基于尺度划分的滦河河流生态健康评价

罗晓丽　董增川　徐伟　李大勇

摘要：为提高河流管理质量，在已有河流生态系统健康研究的基础上，提出了基于尺度划分的河流健康评价理论。以滦河为例，建立了其上游、中游和下游的评价指标体系，通过构建改进的模糊物元可拓模型对滦河河流生态健康进行了评价。结果表明：滦河上游、中游、下游均存在一定程度的不健康，滦河全河总体为轻度疾病状态，评价结果与实际相符。因此，本文方法具有合理性和有效性，可用于其他区域的河流生态健康评价。

关键词：尺度划分；河流生态系统；健康评价；滦河

中图分类号：X522 文献标志码：A 文章编号：

16721683（2016）05009105

Health assessment of Luan River based on scale division

LUO Xiaoli ，DONG Zengchuan，XU Wei，LI Dayong

（College of Hydrology and Water Resource，Hohai University，Nanjing 210098，China）

Abstract：In order to improve the quality of river management，the river health assessment theory based on the existing study about river ecosystem health and scale division was put forward.Luan River was selected as the research area.Index system was established for its upstream，midstream and downstream，and the improved fuzzy matterelement model was adapted in the assessment of Luan River.The result showed that the upstream，midstream and downstream were all unhealthy to some extent，and Luan River，on the whole，belonged to the mild disease level，which wass consistent with the actual situation.Therefore，this method is reasonable and effective and can be applied in river health assessment in other areas.

Key words：scale division；river ecosystem；health assessment；Luan River

河流是重要的自然生态系统，也是重要的生态廊道之一，发挥着重要的生态功能[1]。随着社会经济的快速发展，河流生态系统不断受到人类活动的干扰和损害[2]。因此，如何评价河流生态系统的健康状况，保护河流生态系统安全是目前国内许多学者关注的热点。河流生态健康评价方法 大致可以归纳为三类，一是理化参数评价法，以美国GWQI（Gregon Water Quality Index）为代表，旨在检测包括水温、溶解氧、生化需氧量、总P、总N、悬浮物、大肠杆菌等指标的动态变化趋势，找出对河流水质具有重要的影响因素[3]；二是指示物种的监测和评价法，即选择指示物种，包括着生藻类（以硅藻为主）、浮游植物、大型水生植物、底栖动物和鱼类等生产者、消费者和分解者等，进行评价；三是综合指标法，它是综合了物理、化学、生物、社会经济等诸多指标能够反映河流生态系统健康程度的一种多指标评价方法。综合指标法既可以反映河流生态系统健康程度又能反映河流的社会功能水平，还能反映出河流生态系统健康变化的趋势。上述三类评价方法各有优点，但都不可避免的存在一个问题，就是不能很好地解决评价的尺度问题。尤其是对流域面积广，水系复杂的河流，不同的河段自然条件和社会经济状况差异较大，因此有必要对河流健康进行分尺度评价。

1 河流健康分尺度评价基本理论

河流健康评价的对象是河流生态系统。在河流管理的研究中，河流生态系统被描述为一个四维系统，即纵向、横向、垂向和时间分量[4]。在纵向上，河流是一个线性系统，从河源到河口均发生物理的、化学的、生物的变化。在横向上，河岸带的植物为水生生物的生长提供了生态环境，并且起着调节水温、光线、渗漏、侵蚀和营养输送的作用。在垂向上，与河流发生作用的不仅包括地下潜水层，还包括生活在下层土壤的有机体[5]。在时间尺度上，河道随着自然的变化和人类的作用，也发生着自身的演变过程。因此，一般学者们在做河流健康评价时考虑的范围不仅仅包括河道本身，还包括河岸带乃至整个流域。借鉴地理学尺度的概念，可以将河流健康评价分为面尺度、线尺度和点尺度评价[67]。

面尺度评价通常针对的是流域面对河流生态影响的问题研究，主要从土地利用变化的角度出发，探究不同土地利用类型或土地覆盖模式对河流径流量、水质、泥沙以及水生生物的影响。在现有的河流健康评价指标体系中，可以归结到面尺度的评价指标包括水土流失率、湿地保存率、城镇化面积、林地覆盖率等。

线尺度主要对应的是河长或河段，是河流健康评价中最常使用的尺度之一，其涉及到的评价指标主要包括水质达标率、堤防达标率、纵向连续性指数等。评价时的难点就在于评价河段的划分依据如何制定。除工程河段、景观河段等具有特定功能的河段外，河流划分的方式一般有三种方法，第一种是依据河道的自然规模及其对社会、经济发展的重要程度等因素划分河道的等级，比如水利部1994年颁布的规范性文件《河道等级划分办法》中将全国的河流分为五个等级。第二种划分的方式就是按照水系拓扑学的理论，对河流或流域进行分级，常见的分级方法有Horton分级法、Strahler分级法等（图1）。很显然该方法适合树状水系，对网状水系的分级效果不明显。另外即使是同级河流，由于流经地区水文和地质条件的差异，其物理特征也会存在差异[8]。第三种划分的方式就是运用地理信息软件，基于流域的数字高程模型，提取流域的子流域信息，从而将流域划分为若干个子河段和子流域。

点尺度评价主要针对河流重要的控制断面，如：省界或其它行政区界河断面、主要的干支流控制断面、重要的水库、重要的生态环境敏感点等。由于大部分监测资料都是通过站点获得，所以与其相关的评价指标也较为常见，比如适宜生态流量保证率、河口径流指标、浮游生物多样性等。

其实不管是面尺度、线尺度还是点尺度，都存在资料获取的难题。就水文站网而言，我国目前为3.5站/万km2， 低于世界平均水平，更低于发达国家的水平，如美国的水文站网密度为170站/万km2，日本更是高达936站/万km2。此外，我国的站网分布极其不均匀，主要集中在中东部地区，而且生态监测站则少之又少，几乎无法满足划分很细的河流生态健康评价的要求。因此，在进行河流生态健康评价尺度划分时，应根据实际情况对河流进行尺度划分。一般来说，按照河流上、中、下游的径流特性的差异，河流生物群落可以分为急流区群落、缓流区群落与河道区群落。河流的上游落差较大，水的流速大于50 cm/s，河床多石砾，为急流。在急流中，初级生产者多为有藻类等构成的附着于石砾上的植物类群；初级消费者多为具有特殊附着器官的昆虫；次级消费者多为体型较小的鱼类。河流的下游河床比较宽阔，水的流速低于50 cm/s，河床多为泥沙和[HJ2.1mm]淤泥构成，为缓流。在缓流中，初级生产者除藻类外，还有高等植物；消费者多为穴居昆虫幼虫和鱼类，它们的食物来源，除水生植物外，还有陆地输入的各种有机腐屑[9]。在河道区，由于流速很小，河道区的群落与湖泊有类似之处。在生产者方面，在河床沿岸可生长挺水植物和沉水植物，在一些流速小或支流出口附近存在浮游生物群落。在消费者方面，河流种及静水种都可出现，由于河床底质变化比较大，使底栖生物的分布呈团状。鱼类与湖泊中的近似[10]。因此，更合理的尺度划分是将河流分为上游、中游、下游进行评价。有条件的地区河源与河口以及较大的支流均可单独进行评价。

2 研究区概况

滦河位于海河流域北部，其发源于河北省丰宁县西北巴颜图古尔山麓的小梁山，上游称闪电河，经张家口沽源县东部，向北流过内蒙古多伦；至外沟门子又折回河北省丰宁县，在大河口纳吐力根河后称大滦河，水流聚变，水量增加；而后进入中游河段，蜿蜒于燕山峡谷之间，在隆化县郭家屯与小滦河汇合称为滦河；经承德到潘家口穿过长城至滦县进入冀东平原，于乐亭县南兜网铺入海。流域面积44 750 km2，河长度888 km[11]，多年平均径流深109 mm，多年平均径流量为593×108 m3[12]。滦河水系呈羽状，南北长435 km，东西宽平均100 km，滦县以下至入海口平均宽约20 km，沿途有多条支流汇入。主要支流有吐力根河、小滦河、伊逊河、武烈河及青龙河等。流域为典型的温带、暖温带半湿润、半干旱大陆性季风气候。冬季寒冷干燥，夏季炎热多雨。流域年平均降水量400～800 mm。滦河流域地形差异大，地形总趋势由西北向东南倾斜，基本与河流流向一致。按地质条件、地貌形态和成因类型等划分为坝上高原、燕山山地、南部平原区三种地貌单元。自20世纪70年代起，滦河流域先后修建了潘家口、大黑汀、桃林口等多个水库，并逐渐建成引滦入津、引滦入唐等工程，流域经济的发展对水资源的依赖性越来越强，水资源开发利用强度不断加大[12]。滦河流域水系见图2。

3 滦河河流健康分尺度评价

3.1 尺度划分

运用ArcGIS的水文分析模块（Hydrology Model），基于海河流域1∶25万数字高程模型（DEM）提取滦河流域的特征信息，通过计算分析可以将滦河划分为73个子流域（图3）。尽管滦河流域分布着35个水文站，但是由于站点的分布不均以及其他指标资料尤其是生态资料的限制，这里对滦河评价时根据滦河干流的河谷地貌及水流特征，仅将滦河划分为上游、中游和下游三段。其中源头至大河口为上游，大河口至罗家屯为中游，罗家屯至入海口为下游[13]，见图3。

3.2 基于改进的滦河模糊物元可拓评价

构建每个区域的评价指标体系时，主要考虑了每[CM（22]个河段的自然功能的特点与社会服务功能的要求，等已有的河流健康评价指标体系及评价标准。滦河河流生态健康指标体系见表1，其相应的评价标准见表2。

由于建立的河流生态健康指标体系具有层次性，各层次性具有向下一级的拓展性。下一层与上一层的递阶属性，在数学上表现出其可拓性，不同层次的递阶评价过程可采用可拓学的物元评价方法，而同一层次的评价适合选择模糊优选评价[1719]。因此可采用改进的模糊物元可拓评价模型[1820]计算河流生态健康综合指数，即可确定河流健康状态。

以滦河上游评价为例说明模糊物元可拓评价模型的评价步骤如下。

（a）根据表1和表2中滦河上游的4个指标的5个等级标准，构造5个评价等级的经典域物元矩阵。考虑到水土流失率与其余3个指标呈反向变化趋势，因此在构造标准物元矩阵时，应先将该指标转换成正向指标，设水土流失率为x，则转换公式为x′=1-x。构造的5个评价等级的经典物元矩阵分别为：

4 结论

对流域面积广，水系复杂的河流，由于不同的河段自然条件和社会经济状况差异较大，因此有必要对河流进行分尺度健康评价。本文构建了基于尺度划分的河流生态健康评价指标体系，建立了改进的模糊物元可拓评价模型，并将其应用于滦河河流健康评价中。评价结果显示，滦河上游、中游、下游均为不健康状态，滦河全河河流健康等级为轻度疾病状态，与实际情况相符，可见本文方法具有合理性和有效性。[HJ1.96mm]

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