永定河系水生态空间异质性及治理策略研究

张云程，缪萍萍，张 浩，周绪申，王 潜

（1.天津市碧波环境资源开发有限公司，天津 300170；2.海河水利委员会水资源保护科学研究所，天津 300170；3.海河流域水资源保护局，天津 300170；4.海河流域水环境监测中心，天津 300170）

河系是由多条河流构成的水网系统，空间尺度 往往覆盖范围较大。由于河流自身特征的空间分异性以及经济社会等诸多因素空间布局的非均衡性，河系水生态状况在空间上存在明显的上下游、干支流的异质性。聚类分析[1]、主成分分析[2-3]、因子分析[4]等多元统计技术能够对复杂的多元数据进行降维，同时最大限度地保留原始样本数据的主要信息，在水环境要素的空间异质性方面有广泛的应用。包姗姗等人[5]利用聚类分析技术探讨了流域景观格局与河流水体中营养盐浓度的相关关系。徐华山等人[6]分析了漳卫南运河流域的水质时空演变特征及水质变化趋势，将漳卫南运河流域水质空间分为两大类。李义禄等人[7]结合GIS技术，系统分析了旅游城市苏州古城区河网水体污染物时空分异特征及污染源布局。

永定河系是京津冀地区重要的水源涵养区和生态廊道，当前面临水资源过度开发、环境承载力弱、污染严重、河道断流、生态系统退化、部分河段存在防洪隐患等突出问题，制约了京津冀地区经济社会的健康发展。科学客观地认识永定河系水生态空间分异特征，提出有针对性的水生态治理策略十分必要。

1 材料与方法

1.1 研究区概况

永定河发源于内蒙古高原的南缘和山西高原的北部，地跨内蒙古、山西、河北、北京、天津5个省（自治区、直辖市），流域面积4.70万km2，占海河流域总面积的近1/6。永定河上游有桑干河、洋河两大支流，于河北省怀来县朱官屯汇合后称永定河，经三家店流入华北平原东部。三家店为永定河流域山区、平原分界，山区流域面积4.51万km2，占永定河流域总面积的95.8%。永定河系是流经北京市的最大河流，对于北京阻沙保水、调节气候等方面有着举足轻重的意义，被称为北京的“母亲河”。

1.2 数据与方法

本研究在桑干河、洋河以及永定河干流上布设采样点21个，如图1所示，于2016年的汛期（8月）和非汛期（5月）分别采样监测。采样点S1～S21依次为水磨头村、西朱庄村、新桥村、固定桥、东册田村、揣骨瞳大桥、大渡口村、朝阳寺村、付家夭村、友谊水库坝上、东洋河村、第九屯村、太平寨村、响水铺、怀来官厅水库坝上、三家店、固安县永定河桥、罗古判村、屈家店闸上、东堤头闸上、永定新河闸上。监测指标包括氨氮（NH3-N）、化学需氧量（COD）、浮游植物。

图1 永定河系及采样点位示意

浮游植物定性样品用浮游生物网（200目），在水下约0.15 m处作“∞”形拖曳3 min，样品用100 mL玻璃瓶保存，加3 mL福尔马林固定；浮游植物定量样品取1 L水样于玻璃瓶保存，加15 mL鲁哥氏液固定，带回实验室静置后分析。用于检测NH3-N、COD的水样加入H2SO4溶液至pH＜2。所有样品均遮光保存并于48h内送检。NH3-N、COD使用流动注射分析仪检测。

层次聚类分析法[8]是根据对象距离远近或相似性大小进行分类的多元统计方法，其基本思想是先将每一个样本作为一类，然后将相近程度最高的两类合并成新的一类，再将该新类与相似度最高的类进行合并，不断重复此过程，直到所有的个体都归为一类。本文采用欧氏距离作为类别划分的依据。

2 结果与讨论

2.1 水生态现状

水量不足是永定河系面临的水生态问题之一。本研究选取的21个采样点中，汛期有2个点位断流，分别为西朱庄村和固安县永定河大桥；非汛期有3个点位断流，分别为西朱庄村、固安县永定河大桥和罗古判村。

天然降水量减少以及上游山区大量修建蓄水工程可能是造成永定河系断流的主要原因[9-10]。根据相关水文资料，1956—1990年间，永定河山区降水量持续减少，受气候变化和下垫面变化等因素的影响，永定河山区地表径流量呈逐渐减少的趋势，年均径流量从1956—2010年的14.43亿m3减少到2001—2014年的8.39亿m3，下降41.9%，径流量和降水量演变趋势如图2所示。

2006—2014年的9 a间，永定河主要河段年均干涸121 d，年均断流316 d。其中，三家店至卢沟桥段基本处于长期断流状态，卢沟桥至屈家店段基本全年干涸，河流生态严重退化。

图2 永定河山区径流量和降水量演变趋势

永定河系非汛期水质总体上劣于汛期。将NH3-N和COD两项水质指标的平均值做比较，发现非汛期比汛期分别升高了120.6%和278.1%。汛期NH3-N和COD最高值分别为8.89 mg/L和51.80 mg/L，非汛期NH3-N和COD最高值分别为15.90mg/L和511.00mg/L。永定河系浮游植物以蓝藻门和硅藻门为主，其次为绿藻门和裸藻门，在个别采样点发现有金藻门和甲藻门，永定河系浮游植物群落构成如图3所示。采样点S2、S17和S18由于处于河干状态，未采集浮游植物指标。总体上，上游桑干河和洋河的浮游植物种数多于下游永定河。具体描述性统计成果，详见表1。

图3 永定河系浮游植物群落构成

表1 永定河系水生态现状描述性统计成果

按照《地表水环境质量标准》（GB3838-2002）中确定的各类别水质标准值，永定河系汛期达到和优于Ⅲ类水质的采样点占53%，非汛期达到和优于Ⅲ类水质的采样点仅占28%，具体评价成果见图4。

2.2 空间异质性特征

对永定河系21个采样点汛期和非汛期的监测数据分别进行层次聚类分析（断流采样点不参与分析）。汛期各采样点可分为两大类，第一类包括采样点S1、S3、S4、S5、S6、S15、S19、S20、S21，对应上游山区桑干河水磨头村—揣骨疃大桥以及永定河屈家店闸上—永定新河闸上；第二类包括采样点S7、S8、S9、S10、S11、S12、S13、S14、S16、S18，对应上游山区洋河以及永定河屈家店以上河段。非汛期的监测中，采样点S3水质指标明显劣于其他点位，因此被单独归为一类。其余采样点可以进一步分为3类：第一类包括采样点S1、S4、S5、S6、S7，对应上游山区桑干河水磨头村—大渡口村；第二类包括采样点S8、S9、S10、S11、S12、S13、S14、S15、S16，对应上游山区洋河以及永定河三家店以上河段；第三类采样点包括S19、S20、S21，对应永定河屈家店闸上—永定新河闸上。永定河系水生态聚类分析谱系，如图5所示。

图5 永定河系水生态聚类谱系

根据层次聚类分析结果，结合永定河系自身特征，可以将永定河系划分为3个水生态分区，即A区包括上游山区桑干河大渡口村以上河段、B区包括上游山区洋河、桑干河大渡口村以下以及永定河屈家店闸上河段、C区包括永定河屈家店闸至河口部分。永定河系水生态分区，如图6所示。其中，A区（桑干河）位于永定河系上游，是重要的产水汇水区域，经济以农业为主，兼有采矿业，是水土流失严重、面源污染相对突出的区域；B区（洋河及永定河屈家店以上河段）由西北贯穿东南，穿越北京市区，是对河流生态环境要求相对更高且生态系统十分脆弱的区域；C区（永定河屈家店以下河段）流经天津市中东部，是连接河流与近岸海域的特殊河段。

图6 永定河系水生态分区示意

2.3 分区治理策略

根据永定河系水生态的空间异质性，应有针对性地研究水生态修复策略。其中，A区（桑干河）应以增加水源涵养能力、维持河道生态基流为重点，建设水源涵养林，实施清洁小流域建设，开展灌区高效节水改造和地下水压采，实施河道生态综合整治，构建绿色生态源区，促进区域清水产流；B区（洋河及永定河屈家店以上河段）着重实施河道生态修复、河滩地治理、防洪薄弱环节治理、防护林建设等，以恢复河流自然特性为重点，开展湿地保护与恢复[11]，建设沿河湿地和郊野公园等；C区（永定河屈家店以下河段）以打造滨海生态走廊为重点，实施生态河岸景观带建设及防护林建设，实施生态补水，维持入海水量。

水量和水质作为影响水生态的两个决定性因素，应采取综合性措施进行改善。

水量方面，强化水资源节约，提高生态用水保障。节水是保障永定河生态水量的根本性措施。为保障永定河生态水量，应对官厅水库上游地区大中型灌区进行节水改造，退还农业挤占河道生态用水；完善再生水利用管网设施，利用再生水补充河道生态用水；实施河系连通，优化水资源配置，提高生态用水保障。

水质方面，全面控制污染物排放，促进河湖水质改善。加强源头治理，严格控制入河污染物量，是改善永定河水质的关键。开展清洁小流域建设，控制农业农村污染物排放，削减面源污染物入河量；以水功能区限制排污总量为依据，合理规划入河排污口的空间布局，着力加强入河排污口监督管理，采取排污口规范化建设、迁建和生态净化等措施，进一步削减入河污染物量。

3 结语

（1）永定河系面临水资源过度开发、环境承载力弱、污染严重、河道断流、生态系统退化、部分河段存在防洪隐患等突出问题，制约了京津冀地区经济社会的健康发展。

（2）根据2016年汛期和非汛期对永定河系21个采样点的水生态监测数据，采用层次聚类分析法研究，结果表明永定河系水生态状况存在明显的空间异质性。据此，可以将永定河系划分为3个水生态分区，即A区包括上游山区桑干河大渡口村以上河段、B区包括上游山区洋河、桑干河大渡口村以下以及永定河屈家店闸上河段、C区包括永定河屈家店闸至河口部分。

（3）针对不同分区的实际情况，应采取适宜的水生态治理与修复措施。其中，上游山区的桑干河应以增加水源涵养能力、维持河道生态基流为重点；洋河及永定河屈家店以上河段需着重实施河道生态修复、河滩地治理、防洪薄弱环节治理、防护林建设等；永定河屈家店以下河段应实施生态河岸景观带建设及防护林建设，实施生态补水，维持入海水量。