流域系統(tǒng)治理下的龍河下游河段健康評價研究

余彬境，付意成

(1.重慶交通大學河海學院,重慶 400041；2.中國水利水電科學研究院水生態(tài)環(huán)境所,北京 100038)

20世紀70年代，歐洲和北美就開始關注生態(tài)系統(tǒng)健康的保護問題，關于生態(tài)系統(tǒng)健康概念的討論于20世紀90年代衍生出了河湖健康的內涵，河流健康內涵問題引起人們熱烈探索。自從1997年Meyer[1]將健康河流定義為“一條健康的河流是可持續(xù)并且有彈性的生態(tài)系統(tǒng)，其生態(tài)結構和功能不隨時間的推移而改變，同時滿足社會需求和期望”，隨后，關于河流健康的概念就一直受到人們關注。不同的學者對于健康的河流有不同的理解，但都認為健康的河湖應該同時滿足社會需求和生態(tài)健康這兩方面。唐濤等[2]于2002年從生態(tài)系統(tǒng)健康出發(fā)也提出了河流健康的概念，與國外學者的認識基本相同，水質與水生態(tài)問題是主要關注點。隨著河流健康在中國的快速發(fā)展，河流健康評價研究從關注“水質、水生態(tài)”逐漸擴展為“水量、水質、水生態(tài)”。在此基礎上，2004年李國英[3]將“河道不斷流”作為黃河治理的一個基本要求。中國關于河流健康評價經過20年的發(fā)展，截至2016年底，已經在七大流域36個試點河湖開展了健康評估工作，并且形成了一套河湖健康評估技術導則[4]。近年來，隨著河湖健康評價的蓬勃發(fā)展，許多學者都對中國的江、河、湖進行了健康評價，并且就流域管理以及河湖治理方面進行了探討。但大多數(shù)學者都只是簡單地將河流進行健康評價，鮮有評價高度人工化下的城市河流以及對流域系統(tǒng)治理下的河流健康研究。如孔令健等[5]基于層次分析法對清流河進行河流健康綜合評價；耿思敏等[6]通過綜合指標法建立14個指標對河池市龍江河進行健康評價；胡威等[7]利用GA-BP神經網絡計算評價指標權重，對橋邊河流域健康狀態(tài)進行評價。

通過對已有的研究成果進行分析，大型無脊椎動物棲息地適宜曲線和壓力-狀態(tài)-響應框架(PSR)這2種方法被廣泛用于中小河流的健康評估中，PSR方法側重評估人為干擾影響嚴重的河流，棲息地適宜曲線法適用于農村地區(qū)河流健康。從河流水文學、形態(tài)特征、水質、水生生物、人類活動等多方面綜合評價河流的健康狀況，是當前河流健康評價的主流評價方法[8-9]。綜合評價法起源于19世紀的歐洲，一開始只考慮河流物理和化學屬性，使用的二級指標也只有流速、水深、水質等[10]。隨著河湖健康評價的迅速發(fā)展以及對流域生態(tài)系統(tǒng)健康認識的不斷加深，水文情況、水生生物、社會服務等方面被一一提出。由于綜合指標法指標多樣，在河湖健康評價研究中常用層次分析法(AHP)對指標進行計算權重。層次分析法(AHP)是由T.L.Saaty等[11]提出，是一種具有多層次、多目標的決策性分析方法。2017年，石井和[12]以凌源市雙塔小流域為對象，采用層次分析法對雙塔小流域綜合治理后生態(tài)經濟系統(tǒng)健康狀況進行評定，定量分析雙塔小流域歷經10年的綜合治理生態(tài)經濟系統(tǒng)恢復發(fā)展過程。2018年，孔令健等[5]使用層次分析法對清流河分3個河段評價，整體為亞健康狀態(tài)；2020年，牛智航等[13]利用層次分析法整體評價潮河和白河，結果處于健康狀態(tài)；2021年方曉等[14]利用層次分析法對東風渠分3段進行評價，整體處于亞健康狀態(tài)。

高度人工化的河流，評估過程側重對自然生態(tài)系統(tǒng)的生態(tài)環(huán)境效益評價，突出社會服務功能的發(fā)揮，以實現(xiàn)人水和諧、水美宜居為評價目標。在將河流健康評價與流域系統(tǒng)治理進行綜合考慮的基礎上，依托河湖健康評估技術導則，根據(jù)研究區(qū)高度人工化的特點對評價指標進行擇取，識別廊坊市龍河健康面臨的主要問題，并在此基礎上提出流域系統(tǒng)治理以及河流健康保護和管理的對策研究，為其他河流的健康評價及保護提供參考依據(jù)。

1 研究方法

層次分析法有以下3個基本步驟。

a)構建河流健康指標體系，將河流健康目標分為n個準則層，即A={B1,B2,…Bn}，再分成m個指標，即Bn={Cn1,Cn2,…Cnm}。

b)利用層次分析法建立判斷矩陣，判斷矩陣是指同一層次中各元素相互間量化比較形成的方陣，通過發(fā)放指標重要性專家調查表，按照表1的取值方法打分得到。從目標層開始，依次以上一層指標為依據(jù)對下一層中與之相關指標依據(jù)1～9打分法進行兩兩比較確認對應分數(shù)，從而建立判斷矩陣。層次分析法重要性標度值見表1。

表1 重要性標度值

注:取8、6、4、2、1/2、1/4、1/6、1/8為上述評價值的中間值。

(1)

式中，CR<0.1時，認為判斷矩陣具有滿意的一致性。CI為判斷矩陣的一般一致性指標。RI表示判斷矩陣的平均隨機一致性指標，1～6階的指標數(shù)值見表2。

表2 判斷矩陣的平均隨機一致性指標

2 基礎信息

2.1 研究區(qū)概況

廊坊市地處京津翼城市群核心地帶，環(huán)渤海腹地，享有“京津走廊明珠”和“連京津之廊、環(huán)渤海之坊”等美譽[15]。龍河是永定河一級支流，同時也是廊坊市最重要的河流之一。龍河發(fā)源于北京市大興區(qū)，于廣陽區(qū)三小營西入廊坊市境內，流經廊坊市區(qū)，于安次區(qū)落垡鎮(zhèn)丈方河村出廊坊境，經東張務穿護堤路入天津市武清區(qū)，全長68.42 km，流域面積577.94 km2，其中廊坊境內長度35.5 km，流域面積322 km2[16]。龍河是自然形成的河道，歷史上河道擺動較大，造成河道彎曲，下游地勢平緩。龍河建有三小營、大伍龍、永豐、東張務等控制性閘壩(圖1)。

圖1 龍河水系示意

隨著廊坊市經濟社會快速發(fā)展，流域水資源過度開發(fā)，已形成3 400 km2的地下水超采漏斗區(qū)。龍河水源為北京客水，常年承接上游污水處理廠尾水。2018年以前，龍河水質基本上為V類水。龍河的生態(tài)基流保障不足，生物多樣性差，部分河流的河岸帶、河灘地被農田和建筑用地擠占嚴重，生態(tài)系統(tǒng)基本退化。在京津翼一體化戰(zhàn)略格局的引領下，廊坊市第一第二第三產業(yè)均得到了飛速發(fā)展，與此同時，作為廊坊市最重要河流之一的龍河也面臨著水量、水質和水生態(tài)的壓力。為實現(xiàn)龍河廊坊市段水質、水量、水生態(tài)可持續(xù)發(fā)展并促進廊坊市經濟繁榮，亟需開展龍河廊坊市段健康評價。

2.2 數(shù)據(jù)獲取

在綜合考慮河流地形地貌、氣候水文特征、河床及河濱帶形態(tài)、水功能區(qū)劃、沿岸開發(fā)利用等情況的基礎上，結合地貌形態(tài)、土地利用、支流匯入等實際情況，根據(jù)流域經濟社會、自然生態(tài)以及河流地貌的特征，將龍河廊坊市段劃分為3個河段(表3)。水文資料來源于廊坊市水文局；河岸帶相關資料于2020年10月份實地考察；水質數(shù)據(jù)來源于廊坊市生態(tài)環(huán)境局。生物指標中，考慮到龍河屬于永定河水系，魚類數(shù)據(jù)借助2017年4、11月對永定河水系進行的采樣監(jiān)測數(shù)據(jù)獲得，歷史魚類情況通過文獻資料獲得[17]。社會服務功能評價中，水功能區(qū)和水資源開發(fā)利用數(shù)據(jù)來源于廊坊市水利局，防洪數(shù)據(jù)來源于廊坊市防洪辦，公眾滿意度數(shù)據(jù)來源于問卷調查，共計發(fā)放問卷200份，收回有效問卷189份。

表3 評價河段劃分及各河段主要特征

3 指標體系構建

3.1 指標選取

參照《河湖健康評估技術導則》的指標體系以及已有研究的河流健康評價分析指標，結合龍河廊坊市段的城市化特點，最后構建出生態(tài)狀況和功能狀況兩大類和分別對應的水文、物理、化學、生物及服務等五小類共計13個評價指標的指標體系(表4)。由于廊坊市工業(yè)發(fā)達，并且有大型污水處理廠，大量工業(yè)污水需要排放，故設定入河排污口布局合理程度指標，考察污水處理廠是否按照標準排放工業(yè)廢水。由于生物完整性中藻類、浮游動物和底棲動物歷史及當前數(shù)據(jù)缺乏，因此，僅保留魚類保有指數(shù)指標。此外，鑒于廊坊市在龍河中下游，雨季時常泛洪，為保障人民財產生命安全，需通過修建堤防來抑制洪水泛濫，因此，本文選擇防洪指標加以表征。

水文完整性準則層包括地表水資源開發(fā)利用率和生態(tài)流量滿足程度2項指標；物理結構完整性準則層包括河流縱向連通系數(shù)、天然濕地保留率河岸穩(wěn)定性、河岸帶植被覆蓋率以及河岸帶人工干擾程度5項指標；化學完整性指標層包括水質優(yōu)劣程度、水功能區(qū)達標率和入河排污口布局合理程度3項指標；生物完整性準則層包括魚類保有指數(shù)1項指標；社會服務功能準則層包括公眾滿意度和防洪2項指標。層次分析法計算出的各項指標及其權重見表4。

表4 龍河廊坊市段河流健康指標體系及其權重

3.2 結果分級

對13項指標進行定量分析，并根據(jù)各指標權重系數(shù)，按照下式逐級加權得到河流健康評價得分，再根據(jù)表5確定河流的健康程度。計算公式見式(2)。

RHS=RES×REW+RSS×RSW

(2)

式中 RHS——評估河段健康狀況賦分；RES——評估河段生態(tài)狀況賦分；REW——生態(tài)狀況權重；RSS——評估河段功能狀況賦分；RSW——功能狀況權重。

表5 河湖健康評價分級

4 結果與討論

4.1 河流健康狀況

河流健康評價采用分級指標評分法，逐級加權，綜合評分得到河流健康評價賦分75.18 分，各指標詳細賦分見表6，賦分情況見圖2。結合得分綜合判定，龍河廊坊市段處于健康狀態(tài)，主要存在的問題有水資源開發(fā)利用率較大、濕地保留狀況不佳、河岸帶人工干擾程度大、上游來水水質較差等。

a)河段1

c)河段3

依據(jù)龍河河流健康評價體系和賦值標準，對龍河廊坊段各河段的指標進行數(shù)據(jù)獲取和整理，得到各河段的指標賦值情況。將各河段指標賦分結果和權重代入公式RHS=RES×REW+RSS×RSW中，結果表明，3個河段分數(shù)分別為74.96、75.29、75.30分，均為健康狀態(tài)；最后綜合評分得到河流健康評價賦分75.18分，為健康狀態(tài)。

對于龍河廊坊段三小營至大伍龍閘屬龍河下游鄉(xiāng)村河段，此區(qū)域人類活動較少，生物和植物生境未遭到嚴重破壞，但兩岸擁有耕地，農業(yè)活動較為頻繁，灌溉水需求較大。因此，水資源開發(fā)利用率比河段1稍高，與河段3相差不大，表明河流健康程度與人類活動強度存在明顯關聯(lián)。對于龍河廊坊段大伍龍閘段到永豐閘段屬龍河下游市區(qū)河段，人類干擾強度大，生態(tài)系統(tǒng)薄弱。為了保護生態(tài)系統(tǒng)，在2019年建設完成了東張務村河道型濕地和開展了東張務村附近河道南岸人工濕地建設，面積約160畝(約10.67 hm2)，初步測算，污水處理能力達到5 000 m3/d。因此河段2中的濕地保留率較河段1、3高，生態(tài)系統(tǒng)也逐漸恢復。對于龍河廊坊段永豐閘段到方河村段屬龍河下游平原河段，由于處于坡度較緩的平原地勢，水系蜿蜒度和流速比均較低，下游段處于人們生活集中區(qū)域，人為活動頻繁，城市化嚴重，導致下墊面硬化增加，河岸植被覆蓋度大幅度減少。

4.2 結果討論

龍河為永定河支流，永定河流域河北省水資源總量為9.49億m3(1956—2010年)，人均水資源量268 m3，低于海河流域276 m3的平均水平，僅為全國人均水平的10%，廊坊市地表水開發(fā)利用率達到69%。同時由于近年來京津冀一體化戰(zhàn)略格局的形成，廊坊市第一第二第三產業(yè)均得到了飛速發(fā)展，因此下游河段河流徑流量大幅度降低，生態(tài)流量滿足程度依次遞減。

水生態(tài)指標中，物理完整性得分最高。資料顯示龍河屬于平原河流，河流蜿蜒度和流速比都不高，生態(tài)較為脆弱并且河道受到人工干擾程度較大，主要體現(xiàn)在河道內有5處垃圾未得到全面清理，約230 m3。河道附近有私搭亂建現(xiàn)象，因為隨著社會經濟的發(fā)展，沿河農村和城郊經濟也在快速發(fā)展，對土地的需求逐漸增加，導致河道管理薄弱，河道管理范圍內共存在違章建筑4處，總面積約為6 000 m2。但經過近2年的人工濕地建設和污水廠尾水濕地建設等有意識的保護修復工程，兩岸岸坡得到了保護，兩岸植物得到了生長，龍河廊坊段物理完整性得到了長足的長進。

水生態(tài)指標中，水質得分普遍較低。龍河現(xiàn)狀上游徑流主要來自北京排水，根據(jù)2020年國控斷面三小營監(jiān)測數(shù)據(jù)，上游水質大部分時間為劣V類，超出河道水體納污能力，直接造成龍河干流水質不達標。近幾年來，隨著對龍河水生態(tài)環(huán)境進行系統(tǒng)治理與修復，如龍河污水處理廠尾水濕地建設和干流人工濕地建設的水生態(tài)修復措施的出現(xiàn)，龍河水質逐漸好轉。2017年，三小營、大王務COD年均濃度為41.5、52.1 mg/L；2020年，三小營、大王務COD年均濃度為22.3、13.3 mg/L。2017年，三小營、大王務NH3-N年均濃度為4.68、3.47 mg/L；2020年，三小營、大王務NH3-N年均濃度為0.47、0.04 mg/L(圖3、4)。

圖3 2017、2020年COD濃度年度變化

圖4 2017、2020年NH3-N濃度年度變化

根據(jù)地表水環(huán)境質量標準，2017年龍河水基本為V類水及以下。龍河大伍龍村至出境段，現(xiàn)狀有南水北調中線工程的間歇性補給，污染物濃度得到稀釋，水質改善明顯。龍茂華污水處理廠尾水濕地工程以及干流人工濕地工程建設后，不僅尾水排放標準高于Ⅴ類水標準，而且提高了水體的自凈能力，實現(xiàn)了水質達標，改善了龍河水景觀，2020年龍河下游水質提高到IV類甚至III類水。

王所安等[18]于1983年對位于河北省境內的各河段進行了定點調查，從所獲597號魚類標本中分析，共發(fā)現(xiàn)魚類34種，隸屬3目7科27屬，以第三紀早期的鯉魚、鯽魚、棒花魚、麥穗魚等鯉亞科魚類為主。本次調查共采集到魚類27種，分屬7目11科26屬，其中鯉形目種類最多，占總物種的87.78%，鱸形目次之，占總物種數(shù)的6.75%。其中優(yōu)勢魚種為高體鳑鲏、鯽魚、麥穗魚和棒花魚。但調查出的27種魚類中有5種未列在歷史名錄當中，因此以22種作為實際調查值。魚類生物損失度指數(shù)為0.35，魚類保有指數(shù)為0.65。

社會服務功能分數(shù)高，防洪指標全部為滿分，所有河段均能達到防洪要求。永定河流域曾是洪水泛濫災害多發(fā)地區(qū)，防洪安全是事關永定河中下游地區(qū)交通干線和人民群眾生命財產安全的頭等大事。作為永定河支流的龍河，目前已形成了由防洪堤、水閘樞紐、人工濕地組成的防洪工程體系，防洪標準已達到百年一遇的設計標準。但由于下泄生態(tài)流量不足，在保證下游安全的同時，也對下游原河道生態(tài)系統(tǒng)健康造成了一定的負面影響。

5 結論

通過層次分析法構建河流健康指標體系權重，從生態(tài)狀況和功能狀況兩方面對龍河廊坊市段進行河流健康評價，分3個河段分別對龍河廊坊段進行評價，最后得出龍河廊坊市段河流健康的結論，但是在水文完整性和生物完整性方面仍舊存在進一步改善空間。2018年以前龍河受到沿岸人工干擾太大，水資源利用率過大，造成了水生態(tài)、水環(huán)境的破壞。

龍河廊坊段各河段評價結果均為健康，從結果來看，系統(tǒng)治理于2018年開始，為水生態(tài)環(huán)境保護與修復治理起到了很大的效果。要繼續(xù)在保證防洪安全的基礎上，同時結合生態(tài)修復、濕地建設、植被種植，逐步加強下游河床保水能力，持續(xù)打造健康、韌性的水系統(tǒng)。龍河在歷史上曾發(fā)揮灌溉、行洪、生活生產供水等多重功能，為廊坊的發(fā)展作出了巨大的貢獻。其作為永定河支流，要保證永定河“京西綠色生態(tài)走廊與城市西南生態(tài)屏障”的重要地位，實現(xiàn)防洪、生活、生態(tài)3個重要功能。因此，應以系統(tǒng)治理為原則，協(xié)調“水生態(tài)、水環(huán)境、水安全和水資源”的關系，加強永定河流域整體管理，制定流域水生態(tài)保護與修復對策。