基于不同空間尺度的河流健康評價方法探討

王 波，梁婕鵬

（1.長江科學院水資源綜合利用研究所，武漢 430010；2.長江勘測規(guī)劃設計有限責任公司，武漢 430010）

基于不同空間尺度的河流健康評價方法探討

王 波1，梁婕鵬2

（1.長江科學院水資源綜合利用研究所，武漢 430010；2.長江勘測規(guī)劃設計有限責任公司，武漢 430010）

簡要回顧了國內(nèi)外河流健康評價的主要方法，并分階段總結了其發(fā)展過程；結合河流健康評價的需要，對評價的空間尺度進行了等別劃分，并對河流生態(tài)系統(tǒng)變化的時空相關性進行了探討，初步建立了時空相關關系；按照空間尺度等別，對國內(nèi)外各種評價方法的時空適應性進行了探討，并推薦了適宜于大、中、小評價尺度的評價方法。

河流；尺度；評價方法

1 概 述

河流健康評價研究是隨著水資源開發(fā)利用與保護的矛盾不斷突出而逐漸興起的。19世紀末，由于工業(yè)污染物的排放，歐洲一些河流發(fā)黑發(fā)臭，出現(xiàn)了嚴重污染的情況。面對水環(huán)境持續(xù)惡化的壓力，人們對河流及水生物關注增加，對河流水質(zhì)進行評價，形成了最初的河流健康評價的內(nèi)容。20世紀70－80年代初，人們對河流的關注由單一的水質(zhì)保護轉移到整個河流生態(tài)系統(tǒng)，評價內(nèi)容也開始轉向?qū)恿魃鷳B(tài)及環(huán)境質(zhì)量的評價，河流健康的內(nèi)涵更為豐富，并且出現(xiàn)了多種評價方法，其中生物完整性指數(shù)［1］（IBI）、河流無脊椎動物預測與分類系統(tǒng)［2］（RIVPACS）和快速生物評價協(xié)議［3］（RBP）獲得的認可度比較高。

進入20世紀90年代，河流健康評價進入快速發(fā)展時期，許多國家建立了河流健康評價方法，較具代表性的有美國的環(huán)境監(jiān)測評價計劃（EMAP）、岸邊與河道環(huán)境細則［4］（RCE），英國的河流保護評價體系（SERCON）、河流棲息地調(diào)查［5］（RHS），澳大利亞的河流地貌類型（GRS）、河流狀態(tài)調(diào)查（SRS）、溪流健康指數(shù)［6］（ISC）和南非河流健康計劃［7］（RHP）的棲息地完整性指數(shù)（IHI）等。

21世紀以來，河流健康研究的熱潮逐漸轉移到發(fā)展中國家。我國流域機構、高校和科研院所相繼開展了大規(guī)模的河流健康研究，河流對人類的服務功能被納入到河流健康評價的對象中，河流健康的內(nèi)涵進一步豐富。流域管理機構作為河流代言人，出于管理需求，也開展了大量的相關研究，提出了針對河流特性制定指標的多指標綜合評價方法，長江水利委員會、黃河水利委員會和珠江水利委員會均提出了各自的河流健康評價方法［8－10］。河流健康評價方法分階段發(fā)展過程如圖1。

圖1 河流健康評價方法發(fā)展過程Fig.1 Development of river health evaluation methods

多年來，社會對河流健康的關注不斷提高，對河流健康評價也不僅僅是理論研究的需要，而是一項需要全面鋪開的生產(chǎn)性技術工作，這就需要對各種評價方法及適用條件比較明確。河流系統(tǒng)的變化是一個復雜的動態(tài)過程，并且這種動態(tài)變化具有顯著的時空相關性，以空間尺度著手，可以建立一個整合的方法框架，便于評價者按需較為快速地選用合適的方法。

2 時空尺度的劃分

2.1 空間尺度的劃分

河流健康評價的空間尺度由大到小可依次劃分為全河長、景觀河段、工程河段、斷面和微生境，按照便于操作的考慮，概化為大尺度（全河長）、中尺度（景觀河段、工程河段）、小尺度（斷面、微生境）。不同的評價尺度對評價方法有不同的要求：大尺度的評價要求方法具有較好的綜合性，能夠全面反映全河長的健康狀況和各河段的健康均衡狀況；小尺度的評價要求評價方法具有較強的針對性，能準確反映河流斷面或微生境的健康狀況。

2.2 時空尺度的關聯(lián)性

從河流系統(tǒng)發(fā)生變化的過程來看，擾動對系統(tǒng)影響的尺度和系統(tǒng)響應的時間存在相關關系：即斷面、微生境等小尺度單元的影響較容易在短時間內(nèi)產(chǎn)生或恢復；而全河長等大尺度系統(tǒng)受到影響或恢復需要長期的過程，并且大尺度的評價需要開展長期的觀測和跟蹤調(diào)查才能完成。基于河流系統(tǒng)變化的時空相關性認識，大尺度河流健康程度的變化一般經(jīng)歷較長的時間尺度，反之，小尺度的變化經(jīng)歷較短的時間尺度，在評價方法上就能建立“空間-時間”相關關系，即適宜于大尺度的評價方法對應長期（3～10年）變化的評價，適宜于中尺度的評價方法對應與中期（1～3年）變化的評價，適宜于小尺度的評價方法對應與短期（0～1年）變化的評價。

3 適用于小尺度的評價方法

小尺度評價的對象是河流斷面或微生境，適用的評價指標較少，在某些特定情況下甚至可只選擇個別指標就能得到評價結論，即“一票否決”或“一票肯定”。底棲動物生物完整性指數(shù)（B-IBI）和河流無脊椎動物預測與分類系統(tǒng)（RIVPACS）能較好地滿足小尺度的健康評價的需要。

3.1 底棲無脊椎動物完整性指數(shù)

底棲無脊椎動物完整性指數(shù)（B-IBI）來源于生物完整性指數(shù)（IBI）。生物完整性指數(shù)（IBI）產(chǎn)生于美國中西部，最初以魚類生物完整性指數(shù)作為指標，被美國的許多地區(qū)作為評價溪流狀況的工具以支持水資源計劃和決策，后來逐漸推廣到底棲無脊椎動物等其它物種。底棲無脊椎動物完整性指數(shù)（BIBI）以棲息地相對固定的底棲無脊椎生物來作為評價的指示物種代替最初魚類作為指示物種，以反映河流小尺度的健康狀況。該方法充分利用了底棲無脊椎動物棲息地穩(wěn)定的特點，一次取樣評價范圍一般僅涉及數(shù)米或數(shù)十米的范圍，可以較好地反映小尺度生境質(zhì)量的優(yōu)劣。由此看來，指示物種的活動范圍是選擇指示物種的重要因素之一，那么也可考慮采用著生藻類等活動范圍較小的物種來作為小尺度的健康評價的指示物種。

從當前國內(nèi)應用情況來看，以底棲無脊椎動物作為指示物種可以滿足小尺度生境健康評價的需求。王備新等［11］以大型底棲無脊椎動物為指示物種，將底棲生物完整性指數(shù)在國內(nèi)進行了應用研究，表明了該指數(shù)在我國應用的有效性，可作為小尺度健康評價的方法。但該方法的應用有一個前提，就是必須找到未受人為擾動的本底生境作為評價參考對象。

3.2 河流無脊椎動物預測與分類系統(tǒng)

河流無脊椎動物預測與分類系統(tǒng)（RIVPACS）也是一種可用于小尺度評價的方法，于1977年產(chǎn)生于英國，起初用于保護區(qū)域的確定，關注的重點是物種組成類型，后來被用來評價河流健康。RIVPACS利用無脊椎動物作為指示物種，根據(jù)河流生境條件首先建立一個本區(qū)域的預測模型，當進行評價時輸入評價對象的生境條件參數(shù)，即可生成生物總量和敏感性物種生物量的預測值，預測值與實測值的比值即反映該小尺度的健康狀況。在我國應用該方法的難點主要在于建立預測模型。

該方法與底棲無脊椎動物完整性指數(shù)基本原理相同，不同點在于該方法以模型化的參數(shù)作為本底值，而底棲無脊椎動物完整性指數(shù)以類似的真實生境作為本底值。澳大利亞在RIVPACS的基礎上發(fā)展了適合本國的方法AUSRIVAS，并于1993年采用AUSRIVAS進行了第1次全國河流健康評價。

3.3 經(jīng)驗判斷

在現(xiàn)實中往往存在這樣的情況，經(jīng)驗豐富的專家往往可以目測采集小尺度范圍內(nèi)河流健康狀況的顯性信息，通過與以往經(jīng)科學評價分級的類似生境進行對比，判斷出健康程度。這種方法雖然缺乏嚴謹?shù)目茖W程序，但可在無實測條件的情況下較為容易地獲得第一手資料，評價結論也可被接受，是河流健康評價中一種常用的方法。

4 適用于中尺度的評價方法

中尺度河段的規(guī)模一般為數(shù)公里至上百公里，河段內(nèi)水動力學條件、水質(zhì)、河床底質(zhì)、氣候等條件相似，形成具有一定特征和獨立性的生態(tài)系統(tǒng)。在中尺度的評價上，小尺度評價中采用的生物評價方法仍然是一種適宜的評價方法，和小尺度評價不同的是指示物種的選擇原則不同，要求自然狀況下指示物種的生命周期或部分生命史應當依賴于該河段的特殊生境而完成，應用條件相對嚴格。推薦采用河流條件指數(shù)（ISC）和魚類生物完整性指數(shù)（F-IBI）進行評價。

4.1 河流條件指數(shù)

河流條件指數(shù)（ISC）于1999年由Ladson等提出，構建了包括水文、地貌形態(tài)、河岸帶狀況、水質(zhì)及水生生物在內(nèi)的指標體系，把生物及其非生命環(huán)境作為一個整體來加以評價。從應用情況來看，澳大利亞已應用該方法在多條河流的健康評價中，所采用的水文、地貌形態(tài)、河岸帶狀況、水質(zhì)及水生生物等大部分評價指標適合于我國豐水地區(qū)河流的評價，對部分指標進行針對性調(diào)整后可作為中尺度的評價方法。

4.2 魚類生物完整性指數(shù)

魚類具有豐富的種類，是生物評價方法常用的指示物種。首先，魚類的棲息地范圍可長達數(shù)十乃至上百公里河段，和工程河段及景觀河段的尺度重合較好；其次，一些魚類的生命全周期或部分重要生命期完全依賴于特殊生境［12］，能較好地代表該生境類型河段的健康狀況。

4.3 經(jīng)驗判斷

在運用上述方法不具備的條件下，依靠經(jīng)驗通過目測濱水植被、流量、水質(zhì)、流態(tài)等信息來判斷河流健康狀況的方法仍然被經(jīng)常使用。

當然，從空間構成上來看，中尺度仍然是由一系列小尺度空間構成，因此也可由若干小尺度的評價結論集結而得；中尺度范圍相對較大，也可采用單指標評價后集結得到。

5 適用于大尺度的評價方法

大尺度的評價包含大量不同類型的中尺度和小尺度，采用個別中、小尺度的或單一指標代表大尺度健康狀況存在較大的風險，難于對河流健康得出全面可靠的評價結論，因此大尺度評價一般采用小尺度和中尺度評價結論綜合或多指標評價結論綜合得到。從評價方法來說，就是大尺度評價方法應著重考慮是否能有效地綜合信息。

大尺度評價方法的關鍵在于信息綜合能力，多指標綜合評價方法符合這種需求。多指標綜合評價方法將指標信息通過樹狀結構進行傳遞，能將眾多指標值以一個綜合性的值來反映，從而對評價對象作出總體評價。該方法指標集結形式比較靈活（見圖2），適用性較好。但在實際運用中，低級指標每向高一級指標綜合1次，低一級的多個指標信息由1個高一級的指標來表征，相當于低一級指標的信息被“平均”，可能出現(xiàn)即便個別低級指標值非常糟糕，而總體評價結論較好的情況，因此，在運用該方法時應加以重視。

圖2 大尺度評價指標集結路徑示意圖Fig.2 Aggregation route of large-scale evaluation indices

由于多指標綜合評價方法的這種運用形式具有較強的適用性，長江水利委員會等流域機構及趙彥偉、耿雷華等學者［13，14］采用這種方法進行河流健康評價。2005年初，長江水利委員會提出了“維護健康長江，促進人水和諧”的治江新理念，并界定了維護健康長江的基本內(nèi)涵、主要任務和保障措施，提出了健康長江評價指標體系的框架結構，并開展了一些具體指標的研究工作。黃河水利委員會提出了“1個最終目標；4項主要標志；9條治理途徑；3種基本手段”的“維持黃河健康生命”的理論框架，“維持黃河健康生命”作為黃河治理的終極目標。珠江水利委員會將“構建珠江健康評價體系”作為維護珠江健康的5項主要措施之一，從水質(zhì)、水量、泥沙、河床等方面提出珠江健康指標，制定了珠江邊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、生態(tài)需水、引用供水、航運需水等作為控制指標。

提取菌株 Sd1－2的 RNA（圖 2），反轉錄合成cDNA 后， 用 DMMK1－F／DMMK1－R 為引物進行PCR擴增，PCR產(chǎn)物瓊脂糖凝膠電泳結果如圖3，片段大小與預測結果大小基本一致。由瓊脂糖電泳檢測結果可見，這種引物的特異性較好，基本沒有非特異條帶。切膠后，用DNA回收試劑盒回收目標片段，連接載體轉化后，用通用引物M13－47／RV－M對轉化子進行菌落PCR擴增驗證（圖4），將陽性克隆送樣測序。

6 結 語

本文對河流健康評價方法的空間尺度適應性進行了探討，并按照大尺度、中尺度和小尺度對國內(nèi)外主要河流健康評價方法進行了分類應用推薦，希望可以為河流健康評價方法的選擇起到一定的參考作用，推動河流健康評價實踐的標準化進程。

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（編輯：趙衛(wèi)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

水利部公益性行業(yè)科研專項項目（200901012）

王 波（1982-），男，貴州桐梓人，工程師，主要從事水資源管理與保護研究，（電話）027-82926423（電子信箱）wangbotongzi＠163.com。