區縣尺度下的河流生態系統健康評價
——以北京房山區為例

曹 宸,李敘勇

1 中國科學院生態環境研究中心 城市與區域生態國家重點實驗室, 北京 100085 2 中國科學院大學, 北京 100049

河流生態系統在人類發展歷史中起到不可替代的作用,不僅供給人類生產生活所需的各類河流生態系統產品,而且發揮維持人類生存依賴的自然環境等河流生態系統功能[1-3]。伴隨現代化城市建設的快速發展,高強度人工管控而引起的水資源供需矛盾與水生態環境退化問題,已對自然狀態下的河流生態系統平衡產生極大擾動與破壞,同時原有的河流生態系統也被附加了眾多社會經濟屬性[4-6]。同時,人工干預下的河流水源結構與水動力條件的改變,促使河流生態系統在區縣級尺度下存在明顯的空間異質性,河流健康須界定在自然調整與人工管控系統下的河流生態系統健康[7]。因此,如何評估區縣級尺度下河流生態系統健康現狀已成為當下區域河流生態系統管理的重要議題。

目前,河流生態系統健康評價方法已在世界范圍內進行廣泛的探討[8-11],主流的評價方法有2類：指標體系法與指示物種法,如國外較為流行的歐盟水框架指令[12],美國快速生物監測協議[13],澳大利亞河流狀態指數法[14], 瑞典的農業景觀區域河岸帶與河道環境評估方法[15]等。國內也有諸多學者采用類似方法,在我國海河流域,淮河流域,松遼流域等流域進行河流生態系統健康評價,并取得較為豐富的研究成果：郝利霞等[16]以水質,底棲動物與營養鹽3方面構建海河流域河流健康評價指標體系；李瑤瑤等[17]以水文特征,水質狀況,地貌特征與生物狀況4方面構建淮河流域(河南段)河流生態系統健康評價指標體系；朱衛紅等[18]以河流水文,河流形態,河岸帶狀況,水體理化參數與河流生物構成5方面構建松遼流域圖們江河流生態系統健康評價指標體系。指標體系法在上述研究均得到較好展現,已經成為當下河流生態系統健康評價較為理想的方向。然而在指標體系法構建的過程中也存在部分不足：國內外多數學者在研究區域的選取偏向于省市或大流域尺度,而較少深究區縣行政尺度下河流的共性探討；在研究對象上主要傾向于選取水文連續條件較為優良的河流生態系統,而忽視具有較強間斷性的河流生態系統評價；在評價體系中較多將河流水質單獨作為評價的關鍵因素,而忽略了人工管控下河流水源結構的客觀組成現狀,使河流生態系統健康評價整體偏低。因此,目前已有的指標體系法較難適用于區縣尺度下河流生態系統健康評價。

北京市房山區作為北京市重點生態保育及區域生態治理協作區,區內河流受人工管控,有明顯缺水性,間斷性與片段性,河流水體與河流生境構成具有自然與人工雙重屬性。較為復雜的河流生態系統構成約束著區域內社會經濟與自然生態的可持續發展。本研究在吸取并改進相關指標體系法的基礎上[19-23],結合區域特征,采用基于區縣級行政單元為主體,區域性流域單元為輔助的多因子綜合評價指標法,從河流的水環境功能、防洪效益功能、生態效益功能和支持利用功能4方面篩選河流生態系統健康評價指標,通過層次分析法賦權計算權重,探討北京市房山區河流生態系統健康狀況,并構建相應河流生態系統健康評價體系,以期對間斷性、缺水性的河流生態系統健康評價與區域河流生態系統管控提供參考。

1 研究區概況

1.1 研究區域

房山區地處北京市西南,東界永定河,南接拒馬河,西北倚太行山余脈,位于115°25′—116°15′E與39°30′—39°55′N之間,總面積2019 km2,為首都西南部重點生態保育及區域生態治理協作區(圖1)。房山區多年平均降水量為582 mm,屬于暖溫帶半干旱半濕潤地區。房山區地跨大清河與永定河2大流域水系、3條骨干河流,11座中小型水庫。區域內人口密集,2016年平均人口密度為543人/km2,而同年人均水資源量僅為266 m3/人,遠低于全國人均水平,水資源供需矛盾突出。

房山區降水年內分配極度不均,6—9月降水量占全年總降水量85%,加之頻繁的人類活動,區域內河流徑流量呈現明顯季節性波動。2012年北京“7.21”特大暴雨在房山引發多處河道溢滿,部分區域面臨季節性洪水,而在非汛期,多數河流僅勉強維持河道基流,甚至出現季節性斷流,加之工農業與林業的水資源消耗、水庫塘壩人為截留與再生水污染風險,河流生境不穩定導致水生棲息地片區化,水生生物多樣性衰退等區域生態安全隱患,如何解決區域河流生態系統健康與生態安全間的矛盾迫在眉睫。

圖1 北京房山區地理位置Fig.1 Location of Fangshan district in Beijing

1.2 樣點設置及數據來源

房山區境內水系由大清河水系和永定河水系構成,由于永定河水系基本長年處于干涸狀態,為此將大清河水系進行二次劃分。大清河水系包括大石河,拒馬河與小清河三條干流。在2016年9月—2017年9月四季對北京市房山區水系進行野外調查,針對連續型河流水系布點遵循等間距布設,季節性河流水系布設于河流連續性漸變起始處下游1 km處,基本涵蓋各段河流水系的基本特征。因此,在拒馬河選取1—4共4處樣點,大石河選取5—21共17處樣點,小清河選取22—28共7處樣點,永定河選取29—31共3處樣點,總計31處樣點(圖2)。同時,選取的16項評價指標原始數據有9項直接通過野外調查獲得,2項通過野外調查與歷史資料校對獲得,5項來自于2015—2016年統計年鑒。

圖2 2016—2017年北京房山區調查/采樣點分布情況Fig.2 Distribution of survey and sampling sites of Fangshan district in Beijing, in 2016—2017

2 評價指標體系及標準

2.1 構建房山區河流生態系統評價指標體系

目前,在我國大流域尺度的河流生態系統健康研究較多,但因自然條件差異,人為干擾程度不同等因素,沒有形成統一的評價指標體系,本文結合已有研究與實地調查情況,劃分流域河流水環境功能、防洪效益功能、生態效益功能以及支持利用功能4個相對獨立的子評價指標系統。

本研究結合華北半干旱半濕潤地區社會經濟發展水平與自然地理條件,依據指標數據的代表性、可獲取性以及評價方法可操作性,選取與河流生態系統密切相關的評價指標,并通過相關領域專家鑒別篩選,最終確認：水質綜合達標率、防洪河道措施完善率、生態環境用水率、萬元地區生產總值水耗等16項指標構建北京市房山區河流生態系統健康評價指標體系,其構成參見表1。

2.2 河流生態系統健康評價模型

目前,綜合評價指標法[24]、神經網絡法[25]、模糊評價法[26-27]等多種統計方法在河流生態系統健康評價中較為常見。結合實際情況與簡潔實用的可操作性,本文采用多因子綜合評價指標法,分析判斷北京市房山區河流生態系統健康狀態。

表1 北京房山區河流生態系統健康評價指標體系

評價模型：

(1)

式中,I為綜合評價值；φij為第i個效應層中第j個指標層對應權重值；mij為第i個效應層中第j個指標層的評價值；n為各效應層中所對應指標層總數。

2.2.1 評價指標標準

針對已構建的北京市房山區河流生態系統評價指標體系,統計年鑒數據指標標準優先選取國家指標,其次選取北京市“十三·五”規劃或房山區生態文明建設標準；野外調研數據指標標準則優先考慮地區性標準,以減小區域性差異影響,其次選取專家現場評判方式。指標標準構成參見表2。

表2 北京房山區河流生態系統健康評價指標標準

2.2.2 評價指標權重

為突出評價指標體系中指標差異性與重要性,首先邀請各相關領域專家對效應層層間指標進行兩兩判別比較。采用數值1, 3, 5代表同等重要、重要與非常重要,而數值2,4則表示介于之間的重要性情形,并采用層次分析法計算各效應層的權重值,并檢驗其一致性,參見表3。

表3 北京市房山區河流生態系統健康矩陣及權重

CR:一致性比率,Consistency Ratio

2.2.3 評判標準

按照河流生態系統健康狀態及演變規律,結合研究區現有情況并參考相關資料文獻,采用直觀分析與對比的區間分層方式,將河流生態系統健康程度由高至低依次劃分為健康、亞健康、一般、較差與差5個評價等級。參見表4。

表4 北京市房山區河流生態系統健康等級標準

3 結果與討論

3.1 北京市房山區河流生態系統健康現狀綜合分析

將計算或引用的現狀值與對應的評價指標標準相對照,采用數值分析擬合的方式折算為現狀評價分值(統一落入0—1區間內),并利用計算確定的指標權重,確定房山區河流生態系統健康評價結果。

由表5可知,現狀下的房山區河流生態系統健康綜合評價值I為0.445,對照河流健康評價等級標準,其基本情況屬于河流健康水平“較差”,勉強滿足河流生態系統一般需求。其4項效應層的評價值(I生態效益功能=0.162;I防洪效益功能=0.121;I水環境功能=0.110;I支持利用功能=0.054)均小于0.200“健康”狀態下線值,I生態效益功能∈(0.150,0.200)介于“亞健康”狀態,I防洪效益功能、I水環境功能∈(0.100,0.125)介于健康“較差”狀態,而I支持利用功能∈(0.000,0.006),落至健康“差”狀態,且支持利用功能在河流生態系統中可以近似忽略不計。表明房山區河流生態系統存在整體功能性偏弱,部分功能不完善,且其健康狀況有朝更惡劣情況發展趨向,急需采取有效措施彌補或緩解河流生態系統整體惡化趨勢。

結合圖3可知,房山區河流的生態效益功能是最為突出的,其次關注于防洪效益功能與水環境功能,而對于支持利用功能目前重要性欠缺,即I生態效益功能=1.33(I防洪效益功能≈I水環境功能)=1.33×2.08(I支持利用功能)；而對比四者權重賦值：φ防洪效益功能=1.86(φ生態效益功能=φ水環境功能)=1.86×1.86(φ支持利用功能)。河流的生態效益功能與防洪效益功能間在房山區內存在明顯的理論值與實際值間的偏差,而支持利用功能與水環境功能之間基本符合預期。究其原因,房山區全境的防洪工程措施目前正處于大規模建設與改造階段,短期內強烈的人工河流構筑方式對河流的生態效益與防洪效益功能波動影響較大,而對于支持利用與水環境功能的變化影響具有滯后性。

表5 北京市房山區河流生態系統健康綜合評價值

圖3 各效應層權重占比Fig.3 Weight ratios of each effect layer

3.2 組內指標分析

3.2.1 水環境功能

同前所述,水環境功能中除河流的水源地達標率指標整體“健康”外,水質綜合達標率,水體自凈率和河流斷流率三項均處于“差”等級,對應于樣點中水環境功能健康狀態為“較差”與“差”占比均為35.5%,而健康狀態在“亞健康”及以上比例僅9.7%(圖5),這主要由于山區水庫坑塘建設工程均位于各河流干流或匯水區域上游區域,基本截斷蓄存河流補給的潔凈地下水與坡面匯水,同時山區水源地附近傳統礦業已全部關停,農牧業發展受到嚴格管理,為水源地水體涵養、水質提升優化提供的便利。而對應于水源地下游河流由于被人為切斷自然徑流補給以及受制于高蒸散發的氣候因素,下游河流多數僅能維持10cm及以下的自然生態基流,部分支流出現時序不等的季節性或長期斷流(圖4)。

山區河流除西南部河流具有長期穩定基流外,其余山區河流溝道多數由于無水斷流而無法發揮水體自凈能力,而平原河流大部分水質綜合達標率與水體自凈率均極低,尤其是經過城鎮與村鎮緊密包圍的下游河流極為嚴重。研究與監測表明,污染嚴重河流中的氮磷主要源自于村鎮生活污水與持續天量的城鎮回灌Ⅴ類再生水,河流中自然徑流與再生水間極不協調的比例,遠遠超出河流自凈能力上限,同時河流橫向的拓寬、縱向坡降的降低以及河流下墊面硬化等水利干預措施極大降低原有水動力條件,富營養化趨勢已在部分河段出現,嚴重損害河流生態系統健康。

3.2.2 防洪效益功能

多數自然山區河溝具有短期調蓄能力薄、汛期過境流量急、抵御山洪能力弱等特點,而平原河流具有豐枯期沒水區域變化大,泥沙沉積程度高,防洪標段不統一等特性。衡量河流防洪能力是河流健康評價應用中最為關鍵的一類標準。目前,河流調蓄率指標達到“健康”程度,而防洪河道措施完善率與河岸緩沖帶結構穩定性均處于健康“一般”與“較差”程度。調查樣點中防洪效益功能健康狀態為“健康”與“亞健康”占比分別為25.8%與32.2%,而健康狀態為“較差”比例為29%(圖5)。從空間分布來看,山區河流人為侵占或挪用河道用地的隱患集中于緩沖區脆弱區域；而平原河流則多數處于人工修整治理與擴建階段,防洪措施的不完善與河岸緩沖帶結構的不穩定(圖4),在未來1—2年內存在偶發性特大暴雨引起的區域洪水安全事故風險,河流生態環境健康存在下降可能。

圖4 北京市房山區河流連續性與緩沖區狀態Fig.4 Continuity and buffer state of rivers of Fangshan district in Beijing

3.2.3 生態效益功能

如上所述,生態效益功能由河岸緩沖帶植被覆蓋率,珍稀水生生物分布狀態,魚類種類變化率等5項指標決定,其中珍稀水生生物分布狀態與魚類種類變化率指標處于“健康”狀態,河岸緩沖帶植被覆蓋率指標處于“亞健康”狀態,而生態環境用水率與萬元地區生產總值水耗則分別處于健康狀況“較差”與“差”狀態。調查樣點中41.9%為“亞健康”狀態,29.0%為“一般”健康狀態(圖5)。

從空間分布分析,房山區珍稀水生生物主體分布在西南山區主河道,該河流區域已劃為市級野生水生動物保護區,傳統農業與工礦企業已被民俗生態旅游業取代,因而水生態與水質條件優良,多鱗鏟頜魚、大鯢、東方薄鰍等一批珍稀水生生物得以生存；同時通過實地調查,人工育苗投放與部分人為放生行為的存在,除斷流河流區域與部分季節性斷流河段,普通魚類(如：黃嘎魚、子陵吻蝦虎、麥穗魚等)基本全流域分布,間接說明房山區有水河流水生生境與水生食物鏈較為完整。目前房山區河流處于綜合治理階段,平原區河流緩沖帶植被多為新種草皮或新栽苗木,部分區域尚未完工,而山區多數河流由于常年缺水,河岸緩沖帶區域植被難以存活,其植被覆蓋率在短期內難以提升。

同時,房山區水資源略有下降的趨勢難以維持區域植被覆蓋的持續增加,生態環境用水占比的飆升側面反映地表河流對陸域以及地下水補給功能的降低與削弱。同時,平原區粗放型農業與高耗水型建材能源生產模式未得到明顯改觀,經濟附加值較弱的工農業基礎加重水資源消耗的生態成本,限制了河流生態環境健康進一步改善。

3.2.4 支持利用功能

河流的支持利用功能中水資源費征收率指標狀態“健康”,污水處理率指標狀態“一般”,而人均用水量與通航保證率指標健康狀態“差”, 調查樣點中41.9%為“較差”狀態,48.4%為“差”健康狀態(圖5)。究其原因是房山區存在區域性地表水資源總體匱乏問題,且難以自我消化與解決,人均用水量中地表河流水資源貢獻額占比較低,基本可以忽略,同時主干河流2—3 km間距建有跌水壩水利構建,通航能力基本喪失,并長期難有改觀。污水處理目前主要以污水處理廠為主,河流生態濕地所承擔的污水凈化功能在未來510年將逐步發揮并提升其功能,污水處理率指標有從“一般”向“亞健康”提高的空間,支持利用功能的河流生態環境健康需要長期時間累計才會逐步轉好。

圖5 各效應層的健康等級與空間分布Fig.5 Health level and spatial distribution of each effect layer

3.3 水系河流生態系統健康評價

房山區4條主干河流的河流生態系統健康程度差異較大(圖6),拒馬河整體保持“健康”至“亞健康”的狀態,其中31.3%樣點達到“健康”水平；小清河介于“亞健康”至“一般”狀態,“亞健康”樣點數超過60%；而大石河與永定河處于“較差”與“差”的狀態,分別有45%、50%的樣點健康狀態低于“一般”健康水平。分析緣由,結合圖4與圖6,河流生態系統健康必須具備生態基流的前提,水庫區域性截留與工程性管控措施極大地削弱河流水文的連續性與穩定性,河流間斷性的斷流嚴重降低河流的水環境功能,而河流長期性的斷流直接削弱河流的支持利用功能。因此,恢復河流生態基流是提高房山區河流生態系統健康的前提與關鍵因素。

圖6 北京市房山區4水系河流生態系統健康對比Fig.6 Health comparison of river ecosystem of Fangshan district in Beijing1：防洪效益功能 Function of flood control benefit；2：生態效益功能 Function of ecological benefit；3：水環境功能Function of water environment；4：支持利用功能Function of supporting and utilizing

大石河水系是區內最大水系,山區段因水源不足與人工截留呈現季節性斷流,河流生態系統健康程度“差”；而平原段承接再生水,水質風險突出,水環境功能的受損,其河流生態系統健康程度“較差”。

拒馬河水系作為過境河流,山區段已納入自然保護區,水質優良,水量豐沛,河流生態系統達到“健康”程度；相對平原段因水利工程建設干擾,河流人為干涸,平原段河流生態系統健康程度“較差”。

小清河水系主體承接再生水,作為平原區非灌溉型景觀排澇降污河流,水量穩定,但水質極差,其河流生態系統健康程度雖然整體介于“亞健康”與“一般”水平,但其生態潛在風險十分突出。

永定河水系受大寧水庫管控影響,常年斷流,河道處于荒廢階段,其河流生態系統整體健康狀況“差”,但其防洪效益功能保持長期“健康”狀態。本研究以為,在面臨潛在洪澇災害風險的房山區,永定河可承擔的區域性防洪排澇功能已超過其整體功能,對其河流生態系統健康狀況評價不適合綜合評價方式。

4 結論

(1)房山區河流生態系統健康評價體系包括河流的水環境功能,防洪效益功能,生態效益功能和支持利用功能4方面,涵蓋16個具體指標；其權重大小排序為防洪效益功能>生態效益功能=水環境功能>支持利用功能。

(2)在房山區31個樣點中,達到“健康與亞健康”狀態的防洪效益功能和生態效益功能的樣點比例分別為58.0%與41.9%,而水環境功能與支持利用功能中“較差與差”狀態樣點比例為71.0%與41.9%,房山區河流生態系統健康水平整體“較差”,勉強滿足河流生態系統一般需求。

(3)房山區境內拒馬河與小清河的河流連續性為43.4%,84.5%,遠高于20.1%的大石河與0.0的永定河,相對于河流生態系統健康狀態,前兩者“健康與亞健康”狀態比例超過60%,后兩者相對比例僅35%。

(4)針對房山區內大石河與永定河河流生態系統健康狀況,適當釋放河流上游庫區截留水量、調配區外清潔水體、提升河流水系連通性以及盡可能恢復或維持河流必須的生態基流,是提高相應河流水環境功能和支持利用功能與恢復房山區河流生態系統健康的前提與基礎。