基于不同空间尺度的河流健康评价方法探讨

王 波，梁婕鹏

（1.长江科学院水资源综合利用研究所，武汉 430010；2.长江勘测规划设计有限责任公司，武汉 430010）

基于不同空间尺度的河流健康评价方法探讨

王 波1，梁婕鹏2

（1.长江科学院水资源综合利用研究所，武汉 430010；2.长江勘测规划设计有限责任公司，武汉 430010）

简要回顾了国内外河流健康评价的主要方法，并分阶段总结了其发展过程；结合河流健康评价的需要，对评价的空间尺度进行了等别划分，并对河流生态系统变化的时空相关性进行了探讨，初步建立了时空相关关系；按照空间尺度等别，对国内外各种评价方法的时空适应性进行了探讨，并推荐了适宜于大、中、小评价尺度的评价方法。

河流；尺度；评价方法

1 概 述

河流健康评价研究是随着水资源开发利用与保护的矛盾不断突出而逐渐兴起的。19世纪末，由于工业污染物的排放，欧洲一些河流发黑发臭，出现了严重污染的情况。面对水环境持续恶化的压力，人们对河流及水生物关注增加，对河流水质进行评价，形成了最初的河流健康评价的内容。20世纪70－80年代初，人们对河流的关注由单一的水质保护转移到整个河流生态系统，评价内容也开始转向对河流生态及环境质量的评价，河流健康的内涵更为丰富，并且出现了多种评价方法，其中生物完整性指数［1］（IBI）、河流无脊椎动物预测与分类系统［2］（RIVPACS）和快速生物评价协议［3］（RBP）获得的认可度比较高。

进入20世纪90年代，河流健康评价进入快速发展时期，许多国家建立了河流健康评价方法，较具代表性的有美国的环境监测评价计划（EMAP）、岸边与河道环境细则［4］（RCE），英国的河流保护评价体系（SERCON）、河流栖息地调查［5］（RHS），澳大利亚的河流地貌类型（GRS）、河流状态调查（SRS）、溪流健康指数［6］（ISC）和南非河流健康计划［7］（RHP）的栖息地完整性指数（IHI）等。

21世纪以来，河流健康研究的热潮逐渐转移到发展中国家。我国流域机构、高校和科研院所相继开展了大规模的河流健康研究，河流对人类的服务功能被纳入到河流健康评价的对象中，河流健康的内涵进一步丰富。流域管理机构作为河流代言人，出于管理需求，也开展了大量的相关研究，提出了针对河流特性制定指标的多指标综合评价方法，长江水利委员会、黄河水利委员会和珠江水利委员会均提出了各自的河流健康评价方法［8－10］。河流健康评价方法分阶段发展过程如图1。

图1 河流健康评价方法发展过程Fig.1 Development of river health evaluation methods

多年来，社会对河流健康的关注不断提高，对河流健康评价也不仅仅是理论研究的需要，而是一项需要全面铺开的生产性技术工作，这就需要对各种评价方法及适用条件比较明确。河流系统的变化是一个复杂的动态过程，并且这种动态变化具有显著的时空相关性，以空间尺度着手，可以建立一个整合的方法框架，便于评价者按需较为快速地选用合适的方法。

2 时空尺度的划分

2.1 空间尺度的划分

河流健康评价的空间尺度由大到小可依次划分为全河长、景观河段、工程河段、断面和微生境，按照便于操作的考虑，概化为大尺度（全河长）、中尺度（景观河段、工程河段）、小尺度（断面、微生境）。不同的评价尺度对评价方法有不同的要求：大尺度的评价要求方法具有较好的综合性，能够全面反映全河长的健康状况和各河段的健康均衡状况；小尺度的评价要求评价方法具有较强的针对性，能准确反映河流断面或微生境的健康状况。

2.2 时空尺度的关联性

从河流系统发生变化的过程来看，扰动对系统影响的尺度和系统响应的时间存在相关关系：即断面、微生境等小尺度单元的影响较容易在短时间内产生或恢复；而全河长等大尺度系统受到影响或恢复需要长期的过程，并且大尺度的评价需要开展长期的观测和跟踪调查才能完成。基于河流系统变化的时空相关性认识，大尺度河流健康程度的变化一般经历较长的时间尺度，反之，小尺度的变化经历较短的时间尺度，在评价方法上就能建立“空间-时间”相关关系，即适宜于大尺度的评价方法对应长期（3～10年）变化的评价，适宜于中尺度的评价方法对应与中期（1～3年）变化的评价，适宜于小尺度的评价方法对应与短期（0～1年）变化的评价。

3 适用于小尺度的评价方法

小尺度评价的对象是河流断面或微生境，适用的评价指标较少，在某些特定情况下甚至可只选择个别指标就能得到评价结论，即“一票否决”或“一票肯定”。底栖动物生物完整性指数（B-IBI）和河流无脊椎动物预测与分类系统（RIVPACS）能较好地满足小尺度的健康评价的需要。

3.1 底栖无脊椎动物完整性指数

底栖无脊椎动物完整性指数（B-IBI）来源于生物完整性指数（IBI）。生物完整性指数（IBI）产生于美国中西部，最初以鱼类生物完整性指数作为指标，被美国的许多地区作为评价溪流状况的工具以支持水资源计划和决策，后来逐渐推广到底栖无脊椎动物等其它物种。底栖无脊椎动物完整性指数（BIBI）以栖息地相对固定的底栖无脊椎生物来作为评价的指示物种代替最初鱼类作为指示物种，以反映河流小尺度的健康状况。该方法充分利用了底栖无脊椎动物栖息地稳定的特点，一次取样评价范围一般仅涉及数米或数十米的范围，可以较好地反映小尺度生境质量的优劣。由此看来，指示物种的活动范围是选择指示物种的重要因素之一，那么也可考虑采用着生藻类等活动范围较小的物种来作为小尺度的健康评价的指示物种。

从当前国内应用情况来看，以底栖无脊椎动物作为指示物种可以满足小尺度生境健康评价的需求。王备新等［11］以大型底栖无脊椎动物为指示物种，将底栖生物完整性指数在国内进行了应用研究，表明了该指数在我国应用的有效性，可作为小尺度健康评价的方法。但该方法的应用有一个前提，就是必须找到未受人为扰动的本底生境作为评价参考对象。

3.2 河流无脊椎动物预测与分类系统

河流无脊椎动物预测与分类系统（RIVPACS）也是一种可用于小尺度评价的方法，于1977年产生于英国，起初用于保护区域的确定，关注的重点是物种组成类型，后来被用来评价河流健康。RIVPACS利用无脊椎动物作为指示物种，根据河流生境条件首先建立一个本区域的预测模型，当进行评价时输入评价对象的生境条件参数，即可生成生物总量和敏感性物种生物量的预测值，预测值与实测值的比值即反映该小尺度的健康状况。在我国应用该方法的难点主要在于建立预测模型。

该方法与底栖无脊椎动物完整性指数基本原理相同，不同点在于该方法以模型化的参数作为本底值，而底栖无脊椎动物完整性指数以类似的真实生境作为本底值。澳大利亚在RIVPACS的基础上发展了适合本国的方法AUSRIVAS，并于1993年采用AUSRIVAS进行了第1次全国河流健康评价。

3.3 经验判断

在现实中往往存在这样的情况，经验丰富的专家往往可以目测采集小尺度范围内河流健康状况的显性信息，通过与以往经科学评价分级的类似生境进行对比，判断出健康程度。这种方法虽然缺乏严谨的科学程序，但可在无实测条件的情况下较为容易地获得第一手资料，评价结论也可被接受，是河流健康评价中一种常用的方法。

4 适用于中尺度的评价方法

中尺度河段的规模一般为数公里至上百公里，河段内水动力学条件、水质、河床底质、气候等条件相似，形成具有一定特征和独立性的生态系统。在中尺度的评价上，小尺度评价中采用的生物评价方法仍然是一种适宜的评价方法，和小尺度评价不同的是指示物种的选择原则不同，要求自然状况下指示物种的生命周期或部分生命史应当依赖于该河段的特殊生境而完成，应用条件相对严格。推荐采用河流条件指数（ISC）和鱼类生物完整性指数（F-IBI）进行评价。

4.1 河流条件指数

河流条件指数（ISC）于1999年由Ladson等提出，构建了包括水文、地貌形态、河岸带状况、水质及水生生物在内的指标体系，把生物及其非生命环境作为一个整体来加以评价。从应用情况来看，澳大利亚已应用该方法在多条河流的健康评价中，所采用的水文、地貌形态、河岸带状况、水质及水生生物等大部分评价指标适合于我国丰水地区河流的评价，对部分指标进行针对性调整后可作为中尺度的评价方法。

4.2 鱼类生物完整性指数

鱼类具有丰富的种类，是生物评价方法常用的指示物种。首先，鱼类的栖息地范围可长达数十乃至上百公里河段，和工程河段及景观河段的尺度重合较好；其次，一些鱼类的生命全周期或部分重要生命期完全依赖于特殊生境［12］，能较好地代表该生境类型河段的健康状况。

4.3 经验判断

在运用上述方法不具备的条件下，依靠经验通过目测滨水植被、流量、水质、流态等信息来判断河流健康状况的方法仍然被经常使用。

当然，从空间构成上来看，中尺度仍然是由一系列小尺度空间构成，因此也可由若干小尺度的评价结论集结而得；中尺度范围相对较大，也可采用单指标评价后集结得到。

5 适用于大尺度的评价方法

大尺度的评价包含大量不同类型的中尺度和小尺度，采用个别中、小尺度的或单一指标代表大尺度健康状况存在较大的风险，难于对河流健康得出全面可靠的评价结论，因此大尺度评价一般采用小尺度和中尺度评价结论综合或多指标评价结论综合得到。从评价方法来说，就是大尺度评价方法应着重考虑是否能有效地综合信息。

大尺度评价方法的关键在于信息综合能力，多指标综合评价方法符合这种需求。多指标综合评价方法将指标信息通过树状结构进行传递，能将众多指标值以一个综合性的值来反映，从而对评价对象作出总体评价。该方法指标集结形式比较灵活（见图2），适用性较好。但在实际运用中，低级指标每向高一级指标综合1次，低一级的多个指标信息由1个高一级的指标来表征，相当于低一级指标的信息被“平均”，可能出现即便个别低级指标值非常糟糕，而总体评价结论较好的情况，因此，在运用该方法时应加以重视。

图2 大尺度评价指标集结路径示意图Fig.2 Aggregation route of large-scale evaluation indices

由于多指标综合评价方法的这种运用形式具有较强的适用性，长江水利委员会等流域机构及赵彦伟、耿雷华等学者［13，14］采用这种方法进行河流健康评价。2005年初，长江水利委员会提出了“维护健康长江，促进人水和谐”的治江新理念，并界定了维护健康长江的基本内涵、主要任务和保障措施，提出了健康长江评价指标体系的框架结构，并开展了一些具体指标的研究工作。黄河水利委员会提出了“1个最终目标；4项主要标志；9条治理途径；3种基本手段”的“维持黄河健康生命”的理论框架，“维持黄河健康生命”作为黄河治理的终极目标。珠江水利委员会将“构建珠江健康评价体系”作为维护珠江健康的5项主要措施之一，从水质、水量、泥沙、河床等方面提出珠江健康指标，制定了珠江边界河段水量分配方案，以各河段的污染排放、泥沙含量、河道采砂、生态需水、引用供水、航运需水等作为控制指标。

提取菌株 Sd1－2的 RNA（图 2），反转录合成cDNA 后， 用 DMMK1－F／DMMK1－R 为引物进行PCR扩增，PCR产物琼脂糖凝胶电泳结果如图3，片段大小与预测结果大小基本一致。由琼脂糖电泳检测结果可见，这种引物的特异性较好，基本没有非特异条带。切胶后，用DNA回收试剂盒回收目标片段，连接载体转化后，用通用引物M13－47／RV－M对转化子进行菌落PCR扩增验证（图4），将阳性克隆送样测序。

6 结 语

本文对河流健康评价方法的空间尺度适应性进行了探讨，并按照大尺度、中尺度和小尺度对国内外主要河流健康评价方法进行了分类应用推荐，希望可以为河流健康评价方法的选择起到一定的参考作用，推动河流健康评价实践的标准化进程。

参考文献：

［1］ KARR JR.Assessments of Biotic Integrity Using Fish Communities［J］.Fisheries，1981，（6）：21－27.

［2］ WRIGHT JF，SUTCLIFFE DW，FURSE M T.Assessing the Biological Quality of Fresh Waters：RJVPACS and Other Techniques［M］.Amblesidel：The Freshwater Biological Association，2000：1－24.

［3］ BARBOUR J，GERRITSEN，SNYDER B D，et al.Rapid Bio-assessment Protocols for Use in Streams and Wadeable Rivers：Periphyton，Benthic Mucrolnvertebrates and Fish，Second Edition［M］.Washington D C：EPA 841－B－99－002.U.S.Environmental Protection Agency，Office ofWater，1999：1－10.

［4］ PETERSON R C.The RCE：A Riparian，Channel，and Environmental Inventory for Small Streams in the Agriculture Landscape［J］.Freshwater Biology，1992，27：295－306.

［5］ Environment Agency.River Habitat Survey：1997 Field Survey Guidance Manual Incorporating SERCON［R］.London，UK：Center for Ecology and Hydrology，National Environment Research Council，1997.

［6］ LADSON A R，WHITE L J，DOOLAN JA，etal.Development and Testing of an Index of Stream Condition for Waterway Management in Australia［J］.Freshwater Biology，1999，41（2）：453－468.

［7］ BRIZGA SO，FINLAYSON B.River Management：the Australian Experience Chischeste［M］.New York：John Wiley＆Sons，2000：265－284.

［8］ 蔡其华.维护健康长江促进人水和谐——摘自蔡其华同志2005年长江水利委员会工作报告［J］.人民长江，2005，36（3）：1－3.（CAIQi-hua.Maintaining the Healthy Yangtze River to Promote Harmony Between Human and Water［J］.Yangtze River，2005，36（3）：1－3.（in Chinese））

［9］ 李国英.黄河治理的终极目标是“维持黄河健康生命”［J］.人民黄河，2004，26（1）：1－2.（LI Guo-ying.Keeping Healthy Life of the Yellow River：An Ultimate Aim of Taming the Yellow River［J］.Yellow River，2004，26（1）：1－2.（in Chinese））

［10］林木隆，李向阳，杨明海.珠江流域河流健康评价指标体系初探［J］.人民珠江，2006，（4）：1－3.（LIN Mulong，LI Xiang-yang，YANG Ming-hai.Probe into the Index System for Evaluating the Health of the Rivers in the Pearl River Basin［J］.Pearl River，2006，（4）：1－3.（in Chinese））

［11］王备新，杨莲芳，胡本进，等.应用底栖动物完整性指数B-IBI评价溪流健康［J］.生态学报，2005，25（6）：1481－1490.（WANG Bei-xin，YANG Lian-fang，HU Ben-jin，et al.A Preliminary Study on the Assessmentof Stream Ecosystem Health in South of Anhui Province U-sing Benthic-Index of Biotic Integrity［J］.Acta Ecologica Sinica，2005，25（6）：1481－1490.（in Chinese））

［12］陈 进，黄 薇.水资源与长江的生态环境［M］.北京：中国水利水电出版社，2008：84－95.（CHEN Jin，HUANGWei.Water Resource and Ecological Environment of the Yangtze River［M］.Beijing：China Water Power Press，2008：84－95.（in Chinese））

［13］赵彦伟，杨志峰.河流健康：概念、评价方法与方向［J］.地理科学，2005，25（1）：119－124.（ZHAO Yan-Wei，YANG Zhi-Feng.River Health：Concept，Assessment Method and Direction［J］.Scientia Geographica Sinica，2005，25（1）：119－124.（in Chinese））

［14］耿雷华，刘 恒，钟华平，等.健康河流的评价指标和评价标准［J］.水利学报，2006，37（3）：253－258.（GENG Lei-hua，LIU Heng，ZHONG Hua-ping，et al.Indicators and Criteria for Evaluation of Healthy Rivers［J］.Journal of Hydraulic Engineering，2006，37（3）：253－258.（in Chinese） ）

（编辑：赵卫兵）

River Health Assessment M ethod Based on Different Spatial Scales

WANG Bo1，LIANG Jie-peng2
（1.Water Resources Department，Yangtze River Scientific Research Institute，Wuhan 430010，China；2.Changjiang Institute of Survey，Planning，Design and Research Co.，Ltd.，Wuhan 430010，China）

Themainmethods of river health assessment in China and abroad are reviewed，and the stages of its developmentare summarized.The spatial scales are classified in linewith the requirements of river health assessment，and the spatial and temporal correlation of the river ecosystem is established.Moreover，according to the classified spatial scales，the spatial adaptation of variousmethods are discussed and methods suitable for large，medium and small-scale evaluation are recommended.

river；scale；evaluation methods

X312

A

1001－5485（2011）12－0032－04

2011-10-20

水利部公益性行业科研专项项目（200901012）

王 波（1982-），男，贵州桐梓人，工程师，主要从事水资源管理与保护研究，（电话）027-82926423（电子信箱）wangbotongzi＠163.com。