海河干流健康評估體系研究

羅　莎, 張　凱, 李　強(qiáng)

(天津市水利科學(xué)研究院,天津　300061)

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海河干流健康評估體系研究

羅莎, 張凱, 李強(qiáng)

(天津市水利科學(xué)研究院,天津300061)

摘要：針對海河穿過天津中心城區(qū)、原有入境水量大幅減少的特點(diǎn),以水利部河流健康評估技術(shù)導(dǎo)則為基礎(chǔ),調(diào)整了5個準(zhǔn)則層的部分評估指標(biāo)及賦分權(quán)重,構(gòu)建了一套海河干流健康評估體系,并依此評估出海河干流2013年的健康指數(shù)得分為47.9分,為“亞健康狀態(tài)”,比直接按水利部標(biāo)準(zhǔn)評出的結(jié)論“不健康狀態(tài)”提高了一個等級。

關(guān)鍵詞：河湖健康評估;海河干流;指標(biāo)體系

20世紀(jì)90年代以來,為了解河湖的生態(tài)狀況,弄清河湖健康出現(xiàn)問題的原因,掌握其變化規(guī)律,提高流域綜合管理水平,西方國家采用“河湖健康評價”作為流域綜合管理的技術(shù)手段[1]。針對我國各地河湖健康面臨的諸多問題和嚴(yán)峻形勢,水利部于2010年底開始進(jìn)行了河湖健康評估工作,確定了天津市的海河干流為河湖健康評估的試點(diǎn)之一。

海河干流流經(jīng)天津市中心城區(qū),是天津的母親河。自1963年特大洪水之后,海河流域大規(guī)模興建水利工程,海河干流原有入境水量大幅減少,河流的水文特性、河床狀況等均發(fā)生重大改變,加之社會經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展,目前海河干流存在著水資源短缺、水污染嚴(yán)重等問題,亟須對海河干流的健康狀況做出客觀科學(xué)的評價。

筆者以水利部河湖健康評估技術(shù)導(dǎo)則為基礎(chǔ),結(jié)合海河的實(shí)際情況,構(gòu)建一套海河干流健康評估體系,并以2013年為評估基準(zhǔn)年,對海河干流健康進(jìn)行評估。

1　水利部河流健康評估體系

水利部河湖健康評估工作技術(shù)工作組對河湖健康評估的定義是指就河湖系統(tǒng)完整性(水文完整性和物理結(jié)構(gòu)完整性)、化學(xué)完整性、生物完整性和服務(wù)功能完整性以及它們的相互協(xié)調(diào)性進(jìn)行評價[2-3]。根據(jù)河流和湖庫的不同特點(diǎn),水利部分別制定了《河流健康評估指標(biāo)、方法和標(biāo)準(zhǔn)》(試點(diǎn)工作用)(1.0版)[2](以下簡稱《河流標(biāo)準(zhǔn)》)和《湖泊健康評估指標(biāo)、方法和標(biāo)準(zhǔn)》(試點(diǎn)工作用(1.0版))[3](以下簡稱《湖泊標(biāo)準(zhǔn)》)。

水利部河湖健康評估指標(biāo)體系自下而上為指標(biāo)層、準(zhǔn)則層和目標(biāo)層3級。評估采用分級指標(biāo)評分法,自下而上,逐級加權(quán)計算各層得分,最終得到河湖的健康等級。

準(zhǔn)則層包括水文水資源(HD)、物理結(jié)構(gòu)(PF)、水質(zhì)(WQ)、生物(AL)和社會服務(wù)功能(SS)等5個層面;每個準(zhǔn)則層對應(yīng)不同的評估指標(biāo),包括必選指標(biāo)和流域自選指標(biāo)。目標(biāo)層指河流與湖庫的總體健康水平,分為理想狀況、健康、亞健康、不健康、病態(tài)5個等級,河湖健康等級、類型、顏色代碼如下表1。

表1　河湖健康評估分級

2　海河干流概況及存在的問題

海河是天津的母親河,橫穿天津市區(qū),為典型的北方城市河流,干流西起紅橋區(qū)的子北匯流口,東流經(jīng)市區(qū)、近郊區(qū)及濱海地區(qū),北岸東麗區(qū),南岸津南區(qū),貫穿濱海新區(qū)塘沽鎮(zhèn),于大沽口入渤海,全長73.45 km,流域面積2 066 km2,是一條以行洪為主,兼顧排澇、蓄水供水、航運(yùn)、旅游等多功能的河道。

海河素有“九河下梢”之稱,歷史上水災(zāi)頻發(fā)。海河干流原是海河水系漳衛(wèi)河、子牙河、大清河及永定河、北運(yùn)河的入海尾閭河道,1949年中華人民共和國成立以后經(jīng)歷多次治理,下游新辟了入海通道,大部分洪水通過新辟的子牙新河、獨(dú)流減河、永定新河分泄入海。海河干流主要承泄大清河和永定河部分洪水,設(shè)計行洪能力800 m3/s[4]。為實(shí)現(xiàn)“清濁分流”、“咸淡分家”之目標(biāo),1958年在海河入海口修建了防潮閘,1985年又在津南東泥沽附近建了二道閘。為防止海水倒灌和淡水資源流失,目前兩閘的運(yùn)行模式是:日常多處于閉閘狀態(tài),只在汛期和換水期間開啟。由于上游來水減少,目前海河干流及與之相連的二級河道的生態(tài)用水主要靠汛期蓄水和引灤調(diào)水。

2003年啟動的海河兩岸綜合開發(fā)堤岸改造工程極大地促進(jìn)了天津城市旅游業(yè)的發(fā)展,海河的景觀娛樂功能逐漸加強(qiáng);同時,由于上游水利工程的攔截及近年來流域內(nèi)降水量的減少,海河原來的行洪防潮功能有所弱化。

由于水資源緊缺、水體置換頻次低,加上海河沿岸的生活污水、工業(yè)廢水、汛期雨污水以及二級河道的排澇水直接或經(jīng)過泵站、閘涵排入海河,造成海河水體污染和富營養(yǎng)化。盡管近幾年先后開展了河道清淤、污水處理廠建設(shè)和以截污為主的“清水工程”,但海河的水環(huán)境問題依然嚴(yán)峻,特別是夏天,海河干流多次發(fā)生了較大規(guī)模的藍(lán)藻水華[5],引起了政府和市民的高度關(guān)注。

3　海河健康評估體系構(gòu)建

開展河湖健康評估的目的是要了解河湖的生態(tài)狀況,識別河湖所承受的壓力和影響,尋求自然、人為壓力與河湖系統(tǒng)健康變化之間的關(guān)系,探求河湖健康受損的原因,進(jìn)而指導(dǎo)人類在河湖框架下的河流開發(fā)和管理活動。海河屬于人類活動強(qiáng)烈干預(yù)的河道,已有水利工程和沿岸開發(fā)建設(shè)的影響在較長一段時期內(nèi)不會消失,目前能做到的就是在現(xiàn)有條件下進(jìn)行海河優(yōu)化開發(fā)和保護(hù),完善海河基本功能及生態(tài)體系。以水利部《河流標(biāo)準(zhǔn)》為基礎(chǔ),從評價指標(biāo)的必要性、適用性、便捷性以及賦分合理性等方面考慮,適當(dāng)弱化一些不可恢復(fù)的因素,強(qiáng)調(diào)可恢復(fù)的特性,調(diào)整部分評估指標(biāo)和權(quán)重,增加反映海河湖泊特征的評估指標(biāo),旨在構(gòu)建一套適合海河的健康評估體系與評估方案,以便快速、量化地定位出突出存在的問題。

3.1海河水文水資源準(zhǔn)則層評估指標(biāo)與權(quán)重調(diào)整

《河流標(biāo)準(zhǔn)》中水文水資源準(zhǔn)則層的評估指標(biāo)有兩個:流量過程變異程度、生態(tài)流量保障程度。受水資源高度開發(fā)的影響,海河的現(xiàn)狀流量顯著低于歷史天然徑流量,流量變異程度很高,與20世紀(jì)50年代的天然狀態(tài)截然不同,造成在做水文還原時,存在著歷史水文資料少,還原精度差的問題。經(jīng)過初步試算,按照《河流標(biāo)準(zhǔn)》給海河打分,水文水資源準(zhǔn)則層這1項(xiàng)為0。

實(shí)際上,海河,尤其是二道閘以上區(qū)域,為了景觀娛樂需求,通過引灤調(diào)水,水深常年維持在適宜通航的高度,從這個意義上說,海河已不是傳統(tǒng)意義的河流。盡管河流有水,但這個過程不是天然的,無法把流域的水量變化、歷史流量與當(dāng)前水量變化建立起必然的對應(yīng)關(guān)系,若完全依據(jù)《河流標(biāo)準(zhǔn)》對海河進(jìn)行健康賦分,可能過于苛刻。因此,引入“水深變化程度(WD)”作為海河水文水資源準(zhǔn)則層評估的判斷標(biāo)準(zhǔn),WD的計算按公式(1)進(jìn)行。

(1)

該方法不用再做水文歷史數(shù)據(jù)還原,重在考察現(xiàn)狀條件下河道中水量滿足各項(xiàng)功能的保障程度。

3.2海河物理結(jié)構(gòu)準(zhǔn)則層評估指標(biāo)及權(quán)重調(diào)整

《河流標(biāo)準(zhǔn)》中物理結(jié)構(gòu)準(zhǔn)則層包括“天然濕地保留率” 、“河流連通阻隔狀況”和“河岸帶狀況”3個指標(biāo)。

由于場區(qū)內(nèi)沒有與海河有直接水力聯(lián)系,且屬于國家、地方濕地名錄的天然濕地,因此“天然濕地保留率”予以剔除。

“河流連通阻隔狀況”這一指標(biāo)目的是評判河道中魚類遷徙和營養(yǎng)鹽傳遞之間的連通性。受二道閘和海河閘的影響,該指標(biāo)按《河流標(biāo)準(zhǔn)》賦分為0?？紤]到一定時期內(nèi)閘壩將繼續(xù)存在,河流的連通性無法恢復(fù),該指標(biāo)對于修復(fù)海河水生態(tài)沒有太大的指導(dǎo)意義,因此給予取消。

《河流標(biāo)準(zhǔn)》中把“河岸帶狀況”分為了“岸坡穩(wěn)定性”、“河岸植被覆蓋率”和“河岸人工干擾程度”等3項(xiàng),權(quán)重分別為0.25,0.5和0.25。對于海河以及天津其他城市河道而言,“河岸帶狀況”對河道水質(zhì)、生態(tài)甚至水量的影響很大,應(yīng)當(dāng)作為評估的重點(diǎn)。從實(shí)際情況來看,“岸坡穩(wěn)定性”涉及防洪,給予保留?！昂影吨脖桓采w率”在海河等城市河道或者在深槽兩側(cè)構(gòu)建了防洪堤的河道上并不十分適用,所以將其弱化,降低權(quán)重為0.2。對于“河岸人工干預(yù)程度”,考慮到天津地區(qū)河道的主要污染都是來自各類排水口,包括城市的雨水、企業(yè)的污水和農(nóng)業(yè)灌排渠道的退水等,因此增加了“排水口”一項(xiàng),且將“排水口”和“垃圾填埋場或垃圾堆放”等分值處理?？紤]到人工干擾對河岸帶影響很大,也是今后治理的重點(diǎn),故將其權(quán)重提高到0.6。

3.3水質(zhì)準(zhǔn)則層評估指標(biāo)及權(quán)重調(diào)整

《河流標(biāo)準(zhǔn)》中水質(zhì)準(zhǔn)則層有“低溫影響”、“溶解氧狀況”、“耗氧有機(jī)污染狀況”、“重金屬污染狀況”等4個指標(biāo)。由于海河上沒有大型水利水電工程,不存在低溫影響問題,所以對水溫變異狀況指標(biāo)不予考慮。另外,由于海河水體流動性差,富營養(yǎng)化及引起的藍(lán)藻暴發(fā)問題突出,因此,將《湖泊標(biāo)準(zhǔn)》水質(zhì)準(zhǔn)則層中的“富營養(yǎng)狀況”[3]指標(biāo)增加到海河水質(zhì)準(zhǔn)則層的評估中。

最終,海河健康評估水質(zhì)準(zhǔn)則層指標(biāo)包括“溶解氧狀況”、“耗氧有機(jī)污染狀況”、“重金屬污染狀況”、“富營養(yǎng)狀況”等4個指標(biāo),每個指標(biāo)對應(yīng)的具體水質(zhì)項(xiàng)目賦分計算分別遵從上述《河流標(biāo)準(zhǔn)》及《湖泊標(biāo)準(zhǔn)》,水質(zhì)準(zhǔn)則層的最終賦分采用了最小賦分原則。

3.4生物準(zhǔn)則層評估指標(biāo)及權(quán)重調(diào)整

《河流標(biāo)準(zhǔn)》中生物準(zhǔn)則層包括“大型無脊椎動物(底棲動物)生物完整性指數(shù)”和“魚類生物損失指數(shù)”2個指標(biāo)。鑒于海河已表現(xiàn)出一定的富營養(yǎng)化,僅用這兩個河流指標(biāo)不足以完全反映海河的生物健康狀況,故將《湖泊標(biāo)準(zhǔn)》生物準(zhǔn)則層中的“浮游植物數(shù)量(藻密度)”和“浮游動物生物損失指數(shù)”2個指標(biāo)增加到海河健康評估中。

此外,《河流標(biāo)準(zhǔn)》中的底棲動物完整性指數(shù)(Benthic index of biological integrative,B-IBI)盡管是目前應(yīng)用最廣泛的生物完整性指數(shù)之一,但是該指標(biāo)也具有其自身的局限性。底棲動物完整性指數(shù)(B-IBI)用于未受或受人類活動干擾極小,且生境多樣性高的流域評價時效果較好,而用于評價完全暴露在人為干擾的流域時,其參照樣點(diǎn)的選擇則會出現(xiàn)一定的偏差。此外,Griffth等[6]認(rèn)為底棲動物完整性指數(shù)(B-IBI)對農(nóng)業(yè)污染敏感、對可溶性重金屬和沉積物中的重金屬敏感性比較低,甚至不敏感。事實(shí)上,對海河而言,篩選無干擾或干擾較小的參考系十分困難,因此選用“底棲生物綜合污染指數(shù)BI”來替代B-IBI進(jìn)行評價[7-8],即通過Trent生物指數(shù)、Goodnight修正指數(shù)(GBI)、Shannon-wiener多樣性生物指數(shù)(H’)、Margalef豐富度指數(shù)(d)、生物學(xué)污染指數(shù)(BPI)、科級生物指數(shù)(FBI)等6個指標(biāo)進(jìn)行模糊集合標(biāo)準(zhǔn)化處理,整合出最終的海河綜合生物污染指數(shù)BI。

在權(quán)重方面,生物準(zhǔn)則層各指標(biāo)采取了同等權(quán)重賦分原則,即“浮游植物數(shù)量”、“浮游動物生物損失指數(shù)”、“魚類結(jié)構(gòu)完整性”和“底棲生物綜合生物污染指數(shù)”4個指標(biāo)各占0.25的賦分權(quán)重。

3.5社會服務(wù)準(zhǔn)則層評估指標(biāo)及權(quán)重調(diào)整

《河流標(biāo)準(zhǔn)》在社會服務(wù)功能指標(biāo)里給出了“水功能區(qū)達(dá)標(biāo)指標(biāo)”、“水資源開發(fā)利用指標(biāo)”、“防洪指標(biāo)”和“公眾滿意度指標(biāo)”4項(xiàng)。

“水資源開發(fā)利用指標(biāo)”指的是流域的水資源開發(fā)利用度,由于海河的水資源主要靠外調(diào)水和汛期蓄水,與流域的水資源開發(fā)利用程度無法建立直接的關(guān)系,這一點(diǎn)與對水文水資源準(zhǔn)則層的觀點(diǎn)一致。因此,筆者認(rèn)為不能用流域的“水資源開發(fā)利用指標(biāo)”來表征海河的社會服務(wù)功能,而改用“水量滿足度”來替代,以反映水資源量滿足社會服務(wù)功能的程度。

該準(zhǔn)則層的4個指標(biāo)及最終賦分計算方法同《河流標(biāo)準(zhǔn)》。

3.6海河干流健康評估指標(biāo)體系

海河干流健康評估指標(biāo)體系(“海河標(biāo)準(zhǔn)”)見表2。

表2　海河干流健康評估指標(biāo)體系

圖1　海河干流健康評估河段劃分及監(jiān)測斷面分布

4　海河干流健康評估及結(jié)果討論

4.1評估河段劃分

按照《海河流域天津市水功能區(qū)劃》[9],海河干流劃為開發(fā)利用區(qū)、工業(yè)用水區(qū)和景觀娛樂用水區(qū)、飲用水源區(qū)、過渡區(qū),其中三岔口—二道閘上日常為工業(yè)用水區(qū)和景觀娛樂用水區(qū),在飲用水輸水期間為飲用水源區(qū),二道閘下—海河閘為過渡區(qū)。本次評估河段的劃分依據(jù)《河流標(biāo)準(zhǔn)》中河流縱向分段依據(jù),即將河流水文特征、河床及河濱帶形式、經(jīng)濟(jì)發(fā)展特征相同或相似的河流分為一段。由于二道閘以下河流主要需要滿足航運(yùn)和防洪排瀝的功能,對水質(zhì)要求不高,盡管也貫穿了濱海新區(qū)塘沽街,但對天津市的整體影響較小,在評估中有所弱化,僅布設(shè)一個斷面(海河閘)作為監(jiān)測斷面。海河二道閘以上的河段蓄存了淡水,并且穿過中心城區(qū)、津南區(qū)和東麗區(qū),不僅是城市景觀帶的核心區(qū),而且是備用水源地和工業(yè)用水水源,意義十分重大,為評價重點(diǎn),故該段共布設(shè)了4個評估斷面?？傮w上將海河干流劃分為5個評估河段,相應(yīng)布設(shè)了5個監(jiān)測斷面:三岔口、復(fù)興河口、洪泥河口、二道閘上、海河閘,河段劃分及監(jiān)測斷面情況分別見表3和圖1。

表3　海河健康評估河段劃分情況

4.2評估結(jié)果討論

按“海河標(biāo)準(zhǔn)”對海河干流2013年的健康狀況進(jìn)行評估,結(jié)果見表4。海河的最終健康賦分為47.9分,為亞健康狀態(tài)。兩個亞層中,生態(tài)完整性賦分39.3分,介于亞健康和不健康的邊緣;而社會服務(wù)完整性賦分68分,為健康水平。從5五個準(zhǔn)則層的得分情況可以看出,水質(zhì)準(zhǔn)則層得分最低,僅有2分,為制約海河生態(tài)健康的最主要因素;其次是生物準(zhǔn)則層。現(xiàn)狀條件下，海河在日常運(yùn)行和管理中面臨的主要壓力依次為:水質(zhì)、生物、物理結(jié)構(gòu)、社會服務(wù)和水文水資源。

一般來說,河流的開發(fā)利用程度越高,其對社會的服務(wù)功能貢獻(xiàn)就越大,而在當(dāng)前的社會發(fā)展模式和背景下,對生態(tài)的負(fù)面影響往往也相應(yīng)增大。從某種意義上講,社會服務(wù)對生態(tài)完整性具有一定的對沖性,海河的生態(tài)完整性受社會服務(wù)功能影響較為嚴(yán)重。

表4　海河干流2013年健康評估結(jié)果

注:在河流健康賦分計算中,河流生態(tài)完整性與社會服務(wù)功能各占0.7和0.3的權(quán)重。

若完全按照《河流標(biāo)準(zhǔn)》對海河干流2013年的健康狀況進(jìn)行評估,得分為33.0分,處于不健康狀態(tài)。與“海河標(biāo)準(zhǔn)”的亞健康狀態(tài)相比,下降了一個等級。導(dǎo)致海河不健康的因素按得分大小排序,依次為:水文水資源、水質(zhì)、生物、社會服務(wù)和物理結(jié)構(gòu)。這個評估結(jié)果客觀地反映了海河被人類破壞的程度,明確了海河不健康的最主要原因是水資源的匱乏和水體污染。

將按《河流標(biāo)準(zhǔn)》和按“海河標(biāo)準(zhǔn)”得出的各準(zhǔn)則層賦分結(jié)果,用雷達(dá)圖表示,見圖2,可以很直觀地看出兩者的賦分差異。相對于《河流標(biāo)準(zhǔn)》,按“海河標(biāo)準(zhǔn)”評出的海河健康等級、水文水資源、物理結(jié)構(gòu)、社會服務(wù)功能準(zhǔn)則層的結(jié)論均出現(xiàn)了跨級。最顯著的就是水文水資源由《河流標(biāo)準(zhǔn)》的0分躍變成“海河標(biāo)準(zhǔn)”的80分;社會服務(wù)功能得分由43分提高到了68分。而物理結(jié)構(gòu)則由62.2分降為49.4分;水質(zhì)由13分降為9分,盡管得分都很低,但前者的瓶頸是耗氧有機(jī)污染,后者是富營養(yǎng)化。

圖2　海河干流5個準(zhǔn)則層得分雷達(dá)圖

“海河標(biāo)準(zhǔn)”的評價結(jié)果與《河流標(biāo)準(zhǔn)》相比,表面上看,略為樂觀。主要是淡化了短期內(nèi)不可能恢復(fù)的水文條件和流域開發(fā)程度的負(fù)面影響,更加側(cè)重于現(xiàn)實(shí)條件下的健康狀況。

5　結(jié)　語

以水利部河流健康評估技術(shù)導(dǎo)則為基礎(chǔ),結(jié)合海河干流的實(shí)際情況,構(gòu)建了一套健康評估體系,以2013年為基準(zhǔn)年,開展了海河干流健康評估,得出了海河干流的健康賦分為47.9分,為亞健康狀態(tài)。而直接按照《河流標(biāo)準(zhǔn)》進(jìn)行評估,得分為33.0分,為不健康狀態(tài)。與按《河流標(biāo)準(zhǔn)》得出的不健康狀態(tài)相比,依據(jù)本評估體系得出的海河干流健康結(jié)論提高了一個等級。

事實(shí)上,兩個結(jié)果都在一定程度上反映了海河的問題,只是現(xiàn)狀與《河流標(biāo)準(zhǔn)》描述的理想健康狀態(tài)相差得更遠(yuǎn),意味著按照《河流標(biāo)準(zhǔn)》來修復(fù)海河的生態(tài)環(huán)境,恢復(fù)河道的自然功能,所要走的路將更長,任務(wù)更艱巨。

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[9] 天津市水利局,天津市環(huán)保局.海河流域天津市水功能區(qū)劃報告[R].天津:天津市水利局,2008.

DOI：10.3880/j.issn.1004-6933.2016.04.024

基金項(xiàng)目:天津市水務(wù)局項(xiàng)目(津水保[2012]36號);中法水資源與水務(wù)管理合作項(xiàng)目(2013DFA71340)

作者簡介:羅莎(1976—),女,高級工程師,碩士,主要從事水環(huán)境研究。E-mail:ls@tjhri.com

中圖分類號：TV213.4

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

文章編號：1004-6933(2016)04-0142-05

(收稿日期：2015-07-30編輯：彭桃英)

Study of health assessment system for main stream of Haihe River

LUO Sha, ZHANG Kai, LI Qiang

(Tianjin Hydraulic Research Institute, Tianjin 300061, China)

Abstract：The original inbound water quantity of the Haihe River, which flows across the central urban area of Tianjin City, has decreased remarkably. In view of this, we adjusted some of the assessment indicators and scoring weights of five criterion layers based on the Rivers’ Health Assessment Guide published by the Ministry of Water Resources of China, and built a health assessment system for the main stream of the Haihe River. According to the assessment, we obtained the following results: the score of the health indicator for the main stream of the Haihe River in 2013 was 47.9, indicating that the river had a sub-healthy status, which was one grade superior to an unhealthy status as assessed by the standards established by the Ministry of Water Resources of China.

Key words：health assessment of rivers and lakes; main stream of Haihe River; indicator system