雄安新區河流健康評價

鮑艷磊,田 冰,張 瑜,渠開躍,李 煒,錢金平

1 河北師范大學資源與環境科學學院,石家莊 050024 2 河北省環境演變與生態建設重點實驗室,石家莊 050024 3 河北省環境變化遙感識別技術創新中心,石家莊 050024 4 河北工業職業技術學院環境與化學工程系,石家莊 050091 5 河北地質大學土地資源與城鄉規劃學院,石家莊 050031 6 河北水利電力學院水利工程學院,滄州 061001

河流生態系統是河流生物與環境相互作用的統一體,具有動態、開放、連續等特點[1],提供著供水、輸沙、防洪、涵養水源等多種生態服務功能,不僅以其自然功能推動人類的發展,同時還具備經濟、社會與環境價值。近年來,河流生態普遍退化嚴重[2-3],影響了河流的自然和社會功能,失去了其自身價值,也危及了河流健康,因此河流健康評價引起了廣泛的研究和重視。

河流健康評價是進行河流生態整治改善、水資源保護和管理的基本前提[4],需要明確河流水文、水質和棲息地質量,同時還要因地制宜地為河流建立河流健康評價體系[5]。澳大利亞、美國、英國、南非等許多國家地區對于河流健康評價,建立了相對成熟的調查方法與評價體系[6-7],我國也于2010年提出了《河流健康評估指標、標準與方法(試點工作用)》,用于指導全國河流健康評價試點工作,為我國河流健康評價提供了重要參考。在此基礎上,近年來學者針對不同流域情況開展了大量河流健康評價實證研究,韓春華[8]從河流的自然生態功能角度出發,建立包含河流水文、水質等在內的20項指標的評價體系對沙潁河典型斷面的健康評價。而陳歆等[9]綜合了考慮拉薩河的自然生態環境和社會經濟,基于拉薩河生態環境和社會經濟發展特點建立多層次多指標的評價體系,為拉薩河流域管理、保護工作提供參考。通過總結不同學者利用不同指標要素建立的河流健康評價體系,可以看出學者對指標的選擇更側重于維持河流河道正常生態功能以及河流周邊環境方面,并且多是研究大型河流的健康評價體系[10-12],對于中小型河流的研究較少。雄安新區由于上游水庫攔蓄及巨大地下水漏斗的存在,在氣候變化和人類活動的雙重影響下,無論是白洋淀區還是區域內河流健康都受損嚴重。淀是生態恢復的核心,河是生態恢復的紐帶,白洋淀8條呈樹狀分布的入淀河流的生態健康問題直接關系著淀區的生態健康,研究入淀河流的健康問題對于整個新區的生態修復及功能提升具有重要意義。因此,本文以雄安新區河流水體狀況為基礎,建立包含水文水資源狀況、河流水質、底泥、生物、河流生境以及社會服務6個方面的河流健康評價體系,并利用綜合健康指數法對現階段新區河流進行健康評價,以期為后期生態需水及其整個新區的生態修復和功能提升提供參考依據。

1 研究區概況

雄安新區地處大清河流域腹地,規劃范圍涵蓋河北省雄縣、容城、安新3個縣及周邊部分區域,區內有華北最大天然湖泊白洋淀,接納府河、瀑河、唐河、漕河、潴龍河、白溝引河和孝義河等河流來水,總體呈現西北高東南低。雄安新區為季風氣候,全年最高月與最低月平均氣溫為 26℃、-4.9℃,年降水量 550 mm 左右。為全面研究河流生態的健康情況,本研究于2019年7月對雄安新區4條常年有水的入淀河流白溝引河、瀑河、府河和孝義河進行了實地采樣調查,按照河流沿岸土地利用類型的不同選取了19個采樣點,孝義河4個點(X1—X4)、瀑河4個點(B5—B8)、府河7個點(F9—F15)和白溝引河4個點(G16—G19),采樣點位置如圖1所示。

2 研究方法

2.1 河流健康評價體系的構建

2.1.1河流健康評價指標體系的構建原則

河流健康評價指標體系的構建應遵循科學性、層次性、系統性、全面性和普遍適用性的原則,從多角度綜合考慮河流健康的影響因素,因地制宜地建立科學的評價體系。

基于上述原則,雄安新區河流健康評價指標體系的構建步驟為：(1)進行相關參考文獻的閱讀,掌握目前進行河流健康評價指標的構建的方法、指標量化方法以及指標的權重的確定方法；(2)實地調研,采集數據,并咨詢相關專家對新區4條有水河流的自然和社會要素信息進行實地調研與分析,明確評價體系應具備的幾個方面；(3)綜合考慮目前國內外采用的指標體系,結合新區河流生態環境和社會經濟特征,以及數據的可獲取性篩選評價指標,構建評價指標體系。(4)就能夠得到的數據咨詢相關專家,不斷改善評價指標體系的指標構成,最終建立適合新區河流的指標評價體系。

2.1.2河流健康評價指標體系構建

眾多國內外學者采用生境多樣性指標、水質指標、底泥指標、河口徑流指標、森林覆蓋率指標、地下水超采率、河流縱向連續性指標、河岸帶、水生生物、景觀環境、棲息地等指標用以建立河流生態健康評價體系[13-23]。根據雄安新區河流特征,更多考慮維持河流河道自身的生態功能的指標,從河流河道生態,生境和社會服務功能等方面建立體現河流水量,河流水質,河流水環境,河流生境和社會服務功能的健康評價體系。雄安新區河流健康評價體系包含了水文水資源、河流水質、河流底泥、河流生物、河流生境以及社會服務功能6個準則層16個指標,各指標要素見下表1。

表1 河流健康評價指標體系

2.2 評價指標權重的確定方法

權重是以一個數值大小來表示眾多因素相對重要程度的量值,在對多個指標進行評估時,各項指標的權重的確定是重要的也是困難的。層次分析法操作相對簡單但是主觀性較強,隨意性大；熵權法可以考慮到指標實際信息對評估結果的影響,更貼合客觀實際。為降低隨機性,提高科學性,本文采用層次分析法和熵值法兩種方法分別計算權重,進而通過主客觀賦值法得到綜合權重值。

(1)層次分析法

1)構造成對比矩陣。

2)計算權向量并做一致性檢驗。

3)計算組合權向量并做組合一致性檢驗。計算最下層對目標的組合權向量,并做組合一致性檢驗。

(1)

(2)

式中,λmax為最大特征根,A為對比矩陣,αi為權重向量,R.I.為判斷矩陣的隨機一致性指標。當C.R.<0.1時,認為判斷矩陣的一致性是可以接受的。

(2)熵值法

1)選取樣本和指標,定義為i個樣本、j個指標；

2)指標的歸一化處理：異質指標同質化得到Xij；

3)計算指標的比重Yij:

(3)

4)計算第j項指標的熵值:

(4)

5)計算信息熵冗余度:

dj=1-ej

(5)

6)計算各項指標的權值：

(6)

式中,Xij表示第i個年份第j項評價指標的歸一化數值,n為指標數。

(3)綜合權重的確定

綜合權重的確定運用了加法集成法,由主客觀賦值法得到的的綜合權重向量進行計算,公式為：

w=αp+βq

(7)

式中,α、β為待定系數,關于α、β的確定,主要采用差異系數法,計算公式如下：

(8)

式中,T為主觀權重q的各分量的差異系數, 有：

(9)

式中,p1,p2,....,pn是主觀權重向量中各分量從小到大的重新排列。

2.3 評價指標綜合評分與評分標準

應用所有采樣點位的河流健康綜合指數值,建立新區河流健康評價標準。具體方法是以所有樣點綜合健康指數的95%分位數對應的值作為標準,大于此值的健康等級為I級(自然狀態),將小于該值至最小值的分布范圍四等分。分值從大到小依次分別代表河流健康等級為Ⅱ級(健康)、Ⅲ級(亞健康)、Ⅳ級(不健康)和V級(病態),并對指標進行賦分,單項要素分值標準為0、2、4、6、8,因此最高值為8,16個要素總分值為128。據此將新區河流健康情況劃分為5個等級。

綜合健康指數計算公式：

(10)

式中,Sij為各采樣點的綜合健康指數,Wij為評價指標的權重值,Xij為標準優化后的各采樣點各項指標值。

3 結果與分析

3.1 河流健康評價指標的權重

根據層次分析法和熵值法,在Matlab 2016a中計算得到兩種方法的各指標的權重值,再進行綜合權重的計算,結果如表2所示。準則層中的水文水資源、河流水質、河流底泥、河流生物、河流生境和社會服務的綜合權重值分別為0.161、0.167、0.082、0.144、0.178和0.268。指標層指標的取值范圍為0.017—0.139,其中,生態基流保障度和防洪工程的權重值較大,河流水質中的其他污染指數和水文水資源中的地下水高程的權重值較小。

表2 河流健康評價指標權重

3.2 河流健康評價標準

根據通過指標評價體系6個準則層16個指標要素計算得到的綜合健康指數對河流健康情況進行綜合評價,評價標準等級如表3所示。

表3 河流健康評價等級劃分

3.3 河流健康評價分析

3.3.1準則層評價分析

通過公式(10)計算,得到新區4條河流6項單項評價指標健康指數,結果如表4所示。從表中可以看出,不同河流的準則層指標差別較大,其中水文水資源、河流底泥和社會服務的健康指數差值較大,河流水質、河流生物和河流生境的健康指數差值較小。水文水資源方面,綜合健康指數的范圍為0.008—0.153,瀑河的水文條件最差,府河的最好；河流底泥的綜合健康指數的范圍為0.013—0.082,孝義河的底泥污染嚴重,白溝引河的污染較輕；河流生物綜合健康指數的取值范圍為0.003—0.078,最好的是府河和白溝引河,瀑河最差；白溝引河的社會服務最好,其次是瀑河和府河,孝義河的最差。河流水質、河流生境的綜合健康指數最大差值分別為0.041、0.052。

表4 河流單項評價指標健康指數

新區4條河流中,白溝引河有多項準則層的健康指數較高,其次是府河,孝義河和瀑河的健康情況較差。情況最好的白溝引河也存在綜合健康指數較低的指標,白溝引河的水文水資源健康指數為0.015,與府河相差了90.20%,說明白溝引河在此方面健康情況差距明顯；府河在水文水資源和河流生物方面達到了4條河流的最優,在河流水質、河流底泥、河流生境和社會服務方面與最高的健康指數分別相差0.025、0.041、0.029和0.202,差異程度分別達到21.37%、50.00%、25.44%和85.23%,在河流底泥、社會服務方面與白溝引河差距明顯；孝義河和瀑河在多個準則層指標的綜合健康指數明顯均較低,孝義河健康情況最好的是河流水質和河流生境,但河流生境仍與白溝引河差異程度達到34.21%；瀑河的河流底泥和社會服務情況除白溝引河外的3條河流中最好,但是其社會服務綜合健康指數仍與白溝引河的差異程度達到74.26%,差別明顯。

3.3.2綜合評價分析

經公式(10)計算,得到新區河流的綜合指數、綜合得分以及健康等級結果,19個采樣點中有1個采樣點處于自然狀態,占比5.26%,采樣點來自于白溝引河中下游河段；有3個點處于健康狀態,占比15.78%,均為白溝引河的的采樣點；6個采樣點處于亞健康狀態,占比31.58%,均為府河的采樣點；瀑河和府河分別有1個采樣點處于不健康狀態,占比10.53%,瀑河不健康狀態點位為臨近淀區位置；孝義河4個,瀑河3個采樣點均處于病態,占比36.85%。由圖2各采樣點的綜合健康指數等級結果可知,不同河流以及同一河流的不同點位甚至不同河段的河流健康情況均存在一定的空間異質性。府河和白溝引河的健康狀態明顯好于孝義河和瀑河；同時除孝義河不同采樣點的健康情況沒有差別,府河、瀑河和白溝引河三條河流不同采樣點之間的健康狀況存在一定的差別。孝義河的四個采樣點均處于病態狀態；瀑河在臨近淀區的B8采樣點健康狀況發生了改變,其他三個采樣點均處于病態,臨近淀區的采樣點B8處于不健康狀態；府河同樣有一個采樣點的健康狀態與其他采樣點不同,其他六個采樣點均處于亞健康狀態,F11采樣點綜合健康情況較差,處于不健康狀態；白溝引河G18采樣點的健康狀態最好,為自然狀態,健康情況優于其他三個處于健康狀態的采樣點。

如表5所示,白溝引河的綜合健康指數為0.640,綜合得分為81.920,處于健康狀態；府河綜合健康指數為0.484,處于亞健康狀態；瀑河和孝義河的綜合健康指數分別為0.228和0.269,均處于病態。府河雖然處于亞健康狀態,但是其綜合健康指數只比區間最低值高0.057,白溝引河的綜合健康指數與處于健康狀態的區間最大值還相差0.049,因此新區河流不同河流均存在不同程度的健康問題。

表5 河流綜合指數、綜合得分以及健康等級結果

4 討論

4.1 水文及其影響因素

氣候是影響水文條件的一個因素,統計1974—2018年雄縣、容城縣、安新縣、高陽縣、任丘市的多年平均降水量分別為498.96、494.81、500.13、472.61 mm和503.93 mm,年內變化和年際變化趨勢基本一致；汛期降水占全年總降水量的78%—81%,年際降雨量較少。降雨量影響地表徑流,同時全球氣候變暖,氣溫的升高增加了地表蒸散和植被蒸騰作用,也導致地表徑流降低,對保障河流的生態需水有著直接影響。

河流水文受到水利樞紐的影響[30]。新區白溝引河有新蓋房水利樞紐,可用于灌溉和分洪。大清河的灌溉閘是在下游需進行灌溉時才進行輸水,灌溉用水一般在春秋兩季,這與“蓄洪補枯”在時間上存在一定的差別,在一定程度上影響著白溝引河的河流自身水文條件。

4.2 河流水質、底泥和生物及其影響因素

河流水質、底泥和生物相互影響并共同影響著河流的生態系統[31]。河流底泥污染是水體中污染物沉淀或被顆粒物吸附而使得底泥受到污染,沉積物中營養鹽的釋放會引起水體富營養化,重金屬的釋放則影響水生生物。

入河水源是造成河流污染物輸入的一個不可忽視的原因。孝義河長期接納蠡吾鎮、辛興鎮等制革工業的排污水,水質長期處于劣Ⅴ類[32]。新區建立后,對入河污水進行管控,根據采集的數據得到孝義河溶解氧含量較好,數值在7.50—8.00 mg/L之間；但河流中營養鹽污染指數在6.30—6.43之間,耗氧有機物污染指數除臨近淀區河段,污染指數均高于5.50,水質劣于Ⅳ類。

河流臨近居民點是造成水質較差的原因,在樣品采集過程中和檢測分析結果均可發現越靠近村莊水質就越差,沿岸生活污水和垃圾會造成河流水體污染。瀑河的DO含量在淀區上游和臨近淀區河段,數值達到7.20—8.10 mg/L；在流經村莊的河流中游段,DO含量則低于5.00 mg/L；除臨近淀區的B8采樣點,其他采樣點的耗氧有機物污染指數的數值均高于4.00,河流水質均無法達到Ⅳ類水功能區水質目標。

工業廢水是導致河流中有機物污染和重金屬污染嚴重的原因。白洋淀流域近年來降水量減少、泥沙淤積,直接導致水體污染物不斷累積沉淀[33]。印染工業廢水會排入孝義河,污染物沉積,孝義河X2和X4采樣點的N、P含量高,有機污染指數分別達到3.58、2.73,屬于重度污染；同時Pb、Co及Sn元素在孝義河沉積物中含量最高,尤其是Pb數值高達389.51 mg/kg,是全國背景值的16.60倍。另外來自于保定市的生活污水造成府河的氮污染[34],府河的有機物污染綜合污染指數為1.49,4個采樣點處于中度污染；同時底泥中重金屬污染程度大,Zn、Cd含量為全國背景值的4.70、13.80倍。保定市工業廢水、生活污水及府河沿岸金屬冶煉企業很可能是造成府河沉積物中重金屬污染的原因。

具有低耐用能力的底棲動物及浮游生物能很好的適應水體環境[35]。節肢動物搖蚊幼蟲、輪蟲因耐污能力強普遍存在于四條河流中,但是對環境較敏感的無齒蚌則在水體環境較好的白溝引河中存在較多。同時汛期水體中的TP和DO濃度直接影響到浮游植物種類組成、密度及多樣性,府河中的DO含量范圍為3.50—5.30 mg/L,浮游植物生物量高。因此水體環境直接造成不同河流的生物量的差距。

4.3 生態修復建議

本文通過結合當前河流存在的健康問題,遵循“流域統籌、系統治理、遠近兼顧、建管并重”的總體原則,以“山、水、林、田、湖生命共同體”為生態修復核心理念,為達到改善河流的生態系統,提供更好的自然功能與社會功能的目標,對不同健康情況的河流給予不同的修復建議。

對處于病態的孝義河和瀑河,建議從以下幾個方面進行修復：

(1)提升補水能力,改善水資源條件

考慮氣候原因,合理規劃種植結構；并考慮跨區調水,根據《河北雄安新區規劃綱要》、《華北地區地下水超采綜合治理行動方案》等要求,確保河流水流量。

(2)改善河岸帶穩定性,提升生物棲息地環境質量

改善河流河岸帶覆蓋植被類型單一的現狀,可采用喬灌草結合,在河道設置生態景觀帶、生態綠帶；并調整河岸的坡度與高度,提高河岸的穩定性。

(3)提升治污能力,改善河流水質、底泥和生物

與相關部門建議建立適量的污水處理廠,嚴格規定污水排放標準；在后期修復工程中可以在一定河段放置生態浮床,在其中種植合適植物,在凈化河水的同時為河流生物及鳥類提供水中棲息地；建立底泥沉降工程,將底泥沉降過濾后再返回河流；同時可以在水流、水深、餌料相宜的地方進行放置魚類和水生生物,提高河流的生物多樣性。

(4)建設防洪堤壩

對河流進行河流的清淤,以還原自然河道狀態；另外新區地勢低,強降水年份可能會帶來水患,需要在新區主要河流建設行洪水道和防洪堤壩。

對處于亞健康狀態的府河,則需要著重改善河岸穩定性、提升生物棲息地環境質量；并凈化河流水質、底泥；建設符合防洪要求的堤壩。對健康狀態較好的白溝引河也需要改善水資源條件,提高河岸帶植被多樣性和河流生物多樣性。

5 結論

(1)在選取的新區河流體系中的19個樣點中,有1個點處于自然狀態,3個點處于健康狀態,6個點處于亞健康狀態,2個點處于不健康狀態,7個點處于病態。不同河流的準則層指標的健康指數和河流綜合健康指數存在差異性,計算得到白溝引河綜合健康指數為0.640,處于健康狀態；府河的綜合健康指數為0.484,處于亞健康狀態；瀑河和孝義河均處于病態,綜合健康指數為0.269和0.228。

(2)新區河流水系同一河流的不同河段以及不同河流的健康狀況呈現出明顯的空間異質性。整體呈現河流入淀處健康狀況比中游健康狀況好。

(3)隨著雄安新區的建設,對河流濕地進行生態修復。應對入河水源的水質和河流底泥的清潔程度予以控制,并適當放置河流生物；提高河岸帶的林草覆蓋度、調整土地利用類型；在臨近河流地帶建立綠化帶；做到節水環保,跨區域調水保障河流的生態需水；并構建符合標準的防洪工程。