东苕溪河流健康评价预警体系初探

柯斌樑，曾国熙，陈革强

(浙江省水文局，浙江 杭州 310009)

1 问题的提出

随着经济社会的快速发展，我国生态与环境形势日益严峻，改善生态环境，修复污染水体，恢复优美自然景观，协调水资源开发利用与生态保护之间关系，成为摆在各级政府部门面前的一项重要任务，也是浙江省“五水共治”治污水的重点内容之一。

东苕溪是杭州市境内的重要供水河道，其水质的好坏直接影响到杭州市、湖州市及杭嘉湖平原约500万人的生产生活用水，同时也在流域防洪、灌溉、航运等多方面具有重要影响。河流健康是社会经济可持续发展的标志，因此，进行东苕溪河流健康评估及生态整治方面的研究，对杭州市经济社会的和谐发展有着十分重大的意义。

2 流域概况

2.1 自然地理

东苕溪发源于临安东天目山北麓，东流经临安、余杭、德清，至湖州市西郊与西苕溪汇合后注入太湖，干流长151km，流域面积2354.9km2，平均坡降7.5‰。流域介于东经 119°30'～120°10'，北纬 30°08'～ 30°52'，地势自西南向东北倾斜，西南部为天目山区，山高坡陡，东北部为低山丘陵区。东苕溪以东为杭嘉湖平原，地势低洼、平坦，河流纵横交错。

2.2 河流健康存在的主要问题

(1)东苕溪上游属于山区，源短流急，洪水暴涨暴落;下游太湖湖水倒灌，排水不畅。同时，人们对河流进行了各种方式的改造和利用，兴建各类水利工程，较大地改变了河流的自然属性，使河流生态系统发生变化，河流服务功能下降，威胁到人类供水、防洪等公共安全。

(2)城市化进程的加快使得东苕溪河道堤防部分被固化，破坏了河流生态系统的完整性，水生生物资源锐减，直接威胁到河流的永续利用，使河流净化、调蓄等功能减弱。

(3)东苕溪下游属于平原河网地带，本身水体流动性低，自净能力弱，再加上经济发达，水污染问题突出、湖水倒灌、运河水倒灌、东苕溪上游干流的工农业生活和养殖污染，也加剧了下游水质的污染状况。

3 体系构成

东苕溪河流健康评价预警体系主要构成包括流域纳污能力研究、河流健康评价体系研究、河流健康实时预警系统建设3大核心单元内容。研究以河流健康理论为指导，分别建立东苕溪流域水动力学模型、水质模型，计算河流纳污能力;建立河流健康评价模型，计算评价指数，在二者基础上耦合构建河流健康预警模型。

3.1 流域纳污能力计算

3.1.1 模型组成

MIKE11是动态模拟一维河流水力的一款应用软件，具有很强的模拟能力，为河流水动力和环境模拟提供功能强大和较全面的方法。MIKE11模块主要包括水动力模块、结构物操作模块、降雨径流模块、非粘性泥沙输运模块、污染负荷计算模块、对流扩散模块等［1-2］。MIKE21近年也有较多应用，但其属大范围平面二维数学模型，不适用于近区三维或急流等问题，对基础数据的要求也复杂得多［3］。本次采用MIKE11的HD水动力模块和AD对流扩散模块。

3.1.2 水质模拟分析

通过河网概化、断面选择、初始条件及边界条件设定、河网糙率参数率定等步骤建立河流水动力学模型。考虑到本文研究河段水流较长，断面复杂的特点，充分考虑河道沿程变化，在已有资料的基础上尽量选取较多的河段，以准确地反映河道沿程变化和过水能力。选定水质模型的主要水质指标为BOD5、COD、DO、TP、TN等5项，其生化反应按一级反应动力学方程描述。应用河道观测资料对模型进行率定和验证，使模拟结果能较好地反映河段的自然特性。拟定几种典型的工程状况，应用建立的水动力学模型、水质模型，对东苕溪主要水质指标进行模拟分析，计算纳污能力。

3.2 河流健康评价

3.2.1 评价理论基础

河流与健康相结合是可持续发展和社会价值进步的必然结果，河流健康概念寻求利用生物或生态评价方法来完善传统的物理—化学评价方法。河流具有完整的生态功能，这些功能和用途与水力学、水文学、水质、生态学等方面都有关，因此需要采用一定的指标和方法来监测河流的各个方面，即从多角度来评估河流的健康状况，从而提供对整治、管理有用的信息。建立指标体系进行河流健康状况评价，有助于提高河流管理质量，不仅可揭示河流生态系统的现状，还提供了将不同河流进行比较的基准，同时还可评估受损河流生态恢复的成效，从而提高管理决策能力［4-6］。通过河流管理提高受损河流的健康状况，保护健康河流，从而满足人们持续的环境、社会和经济需要。

3.2.2 评价模型构建

在河流健康概念的基础上，结合东苕溪河流的功能和属性，分别对指标体系、指标权重、评价方法进行分析与研究［7-8］，并建立河流健康评价模型。运用评价模型对东苕溪流域河流进行健康评价，确定河流管理的目标和可能的瓶颈问题，为后继开展的河流健康实时预警提供基础数据和决策依据。

(1)指标体系构建。评价指标是综合评价的基础，指标确定的是否合理，对于后续的评价工作有决定性的影响。本次评价指标体系分为3层，分别为目标层、准则层和指标层。在指标选取上，遵循系统性、典型性、可度量性和独立性的原则。在指标筛选上，选用主成分分析方法。河流健康反映的是在河流生命存在期人类对其功能发挥的认可程度，因此，健康河流是指在相应时期内自然功能与社会功能均衡发挥的河流。东苕溪河流健康评价指标确定为自然功能和社会功能2个方面，含生态基流量、基础水位、水体质量、输沙量、生态环境影响因子、水源地水质达标率、河体演变、城镇供水保证率等8个指标。

(2)指标权重赋值。指标的权重分主观权重和客观权重，主观权重是决策分析者对指标的重视程度，客观权重是指标本身所包含信息的大小。各种赋权方法都有不同的特点和适用范围，在对指标重要性缺乏深入了解的情况下，应优先选用客观权重法。本次选取的权重赋值方法为熵值法。

(3)评价方法选择。由于不同评价方法各有优点，本次对灰色关联度法、模糊物元评价方法、投影方法等进行比较分析选取合适的评价方法。

(4)模型建立及应用。评价模型的建立坚持系统性与层次性相结合的原则。流域河流的健康是一个复杂系统，它由不同层次、不同要素组成，根据各层次、各要素之间的特点及相互关系，可以把流域复合系统划分为若干个相互联系又相互独立的子系统。这些具体体现在不同河段计算分区、不同评价准则指标的设定上。同时，评价模型的建立坚持动态性与静态性相结合的原则。作为一个系统，河流健康是不断变化的，这就要求对不同工况、不同时期河流健康状况也要进行评价。

3.3 河流健康实时预警系统建设

3.3.1 系统总体设计

河流健康的预警包含3层含义:①整体健康预警。在河流健康评价基础上，确定河流健康等级，以此建立河流开发利用阀值和河流生态系统退化阀值，前者约束人类开发利用河流的行为，后者为人们保护河流生态提供预警;②水功能区的“面”预警。在水质评价的基础上，对超出目标水质的水功能区进行报警;③突发水污染事件的“点”预警。当发生污染事件，某处点源或面源污染浓度加大，如超出纳污能力进行报警。

东苕溪河流健康实时预警系统主要分为2大部分:①数据采集系统。利用现有可能影响河流健康的水利、供水、环保等各部门所有的监测站网并加以优化，在最大程度上实现流量、水位、水质等监测资料共享，实现真正意义上的水资源质量同步监测，建立水量、水质信息采集系统;②数据应用平台。数据应用平台展现的是从数据平台接收到数据以后进行解码入库，同时应用系统提供各种系统服务，一般有Web服务、GIS服务、预警服务等。

3.3.2 系统功能模块设计与实现

东苕溪河流健康实时预警系统主要包括预警展示平台和短信平台2个子系统。从功能上设计为6大主要模块，分别为首页信息展示模块、查询分析模块、地图监视预警模块、移动短信发送模块、水量水质参数过程表达模块和系统后台管理维护模块。系统功能框架见图1。

该系统在保证水雨情数据的实时性和有效性的前提下，能够提供可视化的GIS图形操作界面，实现水量、水质信息的分级显示与标注，能查询各个不同时段不同站点的水量、水质信息，实现水量、水质信息的图形化表达等功能，并采用三维虚拟仿真技术，结合水质模拟和河流健康评价，最终为相关部门提供决策依据。

3.4 耦合技术路线

体系研究的3个技术关键分别是纳污能力计算、河流健康评价指数计算、河流健康实时预警系统建设。通过在对水量、水质、河道地形、污染源分布和排放等信息全面调查、监测的基础上，建立东苕溪流域水动力学模型、水质模型，计算得到符合实际的、科学合理的东苕溪流域纳污能力;通过建立包括指标体系、指标权重、评价方法的河流健康评价体系，评价得到定量化的东苕溪健康评价指数;通过采集信息数据库的支撑，结合纳污能力计算和健康评价计算，运用三维虚拟仿真技术，对东苕溪河流健康提供实时预警。耦合模型各部分研究任务及相互关系见图2。

图2 耦合模型各部分研究任务及相互关系图

4 结语

当前河流生态系统不断受到人类活动的干扰和损害，在河流治理、开发利用和保护的同时，开展河流健康评价、预警和河流生态系统修复研究，变河流治理为河流修复是非常必要的。对东苕溪的河流健康评价预警体系建设进行了初步探索，为东苕溪流域生态河流建设、水资源的统一调度与管理提供有效手段和技术支撑。项目的实施将推动水生态系统保护与修复的进程，形成东苕溪流域国民经济发展和生态环境保护、水资源开发利用与河流健康之间的“双赢”局面，获得巨大经济效益、社会效益和环保效益。

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