滹沱河忻州段生態(tài)系統(tǒng)健康評價

趙鵬宇，馮文勇＊，步秀芹，崔嬙，張俊卿，劉秀麗

（1.忻州師范學院 旅游管理系，山西 忻州034000；2.廣西壯族自治區(qū)環(huán)境保護科學研究院，廣西 南寧530000；3.忻州師范學院 地理系，山西 忻州034000）

生態(tài)健康是在20世紀80年代興起的一個新的研究領域。生態(tài)系統(tǒng)健康學被認為是在傳統(tǒng)的自然科學、社會科學和健康科學相互交叉和綜合的基礎上發(fā)展起來的一門新學科。近年來，許多學者和專家［1，2］從不同方面論述了河流生態(tài)系統(tǒng)健康的概念，其概念也逐漸明朗化，即指河流生態(tài)系統(tǒng)在保持物理、生物及化學上的完整性的基礎上，且能夠維持其對人類社會提供的各種服務功能。河流生態(tài)系統(tǒng)健康研究主要集中于評價指標體系、評價方法、評價模型等方面［3～12］。對評價指標體系的研究，眾多研究成果［13～16］表明河流生態(tài)系統(tǒng)可以用水環(huán)境指標、河岸帶結構以及生物體五個要素來表達；對評價方法和模型的研究主要分為兩類，即多指標綜合評價法和生物監(jiān)測法，關于河流健康多指標綜合評價研究方法的應用較多，主要有綜合健康指數(shù)法、模糊層次綜合評價法、模糊概率評價法等。這些方法都有各自的特點和不足，本文根據數(shù)據來源及完整性采用綜合健康指數(shù)法，在參考戶作亮［17］對海河流域平原21條河流生態(tài)健康評價總結歸納的基礎上對具體指標進行優(yōu)化，開展對滹沱河忻州段河流生態(tài)系統(tǒng)健康評價，以期為科學管理河流生態(tài)系統(tǒng)提供依據，為滹沱河生態(tài)環(huán)境修復模式提供參考。

1 研究區(qū)概況與研究方法

1.1 滹沱河忻州段概況

滹沱河是海河流域子牙河水系兩大支流之一，滹沱河發(fā)源于山西省忻州市繁峙縣東北泰戲山麓的橋兒溝村，滹沱河干流全長587km，在忻州市境內長260km；滹沱河流域面積24 690km2，在忻州市境內流域面積為11 936km2，流經繁峙、代縣、原平、忻府、定襄、五臺六個縣（市、區(qū)），在定襄縣嶺子底村出境。滹沱河支流較多，呈羽狀分布于中上游山區(qū)。忻州段境內支流有清水河、陽武河、云中河、牧馬河、峨河、峪口河等。在河流形態(tài)和河道特征方面表現(xiàn)為：溝壑密度大，水系發(fā)育；坡陡流急，河流侵蝕切割嚴重。滹沱河在忻州段屬典型的游蕩型河流，主槽擺動頻繁，河勢變化散亂，尤其具有暴漲暴落的洪水過程及洪、枯水流量變化較大等水文特征。本段內的河道呈“S”型，上游116km為河谷型河道，沿程縱坡變化較大；下段為平原型河道，兩岸平坦開闊河床寬淺，見圖1。

圖1 滹沱河忻州段示意圖Fig.1 The schematic diagram of Xinzhou in Hutuo River

滹沱河忻州段水環(huán)境的特點是水環(huán)境容量較小，且具有季節(jié)差異性，流域內明顯為夏雨型，汛期流量占到全年的70%以上，加之水利工程的截留，春末夏初農業(yè)灌溉大量引水，多數(shù)河段長時間斷流，水環(huán)境容量基本為零，同時一些城區(qū)河段實際上變?yōu)槲鬯疁希瑖乐氐赝{著周圍的生態(tài)環(huán)境。滹沱河水資源主要補給來源是大氣降水。根據界河鋪水文站的監(jiān)測，近55年來河水逐漸減少：1954—1959年平均為5.95億m3，1960—1969年平均為3.55億 m3，1970—1979 年 平 均 為 2.53 億 m3，1980—1989年平均為1.66億 m3，1990—1999年平均為1.89億 m3，2000—2010年平均為0.94億m3。據1997—2005年界河鋪水文站流量資料顯示，滹沱河平均河干天數(shù)為202d。由此可見，滹沱河生態(tài)環(huán)境是非常脆弱的。

1.2 研究方法

河流健康是一個動態(tài)的相對模糊的概念，而綜合評價能較好地解決這種帶有模糊性質的問題。該法一般是通過實測、估算和調查獲得各項指標的現(xiàn)狀值并將其按一定的方法量化，然后按一定的模型加權合成計算出河流的健康指數(shù)值。具體步驟如下：①確定各指標的現(xiàn)狀值，②各指標現(xiàn)狀值的無量綱化，③確定各指標的權重，④綜合計算健康指數(shù)值。即

式中：E為綜合健康指數(shù)，此值代表河流的健康現(xiàn)狀；n為評價指標總數(shù)，i為各指標的無量綱化值；Wi為各指標的權重。綜合健康指數(shù)法的評價結果是一個具體的數(shù)值，較為直觀，便于記憶，評價過程較簡單，易于操作和使用。

2 河流生態(tài)系統(tǒng)健康評價指標體系的構建

由于海河流域內河流的配置特點等存在相似性，本文在海河水利委員會對海河流域21條河流生態(tài)系統(tǒng)健康評價方法的基礎上，結合滹沱河生態(tài)環(huán)境現(xiàn)狀，建立滹沱河忻州段的水生態(tài)健康評價體系。滹沱河生態(tài)的主要問題是：水量減少、水質惡化、生物多樣性被破壞?？紤]指標的簡明性、獨立性以及數(shù)據的可得性，從水質、水量、生物狀況、水體連通性4個方面選取河流生態(tài)健康評價指標，見圖2。

圖2 河流生態(tài)系統(tǒng)健康評價指標Fig.2 The index of river ecological system health evaluation

河流健康作為一個相對概念，評價河流的健康狀態(tài)需要一個河流的基準狀態(tài)作為參照點。根據滹沱河水利工程大規(guī)模建設時間，把滹沱河水資源利用大致分為2個時期，1954—1979年為閘壩興建前期，1980—2010年為閘壩興建后期，來對比2個時期滹沱河流域閘壩興建前后河流水量變化（見圖3）。滹沱河在尚未受水利工程等影響的1954－1979年段，徑流量較大，7－9月份汛期建庫前后徑流量之比達到1∶4，由此可見建庫前水文情勢比較穩(wěn)定，同時自然的生態(tài)系統(tǒng)受到的干擾較小，生態(tài)功能較為完整，在數(shù)據可得的范圍內，可以把閘壩興建前生態(tài)水平做為生態(tài)環(huán)境健康的參照，見圖3。

圖3 滹沱河閘壩興建前后年內徑流量變化情況Fig.3 The change of the diameter of the river flux between before and after building the gate and dam

指標體系的評價標準見表1。對難以準確定量表達的定性指標，以分值閾0～20、21～40、41～60、61～80、81～100代表5個級別的標準。定量指標的標準則借鑒滹沱河河道歷史資料、相關研究成果與國家適用標準，通過多區(qū)域對比分析確定，見表1。河流生態(tài)健康分為5個級別：瀕于崩潰、病態(tài)、亞健康、基本健康和健康，具體指標的計算與權重的確定參照戶作亮［16］等學者的方法，水量、水質、生物、連通性指標權重分別為 0.29、0.49、0.17、0.05。

水量指標：本文選擇相對干涸長度、相對干涸天數(shù)、相對斷流天數(shù)、年平均流量偏差率為分指標來量化水量指標的具體評價標準。參考特納（Tennant）法［17］，各水期流量平均值占多年平均流量的100%～61%、60%～41%、40%～21%、20%～10%，分別對應為最佳、較好、尚可、較差狀態(tài)，10%和5%為可忍受的最小流量和極端最小流量。

水質指標：目前國內對于地表水環(huán)境質量評價方法已經比較成熟，參考國家對各水質項目的規(guī)定，采用單因子指數(shù)及內梅羅方法，計算得到相關水質指數(shù)的數(shù)值。

生物指標：生物狀況是河流生態(tài)健康的重要表征，國外雖然有PIVPACS，AUSRIVAS等方法能預測河流理論上應該存在的生物量，但這些方法僅考慮了大型無脊椎動物，并且有數(shù)據不易取得、計算方法復雜等缺點。本研究中，對于生物指數(shù)，主要依據生物多樣性，尤其是魚類種群結構、河灘植被覆蓋率等，將其生物指數(shù)分為生物絕跡、生物物種單一、生物多樣性一般、生物多樣性較豐富、生物多樣性豐富5個等級分別對應5個評價標準0～20、21～40、41～60、61～80、81～100。

連通性指標：由于滹沱河流域多出于灌溉蓄水、洪水調度的考慮而在河流上興建水閘水壩，對于河流流動、自凈，進而對生態(tài)系統(tǒng)產生一定影響。本研究采用河流上每百公里大、中型閘壩個數(shù)來評價水體的連通性情況。連通性指數(shù)的具體評價標準見表1。

表1 指標體系及評價標準Table1 The index system and the evaluation standard

3 滹沱河河流生態(tài)系統(tǒng)健康評價

3.1 評價現(xiàn)狀情況

根據已建立的評價指標體系評價其河流生態(tài)健康情況。水質、水量資料根據忻州市水資源公報整理所得，生態(tài)數(shù)據根據忻州市農田水利資料、滹沱河志、文獻論文匯總及現(xiàn)場調查所得，根據資料的可得性與河段的特殊性選擇滹沱河干流6個監(jiān)測斷面下茹越、西留屬、崞陽橋、界河鋪、濟勝橋、南莊作為各個河段的起止點。分別見表2、表3、表4及表5。

3.2 評價結果分析

綜合河流各方面基礎數(shù)據，對滹沱河忻州段進行水生態(tài)健康評價，得到滹沱河4條河段生態(tài)健康狀況評價結果，滹沱河下茹越—西屬留段總指標數(shù)為46.7，呈亞健康狀態(tài)；西屬留—界河鋪段總指標數(shù)值為36.1，呈病態(tài)狀態(tài)；界河鋪—濟勝橋段總指標數(shù)值為29.0，呈病態(tài)狀態(tài)；濟勝橋—南莊段總指標數(shù)值為70.4，呈基本健康狀態(tài)。評價結果具體見表6。

滹沱河忻州段全長260km，生態(tài)健康評價評結果主要為基本健康、亞健康、病態(tài)，所占河長比例分別為13.4%、24.8%、61.8%，在空間上表現(xiàn)為：上段呈亞健康狀態(tài)，中段呈病態(tài)狀態(tài)，下段呈基本健康狀態(tài)，主要原因為下茹越—西屬留段生態(tài)惡化的主要原因是水資源短缺，以及潛在的礦業(yè)開采水環(huán)境污染，因此該河段適宜的修復模式為在河道補水的同時，加強控制污染源，并通過改善生境的方法提高河流自凈能力以及營造健康的生態(tài)系統(tǒng)。西屬留—界河鋪、界河鋪—濟勝橋河段存在的主要生態(tài)問題有兩個主要方面：一是生活污水與工業(yè)廢水造成的水質污染，根據2010年水資源公報顯示，西屬留－濟勝橋河段廢污水排入量占全河段的76.2%。二是由于灌區(qū)、水閘、水庫截流工程以及河道采沙造成的河流天然形態(tài)破壞，即生境問題。因此，該河段可以采用水質改善型修復模式，興建污水處理廠，提高污水處理率、工業(yè)廢水達標排放，通過控制污染源來修復生態(tài)系統(tǒng)；濟勝橋—南莊河段來自滹沱河最大的支流發(fā)源于五臺山清水河的水量補充，見圖1。清水河一般清水流量為2.78m3·s－1，其流量約占滹沱河流量的1／3，其峽谷型河道地質地形決定了河流的稀釋能力強，使得污染物濃度在這一段大幅下降，環(huán)境容量比前面河段總的環(huán)境容量都要大，該河段可以采用管理保護型修復模式。

表2 滹沱河水量現(xiàn)狀（2006—2010年）Table 2 The status quo of water quantity（2006—2010）

表3 2010年滹沱河忻州段水質各單項監(jiān)測值／mg·L－1Table 3 The each individual monitoring values of water quality of Hutuo River in Xinzhou in 2010／mg·L－1

表4 滹沱河干流生態(tài)現(xiàn)狀調查Table 4 The survey of ecosystem status quo of the main stream of Hutuo River

表5 2009年滹沱河區(qū)水閘基本情況Table 5 The basic information of sluice of Hutuo River in 2009

表6 滹沱河生態(tài)健康評價結果Table.6 The health evaluation results of the tHutuo River ecological

4 討論與結論

由以上分析可知，滹沱河忻州段存在資源型缺水與水質型缺水并存的問題，確立河流生態(tài)保護的核心是水資源的保護的思想，同時依照河流生態(tài)健康評價及功能定位，結合各斷面生態(tài)現(xiàn)狀及修復目標確定修復模式。

（1）根據生態(tài)系統(tǒng)健康的內涵和滹沱河忻州段生態(tài)系統(tǒng)的特點，結合已有研究成果，從水質、水量、生物狀況、水體連通性4個方面選取河流生態(tài)健康評價指標，構建了滹沱河忻州段生態(tài)系統(tǒng)健康的評價指標體系。

（2）滹沱河4條河段生態(tài)健康評價結果為：下茹越—西屬留段呈亞健康狀態(tài)，西屬留—界河鋪段呈病態(tài)狀態(tài)，界河鋪—濟勝橋段呈病態(tài)狀，濟勝橋—南莊段呈基本健康狀態(tài)。總體看滹沱河忻州段生態(tài)基本健康、亞健康、病態(tài)所占河長比例分別為13.4%、24.8%、61.8%，在空間上表現(xiàn)出差異性，具體為：上段呈亞健康狀態(tài)，中段呈病態(tài)狀態(tài)，下段呈基本健康狀態(tài)。

（3）本文以滹沱河忻州段河流生態(tài)系統(tǒng)的健康狀況進行評價，受多方面因素的影響，由于資料可得性的限制，所對照建立的指標體系還存在一定的局限性，有待進一步完善，以后將進一步研究探討該地區(qū)河流生態(tài)系統(tǒng)健康的動態(tài)變化，希望此項研究有助于改善滹沱河河流生態(tài)系統(tǒng)的管理水平。

［1］董哲仁.河流健康的內涵［J］.中國水利，2005（4）：15－18.

［2］劉曉燕，張建中，張原峰.黃河健康生命的指標體系［J］.地理學報，2006，61（5）：451－460.

［3］賴俊翔，許銘本，姜發(fā)軍，等.北侖河口近岸海域生態(tài)健康分析與評價［J］.廣西科學，2014（1）：77－83.

［4］談娟娟，董增川，方慶，等.漳衛(wèi)南運河流域生態(tài)健康演變分析［J］.南水北調與水利科技，2014，12（5）：67－71.

［5］蔡易潔，張義文，張國臣.河北省重要自然濕地生態(tài)健康評價［J］.湖北農業(yè)科學，2014，53（8）：1797－1800.

［6］陳晨，王文杰，王維，等.九龍江流域生態(tài)健康評價及管理對策［J］.湖南科技大學學報（自然科學版），2013，28（3）：121－128.

［7］周笑白，張寧紅，張詠，等.太湖水質與水生生物健康的關聯(lián)性初探［J］.環(huán)境科學，2014，35（1）：271－278.

［8］宋剛福，沈冰.拉開檔次法的改進及其在河流生態(tài)健康評價中的應用［J］.應用生態(tài)學報，2012，23（7）：94－96.

［9］王一涵，周德民，孫永華.RS和 GIS支持的洪河地區(qū)濕地生態(tài)健康評價［J］.生態(tài)學報，2011，31（13）：92－96.

［10］王李鴻，角媛梅，明慶忠，等.沘江蘭坪段生態(tài)健康評價指標體系研究［J］.環(huán)境科學與管理，2012，37（2）：49－51.

［11］何興軍，李琦，宋令勇.河流生態(tài)健康評價研究綜述［J］.地下水，2011，33（1）：63－65.

［12］王慧亮，王學雷，莫明浩，等.基于生態(tài)健康的洪湖濕地恢復評價［J］.武漢大學學報，2010，56（5）：558－560.

［13］王文杰，張哲，王維，等.流域生態(tài)健康評價框架及其評價方法體系研究［J］.環(huán)境工程技術學報，2012，2（4）：273－276.

［14］張婷，劉靜玲，王雪梅.白洋淀水質時空變化及影響因子評價與分析［J］.環(huán)境科學學報，2010，30（2）：261－267.

［15］王暉文.河北省河流生態(tài)健康評價及修復技術研究［D］.保定：河北農業(yè)大學，2010.

［16］沈楠，李春暉，賁越.濁漳河山西省潞城市境內段河流生態(tài)健康評價研究［J］.中國環(huán)境管理，2012（2）：30－34.

［17］戶作亮，張勝利，林超，等.海河流域平原河流生態(tài)保護與修復模式研究［M］.北京：中國水利水電出版社，2010：28－31.