河流健康評(píng)估研究及應(yīng)用
——以南排河為例*

王景豪,宋剛福,2*,魏懷斌,陳 鋒

(1.華北水利水電大學(xué),河南 鄭州 450046；2.河南省水環(huán)境模擬與治理重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,河南 鄭州 450046)

河流是人類及動(dòng)植物生存的基礎(chǔ),從古到今偉大的文明大多起源于各大流域[1-2]。而今,隨著人類的活動(dòng)頻繁地?cái)_動(dòng)河流,河流生態(tài)系統(tǒng)逐漸變差。大型水利工程、人類居住區(qū)、農(nóng)業(yè)面源污染等行為,破壞人與自然的和諧統(tǒng)一[3]。面對(duì)河流生態(tài)系統(tǒng)的破壞,為了保護(hù)河流,恢復(fù)河流的原貌,西方國(guó)家在20 世紀(jì)70 年代提出了“河流健康”的概念[4]。從河流本身來看,河流健康就是生態(tài)系統(tǒng)未被破壞,保持結(jié)構(gòu)完整、穩(wěn)定的狀態(tài)[5]。從河流對(duì)人類的利用價(jià)值來看,河流健康不僅僅是指生態(tài)系統(tǒng)的延續(xù)完整性,還指河流能為人類提供必要的服務(wù)功能[6]。從河流管理與河流保護(hù)的角度來看,健康的河流是指通過管理達(dá)到原生生態(tài)系統(tǒng)的河流[7]。

基于河流健康的概念,不同國(guó)家設(shè)置了很多的指標(biāo)體系和方法,以指導(dǎo)河流健康評(píng)估工作,在實(shí)踐中被廣泛運(yùn)用[8]。李博韜[9]利用浮游植物生物完整性指數(shù)(P-IBI)對(duì)江陰市河流的健康進(jìn)行評(píng)估。張方輝[10]采用底棲動(dòng)物完整性指數(shù)(B-IBI)對(duì)梁灘河和瀨溪河水系進(jìn)行了健康評(píng)估。Prabhat K[11]等定義了河流健康指數(shù)(RHI)作為一種新的河流健康評(píng)估指數(shù)。曾小瑱[12]在對(duì)麗娃河健康做評(píng)估時(shí),采用澳大利亞的溪流狀況指數(shù)(ISC)與瑞典的農(nóng)業(yè)景觀區(qū)域河岸帶與河道環(huán)境評(píng)估方法(RCE)做對(duì)比。胡立剛[13]對(duì)貴州省六硐河的健康評(píng)估,構(gòu)建的是以物理、水文、水質(zhì)、水生生物、社會(huì)服務(wù)功能等方面的綜合健康評(píng)價(jià)體系。采用不同的指標(biāo)體系,均能在一定程度上反應(yīng)部分河流的真實(shí)健康狀況。

目前,我國(guó)的河流健康評(píng)估工作執(zhí)行統(tǒng)一的導(dǎo)則,它是水利工作者通過近10 年的研究探索與實(shí)踐檢驗(yàn)的成果。一方面,它是從宏觀性的角度上對(duì)各個(gè)流域河流的整體考量,具有普適性,在流域河湖水生態(tài)保護(hù)治理工作中發(fā)揮了基礎(chǔ)支撐作用。但對(duì)具體的河流,應(yīng)充分地考慮地域性差異、河流的生態(tài)狀態(tài)差異[14]。另一方面,導(dǎo)則的制定是指導(dǎo)自然河流的健康評(píng)估工作,而南排河是一條人工開挖的河流,具有與天然河流截然不同的功能定位。建立適合具體河流的指標(biāo)體系,充分考慮各指標(biāo)在總體評(píng)估中的權(quán)重差異,是對(duì)河流健康進(jìn)行全面、準(zhǔn)確評(píng)估的前提[15]。

本文在遵循河流健康評(píng)估原則的基礎(chǔ)上,結(jié)合水利部河湖健康導(dǎo)則,考慮滄州市南排河的實(shí)際情況對(duì)導(dǎo)則中的一些指標(biāo)、權(quán)重稍作調(diào)整,使其更貼近南排河健康狀況的基本面。采用分級(jí)指標(biāo)法構(gòu)建了指標(biāo)體系,采用主觀加權(quán)法確定了指標(biāo)權(quán)重,以期為南排河治理、保護(hù)、健康恢復(fù)提供參考。

1 研究區(qū)域概況

南排河是為了提高黑龍港河的排瀝標(biāo)準(zhǔn)而開挖的人工河道,為省級(jí)排瀝河道。上起泊頭喬官屯閘,經(jīng)滄縣、黃驊至李家堡入渤海。流域地處滄州中心城區(qū)和天津?yàn)I海新區(qū)之間,介于東經(jīng) 116°05′～118°03′,北緯 38°09′～38°39′,位置如圖1 所示。流域?qū)儆谄皆０兜孛?濱海地區(qū)地勢(shì)低洼,利于行洪。流域面積13707km2,河段長(zhǎng)99km,河道平均比降0.05‰,水深 3.5～6.3m。

圖1 南排河地理位置

流域大部分區(qū)域?qū)儆谂瘻貛О霛駶?rùn)大陸性季風(fēng)型氣候,冬季空氣干燥,夏季炎熱多雨[16]。多年平均氣溫為12°；平均年降水量627 毫米,其中6～9 月的降雨量占全年的74.8%,極易形成洪澇。此外,流域處于渤海經(jīng)濟(jì)圈的中心,以海產(chǎn)、水產(chǎn)、海上運(yùn)輸為核心產(chǎn)業(yè),在經(jīng)濟(jì)高速發(fā)展的過程中,南排河正承受著前所未有的污染壓力[17],據(jù)2019 年的水質(zhì)監(jiān)測(cè)報(bào)告顯示,水質(zhì)類別為劣Ⅴ類。

2 研究方法

河流抽象整體的健康狀況,需要通過具體的指標(biāo)表現(xiàn),可以采用單指標(biāo)評(píng)價(jià)法或者多指標(biāo)綜合評(píng)價(jià)方法[18]。單指標(biāo)評(píng)價(jià)法主要反映單個(gè)指標(biāo)對(duì)整體狀況的影響程度。多指標(biāo)綜合評(píng)價(jià)方法可以充分地反應(yīng)問題的整體概況,及多個(gè)指標(biāo)對(duì)河流健康現(xiàn)狀的貢獻(xiàn)程度,更科學(xué)更全面。分級(jí)指標(biāo)法是綜合評(píng)價(jià)法的一種,選用分級(jí)指標(biāo)法構(gòu)建南排河健康評(píng)估指標(biāo)體系。

采用分級(jí)指標(biāo)法分析時(shí),各個(gè)指標(biāo)對(duì)健康狀況的影響程度不同,應(yīng)給予有區(qū)分度的賦值。常用的賦值方法包括主觀賦權(quán)法和熵權(quán)法。熵權(quán)法的基本思路是根據(jù)指標(biāo)變異性的大小來確定客觀權(quán)重,一般來說,若某個(gè)指標(biāo)的信息熵越小,表明指標(biāo)值的變異程度越大,提供的信息量越多,在綜合評(píng)價(jià)中所能起到的作用也越大,其權(quán)重也就越大。湘江河[19]、大凌河[20]、蘇州河[21]、大沽河[22]、太子河[23]、松河[24]、沂河[25]、雙臺(tái)子河[26]、連云港市入海河[27]的健康評(píng)估均采用熵權(quán)法。主觀賦權(quán)法是依據(jù)指標(biāo)的重要性,自主地設(shè)置指標(biāo)權(quán)重。

熵權(quán)法從一定程度上,表征了數(shù)據(jù)的客觀性及在綜合評(píng)價(jià)中的貢獻(xiàn)大小,看起來很科學(xué)。但指標(biāo)權(quán)重不僅體現(xiàn)指標(biāo)本身在系統(tǒng)中的作用,而且反映研究者對(duì)該指標(biāo)的重視程度[28]。故充分考慮主客觀雙重因素,選擇主觀賦權(quán)法為指標(biāo)賦權(quán)。

3 指標(biāo)體系構(gòu)建

3.1 評(píng)估河段劃分及數(shù)據(jù)來源

(1)評(píng)估河段劃分

考慮到流域環(huán)境、自然地理、社會(huì)經(jīng)濟(jì)、生態(tài)環(huán)境等因素的差異,單點(diǎn)位的水質(zhì)指標(biāo)、流量數(shù)據(jù)很難在大空間尺度上反映整個(gè)河流乃至流域的健康狀況,需要分段或分區(qū)評(píng)價(jià)[28]。

河段劃分是進(jìn)行河流健康評(píng)估的基礎(chǔ),劃分河段監(jiān)測(cè)更能全面綜合地評(píng)估南排河的健康狀況,本研究將河段劃分為三段,并沿河布設(shè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)(劃分結(jié)果表1)。圖1 中的監(jiān)測(cè)點(diǎn)位置從左向右依次為肖家樓、東關(guān)村、西道安村、扣村、趙家堡。

表1 南排河評(píng)估河段劃分表

(2)數(shù)據(jù)來源(如表2)

3.2 指標(biāo)選取與指標(biāo)體系構(gòu)建

南排河河流健康狀況,以河流健康內(nèi)涵為依據(jù),以維持河流健康生命為最終目標(biāo)。綜合考慮各種因素,可分別選擇反映河流水文、物理結(jié)構(gòu)、化學(xué)、生物、社會(huì)服務(wù)功能五大方面的14 個(gè)指標(biāo)。(如表3)

本文選取的指標(biāo)與導(dǎo)則上的指標(biāo)不完全一致,主要體現(xiàn)在化學(xué)完整性不同。其中,將水質(zhì)優(yōu)劣程度、底泥污染狀況、水功能區(qū)達(dá)標(biāo)率分別換成溶解氧狀況、耗氧有機(jī)物污染狀況、重金屬污染狀況。取消了入河排污口布局合理程度指標(biāo)。

水質(zhì)優(yōu)劣程度是以水質(zhì)指標(biāo)的具體濃度劃分水質(zhì)類別,通過水質(zhì)類別整體概況地描述水質(zhì)的污染情況；水功能區(qū)達(dá)標(biāo)率也是以水質(zhì)的具體情況,按水功能區(qū)劃研究水質(zhì)的達(dá)標(biāo)情況。這些均可以由一個(gè)水質(zhì)全指標(biāo)監(jiān)測(cè)得到體現(xiàn)。但對(duì)南排河[29]水系而言,主要污染來源于有機(jī)物、N、P 等耗氧有機(jī)污染物；且長(zhǎng)期持續(xù)性的全指標(biāo)監(jiān)測(cè)具有較大的經(jīng)濟(jì)壓力。故選取溶解氧狀況、耗氧有機(jī)物污染狀況作為水質(zhì)狀況的評(píng)估指標(biāo)。

底泥中的污染一方面包括常規(guī)的N、P、COD 等,可通過與水體的傳質(zhì)作用釋放到河水中,在對(duì)河水的水質(zhì)監(jiān)測(cè)中得到體現(xiàn)；另一方面由于經(jīng)過城市、收集部分生活、工業(yè)污水,經(jīng)過多年的沉積導(dǎo)致重金屬超標(biāo),可將沉積物中的典型重金屬污染狀況作為另一個(gè)健康評(píng)估指標(biāo)。

3.3 指標(biāo)權(quán)重賦值

南排河評(píng)估指標(biāo)的權(quán)重設(shè)置,是在參照《SLT973-2020河湖健康評(píng)估技術(shù)導(dǎo)則》的基礎(chǔ)上,根據(jù)各個(gè)指標(biāo)與評(píng)估標(biāo)準(zhǔn)的差異以及各個(gè)指標(biāo)的對(duì)于河流自然生態(tài)完整性和社會(huì)服務(wù)功能完整性的相對(duì)重要性,在反復(fù)對(duì)比和權(quán)衡的基礎(chǔ)之上確定的。

R1、R2、R3、R4、R5 的指標(biāo)權(quán)重依據(jù)導(dǎo)則。具體在各指標(biāo)層的選取采用主觀賦權(quán)法。

在R1 中,滿足河流的生態(tài)基本流量是河流恢復(fù)健康的最為重要的一步,賦予了較高的權(quán)重。

在R2 中,水體的流動(dòng)差會(huì)導(dǎo)致缺氧,影響動(dòng)植物生存；嚴(yán)重時(shí),威脅整個(gè)河流生態(tài)系統(tǒng)。所以,河流的縱向連通指數(shù)是物理結(jié)構(gòu)的最重要指標(biāo)因素,給予較高的權(quán)重。而河岸穩(wěn)定性、河岸帶植被覆蓋度、人工干擾程度雖然也會(huì)影響到河流的生態(tài)健康,但影響是局部的,權(quán)重較低一些。

在R3 中,在化學(xué)準(zhǔn)則層中,耗氧有機(jī)物污染狀況是最能反映河流污染的指標(biāo)。耗氧有機(jī)物污染與溶解氧的狀況成正相關(guān),故給予同等重要的權(quán)重。重金屬污染進(jìn)入人體會(huì)嚴(yán)重影響人體健康,考慮到南排河不是供水河流,因此給予相對(duì)較小的權(quán)重。

在R4 中,大型底棲無脊椎動(dòng)物生物完整性指數(shù)和魚類保有率都是表征生物完整性的重要指標(biāo),其重要性難分大小,因此給予相同的權(quán)重。

在R5 中,排瀝功能是南排河的主要功能,必須給予較大的權(quán)重。故公眾滿意度體現(xiàn)河流為人們提供的生態(tài)服務(wù)功能,是附加的功能,賦于較小的權(quán)重。

4 結(jié)果分析

參照南排河河流健康評(píng)估指標(biāo)賦分與評(píng)估結(jié)果如表5所示。根據(jù)南排河健康評(píng)估指標(biāo)體系和各個(gè)指標(biāo)的權(quán)重計(jì)算得南排河綜合評(píng)分56.43(40≤綜合評(píng)分≤60 為亞健康)。其中,水資源開發(fā)利用率、河岸穩(wěn)定性、河岸帶人工干擾程度、溶解氧狀況、重金屬污染狀況、防洪指標(biāo)、公眾滿意度指標(biāo)賦分均大于60 分；流量過程變異程度、生態(tài)流量滿足程度、河流縱向連通指數(shù)、耗氧有機(jī)物污染狀況、魚類保有率指標(biāo)賦分均小于25 分。水量少、水質(zhì)差是南排河存在的主要問題。

評(píng)分較高的指標(biāo)包括水資源開發(fā)利用率、防洪指標(biāo)、公眾滿意度、溶解氧。其中,防洪指標(biāo)為滿分,這符合南排河的排瀝功能定位。兩岸綠植、草地繁茂,空氣清新,可能是公眾滿意度高、水體中溶解氧高的直接原因。另外,基于周期性排瀝、干涸的事實(shí),南排河不具備給周邊水廠穩(wěn)定供水的能力,故水資源開發(fā)利用率低。

得分較低的流量過程變異程度、生態(tài)流量滿足程度、河流縱向連通指數(shù)、耗氧有機(jī)物污染狀況、魚類保有率指標(biāo)中,流量過程變異程度、生態(tài)流量滿足程度均與出現(xiàn)的斷流情況有關(guān)。

從地理分區(qū)上來講,華北地區(qū)的河流主要依靠降雨補(bǔ)給。受氣候影響,夏季氣溫快速回升、水體蒸發(fā)；且夏忙時(shí),農(nóng)業(yè)需水量大[30]。從海河流域上來講,海河流域的年降水日數(shù)、年降雨量呈緩慢下降趨勢(shì)。致使河流徑流量快速枯竭,形成斷流[31]。

表5 指標(biāo)賦分與評(píng)估結(jié)果

圖2 南排河健康評(píng)估雷達(dá)圖

而耗氧有機(jī)物污染嚴(yán)重,則與河北地區(qū)工業(yè)的高速發(fā)展有關(guān),極大地增加了水污染物排放總量[32]。河流縱向連通率低會(huì)促進(jìn)水質(zhì)的進(jìn)一步惡化,應(yīng)引起重視。河北屬于嚴(yán)重缺水地區(qū)[33],河道流量少甚至斷流,會(huì)導(dǎo)致水中的懸浮物沉降,處于缺氧的狀態(tài),進(jìn)一步惡化水質(zhì)。

5 結(jié)束語

(1)采用分級(jí)指標(biāo)評(píng)分法構(gòu)建了健康評(píng)估指標(biāo)體系；依據(jù)各指標(biāo)對(duì)南排河健康狀況的貢獻(xiàn)大小,選取主觀賦權(quán)法給各個(gè)指標(biāo)賦權(quán)重。南排河總體評(píng)分結(jié)果為56.43 分,河流健康狀況為亞健康。南排河的主要特征是水質(zhì)差、流量小,長(zhǎng)時(shí)間斷流。(2)南排河穿越滄州多個(gè)縣區(qū),收納部分城市生活污水,是導(dǎo)致水質(zhì)差、耗氧有機(jī)物污染嚴(yán)重的主要因素。而間斷性的斷流,河道上的水利工程減緩水流速度、阻隔水體中氧氣、營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)等的傳遞,是助長(zhǎng)水質(zhì)惡化的又一推手。由于流域所屬的氣候,夏澇冬涸是南排河流量的常態(tài)。是生態(tài)基流得不到滿足、流量過程變異程度大的罪魁禍?zhǔn)住?3)在水量較少的斷流季節(jié)引水入南排河,滿足最低的生態(tài)流量可有效地保障河流生態(tài)系統(tǒng)的穩(wěn)定；同時(shí)可稀釋水體中耗氧有機(jī)物含量的濃度,使水質(zhì)得到些許提升；還能促進(jìn)河流生態(tài)系統(tǒng)中,生物物種的遷徙及水流與營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)的傳遞。在水量充沛的多雨季節(jié),應(yīng)有計(jì)劃地開閘,充分利用洪水的動(dòng)能清除河底的淤泥,帶走黑臭物質(zhì),提高水質(zhì)。