生态补水后永定河北京山区段河流生境质量评价

莫 晶，杨青瑞，彭文启，骆辉煌，黄钰玲，白 雪，陈冬红

(中国水利水电科学研究院水生态环境研究所，北京 100038)

河流生境是河流水生动植物生存栖息地与邻近环境的综合环境，对水生生态系统及相邻陆域生态系统物质循环、能量流动和信息传递具有重要作用，是维持河流生态系统稳定性、平衡性、保持河流生态健康的必要因素[1-5]。近年来，在全球气候变化和人类活动干扰的双重影响下，全球河流水量、水质和物理结构均发生了不同程度的变化，使生物群落组成发生改变，导致了河流生态系统逐渐退化、生物多样性降低[6,7]。随着河流水环境问题和水资源短缺等问题的日益突出，充分掌握河流的生境、水质等信息，开展河流生境质量评价，不仅有助于认知河流的健康程度、探寻导致河流生态系统功能破坏的本质原因[8]，还能够为河流生态治理与恢复及河流生态健康管理提供科学基础[9,10]。

河流生态系统生境恢复与重建是河流生态修复的关键[11]，随着人们对河流生境质量重要性意识的提升，以及河流管理方式逐渐从水质控制、水量调节向全面的河流水生态系统保护和修复方向的转变[12]，河流生境评价得到了广泛重视。评价指标的合理性将直接影响河流生境质量评价的结果，目前世界上还未有统一的河流生境质量评价标准，主要由于每个地区、流域或河流都有其独特的自然和功能属性。自20世纪80年代以来，世界各国根据本国河流生境的实际情况，开发出了一系列各具特色的河流生境评价理论与方法，如美国生物快速评价方案(RBPs)[13]、欧盟水框架指令(WFD)[14]、英国的河流生境调查(RHS)[15]、澳大利亚的溪流状况指数(ISC)[13]、河流形态结构框架法(GRS)[13,16]、瑞典的农业景观区域河岸带与河道环境评估方法(RCE)[13,17,18]、多指标评价方法(MMIs)[19]和南非的河流健康计划(RHP)[20,21]等，评价研究主要关注河流生境评价、河岸生境评价、形态学评价和水文形式变化评价等方面[22,23]，且方法多适用于人类干扰程度较小的自然河流生境[24]。结合国外相关研究，我国学者根据各地实际，改进和调整了评价指标，并开展了相关实证研究，刘华等[25]人和曾鹏等[24]人都对太湖流域不同河段进行了生境调查，并建立了一套相应的生境评价体系；萨茹拉等[26]人在对北京市延庆区妫水河生境调查基础上，构建了能综合反映北方缺水干旱特点的河流生境评价指标体系；刘培斌等[27]人在对北京山区典型河流的生态状况调查基础上，提出了适于山区河流生态系统健康评价的方法，并在北京拒马河进行了应用。

永定河北京山区段是永定河入京的第一段，对区域水源涵养和生态系统健康维护具有重要作用。自20世纪70年代以来，受长期以来水资源过度开发等多种因素影响，该段河道曾一度断流，生态系统功能退化，严重影响了地区的可持续发展，目前已成为京津冀地区广泛关注的问题。而近年来，海委多措并举着力打造永定河绿色生态河流廊道，不断夯实京津冀协同发展生态保障。自2017年以来，海委组织山西省和河北省相关水库向下游永定河下泄水量逾1.7 亿m3，永定河官厅水库以上河段逐渐恢复生机，而永定河北京段生态补水是从2019年3月开始，每年春、秋两季开展永定河生态补水。目前国内外研究和实践中采用的评价方法和指标体系对北京山区段生境质量评价具有十分重要的指导意义，但鉴于生态补水影响下的北京山区段河流生境的特殊性，本研究拟从水陆统筹的角度出发，综合河道生境、河岸生境、滨岸带生境3个方面的指标，完善可以反映该段生境特点的生境质量评价指标体系；确定各层次下的指标评价标准，采用层次分析法计算权重；最后将北京山区段分为3个河段，利用建立的指标体系和方法，对河流生境质量评价开展实证研究，所采用的方法和结果将为永定河北京山区段河流生境质量健康、河流生态恢复和管理提供理论和实践依据。

1 研究区概况

1.1 研究区域

永定河是海河水系最大的一条河流，永定河上游有桑干河、洋河两大支流，两河在河北省怀来县朱官屯汇合后称永定河，注入官厅水库，经官厅山峡，于三家店进入平原。本次研究区范围为北京市界至三家店拦河闸，长约91 km，该段河道平均纵坡3.1‰，河宽70～300 m不等。

研究区属温带大陆性气候区，年平均气温约为12 ℃，极端最高气温37.6 ℃，极端最低气温为-19.5 ℃，无霜期160 d，年平均降雨量为539 mm，降雨多集中在6-8月，占全年降水量的70%以上。研究区土壤种类以山地草甸土、山地棕壤、褐土为主，区域内植被类型为暖温带落叶阔叶林，目前河流两侧原始森林已被破坏，仅存少量的天然次生林，植物种类较多，依海拔高低呈垂直规律性分布。

1.2 调查点设置及调查方法

1.2.1 调查点设置

在全面了解永定河北京山区段河流环境的基础上，结合遥感影像和实地勘察，选取了山区段干流30个调查点开展生境质量调查，同时通过咨询相关专家，根据人为干扰程度将永定河北京山区段划分为3个河段，其中官厅至珠窝水库河段为轻度干扰河段(R1～R8)、珠窝坝下至落坡岭水库河段为中度干扰河段(R9～R23)、落坡岭坝下至三家店水库河段为中度干扰河段(R24～R30)，样点设置及河段划分详见图1。

图1 研究区样点分布图Fig.1 Distribution of sampling sites in Beijing mountain section of the Yongding River

1.2.2 调查方法

河段实地调查于2019年9月进行，每个调查点长度约100 m，河岸带宽约50 m，利用GPS仪确定其经纬度和海拔高度，采用测距仪、流速仪、黑白盘等工具对河流的宽度、坡度、流速、透明度等参数进行测定，其他指标均通过目测法进行判定，同时并拍照作为辅佐记录。

2 永定河北京山区段河流生境评价指标体系的构建

2.1 评价指标体系的确立

参考国内外关于河流生境质量评价指标和标准的相关研究[6,16,24,26-29]，结合山区段所在流域的生态环境特点，建立集河流生境共性问题、河流生境差异性于一体的永定河北京山区段河流生境质量评价的指标体系。评价指标体系设置了目标层、准则层及指标层3个层次，以河流生境评价为目标层，以河道生境、河岸生境及滨岸带生境为准则层，以各准则层的分类特性和特征为指标层。其中河道生境包含6个指标，分别为表观水质、水量、河流深宽比、水生植被盖度、河床底质种类、流速-深度组合；河岸生境包含5个指标，分别为河岸稳定性、河岸植被类型、河岸植被盖度、岸堤坡度、人工护岸类型；滨岸带生境包含2个指标，分别为滨岸带土地利用及人类活动。

2.2 评价标准与指标权重

每项评价指标采用五分制的评分标准进行赋分，生境状况越好，每项评价指标赋予的分值就越高(表1)。采用层次分析法确定指标权重，通过咨询相关专家将各项评价指标进行两两比较，确定其相对重要性并给出判断值，结果见表1。

表1 永定河北京山区段河流生境质量评价指标、权重及评价标准Tab.1 Indicators,weight and their criteria for river habitat quality assessment in the Beijing Mountain Section of Yongding River

2.3 评价方法

本研究采用加权平均法对评价体系的各级指标层进行评分。二级指标(准则层)评分利用加权平均法对三级指标(指标层)得分进行计算，所得结果作为二级指标的得分，公式如下：

(1)

式中：Aa为二级指标得分；Bab为三级指标得分；μBab为三级指标Bab的权重；n代表二级指标总数；m代表各二级指标下的三级指标总数。

同理，利用加权平均法对一级指标(目标层)进行计算，得到河流生境质量指数总得分，为了区分30个调查样点之间的得分差异，将总得分乘以10，计算公式如下：

(2)

式中：W为一级指标得分，此值代表河流生境现状；Aa为二级指标得分；μAa为二级指标Aa的权重；n代表二级指标总数。

参考国内学者采用的生境质量分级方法[6,10,23,26]以及根据本研究最终得分范围，对河流生境质量指数进行等级划分，小于25%分位数值的为极好，位于25%和40%之间的为好，位于40%和55%之间的为一般，位于55%和70%之间的为差，大于70%分位值的为极差(见表2)。

表2 河流生境质量分级标准Tab.2 Classification criteria of river habitat quality

2.4 统计分析

研究中数据处理均在R 3.5.2 软件中完成。采用shapiro.test及ks.test函数分别进行数据正态性检验及方差齐次性检验，对通过正态分布检验及方差齐次性检验的数据采用ANOVA单因素方差分析(aov.mis函数)检验不同河段间生境质量差异，对未满足条件的数据采用Kruskal-Wallis非参数分析(kruskal.test函数)进行差异分析，并采用Nemenyi检验进行均值比较。相关分析中对满足正态分布的参数及不满足正态分布的参数分别采用Pearson相关分析法及Spearman相关分析法。

3 结果与分析

3.1 永定河北京山区段生境质量现状

永定河北京山区段30个样点的河流生境质量指数分值范围为23.2～41.0，河流生境质量总体较好。根据表2河流生境质量分级标准对样点生境质量分级，结果显示30个样点生境质量等级在一般-极好之间，在30个样点中有8个样点生境质量处于极好等级，占26.67%，生境质量指数分值范围为37.5～41.0；生境质量等级为好和一般的样点数均为11个，占总样点个数比例均为36.67%，生境质量指数分值范围分别处于30.7～37.4、23.2～29.8；在所有调查的样点中，无差和极差等级的样点(表3)。

表3 河流生境质量评价结果Tab.3 Result of river habit quality assessment

从河流生境质量分级的河段分布来看，生境质量为极好等级的样点分布在官厅至珠窝水库河段及珠窝坝下至落坡岭水库河段，个数分别为6个、2个，分别占所在河段样点总个数的75%、13.34%，此类型河道内水量丰沛，水生植被盖度较大，河岸多保持了自然或近自然状态，植被覆盖度高且植被类型多样，由于多靠近北京与河北的交界地带，人为活动干扰较小。

生境质量为好等级的样点主要分布在官厅至珠窝水库河段及珠窝坝下至落坡岭水库河段，个数分别为2个、9个，分别占所在河段样点总个数的25%、60%，此类型中多数河道的水量充足、河水清澈，河道内和河岸均无明显污染，河岸植被覆盖度高，但少数的滨岸带被农田占用，周围的村庄、道路、旅游等对生境产生了一定的干扰。

生境质量为一般等级的样点分布在珠窝坝下至落坡岭水库河段及落坡岭坝下至三家店水库河段，个数分别为4个、8个，分别占所在河段样点总个数的26.67%、100%，此类型河道处于山峡段到平原段的过渡地段，滨岸带土地利用方式多样，小规模型的村镇开始出现，河道的生境类型较为单一，生态护岸和人工护岸的比例较高，但由于河岸植被覆盖和水量等保持较好，人类活动造成的污染较少。从等级分布上来看，河道生境质量官厅至珠窝水库河段要优于其他两条河段，且随着人为干扰程度的增加，生境质量呈降低的趋势。

图2 不同河段河流生境质量分级Fig.2 Class of stream habitat quality for different river reach

3.2 不同河段河流生境质量空间差异

由图3和表4可以看出，不同河段河道生境、河岸生境、滨岸带生境的得分在空间上均表现为官厅至珠窝水库河段>珠窝坝下至落坡岭水库河段>落坡岭坝下至三家店水库河段，且在空间上具有显著差异。通过准则层权重的计算得出官厅至珠窝水库河段、珠窝坝下至落坡岭水库河段、落坡岭坝下至三家店水库3个河段的河流生境质量平均值分别为38.83、32.78、26.11，不同河段的河流生境质量差异显著。

图3 不同河段准则层指标得分Fig.3 Scores of normal level in different river reaches

从评价指标的方差分析结果来看(表4)，在涉及的13个评价指标中，不同河段在宽深比、水生植被盖度、流速-深度组合、河岸植被类型、坡度、人工护岸类型、滨岸带土地利用、人类活动等指标上存在显著差异，在水质、水量、河床底质种类类型、河岸稳定性、河岸植被盖度等参数指标上差异不显著。结合表5不同河段下生境质量多重比较的结果进行分析，在河道生境方面，官厅至珠窝水库河段的宽深比、水生植被盖度、流速-深度组合显著优于落坡岭坝下至三家店水库河段，珠窝坝下至落坡岭水库河段的水质显著优于落坡岭坝下至三家店水库河段；在河岸生境方面，官厅至珠窝水库河段的河岸植被类型与人工护岸类型显著优于落坡岭坝下至三家店水库河段，在坡度得分上，官厅至珠窝水库河段显著优于珠窝坝下至落坡岭水库河段；对于滨岸带生境的两个指标，官厅至珠窝水库河段均显著优于落坡岭坝下至三家店水库河段。

表5 不同河段下河流生境质量多重比较Tab.5 Multiple comparison of river habitat quality in different river reaches

表4 不同河段生境质量参数方差分析Tab.4 ANOVA results of river habitat quality parameters in different river reaches

3.3 河流生境质量与水质状况相关分析

河流生境质量与河流水质之间有密切的关系，水体理化指标或参数容易受河流生境质量变化的影响。对生境质量指标与水质状况指标开展相关分析的结果表明：在目标层和准则层，除河道生境外，生境质量指数、河岸生境、滨岸带生境多与DO呈显著正相关，与TP呈显著负相关，表明河流水质状况与河岸和滨岸带密切相关。从河道生境评价指标来看，水质与DO呈显著正相关，与pH、COD呈显著负相关，流速-深度组合与TP呈负相关，与DO、COD呈显著正相关，宽深比、河床底质种类类型只与个别水质指标呈显著相关性，可能是由于近年来河流生态修复工程以及生态补水等措施造成了河道内参数发生了复杂变化。从河岸生境评价指标来看，人工护岸类型与TN、TP均呈现显著负相关，河岸植被类型与TP呈负相关，说明自然或近自然河岸以及植被配置合理的生态护岸可有效地消减TN、TP，从而起到改善河流水质的作用。从滨岸带生境评价指标来看，河岸土地利用、人类活动与DO呈显著正相关，与TP呈显著负相关，说明不合理的人类活动和土地配置会影响河流水质。

表6 生境质量指标与水质状况相关分析Tab.6 Correlation coefficient between habitat quality index and water quality index

4 讨 论

永定河大规模生态补水后，对河流生境质量恢复、生态功能改善起到了积极作用，水量、水质和物理结构变化导致了生物群落组成的变化，从而推动水生态环境逐渐改善，生物多样性增加，对生态补水后的河流生境质量开展评价不仅有助于总结生态补水的成效，还能诊断生态保护修复工作中的不足，对提升整体生态修复成效具有更深层次地理论和实践意义。目前我国河流生境质量评价指标体系还未统一，国内学者结合河流地形地貌[30]、水文背景[26]、城市化背景[31]或重大工程背景[23,28]等，建立和完善了河流生境质量评价体系，并开展了广泛的实践研究，但以往研究很少针对生态补水后的河流生境质量的指标体系与方法。相较于其他河流的生境质量评价，本研究在指标体系构建方面综合考虑了水域与陆地，同时结合了岸上与岸下，在突出生态补水水量、水质等方面改善同时，兼顾了河岸植被、人为等因素的影响，构建了集河道生境、河岸生境、滨岸带生境于一体，能够综合反映长期断流河流生态补水特点的河流生境质量评价体系。研究共调查了3个河段的30个样点，其中生态补水前生境质量为一般、较差和极差等级的样点分别为4个、24个、2个，总体上呈现较差的趋势，生态补水后26.67%的样点生境质量为极好等级，生境质量为好和一般等级的样点占比均为36.67%，无差和极差等级的样点，表明生态补水后永定河北京山区段生境质量整体状况较好，通过改善河道生境增强生境质量的效果显著。

从河流生境质量分级与生境质量指标不同河段的分布结果可以看出，总体上河流生境质量极好的河段主要位于官厅至珠窝水库河段，生境质量好的河段主要位于珠窝坝下至落坡岭水库河段，生境质量一般的河段主要位于落坡岭坝下至三家店水库，除水质、宽深比、水生植被盖度和流速-深度组合等由于生态补水导致的水文情势和水生植被覆盖变化引起的指标外，河岸植被类型、坡度、人工护岸类型、土地利用变化及人类活动等指标的空间差异导致了河流生境质量等级的差异。结合生境质量指标与水质状况指标的相关分析结果可以看出，生态补水后北京山区段河道生境质量改善效果明显，河岸植被多样性、人类活动、土地利用方式等不仅对生境质量具有重要影响，同时对河流水质起到了主导作用。因此，对于官厅至珠窝水库河段和珠窝坝下至落坡岭水库河段中生境质量为极好的区域，生态管理措施重点为维持现有生态管理和保护修复措施，减少人为因素的干扰；对于2个河段中生境质量好的区域，应加强河岸植被近自然抚育，改造河岸植被结构，将部分区域人工护岸改为生态护岸，同时加强空间管控，退出滨岸带农田，减少人为干扰。对于生境质量一般的落坡岭坝下至三家店水库河段应加强人工护岸的改造力度，降低河岸硬质化程度，修建多种植被类型，改善河岸植被结构，加强对因经济建设活动引起的人为扰动的管控。

5 结 论

参考国内外有关河流生境质量评价的相关研究，结合永定河北京山区段生态补水背景，本文构建了永定河北京山区段河流生境质量评价的指标体系和方法，并开展了实证研究。从评价结果看，该指标体系能够合理、有效地反映永定河北京山区段生态补水后的河流生境质量现状，并能够有效探索当前河流生境质量提升路径。

永定河北京山区段30个样点的河流生境质量指数分值介于23.2～41.0之间，其中有8个样点生境质量处于极好等级，占26.67%，生境质量等级为好、一般的样点数均为11个，占总样点个数比例均为36.67%，无差和极差等级的样点。

无论是生境质量指数还是表征生境质量状况的河道生境、河岸生境、滨岸带生境，均表现为官厅至珠窝水库河段>珠窝坝下至落坡岭水库河段>落坡岭坝下至三家店水库河段，说明随着人为干扰程度的加剧，生境质量呈下降的趋势。

除由生态补水引起水文情势和水生植被覆盖等指标变化外，人类活动、土地利用方式、河岸植被结构、河岸护坡类型等对生境质量及水质影响较大，在下一步生态保护修复工作中，应更加注重河道与河岸以及滨岸带的水陆统筹联系，减少人为因素的干扰，改善土地利用模式，修建生态护坡，改善河岸植被结构，增加覆盖率，发挥岸上与岸下的联动作用。

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