太湖流域河流健康评价指标体系研究及应用

张 祖 鹏,张 泽 贤,刘 思 远,樊 国 华,刘 洪 财,3

(1.浙江省长兴县水利局,浙江 湖州 313100; 2.华北电力大学 环境科学与工程学院,北京 102206; 3.中国水利水电科学研究院 流域水循环模拟与调控国家重点实验室,北京 100038)

0 引 言

河流是人类文明的源泉,其提供了人类生产生活所必需的水资源,同时可供给水电、航运、渔业等多种服务,与人类生产生活息息相关[1-2]。河流生态系统具有调节气候、维护生物多样性及改善生态环境等众多功能[3]。近年来,随着人类活动与对水资源开发程度的加剧,危害河流水生态健康的行为时有发生,对河流生态系统产生了不利影响,也威胁了人类的生存环境[4]。因此,河流健康评价成为了审视人河关系的重要方式和关注热点[5]。

目前,国内外学者已从不同角度对河流健康开展了研究,提出了诸多方法并应用于河流健康评价。Azarnivand等[6]采用有序加权平均和折衷规划两种基于风险的多准则决策方法进行了Taleghan河的健康评价。Shan等[7]通过调查河流形态、流量、水质、生境等8个特征,建立了滦河健康评价指标体系。左新宇等[8]构建了基于浮游植物完整性指数的河流健康评价体系并应用于大宁河。刘聚涛等[9]以抚河为研究对象,通过水环境监测构建了河流健康评价单元划分的标准与方法。耿思敏等[10]从水文、物理结构、化学、生物、社会功能5个方面,全面评价了龙江河健康状况并分析了现存问题。综上,目前国内外开展的河湖健康评价大多关注水文水质、物理及生物结构等自然生态状况,管理、监测与管护手段等也逐渐纳入河流健康评价体系,以体现流域管理对河流健康的作用[11]。

河流健康评价的实践工作要求遵循科学性、目的性、实用性的原则,客观、可靠地描述河湖健康状况,为河流管理及水生态保护工作提供支撑,调查监测方法应具备可行性与可操作性。然而,太湖作为环境保护重点“三湖”之一,其流域以平原河网密布为主要特征[12],目前对太湖流域河流健康的研究尚处于起步阶段[13],评价多以水文水质、生物生境等准则为主,如通过Z-IBI[14]、P-IBI[15]或水质指数[16]等进行表征。现有的多准则综合评价体系则存在着部分指标数据获取难度大,数据计算及综合评价流程繁琐等问题,难以适应政府管理的实际需求[17]。此外,目前涉及人水关系及社会服务功能的河流健康研究也较少[18],不能体现公众认知、参与和反馈情况。因此,为满足太湖流域综合管理的需求,贯彻人与自然是生命共同体的理念,本研究构建了太湖流域河流健康评价指标体系,并开展了案例研究,旨在为流域河流水资源保护及生态修复等工作提供决策参考,助力流域河流健康未来的研究和保护工作。

1 材料与方法

1.1 河流评价指标体系构建

建立科学、合理的评价指标体系是河流健康研究的前提。一般认为,河流健康的内涵包括两个方面:一是河流的自然属性,即河流生态系统结构与功能的完整,关注河流生命系统与非生命系统的相互关系[19];二是河流服务人类社会的功能,即河流应具有为人类持续提供水资源、防洪、灌溉、航运、渔业等服务的能力[20-21]。2016年,中共中央办公厅、国务院办公厅印发的《全面推行河长制的意见》强调了水资源保护、河湖水域岸线管理保护、水污染防治、水环境治理、水生态修复、执法监管六项任务[22]。2020年,水利部印发了《河湖健康评估技术导则(SL/T 793-2020)》(下称《导则》),主要从水文水质、形态结构、生物完整性和社会服务功能4项来构建河流健康评价指标体系[23]。就太湖流域涉及的4省(市)而言,浙江省河长办等单位于2021年发布了《浙江省河湖健康及水生态健康评价指南(试行)》(下称《指南》),是结合浙江省内河流实际情况,进一步优化指标后形成的地方性文件,主要从水文、水质、形态、生物、社会服务和河流管理6个类别来构建河流健康评价指标体系[24]。

为全面、客观地评价太湖流域河流健康状态,研究以河流健康为目标层,结合《导则》与《指南》的相关要求确定评价准则,具体如下:《导则》中的“水文水质”项与《指南》中“水文”“水质”类别的内涵类似,且后者所包含的基本指标均仅有一项,故本研究结合工作实际,并参考《导则》分类方法,采用“水文水质”作为准则之一;《导则》中“形态结构”项及《指南》中“形态”类别主要用于评价生物生境的形态结构完整性,故研究结合两者,采用“生境结构”作为准则之一;针对河流健康评价,《导则》中“生物完整性”项及《指南》中“生物”类别均用于评价水生生物多样性,故研究确定“水生生物”作为准则之一;《导则》中“社会服务功能”项及《指南》中“社会服务”类别均用于评价河流社会服务能力,故研究采用“社会服务”作为准则之一;相比《导则》,《指南》中新增“河流管理”类别,用于评价河流管理情况,故研究采用“河流管理”作为准则之一。综上,最终确定了水文水质、生境结构、水生生物、社会服务及河流管理5个评价准则。

考虑到《指南》中的指标基于《导则》且更适用于太湖流域所在区域河流,故本研究主要基于《指南》选取评价指标。《指南》提出了基本生态流量满足度、水质优劣度、河流纵向连通性等11项基本指标(必选)及流量过程变异度、富营养化硅藻指数、水鸟状况指数等6项备选指标;因此本研究遵循《指南》要求,选取了11项基本指标;并考虑《全面推行河长制的意见》,根据评价河流特点及监测数据情况,选取了监测体系完备性、管护手段先进性两项备选指标,最终确定了13项具体指标,从而构建了河流健康评价指标体系。

就评价指标体系权重而言,水文水质、生境结构、水生生物3个准则参考《指南》中“水文、水质、形态、生物合计权重0.6,可采用Delphi法因地制宜进行权重设置”的要求,将权重之和设置为0.6,并进一步采用Delphi法,邀请从事河流健康评价及管理的专家进行具体确定;社会服务与河流管理准则可参考《指南》中“权重均为0.2”的规定进行设置。另外,指标权重亦可依据《指南》要求,采用Delphi法进行确定。

1.2 各准则及其赋分标准

1.2.1水文水质准则

水文水质准则能够说明河流的水质情况和水量丰沛程度,代表了河流自然环境现状,包含基本生态流量满足度、水质优劣度两项指标。其中,生态流量是能够维持河流基本生态功能和河道基本形态的最小流量,对河流健康维持具有重要意义[25-26];水质优劣度体现了河流水体的理化性质,对其进行评价能够说明水污染现状并促进河流健康[27]。各指标赋分标准见表1。

表1 基本生态流量满足度、水质优劣度指标赋分标准Tab.1 The grading standard of the basic ecological flow satisfaction index and the quality of water index

1.2.2生境结构准则

河流生境是河流生态系统的重要组成部分,连接着水生生物与自然环境,因此,生境结构准则能够为河流生态系统保护与修复提供基础支撑[28],包含河流纵向连通性、岸线生态性及生态缓冲带宽度3项指标。其中,河流纵向连通性对于物质、能量及生物流动意义重大,其变化对区域生态系统及河流健康有显著影响[29];岸线是河流与陆地的生态连接区,是河流生境的重要组成,评价其生态性符合“河长制”的需求[30];生态缓冲带可以作为保护水体的屏障,减少进入水体的污染物质,其宽度代表了生态缓冲带的保护水平[31]。各指标赋分标准见表2。

表2 纵向连通性指数、岸线生态性指数和生态缓冲带宽度指标赋分标准Tab.2 The grading standard of the vertical connectivity index,the shoreline ecology index and the ecological buffer zone index

1.2.3水生生物准则

水生生物准则能够说明水生生物的生存现状及完整度,代表了河流生态系统的生物多样性,包含土著鱼类保有指数及大型底栖无脊椎动物多样性两项指标。其中,土著鱼类保有指数能够代表河流群落结构及组成等,评价该指标有利于鱼类生物多样性恢复及资源保护[3];大型底栖无脊椎动物是河流生态系统中最主要的生物类群,参与营养供给、物质循环等重要生态过程,其多样性能体现河流水环境的诸多情况[32]。各指标赋分标准见表3。

表3 土著鱼类保有指数指标和大型底栖无脊椎动物多样性指标赋分标准Tab.3 The grading standard of the indigenous fish conservation index and the microbenthic invertebrate diversity index

1.2.4社会服务准则

河流的社会服务功能由人类赋予并能够对河流生态功能产生影响,因此社会服务准则体现了河流的社会属性及构建新型人水关系的要求[33],包含防洪工程达标率、水功能区达标率、公众满意度3项指标。防洪工程是水利建设的重点,对保障河流周边居民生命财产安全及经济社会发展具有重要意义[34];水功能区是水资源管理的基本单元,能够实现水域的分类管理和保护,并能促进社会经济与水体承载力协调发展[35];公众满意度指标能够说明公众对河流健康的认知程度及河流管理的不足[10]。各指标赋分标准见表4～5。

表4 防洪工程和水功能区达标率赋分标准Tab.4 The grading standard of the flood control project′s compliancerate and the water functional area′s compliance rate

表5 公众评价各选项得分赋值Tab.5 The score assignment of public evaluation of each option

1.2.5河流管理准则

河流管理准则为浙江省河长办根据本省的河流管理特点提出的针对性准则。良好的河流管理是保障河流健康实现的先决条件,因此评价该准则有助于推动提高河流健康目标的实现[36]。根据《指南》,该准则包含管控能力适应性、监测体系完备性、管护手段先进性3项指标。其中管控能力适应性关注河流保护与利用规划、项目审批等情况的管理现状;监测体系完备性能够评价河湖管理范围内监测项目的完整程度;管护手段先进性则体现了河流空间管控手段的先进性和问题的发现、处置的及时性[24]。该准则不涉及定量计算,而是根据相关管理措施的有无及落实情况进行主观打分,故该准则层指标采用Delphi法获取相应赋分,其赋分标准见表6～7。河流管控的要求如下:① 完成河道岸线利用管理规划或一河一策编制;② 涉河涉堤项目审批规范;③ 岸带无“四乱”现象;④ 无电鱼、毒鱼等破坏生态行为。

表6 河流管控能力适应性赋分标准Tab.6 The grading standard of the adaptability ofriver control capabilities

表7 监测体系完备性及管护手段先进性赋分标准Tab.7 The grading standard of the monitoring system completeness and the advanced of management and protection

1.3 综合等级划分

河流健康综合等级可采用《导则》及《指南》规定的等级划分标准,按河流健康评价指数区间分为病态、不健康、亚健康、健康、非常健康5个等级,分别可用红、橙、黄、绿、蓝5种颜色表示,见表8。

表8 河流健康综合等级划分标准Tab.8 The river health classification standard scale

其中,河流健康评价指数(A1)具体计算公式如下:

(1)

式中:A1为河流健康评价指数,Bi为i准则得分,αi为i准则对应的权重,i=1,2,3,4,5。

1.4 研究区域概况

太湖流域(30°05′N～32°08′N,119°08′E～121°55′E)是中国经济社会最发达的地区之一,其地处长江三角洲南翼,涉及江浙皖沪三省一市。流域河网纵横、湖泊棋布,总面积36 895 km2,河道总长约12万km,河道密度达3.3 km/km2,是全国河道密度最高的地区。河流为流域经济社会提供了巨大的生态服务价值,因此研究和保障河流健康对区域高质量、可持续发展意义重大[37]。

长兴港是太湖流域的重要城市河流,位于浙江省湖州市长兴县北部,全长31.58 km,隶属于泗安水系。其发源于长兴县西部山区,由西向东穿过长兴主城区,与城区水系相通,最终汇入太湖,水位与太湖基本相平。长兴港与相关水库、闸坝的位置关系如图1所示。综上,长兴港兼有平原河网、城市河流、入湖河流等多重特征,可选作太湖流域河流健康评价的典型河流,故研究选用该河流开展太湖流域河流健康评价指标体系的案例研究。

图1 长兴港及相关水库、闸坝位置示意Fig.1 Location of Changxinggang River and related reservoir,sluices and dams

2 结果与分析

2.1 各准则及指标权重

研究在遵循《导则》及《指南》的基础上,邀请了5位多年从事河流健康评价、河流管理工作的专家,确定各准则及指标的权重。最终得到的长兴港健康评价各准则及指标的权重如表9所示。

表9 长兴港河流健康评价准则及指标权重Tab.9 The weights of river′s health assessment criteria and indexes for Changxinggang River

2.2 各准则及其指标得分

2.2.1水文水质准则

水文水质准则的得分需基于基本生态流量满足度指标与水质优劣度指标的得分,并结合二者的权重进一步计算得到。

基本生态流量满足度指标按照满足基本生态流量的天数占比进行计算,其具体计算公式如下:

C′1=(Dm/D)×100%

(2)

式中:C′1为基本生态流量满足度;Dm为评价年基本生态流量满足天数;D为评价年总天数。

根据长兴港10 a水文数据,将其90%保证率下最枯月平均流量作为长兴港的基本生态流量,为0.71 m3/s,2020年长兴港生态流量满足度为94.1%,借助线性插值法可得出该指标(C1)得分为99.1分。

水质优劣度指标以河流水质等级为标准进行赋分。对照GB 3838-2002《地表水环境质量标准》,长兴港2020年水质为Ⅲ类,结合表1的赋分标准,水质优劣度指标(C2)得分60.0分。

在两项指标得分结果的基础上,根据表9中各指标的权重,计算出水文水质准则(B1)的得分为85.41分。

2.2.2生境结构准则

生境结构准则的得分需基于河流纵向连通性、岸线生态性和生态缓冲带指数3项指标的得分及权重计算得到。

河流纵向连通性指标根据每10 km河长内影响河流连通性的设施数量对其进行评价,具体计算公式为

C′3=(N/M)

(3)

式中:C′3为单位河长内影响河流连通性的建筑物或设施数量,个/10 km;N为影响河流连通性的建筑物或设施数量,个;M为评价河流河长,10 km。

根据长兴港闸坝、河长的相关数据,C′3为0.95,结合表2的赋分标准,采用线性插值法,计算河流纵向连通性指标(C3)最终得分为2.0分。

岸线生态性指数指标根据各类型岸线长度占比计算,具体计算公式为

C′4=∑(PbiLbi)/L

(4)

式中:C′4为河流岸线生态性指数得分;Pbi为i类型岸线分值;Lbi为i类型岸线长度,km;L为评价河段岸线总长度,km。

依据长兴县政府河流岸线相关河道规划文件,结合表2的赋分标准,采用线性插值法,计算得到岸线生态性指标(C4)得分为70.0分。

生态缓冲带指数指标由河流生态缓冲带宽度及其植被覆盖度综合确定,其具体公式为

Ibz=∑(PwiLwiCvi)/L

(5)

式中:Ibz为生态缓冲带指数;Pwi为i宽度类型生态缓冲带平均宽度得分;Lwi为i宽度类型生态缓冲带长度,km;Cvi为i宽度类型生态缓冲带植被覆盖度,%;L为评价河段岸线总长度,km。

根据长兴港生态缓冲带相关数据,结合表2的赋分标准,采用线性插值法,计算得到的生态缓冲带指数(C5)得分为74.8分。

在上述两项指标得分结果的基础上,结合表9中的权重,计算出的生境结构指标层(B2)得分为65.36分。

2.2.3水生生物准则

水生生物准则的得分需基于土著鱼类保有指数指标、大型底栖无脊椎动物多样性指标的得分,并结合二者的权重,进一步计算得到。

土著鱼类保有指数指标通过将现有鱼类与有历史记录的土著鱼种类进行对比,其具体计算公式为

C′6=(Sfo/Sfe)×100%

(6)

式中:C′6为河流土著鱼保有比例;Sfo为评价期间河流土著鱼保有数量,种;Sfe为历史时期河流土著鱼保有数量,种。

根据长兴港现有及80年代相关鱼类监测数据,土著鱼类保有比例为66.7%,结合表3的赋分标准,采用线性插值法,得到该指标(C6)赋分为66.7分。

根据长兴县关于大型底栖无脊椎动物多样性统计数据,其多样性指数为0.845,结合表3的赋分标准,采用线性插值法赋分,得到大型底栖无脊椎动物多样性指标(C7)得分为33.8分。

在两项指标得分结果的基础上,结合表9中两项指标的权重,可计算得到水生生物准则层(B3)得分为50.25分。

2.2.4社会服务准则

社会服务准则的得分需基于防洪工程达标率、水功能区达标率和公众满意度3项指标的得分及权重进一步计算得到。

防洪工程达标率指标按照达到防洪标准的堤防长度占评价河段总长度的比例计算,其具体计算公式为

C′8=(RLA/RL)×100%

(7)

式中:C′8为防洪工程达标率;RLA为达到防洪标准的堤防长度,km;RL为评价河段总长度,km。

根据长兴港防洪标准及现场调查,防洪工程达标率为100%,结合表4的赋分标准,指标(C8)得分为100.0分。

水功能区达标率按照达标功能区个数占评价功能区总数的比例计算,具体计算公式为

C′9=(FG/FN)×100%

(8)

式中:C′9为水功能区达标率;FG为功能区达标个数,个;FN为评价功能区总数,个。

根据长兴港水质、水功能区相关数据,计算得到水功能区达标率为66.7%,结合表4的赋分标准,指标(C9)得分为53.2分。

公众满意度调查共发放正式问卷150份,得到有效样本123份。受访人群包含学生、服务业从业者、自由职业者、事业单位人员及工人等,并且过半数受访者已定居长兴县10 a以上,可认为受访人群具有代表性。最终得到问卷统计结果如表10所列。

表10 公众满意度问卷调查结果Tab.10 The results of public satisfaction questionnaire %

公众满意度赋分计算公式见式(9)～(10)。

(9)

C10=N/4

(10)

式中:N为受访者回答的4个问题的总得分;A,B,C,D分别为表5中各选项赋分值;aai,bbi,cci,ddi分别为第i个问题中选A,B,C,D的受访者所占比例,i=1,2,3,4;C10为公众满意度赋分。最终计算公众满意度指标(C10)指标得分为71.8分。

在上述3项指标得分结果的基础上,结合表9中的权重,可计算得到社会服务准则(B4)得分为74.67分。

2.2.5河流管理准则

河流管理准则的得分需基于管控能力适应性、监测体系完备性、管控手段先进性3项指标的得分及权重计算得到。

根据长兴县相关河流规划文件和现场调查,结合表6中所述管控能力的四项标准,管控能力适应性(C11)得分为100.0分。根据长兴县政府对长兴港水文、水质监测的相关数据,依据表7的赋分标准,监测体系完备性指标(C12)、管护手段先进性指标(C13)均为100.0分。

在上述3项指标得分结果的基础上,结合表9中的权重,得到河流管理准则(B5)得分为100.00分。

2.3 综合评价结果

通过上述计算过程,得到13项指标得分见图2,并得出5项准则得分,分别为85.41分、65.36分、33.80分、74.67分和100.00分。结合表9中各准则的权重,利用式(1),对长兴港健康状况进行总评价,总得分为73.38分。将该得分与表8对照可知,长兴港属于健康状态,可用“绿色”表示,各准则得分见表11。

图2 长兴港评价指标赋分雷达图Fig.2 Evaluation index scoring radar map of Changxinggang River

表11 长兴港健康评价结果Tab.11 The results of Changxinggang River′s health assessment

3 讨 论

3.1 评价指标体系合理性分析

首先,从指标体系的构建过程来看,在国家和地方相关标准的基础上,考虑了河长制要求及评价河流特征,采用专家咨询等方法,体现了因地制宜的原则,在构建基础、思路方法等方面均具备科学性和合理性。

其次,从权重确定方法来看,参考了《导则》及《指南》,符合行业政策,可保障权重的权威性、适用性;且研究建议参与Delphi法的打分专家应常年从事太湖流域河流管理、河流健康评价等相关工作,可使确定的权重具有准确性、有效性;同时,Delphi法是《指南》首推的权重确定方法,有较强的可操作性,便于河流管理实践。

此外,相关部门、专家及公众对长兴港河流健康状况定性评价的结论与本指标体系所得到的长兴港河流健康水平基本一致。鉴于此,研究所构建的评价体系能够较为客观地反映太湖流域河流健康情况,可为流域水资源保护、水生态修复及河长制的进一步落实提供科学依据。

3.2 长兴港河流健康评价结果

长兴港河流健康评价得分为73.38分,处于“绿色”健康水平,说明长兴港在维护河流健康方面取得了一定成效。从准则层面来看,水文水质、生境结构、社会服务和河流管理准则得分相对较高,说明长兴港在河流流量保障、水质保护、河流管理能力方面取得了显著成效,生境结构趋于完整,社会服务功能不断提升。但水生生物准则得分低于60.0分,说明长兴港生物多样性较多年前有一定程度的退化,需进行生态修复。

从指标层面来看,基本生态流量满足度、管控能力适应性、监测体系完备性、管护手段先进性、公众满意度、防洪工程达标率、土著鱼类保有数、生态缓冲带指数、岸线生态性以及水质优劣度10项指标得分较高。长兴县是浙江省率先创立“河长制+检查”联动监督机制的县,因此在河流管理准则成果显著,三项指标均为100.0分。公众满意度指标赋分71.8分,说明在相关管理部门的努力下,公众能够感受到近年来长兴港水生态环境及健康状况的改善,对长兴港成为“幸福河”充满期待。但河流纵向连通性、大型底栖无脊椎动物多样性、水功能区达标率3项指标得分相对较低,说明长兴港健康水平仍有提升空间。

因此,建议可从以下方面开展工作:① 研究长兴港河流连通对河流生态环境的影响,对河道上的闸坝进行改进,为鱼类和其他生物提供适宜通道;② 加强对大型底栖无脊椎动物种群及相关水生动物群落的监测,研究其群落特征及时空分布并应用于河流管理;③ 对硬化岸线进行绿化并对生态缓冲带进行生态修复;④ 控制农业用水区面源污染,对长兴城区污水处理及再生水利用设施进行优化配置。

4 结 论

对太湖流域河流进行健康评价有利于管理部门开展水资源保护工作,促进水生态修复。研究参考了国家及太湖流域相关的河流健康评价标准,综合考虑河流管理的实际需求与建立新型人水关系的需要,构建了以河流健康为目标层,水文水质、生境结构、水生生物、社会服务及河流管理为评价准则,包含基本生态流量满足度、水质优劣度、河流纵向连通性等13项具体指标的河流健康评价指标体系;并建议结合Delphi法确定各准则及指标的权重。

以流域典型河流长兴港为例,该评价指标体系可客观、科学地反映河流健康水平,具体如下:长兴港河流健康评价得分为73.38分,整体属于“绿色”健康等级,但部分准则及指标仍需改善。今后可在此体系的实践基础上,结合“一市一考”、“一河一策”等工作的实际情况,因地制宜,将评价指标体系逐渐扩展应用于太湖流域河流健康评价工作;同时,根据河流实际情况,因地制宜确定权重、进一步细化选取河流健康评价的准则和指标,以更加科学地评估太湖流域河流健康。