 渭河流域水文情勢

天然的水文情勢是河流系統健康的關鍵驅動力。定量描述天然水文情勢，評價水利工程對河流的影響，是河流健康評價的重要組成部分[18]。衡量水文情勢改變程度的主要方法是對比分析影響前后水文情勢的變化，識別徑流量變化的突變點，根據突變點前后的時間序列，評估土地利用變化、水庫修建、地下水開發、灌溉等人類活動對水文情勢產生的影響，進而分析水文情勢的綜合改變程度。

(b) 采樣點布設

突變點診斷指的是對水文時間序列的突變點進行判斷和分析，是水文統計分析中的重要內容，在對異常現象的分析和預測上有重要作用[19]。突變點診斷的方法包括Mann-Kendall非參數檢驗、Pettitt非參數檢驗、R/S分析法、有序聚類分析法、貝葉斯變點分析法、小波分析法等。其中，有序聚類分析法對均值變異序列或含均值變異序列的檢驗效果顯著，因此采用有序聚類分析法進行突變點診斷具有一定優勢[18]。目前國際上常用的水文情勢改變程度分析方法是基于水文改變指標法(Indicators of Hydrologic Alteration，IHA)的變化范圍法(Range of Variation Approach，RVA)。該法是由Richter等[20-21]提出的用以分析大壩、水庫等水利工程對天然徑流水文情勢影響的方法，主要以水文情勢的流量、時間、頻率、延時和變化率這5大特征為基礎。

本研究選取林家村、魏家堡、咸陽、臨潼、華縣5個水文站點1958—2008年水文系列的日流量資料，應用有序聚類法和IHA法分析渭河流域的水文情勢改變程度。研究發現，上述5個站點的主要突變年份包括1971年、1986年、1991年和1994年。結合林家村、咸陽、華縣這3個站點在1958—2008年的年徑流量變化情況，將1986年作為突變年份，將1958—1985年的水文系列作為人類活動影響前數據，將1986—2008年的水文系列作為影響后數據。IHA分析發現，因受人類活動影響而顯著改變的水文參數有5類：月流量、年極值、年極值出現時間、高低脈沖發生頻率及歷時和水文變化的頻率。所有參數中林家村的改變程度最大，其余4個站點的差別不明顯。t檢驗結果表明，林家村、魏家堡和咸陽3個站點的水文情勢改變程度為高度改變，而臨潼、華縣的水文情勢改變程度為中度改變。這與郭愛軍等[22]通過累積距平法和Mann-Kendall法得到的渭河流域徑流序列分別在1971和1991年發生變異的結論基本一致，與馬曉超等[23]通過有序聚類分析、秩和檢驗、Pettitt檢驗、Mann-Whitney檢驗和IHA法得到的林家村、咸陽和華縣水文改變度依次為70.61%、74.25%和73.05%的結論對比，華縣的水文情勢改變程度有所下降。

2.2 渭河流域水質現狀

近年來，國內學者先后采用了多種不同的技術方法對渭河流域的水質進行評估，主要研究情況見表1。

表1 渭河流域水質評估研究情況

綜合水質標識指數以單項水質標識指數為基礎，不僅能對Ⅰ～Ⅴ類水體進行評價，也能考慮惡臭的不利影響，對劣Ⅴ類水體進行詳細比較，適用范圍廣且易于操作，是目前最優選的水環境質量評價方法之一[29]。

針對渭河流域的水環境現狀，筆者采用綜合水質標識指數和單項水質標識指數對渭河流域水環境質量進行分析。由圖2可知，渭河流域豐水期水環境質量狀況優于枯水期。豐水期水環境質量Ⅲ類以上的點位有18個，劣Ⅴ類但不黑臭點位和劣Ⅴ類并黑臭點位有9個，而枯水期水環境質量Ⅲ類以上的點位有17個，劣Ⅴ類但不黑臭點位和劣Ⅴ類并黑臭點位有19個。這與陳亞萍[30]通過分析渭河陜西段豐、平、枯水期的高錳酸鹽指數得到的枯水期水質污染是豐水期的1.7～1.8倍的結論基本一致，也間接支持了其河道生態水量能有效改善水質的結論。

3個水系中，豐水期涇河水系的水環境質量最差，渭河和北洛河水系的水環境質量相差不大，渭河水系的水環境質量略好于北洛河水系；枯水期3個水系的水環境質量狀況差別不顯著。從全年水環境質量來看，渭河水系的水環境質量空間差異性較大，枯水期的水環境質量明顯要差于豐水期，涇河和北洛河水系的水環境質量普遍較差。影響渭河水系的主要環境因子為TN和TP，影響涇河和北洛河水系的主要環境因子為電導率。這與冉延平等[31]分析得到2004—2010年影響渭河水質的主要污染因子包括TP、TN等的結論具有較好的一致性，也說明長時間以來，TN和TP一直是制約渭河流域水環境質量的關鍵因素。

(a)豐水期綜合評價類別分布

(b) 枯水期綜合評價類別分布

2.3 渭河流域水生態現狀

近年來，隨著水生態不斷退化，水生態健康已經成為眾多學者關注的熱點問題。1977年英國學者開展利用底棲動物監測河流生物質量和利用理化指標預測生物種群的研究，從而創建了河流無脊椎動物預測和分類系統(River Invertebrate Prediction and Classification System，RIPACS)[32]，隨后相繼涌現出了河流評價計劃(Australian River Assessment Scheme，AusRivAS)[33]、快速生物監測協議(Rapid Bioassessment Protocols，RBPs)[34]、溪流狀態指數(Index of Stream Condition，ISC)[35]等水生態監測技術，其中應用最為廣泛的是生物完整性指數(Index of Biotic Integrity，IBI)。

生物完整性指數最早由Karr[36]在1981年提出，并以魚類為例，構建了美國河流魚類完整性指數。該指數突破了以往采用單一理化指標或單一生物指標評價水生態健康狀況的局限性，可以從系統的角度全面反映待評價水域的健康狀況，是目前水生態健康定量評價的熱門方法[37]。

筆者運用生物完整性指數分別對魚類、底棲動物和著生藻類這3種指示生物進行渭河流域水生態健康現狀評價。魚類生物完整性指數F-IBI健康評價結果如圖3(a)和圖3(d)所示。豐水期渭河流域整體健康狀況較好，其中健康點位有7個，亞健康點位有16個，一般點位有19個，較差點位有15個，極差點位有3個；枯水期渭河流域整體健康狀況一般，其中健康點位有3個，亞健康點位有8個，一般點位有20個，較差點位有22個，極差點位有7個。魚類在豐、枯水期的生物完整性差異較小。渭河水系干流的健康狀況優于支流，上游健康狀況較好，從上游到下游表現出健康狀況越來越差的趨勢；涇河水系干流的健康狀況優于支流馬蓮河，馬蓮河上游健康狀況較差，涇河水系下游的健康狀況極差；北洛河水系上游健康狀況極差，支流的健康狀況優于干流。這與劉鐵龍等[38]通過同時期渭河流域魚類調查得到的渭河干流源頭至寶雞及南、北岸支流的魚類完整性較高，關中地區、涇河中下游和北洛河干流源頭及下游完整性較差的結論基本接近。

底棲動物生物完整性指數B-IBI健康評價結果如圖3(b)和圖3(e)所示。豐水期渭河流域健康狀況較好，其中健康點位有25個，亞健康點位有5個，一般點位有8個，較差點位有4個，極差點位有3個；枯水期渭河流域健康狀況較差，其中健康點位有14個，亞健康點位有11個，一般點位有5個，較差點位有1個，極差點位有14個。底棲動物在豐、枯水期的生物完整性差異較小。渭源至天水的渭河水系干流及其右岸支流、寶雞至西安的渭河水系右岸支流以及北洛河水系中上游，水生態健康狀況較好；涇河水系水生態健康一般；渭河水系干流天水市至寶雞市河段、渭河水系干流關中平原河段，水生態健康狀況處于較差和極差水平。

著生藻類生物完整性指數P-IBI健康評價結果如圖3(c)和圖3(f)所示。豐水期渭河流域整體健康狀況一般，其中健康點位有11個，亞健康點位有15個，一般點位有26個，較差點位有6個，極差點位有2個；枯水期渭河流域整體健康狀況較好，其中健康點位有12個，亞健康點位有25個，一般點位有9個，較差點位有11個，極差點位有3個。著生藻類在豐、枯水期的生物完整性差異較大。在豐水期，渭河水系健康點位均在干流右岸，上游和中游的健康狀況要優于下游地區；涇河水系的健康狀況較差，其中源頭水體的健康狀況最好，左岸支流蒲河、穿城固河和涇河下游健康狀況較差；北洛河水系的健康狀況與渭河水系相近，中游葫蘆河、沙家河和白水河的健康狀況較好。在枯水期，渭河水系整體健康狀況較差，其中干流健康狀況較差，下游健康狀況極差，健康點位多分布于干流右岸及源頭；涇河水系多數點位健康狀況均為較好，其中源頭的健康狀況最好，馬蓮河健康狀況一般；北洛河水系上游的健康狀況較差，中下游地區較好，其中葫蘆河上游和干流中游多為健康。

(a) 豐水期魚類生物完整性健康評價

(b) 豐水期底棲動物生物完整性健康評價

(c) 豐水期著生藻類生物完整性健康評價

(d) 枯水期魚類生物完整性健康評價

(e) 枯水期底棲動物生物完整性健康評價

(f) 枯水期著生藻類生物完整性健康評價

3 結論與建議

a. 林家村、魏家堡和咸陽3個站點的水文情勢改變程度為高度改變，而臨潼、華縣的水文情勢改變程度為中度改變。

b. 渭河流域豐水期水環境質量狀況優于枯水期。渭河水系的水環境質量空間差異性較大，枯水期的水環境質量劣于豐水期，涇河和北洛河水系的水環境質量普遍較差。影響渭河水系的主要環境因子為TN和TP，影響涇河和北洛河水系的主要為電導率。

c. 魚類和底棲動物在豐、枯水期的生物完整性差異較小，著生藻類則較大。3種水生生物的評價結果存在一定的差異，但總體一致，表現為渭河水系干流渭源至天水段及其右岸支流、渭河水系右岸支流寶雞至西安段以及北洛河水系中上游，水生態健康狀況較好；涇河水系健康狀況一般；渭河水系干流天水至寶雞段以及關中平原段，處于較差和極差水平。

針對目前渭河流域河流健康存在的主要問題，提出以下幾點建議。

a. 控制水利工程的過量開發利用，合理調控閘壩的蓄放水過程。

b. 在河道沿岸建設污水處理廠，對排河污水進行攔截和處理，并定期監測水體理化性質，重點關注TN、TP和電導率。

c. 控制流域內的石油開發強度，恢復河岸帶及邊坡生境，保證水生生物的正常棲息和繁衍。

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