太湖流域河流健康評價指標體系研究及應用

張 祖 鵬,張 澤 賢,劉 思 遠,樊 國 華,劉 洪 財,3

(1.浙江省長興縣水利局,浙江 湖州 313100; 2.華北電力大學 環境科學與工程學院,北京 102206; 3.中國水利水電科學研究院 流域水循環模擬與調控國家重點實驗室,北京 100038)

0 引 言

河流是人類文明的源泉,其提供了人類生產生活所必需的水資源,同時可供給水電、航運、漁業等多種服務,與人類生產生活息息相關[1-2]。河流生態系統具有調節氣候、維護生物多樣性及改善生態環境等眾多功能[3]。近年來,隨著人類活動與對水資源開發程度的加劇,危害河流水生態健康的行為時有發生,對河流生態系統產生了不利影響,也威脅了人類的生存環境[4]。因此,河流健康評價成為了審視人河關系的重要方式和關注熱點[5]。

目前,國內外學者已從不同角度對河流健康開展了研究,提出了諸多方法并應用于河流健康評價。Azarnivand等[6]采用有序加權平均和折衷規劃兩種基于風險的多準則決策方法進行了Taleghan河的健康評價。Shan等[7]通過調查河流形態、流量、水質、生境等8個特征,建立了灤河健康評價指標體系。左新宇等[8]構建了基于浮游植物完整性指數的河流健康評價體系并應用于大寧河。劉聚濤等[9]以撫河為研究對象,通過水環境監測構建了河流健康評價單元劃分的標準與方法。耿思敏等[10]從水文、物理結構、化學、生物、社會功能5個方面,全面評價了龍江河健康狀況并分析了現存問題。綜上,目前國內外開展的河湖健康評價大多關注水文水質、物理及生物結構等自然生態狀況,管理、監測與管護手段等也逐漸納入河流健康評價體系,以體現流域管理對河流健康的作用[11]。

河流健康評價的實踐工作要求遵循科學性、目的性、實用性的原則,客觀、可靠地描述河湖健康狀況,為河流管理及水生態保護工作提供支撐,調查監測方法應具備可行性與可操作性。然而,太湖作為環境保護重點“三湖”之一,其流域以平原河網密布為主要特征[12],目前對太湖流域河流健康的研究尚處于起步階段[13],評價多以水文水質、生物生境等準則為主,如通過Z-IBI[14]、P-IBI[15]或水質指數[16]等進行表征。現有的多準則綜合評價體系則存在著部分指標數據獲取難度大,數據計算及綜合評價流程繁瑣等問題,難以適應政府管理的實際需求[17]。此外,目前涉及人水關系及社會服務功能的河流健康研究也較少[18],不能體現公眾認知、參與和反饋情況。因此,為滿足太湖流域綜合管理的需求,貫徹人與自然是生命共同體的理念,本研究構建了太湖流域河流健康評價指標體系,并開展了案例研究,旨在為流域河流水資源保護及生態修復等工作提供決策參考,助力流域河流健康未來的研究和保護工作。

1 材料與方法

1.1 河流評價指標體系構建

建立科學、合理的評價指標體系是河流健康研究的前提。一般認為,河流健康的內涵包括兩個方面:一是河流的自然屬性,即河流生態系統結構與功能的完整,關注河流生命系統與非生命系統的相互關系[19];二是河流服務人類社會的功能,即河流應具有為人類持續提供水資源、防洪、灌溉、航運、漁業等服務的能力[20-21]。2016年,中共中央辦公廳、國務院辦公廳印發的《全面推行河長制的意見》強調了水資源保護、河湖水域岸線管理保護、水污染防治、水環境治理、水生態修復、執法監管六項任務[22]。2020年,水利部印發了《河湖健康評估技術導則(SL/T 793-2020)》(下稱《導則》),主要從水文水質、形態結構、生物完整性和社會服務功能4項來構建河流健康評價指標體系[23]。就太湖流域涉及的4省(市)而言,浙江省河長辦等單位于2021年發布了《浙江省河湖健康及水生態健康評價指南(試行)》(下稱《指南》),是結合浙江省內河流實際情況,進一步優化指標后形成的地方性文件,主要從水文、水質、形態、生物、社會服務和河流管理6個類別來構建河流健康評價指標體系[24]。

為全面、客觀地評價太湖流域河流健康狀態,研究以河流健康為目標層,結合《導則》與《指南》的相關要求確定評價準則,具體如下:《導則》中的“水文水質”項與《指南》中“水文”“水質”類別的內涵類似,且后者所包含的基本指標均僅有一項,故本研究結合工作實際,并參考《導則》分類方法,采用“水文水質”作為準則之一;《導則》中“形態結構”項及《指南》中“形態”類別主要用于評價生物生境的形態結構完整性,故研究結合兩者,采用“生境結構”作為準則之一;針對河流健康評價,《導則》中“生物完整性”項及《指南》中“生物”類別均用于評價水生生物多樣性,故研究確定“水生生物”作為準則之一;《導則》中“社會服務功能”項及《指南》中“社會服務”類別均用于評價河流社會服務能力,故研究采用“社會服務”作為準則之一;相比《導則》,《指南》中新增“河流管理”類別,用于評價河流管理情況,故研究采用“河流管理”作為準則之一。綜上,最終確定了水文水質、生境結構、水生生物、社會服務及河流管理5個評價準則。

考慮到《指南》中的指標基于《導則》且更適用于太湖流域所在區域河流,故本研究主要基于《指南》選取評價指標。《指南》提出了基本生態流量滿足度、水質優劣度、河流縱向連通性等11項基本指標(必選)及流量過程變異度、富營養化硅藻指數、水鳥狀況指數等6項備選指標;因此本研究遵循《指南》要求,選取了11項基本指標;并考慮《全面推行河長制的意見》,根據評價河流特點及監測數據情況,選取了監測體系完備性、管護手段先進性兩項備選指標,最終確定了13項具體指標,從而構建了河流健康評價指標體系。

就評價指標體系權重而言,水文水質、生境結構、水生生物3個準則參考《指南》中“水文、水質、形態、生物合計權重0.6,可采用Delphi法因地制宜進行權重設置”的要求,將權重之和設置為0.6,并進一步采用Delphi法,邀請從事河流健康評價及管理的專家進行具體確定;社會服務與河流管理準則可參考《指南》中“權重均為0.2”的規定進行設置。另外,指標權重亦可依據《指南》要求,采用Delphi法進行確定。

1.2 各準則及其賦分標準

1.2.1水文水質準則

水文水質準則能夠說明河流的水質情況和水量豐沛程度,代表了河流自然環境現狀,包含基本生態流量滿足度、水質優劣度兩項指標。其中,生態流量是能夠維持河流基本生態功能和河道基本形態的最小流量,對河流健康維持具有重要意義[25-26];水質優劣度體現了河流水體的理化性質,對其進行評價能夠說明水污染現狀并促進河流健康[27]。各指標賦分標準見表1。

表1 基本生態流量滿足度、水質優劣度指標賦分標準Tab.1 The grading standard of the basic ecological flow satisfaction index and the quality of water index

1.2.2生境結構準則

河流生境是河流生態系統的重要組成部分,連接著水生生物與自然環境,因此,生境結構準則能夠為河流生態系統保護與修復提供基礎支撐[28],包含河流縱向連通性、岸線生態性及生態緩沖帶寬度3項指標。其中,河流縱向連通性對于物質、能量及生物流動意義重大,其變化對區域生態系統及河流健康有顯著影響[29];岸線是河流與陸地的生態連接區,是河流生境的重要組成,評價其生態性符合“河長制”的需求[30];生態緩沖帶可以作為保護水體的屏障,減少進入水體的污染物質,其寬度代表了生態緩沖帶的保護水平[31]。各指標賦分標準見表2。

表2 縱向連通性指數、岸線生態性指數和生態緩沖帶寬度指標賦分標準Tab.2 The grading standard of the vertical connectivity index,the shoreline ecology index and the ecological buffer zone index

1.2.3水生生物準則

水生生物準則能夠說明水生生物的生存現狀及完整度,代表了河流生態系統的生物多樣性,包含土著魚類保有指數及大型底棲無脊椎動物多樣性兩項指標。其中,土著魚類保有指數能夠代表河流群落結構及組成等,評價該指標有利于魚類生物多樣性恢復及資源保護[3];大型底棲無脊椎動物是河流生態系統中最主要的生物類群,參與營養供給、物質循環等重要生態過程,其多樣性能體現河流水環境的諸多情況[32]。各指標賦分標準見表3。

表3 土著魚類保有指數指標和大型底棲無脊椎動物多樣性指標賦分標準Tab.3 The grading standard of the indigenous fish conservation index and the microbenthic invertebrate diversity index

1.2.4社會服務準則

河流的社會服務功能由人類賦予并能夠對河流生態功能產生影響,因此社會服務準則體現了河流的社會屬性及構建新型人水關系的要求[33],包含防洪工程達標率、水功能區達標率、公眾滿意度3項指標。防洪工程是水利建設的重點,對保障河流周邊居民生命財產安全及經濟社會發展具有重要意義[34];水功能區是水資源管理的基本單元,能夠實現水域的分類管理和保護,并能促進社會經濟與水體承載力協調發展[35];公眾滿意度指標能夠說明公眾對河流健康的認知程度及河流管理的不足[10]。各指標賦分標準見表4～5。

表4 防洪工程和水功能區達標率賦分標準Tab.4 The grading standard of the flood control project′s compliancerate and the water functional area′s compliance rate

表5 公眾評價各選項得分賦值Tab.5 The score assignment of public evaluation of each option

1.2.5河流管理準則

河流管理準則為浙江省河長辦根據本省的河流管理特點提出的針對性準則。良好的河流管理是保障河流健康實現的先決條件,因此評價該準則有助于推動提高河流健康目標的實現[36]。根據《指南》,該準則包含管控能力適應性、監測體系完備性、管護手段先進性3項指標。其中管控能力適應性關注河流保護與利用規劃、項目審批等情況的管理現狀;監測體系完備性能夠評價河湖管理范圍內監測項目的完整程度;管護手段先進性則體現了河流空間管控手段的先進性和問題的發現、處置的及時性[24]。該準則不涉及定量計算,而是根據相關管理措施的有無及落實情況進行主觀打分,故該準則層指標采用Delphi法獲取相應賦分,其賦分標準見表6～7。河流管控的要求如下:① 完成河道岸線利用管理規劃或一河一策編制;② 涉河涉堤項目審批規范;③ 岸帶無“四亂”現象;④ 無電魚、毒魚等破壞生態行為。

表6 河流管控能力適應性賦分標準Tab.6 The grading standard of the adaptability ofriver control capabilities

表7 監測體系完備性及管護手段先進性賦分標準Tab.7 The grading standard of the monitoring system completeness and the advanced of management and protection

1.3 綜合等級劃分

河流健康綜合等級可采用《導則》及《指南》規定的等級劃分標準,按河流健康評價指數區間分為病態、不健康、亞健康、健康、非常健康5個等級,分別可用紅、橙、黃、綠、藍5種顏色表示,見表8。

表8 河流健康綜合等級劃分標準Tab.8 The river health classification standard scale

其中,河流健康評價指數(A1)具體計算公式如下:

(1)

式中:A1為河流健康評價指數,Bi為i準則得分,αi為i準則對應的權重,i=1,2,3,4,5。

1.4 研究區域概況

太湖流域(30°05′N～32°08′N,119°08′E～121°55′E)是中國經濟社會最發達的地區之一,其地處長江三角洲南翼,涉及江浙皖滬三省一市。流域河網縱橫、湖泊棋布,總面積36 895 km2,河道總長約12萬km,河道密度達3.3 km/km2,是全國河道密度最高的地區。河流為流域經濟社會提供了巨大的生態服務價值,因此研究和保障河流健康對區域高質量、可持續發展意義重大[37]。

長興港是太湖流域的重要城市河流,位于浙江省湖州市長興縣北部,全長31.58 km,隸屬于泗安水系。其發源于長興縣西部山區,由西向東穿過長興主城區,與城區水系相通,最終匯入太湖,水位與太湖基本相平。長興港與相關水庫、閘壩的位置關系如圖1所示。綜上,長興港兼有平原河網、城市河流、入湖河流等多重特征,可選作太湖流域河流健康評價的典型河流,故研究選用該河流開展太湖流域河流健康評價指標體系的案例研究。

圖1 長興港及相關水庫、閘壩位置示意Fig.1 Location of Changxinggang River and related reservoir,sluices and dams

2 結果與分析

2.1 各準則及指標權重

研究在遵循《導則》及《指南》的基礎上,邀請了5位多年從事河流健康評價、河流管理工作的專家,確定各準則及指標的權重。最終得到的長興港健康評價各準則及指標的權重如表9所示。

表9 長興港河流健康評價準則及指標權重Tab.9 The weights of river′s health assessment criteria and indexes for Changxinggang River

2.2 各準則及其指標得分

2.2.1水文水質準則

水文水質準則的得分需基于基本生態流量滿足度指標與水質優劣度指標的得分,并結合二者的權重進一步計算得到。

基本生態流量滿足度指標按照滿足基本生態流量的天數占比進行計算,其具體計算公式如下:

C′1=(Dm/D)×100%

(2)

式中:C′1為基本生態流量滿足度;Dm為評價年基本生態流量滿足天數;D為評價年總天數。

根據長興港10 a水文數據,將其90%保證率下最枯月平均流量作為長興港的基本生態流量,為0.71 m3/s,2020年長興港生態流量滿足度為94.1%,借助線性插值法可得出該指標(C1)得分為99.1分。

水質優劣度指標以河流水質等級為標準進行賦分。對照GB 3838-2002《地表水環境質量標準》,長興港2020年水質為Ⅲ類,結合表1的賦分標準,水質優劣度指標(C2)得分60.0分。

在兩項指標得分結果的基礎上,根據表9中各指標的權重,計算出水文水質準則(B1)的得分為85.41分。

2.2.2生境結構準則

生境結構準則的得分需基于河流縱向連通性、岸線生態性和生態緩沖帶指數3項指標的得分及權重計算得到。

河流縱向連通性指標根據每10 km河長內影響河流連通性的設施數量對其進行評價,具體計算公式為

C′3=(N/M)

(3)

式中:C′3為單位河長內影響河流連通性的建筑物或設施數量,個/10 km;N為影響河流連通性的建筑物或設施數量,個;M為評價河流河長,10 km。

根據長興港閘壩、河長的相關數據,C′3為0.95,結合表2的賦分標準,采用線性插值法,計算河流縱向連通性指標(C3)最終得分為2.0分。

岸線生態性指數指標根據各類型岸線長度占比計算,具體計算公式為

C′4=∑(PbiLbi)/L

(4)

式中:C′4為河流岸線生態性指數得分;Pbi為i類型岸線分值;Lbi為i類型岸線長度,km;L為評價河段岸線總長度,km。

依據長興縣政府河流岸線相關河道規劃文件,結合表2的賦分標準,采用線性插值法,計算得到岸線生態性指標(C4)得分為70.0分。

生態緩沖帶指數指標由河流生態緩沖帶寬度及其植被覆蓋度綜合確定,其具體公式為

Ibz=∑(PwiLwiCvi)/L

(5)

式中:Ibz為生態緩沖帶指數;Pwi為i寬度類型生態緩沖帶平均寬度得分;Lwi為i寬度類型生態緩沖帶長度,km;Cvi為i寬度類型生態緩沖帶植被覆蓋度,%;L為評價河段岸線總長度,km。

根據長興港生態緩沖帶相關數據,結合表2的賦分標準,采用線性插值法,計算得到的生態緩沖帶指數(C5)得分為74.8分。

在上述兩項指標得分結果的基礎上,結合表9中的權重,計算出的生境結構指標層(B2)得分為65.36分。

2.2.3水生生物準則

水生生物準則的得分需基于土著魚類保有指數指標、大型底棲無脊椎動物多樣性指標的得分,并結合二者的權重,進一步計算得到。

土著魚類保有指數指標通過將現有魚類與有歷史記錄的土著魚種類進行對比,其具體計算公式為

C′6=(Sfo/Sfe)×100%

(6)

式中:C′6為河流土著魚保有比例;Sfo為評價期間河流土著魚保有數量,種;Sfe為歷史時期河流土著魚保有數量,種。

根據長興港現有及80年代相關魚類監測數據,土著魚類保有比例為66.7%,結合表3的賦分標準,采用線性插值法,得到該指標(C6)賦分為66.7分。

根據長興縣關于大型底棲無脊椎動物多樣性統計數據,其多樣性指數為0.845,結合表3的賦分標準,采用線性插值法賦分,得到大型底棲無脊椎動物多樣性指標(C7)得分為33.8分。

在兩項指標得分結果的基礎上,結合表9中兩項指標的權重,可計算得到水生生物準則層(B3)得分為50.25分。

2.2.4社會服務準則

社會服務準則的得分需基于防洪工程達標率、水功能區達標率和公眾滿意度3項指標的得分及權重進一步計算得到。

防洪工程達標率指標按照達到防洪標準的堤防長度占評價河段總長度的比例計算,其具體計算公式為

C′8=(RLA/RL)×100%

(7)

式中:C′8為防洪工程達標率;RLA為達到防洪標準的堤防長度,km;RL為評價河段總長度,km。

根據長興港防洪標準及現場調查,防洪工程達標率為100%,結合表4的賦分標準,指標(C8)得分為100.0分。

水功能區達標率按照達標功能區個數占評價功能區總數的比例計算,具體計算公式為

C′9=(FG/FN)×100%

(8)

式中:C′9為水功能區達標率;FG為功能區達標個數,個;FN為評價功能區總數,個。

根據長興港水質、水功能區相關數據,計算得到水功能區達標率為66.7%,結合表4的賦分標準,指標(C9)得分為53.2分。

公眾滿意度調查共發放正式問卷150份,得到有效樣本123份。受訪人群包含學生、服務業從業者、自由職業者、事業單位人員及工人等,并且過半數受訪者已定居長興縣10 a以上,可認為受訪人群具有代表性。最終得到問卷統計結果如表10所列。

表10 公眾滿意度問卷調查結果Tab.10 The results of public satisfaction questionnaire %

公眾滿意度賦分計算公式見式(9)～(10)。

(9)

C10=N/4

(10)

式中:N為受訪者回答的4個問題的總得分;A,B,C,D分別為表5中各選項賦分值;aai,bbi,cci,ddi分別為第i個問題中選A,B,C,D的受訪者所占比例,i=1,2,3,4;C10為公眾滿意度賦分。最終計算公眾滿意度指標(C10)指標得分為71.8分。

在上述3項指標得分結果的基礎上,結合表9中的權重,可計算得到社會服務準則(B4)得分為74.67分。

2.2.5河流管理準則

河流管理準則的得分需基于管控能力適應性、監測體系完備性、管控手段先進性3項指標的得分及權重計算得到。

根據長興縣相關河流規劃文件和現場調查,結合表6中所述管控能力的四項標準,管控能力適應性(C11)得分為100.0分。根據長興縣政府對長興港水文、水質監測的相關數據,依據表7的賦分標準,監測體系完備性指標(C12)、管護手段先進性指標(C13)均為100.0分。

在上述3項指標得分結果的基礎上,結合表9中的權重,得到河流管理準則(B5)得分為100.00分。

2.3 綜合評價結果

通過上述計算過程,得到13項指標得分見圖2,并得出5項準則得分,分別為85.41分、65.36分、33.80分、74.67分和100.00分。結合表9中各準則的權重,利用式(1),對長興港健康狀況進行總評價,總得分為73.38分。將該得分與表8對照可知,長興港屬于健康狀態,可用“綠色”表示,各準則得分見表11。

圖2 長興港評價指標賦分雷達圖Fig.2 Evaluation index scoring radar map of Changxinggang River

表11 長興港健康評價結果Tab.11 The results of Changxinggang River′s health assessment

3 討 論

3.1 評價指標體系合理性分析

首先,從指標體系的構建過程來看,在國家和地方相關標準的基礎上,考慮了河長制要求及評價河流特征,采用專家咨詢等方法,體現了因地制宜的原則,在構建基礎、思路方法等方面均具備科學性和合理性。

其次,從權重確定方法來看,參考了《導則》及《指南》,符合行業政策,可保障權重的權威性、適用性;且研究建議參與Delphi法的打分專家應常年從事太湖流域河流管理、河流健康評價等相關工作,可使確定的權重具有準確性、有效性;同時,Delphi法是《指南》首推的權重確定方法,有較強的可操作性,便于河流管理實踐。

此外,相關部門、專家及公眾對長興港河流健康狀況定性評價的結論與本指標體系所得到的長興港河流健康水平基本一致。鑒于此,研究所構建的評價體系能夠較為客觀地反映太湖流域河流健康情況,可為流域水資源保護、水生態修復及河長制的進一步落實提供科學依據。

3.2 長興港河流健康評價結果

長興港河流健康評價得分為73.38分,處于“綠色”健康水平,說明長興港在維護河流健康方面取得了一定成效。從準則層面來看,水文水質、生境結構、社會服務和河流管理準則得分相對較高,說明長興港在河流流量保障、水質保護、河流管理能力方面取得了顯著成效,生境結構趨于完整,社會服務功能不斷提升。但水生生物準則得分低于60.0分,說明長興港生物多樣性較多年前有一定程度的退化,需進行生態修復。

從指標層面來看,基本生態流量滿足度、管控能力適應性、監測體系完備性、管護手段先進性、公眾滿意度、防洪工程達標率、土著魚類保有數、生態緩沖帶指數、岸線生態性以及水質優劣度10項指標得分較高。長興縣是浙江省率先創立“河長制+檢查”聯動監督機制的縣,因此在河流管理準則成果顯著,三項指標均為100.0分。公眾滿意度指標賦分71.8分,說明在相關管理部門的努力下,公眾能夠感受到近年來長興港水生態環境及健康狀況的改善,對長興港成為“幸福河”充滿期待。但河流縱向連通性、大型底棲無脊椎動物多樣性、水功能區達標率3項指標得分相對較低,說明長興港健康水平仍有提升空間。

因此,建議可從以下方面開展工作:① 研究長興港河流連通對河流生態環境的影響,對河道上的閘壩進行改進,為魚類和其他生物提供適宜通道;② 加強對大型底棲無脊椎動物種群及相關水生動物群落的監測,研究其群落特征及時空分布并應用于河流管理;③ 對硬化岸線進行綠化并對生態緩沖帶進行生態修復;④ 控制農業用水區面源污染,對長興城區污水處理及再生水利用設施進行優化配置。

4 結 論

對太湖流域河流進行健康評價有利于管理部門開展水資源保護工作,促進水生態修復。研究參考了國家及太湖流域相關的河流健康評價標準,綜合考慮河流管理的實際需求與建立新型人水關系的需要,構建了以河流健康為目標層,水文水質、生境結構、水生生物、社會服務及河流管理為評價準則,包含基本生態流量滿足度、水質優劣度、河流縱向連通性等13項具體指標的河流健康評價指標體系;并建議結合Delphi法確定各準則及指標的權重。

以流域典型河流長興港為例,該評價指標體系可客觀、科學地反映河流健康水平,具體如下:長興港河流健康評價得分為73.38分,整體屬于“綠色”健康等級,但部分準則及指標仍需改善。今后可在此體系的實踐基礎上,結合“一市一考”、“一河一策”等工作的實際情況,因地制宜,將評價指標體系逐漸擴展應用于太湖流域河流健康評價工作;同時,根據河流實際情況,因地制宜確定權重、進一步細化選取河流健康評價的準則和指標,以更加科學地評估太湖流域河流健康。