河流生态健康评价研究综述

何兴军,李 琦,宋令勇

(1.西北大学 城市与环境学院,陕西 西安 710127;2.山东省汶上县第一实验中学,山东 汶上 272500)

0 引言

水是维持河流生存和发展的物质基础,也是河流发挥其各项功能的介质和动力。人类在谋求自身发展的过程中挤占了河道生态用水,河流生态基流量锐减,时常发生断流现象,特别是近几十年来工农业迅速发展,人口剧增等使大量点源和面源污染物处理不达标或者不经任何处理就直接排入河流,污染物排入河流的量超出了河流的自净能力,河流水质达不到水质功能区的要求,水体发黑发臭、水量减少、湿地削减、水土流失、河道淤积、河床抬高等严重威胁到了河流的生存。河流应有的自然功能和社会功能得不到体现,河流健康问题已经引起世界各国政府及相关学术团体的广泛关注。

联合国环境规划署在对流域面积较大的 25条世界大河进行调查后,在总结报告中指出：世界的大江大河水质欠佳,多数河流水量日益减少,而污染程度则日渐加重[1]。墨累达令河流域大部分河流已经退化,生境破碎,河流水质污染,泥沙淤积,两岸植被削减,农业灌溉用水量增加[2]。农垦、采矿和伐木使得弗雷泽流域土地退化,工农业的发展和人类的干扰污染了河水,过量攫取水资源导致水量锐减,生境解构和环境退化使得生物多样性消失[3]。缺水突出,下游断流频发,水质污染严重,生态退化日趋严重使黄河面临着巨大的生存危机[4]。长江流域存在河道截弯取直、硬化,湿地衰减,森林覆盖度下降,水土流失,生物量减少,防洪能力不足等危及其生命健康的问题[5]。可见,国内外的河流均存在健康问题,人们普遍认为人类活动是导致河流生态系统退化的主要原因。在探索河流健康的道路上,相关学者[6-8]已取得了一定的进展,但每条河流都有其自身的特点,针对渭河健康的评价还较少[9],还需进行更为深入的研究。

1 河流健康的概念

上世纪 80年代,欧洲和北美开始关注河流的生存状况,随后采取了一系列的措施和方法对河流进行保护,河流健康应运而生[10]。美国于 1989年提出了快速生物监测协议(RBPs),并于 1999年对该协议进行修正;英国对河流生境进行了调查,以研究河流生境的自然特征和质量;澳大利亚于 1992年开展国家河流健康计划,目的在于监测和评价河流的生态状况;南非于 1994年制定了河流健康计划[11]。国内是近年才关注河流健康的,唐涛等[12]率先在《应用生态学报》上发表了《河流生态系统健康及其评价》。继而,专家们[13-17]才在这一领域进行深入的研究,提出了许多建议和意见,并进行了实践研究。随后健康黄河、健康长江、健康珠江等概念相继出现在学术期刊中,由此,河流健康在国内逐渐受到各方的重视。

所谓健康,就是研究对象处于良好的状态。美国《水污染防治修正法》将河流健康定义为：河流能够恢复和保持其水体的化学、物理和生物完整性等特征[18]。Norris等[19]认为从河流健康的定义本身并不一定能获得有价值的科学管理河流的信息,而更应关注容易定义的表征河流健康的指标。吴阿娜[20]认为河流健康是指河流系统特定的良好状况,可以作为河流基准状态以及河流管理的目标,在这一状态下,河流系统能够维持其系统结构完整性,充分发挥其自然生态功能,并满足人类社会合理需求,提供相应的社会服务功能。即河流既要有完整的生态结构,还要提供合理的社会服务功能。刘昌明等[17]认为健康河流就是河流在相应时期其社会功能与自然功能能够均衡发挥的河流,表现在河流的自然功能能够维持在可接受的良好水平,并能够为相关区域经济社会提供可持续的支持。

目前,对于河流健康的定义,各方面专家还没有达成共识。但大多数学者认为河流健康应包含两方面的内容：一方面,河流需要求得自身的生存,即河流生态功能的完整性。河流生态系统包括河流生物群落及其水环境,河道水环境是河流生物生存和发展的物质基础,而水生生物也会反作用于河道水环境,净化并维持河道水环境处于良好的状态,两者相互促进,相互依赖,共同维护河流的健康;另一方面,河流必须为人类社会提供服务,这也是人类沿河而居的原因,在不危及河流生存的情况下,河流应具有供水、航运、景观等社会功能;河流社会功能的实现,首先是要求得自身的生存,只有河流处于良好的状态,她才能提供各种应有的功能。河流健康的目标就是要使得二者达到和谐一致,既开发利用了河流,又不威胁到她的生存,最终实现河流价值的最大化。

2 河流健康的评价

河流健康作为河流管理的措施,是河流管理部门对河流进行治理和保护的一种工具,为河流的开发利用提供科学依据,是了解河流所处状态的可靠手段。河流健康评价从不同角度详细阐释了河流受干扰的程度,从整体上把握河流的运行状况,对河流修复具有重大的指导意义。河流健康是一种理念,指导着人们高效地利用河流,使之与人类互利共存。

河流健康评价的方法从原理上可分为两类：一类是预测模型法,有 RIVPACS和 AUSRIVAS等[21,22]。该法是假定河流处于原始状态,预测其应具有的生物量并和实测值进行对比,根据对比结果评判河流的健康状况。但随着社会的发展和人类的进步,河流的原始状态不可能达到,也没有必要达到,且其关注的主要是河流生物,没有涉及到河道、人类福利等方面的内容,因而这种方法的使用受到了其自身缺陷的限制。另一类是多指标评价法,有 IBI,RCE,ISC等[23,24]。该法选用了表征河流健康生命的指标,根据具体河流的特殊状况计算出各指标的现状值,然后采用合适的评价模型对河流进行综合评价。评价结果受指标标准和权重的影响较大,且淹没了单个指标在评价结果中所起的作用,但这一方法能较全面客观地反映河流的真实状态,是一种使用较为普遍的方法,也是河流健康评价方法发展的一种趋势。

2.1 评价河流健康的指标体系

河流健康评价的指标必须与评价河段所存在的问题相切合,这样才能反映河流健康的真实水平,有利于河流的治理和修复。在指标的选取过程中应遵循这样一些原则[25,26]：

(1)科学性原则指标的内涵必须能明确地表达河流的特征,准确地表征河流的各项功能,能够客观真实地描述河流的本质属性,具有一定的实用价值。

(2)代表性原则 表征河流本质属性的指标很多,选择那些能详实有效地反映河流生命特征的指标进行河流健康评价,避免评价指标的冗杂,整个评价过程宜简明。

(3)独立性原则 评价指标不但要全面地反映河流的功能和本质属性,各指标之间还需具有一定的独立性,即各指标的内涵相互独立。指标意义的重复会使河流的一些方面多次参与健康评价,最终影响评价的结果。

(4)稳定性与动态性原则 河流健康是一个动态的概念,所以其评价指标的选取也应是一个动态的过程,但在确定的时间范围内,河流健康评价指标应是确定的,否则评价工作将无法进行。因此,河流健康评价指标的选取是一个稳定性与动态性相结合的过程。

(5)指标定量性与可操作性原则 指标参数应便于获取,可定量化,计算和分析过程易于理解。

不同的河流其指标的选取应有所不同,即使是同一条河流,但在不同的时期其指标的选取也应有所侧重。国外河流健康评价的指标多集中于河流的生态功能方面,Ladson等[23]认为河流健康指标体系应包含五个方面的内容：(1)水文特征,(2)河道形态结构,(3)河岸边带,(4)水质,(5)水生生物。Haase等[27]利用无脊椎动物物种指标(ISI)表征河流的健康,包括：(1)流域土地利用,(2)河道水质,(3)底栖大型无脊椎动物。W asson等[28]认为底栖无脊椎动物是表征河流生态状况最好的指标,并以土地利用(农业、城市用地)和底栖大型无脊椎动物作为河流健康评价的指标。Feio等[29]运用功能性指标对葡萄牙蒙德哥河等河流进行了研究,采用的指标包括非生物变量(物理和化学),功能性变量(落叶分解率,泥沙呼吸率等)和大型无脊椎动物。国内学者在河流健康的内涵中加入了河流的社会功能,所以研究人员在指标选取时考虑了这方面的内容,耿雷华等[13]认为河流健康评价的目标在于表现河流在自然和人为扰动状态下的症状,表征指标包括：服务功能、环境功能和防洪功能等,从五个方面探讨河流所处的健康状况。国内是近年才逐渐关注这方面工作的,但已有许多文章发表在各类学术刊物上,虽然国内与国外对河流健康概念的理解不一致,但目标是一样的,都是为了维护河流与人类的利益。

在全面理解河流健康内涵的基础上,结合具体河流的实际状况,深入分析评价河段所面临的健康问题,辨别问题的主次矛盾,对主要矛盾给予重点考虑,综合考虑各方面因素后选定评价河流健康的指标体系,具体应包含河道健康,河岸带土地利用方式以及河流对沿岸社会经济发展的贡献等方面。

2.2 评价标准的确定

河流健康是一个模糊的概念,不同的人群对河流健康的认识和理解是相异的。对于农民,具有足够的水浇地,河流就是健康的;电厂认为能够使发电机不停地转动的河流就是健康的;对于那些消遣的人们,只要能在河里游泳、滑水或划船而对身体无害的河流就是健康的[18]。对河流健康的理解不同,其健康标准也会不一样,为了使评价结果具有可对比性,必须使用统一的参照基点,这样的评价结果易于为人们所理解和接受。目前,人们对参照基点有四种不同的看法[20]：(1)最小干扰状态,即河流未受人类活动的干扰或因生态修复而达到的理想状态;(2)历史状态,即河流在选定历史时期内的最佳状态;(3)最低干扰状态,研究区域内现有的最佳状态;(4)可达到的最佳状态,通过合理有效的管理、修复等可达到的最佳状况,即期望状态。相比较而言,第四种观点较为实用,也是河流健康评价标准的发展方向。

评价标准将直接影响着评价结果的有效性和可靠性,可见评价标准是河流健康评价的重要组成部分,它的选取应充分考虑研究河段所处的历史时期,地域特征,流域的社会经济条件等,在进行实地考察后,根据具体河流的具体特征,并借鉴国内外相关的研究成果制定出符合流域自然和社会经济发展的健康评价标准。

2.3 评价指标权重的确定

所谓权重,就是用数值来表达各指标相互间的重要程度。权重的确定方法有很多种,这些方法大致可分为两类：一类是根据权威专家学者的实践经验和主观判断,直接给每一个指标赋予合适的权重值,如专家调查法、二元对比法、环比评分法等。这种方法较为粗糙,主观性很强,专家们所进行的实践各不相同,并且还带着个人主观感受的成分。因此,该法不够严谨,不适合用于科学研究。另一类是运用数学方法来求取各指标的权重值,如主成分赋权法、方差赋权法、熵值赋权法等。这种方法克服了经验赋值法的主观随意性,受人为因素影响较小,能较为客观地反映指标间的关系。

在确定评价指标的权重时应充分考虑具体河流的特征,据此研究各指标对河流健康影响程度的大小,流域人们对健康河流的期望和选择也会在一定程度上影响指标的权重,如以发展工业为主的地区的人们能接受较强的河流污染,而以发展旅游业为主的地区的人们对河流污染所能容忍的限度就会低些。所以指标权重的确定不能只依靠单一的某种方法,而应深入分析所研究区域的特殊状况,充分考虑各方面因素在河流健康评价中的作用及重要性,最后确定出能反映流域实际状况的具有流域特征的指标权重。

3 评价模型

基于对河流健康内涵的不同认识,研究者们采用不同的模型对河流健康进行研究,主要的评价模型有三类：第一类是模糊综合评价法;第二类是综合健康指数法;第三类是综合评价法。

3.1 模糊综合评价模型

模糊综合评价是以模糊数学为基础,应用模糊关系合成的原理,将一些边界不清,不易定量的因素定量化,进行综合评价的一种方法[30]。一般而言,模糊综合评价的步骤大致为：根据评测数据建立各指标对各类标准的隶属度集,形成模糊关系矩阵;运用恰当的方法计算出各指标的权重,然后将指标权重集与模糊关系矩阵进行合成运算,获得 1个模糊综合评价集;根据评价对象对各级标准的隶属程度,由最大隶属度原则,得出评价结果。该法具有较强的实用性,能将定量指标与定性指标结合起来进行综合评判。另外,评价的结果是一个隶属向量,该向量能直观地表达各指标相互间健康程度的差异,因而其评价结果的表达要比其他方法的相对清楚些。这种模型得到了一些学者的关注与应用[31,32]。

3.2 综合健康指数法

河流健康是一个动态的相对模糊的概念,而模糊综合评价能较好地解决这种带有模糊性质的问题。该法一般是通过实测、估算和调查获得各项指标的现状值并将其按一定的方法量化,然后按一定的模型加权合成计算出河流的健康指数值。具体步骤如下：(1)确定各指标的现状值,(2)各指标现状值的无量纲化,(3)确定各指标的权重,(4)综合计算健康指数值。即

式中：E为综合健康指数,此值代表河流的健康现状;n为评价指标总数,λi为各指标的无量纲化值;Wi为各指标的权重[14,33]。

综合健康指数法的评价结果是一个具体的数值,较为直观,便于记忆,评价过程较简单,易于操作和使用。

3.3 综合评价法

综合评价法是一种采用一票否决与简单加权相结合的评价方法。一票否决是指在评价过程中关键指标不合格时,直接得出评价结论。若关键指标合格,则采用简单加权的方法求取评价结果,计算步骤为：(1)将各指标的现状值与参考标准进行对比,累加达标指标的个数,得 S;(2)计算河流健康的指数 H=S/N,N为参与比较的指标总数。若 H=1,则表示“达标”;若 H=0,则表示“不达标”;若 0＜H＜1,则 H越大表示评价结果越好[34]。该法简洁,直观且易于为人们所理解,但关键指标的确定较为困难,评价结果的表达不明确且准确度不高。

4 需要进一步深入研究的问题

4.1 河流健康的内涵尚不明确。

河流健康是类比人类健康而来的概念,是近年才提出并被广泛接受的新名词,人们对它的理解见仁见智。目前,河流健康还是一个较为模糊的概念,这妨碍了河流的开发利用和管理,增加了确定评价河流健康的指标,标准和权重的难度,进而影响到评价结果的可靠性和准确性。河流健康概念的不确定性和模糊性使得其不能为河流的管理及相关政策的制定提供有力的科学依据和理论指导,同时也不利于河流健康向前发展。

4.2 评价尺度的选取。

在进行河流健康评价前应选择合适的研究时空范围,所选的评价尺度会影响到评价指标的选取。如：河流在上游地区水质较好,而在下游地区水质较差[35],若选取整条河流作为评价对象,则在水质方面的评价指标难以选取且相应的权重亦不易确定,应分别给予评价。评价区域的尺度应根据评价实践的目的和目标,并参照前人的研究成果,界定出研究区域适宜的时空尺度。

(3)没有提供具体的改善措施。许多研究者[36-38]对河流的健康状态进行了详细研究,目前对如何改善河流生态现状的具体的切实有效的措施的研究还比较缺乏,人们只了解河流所处的健康状态,却不知道如何进行河流的维护与治理,应该从哪些方面来支持河流的保护工作;河流管理部门在进行河流治理的过程中得不到理论上的指导和帮助,无法体现河流健康评价的实用价值。

5 结论

河流健康是指河流具有完整的系统结构,并在生态系统中充分发辉其自然功能;在其生命不受威胁的情况下,全面地满足流域人们的合理的需求,提供相应的社会服务功能。河流健康是一个新课题,近几年人们才逐渐关注河流的生存状况。河流健康评价正处于发展和完善阶段,在指标体系的选取,评价尺度的选择和评价模型的构建等方面已取得了很大进展,但河流健康的应用少见报道,评价模型较为单一,基本只采用了单个模型对研究河段进行评价,宜采用多个模型进行评价,然后根据研究区域的实际特征选取科学合理的评价结果,在这些方面还需进行深入研究。

河流健康评价的目的在于治理河流,管理河流,使河流的各项功能免受人类活动或自然因素的损害,维持河流在生态环境中的支撑作用,在社会经济发展中的支持功能。河流健康是河流管理部门治理河道和构建和谐河流生态系统的主要工具和方法,将为河流的治理提供科学依据和理论指导。

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