基于生态完整性和社会服务功能的柏条河-府河河流健康评价

席浩郡 袁一斌 昝晓辉 李天宏,†

1.北京大学环境科学与工程学院, 北京 100871; 2.国家环境保护河流全物质通量重点实验室, 北京 100871;3.成都市环境保护科学研究院 成都 610072; † 通信作者, E-mail: lth@pku.edu.cn

河流是地球上物质循环和能量迁移的主要通道, 河流的健康状况对人类健康和社会经济发展有重要影响[1]。河流系统的结构和功能会因自然与人类活动的作用而不断发生时空变化, 一旦这些变化超出河流系统自身负反馈调节能力, 河流健康就会受到损害[2]。因此, 如何以维护河流健康为目标对河流进行科学管理, 是一个亟待解决的关键问题。“河流健康”一词最早由 Scrimgeour 等[3]提出, 认为河流健康管理中应该关注生态系统的完整性。健康的河流应该是稳定、完整、充满活力和有弹性的[4]。随着社会的发展, 河流健康管理关注的对象由自然生态系统转到受人类主导的社会–经济–自然复合生态系统[5], 认为健康的河流除要符合所在流域特征的结构、功能和生物多样性, 对长期或突发的扰动能保持弹性、稳定性以及一定的自我恢复和适应能力外, 还能持续地为人类提供社会经济服务功能,包括供水、通航、行洪、输沙、科研文化和景观娱乐等[6]。

河流健康评价是河流健康管理的重要依据, 通过建立指标体系, 对河流现状和问题进行评价和诊断, 从而确立河流生态修复的目标, 并对修复过程进行监控, 为河流管理提供信息支撑。近年来, 河流健康评估方法的研究已经取得很大的进展, 学者们提出许多方法进行河流健康评价[7], 包括欧盟水框架指令(WFD)、美国快速生物评价规程(RBPs)、澳大利亚溪流状况指数(ISC)、英国河流无脊椎动物预测分类系统(RIVPACS)和南非河流健康计划(RHP)等。河流健康评价的方法一般分为生物指标评价法和多指标综合评价法。生物指标主要包括浮游植物、浮游动物、底栖无脊椎动物和鱼类等水生生物, 能够较好地反映水体健康的物理、化学和生物效应[8]。在河流水生生物的监测中, 环境 DNA(eDNA)分析是一种快速且成本低效益高的生物多样性监测工具, 克服了传统取样的局限性, 采样简便, 分析准确度高, 在水生生物保护和管理方面有巨大的应用潜力[9]。例如, Li 等[10]采用环境 DNA宏条形码技术, 揭示长江与太湖流域河流水质与生态健康。然而, 由于社会–经济–自然复合生态系统的复杂性, 在空间和时间上均具有多样的变量函数,因此需要采用多指标综合评价的方法为河流生态系统提供更加全面的评价。多指标综合评价指标体系通常包括物理形态、水质、水文、水生生物和河岸带等指标, 所选指标的原始数据可以通过历史资料分析、实地调研监测和遥感、GIS 等手段获得, 再通过层次分析法、模糊综合评价法、数据包络分析、灰色关联分析法和人工神经网络等[11]多种数学方法进行评价。

成都平原岷江内江水系是自然条件和人类活动综合作用的结果。近几十年来, 快速城市化和经济发展过程中, 人类活动对河流水系的影响尤其明显,这些河流水系属于典型的社会–经济–自然复合生态系统。当前, 流域面临断面水质达标不稳定、水资源开发强度大、水生态系统整体性需提升等问题。因此, 本文以流域中典型河流柏条河–府河为研究对象, 采用多指标综合评价指标体系, 建立满足河流生态系统完整性和人类服务需求的河流健康评价方法, 分析不同河段河流健康水平和空间变化特征,以期为成都平原河流的可持续管理提供科学依据,并为其他深受人类活动影响河流系统的健康评价探索新方法。

1 研究区概况

锦江流域, 又称岷江内江流域, 位于四川省成都市中部, 地势西北高、东南低, 总面积约为 2380 km2。岷江是长江上游的一条重要支流, 经都江堰水利工程分为内、外二江, 内江通过宝瓶口流入成都平原, 从天府新区黄龙溪出境, 流域概况如图1所示。研究区属于亚热带湿润季风气候区,年平均气温为 17ºC,年降水量约为 860 mm, 季节分配不均, 主要集中在 6—9月。锦江流域是成都市社会经济最集中的区域, 包括都江堰市、温江区、郫都区、双流区和天府新区成都直管区等 11个区。流域内人口密集, 常住人口约占全市总人口的 45%,全 流 域 GDP 为 1.03×104亿元 , 约占全市 GDP 的60%。研究区域内土地类型多样, 以耕地和建设用地为主, 分别占 52.4%和 41.5%。

图1 研究区位置Fig.1 Location of study area

柏条河是都江堰内江四大干渠之一, 是成都市自来水六厂、七厂的主要水源河道。府河是古代成都通往中国沿海的黄金水道, 根据《成都港总体规划》(草案), 成都港将成为四川省的重要港口, 主要发展旅游客运, 兼顾发展水上公交。府河亦汇合了成都市境内其他的河流, 包括南河、沙河和江安河等。

2 研究方法

2.1 河流健康指标体系构建

河流健康评价指标体系应遵循系统性、完备性和可操作性相结合的原则[12]。本研究将河流健康评价设计成目标层、准则层和指标层的层次结构,目标层为“河流健康”, 基于健康河流应具备的生态环境功能和社会经济服务功能, 选取生境特征、生物群落和社会服务为准则层。每个准则层由若干状态层构成, 每个状态层由一个或若干具体指标进行表征。本文中指标参考水利部《河湖健康评估技术导则》[13]和文献[11–12,14–21], 结合流域特征, 共选取 16个评价指标, 建立河流健康评价体系。表1给出各个指标的计算依据和量化法。

表1 河流健康评价指标体系Table 1 Index system of river health assessment

2.1.1 生境特征

生境特征主要表现在河流水文、水质和物理结构上, 其中物理结构包括河流本身的形态、河岸带的形态以及河流周边的土地利用。生态需水满足程度反映河流水资源配置时生态用水的保障程度, 决定着河流系统的稳定性和多样性, 是河流生态健康的核心[22]。因此, 选择生态基流满足程度作为水文评价指标。由于锦江流域河流的流量受人类影响剧烈, 大部分水文测站已不能反映天然径流的状况,且不能有效地进行还原计算, 故水文变异值不纳入评价指标。水质指标中采用流域主要污染物的水质综合指数反映河流的污染程度, 对内江流域地表水的水质指标进行筛选, 识别出主要污染物为氨氮、总磷和化学需氧量。此外, 采用溶解氧含量来反映河流生态系统的自净功能。水质监测断面位置如图1 所示。

选取河流纵向连通性作为河流形态指标, 用来表示生物、物质、能量在河流纵向上运移的通畅程度, 使用 Google Earth 软件计算单位河长内影响河流连通性的建筑物或设施数量[16]。河流生态缓冲带是河流生态系统的重要载体, 缓冲带生态修复是《“十四五”重点流域水生态环境保护规划》的重要工作。因此, 选取河岸带稳定性、河岸带植被覆盖率和河岸缓冲带宽度作为河岸缓冲带指标。人类活动对河流生态系统的影响越来越深刻, 而土地利用强度是河流生态系统健康的第一位驱动因素[23]。因此, 利用 ArcGIS 10.6 计算土地利用强度, 表征由自然因素和人为因素对河流健康双重作用的结果。

2.1.2 生物群落

生物群落与生境的统一性是生态系统完整性的基本特征, 生物群落是生态系统的主体, 生境是生物群落的生存条件[24]。藻类、底栖生物和鱼类都是河流健康评价的重要指示物种, 对水生生态系统的物质循环、能量流动及维持生态系统平衡起重要作用[25]。Shannon-Wiener 指数综合考虑群落的丰富度和均匀度, 数值越大, 表明群落结构的复杂程度和稳定性越高, 生物多样性越高[8]。本研究依托北京大学构建的以环境样品遗传物质 eDNA 为核心的水生生物监测技术, 获取研究区域内藻类以及底栖动物和鱼类生物群落的多样性与结构特征, 并采用Shannon-Wiener指数表述藻类、底栖生物和鱼类多样性状况。采样点位置如图1 所示。

2.1.3 社会服务

本文采用防洪工程措施达标率来表征河流的输水泄洪功能, 采用水资源开发利用率和万元 GDP用水量来表征河流的供水功能。水资源开发利用率是判断人类开发利用的水资源是否挤占生态用水的重要标准, 万元 GDP 用水量反映人类对水资源的利用效率[23], 这两个指标从不同方面间接地反映供水功能及其所受人类社会活动的影响。采用公众满意度和水文化传承载体数量分别反映河流的景观娱乐功能和文化传承功能。

2.2 河流健康评价模型

根据河流健康评价体系, 确定各单项指标的现状值。根据河流健康评价指标评价标准, 将各指标现状值进行量化打分, 优、良、中、差和劣 5个级别分别对应量化分值 5, 4, 3, 2 和 1。各指标划分方法包括: 1) 采取现有国家、地方、行业标准或国际标准; 2) 结合相关文献中相似研究区域的指标分级情况; 3) 专家咨询。表2 给出各指标赋值标准。

表2 河流健康评价指标赋值标准Table 2 Evaluation standard for river health

生境特征、生物群落和社会服务均是河流健康的主要组成部分, 因此, 本研究采用等权的综合指数法进行健康评价, 认为生境特征、生物群落和社会服务的权重相同, 每个准则层内的健康指标权重相同。采用综合评价模型计算河流健康评价指数(River Health assessment Index, RHI), 计算公式为

式中,Ii为第i个指标的得分值,wi为第i个指标的权重。

将河流健康评价结果划分为健康、亚健康、中等、亚病态和病态 5个等级, 见表3。

表3 河流健康状况等级划分表Table 3 Classification of river health status

2.3 河流分段

在河流健康评价中, 对于大中型河流, 由于涉及面积广, 自然条件和社会经济背景差异大, 需要对河流进行分段评价[28]。结合流域地貌形态、水文分区、水功能分区、土地利用状况和行政区划等, 将锦江流域的柏条河–府河河流分为 4 段(图1),从上游到下游依次为柏条河(I)、府河上游(II)、府河中游(III)和府河下游(IV)。

从图2 可以看出, 不同河段间生境特征指标和社会服务指标差别较大, 生物群落指标差别较小。柏条河 N4, N10 和 N11 的赋值小于 3, 府河上游 N4,N12 和 N13 的赋值小于 3, 府河中游 N4, N8, N11 和N13 的赋值小于 3, 府河下游 N4, N10, N11, N12 和N13 的赋值小于 3。

图2 指标层得分Fig.2 Health score of index layer

3 结果与讨论

3.1 单项指标评分

对评价河段的健康评价指标进行计算, 不同河段指标赋值情况如图2 所示。

3.2 准则层评价结果

3.2.1 生境特征

利用综合评价模型计算各河段准则层的健康指数, 结果如图3 所示, 可以看出, 柏条河–府河生境特征的健康指数取值范围为 3.38~4.25。从河流健康分级情况(图4)可以看出, 除柏条河的生境特征评价等级为健康以外, 其余河段的生境特征评价等级为亚健康。

图3 柏条河-府河河流健康评价指数Fig.3 RHI of Baitiao-Fu River

图4 柏条河-府河河流健康状况分级Fig.4 Health status classification of Baitiao-Fu River

从水文指标看, 各评价河段的生态基流满足程度均大于 90%, 评价等级为优。从水质指标看, 柏条河–府河河流断面水质综合指数范围为 0.43~1.20,府河中下游断面的水质最差, 主要超标污染物为氨氮和总磷。出现这种结果的主要原因是府河中下游流经全市人口最为密集、商业最集中的中心城区,南河、沙河、江安河和鹿溪河等支流沿程依次汇入。由于流域产污量大以及周边区县的污水收集处理率不高, 导致城镇生活直排污水成为污染物的主要来源。此外, 受到降水影响, 雨季时非点源污染负荷增加, 导致河流污染物通量增加。府河设置较多的水闸和橡胶坝, 河流纵向连通性破坏严重, 对洄游鱼类造成严重影响[29]。唐家璇等[16]对长江流域河流纵向连通性特征进行分析, 结果表明, 近 60年来河流纵向连通性呈现明显下降趋势, 评价等级为劣的河流主要为岷沱江、嘉陵江和洞庭湖水系,与本文对锦江流域中柏条河–府河的评价结果一致。结合实地勘查结果与遥感影像目视解译, 对河岸带稳定性、护岸类型、河岸带植被覆盖率以及河岸缓冲带宽度进行分析。

柏条河以自然土质岸坡为主, 河岸稳定性评价结果为“良”, 植被覆盖率大于 75%, 缓冲带宽度 30 m。府河上游以自然土质岸坡和生态护岸为主, 稳定性较好, 植被覆盖率为50%~75%, 缓冲带宽度范围为 20~50 m。府河中游位于中心城区, 河流护岸以直立式浆砌石护岸为主, 河道渠化明显, 稳定性强, 植被覆盖率为 50%~75%, 河流临近道路, 缓冲带宽度范围为 2~15 m。府河下游以自然土质岸坡为主, 植被覆盖率大于 75%, 左右两岸的缓冲带宽度均在 20 m 以上。但是, 受降水冲刷和水土流失的影响, 河岸稳定性为河段中最差。

沿河流的两岸向外延展 1 km[11]作为缓冲区, 通过对遥感图像进行解译, 获得各土地利用类型的面积数据, 各河段土地利用强度指数范围为 3.31~4.88, 府河中游土地利用类型以城镇用地为主(93.1%), 土地利用强度最大。柏条河和府河下游土地利用类型以耕地和农村居民点为主, 土地利用强度较小。

3.2.2 生物群落

采用环境 DNA (environmental DNA, eDNA)技术, 对柏条河–府河采样点的藻类、底栖动物和鱼类的生物多样性进行分析。在流域中检出藻类 15门 35 纲 76 目 127 科 197 属 329种 , 硅藻门(Bacilla

riophyta)、绿藻门(Chlorophyta)和隐藻门(Cryptophyta)在空间分布中占主要优势。流域中有底栖动物共 6 门 8 纲 22 目 66 科 139 属 192种, 优势科主要为摇蚊科(Chironomidae)、水螅科(Hydridae)和水虻科(Stratiomyidae)等。流域中的鱼类都属于脊索动物门条鳍鱼纲, 共 7 目 20 科 28 属 33种, 优势属主要为鲤属(Cyprinus)、颌须鮈属(Gnathopogon)和云南鳅属(Yunnanilus)等。

从图3 可以看出, 柏条河–府河生物群落的健康指数取值范围为 2.67~4.00, 府河上游的生物群落评价等级为健康, 柏条河和府河中游的生物群落评价等级为亚健康, 府河下游的生物群落评价等级为中等。从各断面的环境 DNA 检测结果看, 所有点位的藻类多样性等级都在“中等”以上, 66.7%点位的底栖动物多样性等级在“中等”以上, 16.7%点位的鱼类多样性等级为“中等”, 其余点位鱼类多样性等级为“差”。总的来说, 多样性指数较低的点位多位于府河中下游, 且多样性指数有随距离增加而衰减的趋势, 但变化幅度不大。

与文献[30]对比, eDNA 技术相较于传统形态学可以识别出更多的物种, 促进研究人员对复合生态系统的理解。此外, 要真正了解流域内物理因子(温度和流速等)、化学因子(溶解氧、氮磷和重金属等)、生物因子(种内种间的竞争和捕食)和人为干扰(城市化以及闸坝建设)等对物种多样性和功能完整性的影响机制, 需要与传统形态学方法相结合, 获得更全面的生物信息, 并需要进行多次采样调查分析。

3.2.3 社会服务

从评价结果看, 柏条河–府河社会服务的健康指数取值范围为 3.40~4.20, 柏条河和府河中游的社会服务评价等级为健康, 府河上游和下游的社会服务评价等级为亚健康。

对于防洪指标, 中心城区的防洪措施达标率已达到 100%, 府河上游和下游区域河段的防洪措施达标率均小于 60%, 堤防建设长度仍有待加强。对于供水指标, 根据《成都市水资源公报》计算, 柏条河、府河上中下游的水资源开发利用率分别为35%, 143%, 332%和 93%, 府河的水资源开发利用率超过国际公认的 40%的开发利用红线[31]。柏条河以及府河上、中、下游的万元 GDP 用水量分别为 52.2, 46.5, 9.3 和 39.9 m3, 除柏条河的评价等级为良外, 其他河段的评价等级为优。流域内水资源可利用量包括本地水和岷江过境水, 而本地水资源时空分布不均: 在时间分配上, 丰水期和枯水期悬殊较大, 季节性缺水严重; 在空间分配上, 径流深由西北向东南递减, 缺少调蓄设施调节天然径流[32]。岷江过境水资源丰富, 弥补了本地水资源的不足。但是, 受全球气候变化和人类活动的影响, 河流水文条件发生较大的变化, 岷江上游来水减少[33]。

对于文化传承指标, 根据《成都市城市总体规划(2016—2035)》[34], 锦江流域河流具有丰富多样的水文化。因此, 评价河段的水文化传承体数量等级均为优。受数据限制, 仅从水文化传承载体数量对河流文化功能进行评价具有一定局限性, 从水文化传承、发展和创新等方面对河流文化功能进行量化是未来研究的发展方向。对于景观娱乐指标, 通过分发问卷, 对柏条河-府河的公众满意度进行调查。调查内容包括水质、水生态、岸线卫生、植被绿化和水文化宣传等, 共收回 51 份有效问卷, 公众满意度范围为 76.0%~98.0%。其中府河上游平均公众满意度最高(96.0%), 府河中游的公众满意度最低(81.7%)。在社会–经济–自然复合生态系统中, 河流景观娱乐功能受多种因素影响。后续研究中应从景观格局异质性和连通性、舒适宜居设施以及自然景观保护设施等方面进一步完善河流景观娱乐功能评价指标。

3.3 河流健康综合评价结果

本研究充分考虑河流健康内涵和特征, 构建基于生态完整性指标和社会服务功能的河流健康评价指标体系, 较全面地反映河流系统自身运行状况和社会服务水平。所选各项指标的原始数据可以通过实地调研监测、遥感、GIS 和环境 DNA 等手段获得, 具有简洁明了、计算方便的特点。河流健康综合评价结果(图3 和 4)表明, 各评价河段的健康指数 RHI 范围为 3.23~3.82, 根据各河段长度占总河长的比例, 确定权重, 得到柏条河–府河的 RHI 为3.55, 整体上处于亚健康水平, 尚未实现“人水和谐”的目标。柏条河的河流健康状况最好, 接近健康水平, 生境特征、生物群落和社会服务的健康状况均在“良”以上。由于柏条河是成都市的重要饮用水源地, 水资源保护、水生态保护等基础设施均优于其他河段。府河上游和中游健康状况为“亚健康”, 府河下游的健康状况最差, 接近中等水平, 其中生物群落的评分最低(2.67)。

总体来看, RHI 从上游到下游呈现沿程降低的趋势, 上游的健康状况明显好于中下游, 反映不同河段的河流健康水平存在空间异质性, 表明人类活动对河流系统健康状况造成影响。欧阳莉莉等[35]选取水质、生境和生物指标对 2016年成都市河流健康状况进行评价, 结果表明岷江上游河流的生态环境状况良好, 中下游河流生态健康状况等级为差或很差。评价结果与本文结果的趋势大体上一致,也说明几年来这一趋势仍未改变。此外, 本文在生态完整性的基础上增加了社会服务功能指标, 从复合生态系统的角度说明河流的健康水平, 本文的评价结果更接近实际情况, 具有较强的适用性与可靠性。

4 结论与展望

4.1 结论

本文基于河流健康的内涵, 构建基于生境特征、生物群落和社会服务的河流健康评价体系, 从定量的角度评价锦江流域典型河流柏条河–府河的健康水平, 主要结论如下。

1) 不同河段间各生境特征指标和社会服务指标差别较大, 生物群落指标差别较小。各河段生境特征、生物群落和社会服务的健康指数范围分别为3.38~4.25, 2.67~4.00 和 3.40~4.20, 其中府河下游有5个指标处于“差”或“劣”的状态。

2) 河流健康综合评价指数范围为 3.23~3.82,健康状况处于亚健康水平。河流健康评价指数呈现从上游到下游沿程降低的趋势, 反映不同河段的河流健康水平存在空间异质性, 表明人类活动对河流系统健康造成干扰。

3) 本文提出的河流健康评价框架采用遥感、GIS 和环境 DNA 等新型技术手段, 评价结果具有较强的适用性与可靠性, 可为柏条河–府河以及该地区类似河流的健康管理提供科学工具。

4.2 展望

河流这一复合生态系统具有复杂的分层等级结构, 评价尺度的不同会导致对河流各组成因素间相互作用规律产生不同的认识。目前, 对河流健康评价的研究大多数以单条河流为主, 因此, 进行河段–河流–流域的多尺度健康评价是未来研究的发展方向。

人类活动是损害河流生态系统健康的主要原因, 基于河流健康评价模型识别影响河流健康的关键因素, 量化人类活动对河流生态系统健康的贡献,揭示流域内人类活动影响河流生态健康的机制, 进而采取针对性的河流保护和修复措施, 也是未来研究的重要内容。

本研究提出的指标体系是一个开放的体系, 在实际应用时, 可根据河流功能、管理需求和人类活动方式等, 对评价指标和权重进行适当的调整与完善。为全面掌握河流健康的变化, 进一步探索河流健康的驱动机制, 需要开展河流全物质通量监测和大数据库建设, 进行长时间序列的河流系统健康动态评价。