滹沱河忻州段生态系统健康评价

赵鹏宇，冯文勇＊，步秀芹，崔嫱，张俊卿，刘秀丽

（1.忻州师范学院 旅游管理系，山西 忻州034000；2.广西壮族自治区环境保护科学研究院，广西 南宁530000；3.忻州师范学院 地理系，山西 忻州034000）

生态健康是在20世纪80年代兴起的一个新的研究领域。生态系统健康学被认为是在传统的自然科学、社会科学和健康科学相互交叉和综合的基础上发展起来的一门新学科。近年来，许多学者和专家［1，2］从不同方面论述了河流生态系统健康的概念，其概念也逐渐明朗化，即指河流生态系统在保持物理、生物及化学上的完整性的基础上，且能够维持其对人类社会提供的各种服务功能。河流生态系统健康研究主要集中于评价指标体系、评价方法、评价模型等方面［3～12］。对评价指标体系的研究，众多研究成果［13～16］表明河流生态系统可以用水环境指标、河岸带结构以及生物体五个要素来表达；对评价方法和模型的研究主要分为两类，即多指标综合评价法和生物监测法，关于河流健康多指标综合评价研究方法的应用较多，主要有综合健康指数法、模糊层次综合评价法、模糊概率评价法等。这些方法都有各自的特点和不足，本文根据数据来源及完整性采用综合健康指数法，在参考户作亮［17］对海河流域平原21条河流生态健康评价总结归纳的基础上对具体指标进行优化，开展对滹沱河忻州段河流生态系统健康评价，以期为科学管理河流生态系统提供依据，为滹沱河生态环境修复模式提供参考。

1 研究区概况与研究方法

1.1 滹沱河忻州段概况

滹沱河是海河流域子牙河水系两大支流之一，滹沱河发源于山西省忻州市繁峙县东北泰戏山麓的桥儿沟村，滹沱河干流全长587km，在忻州市境内长260km；滹沱河流域面积24 690km2，在忻州市境内流域面积为11 936km2，流经繁峙、代县、原平、忻府、定襄、五台六个县（市、区），在定襄县岭子底村出境。滹沱河支流较多，呈羽状分布于中上游山区。忻州段境内支流有清水河、阳武河、云中河、牧马河、峨河、峪口河等。在河流形态和河道特征方面表现为：沟壑密度大，水系发育；坡陡流急，河流侵蚀切割严重。滹沱河在忻州段属典型的游荡型河流，主槽摆动频繁，河势变化散乱，尤其具有暴涨暴落的洪水过程及洪、枯水流量变化较大等水文特征。本段内的河道呈“S”型，上游116km为河谷型河道，沿程纵坡变化较大；下段为平原型河道，两岸平坦开阔河床宽浅，见图1。

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

滹沱河忻州段水环境的特点是水环境容量较小，且具有季节差异性，流域内明显为夏雨型，汛期流量占到全年的70%以上，加之水利工程的截留，春末夏初农业灌溉大量引水，多数河段长时间断流，水环境容量基本为零，同时一些城区河段实际上变为污水沟，严重地威胁着周围的生态环境。滹沱河水资源主要补给来源是大气降水。根据界河铺水文站的监测，近55年来河水逐渐减少：1954—1959年平均为5.95亿m3，1960—1969年平均为3.55亿 m3，1970—1979 年 平 均 为 2.53 亿 m3，1980—1989年平均为1.66亿 m3，1990—1999年平均为1.89亿 m3，2000—2010年平均为0.94亿m3。据1997—2005年界河铺水文站流量资料显示，滹沱河平均河干天数为202d。由此可见，滹沱河生态环境是非常脆弱的。

1.2 研究方法

河流健康是一个动态的相对模糊的概念，而综合评价能较好地解决这种带有模糊性质的问题。该法一般是通过实测、估算和调查获得各项指标的现状值并将其按一定的方法量化，然后按一定的模型加权合成计算出河流的健康指数值。具体步骤如下：①确定各指标的现状值，②各指标现状值的无量纲化，③确定各指标的权重，④综合计算健康指数值。即

式中：E为综合健康指数，此值代表河流的健康现状；n为评价指标总数，i为各指标的无量纲化值；Wi为各指标的权重。综合健康指数法的评价结果是一个具体的数值，较为直观，便于记忆，评价过程较简单，易于操作和使用。

2 河流生态系统健康评价指标体系的构建

由于海河流域内河流的配置特点等存在相似性，本文在海河水利委员会对海河流域21条河流生态系统健康评价方法的基础上，结合滹沱河生态环境现状，建立滹沱河忻州段的水生态健康评价体系。滹沱河生态的主要问题是：水量减少、水质恶化、生物多样性被破坏。考虑指标的简明性、独立性以及数据的可得性，从水质、水量、生物状况、水体连通性4个方面选取河流生态健康评价指标，见图2。

图2 河流生态系统健康评价指标Fig.2 The index of river ecological system health evaluation

河流健康作为一个相对概念，评价河流的健康状态需要一个河流的基准状态作为参照点。根据滹沱河水利工程大规模建设时间，把滹沱河水资源利用大致分为2个时期，1954—1979年为闸坝兴建前期，1980—2010年为闸坝兴建后期，来对比2个时期滹沱河流域闸坝兴建前后河流水量变化（见图3）。滹沱河在尚未受水利工程等影响的1954－1979年段，径流量较大，7－9月份汛期建库前后径流量之比达到1∶4，由此可见建库前水文情势比较稳定，同时自然的生态系统受到的干扰较小，生态功能较为完整，在数据可得的范围内，可以把闸坝兴建前生态水平做为生态环境健康的参照，见图3。

图3 滹沱河闸坝兴建前后年内径流量变化情况Fig.3 The change of the diameter of the river flux between before and after building the gate and dam

指标体系的评价标准见表1。对难以准确定量表达的定性指标，以分值阈0～20、21～40、41～60、61～80、81～100代表5个级别的标准。定量指标的标准则借鉴滹沱河河道历史资料、相关研究成果与国家适用标准，通过多区域对比分析确定，见表1。河流生态健康分为5个级别：濒于崩溃、病态、亚健康、基本健康和健康，具体指标的计算与权重的确定参照户作亮［16］等学者的方法，水量、水质、生物、连通性指标权重分别为 0.29、0.49、0.17、0.05。

水量指标：本文选择相对干涸长度、相对干涸天数、相对断流天数、年平均流量偏差率为分指标来量化水量指标的具体评价标准。参考特纳（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%，分别对应为最佳、较好、尚可、较差状态，10%和5%为可忍受的最小流量和极端最小流量。

水质指标：目前国内对于地表水环境质量评价方法已经比较成熟，参考国家对各水质项目的规定，采用单因子指数及内梅罗方法，计算得到相关水质指数的数值。

生物指标：生物状况是河流生态健康的重要表征，国外虽然有PIVPACS，AUSRIVAS等方法能预测河流理论上应该存在的生物量，但这些方法仅考虑了大型无脊椎动物，并且有数据不易取得、计算方法复杂等缺点。本研究中，对于生物指数，主要依据生物多样性，尤其是鱼类种群结构、河滩植被覆盖率等，将其生物指数分为生物绝迹、生物物种单一、生物多样性一般、生物多样性较丰富、生物多样性丰富5个等级分别对应5个评价标准0～20、21～40、41～60、61～80、81～100。

连通性指标：由于滹沱河流域多出于灌溉蓄水、洪水调度的考虑而在河流上兴建水闸水坝，对于河流流动、自净，进而对生态系统产生一定影响。本研究采用河流上每百公里大、中型闸坝个数来评价水体的连通性情况。连通性指数的具体评价标准见表1。

表1 指标体系及评价标准Table1 The index system and the evaluation standard

3 滹沱河河流生态系统健康评价

3.1 评价现状情况

根据已建立的评价指标体系评价其河流生态健康情况。水质、水量资料根据忻州市水资源公报整理所得，生态数据根据忻州市农田水利资料、滹沱河志、文献论文汇总及现场调查所得，根据资料的可得性与河段的特殊性选择滹沱河干流6个监测断面下茹越、西留属、崞阳桥、界河铺、济胜桥、南庄作为各个河段的起止点。分别见表2、表3、表4及表5。

3.2 评价结果分析

综合河流各方面基础数据，对滹沱河忻州段进行水生态健康评价，得到滹沱河4条河段生态健康状况评价结果，滹沱河下茹越—西属留段总指标数为46.7，呈亚健康状态；西属留—界河铺段总指标数值为36.1，呈病态状态；界河铺—济胜桥段总指标数值为29.0，呈病态状态；济胜桥—南庄段总指标数值为70.4，呈基本健康状态。评价结果具体见表6。

滹沱河忻州段全长260km，生态健康评价评结果主要为基本健康、亚健康、病态，所占河长比例分别为13.4%、24.8%、61.8%，在空间上表现为：上段呈亚健康状态，中段呈病态状态，下段呈基本健康状态，主要原因为下茹越—西属留段生态恶化的主要原因是水资源短缺，以及潜在的矿业开采水环境污染，因此该河段适宜的修复模式为在河道补水的同时，加强控制污染源，并通过改善生境的方法提高河流自净能力以及营造健康的生态系统。西属留—界河铺、界河铺—济胜桥河段存在的主要生态问题有两个主要方面：一是生活污水与工业废水造成的水质污染，根据2010年水资源公报显示，西属留－济胜桥河段废污水排入量占全河段的76.2%。二是由于灌区、水闸、水库截流工程以及河道采沙造成的河流天然形态破坏，即生境问题。因此，该河段可以采用水质改善型修复模式，兴建污水处理厂，提高污水处理率、工业废水达标排放，通过控制污染源来修复生态系统；济胜桥—南庄河段来自滹沱河最大的支流发源于五台山清水河的水量补充，见图1。清水河一般清水流量为2.78m3·s－1，其流量约占滹沱河流量的1／3，其峡谷型河道地质地形决定了河流的稀释能力强，使得污染物浓度在这一段大幅下降，环境容量比前面河段总的环境容量都要大，该河段可以采用管理保护型修复模式。

表2 滹沱河水量现状（2006—2010年）Table 2 The status quo of water quantity（2006—2010）

表3 2010年滹沱河忻州段水质各单项监测值／mg·L－1Table 3 The each individual monitoring values of water quality of Hutuo River in Xinzhou in 2010／mg·L－1

表4 滹沱河干流生态现状调查Table 4 The survey of ecosystem status quo of the main stream of Hutuo River

表5 2009年滹沱河区水闸基本情况Table 5 The basic information of sluice of Hutuo River in 2009

表6 滹沱河生态健康评价结果Table.6 The health evaluation results of the tHutuo River ecological

4 讨论与结论

由以上分析可知，滹沱河忻州段存在资源型缺水与水质型缺水并存的问题，确立河流生态保护的核心是水资源的保护的思想，同时依照河流生态健康评价及功能定位，结合各断面生态现状及修复目标确定修复模式。

（1）根据生态系统健康的内涵和滹沱河忻州段生态系统的特点，结合已有研究成果，从水质、水量、生物状况、水体连通性4个方面选取河流生态健康评价指标，构建了滹沱河忻州段生态系统健康的评价指标体系。

（2）滹沱河4条河段生态健康评价结果为：下茹越—西属留段呈亚健康状态，西属留—界河铺段呈病态状态，界河铺—济胜桥段呈病态状，济胜桥—南庄段呈基本健康状态。总体看滹沱河忻州段生态基本健康、亚健康、病态所占河长比例分别为13.4%、24.8%、61.8%，在空间上表现出差异性，具体为：上段呈亚健康状态，中段呈病态状态，下段呈基本健康状态。

（3）本文以滹沱河忻州段河流生态系统的健康状况进行评价，受多方面因素的影响，由于资料可得性的限制，所对照建立的指标体系还存在一定的局限性，有待进一步完善，以后将进一步研究探讨该地区河流生态系统健康的动态变化，希望此项研究有助于改善滹沱河河流生态系统的管理水平。

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