海河干流健康評估體系研究

羅　莎, 張　凱, 李　強

(天津市水利科學研究院,天津　300061)

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海河干流健康評估體系研究

羅莎, 張凱, 李強

(天津市水利科學研究院,天津300061)

摘要：針對海河穿過天津中心城區(qū)、原有入境水量大幅減少的特點,以水利部河流健康評估技術導則為基礎,調整了5個準則層的部分評估指標及賦分權重,構建了一套海河干流健康評估體系,并依此評估出海河干流2013年的健康指數得分為47.9分,為“亞健康狀態(tài)”,比直接按水利部標準評出的結論“不健康狀態(tài)”提高了一個等級。

關鍵詞：河湖健康評估;海河干流;指標體系

20世紀90年代以來,為了解河湖的生態(tài)狀況,弄清河湖健康出現問題的原因,掌握其變化規(guī)律,提高流域綜合管理水平,西方國家采用“河湖健康評價”作為流域綜合管理的技術手段[1]。針對我國各地河湖健康面臨的諸多問題和嚴峻形勢,水利部于2010年底開始進行了河湖健康評估工作,確定了天津市的海河干流為河湖健康評估的試點之一。

海河干流流經天津市中心城區(qū),是天津的母親河。自1963年特大洪水之后,海河流域大規(guī)模興建水利工程,海河干流原有入境水量大幅減少,河流的水文特性、河床狀況等均發(fā)生重大改變,加之社會經濟的快速發(fā)展,目前海河干流存在著水資源短缺、水污染嚴重等問題,亟須對海河干流的健康狀況做出客觀科學的評價。

筆者以水利部河湖健康評估技術導則為基礎,結合海河的實際情況,構建一套海河干流健康評估體系,并以2013年為評估基準年,對海河干流健康進行評估。

1　水利部河流健康評估體系

水利部河湖健康評估工作技術工作組對河湖健康評估的定義是指就河湖系統完整性(水文完整性和物理結構完整性)、化學完整性、生物完整性和服務功能完整性以及它們的相互協調性進行評價[2-3]。根據河流和湖庫的不同特點,水利部分別制定了《河流健康評估指標、方法和標準》(試點工作用)(1.0版)[2](以下簡稱《河流標準》)和《湖泊健康評估指標、方法和標準》(試點工作用(1.0版))[3](以下簡稱《湖泊標準》)。

水利部河湖健康評估指標體系自下而上為指標層、準則層和目標層3級。評估采用分級指標評分法,自下而上,逐級加權計算各層得分,最終得到河湖的健康等級。

準則層包括水文水資源(HD)、物理結構(PF)、水質(WQ)、生物(AL)和社會服務功能(SS)等5個層面;每個準則層對應不同的評估指標,包括必選指標和流域自選指標。目標層指河流與湖庫的總體健康水平,分為理想狀況、健康、亞健康、不健康、病態(tài)5個等級,河湖健康等級、類型、顏色代碼如下表1。

表1　河湖健康評估分級

2　海河干流概況及存在的問題

海河是天津的母親河,橫穿天津市區(qū),為典型的北方城市河流,干流西起紅橋區(qū)的子北匯流口,東流經市區(qū)、近郊區(qū)及濱海地區(qū),北岸東麗區(qū),南岸津南區(qū),貫穿濱海新區(qū)塘沽鎮(zhèn),于大沽口入渤海,全長73.45 km,流域面積2 066 km2,是一條以行洪為主,兼顧排澇、蓄水供水、航運、旅游等多功能的河道。

海河素有“九河下梢”之稱,歷史上水災頻發(fā)。海河干流原是海河水系漳衛(wèi)河、子牙河、大清河及永定河、北運河的入海尾閭河道,1949年中華人民共和國成立以后經歷多次治理,下游新辟了入海通道,大部分洪水通過新辟的子牙新河、獨流減河、永定新河分泄入海。海河干流主要承泄大清河和永定河部分洪水,設計行洪能力800 m3/s[4]。為實現“清濁分流”、“咸淡分家”之目標,1958年在海河入海口修建了防潮閘,1985年又在津南東泥沽附近建了二道閘。為防止海水倒灌和淡水資源流失,目前兩閘的運行模式是:日常多處于閉閘狀態(tài),只在汛期和換水期間開啟。由于上游來水減少,目前海河干流及與之相連的二級河道的生態(tài)用水主要靠汛期蓄水和引灤調水。

2003年啟動的海河兩岸綜合開發(fā)堤岸改造工程極大地促進了天津城市旅游業(yè)的發(fā)展,海河的景觀娛樂功能逐漸加強;同時,由于上游水利工程的攔截及近年來流域內降水量的減少,海河原來的行洪防潮功能有所弱化。

由于水資源緊缺、水體置換頻次低,加上海河沿岸的生活污水、工業(yè)廢水、汛期雨污水以及二級河道的排澇水直接或經過泵站、閘涵排入海河,造成海河水體污染和富營養(yǎng)化。盡管近幾年先后開展了河道清淤、污水處理廠建設和以截污為主的“清水工程”,但海河的水環(huán)境問題依然嚴峻,特別是夏天,海河干流多次發(fā)生了較大規(guī)模的藍藻水華[5],引起了政府和市民的高度關注。

3　海河健康評估體系構建

開展河湖健康評估的目的是要了解河湖的生態(tài)狀況,識別河湖所承受的壓力和影響,尋求自然、人為壓力與河湖系統健康變化之間的關系,探求河湖健康受損的原因,進而指導人類在河湖框架下的河流開發(fā)和管理活動。海河屬于人類活動強烈干預的河道,已有水利工程和沿岸開發(fā)建設的影響在較長一段時期內不會消失,目前能做到的就是在現有條件下進行海河優(yōu)化開發(fā)和保護,完善海河基本功能及生態(tài)體系。以水利部《河流標準》為基礎,從評價指標的必要性、適用性、便捷性以及賦分合理性等方面考慮,適當弱化一些不可恢復的因素,強調可恢復的特性,調整部分評估指標和權重,增加反映海河湖泊特征的評估指標,旨在構建一套適合海河的健康評估體系與評估方案,以便快速、量化地定位出突出存在的問題。

3.1海河水文水資源準則層評估指標與權重調整

《河流標準》中水文水資源準則層的評估指標有兩個:流量過程變異程度、生態(tài)流量保障程度。受水資源高度開發(fā)的影響,海河的現狀流量顯著低于歷史天然徑流量,流量變異程度很高,與20世紀50年代的天然狀態(tài)截然不同,造成在做水文還原時,存在著歷史水文資料少,還原精度差的問題。經過初步試算,按照《河流標準》給海河打分,水文水資源準則層這1項為0。

實際上,海河,尤其是二道閘以上區(qū)域,為了景觀娛樂需求,通過引灤調水,水深常年維持在適宜通航的高度,從這個意義上說,海河已不是傳統意義的河流。盡管河流有水,但這個過程不是天然的,無法把流域的水量變化、歷史流量與當前水量變化建立起必然的對應關系,若完全依據《河流標準》對海河進行健康賦分,可能過于苛刻。因此,引入“水深變化程度(WD)”作為海河水文水資源準則層評估的判斷標準,WD的計算按公式(1)進行。

(1)

該方法不用再做水文歷史數據還原,重在考察現狀條件下河道中水量滿足各項功能的保障程度。

3.2海河物理結構準則層評估指標及權重調整

《河流標準》中物理結構準則層包括“天然濕地保留率” 、“河流連通阻隔狀況”和“河岸帶狀況”3個指標。

由于場區(qū)內沒有與海河有直接水力聯系,且屬于國家、地方濕地名錄的天然濕地,因此“天然濕地保留率”予以剔除。

“河流連通阻隔狀況”這一指標目的是評判河道中魚類遷徙和營養(yǎng)鹽傳遞之間的連通性。受二道閘和海河閘的影響,該指標按《河流標準》賦分為0。考慮到一定時期內閘壩將繼續(xù)存在,河流的連通性無法恢復,該指標對于修復海河水生態(tài)沒有太大的指導意義,因此給予取消。

《河流標準》中把“河岸帶狀況”分為了“岸坡穩(wěn)定性”、“河岸植被覆蓋率”和“河岸人工干擾程度”等3項,權重分別為0.25,0.5和0.25。對于海河以及天津其他城市河道而言,“河岸帶狀況”對河道水質、生態(tài)甚至水量的影響很大,應當作為評估的重點。從實際情況來看,“岸坡穩(wěn)定性”涉及防洪,給予保留。“河岸植被覆蓋率”在海河等城市河道或者在深槽兩側構建了防洪堤的河道上并不十分適用,所以將其弱化,降低權重為0.2。對于“河岸人工干預程度”,考慮到天津地區(qū)河道的主要污染都是來自各類排水口,包括城市的雨水、企業(yè)的污水和農業(yè)灌排渠道的退水等,因此增加了“排水口”一項,且將“排水口”和“垃圾填埋場或垃圾堆放”等分值處理。考慮到人工干擾對河岸帶影響很大,也是今后治理的重點,故將其權重提高到0.6。

3.3水質準則層評估指標及權重調整

《河流標準》中水質準則層有“低溫影響”、“溶解氧狀況”、“耗氧有機污染狀況”、“重金屬污染狀況”等4個指標。由于海河上沒有大型水利水電工程,不存在低溫影響問題,所以對水溫變異狀況指標不予考慮。另外,由于海河水體流動性差,富營養(yǎng)化及引起的藍藻暴發(fā)問題突出,因此,將《湖泊標準》水質準則層中的“富營養(yǎng)狀況”[3]指標增加到海河水質準則層的評估中。

最終,海河健康評估水質準則層指標包括“溶解氧狀況”、“耗氧有機污染狀況”、“重金屬污染狀況”、“富營養(yǎng)狀況”等4個指標,每個指標對應的具體水質項目賦分計算分別遵從上述《河流標準》及《湖泊標準》,水質準則層的最終賦分采用了最小賦分原則。

3.4生物準則層評估指標及權重調整

《河流標準》中生物準則層包括“大型無脊椎動物(底棲動物)生物完整性指數”和“魚類生物損失指數”2個指標。鑒于海河已表現出一定的富營養(yǎng)化,僅用這兩個河流指標不足以完全反映海河的生物健康狀況,故將《湖泊標準》生物準則層中的“浮游植物數量(藻密度)”和“浮游動物生物損失指數”2個指標增加到海河健康評估中。

此外,《河流標準》中的底棲動物完整性指數(Benthic index of biological integrative,B-IBI)盡管是目前應用最廣泛的生物完整性指數之一,但是該指標也具有其自身的局限性。底棲動物完整性指數(B-IBI)用于未受或受人類活動干擾極小,且生境多樣性高的流域評價時效果較好,而用于評價完全暴露在人為干擾的流域時,其參照樣點的選擇則會出現一定的偏差。此外,Griffth等[6]認為底棲動物完整性指數(B-IBI)對農業(yè)污染敏感、對可溶性重金屬和沉積物中的重金屬敏感性比較低,甚至不敏感。事實上,對海河而言,篩選無干擾或干擾較小的參考系十分困難,因此選用“底棲生物綜合污染指數BI”來替代B-IBI進行評價[7-8],即通過Trent生物指數、Goodnight修正指數(GBI)、Shannon-wiener多樣性生物指數(H’)、Margalef豐富度指數(d)、生物學污染指數(BPI)、科級生物指數(FBI)等6個指標進行模糊集合標準化處理,整合出最終的海河綜合生物污染指數BI。

在權重方面,生物準則層各指標采取了同等權重賦分原則,即“浮游植物數量”、“浮游動物生物損失指數”、“魚類結構完整性”和“底棲生物綜合生物污染指數”4個指標各占0.25的賦分權重。

3.5社會服務準則層評估指標及權重調整

《河流標準》在社會服務功能指標里給出了“水功能區(qū)達標指標”、“水資源開發(fā)利用指標”、“防洪指標”和“公眾滿意度指標”4項。

“水資源開發(fā)利用指標”指的是流域的水資源開發(fā)利用度,由于海河的水資源主要靠外調水和汛期蓄水,與流域的水資源開發(fā)利用程度無法建立直接的關系,這一點與對水文水資源準則層的觀點一致。因此,筆者認為不能用流域的“水資源開發(fā)利用指標”來表征海河的社會服務功能,而改用“水量滿足度”來替代,以反映水資源量滿足社會服務功能的程度。

該準則層的4個指標及最終賦分計算方法同《河流標準》。

3.6海河干流健康評估指標體系

海河干流健康評估指標體系(“海河標準”)見表2。

表2　海河干流健康評估指標體系

圖1　海河干流健康評估河段劃分及監(jiān)測斷面分布

4　海河干流健康評估及結果討論

4.1評估河段劃分

按照《海河流域天津市水功能區(qū)劃》[9],海河干流劃為開發(fā)利用區(qū)、工業(yè)用水區(qū)和景觀娛樂用水區(qū)、飲用水源區(qū)、過渡區(qū),其中三岔口—二道閘上日常為工業(yè)用水區(qū)和景觀娛樂用水區(qū),在飲用水輸水期間為飲用水源區(qū),二道閘下—海河閘為過渡區(qū)。本次評估河段的劃分依據《河流標準》中河流縱向分段依據,即將河流水文特征、河床及河濱帶形式、經濟發(fā)展特征相同或相似的河流分為一段。由于二道閘以下河流主要需要滿足航運和防洪排瀝的功能,對水質要求不高,盡管也貫穿了濱海新區(qū)塘沽街,但對天津市的整體影響較小,在評估中有所弱化,僅布設一個斷面(海河閘)作為監(jiān)測斷面。海河二道閘以上的河段蓄存了淡水,并且穿過中心城區(qū)、津南區(qū)和東麗區(qū),不僅是城市景觀帶的核心區(qū),而且是備用水源地和工業(yè)用水水源,意義十分重大,為評價重點,故該段共布設了4個評估斷面。總體上將海河干流劃分為5個評估河段,相應布設了5個監(jiān)測斷面:三岔口、復興河口、洪泥河口、二道閘上、海河閘,河段劃分及監(jiān)測斷面情況分別見表3和圖1。

表3　海河健康評估河段劃分情況

4.2評估結果討論

按“海河標準”對海河干流2013年的健康狀況進行評估,結果見表4。海河的最終健康賦分為47.9分,為亞健康狀態(tài)。兩個亞層中,生態(tài)完整性賦分39.3分,介于亞健康和不健康的邊緣;而社會服務完整性賦分68分,為健康水平。從5五個準則層的得分情況可以看出,水質準則層得分最低,僅有2分,為制約海河生態(tài)健康的最主要因素;其次是生物準則層。現狀條件下，海河在日常運行和管理中面臨的主要壓力依次為:水質、生物、物理結構、社會服務和水文水資源。

一般來說,河流的開發(fā)利用程度越高,其對社會的服務功能貢獻就越大,而在當前的社會發(fā)展模式和背景下,對生態(tài)的負面影響往往也相應增大。從某種意義上講,社會服務對生態(tài)完整性具有一定的對沖性,海河的生態(tài)完整性受社會服務功能影響較為嚴重。

表4　海河干流2013年健康評估結果

注:在河流健康賦分計算中,河流生態(tài)完整性與社會服務功能各占0.7和0.3的權重。

若完全按照《河流標準》對海河干流2013年的健康狀況進行評估,得分為33.0分,處于不健康狀態(tài)。與“海河標準”的亞健康狀態(tài)相比,下降了一個等級。導致海河不健康的因素按得分大小排序,依次為:水文水資源、水質、生物、社會服務和物理結構。這個評估結果客觀地反映了海河被人類破壞的程度,明確了海河不健康的最主要原因是水資源的匱乏和水體污染。

將按《河流標準》和按“海河標準”得出的各準則層賦分結果,用雷達圖表示,見圖2,可以很直觀地看出兩者的賦分差異。相對于《河流標準》,按“海河標準”評出的海河健康等級、水文水資源、物理結構、社會服務功能準則層的結論均出現了跨級。最顯著的就是水文水資源由《河流標準》的0分躍變成“海河標準”的80分;社會服務功能得分由43分提高到了68分。而物理結構則由62.2分降為49.4分;水質由13分降為9分,盡管得分都很低,但前者的瓶頸是耗氧有機污染,后者是富營養(yǎng)化。

圖2　海河干流5個準則層得分雷達圖

“海河標準”的評價結果與《河流標準》相比,表面上看,略為樂觀。主要是淡化了短期內不可能恢復的水文條件和流域開發(fā)程度的負面影響,更加側重于現實條件下的健康狀況。

5　結　語

以水利部河流健康評估技術導則為基礎,結合海河干流的實際情況,構建了一套健康評估體系,以2013年為基準年,開展了海河干流健康評估,得出了海河干流的健康賦分為47.9分,為亞健康狀態(tài)。而直接按照《河流標準》進行評估,得分為33.0分,為不健康狀態(tài)。與按《河流標準》得出的不健康狀態(tài)相比,依據本評估體系得出的海河干流健康結論提高了一個等級。

事實上,兩個結果都在一定程度上反映了海河的問題,只是現狀與《河流標準》描述的理想健康狀態(tài)相差得更遠,意味著按照《河流標準》來修復海河的生態(tài)環(huán)境,恢復河道的自然功能,所要走的路將更長,任務更艱巨。

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DOI：10.3880/j.issn.1004-6933.2016.04.024

基金項目:天津市水務局項目(津水保[2012]36號);中法水資源與水務管理合作項目(2013DFA71340)

作者簡介:羅莎(1976—),女,高級工程師,碩士,主要從事水環(huán)境研究。E-mail:ls@tjhri.com

中圖分類號：TV213.4

文獻標志碼：A

文章編號：1004-6933(2016)04-0142-05

(收稿日期：2015-07-30編輯：彭桃英)

Study of health assessment system for main stream of Haihe River

LUO Sha, ZHANG Kai, LI Qiang

(Tianjin Hydraulic Research Institute, Tianjin 300061, China)

Abstract：The original inbound water quantity of the Haihe River, which flows across the central urban area of Tianjin City, has decreased remarkably. In view of this, we adjusted some of the assessment indicators and scoring weights of five criterion layers based on the Rivers’ Health Assessment Guide published by the Ministry of Water Resources of China, and built a health assessment system for the main stream of the Haihe River. According to the assessment, we obtained the following results: the score of the health indicator for the main stream of the Haihe River in 2013 was 47.9, indicating that the river had a sub-healthy status, which was one grade superior to an unhealthy status as assessed by the standards established by the Ministry of Water Resources of China.

Key words：health assessment of rivers and lakes; main stream of Haihe River; indicator system