汉丰湖入湖支流健康评价指标体系构建和应用

邹 曦，丁世敏，吴易雯，郑志伟，万成炎*

（1.水利部中国科学院水工程生态研究所，水利部水工程生态效应与生态修复重点实验室，武汉 430079；2.长江师范学院 绿色智慧环境学院，重庆 408100）

随着社会经济的发展，人类活动影响和干扰了河流生态系统的自然状态。近年来，世界范围内河流都出现了水环境恶化、栖息地退化、水文变化、生态系统结构简化等问题。这一系列问题导致河流生态系统严重受损，进而对人类社会经济、生态环境安全产生了较大影响。河流健康评估技术用于评估河流生态系统的健康状况，可以指导河流生态系统的保护和恢复。欧洲、美国等发达国家在河流健康评价指标体系的构建以及评价方法方面开展了较多研究和应用。其中美国的“快速生物监测协议”（Rapid Biological Monitoring Protocol，RBPs）、澳大利亚的“溪流状态指数”（Index of Stream Condition，ISC）、南非的“河流健康计划”（River Health Programme，RHP）等应用较为广泛。美国RBPs侧重于河流底栖动物、着生藻类以及鱼类的监测方法和相关评价标准，为全美河流水环境监测和管理提供了基础支撑[1-3]。ISC构建了包含河流形态、水文、河岸带、水质和水生生物5个指标层面的河流评价体系，用于评估澳大利亚河流生境恢复效果，为河流管理提供技术依据[4-6]。RHP更进一步细化了指标体系，包括河流形态、河岸带、水文、水质、水生生物以及生境等，满足了更为广泛的监测和评价需求[7]。基于国外的技术经验，我国于21世纪初开展河流健康评价体系探索，之后发展迅速[8]，在全国各大流域中小河流纷纷开展研究[9-11]。近年来，国内外河流健康评价研究工作已日趋成熟，逐步建立包括河流物理形态、河岸带状况、水文水质、水生生物等方面的综合指标体系，较为全面地反映河流水文、水质和水生态等方面的现状和问题，评价河流生态系统的健康状况，为河流管理和河流生态恢复提供技术支撑[12-15]。本文针对三峡汉丰湖流域的特点，构建了适用于汉丰湖入湖支流的健康评价指标体系，并对河流生态系统进行了健康评价，以期为区域的河流生态修复及河流管理提供科学的理论依据。

1 研究区域和研究方法

1.1 研究区域

汉丰湖位于重庆开州城区内东河与南河交汇处（图1）。它是在原澎溪河开州汉丰街道段乌杨村（左岸）至木桥村（右岸）间构筑一座水位调节坝后形成的。水位调节坝是为尽可能减少三峡水库蓄水对开州影响，解决整个小江流域的水生环境变化、水沙动态平衡、物种迁移等生态环境问题而修建的。汉丰湖水位调节坝竣工后，将开州境内原有东河、桃溪河、南河及部分澎溪河变更为汉丰湖流域，形成库容5.6×107m3、水域面积14.83 km2的一座新生水库。根据汇水状况，汉丰湖流域可分为1个湖区、24个湖周支流子流域，东河、南河、桃溪河和头道河是汉丰湖最大的4条支流。汉丰湖流域多年平均流量约为2.4×109m3，其中55.9%来自东河子流域、17.3%来自桃溪河子流域、13.6%来自南河子流域、13.2%来自其他子流域[16]。

图1 汉丰湖流域示意图Fig.1 The diagram of Hanfeng lake basin

1.2 数据来源

根据河流健康评价思路，2013年对汉丰湖流域东河、南河、桃溪河和头道河4条入湖支流进行采样调查。以《开县志》和《汉丰湖水环境保护规划》为背景资料，每条支流选取6个调查断面，分别调查河流水文、形态结构、河岸带、水质以及生物指标等，具体数据采集情况见表1。其中河流形态结构和河岸带状况指标根据历史资料以及2013年3月对每个断面进行现场调查获得，河流水文、水质和生物指标则根据2013年3，6，9，12月4次每个断面的采样分析结果获得。

表1 汉丰湖支流资料来源与数据采集Tab.1 The data source and data collection of the tributaries in Hanfeng Lake Basin

2 结果与分析

2.1 汉丰湖入湖支流河流健康评价体系构建

在汉丰湖入湖支流健康评价体系构建过程中，考虑到汉丰湖流域受三峡水库蓄水及汉丰湖调节坝的影响，根据流域特性，选取了适合汉丰湖流域生态系统特点的评价因子，从河流水文状况、河流形态状况、河岸带状况、河流水质状况和河流水生生物状况5个方面选取16个评价指标，构建了汉丰湖流域入湖支流健康评价指标体系。

2.1.1 评价指标体系结构

综合国内外河流健康评估的各类方法，将汉丰湖入湖支流健康评估指标体系分为3个层次。第一层次是河流健康指数（RHI），是最终评价分值，反映河流的整体健康状况；第二层次包括河流水文状况、河流形态状况、河岸带状况、河流水质状况和河流水生生物5个一级指标，其分值分别反映河流生态系统5个方面的健康状况；第三个层次是从各项一级指标中选取16项具体评价因子构成二级指标，其分值反映各项具体指标的健康状况。采取现场监测和调查的方式，获得16项二级指标的定量或定性数据，对其进行赋分评价。评价指标体系详见图2。

2.1.2 评价标准

参考国内外河流健康评估指标体系的评价标准，确定本指标体系中二级指标的评价标准。其中河流水质状况和河流水生生物的评分标准参考了国家地表水环境质量标准《地表水环境质量标准》（GB 3838—2002）；引用美国EPA生境调查方法中的水量评价标准，确定河流水文特征评价标准；参考美国RBPs、新西兰USHA（Urban Stream Habitat Assessment）[17]和澳大利亚的ISC等评价标准确定河岸带状况和河流形态的评价标准，该类指标属于定性评价，根据受人类干扰程度强弱来赋分。

二级指标评价标准，根据汉丰湖流域的背景资料、实地调查监测情况以及参照的相关评价标准，确定各项二级指标的评分值，每项指标评分标准分为3～5级，最高分为4分，最低分为0分。

（1）河流水文状况(A1)

图2 河流健康状况评价指标体系Fig.2 The river health assessment index system

包括河流流速状况（B11）和河道水量状况（B12）分别用来评价河流流速和流量的变化情况，通过观察水体水量状况、河道底质暴露情况、流速状况等，从河流水文状况角度来评估其对河流生境和河流生物的影响[18]。该类指标评价方法为根据现场调查直接按标准评分，评分标准分为5级，最低0分，最高4分。

表2 河流水文状况指标的评价标准Tab.2 The evaluation indexes for river hydrological characteristics

（2）河流形态状况（A2）

河流形态状况指标用来评价河流河道硬化渠化程度、蜿蜒程度、河岸的稳定度以及河道、河岸的连通性等方面。河道改造指标（B21）用以表征人类活动对河流形态结构的改造，观察河道渠道化程度，现场调查后按评价标准评分，评分标准分为5级，最低0分，最高4分。弯曲程度指标（B22）用以表征河道的蜿蜒度，通过现场观察河道自然蜿蜒状况，按照标准评分，评分标准分为3级，最高4分、最低0分。河岸稳定性指标（B23）用来评价河岸的稳定程度，通过观察河岸的侵蚀和稳定程度，按标准评分，评分标准分为5级，最高4分、最低0分。河床稳定性指标（B24）主要评价河床底质侵蚀以及淤积程度，评分标准分为3级，最高4分、最低0分。河道护岸形式指标（B25），主要评价河岸带人为改造的情况，现场观察河岸带护岸形式，评分标准分为5级，最高4分、最低0分。以上5个指标涵盖了河流形态状况的几个方面，基于背景资料和现场调查直接按标准评分（表3）。

（3）河岸带状况（A3）

河岸带是水陆交界处的生态脆弱带，是河流生态系统的水量、沉积物、有机物质、营养物质和生物体的交换、循环的重要环节。河岸带倾斜度指标（B31）主要是指河流两岸的坡度状况，通过现场观察评分，评分标准分为5级，最高4分、最低0分。结构完整性指标（B32）主要是指河岸带乔灌草植被群落结构的完整性，结合现场调查和照片资料等进行评分，评分标准分为4级，最高4分、最低1分。

表3 河流形态结构状况指标的评价标准Tab.3 Theevaluationindexesforrivermorphologicalstructure

表4 河岸带状况指标的评价标准Tab.4 The evaluation indexes for riparian zone

（4）河流水质状况理化指标（A4）

河流水质理化指标是反映河流生境状况和健康程度的重要指标，可以定性定量反映出河流的污染状况。汉丰湖流域河流污染状况主要表现为水体富营养化，因此选取影响水体富营养化的水质指标，包括溶解氧（DO，B44）、高锰酸盐指数（CODMn，B42）、总磷（TP，B41）、总氮（TN，B43）、氨氮（NH3-N，B45）。依据《地表水环境质量标准》（GB 3838—2002），将该类指标的评分标准分为5级，将地表水Ⅱ类水设为最高的评分标准（4分），劣于V类标准的为0分（表5）。

表5 水质理化指标的评分标准Tab.5 The evaluation indexes for water quality

（5）河流生物指标（A5）

河流生物是反映河流生态系统状况的重要指标。底栖动物和浮游植物是河流生态系统的重要组成部分。浮游植物是河流生态系统食物网的初级生产者，底栖动物在水生生物中相对较为稳定，它们对河流水质的变化有着较强的响应作用，其种群结构、密度的变化可以较好地反映河流生境状况的改变；水生生物多样性指数则是反映河流水生生物种群状态的重要指标。因此选取底栖动物的丰富度指数（Margalef index）和浮游植物的香农-威纳指数（Shannon-Wiener index）作为河流生物指标。具体评分标准见表6。

表6 河流生物状况指标的评价标准Tab.6 The evaluation indexes for aquatic status

2.1.3 评价指标计算

将所有二级指标评分值取平均值后，进行等权加和得到5个一级指标的分值。本研究中各一级指标的权重系数都取相同值，每个一级指标均加上权重，使得分值都在0～10之间。将5个一级指标进行加和，得到河流健康状况综合评价值，该值在0～50之间。根据国内外河流健康评估的研究基础，确定综合评价标准（表7），确定河流的健康状况。

表7 河流健康状况综合评价标准Tab.7 The comprehensive evaluation criterion for river health status

2.2 评价结果

依据2.1中确定的各项二级指标的评价标准，通过现场监测和调查等手段，得到了16项二级指标的评价均值；根据各项一级指标的计算公式，得出河流水文、河流形态、河岸带状况、水质理化以及河流生物5个一级指标的得分；通过一级指标加和得出汉丰湖4条入湖支流河流健康状况综合评分，见表8。从河流健康状况综合评价结果来看，东河、桃溪河健康状况较好，综合评分分别为35.5分和37.5分，河流健康状况评估等级为“良”。南河和头道河健康状况略差，其中南河健康状况综合评分为28.0分，头道河健康状况综合评分为26.7分，评估等级在“一般”水平，可以看出入湖支流中南河和头道河健康状况较差。从一级指标评价结果来看，河流水文状况桃溪河和东河状况较好，南河和头道河受水库蓄水以及流域季节性水量变化影响较大，部分断面的流速较为缓慢或水量较小；河流形态状况方面，南河和头道河评分也较低，表现为受人类活动影响较为明显，河岸稳定性较差、侵蚀较为严重，河床存在一定程度的退化，护岸也以砌石等硬质护岸为主；河岸带状况以头道河评分最低，头道河河岸带较陡，植被以草本植物为主，物种多样性较差。水质理化状况4条支流情况较为接近，南河和头道河略差，4条河流均以TN，DO，CODMn3项指标评分较低；4条河流水生生物状况评分均较低，浮游藻类的多样性指数偏低，这与河流受流域污染影响，存在富营养化趋势有一定关系。综合以上情况来看，水质、河岸带和水生生物群落状况是影响汉丰湖入湖支流健康状况的主要因子。

表8 汉丰湖支流河流健康状况评价结果Tab.8 The health assessment results for the tributaries of Hanfeng Lake

3 讨论

本文针对三峡汉丰湖流域的特点，从河流水文状况、河流形态状况、河岸带状况、河流水质状况和河流水生生物状况5个方面选取16个评价指标，构建了汉丰湖流域入湖支流健康评价指标体系，根据国内外相关的研究经验以及国内相关行业标准，确定了指标体系中各个指标的评价标准，并根据健康程度将河流健康状况综合评价标准分为“优、良、一般、差、非常差”5个等级，运用层次分析法和加权平均法对其进行了健康评价。基于该评价体系，本研究对三峡库区汉丰湖流域东河、南河、桃溪河和头道河4支流24个监测点进行了现场调查和监测，获得了各项评价指标的评分均值，根据相关公式最后得出4条支流RHI在26.7～37.5之间。东河、桃溪河河流健康状况评估等级为“良”，南河和头道河评估等级在“一般”水平。水质、河岸带和水生生物群落状况是影响汉丰湖入湖支流健康状况的主要因子。

通过研究发现，汉丰湖入湖支流健康状况主要受以下几个方面的影响。第一，流域水文情势改变，支流主要受三峡水库蓄水影响，导致支流回水区流速变缓；第二，汉丰湖流域污染负荷较高，汉丰湖流域涉及开州的29个乡镇街道，社会经济发展带来的污染负荷的排放，严重影响了入湖支流的水质状况；第三，汉丰湖成湖初期，岸边带防护缺失，流域生态系统结构稳定性较弱，加之污染负荷居高不下，水体生态系统相对比较脆弱，物种多样性较低。针对汉丰湖入湖支流健康状况存在的主要问题，从河流管理角度应首先加强流域污染防治，重点加强流域污水处理厂建设和污水管网完善等点源污染防治措施；同时，通过改变农业生产方式、推广生态农业、合理布局畜禽养殖场、增设畜禽养殖污染处理设施等方式控制流域面源污染；最后，通过实施水域环境改良、生物增殖放流、岸边带植物的恢复与重建等措施，改善支流生境状况，完善水生生物群落结构，促进新的合理的水生生物群落结构形成，调控水生态系统营养物质循环途径，恢复受阻的生态过程，逐步提高水体自净能力。