河流健康生命评价研究

2012-11-21高永胜

中国三峡 2012年3期

关键词：河道流域河流

高永胜

尼罗河畔的美丽城市阿斯旺。摄影/SIPA/CFP

河流健康状况评价的基础

维护河流健康生命，促进人水自然和谐，是我国保障人民健康，实现社会经济可持续发展的重要条件。如何借鉴国外已有的研究成果，结合我国国情，构建适合我国的评价指标体系的基础是对河流健康状况进行正确评价的前提。

1、我国河流健康状况

由于受自然因素和人为因素的双重影响，中国河流目前普遍存在“水少、水多、水脏、水浑”四大问题，绝大部分河流处于不健康或严重不健康状态，主要症状表现在以下几个方面：其一，洪涝灾害严重。河川径流量的年降和年内分布不均，6～9月径流量可占全年的60～80%；其二，河道断流频繁。由于干旱和人类过度开发的双重原因，导致河道下游断流的现象十分普遍；其三，河道淤积加剧。我国河流泥沙含量较大，由于人工大量取水，河道输沙功能降低，导致河道泥沙淤积，河道行洪能力降低；其四，水污染严重。据2005年水利部公布的数据表明，我国70%以上的河流都受到了不同程度的污染，江河的水污染形势十分严峻；其五，水生态环境恶化。由于水土流失、河道断流、水污染以及人类滥垦、滥伐等多种因素的影响，导致许多河流的水生态系统不断退化。

国内河流现状存在的这些问题，需要我们构建具有针对性的评价指标，对河流健康状况进行正确评价，并采取相应措施进行修复。

2、河流健康生命内涵及表征

河流与人类发展息息相关，对它的研究已成为各学科的重点，《关注河流健康》一文已从河流动力、河流生态、社会经济发展、环境保护以及河床演变等角度对河流健康生命进行了描述，提出科学的河流健康内涵不仅应考虑人类的需求，还应考虑维持河流自身健康的需要。

在此基础上，综合国内外研究概况，选择了水质理化参数、生物指标、水文特征、河流形态结构、河岸带状况以及河流的社会功能和经济功能等因子对河流健康生命状况进行了表征，这些工作为选择科学的、合理的、全面的河流健康评价指标体系建立了理论基础。

3、河流健康状况研究

河流健康的评价最早始于19世纪末期欧洲对少数污染严重河流的水质评价。随后人们注意到人类活动产生的污染会对河流生物造成伤害，生物退化甚至被视为人类活动强度的指示因子，自此开始了河流生物监测。进入20世纪后，化学物质对水质的影响受到重视，但很少有人把化学和生物指标结合起来。20世纪80年代初，河流管理的重点由水质保护转到河流生态系统的恢复，因为水质评价不能揭示岸边植被带损失、污染物扩散、水流状态改变、淤积、外来物种的引入等关键因素对河流健康的损害，因此，河流健康评价内容开始发生转变，转向对河流生态质量的评价。

20世纪80年代，人们认识到某些生物群落具有整合不同时间尺度上各种化学、生物和物理影响的能力，能够反映诸如由于化学污染、物理生境的消失和片断化、外来物种的入侵、水资源的过量抽取和河岸植被带的过度采伐所造成的河流退化。因此，选择指标物种成为人们评价河流健康的主要方法，选用的较多水生生物主要有着生藻类、无脊椎动物和鱼类，见表2-1。

表2-1 河流健康评价指示物种

2010年9月7日，湖北省宜昌市夷陵区丁家坝污水处理厂对污水进行净化处理。该污水处理厂的建成有效改善了长江支流黄柏河及葛洲坝和三峡大坝“两坝”间水质，保障了珍稀鱼类的生存环境。摄影/张国荣/CFP

随着国际上对河流健康状况研究的日趋重视，河流健康概念也不断发展，河流健康状况评价已在很多国家先后开展，并分别提出了不同的河流健康状况评价内容及评价指标。

譬如，澳大利亚政府于1992年开展了国家河流健康计划(National river health program，NRHP)其目的是监测和评价澳大利亚河流的生态状况，采用了河流地貌类型(GRS)、河流状态调查(SRS)等多种评价方法，还有基于河流水文学、物理构造特征、河岸区状况、水质及水生生物5方面共计22项指标体系计分基础上的溪流状况指数（Index of stream condition，ISC）理论。

美国环保署(EPA)在1989年快速生物评价协议(Rapid bioassessment protocols，RBPs)基础上，经过10年完善推出的新版RBPs，提供了河流着生藻类、大型无脊椎动物、鱼类的监测及评价方法标准。美国地质调查局则强调水的pH值和传导性，以区域内昆虫的多少和种类为河流健康的指标。美国自然保护协会提出了淡水生态的整体性指标。

英国在20世纪90年代建立了河流保护评价系统(SERCON)和以RIVPACS为基础的河流生物监测系统，目标是用于评价河流的生物和栖息地属性，评价河流的自然保护价值。同一时期还发展了河流栖息地调查(RHS)方法，该方法为英国提供了一个河流分类和未来栖息地评价的标准方法。

联合国教科文组织(UNESCO)提出的衡量指标是从生态学方面考虑的，即从定量的角度分析水生无脊椎动物群，鱼类（不同等级、种群），沿岸缓冲带的植物、灌木，以及河流生境栖息地所涉及的水塘、急流区、沙丘区、沿河石头自然护坡等数量。

我国的河流保护工作总体上还处于水质恢复阶段,在水质评价方面已做了大量的工作，评价指标主要采用理化指标，也有部分采用生物指标，并在对城市河流水环境的整治中，开始考虑水质指标之外的其他影响因子。如1999年,上海市环境监测中心建立的适用于黄浦江水环境状态评价的指标体系中，就包括了理化指标、生物指标、营养状况指标、景观指标四部分内容。

目前有关河流健康评价方法众多，但从评价原理上主要可分为两类，一类是预测模型法(Predictive models)，这类方法通过把某研究地点实际的生物组成与在无人为干扰情况下该点能够生长的物种进行比较而对河流健康进行评价；另一类称为多指标法(Multimetrics)，此方法通过对观测点的一系列生物特征指标与参考点的对应比较并计分，累加得分进行健康评价。国际上主要河流健康评价方法分类见表2-2。

可以说，随着河流健康概念的发展，河流健康状况的理论与方法不断得到拓展，形成了RIVPACS、AUSRIVAS、IBI等众多评价方法，其表征指标也从单一的水生生物指标逐渐拓展到包括河流水文、河流形态以及水质理化参数等众多方面，评价尺度也从河流生态系统拓展到流域生态系统。这些国内外的研究成果，包括河流健康状况表征指标、评价方法、评价标准以及各国评价实践，为研究指标体系的构建与评价标准的建立奠定了良好的理论和实践基础。

美国佛罗里达州奥奇丘比湖以前的植被很丰富，但是由于过量使用杀虫剂，土壤受到破坏，再加上干旱，其水位严重下降，湖体逐渐干涸。摄影/GettyNorthAmerica/CFP

表2-2 国际上主要河流健康评价方法分类

河流健康状况评价的原则

河流健康生命评价应立足于中国国情，指标的选择既要反映河流健康共性问题，又要体现河流健康的差异性，既要立足于河流的现状，又要考虑河流的历史状况和发展趋势，所选指标除了要遵循通用性、科学性、可操作性以及代表性等原则之外，针对河流健康特点，还要重点考虑以下几个方面：

(1)指标的差异性和阶段性

不同的河流有不同的发育演变规律，会面临不同的健康问题，而对同一河流在不同发育时期也会面临不同的健康问题，在选择指标时，必须因地制宜，突出河流健康的主要矛盾。此外，随着社会和经济的发展，人类对河流认识会处于不断深化与发展之中，可能会有新的功能被发现或对同一指标价值判断会发生变化。因此，河流健康评价指标的选择及其权重不是固定不变的，而是具有一定阶段性。

(2)指标的系统性和层次性

河流生命由不同层次和不同要素构成，既包括社会经济、流域生态等大系统，又包括河流形态、水文、生物、水环境等各个层面和子系统，所选指标必须形成一个完整体系，既要包括总体指标，又要包括主体指标和群体指标，既要反映出河流生命的本质特征，又要体现出河流对生态系统和对社会经济系统的支承功能。

(3)指标的双重性和统一性

河流生命具有自然和社会双重属性，其健康评价不仅取决于河流自身发育演变规律，还取决于人类价值取向。对一条自然河流来说，周期性的丰枯变化和洪水泛滥对其自身来说是健康的，但对人类社会来说则可能是不健康的，因此，所选指标应体现出河流的这种双重属性。但一条源远流长、水量均衡、河床稳定、水质清澈、含沙量小的河流，则无论对“自然的河流”还是“工作的河流”来说都是健康的，因此，在指标的双重性中又包含着统一性。

(4)指标的流域尺度性

2011年7月4日18时，黄河小浪底水库开始排沙，裹挟着泥沙的混浊水流从排沙洞奔腾而出，十分壮观。摄影/张晓理/CFP

流域作为河流生态系统的外源影响因素，其气候、植被和土地利用状况等条件决定着流域内河流的径流、水质、河道、基质类型等物理及化学特征，一个健康的流域系统决定了一个健康的河流系统，而一个健康的河流系统也反映了一个健康的流域系统。因此，河流健康生命评价指标的选择应基于流域尺度，评价指标体系的选择应考虑流域影响因素。

(5)指标的临界性

河流作为一种环境资源，具有可更新性和可耗竭性，其开发存在“一定限度”，当开发长时间超过这一限度时，河流资源将受到破坏，可能会成为可耗竭资源，其破坏可能会成为不可逆转的，此时，河流健康将不复存在。因此，我们在选择指标时，应充分考虑某些指标的“临界度”。

河流健康生命评价的指标分析

河流健康生命评价指标体系的建立应遵循指标选择的原则，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地貌特征的结构指标、河流服务于人类的社会经济功能指标以及河流对生态系统支持的生态功能指标，来评价河流健康生命水平。

1、河流地貌特征结构指标

河流地貌是水流与河床长期相互作用形成的，一方面水流作用于河床，使河床发生变化；另一方面河床的变化又反过来影响水流的结构。在这种相互作用中，形成了蜿蜒曲折，深潭、浅滩交替等河流地貌特征。但人类对河流的干扰，使河流地貌特征发生了很大的改观，河流深潭、浅滩和洪泛区消失，河道趋于直线化和不连续化，河床趋于不透水化，导致河流水文条件发生较大变化，从而破坏了自然河流的水循环程度以及河流稳定状况，引起河流功能的相应改变。因此，河流结构的改变是影响河流健康生命的重要因素，应成为评价河流健康生命的重要因子。根据自然河流地貌特征和人类活动对河流结构干扰的主要方式，选取表征河流横向、纵向以及垂向特征指标表示。

(1)河流横向联通性指标：河流横向联通性是指河流主河槽同洪泛区或周围湿地的联通状况，这种联通性不仅对洪水具有调蓄功能，同时也是河流许多生态过程完成的重要途径，而人类通过修建堤防或通过水库调度破坏了自然河流水流的这种联通性。河流横向联通性指标用于表征人类对河流横向联通的干扰状况，我们可以某一特征频率对应的洪水淹没面积表示河流横向联通状况，即

式中，A—某一特征频率洪水淹没面积。

(2)河流横向稳定性指标：在自然护坡情况下，河流横向稳定程度主要取决于主流的顶冲地点及其走向和河岸土壤的抗冲能力，可用横向稳定系数表示，即

式中，Q—平滩流量；B—实际河宽；J—比降。D2愈大表示河岸愈稳定。

人们在对河流横向断面进行改造时，一般都对河流横向稳定状况进行了分析，并采用了浆砌石、块石等不同护坡类型，增加了稳定性，因此河流横向稳定性一般都能满足河流稳定要求，不是影响河流健康的主要问题。河流横向摆动幅度的大小反映了河流横向稳定性，因此可作为横向稳定性指标。

(3)河流纵向蜿蜒性指标：自然河流多是蜿蜒曲折的，具有浅滩和深潭，它们的组合遵循能量最小消耗原理，是河流保持动能水力平衡、维持河道内稳定水力配置的一种方式，其组合的消失使得河底平整，导致深潭内的水头蓄积区和浅滩的水能消散区丧失，导致河流稳定性下降，河流生境多样性降低。河流蜿蜒性指标反映了人类对河流弯曲状况的改变，可用河流蜿蜒度表示，即

式中，l—河流长度；L—流域长度。

(4)纵向连续性指标：河流纵向连续性是指河流地理空间，水文过程以及生物学过程等的连续，人类的不当活动可能改变河流这种纵向连续性，其中大坝的影响最为显著，它在拦截河流水流时，也改变了河流水文和泥沙输送过程，从而引起河流生态过程等的改变。大坝拦截的水量越多，其影响程度越大，因此可采用水库库容和河流径流量之比表示，即

式中，V1—水库总库容；V2—河流年平均径流量。该指标大小说明了水库对径流量的拦截程度，越大说明河流纵向连续性越差。

(5)纵向稳定性指标：河流纵向稳定是指河床冲刷淤积状况，其稳定程度主要取决于泥沙抗拒运动的摩阻力与水流作用于泥沙的拖曳力的对比，可用纵向稳定系数表示，即

2011年7月6日，游客参观黄河小浪底调水调沙。2011年黄河汛前进行调水调沙水库调度工作，期间高含沙洪峰增值控制在4000立方米每秒以下，下游河势平稳、无漫滩、无大险，调水调沙各项工作整体进展顺利。摄影/苗秋闹/CFP

式中，h—河流平均水深；d—床沙平均粒径；J—河流比降。该指标愈大，泥沙运动强度愈弱，河床因沙波、成型堆积运动及与之相应的水流变化产生的变形愈小，因而愈稳定。

自然条件下的河流，其水沙比关系合理，河床不冲不淤或者在某一时间内达到冲淤平衡，但人类不当活动，例如修建水库或破坏植被等，导致河流含沙量发生变化，水沙比失调，从而引起河床不同程度的冲刷或淤积，因此可通过河流含沙量变化情况来反映河流冲淤变化状况。

(6)河流垂向透水性指标：堤防的修建和河道的衬砌破坏了河流垂向水流过程和生物过程的连续性，引起地下水位下降以及河床生物破坏等不良后果。河流垂向透水性反映了地表水同地下水的联通程度，可用河道过水断面的透水面积和河道过水断面面积表示，即

式中，S1—河道过水断面面积；S2—河道衬砌面积。

如果河道过水断面没有任何衬砌，则该指标为1，如岸坡和河底全部衬砌，则为0。一般情况下，我们可采用河道衬砌不透水护坡长度来反映河流垂向的透水状况，表示人类对河流垂向上的干扰程度。

2、河流的社会经济功能指标

河流的社会经济功能综合反映了河流对人类社会和经济的贡献，其大小是评价河流健康生命的主要内容之一。其中河流社会功能是指河流保障人民生命财产安全，维护社会稳定的功能，主要包括河流防御洪水、抵抗干旱以及维护人类健康等内容；河流的经济功能是指河流可产生经济效益的那部分功能，包括河流航运、供水、发电、养殖以及旅游等多种综合功能。在实际情况下，河流的社会与经济功能很难区分开，这里将它们综合起来考虑，选取相应指标进行评价。

(1)防洪减灾指标：河流防洪减灾是指河道安全泄洪能力，它取决于多个方面，即有工程因素，也有非工程因素。其中防洪工程措施的完善是河道安全泄洪的重要标志之一，我们国家相关规范对河道、水库等不同防洪工程标准做了明确的要求，可选用河流防洪工程措施的完善程度反映河流防洪减灾的能力，即

式中，P1—防洪工程的达标率。

(2)抗旱减灾指标：河流抗旱减灾能力是指河流抵抗干旱，保障供水的能力，根据河流主要供水要求，可选择相应工程的灌溉设计或城市供水保证率作为河流抗旱减灾指标，即

式中，P2—河流工程的供水保证率，通常可选择水库的供水保证率表示。

(3)饮用水安全指标：饮用水水质安全是影响人类健康一个重要参数。饮用水质安全是指地表水源水质达到《地表水环境质量标准GB3838-2002》Ⅲ类标准的水的总量，因此，饮用水水质安全指标可以达标水质总水量占取水总量的百分数表示，即饮用水水源地水质达标率

式中，Ui—第i饮用水水源地取水水质达标量（万t）；U—各饮用水水源地取水量之和（万t）。

(4)河流可用水量指标：河流可用水量是指满足河流生态用水要求外，人们可支配的那部分水量，它是人类评价河流经济功能大小的主要指标。一般情况下，人均可利用河流水量越大，河流经济功能也越大，因此，可选用该指标作为衡量河流社会经济功能大小的指标，即

式中，Wi—河流总水量；Wi—河流生态用水量；P—流域内人口数。

3、河流的生态功能指标

河流的生态功能是指河流对流域生态系统的支承程度，它是健康河流的主要外在表现，随着人们生态和环境保护意识的增强，河流生态功能已成为人们评价河流健康的重要内容之一。人类对河流乃至流域的任何改变，都会或多或少影响到河流的生态过程和相应生态功能。按照空间尺度可将河流生态功能分为河道生态功能、河口生态功能以及流域生态功能。根据我国目前河道、河口和流域面临的主要生态问题以及引发这些问题的主要原因，选取水文、水力、植被以及生境等特征指标表示。

(1)河道生境多样性指标：生物生境多样性与生物群落多样性是统一的，有什么样的生境就造就了什么样的生物群落。选用表征河流生境多样性的主要参数，即水深、流速、覆盖物、河床基质，构造河流生境多样性指标，即

式中，i—测量的典型河段单元；Nih—第i单元水深多样性值；Niv—第i单元流速多样性值；Niv—第i单元覆盖物(水中大块石头、死树枯枝、水草以及河边植被等)多样性值；Nib—第i单元河床基质(砾石、卵石以及沙等)多样性值；—第i单元类型河道面积的权重，其和为1。

(2)河流生态流量指标：河流生态流量主要包括河道基流量、平滩流量和河流生态需水量。河道生态基流是维持河道基本生态功能不被破坏的流量；平滩流量是维持河道主河槽的最有效流量，一般情况下，重现期大约是1.5年；河流生态需水量是指维持河道生态功能所需水量。每个指标可分别以实际流量占理论值之比表示，即

式中，Q1—河流实际的生态流量；Q2—河流理论上的生态流量。

(3)河流脉动指标：该指标反映了河流径流量的年际年内变化的剧烈程度，在一定程度上反映了洪水频率、洪峰流量等洪水特性，它是河流生态功能表征的一个重要参数。根据水文资料计算径流量脉动指标，即

式中，Qr—径流量均方差；N—总天数；Qi—为i天实测径流量—为多年平均径流量。特大洪水使该指标变大，水库调节一般使该指标变小。

(4)水质安全指标：水质是影响人类健康和水资源可持续利用发展的一个重要参数。水质安全是指水质达到了相应水功能区划要求的水质标准，因此水质安全指标可以达到水功能区划要求的水体体积占总体积的百分数表示，即

式中，Vi—第i河段水质达到水功能区划要求的水体体积；V—评价总河段的水体体积。

(5)河口径流量指标：河口径流量是表征河流水循环和河口生态状况的一个重要指标，它反映了人们对河流径流量的干预程度，可以用实际河口径流值占自然状态下河流径流量比值表示，即

式中，W1—现在河口年径流量；W2—自然状况下河流年径流量。通常该指标小于1，该指标越大，说明水循环越健康，河口生态状况越好。

(6)景观多样性指标：反映了流域范围内景观不同组分状况，是流域健康的外在表现形式，可用Romme的景观丰富度指数计算，即

式中，T—景观里不同生态系统类型总数；Tmax—景观最大可能丰富度。

(7)流域植被指标：流域植被条件是表征流域健康状况的重要指标，同时也是影响河流健康的重要因素，该指标可选用流域植被和土壤侵蚀状况图确定，即

式中，V＇—流域植被覆盖度；E＇—土壤侵蚀模数。

位于不同区的流域植被健康状况是不一样，其中位于A区的植被在无人类干扰下会向着植被覆盖度降低的方向发展，因此位于该区的植被是不健康的；C区的植被状况是健康的，在适度的人类干扰（如林森采伐）仍会自动恢复；位于B区或D区的植被-侵蚀状态不稳定，植被健康状况介于A区和C区之间。

(8)水资源开发利用指标：水资源开发利用指标是指流域水资源开发量占流域水资源总量的百分数，即

该指标反映了水资源开发利用的程度，是水资源是否可持续利用的重要依据。国际上公认的流域水资源开发合理限度为40%，即使在充分利用雨洪的前提下，开发程度一般也不应超过60%。

(9)生物多样性指标：流域生物多样性是流域健康的重要外在体现，直观地反映了流域物种的丰富程度，是人们评价流域健康的一个重要指标，可用Shannon指数表示，即

式中，N—采集的样本中的生物物种数；ωi—样本中第i种物种在全部生物个体数中的比例。

Shannon指数一般位于1.5-3.5之间，很少超过4，该指标包括两层含义，一是物种的多样性，二是物种的均匀程度。物种的数目越多，均匀度越高，物种的多样性越高。

4、评价指标的筛选

上面从河流结构、河流社会经济功能和生态功能角度对河流健康状况评价指标进行了分析，但为了综合评价河流健康程度，不仅要考虑评价指标的全面性，也应充分考虑各指标的代表性，避免重复，因此须对指标进行筛选。

在筛选时，应掌握以下几个基本原则：一是系统性，所选指标必须形成一个完整体系，全面反映河流健康生命的本质特征；二是独立性，所选取各个指标应具有不可替代性，即每个指标应是相对独立的、相对稳定的；三是差异性，所选指标应尽可能从不同角度反映河流健康特征，剔除多余重复性的指标；四是可量化性，所选指标要易于量化，以便河流健康评价标准的建立。根据上述原则和前面指标分析选取下述指标对河流健康状况进行评价，见表2-3：

表2-3 河流健康评价指标筛选结果及评估方法

5、指标权重和标准特征值的确定

在进行河流健康模糊评价前，分析各评价指标的权重以及评价指标权重的确定是关系到评价结果能否真实反映河流健康生命状况的重要影响因素。合理权重的确定应建立在调查研究现状基础之上，广泛听取各方面专家和公众意见，搜集河流历史资料，并预测河流可能发展趋势。不仅要进行河流的纵向比较，还要和其他河流进行横向比较，具体确定时，依据以下两方面：

其一，流域的自然条件，不同的河流有不同的发育演变规律，会面临不同的健康问题，因此必须因地制宜，抓住主要矛盾和突出问题，确定相关指标及权重。例如黄河的主要问题是水少沙多，河势游荡，流域内供需矛盾尖锐，因此合理水沙比指标、河流稳定性指标及水资源开发利用指标权重就显得较为突出。

其二，流域的经济条件，人们对河流健康内涵的理解和健康标准的确定，很大程度上取决于经济发展水平，不同经济发展区域或经济发展时期，在选择评价指标或确定指标权重时，会有很大差异。例如经济发展落后的地区，会更加注重河流的发电、养殖以及航运等经济功能。

河流健康生命具有自然和社会双重属性，各指标标准的确定不仅取决于河流的自然属性，更取决于人类在相应时期的认识水平和价值取向，因此它是一个动态的标准，它综合反映了当前河流自然特征和人类社会经济发展面临的问题，力图寻求人类社会经济发展和自然生态环境保护的一种动态平衡，其建立应遵循社会可持续、经济可发展和环境可持续的原则。