基于不同空間尺度的河流健康評價(jià)方法探討

王 波，梁婕鵬

（1.長江科學(xué)院水資源綜合利用研究所，武漢 430010；2.長江勘測規(guī)劃設(shè)計(jì)有限責(zé)任公司，武漢 430010）

基于不同空間尺度的河流健康評價(jià)方法探討

王 波1，梁婕鵬2

（1.長江科學(xué)院水資源綜合利用研究所，武漢 430010；2.長江勘測規(guī)劃設(shè)計(jì)有限責(zé)任公司，武漢 430010）

簡要回顧了國內(nèi)外河流健康評價(jià)的主要方法，并分階段總結(jié)了其發(fā)展過程；結(jié)合河流健康評價(jià)的需要，對評價(jià)的空間尺度進(jìn)行了等別劃分，并對河流生態(tài)系統(tǒng)變化的時(shí)空相關(guān)性進(jìn)行了探討，初步建立了時(shí)空相關(guān)關(guān)系；按照空間尺度等別，對國內(nèi)外各種評價(jià)方法的時(shí)空適應(yīng)性進(jìn)行了探討，并推薦了適宜于大、中、小評價(jià)尺度的評價(jià)方法。

河流；尺度；評價(jià)方法

1 概 述

河流健康評價(jià)研究是隨著水資源開發(fā)利用與保護(hù)的矛盾不斷突出而逐漸興起的。19世紀(jì)末，由于工業(yè)污染物的排放，歐洲一些河流發(fā)黑發(fā)臭，出現(xiàn)了嚴(yán)重污染的情況。面對水環(huán)境持續(xù)惡化的壓力，人們對河流及水生物關(guān)注增加，對河流水質(zhì)進(jìn)行評價(jià)，形成了最初的河流健康評價(jià)的內(nèi)容。20世紀(jì)70－80年代初，人們對河流的關(guān)注由單一的水質(zhì)保護(hù)轉(zhuǎn)移到整個(gè)河流生態(tài)系統(tǒng)，評價(jià)內(nèi)容也開始轉(zhuǎn)向?qū)恿魃鷳B(tài)及環(huán)境質(zhì)量的評價(jià)，河流健康的內(nèi)涵更為豐富，并且出現(xiàn)了多種評價(jià)方法，其中生物完整性指數(shù)［1］（IBI）、河流無脊椎動物預(yù)測與分類系統(tǒng)［2］（RIVPACS）和快速生物評價(jià)協(xié)議［3］（RBP）獲得的認(rèn)可度比較高。

進(jìn)入20世紀(jì)90年代，河流健康評價(jià)進(jìn)入快速發(fā)展時(shí)期，許多國家建立了河流健康評價(jià)方法，較具代表性的有美國的環(huán)境監(jiān)測評價(jià)計(jì)劃（EMAP）、岸邊與河道環(huán)境細(xì)則［4］（RCE），英國的河流保護(hù)評價(jià)體系（SERCON）、河流棲息地調(diào)查［5］（RHS），澳大利亞的河流地貌類型（GRS）、河流狀態(tài)調(diào)查（SRS）、溪流健康指數(shù)［6］（ISC）和南非河流健康計(jì)劃［7］（RHP）的棲息地完整性指數(shù)（IHI）等。

21世紀(jì)以來，河流健康研究的熱潮逐漸轉(zhuǎn)移到發(fā)展中國家。我國流域機(jī)構(gòu)、高校和科研院所相繼開展了大規(guī)模的河流健康研究，河流對人類的服務(wù)功能被納入到河流健康評價(jià)的對象中，河流健康的內(nèi)涵進(jìn)一步豐富。流域管理機(jī)構(gòu)作為河流代言人，出于管理需求，也開展了大量的相關(guān)研究，提出了針對河流特性制定指標(biāo)的多指標(biāo)綜合評價(jià)方法，長江水利委員會、黃河水利委員會和珠江水利委員會均提出了各自的河流健康評價(jià)方法［8－10］。河流健康評價(jià)方法分階段發(fā)展過程如圖1。

圖1 河流健康評價(jià)方法發(fā)展過程Fig.1 Development of river health evaluation methods

多年來，社會對河流健康的關(guān)注不斷提高，對河流健康評價(jià)也不僅僅是理論研究的需要，而是一項(xiàng)需要全面鋪開的生產(chǎn)性技術(shù)工作，這就需要對各種評價(jià)方法及適用條件比較明確。河流系統(tǒng)的變化是一個(gè)復(fù)雜的動態(tài)過程，并且這種動態(tài)變化具有顯著的時(shí)空相關(guān)性，以空間尺度著手，可以建立一個(gè)整合的方法框架，便于評價(jià)者按需較為快速地選用合適的方法。

2 時(shí)空尺度的劃分

2.1 空間尺度的劃分

河流健康評價(jià)的空間尺度由大到小可依次劃分為全河長、景觀河段、工程河段、斷面和微生境，按照便于操作的考慮，概化為大尺度（全河長）、中尺度（景觀河段、工程河段）、小尺度（斷面、微生境）。不同的評價(jià)尺度對評價(jià)方法有不同的要求：大尺度的評價(jià)要求方法具有較好的綜合性，能夠全面反映全河長的健康狀況和各河段的健康均衡狀況；小尺度的評價(jià)要求評價(jià)方法具有較強(qiáng)的針對性，能準(zhǔn)確反映河流斷面或微生境的健康狀況。

2.2 時(shí)空尺度的關(guān)聯(lián)性

從河流系統(tǒng)發(fā)生變化的過程來看，擾動對系統(tǒng)影響的尺度和系統(tǒng)響應(yīng)的時(shí)間存在相關(guān)關(guān)系：即斷面、微生境等小尺度單元的影響較容易在短時(shí)間內(nèi)產(chǎn)生或恢復(fù)；而全河長等大尺度系統(tǒng)受到影響或恢復(fù)需要長期的過程，并且大尺度的評價(jià)需要開展長期的觀測和跟蹤調(diào)查才能完成?；诤恿飨到y(tǒng)變化的時(shí)空相關(guān)性認(rèn)識，大尺度河流健康程度的變化一般經(jīng)歷較長的時(shí)間尺度，反之，小尺度的變化經(jīng)歷較短的時(shí)間尺度，在評價(jià)方法上就能建立“空間-時(shí)間”相關(guān)關(guān)系，即適宜于大尺度的評價(jià)方法對應(yīng)長期（3～10年）變化的評價(jià)，適宜于中尺度的評價(jià)方法對應(yīng)與中期（1～3年）變化的評價(jià)，適宜于小尺度的評價(jià)方法對應(yīng)與短期（0～1年）變化的評價(jià)。

3 適用于小尺度的評價(jià)方法

小尺度評價(jià)的對象是河流斷面或微生境，適用的評價(jià)指標(biāo)較少，在某些特定情況下甚至可只選擇個(gè)別指標(biāo)就能得到評價(jià)結(jié)論，即“一票否決”或“一票肯定”。底棲動物生物完整性指數(shù)（B-IBI）和河流無脊椎動物預(yù)測與分類系統(tǒng)（RIVPACS）能較好地滿足小尺度的健康評價(jià)的需要。

3.1 底棲無脊椎動物完整性指數(shù)

底棲無脊椎動物完整性指數(shù)（B-IBI）來源于生物完整性指數(shù)（IBI）。生物完整性指數(shù)（IBI）產(chǎn)生于美國中西部，最初以魚類生物完整性指數(shù)作為指標(biāo)，被美國的許多地區(qū)作為評價(jià)溪流狀況的工具以支持水資源計(jì)劃和決策，后來逐漸推廣到底棲無脊椎動物等其它物種。底棲無脊椎動物完整性指數(shù)（BIBI）以棲息地相對固定的底棲無脊椎生物來作為評價(jià)的指示物種代替最初魚類作為指示物種，以反映河流小尺度的健康狀況。該方法充分利用了底棲無脊椎動物棲息地穩(wěn)定的特點(diǎn)，一次取樣評價(jià)范圍一般僅涉及數(shù)米或數(shù)十米的范圍，可以較好地反映小尺度生境質(zhì)量的優(yōu)劣。由此看來，指示物種的活動范圍是選擇指示物種的重要因素之一，那么也可考慮采用著生藻類等活動范圍較小的物種來作為小尺度的健康評價(jià)的指示物種。

從當(dāng)前國內(nèi)應(yīng)用情況來看，以底棲無脊椎動物作為指示物種可以滿足小尺度生境健康評價(jià)的需求。王備新等［11］以大型底棲無脊椎動物為指示物種，將底棲生物完整性指數(shù)在國內(nèi)進(jìn)行了應(yīng)用研究，表明了該指數(shù)在我國應(yīng)用的有效性，可作為小尺度健康評價(jià)的方法。但該方法的應(yīng)用有一個(gè)前提，就是必須找到未受人為擾動的本底生境作為評價(jià)參考對象。

3.2 河流無脊椎動物預(yù)測與分類系統(tǒng)

河流無脊椎動物預(yù)測與分類系統(tǒng)（RIVPACS）也是一種可用于小尺度評價(jià)的方法，于1977年產(chǎn)生于英國，起初用于保護(hù)區(qū)域的確定，關(guān)注的重點(diǎn)是物種組成類型，后來被用來評價(jià)河流健康。RIVPACS利用無脊椎動物作為指示物種，根據(jù)河流生境條件首先建立一個(gè)本區(qū)域的預(yù)測模型，當(dāng)進(jìn)行評價(jià)時(shí)輸入評價(jià)對象的生境條件參數(shù)，即可生成生物總量和敏感性物種生物量的預(yù)測值，預(yù)測值與實(shí)測值的比值即反映該小尺度的健康狀況。在我國應(yīng)用該方法的難點(diǎn)主要在于建立預(yù)測模型。

該方法與底棲無脊椎動物完整性指數(shù)基本原理相同，不同點(diǎn)在于該方法以模型化的參數(shù)作為本底值，而底棲無脊椎動物完整性指數(shù)以類似的真實(shí)生境作為本底值。澳大利亞在RIVPACS的基礎(chǔ)上發(fā)展了適合本國的方法AUSRIVAS，并于1993年采用AUSRIVAS進(jìn)行了第1次全國河流健康評價(jià)。

3.3 經(jīng)驗(yàn)判斷

在現(xiàn)實(shí)中往往存在這樣的情況，經(jīng)驗(yàn)豐富的專家往往可以目測采集小尺度范圍內(nèi)河流健康狀況的顯性信息，通過與以往經(jīng)科學(xué)評價(jià)分級的類似生境進(jìn)行對比，判斷出健康程度。這種方法雖然缺乏嚴(yán)謹(jǐn)?shù)目茖W(xué)程序，但可在無實(shí)測條件的情況下較為容易地獲得第一手資料，評價(jià)結(jié)論也可被接受，是河流健康評價(jià)中一種常用的方法。

4 適用于中尺度的評價(jià)方法

中尺度河段的規(guī)模一般為數(shù)公里至上百公里，河段內(nèi)水動力學(xué)條件、水質(zhì)、河床底質(zhì)、氣候等條件相似，形成具有一定特征和獨(dú)立性的生態(tài)系統(tǒng)。在中尺度的評價(jià)上，小尺度評價(jià)中采用的生物評價(jià)方法仍然是一種適宜的評價(jià)方法，和小尺度評價(jià)不同的是指示物種的選擇原則不同，要求自然狀況下指示物種的生命周期或部分生命史應(yīng)當(dāng)依賴于該河段的特殊生境而完成，應(yīng)用條件相對嚴(yán)格。推薦采用河流條件指數(shù)（ISC）和魚類生物完整性指數(shù)（F-IBI）進(jìn)行評價(jià)。

4.1 河流條件指數(shù)

河流條件指數(shù)（ISC）于1999年由Ladson等提出，構(gòu)建了包括水文、地貌形態(tài)、河岸帶狀況、水質(zhì)及水生生物在內(nèi)的指標(biāo)體系，把生物及其非生命環(huán)境作為一個(gè)整體來加以評價(jià)。從應(yīng)用情況來看，澳大利亞已應(yīng)用該方法在多條河流的健康評價(jià)中，所采用的水文、地貌形態(tài)、河岸帶狀況、水質(zhì)及水生生物等大部分評價(jià)指標(biāo)適合于我國豐水地區(qū)河流的評價(jià)，對部分指標(biāo)進(jìn)行針對性調(diào)整后可作為中尺度的評價(jià)方法。

4.2 魚類生物完整性指數(shù)

魚類具有豐富的種類，是生物評價(jià)方法常用的指示物種。首先，魚類的棲息地范圍可長達(dá)數(shù)十乃至上百公里河段，和工程河段及景觀河段的尺度重合較好；其次，一些魚類的生命全周期或部分重要生命期完全依賴于特殊生境［12］，能較好地代表該生境類型河段的健康狀況。

4.3 經(jīng)驗(yàn)判斷

在運(yùn)用上述方法不具備的條件下，依靠經(jīng)驗(yàn)通過目測濱水植被、流量、水質(zhì)、流態(tài)等信息來判斷河流健康狀況的方法仍然被經(jīng)常使用。

當(dāng)然，從空間構(gòu)成上來看，中尺度仍然是由一系列小尺度空間構(gòu)成，因此也可由若干小尺度的評價(jià)結(jié)論集結(jié)而得；中尺度范圍相對較大，也可采用單指標(biāo)評價(jià)后集結(jié)得到。

5 適用于大尺度的評價(jià)方法

大尺度的評價(jià)包含大量不同類型的中尺度和小尺度，采用個(gè)別中、小尺度的或單一指標(biāo)代表大尺度健康狀況存在較大的風(fēng)險(xiǎn)，難于對河流健康得出全面可靠的評價(jià)結(jié)論，因此大尺度評價(jià)一般采用小尺度和中尺度評價(jià)結(jié)論綜合或多指標(biāo)評價(jià)結(jié)論綜合得到。從評價(jià)方法來說，就是大尺度評價(jià)方法應(yīng)著重考慮是否能有效地綜合信息。

大尺度評價(jià)方法的關(guān)鍵在于信息綜合能力，多指標(biāo)綜合評價(jià)方法符合這種需求。多指標(biāo)綜合評價(jià)方法將指標(biāo)信息通過樹狀結(jié)構(gòu)進(jìn)行傳遞，能將眾多指標(biāo)值以一個(gè)綜合性的值來反映，從而對評價(jià)對象作出總體評價(jià)。該方法指標(biāo)集結(jié)形式比較靈活（見圖2），適用性較好。但在實(shí)際運(yùn)用中，低級指標(biāo)每向高一級指標(biāo)綜合1次，低一級的多個(gè)指標(biāo)信息由1個(gè)高一級的指標(biāo)來表征，相當(dāng)于低一級指標(biāo)的信息被“平均”，可能出現(xiàn)即便個(gè)別低級指標(biāo)值非常糟糕，而總體評價(jià)結(jié)論較好的情況，因此，在運(yùn)用該方法時(shí)應(yīng)加以重視。

圖2 大尺度評價(jià)指標(biāo)集結(jié)路徑示意圖Fig.2 Aggregation route of large-scale evaluation indices

由于多指標(biāo)綜合評價(jià)方法的這種運(yùn)用形式具有較強(qiáng)的適用性，長江水利委員會等流域機(jī)構(gòu)及趙彥偉、耿雷華等學(xué)者［13，14］采用這種方法進(jìn)行河流健康評價(jià)。2005年初，長江水利委員會提出了“維護(hù)健康長江，促進(jìn)人水和諧”的治江新理念，并界定了維護(hù)健康長江的基本內(nèi)涵、主要任務(wù)和保障措施，提出了健康長江評價(jià)指標(biāo)體系的框架結(jié)構(gòu)，并開展了一些具體指標(biāo)的研究工作。黃河水利委員會提出了“1個(gè)最終目標(biāo)；4項(xiàng)主要標(biāo)志；9條治理途徑；3種基本手段”的“維持黃河健康生命”的理論框架，“維持黃河健康生命”作為黃河治理的終極目標(biāo)。珠江水利委員會將“構(gòu)建珠江健康評價(jià)體系”作為維護(hù)珠江健康的5項(xiàng)主要措施之一，從水質(zhì)、水量、泥沙、河床等方面提出珠江健康指標(biāo)，制定了珠江邊界河段水量分配方案，以各河段的污染排放、泥沙含量、河道采砂、生態(tài)需水、引用供水、航運(yùn)需水等作為控制指標(biāo)。

提取菌株 Sd1－2的 RNA（圖 2），反轉(zhuǎn)錄合成cDNA 后， 用 DMMK1－F／DMMK1－R 為引物進(jìn)行PCR擴(kuò)增，PCR產(chǎn)物瓊脂糖凝膠電泳結(jié)果如圖3，片段大小與預(yù)測結(jié)果大小基本一致。由瓊脂糖電泳檢測結(jié)果可見，這種引物的特異性較好，基本沒有非特異條帶。切膠后，用DNA回收試劑盒回收目標(biāo)片段，連接載體轉(zhuǎn)化后，用通用引物M13－47／RV－M對轉(zhuǎn)化子進(jìn)行菌落PCR擴(kuò)增驗(yàn)證（圖4），將陽性克隆送樣測序。

6 結(jié) 語

本文對河流健康評價(jià)方法的空間尺度適應(yīng)性進(jìn)行了探討，并按照大尺度、中尺度和小尺度對國內(nèi)外主要河流健康評價(jià)方法進(jìn)行了分類應(yīng)用推薦，希望可以為河流健康評價(jià)方法的選擇起到一定的參考作用，推動河流健康評價(jià)實(shí)踐的標(biāo)準(zhǔn)化進(jìn)程。

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（編輯：趙衛(wèi)兵）

River Health Assessment M ethod Based on Different Spatial Scales

WANG Bo1，LIANG Jie-peng2
（1.Water Resources Department，Yangtze River Scientific Research Institute，Wuhan 430010，China；2.Changjiang Institute of Survey，Planning，Design and Research Co.，Ltd.，Wuhan 430010，China）

Themainmethods of river health assessment in China and abroad are reviewed，and the stages of its developmentare summarized.The spatial scales are classified in linewith the requirements of river health assessment，and the spatial and temporal correlation of the river ecosystem is established.Moreover，according to the classified spatial scales，the spatial adaptation of variousmethods are discussed and methods suitable for large，medium and small-scale evaluation are recommended.

river；scale；evaluation methods

X312

A

1001－5485（2011）12－0032－04

2011-10-20

水利部公益性行業(yè)科研專項(xiàng)項(xiàng)目（200901012）

王 波（1982-），男，貴州桐梓人，工程師，主要從事水資源管理與保護(hù)研究，（電話）027-82926423（電子信箱）wangbotongzi＠163.com。