河流健康评估研究及应用——以南排河为例*

王景豪,宋刚福,2*,魏怀斌,陈 锋

(1.华北水利水电大学,河南 郑州 450046；2.河南省水环境模拟与治理重点实验室,河南 郑州 450046)

河流是人类及动植物生存的基础,从古到今伟大的文明大多起源于各大流域[1-2]。而今,随着人类的活动频繁地扰动河流,河流生态系统逐渐变差。大型水利工程、人类居住区、农业面源污染等行为,破坏人与自然的和谐统一[3]。面对河流生态系统的破坏,为了保护河流,恢复河流的原貌,西方国家在20 世纪70 年代提出了“河流健康”的概念[4]。从河流本身来看,河流健康就是生态系统未被破坏,保持结构完整、稳定的状态[5]。从河流对人类的利用价值来看,河流健康不仅仅是指生态系统的延续完整性,还指河流能为人类提供必要的服务功能[6]。从河流管理与河流保护的角度来看,健康的河流是指通过管理达到原生生态系统的河流[7]。

基于河流健康的概念,不同国家设置了很多的指标体系和方法,以指导河流健康评估工作,在实践中被广泛运用[8]。李博韬[9]利用浮游植物生物完整性指数(P-IBI)对江阴市河流的健康进行评估。张方辉[10]采用底栖动物完整性指数(B-IBI)对梁滩河和濑溪河水系进行了健康评估。Prabhat K[11]等定义了河流健康指数(RHI)作为一种新的河流健康评估指数。曾小瑱[12]在对丽娃河健康做评估时,采用澳大利亚的溪流状况指数(ISC)与瑞典的农业景观区域河岸带与河道环境评估方法(RCE)做对比。胡立刚[13]对贵州省六硐河的健康评估,构建的是以物理、水文、水质、水生生物、社会服务功能等方面的综合健康评价体系。采用不同的指标体系,均能在一定程度上反应部分河流的真实健康状况。

目前,我国的河流健康评估工作执行统一的导则,它是水利工作者通过近10 年的研究探索与实践检验的成果。一方面,它是从宏观性的角度上对各个流域河流的整体考量,具有普适性,在流域河湖水生态保护治理工作中发挥了基础支撑作用。但对具体的河流,应充分地考虑地域性差异、河流的生态状态差异[14]。另一方面,导则的制定是指导自然河流的健康评估工作,而南排河是一条人工开挖的河流,具有与天然河流截然不同的功能定位。建立适合具体河流的指标体系,充分考虑各指标在总体评估中的权重差异,是对河流健康进行全面、准确评估的前提[15]。

本文在遵循河流健康评估原则的基础上,结合水利部河湖健康导则,考虑沧州市南排河的实际情况对导则中的一些指标、权重稍作调整,使其更贴近南排河健康状况的基本面。采用分级指标法构建了指标体系,采用主观加权法确定了指标权重,以期为南排河治理、保护、健康恢复提供参考。

1 研究区域概况

南排河是为了提高黑龙港河的排沥标准而开挖的人工河道,为省级排沥河道。上起泊头乔官屯闸,经沧县、黄骅至李家堡入渤海。流域地处沧州中心城区和天津滨海新区之间,介于东经 116°05′～118°03′,北纬 38°09′～38°39′,位置如图1 所示。流域属于平原海岸地貌,滨海地区地势低洼,利于行洪。流域面积13707km2,河段长99km,河道平均比降0.05‰,水深 3.5～6.3m。

图1 南排河地理位置

流域大部分区域属于暖温带半湿润大陆性季风型气候,冬季空气干燥,夏季炎热多雨[16]。多年平均气温为12°；平均年降水量627 毫米,其中6～9 月的降雨量占全年的74.8%,极易形成洪涝。此外,流域处于渤海经济圈的中心,以海产、水产、海上运输为核心产业,在经济高速发展的过程中,南排河正承受着前所未有的污染压力[17],据2019 年的水质监测报告显示,水质类别为劣Ⅴ类。

2 研究方法

河流抽象整体的健康状况,需要通过具体的指标表现,可以采用单指标评价法或者多指标综合评价方法[18]。单指标评价法主要反映单个指标对整体状况的影响程度。多指标综合评价方法可以充分地反应问题的整体概况,及多个指标对河流健康现状的贡献程度,更科学更全面。分级指标法是综合评价法的一种,选用分级指标法构建南排河健康评估指标体系。

采用分级指标法分析时,各个指标对健康状况的影响程度不同,应给予有区分度的赋值。常用的赋值方法包括主观赋权法和熵权法。熵权法的基本思路是根据指标变异性的大小来确定客观权重,一般来说,若某个指标的信息熵越小,表明指标值的变异程度越大,提供的信息量越多,在综合评价中所能起到的作用也越大,其权重也就越大。湘江河[19]、大凌河[20]、苏州河[21]、大沽河[22]、太子河[23]、松河[24]、沂河[25]、双台子河[26]、连云港市入海河[27]的健康评估均采用熵权法。主观赋权法是依据指标的重要性,自主地设置指标权重。

熵权法从一定程度上,表征了数据的客观性及在综合评价中的贡献大小,看起来很科学。但指标权重不仅体现指标本身在系统中的作用,而且反映研究者对该指标的重视程度[28]。故充分考虑主客观双重因素,选择主观赋权法为指标赋权。

3 指标体系构建

3.1 评估河段划分及数据来源

(1)评估河段划分

考虑到流域环境、自然地理、社会经济、生态环境等因素的差异,单点位的水质指标、流量数据很难在大空间尺度上反映整个河流乃至流域的健康状况,需要分段或分区评价[28]。

河段划分是进行河流健康评估的基础,划分河段监测更能全面综合地评估南排河的健康状况,本研究将河段划分为三段,并沿河布设监测点(划分结果表1)。图1 中的监测点位置从左向右依次为肖家楼、东关村、西道安村、扣村、赵家堡。

表1 南排河评估河段划分表

(2)数据来源(如表2)

3.2 指标选取与指标体系构建

南排河河流健康状况,以河流健康内涵为依据,以维持河流健康生命为最终目标。综合考虑各种因素,可分别选择反映河流水文、物理结构、化学、生物、社会服务功能五大方面的14 个指标。(如表3)

本文选取的指标与导则上的指标不完全一致,主要体现在化学完整性不同。其中,将水质优劣程度、底泥污染状况、水功能区达标率分别换成溶解氧状况、耗氧有机物污染状况、重金属污染状况。取消了入河排污口布局合理程度指标。

水质优劣程度是以水质指标的具体浓度划分水质类别,通过水质类别整体概况地描述水质的污染情况；水功能区达标率也是以水质的具体情况,按水功能区划研究水质的达标情况。这些均可以由一个水质全指标监测得到体现。但对南排河[29]水系而言,主要污染来源于有机物、N、P 等耗氧有机污染物；且长期持续性的全指标监测具有较大的经济压力。故选取溶解氧状况、耗氧有机物污染状况作为水质状况的评估指标。

底泥中的污染一方面包括常规的N、P、COD 等,可通过与水体的传质作用释放到河水中,在对河水的水质监测中得到体现；另一方面由于经过城市、收集部分生活、工业污水,经过多年的沉积导致重金属超标,可将沉积物中的典型重金属污染状况作为另一个健康评估指标。

3.3 指标权重赋值

南排河评估指标的权重设置,是在参照《SLT973-2020河湖健康评估技术导则》的基础上,根据各个指标与评估标准的差异以及各个指标的对于河流自然生态完整性和社会服务功能完整性的相对重要性,在反复对比和权衡的基础之上确定的。

R1、R2、R3、R4、R5 的指标权重依据导则。具体在各指标层的选取采用主观赋权法。

在R1 中,满足河流的生态基本流量是河流恢复健康的最为重要的一步,赋予了较高的权重。

在R2 中,水体的流动差会导致缺氧,影响动植物生存；严重时,威胁整个河流生态系统。所以,河流的纵向连通指数是物理结构的最重要指标因素,给予较高的权重。而河岸稳定性、河岸带植被覆盖度、人工干扰程度虽然也会影响到河流的生态健康,但影响是局部的,权重较低一些。

在R3 中,在化学准则层中,耗氧有机物污染状况是最能反映河流污染的指标。耗氧有机物污染与溶解氧的状况成正相关,故给予同等重要的权重。重金属污染进入人体会严重影响人体健康,考虑到南排河不是供水河流,因此给予相对较小的权重。

在R4 中,大型底栖无脊椎动物生物完整性指数和鱼类保有率都是表征生物完整性的重要指标,其重要性难分大小,因此给予相同的权重。

在R5 中,排沥功能是南排河的主要功能,必须给予较大的权重。故公众满意度体现河流为人们提供的生态服务功能,是附加的功能,赋于较小的权重。

4 结果分析

参照南排河河流健康评估指标赋分与评估结果如表5所示。根据南排河健康评估指标体系和各个指标的权重计算得南排河综合评分56.43(40≤综合评分≤60 为亚健康)。其中,水资源开发利用率、河岸稳定性、河岸带人工干扰程度、溶解氧状况、重金属污染状况、防洪指标、公众满意度指标赋分均大于60 分；流量过程变异程度、生态流量满足程度、河流纵向连通指数、耗氧有机物污染状况、鱼类保有率指标赋分均小于25 分。水量少、水质差是南排河存在的主要问题。

评分较高的指标包括水资源开发利用率、防洪指标、公众满意度、溶解氧。其中,防洪指标为满分,这符合南排河的排沥功能定位。两岸绿植、草地繁茂,空气清新,可能是公众满意度高、水体中溶解氧高的直接原因。另外,基于周期性排沥、干涸的事实,南排河不具备给周边水厂稳定供水的能力,故水资源开发利用率低。

得分较低的流量过程变异程度、生态流量满足程度、河流纵向连通指数、耗氧有机物污染状况、鱼类保有率指标中,流量过程变异程度、生态流量满足程度均与出现的断流情况有关。

从地理分区上来讲,华北地区的河流主要依靠降雨补给。受气候影响,夏季气温快速回升、水体蒸发；且夏忙时,农业需水量大[30]。从海河流域上来讲,海河流域的年降水日数、年降雨量呈缓慢下降趋势。致使河流径流量快速枯竭,形成断流[31]。

表5 指标赋分与评估结果

图2 南排河健康评估雷达图

而耗氧有机物污染严重,则与河北地区工业的高速发展有关,极大地增加了水污染物排放总量[32]。河流纵向连通率低会促进水质的进一步恶化,应引起重视。河北属于严重缺水地区[33],河道流量少甚至断流,会导致水中的悬浮物沉降,处于缺氧的状态,进一步恶化水质。

5 结束语

(1)采用分级指标评分法构建了健康评估指标体系；依据各指标对南排河健康状况的贡献大小,选取主观赋权法给各个指标赋权重。南排河总体评分结果为56.43 分,河流健康状况为亚健康。南排河的主要特征是水质差、流量小,长时间断流。(2)南排河穿越沧州多个县区,收纳部分城市生活污水,是导致水质差、耗氧有机物污染严重的主要因素。而间断性的断流,河道上的水利工程减缓水流速度、阻隔水体中氧气、营养物质等的传递,是助长水质恶化的又一推手。由于流域所属的气候,夏涝冬涸是南排河流量的常态。是生态基流得不到满足、流量过程变异程度大的罪魁祸首。(3)在水量较少的断流季节引水入南排河,满足最低的生态流量可有效地保障河流生态系统的稳定；同时可稀释水体中耗氧有机物含量的浓度,使水质得到些许提升；还能促进河流生态系统中,生物物种的迁徙及水流与营养物质的传递。在水量充沛的多雨季节,应有计划地开闸,充分利用洪水的动能清除河底的淤泥,带走黑臭物质,提高水质。