西北黃土高原山區(qū)河流健康調(diào)查評估方法研究

尚小平，張永勝，蔣興國

定西市水利科學(xué)研究所，甘肅 定西 743000

健康的河流可依靠自身能力維持其結(jié)構(gòu)和功能，并支撐當(dāng)?shù)厣锶后w（包括人類）的生存，可提供飲用水、工農(nóng)業(yè)用水，具有分解和物質(zhì)輸送與提供、塑造地貌、環(huán)境凈化、生態(tài)等多樣性功能。但隨著工業(yè)化及城市化發(fā)展進(jìn)程的深入，大部分河流都經(jīng)受了不同程度的干擾和損害，西北黃土高原地區(qū)河流普遍出現(xiàn)河流水質(zhì)惡化、形態(tài)結(jié)構(gòu)破壞、水文條件變化以及生境退化等種種問題，對河流的健康狀況進(jìn)行評估已經(jīng)成為當(dāng)前河道管理的主要任務(wù)之一。

一、調(diào)查評估的框架

第一，將西北黃土高原山區(qū)河流健康評估指標(biāo)分為指標(biāo)層、準(zhǔn)則層、目標(biāo)層三級體系，健康評估采用逐級加權(quán)，綜合評分的分級指標(biāo)評分方法。其中：目標(biāo)層是對形態(tài)健康評價(jià)指標(biāo)體系的高度概括，表示流域健康狀況的總體綜合水平。準(zhǔn)則層是對河流各項(xiàng)功能狀態(tài)的具體分述，包括水文水資源、物理形態(tài)、水質(zhì)、水生物、社會服務(wù)功能五個方面。指標(biāo)層表述各個準(zhǔn)則指標(biāo)的不同要素，通過定量或者定性指標(biāo)直接反映河流健康狀況。

第二，根據(jù)西北黃土高原山區(qū)河流特征的相同性和差異性，并結(jié)合行政區(qū)劃，將評估河流分為若干評估河段。每個河流的評估河段數(shù)量可根據(jù)具體河流情況分段。

第三，以評估河段為單元，收集調(diào)查指標(biāo)層基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，按照相關(guān)評價(jià)標(biāo)準(zhǔn)對每個指標(biāo)進(jìn)行評估，并加權(quán)處理后得到該河段相應(yīng)準(zhǔn)則層評估賦分；再對該評估河段按水文水資源、物理形態(tài)、水質(zhì)、水生生物、社會服務(wù)功能五個準(zhǔn)則層分別進(jìn)行評估，得到各河段目標(biāo)層賦分。對每個河段的目標(biāo)層賦分按河長比例進(jìn)行加權(quán)，最終得到該河流的目標(biāo)層賦分。

二、調(diào)查評估的對象

評估對象選取西北黃土高原山區(qū)河流的水域系統(tǒng)，從河流水文水資源狀況、物理形態(tài)狀況、水質(zhì)狀況、水生生物狀況、社會服務(wù)功能狀況五個方面搭建評價(jià)的對象。

三、評估指標(biāo)體系

以水域和河流生態(tài)系統(tǒng)為評估對象，從生態(tài)結(jié)構(gòu)、服務(wù)功能等方面構(gòu)建流域生態(tài)健康評估的基本框架。同時，基于河流形態(tài)健康評價(jià)需求，通過分析現(xiàn)狀和實(shí)際，按照評價(jià)指標(biāo)的選取原則，河流健康評估的空間、時間尺度及評估內(nèi)容和框架設(shè)計(jì)，健康評估指標(biāo)體系采用評估采用層次分析法，并層級分為目標(biāo)層（河流將康狀況）、準(zhǔn)則層和指標(biāo)層三級體系，如表1所示。

（一）評估指標(biāo)體系的內(nèi)容

1.目標(biāo)層。以為整體單元，對其健康狀況進(jìn)行評估。

2.準(zhǔn)則層。包括水文水資源、物理形態(tài)、水質(zhì)、水生物、社會服務(wù)功能5個方面。

3.指標(biāo)層。各指標(biāo)的時間和空間尺度選擇按照從斷面到局部河段到整個河流、從河流到水系，從短期評估到構(gòu)建長期監(jiān)測系統(tǒng)，逐漸開展綜合多個時空尺度的生態(tài)評估為原則選取。其中：一是水文水資源的指標(biāo)層，即含枯水期徑流變差傾向率、徑流年際變差傾向率。二是物理形態(tài)的指標(biāo)層，即含河流形態(tài)、河岸帶狀況、河流連通阻隔狀況。三是水質(zhì)的指標(biāo)層，含水質(zhì)狀況、耗氧有機(jī)污染物。四是水生生物的指標(biāo)層，含大型無脊椎動物生物完整性指數(shù)、魚類生物損失指數(shù)。五是社會服務(wù)功能的指標(biāo)層，含水功能區(qū)達(dá)標(biāo)指標(biāo)、水資源開發(fā)利用指標(biāo)、防洪指標(biāo)。

（二）評估指標(biāo)層的含義

1.水文水資源（HD）準(zhǔn)則層。水文水資源準(zhǔn)則層（HD）包括枯水期徑流變差傾向率、徑流年際交差傾向率（AVR）兩個指標(biāo)，屬于河段尺度，評估數(shù)據(jù)取樣范圍為評估河段內(nèi)的水文站，若該河段有多個水文站，僅選擇最具代表性的水文站。其中：一是枯水期徑流變差傾向率（LRR）。反映現(xiàn)狀開發(fā)狀態(tài)下，評估河段徑流年內(nèi)分配不均勻性隨年際的變化趨勢?？菟趶搅髦府?dāng)年1-5月，11-12月?？菟趶搅髂陜?nèi)分配率為枯水期徑流與年徑流比值。對某一評估河段的一組水文測量數(shù)據(jù)序列（年份，枯水期徑流年內(nèi)分配率）進(jìn)行最小二乘法曲線擬合，得到公式y(tǒng)=a+bx，斜率b即為枯水期徑流變差傾向率。二是徑流年際變差傾向率(AVR)。反映現(xiàn)狀開發(fā)狀態(tài)下，評估河段不同年份年徑流的變化趨勢。對某一評估河段的一組水文測量數(shù)據(jù)序列（年份，年徑流量）進(jìn)行最小二乘法曲線擬合，得到公式y(tǒng)=a+bx，斜率b即為徑流年際交差傾向率。

2.物理形態(tài)（PF）準(zhǔn)則層。物理形態(tài)（PF）準(zhǔn)則層包括河流形態(tài)（RS）、河岸帶狀況（RSS）、河流連通阻隔狀況（RC）三個指標(biāo)層。每個指標(biāo)包括若干個分指標(biāo)。其中：一是河流形態(tài)（RS）特征。在很大程度上表征著河流生態(tài)系統(tǒng)的穩(wěn)健性，包括河道改變、河道彎曲程度、河床穩(wěn)定性三個分指標(biāo)。河道改變反映河道渠化、拓寬等人為措施對河流流態(tài)、生境等在一定程度上的影響。河道彎曲程度有利于形成多樣的生境，但截彎取直等措施改變了河流的自然形態(tài)。河床穩(wěn)定性指河床是否存在明顯退化或嚴(yán)重淤積等問題。二是河岸帶狀況（RSS）。河流健康評估在河流橫向分區(qū)上分為水面和左右河岸帶三部分。河岸帶狀況評估包括河岸帶穩(wěn)定性和河岸帶植覆蓋度兩個方面。三是河流連通阻隔狀況（RC）。河流連通阻隔狀況主要分為四類情況：完全阻隔（斷流）；嚴(yán)重阻隔（無魚道、下泄流量不滿足生態(tài)基流要求）；阻隔（無魚道下泄流量滿足生態(tài)基流要求）；輕度阻隔（有魚道，下泄流量滿足生態(tài)基流要求）。

表1 西北黃土高原山區(qū)河流健康評估指標(biāo)體系

3.水質(zhì)（WQ）準(zhǔn)則層。水質(zhì)狀況包括DO水質(zhì)狀況（DO）和耗氧有機(jī)污染狀況（OCP）兩個指標(biāo)。一是DO水質(zhì)狀況（DO）。DO為水體中溶解氧濃度，單位為mg/L。溶解氧對水生動植物非常重要，DO值過高和過低都會對水生生物造成危害，對水生生物適宜的DO值范圍為4-12mg/L。二是耗氧有機(jī)污染狀況（OCP）。耗氧有機(jī)物指導(dǎo)致水體中溶解氧大幅度下降的有機(jī)污染物，本次評價(jià)主要采用高錳酸鹽指數(shù)、化學(xué)需氧量、五日生化需氧量和氨氮四項(xiàng)對河流耗氧污染狀況進(jìn)行評估。

4.水生生物（AL）準(zhǔn)則層。水生生物準(zhǔn)側(cè)層（AL）包括底棲動物 完整性指數(shù)（BIBI）和魚類生物損失指數(shù)（FOE）兩個指標(biāo)。一是底棲動物完整性指數(shù)（BIBI)。構(gòu)建底棲動物完整性指數(shù)的各選參數(shù)很多，需要根據(jù)具體情況選擇。選擇原則是備選參數(shù)一定能夠充分反映底棲動物群落組成、物種多樣性和豐富性、耐污度（抗逆力）和營養(yǎng)結(jié)構(gòu)組成及生境質(zhì)量信息。評估河段BIBr賦分采用以下計(jì)算：

式中，BIBr為評估河段底棲動物完整性指標(biāo)賦分，BIB為評估河段底棲動物完整性指標(biāo)值，-BIBE為河流所在水生態(tài)分區(qū)底棲動物完整性指標(biāo)最佳期望值。

二是魚類生物損失指數(shù)（FOE）。魚類生物損失指標(biāo)標(biāo)準(zhǔn)建立采用歷史背景調(diào)查方法確定。選用20世紀(jì)80年代作為歷史基點(diǎn)，調(diào)查評估河流魚類歷史調(diào)查數(shù)據(jù)或文獻(xiàn)。魚類生物損失指標(biāo)計(jì)算公式如下：

式中，F(xiàn)OE為魚類生物損失指數(shù)，F(xiàn)O為評估河段調(diào)查獲得的魚類種類數(shù)量，F(xiàn)B為80年代以前評估河段的魚類種類數(shù)量。

5.社會服務(wù)功能（SS）準(zhǔn)則層。社會服務(wù)功能（SS）包括水功能區(qū)達(dá)標(biāo)指標(biāo)（WFZ）、水資源開發(fā)利用指標(biāo)（WRU）、防洪指標(biāo)（FLD）三個指標(biāo)。社會服務(wù)功能準(zhǔn)則層指標(biāo)按照專家判斷或管理預(yù)期目標(biāo)確定評估標(biāo)準(zhǔn)。

一是水功能區(qū)達(dá)標(biāo)指標(biāo)（WFZ）。以水功能區(qū)水質(zhì)達(dá)標(biāo)率表示。水功能區(qū)水質(zhì)達(dá)標(biāo)率是指對評估河流所包含的水質(zhì)達(dá)標(biāo)水功能區(qū)個數(shù)占水功能區(qū)總個數(shù)的比例。

二是水資源開發(fā)利用指標(biāo)（WRU）：以水資源開發(fā)利用率表示。水資源開發(fā)利用率是指評估河流流域內(nèi)用水量占流域水資源總量的百分比。水資源開發(fā)利用合理限度確定的依據(jù)應(yīng)該按照人水和諧的理念，既可以支持經(jīng)濟(jì)社會合理的用水需求，又不對水資源的可持續(xù)利用及河流生態(tài)造成重大影響。水資源利用率指標(biāo)賦分計(jì)算公式如下：

表2 西北黃土高原山區(qū)河流健康評估指村體系權(quán)重表

表3 河流健康評估分級表

式中，W R U R為水資源利用率指標(biāo)賦分，WRU為評估河段水資源利用率，a、b為系數(shù)，分別為 a=1111.11，b=666.7。

三是防洪指標(biāo)（FLD）。河流防洪指標(biāo)評估河道的安全泄洪能力。河流防洪指標(biāo)（FLD）利用防洪工程措施完善率表示，其計(jì)算公式如下：

式中，F(xiàn) L D為河段防洪工程措施完善率，RIVLn為已完成達(dá)標(biāo)防洪工程次河段的長度，N為評估河流根據(jù)防洪規(guī)劃劃分的次河段數(shù)量，RIVLg為規(guī)劃應(yīng)完成防洪工程次河段的長度。

（三）評估指標(biāo)權(quán)重

對健康評估權(quán)重依據(jù)《流域生態(tài)健康評估技術(shù)指南（試行）》，采用專家打分的方式取得，評估指標(biāo)共計(jì)5類12項(xiàng)，評估指標(biāo)權(quán)重采用層次分析法，各項(xiàng)指標(biāo)指標(biāo)權(quán)重見表2。

1.準(zhǔn)則層權(quán)重。評估指標(biāo)權(quán)重采用層次分析法中，5個準(zhǔn)則層權(quán)重加和等于l，每個準(zhǔn)則層對應(yīng)的指標(biāo)層指標(biāo)權(quán)重加等于1。依據(jù)的河流功能，生態(tài)結(jié)構(gòu)及特點(diǎn)，經(jīng)專家打分，準(zhǔn)則層中，水文水資源（HD）權(quán)重0.25，物理形態(tài)（PF）權(quán)重0.20，水質(zhì)（WQ）權(quán)重0.20，水生生物（AL）0.15，社會服務(wù)功能（SS）0.20。

2.指標(biāo)層權(quán)重。水文水資源（HD）準(zhǔn)則層中枯水期徑流變差傾向率權(quán)重0.4、徑流年際交差傾向率（AVR）權(quán)重0.6；物理形態(tài)（PF）準(zhǔn)則層中河流形態(tài)（RS）權(quán)重0.3、河岸帶狀況（RSS）權(quán)重0.3、河流連通阻隔狀況（RC）權(quán)重0.4；水質(zhì)（WQ）準(zhǔn)則層中水質(zhì)狀況（DO）權(quán)重0.5、耗氧有機(jī)污染狀況（OCP）權(quán)重0.5；水生生物準(zhǔn)側(cè)層（AL）中動物完整性指數(shù)（BIBI）權(quán)重0.5、魚類生物損失指數(shù)（FOE）權(quán)重0.5；社會服務(wù)功能（SS）準(zhǔn)則層中水功能區(qū)達(dá)標(biāo)指標(biāo)（WFZ）權(quán)重0.4、水資源開發(fā)利用指標(biāo)（WRU）權(quán)重0.3、防洪指標(biāo)（FLD）權(quán)重0.3。

四、評估分級方法

依據(jù)《流域生態(tài)健康評估技術(shù)指南（試行）》，并參照《甘肅省重要河流健康調(diào)查評估技術(shù)大綱》，將西北黃土高原山區(qū)河流健康狀況分為5級，分別為：理想狀況、健康、亞健康、不健康、病態(tài)，河湖健康等級，類型，顏色代碼見表3：

西北黃土高原山區(qū)河流健康調(diào)查評估是實(shí)施“一河一策”實(shí)施方案的最基礎(chǔ)工作。同時，本文提出的河流生態(tài)健康評估工作流程和技術(shù)方法，可作為其他西北黃土高原山區(qū)相似河流健康評估的參考，具有重要的理論基礎(chǔ)和實(shí)踐指導(dǎo)意義。