流域系統(tǒng)治理下的龍河下游河段健康評價研究

余彬境，付意成

(1.重慶交通大學(xué)河海學(xué)院,重慶 400041；2.中國水利水電科學(xué)研究院水生態(tài)環(huán)境所,北京 100038)

20世紀(jì)70年代，歐洲和北美就開始關(guān)注生態(tài)系統(tǒng)健康的保護(hù)問題，關(guān)于生態(tài)系統(tǒng)健康概念的討論于20世紀(jì)90年代衍生出了河湖健康的內(nèi)涵，河流健康內(nèi)涵問題引起人們熱烈探索。自從1997年Meyer[1]將健康河流定義為“一條健康的河流是可持續(xù)并且有彈性的生態(tài)系統(tǒng)，其生態(tài)結(jié)構(gòu)和功能不隨時間的推移而改變，同時滿足社會需求和期望”，隨后，關(guān)于河流健康的概念就一直受到人們關(guān)注。不同的學(xué)者對于健康的河流有不同的理解，但都認(rèn)為健康的河湖應(yīng)該同時滿足社會需求和生態(tài)健康這兩方面。唐濤等[2]于2002年從生態(tài)系統(tǒng)健康出發(fā)也提出了河流健康的概念，與國外學(xué)者的認(rèn)識基本相同，水質(zhì)與水生態(tài)問題是主要關(guān)注點。隨著河流健康在中國的快速發(fā)展，河流健康評價研究從關(guān)注“水質(zhì)、水生態(tài)”逐漸擴(kuò)展為“水量、水質(zhì)、水生態(tài)”。在此基礎(chǔ)上，2004年李國英[3]將“河道不斷流”作為黃河治理的一個基本要求。中國關(guān)于河流健康評價經(jīng)過20年的發(fā)展，截至2016年底，已經(jīng)在七大流域36個試點河湖開展了健康評估工作，并且形成了一套河湖健康評估技術(shù)導(dǎo)則[4]。近年來，隨著河湖健康評價的蓬勃發(fā)展，許多學(xué)者都對中國的江、河、湖進(jìn)行了健康評價，并且就流域管理以及河湖治理方面進(jìn)行了探討。但大多數(shù)學(xué)者都只是簡單地將河流進(jìn)行健康評價，鮮有評價高度人工化下的城市河流以及對流域系統(tǒng)治理下的河流健康研究。如孔令健等[5]基于層次分析法對清流河進(jìn)行河流健康綜合評價；耿思敏等[6]通過綜合指標(biāo)法建立14個指標(biāo)對河池市龍江河進(jìn)行健康評價；胡威等[7]利用GA-BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)計算評價指標(biāo)權(quán)重，對橋邊河流域健康狀態(tài)進(jìn)行評價。

通過對已有的研究成果進(jìn)行分析，大型無脊椎動物棲息地適宜曲線和壓力-狀態(tài)-響應(yīng)框架(PSR)這2種方法被廣泛用于中小河流的健康評估中，PSR方法側(cè)重評估人為干擾影響嚴(yán)重的河流，棲息地適宜曲線法適用于農(nóng)村地區(qū)河流健康。從河流水文學(xué)、形態(tài)特征、水質(zhì)、水生生物、人類活動等多方面綜合評價河流的健康狀況，是當(dāng)前河流健康評價的主流評價方法[8-9]。綜合評價法起源于19世紀(jì)的歐洲，一開始只考慮河流物理和化學(xué)屬性，使用的二級指標(biāo)也只有流速、水深、水質(zhì)等[10]。隨著河湖健康評價的迅速發(fā)展以及對流域生態(tài)系統(tǒng)健康認(rèn)識的不斷加深，水文情況、水生生物、社會服務(wù)等方面被一一提出。由于綜合指標(biāo)法指標(biāo)多樣，在河湖健康評價研究中常用層次分析法(AHP)對指標(biāo)進(jìn)行計算權(quán)重。層次分析法(AHP)是由T.L.Saaty等[11]提出，是一種具有多層次、多目標(biāo)的決策性分析方法。2017年，石井和[12]以凌源市雙塔小流域為對象，采用層次分析法對雙塔小流域綜合治理后生態(tài)經(jīng)濟(jì)系統(tǒng)健康狀況進(jìn)行評定，定量分析雙塔小流域歷經(jīng)10年的綜合治理生態(tài)經(jīng)濟(jì)系統(tǒng)恢復(fù)發(fā)展過程。2018年，孔令健等[5]使用層次分析法對清流河分3個河段評價，整體為亞健康狀態(tài)；2020年，牛智航等[13]利用層次分析法整體評價潮河和白河，結(jié)果處于健康狀態(tài)；2021年方曉等[14]利用層次分析法對東風(fēng)渠分3段進(jìn)行評價，整體處于亞健康狀態(tài)。

高度人工化的河流，評估過程側(cè)重對自然生態(tài)系統(tǒng)的生態(tài)環(huán)境效益評價，突出社會服務(wù)功能的發(fā)揮，以實現(xiàn)人水和諧、水美宜居為評價目標(biāo)。在將河流健康評價與流域系統(tǒng)治理進(jìn)行綜合考慮的基礎(chǔ)上，依托河湖健康評估技術(shù)導(dǎo)則，根據(jù)研究區(qū)高度人工化的特點對評價指標(biāo)進(jìn)行擇取，識別廊坊市龍河健康面臨的主要問題，并在此基礎(chǔ)上提出流域系統(tǒng)治理以及河流健康保護(hù)和管理的對策研究，為其他河流的健康評價及保護(hù)提供參考依據(jù)。

1 研究方法

層次分析法有以下3個基本步驟。

a)構(gòu)建河流健康指標(biāo)體系，將河流健康目標(biāo)分為n個準(zhǔn)則層，即A={B1,B2,…Bn}，再分成m個指標(biāo)，即Bn={Cn1,Cn2,…Cnm}。

b)利用層次分析法建立判斷矩陣，判斷矩陣是指同一層次中各元素相互間量化比較形成的方陣，通過發(fā)放指標(biāo)重要性專家調(diào)查表，按照表1的取值方法打分得到。從目標(biāo)層開始，依次以上一層指標(biāo)為依據(jù)對下一層中與之相關(guān)指標(biāo)依據(jù)1～9打分法進(jìn)行兩兩比較確認(rèn)對應(yīng)分?jǐn)?shù)，從而建立判斷矩陣。層次分析法重要性標(biāo)度值見表1。

表1 重要性標(biāo)度值

注:取8、6、4、2、1/2、1/4、1/6、1/8為上述評價值的中間值。

(1)

式中，CR<0.1時，認(rèn)為判斷矩陣具有滿意的一致性。CI為判斷矩陣的一般一致性指標(biāo)。RI表示判斷矩陣的平均隨機(jī)一致性指標(biāo)，1～6階的指標(biāo)數(shù)值見表2。

表2 判斷矩陣的平均隨機(jī)一致性指標(biāo)

2 基礎(chǔ)信息

2.1 研究區(qū)概況

廊坊市地處京津翼城市群核心地帶，環(huán)渤海腹地，享有“京津走廊明珠”和“連京津之廊、環(huán)渤海之坊”等美譽(yù)[15]。龍河是永定河一級支流，同時也是廊坊市最重要的河流之一。龍河發(fā)源于北京市大興區(qū)，于廣陽區(qū)三小營西入廊坊市境內(nèi)，流經(jīng)廊坊市區(qū)，于安次區(qū)落垡鎮(zhèn)丈方河村出廊坊境，經(jīng)東張務(wù)穿護(hù)堤路入天津市武清區(qū)，全長68.42 km，流域面積577.94 km2，其中廊坊境內(nèi)長度35.5 km，流域面積322 km2[16]。龍河是自然形成的河道，歷史上河道擺動較大，造成河道彎曲，下游地勢平緩。龍河建有三小營、大伍龍、永豐、東張務(wù)等控制性閘壩(圖1)。

圖1 龍河水系示意

隨著廊坊市經(jīng)濟(jì)社會快速發(fā)展，流域水資源過度開發(fā)，已形成3 400 km2的地下水超采漏斗區(qū)。龍河水源為北京客水，常年承接上游污水處理廠尾水。2018年以前，龍河水質(zhì)基本上為V類水。龍河的生態(tài)基流保障不足，生物多樣性差，部分河流的河岸帶、河灘地被農(nóng)田和建筑用地擠占嚴(yán)重，生態(tài)系統(tǒng)基本退化。在京津翼一體化戰(zhàn)略格局的引領(lǐng)下，廊坊市第一第二第三產(chǎn)業(yè)均得到了飛速發(fā)展，與此同時，作為廊坊市最重要河流之一的龍河也面臨著水量、水質(zhì)和水生態(tài)的壓力。為實現(xiàn)龍河廊坊市段水質(zhì)、水量、水生態(tài)可持續(xù)發(fā)展并促進(jìn)廊坊市經(jīng)濟(jì)繁榮，亟需開展龍河廊坊市段健康評價。

2.2 數(shù)據(jù)獲取

在綜合考慮河流地形地貌、氣候水文特征、河床及河濱帶形態(tài)、水功能區(qū)劃、沿岸開發(fā)利用等情況的基礎(chǔ)上，結(jié)合地貌形態(tài)、土地利用、支流匯入等實際情況，根據(jù)流域經(jīng)濟(jì)社會、自然生態(tài)以及河流地貌的特征，將龍河廊坊市段劃分為3個河段(表3)。水文資料來源于廊坊市水文局；河岸帶相關(guān)資料于2020年10月份實地考察；水質(zhì)數(shù)據(jù)來源于廊坊市生態(tài)環(huán)境局。生物指標(biāo)中，考慮到龍河屬于永定河水系，魚類數(shù)據(jù)借助2017年4、11月對永定河水系進(jìn)行的采樣監(jiān)測數(shù)據(jù)獲得，歷史魚類情況通過文獻(xiàn)資料獲得[17]。社會服務(wù)功能評價中，水功能區(qū)和水資源開發(fā)利用數(shù)據(jù)來源于廊坊市水利局，防洪數(shù)據(jù)來源于廊坊市防洪辦，公眾滿意度數(shù)據(jù)來源于問卷調(diào)查，共計發(fā)放問卷200份，收回有效問卷189份。

表3 評價河段劃分及各河段主要特征

3 指標(biāo)體系構(gòu)建

3.1 指標(biāo)選取

參照《河湖健康評估技術(shù)導(dǎo)則》的指標(biāo)體系以及已有研究的河流健康評價分析指標(biāo)，結(jié)合龍河廊坊市段的城市化特點，最后構(gòu)建出生態(tài)狀況和功能狀況兩大類和分別對應(yīng)的水文、物理、化學(xué)、生物及服務(wù)等五小類共計13個評價指標(biāo)的指標(biāo)體系(表4)。由于廊坊市工業(yè)發(fā)達(dá)，并且有大型污水處理廠，大量工業(yè)污水需要排放，故設(shè)定入河排污口布局合理程度指標(biāo)，考察污水處理廠是否按照標(biāo)準(zhǔn)排放工業(yè)廢水。由于生物完整性中藻類、浮游動物和底棲動物歷史及當(dāng)前數(shù)據(jù)缺乏，因此，僅保留魚類保有指數(shù)指標(biāo)。此外，鑒于廊坊市在龍河中下游，雨季時常泛洪，為保障人民財產(chǎn)生命安全，需通過修建堤防來抑制洪水泛濫，因此，本文選擇防洪指標(biāo)加以表征。

水文完整性準(zhǔn)則層包括地表水資源開發(fā)利用率和生態(tài)流量滿足程度2項指標(biāo)；物理結(jié)構(gòu)完整性準(zhǔn)則層包括河流縱向連通系數(shù)、天然濕地保留率河岸穩(wěn)定性、河岸帶植被覆蓋率以及河岸帶人工干擾程度5項指標(biāo)；化學(xué)完整性指標(biāo)層包括水質(zhì)優(yōu)劣程度、水功能區(qū)達(dá)標(biāo)率和入河排污口布局合理程度3項指標(biāo)；生物完整性準(zhǔn)則層包括魚類保有指數(shù)1項指標(biāo)；社會服務(wù)功能準(zhǔn)則層包括公眾滿意度和防洪2項指標(biāo)。層次分析法計算出的各項指標(biāo)及其權(quán)重見表4。

表4 龍河廊坊市段河流健康指標(biāo)體系及其權(quán)重

3.2 結(jié)果分級

對13項指標(biāo)進(jìn)行定量分析，并根據(jù)各指標(biāo)權(quán)重系數(shù)，按照下式逐級加權(quán)得到河流健康評價得分，再根據(jù)表5確定河流的健康程度。計算公式見式(2)。

RHS=RES×REW+RSS×RSW

(2)

式中 RHS——評估河段健康狀況賦分；RES——評估河段生態(tài)狀況賦分；REW——生態(tài)狀況權(quán)重；RSS——評估河段功能狀況賦分；RSW——功能狀況權(quán)重。

表5 河湖健康評價分級

4 結(jié)果與討論

4.1 河流健康狀況

河流健康評價采用分級指標(biāo)評分法，逐級加權(quán)，綜合評分得到河流健康評價賦分75.18 分，各指標(biāo)詳細(xì)賦分見表6，賦分情況見圖2。結(jié)合得分綜合判定，龍河廊坊市段處于健康狀態(tài)，主要存在的問題有水資源開發(fā)利用率較大、濕地保留狀況不佳、河岸帶人工干擾程度大、上游來水水質(zhì)較差等。

a)河段1

c)河段3

依據(jù)龍河河流健康評價體系和賦值標(biāo)準(zhǔn)，對龍河廊坊段各河段的指標(biāo)進(jìn)行數(shù)據(jù)獲取和整理，得到各河段的指標(biāo)賦值情況。將各河段指標(biāo)賦分結(jié)果和權(quán)重代入公式RHS=RES×REW+RSS×RSW中，結(jié)果表明，3個河段分?jǐn)?shù)分別為74.96、75.29、75.30分，均為健康狀態(tài)；最后綜合評分得到河流健康評價賦分75.18分，為健康狀態(tài)。

對于龍河廊坊段三小營至大伍龍閘屬龍河下游鄉(xiāng)村河段，此區(qū)域人類活動較少，生物和植物生境未遭到嚴(yán)重破壞，但兩岸擁有耕地，農(nóng)業(yè)活動較為頻繁，灌溉水需求較大。因此，水資源開發(fā)利用率比河段1稍高，與河段3相差不大，表明河流健康程度與人類活動強(qiáng)度存在明顯關(guān)聯(lián)。對于龍河廊坊段大伍龍閘段到永豐閘段屬龍河下游市區(qū)河段，人類干擾強(qiáng)度大，生態(tài)系統(tǒng)薄弱。為了保護(hù)生態(tài)系統(tǒng)，在2019年建設(shè)完成了東張務(wù)村河道型濕地和開展了東張務(wù)村附近河道南岸人工濕地建設(shè)，面積約160畝(約10.67 hm2)，初步測算，污水處理能力達(dá)到5 000 m3/d。因此河段2中的濕地保留率較河段1、3高，生態(tài)系統(tǒng)也逐漸恢復(fù)。對于龍河廊坊段永豐閘段到方河村段屬龍河下游平原河段，由于處于坡度較緩的平原地勢，水系蜿蜒度和流速比均較低，下游段處于人們生活集中區(qū)域，人為活動頻繁，城市化嚴(yán)重，導(dǎo)致下墊面硬化增加，河岸植被覆蓋度大幅度減少。

4.2 結(jié)果討論

龍河為永定河支流，永定河流域河北省水資源總量為9.49億m3(1956—2010年)，人均水資源量268 m3，低于海河流域276 m3的平均水平，僅為全國人均水平的10%，廊坊市地表水開發(fā)利用率達(dá)到69%。同時由于近年來京津冀一體化戰(zhàn)略格局的形成，廊坊市第一第二第三產(chǎn)業(yè)均得到了飛速發(fā)展，因此下游河段河流徑流量大幅度降低，生態(tài)流量滿足程度依次遞減。

水生態(tài)指標(biāo)中，物理完整性得分最高。資料顯示龍河屬于平原河流，河流蜿蜒度和流速比都不高，生態(tài)較為脆弱并且河道受到人工干擾程度較大，主要體現(xiàn)在河道內(nèi)有5處垃圾未得到全面清理，約230 m3。河道附近有私搭亂建現(xiàn)象，因為隨著社會經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，沿河農(nóng)村和城郊經(jīng)濟(jì)也在快速發(fā)展，對土地的需求逐漸增加，導(dǎo)致河道管理薄弱，河道管理范圍內(nèi)共存在違章建筑4處，總面積約為6 000 m2。但經(jīng)過近2年的人工濕地建設(shè)和污水廠尾水濕地建設(shè)等有意識的保護(hù)修復(fù)工程，兩岸岸坡得到了保護(hù)，兩岸植物得到了生長，龍河廊坊段物理完整性得到了長足的長進(jìn)。

水生態(tài)指標(biāo)中，水質(zhì)得分普遍較低。龍河現(xiàn)狀上游徑流主要來自北京排水，根據(jù)2020年國控斷面三小營監(jiān)測數(shù)據(jù)，上游水質(zhì)大部分時間為劣V類，超出河道水體納污能力，直接造成龍河干流水質(zhì)不達(dá)標(biāo)。近幾年來，隨著對龍河水生態(tài)環(huán)境進(jìn)行系統(tǒng)治理與修復(fù)，如龍河污水處理廠尾水濕地建設(shè)和干流人工濕地建設(shè)的水生態(tài)修復(fù)措施的出現(xiàn)，龍河水質(zhì)逐漸好轉(zhuǎn)。2017年，三小營、大王務(wù)COD年均濃度為41.5、52.1 mg/L；2020年，三小營、大王務(wù)COD年均濃度為22.3、13.3 mg/L。2017年，三小營、大王務(wù)NH3-N年均濃度為4.68、3.47 mg/L；2020年，三小營、大王務(wù)NH3-N年均濃度為0.47、0.04 mg/L(圖3、4)。

圖3 2017、2020年COD濃度年度變化

圖4 2017、2020年NH3-N濃度年度變化

根據(jù)地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)，2017年龍河水基本為V類水及以下。龍河大伍龍村至出境段，現(xiàn)狀有南水北調(diào)中線工程的間歇性補(bǔ)給，污染物濃度得到稀釋，水質(zhì)改善明顯。龍茂華污水處理廠尾水濕地工程以及干流人工濕地工程建設(shè)后，不僅尾水排放標(biāo)準(zhǔn)高于Ⅴ類水標(biāo)準(zhǔn)，而且提高了水體的自凈能力，實現(xiàn)了水質(zhì)達(dá)標(biāo)，改善了龍河水景觀，2020年龍河下游水質(zhì)提高到IV類甚至III類水。

王所安等[18]于1983年對位于河北省境內(nèi)的各河段進(jìn)行了定點調(diào)查，從所獲597號魚類標(biāo)本中分析，共發(fā)現(xiàn)魚類34種，隸屬3目7科27屬，以第三紀(jì)早期的鯉魚、鯽魚、棒花魚、麥穗魚等鯉亞科魚類為主。本次調(diào)查共采集到魚類27種，分屬7目11科26屬，其中鯉形目種類最多，占總物種的87.78%，鱸形目次之，占總物種數(shù)的6.75%。其中優(yōu)勢魚種為高體鳑鲏、鯽魚、麥穗魚和棒花魚。但調(diào)查出的27種魚類中有5種未列在歷史名錄當(dāng)中，因此以22種作為實際調(diào)查值。魚類生物損失度指數(shù)為0.35，魚類保有指數(shù)為0.65。

社會服務(wù)功能分?jǐn)?shù)高，防洪指標(biāo)全部為滿分，所有河段均能達(dá)到防洪要求。永定河流域曾是洪水泛濫災(zāi)害多發(fā)地區(qū)，防洪安全是事關(guān)永定河中下游地區(qū)交通干線和人民群眾生命財產(chǎn)安全的頭等大事。作為永定河支流的龍河，目前已形成了由防洪堤、水閘樞紐、人工濕地組成的防洪工程體系，防洪標(biāo)準(zhǔn)已達(dá)到百年一遇的設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)。但由于下泄生態(tài)流量不足，在保證下游安全的同時，也對下游原河道生態(tài)系統(tǒng)健康造成了一定的負(fù)面影響。

5 結(jié)論

通過層次分析法構(gòu)建河流健康指標(biāo)體系權(quán)重，從生態(tài)狀況和功能狀況兩方面對龍河廊坊市段進(jìn)行河流健康評價，分3個河段分別對龍河廊坊段進(jìn)行評價，最后得出龍河廊坊市段河流健康的結(jié)論，但是在水文完整性和生物完整性方面仍舊存在進(jìn)一步改善空間。2018年以前龍河受到沿岸人工干擾太大，水資源利用率過大，造成了水生態(tài)、水環(huán)境的破壞。

龍河廊坊段各河段評價結(jié)果均為健康，從結(jié)果來看，系統(tǒng)治理于2018年開始，為水生態(tài)環(huán)境保護(hù)與修復(fù)治理起到了很大的效果。要繼續(xù)在保證防洪安全的基礎(chǔ)上，同時結(jié)合生態(tài)修復(fù)、濕地建設(shè)、植被種植，逐步加強(qiáng)下游河床保水能力，持續(xù)打造健康、韌性的水系統(tǒng)。龍河在歷史上曾發(fā)揮灌溉、行洪、生活生產(chǎn)供水等多重功能，為廊坊的發(fā)展作出了巨大的貢獻(xiàn)。其作為永定河支流，要保證永定河“京西綠色生態(tài)走廊與城市西南生態(tài)屏障”的重要地位，實現(xiàn)防洪、生活、生態(tài)3個重要功能。因此，應(yīng)以系統(tǒng)治理為原則，協(xié)調(diào)“水生態(tài)、水環(huán)境、水安全和水資源”的關(guān)系，加強(qiáng)永定河流域整體管理，制定流域水生態(tài)保護(hù)與修復(fù)對策。