永定河系水生態空間異質性及治理策略研究

張云程，繆萍萍，張 浩，周緒申，王 潛

（1.天津市碧波環境資源開發有限公司，天津 300170；2.海河水利委員會水資源保護科學研究所，天津 300170；3.海河流域水資源保護局，天津 300170；4.海河流域水環境監測中心，天津 300170）

河系是由多條河流構成的水網系統，空間尺度 往往覆蓋范圍較大。由于河流自身特征的空間分異性以及經濟社會等諸多因素空間布局的非均衡性，河系水生態狀況在空間上存在明顯的上下游、干支流的異質性。聚類分析[1]、主成分分析[2-3]、因子分析[4]等多元統計技術能夠對復雜的多元數據進行降維，同時最大限度地保留原始樣本數據的主要信息，在水環境要素的空間異質性方面有廣泛的應用。包姍姍等人[5]利用聚類分析技術探討了流域景觀格局與河流水體中營養鹽濃度的相關關系。徐華山等人[6]分析了漳衛南運河流域的水質時空演變特征及水質變化趨勢，將漳衛南運河流域水質空間分為兩大類。李義祿等人[7]結合GIS技術，系統分析了旅游城市蘇州古城區河網水體污染物時空分異特征及污染源布局。

永定河系是京津冀地區重要的水源涵養區和生態廊道，當前面臨水資源過度開發、環境承載力弱、污染嚴重、河道斷流、生態系統退化、部分河段存在防洪隱患等突出問題，制約了京津冀地區經濟社會的健康發展。科學客觀地認識永定河系水生態空間分異特征，提出有針對性的水生態治理策略十分必要。

1 材料與方法

1.1 研究區概況

永定河發源于內蒙古高原的南緣和山西高原的北部，地跨內蒙古、山西、河北、北京、天津5個省（自治區、直轄市），流域面積4.70萬km2，占海河流域總面積的近1/6。永定河上游有桑干河、洋河兩大支流，于河北省懷來縣朱官屯匯合后稱永定河，經三家店流入華北平原東部。三家店為永定河流域山區、平原分界，山區流域面積4.51萬km2，占永定河流域總面積的95.8%。永定河系是流經北京市的最大河流，對于北京阻沙保水、調節氣候等方面有著舉足輕重的意義，被稱為北京的“母親河”。

1.2 數據與方法

本研究在桑干河、洋河以及永定河干流上布設采樣點21個，如圖1所示，于2016年的汛期（8月）和非汛期（5月）分別采樣監測。采樣點S1～S21依次為水磨頭村、西朱莊村、新橋村、固定橋、東冊田村、揣骨瞳大橋、大渡口村、朝陽寺村、付家夭村、友誼水庫壩上、東洋河村、第九屯村、太平寨村、響水鋪、懷來官廳水庫壩上、三家店、固安縣永定河橋、羅古判村、屈家店閘上、東堤頭閘上、永定新河閘上。監測指標包括氨氮（NH3-N）、化學需氧量（COD）、浮游植物。

圖1 永定河系及采樣點位示意

浮游植物定性樣品用浮游生物網（200目），在水下約0.15 m處作“∞”形拖曳3 min，樣品用100 mL玻璃瓶保存，加3 mL福爾馬林固定；浮游植物定量樣品取1 L水樣于玻璃瓶保存，加15 mL魯哥氏液固定，帶回實驗室靜置后分析。用于檢測NH3-N、COD的水樣加入H2SO4溶液至pH＜2。所有樣品均遮光保存并于48h內送檢。NH3-N、COD使用流動注射分析儀檢測。

層次聚類分析法[8]是根據對象距離遠近或相似性大小進行分類的多元統計方法，其基本思想是先將每一個樣本作為一類，然后將相近程度最高的兩類合并成新的一類，再將該新類與相似度最高的類進行合并，不斷重復此過程，直到所有的個體都歸為一類。本文采用歐氏距離作為類別劃分的依據。

2 結果與討論

2.1 水生態現狀

水量不足是永定河系面臨的水生態問題之一。本研究選取的21個采樣點中，汛期有2個點位斷流，分別為西朱莊村和固安縣永定河大橋；非汛期有3個點位斷流，分別為西朱莊村、固安縣永定河大橋和羅古判村。

天然降水量減少以及上游山區大量修建蓄水工程可能是造成永定河系斷流的主要原因[9-10]。根據相關水文資料，1956—1990年間，永定河山區降水量持續減少，受氣候變化和下墊面變化等因素的影響，永定河山區地表徑流量呈逐漸減少的趨勢，年均徑流量從1956—2010年的14.43億m3減少到2001—2014年的8.39億m3，下降41.9%，徑流量和降水量演變趨勢如圖2所示。

2006—2014年的9 a間，永定河主要河段年均干涸121 d，年均斷流316 d。其中，三家店至盧溝橋段基本處于長期斷流狀態，盧溝橋至屈家店段基本全年干涸，河流生態嚴重退化。

圖2 永定河山區徑流量和降水量演變趨勢

永定河系非汛期水質總體上劣于汛期。將NH3-N和COD兩項水質指標的平均值做比較，發現非汛期比汛期分別升高了120.6%和278.1%。汛期NH3-N和COD最高值分別為8.89 mg/L和51.80 mg/L，非汛期NH3-N和COD最高值分別為15.90mg/L和511.00mg/L。永定河系浮游植物以藍藻門和硅藻門為主，其次為綠藻門和裸藻門，在個別采樣點發現有金藻門和甲藻門，永定河系浮游植物群落構成如圖3所示。采樣點S2、S17和S18由于處于河干狀態，未采集浮游植物指標。總體上，上游桑干河和洋河的浮游植物種數多于下游永定河。具體描述性統計成果，詳見表1。

圖3 永定河系浮游植物群落構成

表1 永定河系水生態現狀描述性統計成果

按照《地表水環境質量標準》（GB3838-2002）中確定的各類別水質標準值，永定河系汛期達到和優于Ⅲ類水質的采樣點占53%，非汛期達到和優于Ⅲ類水質的采樣點僅占28%，具體評價成果見圖4。

2.2 空間異質性特征

對永定河系21個采樣點汛期和非汛期的監測數據分別進行層次聚類分析（斷流采樣點不參與分析）。汛期各采樣點可分為兩大類，第一類包括采樣點S1、S3、S4、S5、S6、S15、S19、S20、S21，對應上游山區桑干河水磨頭村—揣骨疃大橋以及永定河屈家店閘上—永定新河閘上；第二類包括采樣點S7、S8、S9、S10、S11、S12、S13、S14、S16、S18，對應上游山區洋河以及永定河屈家店以上河段。非汛期的監測中，采樣點S3水質指標明顯劣于其他點位，因此被單獨歸為一類。其余采樣點可以進一步分為3類：第一類包括采樣點S1、S4、S5、S6、S7，對應上游山區桑干河水磨頭村—大渡口村；第二類包括采樣點S8、S9、S10、S11、S12、S13、S14、S15、S16，對應上游山區洋河以及永定河三家店以上河段；第三類采樣點包括S19、S20、S21，對應永定河屈家店閘上—永定新河閘上。永定河系水生態聚類分析譜系，如圖5所示。

圖5 永定河系水生態聚類譜系

根據層次聚類分析結果，結合永定河系自身特征，可以將永定河系劃分為3個水生態分區，即A區包括上游山區桑干河大渡口村以上河段、B區包括上游山區洋河、桑干河大渡口村以下以及永定河屈家店閘上河段、C區包括永定河屈家店閘至河口部分。永定河系水生態分區，如圖6所示。其中，A區（桑干河）位于永定河系上游，是重要的產水匯水區域，經濟以農業為主，兼有采礦業，是水土流失嚴重、面源污染相對突出的區域；B區（洋河及永定河屈家店以上河段）由西北貫穿東南，穿越北京市區，是對河流生態環境要求相對更高且生態系統十分脆弱的區域；C區（永定河屈家店以下河段）流經天津市中東部，是連接河流與近岸海域的特殊河段。

圖6 永定河系水生態分區示意

2.3 分區治理策略

根據永定河系水生態的空間異質性，應有針對性地研究水生態修復策略。其中，A區（桑干河）應以增加水源涵養能力、維持河道生態基流為重點，建設水源涵養林，實施清潔小流域建設，開展灌區高效節水改造和地下水壓采，實施河道生態綜合整治，構建綠色生態源區，促進區域清水產流；B區（洋河及永定河屈家店以上河段）著重實施河道生態修復、河灘地治理、防洪薄弱環節治理、防護林建設等，以恢復河流自然特性為重點，開展濕地保護與恢復[11]，建設沿河濕地和郊野公園等；C區（永定河屈家店以下河段）以打造濱海生態走廊為重點，實施生態河岸景觀帶建設及防護林建設，實施生態補水，維持入海水量。

水量和水質作為影響水生態的兩個決定性因素，應采取綜合性措施進行改善。

水量方面，強化水資源節約，提高生態用水保障。節水是保障永定河生態水量的根本性措施。為保障永定河生態水量，應對官廳水庫上游地區大中型灌區進行節水改造，退還農業擠占河道生態用水；完善再生水利用管網設施，利用再生水補充河道生態用水；實施河系連通，優化水資源配置，提高生態用水保障。

水質方面，全面控制污染物排放，促進河湖水質改善。加強源頭治理，嚴格控制入河污染物量，是改善永定河水質的關鍵。開展清潔小流域建設，控制農業農村污染物排放，削減面源污染物入河量；以水功能區限制排污總量為依據，合理規劃入河排污口的空間布局，著力加強入河排污口監督管理，采取排污口規范化建設、遷建和生態凈化等措施，進一步削減入河污染物量。

3 結語

（1）永定河系面臨水資源過度開發、環境承載力弱、污染嚴重、河道斷流、生態系統退化、部分河段存在防洪隱患等突出問題，制約了京津冀地區經濟社會的健康發展。

（2）根據2016年汛期和非汛期對永定河系21個采樣點的水生態監測數據，采用層次聚類分析法研究，結果表明永定河系水生態狀況存在明顯的空間異質性。據此，可以將永定河系劃分為3個水生態分區，即A區包括上游山區桑干河大渡口村以上河段、B區包括上游山區洋河、桑干河大渡口村以下以及永定河屈家店閘上河段、C區包括永定河屈家店閘至河口部分。

（3）針對不同分區的實際情況，應采取適宜的水生態治理與修復措施。其中，上游山區的桑干河應以增加水源涵養能力、維持河道生態基流為重點；洋河及永定河屈家店以上河段需著重實施河道生態修復、河灘地治理、防洪薄弱環節治理、防護林建設等；永定河屈家店以下河段應實施生態河岸景觀帶建設及防護林建設，實施生態補水，維持入海水量。