生態(tài)補水后永定河北京山區(qū)段河流生境質(zhì)量評價

莫 晶，楊青瑞，彭文啟，駱輝煌，黃鈺玲，白 雪，陳冬紅

(中國水利水電科學研究院水生態(tài)環(huán)境研究所，北京 100038)

河流生境是河流水生動植物生存棲息地與鄰近環(huán)境的綜合環(huán)境，對水生生態(tài)系統(tǒng)及相鄰陸域生態(tài)系統(tǒng)物質(zhì)循環(huán)、能量流動和信息傳遞具有重要作用，是維持河流生態(tài)系統(tǒng)穩(wěn)定性、平衡性、保持河流生態(tài)健康的必要因素[1-5]。近年來，在全球氣候變化和人類活動干擾的雙重影響下，全球河流水量、水質(zhì)和物理結構均發(fā)生了不同程度的變化，使生物群落組成發(fā)生改變，導致了河流生態(tài)系統(tǒng)逐漸退化、生物多樣性降低[6,7]。隨著河流水環(huán)境問題和水資源短缺等問題的日益突出，充分掌握河流的生境、水質(zhì)等信息，開展河流生境質(zhì)量評價，不僅有助于認知河流的健康程度、探尋導致河流生態(tài)系統(tǒng)功能破壞的本質(zhì)原因[8]，還能夠為河流生態(tài)治理與恢復及河流生態(tài)健康管理提供科學基礎[9,10]。

河流生態(tài)系統(tǒng)生境恢復與重建是河流生態(tài)修復的關鍵[11]，隨著人們對河流生境質(zhì)量重要性意識的提升，以及河流管理方式逐漸從水質(zhì)控制、水量調(diào)節(jié)向全面的河流水生態(tài)系統(tǒng)保護和修復方向的轉變[12]，河流生境評價得到了廣泛重視。評價指標的合理性將直接影響河流生境質(zhì)量評價的結果，目前世界上還未有統(tǒng)一的河流生境質(zhì)量評價標準，主要由于每個地區(qū)、流域或河流都有其獨特的自然和功能屬性。自20世紀80年代以來，世界各國根據(jù)本國河流生境的實際情況，開發(fā)出了一系列各具特色的河流生境評價理論與方法，如美國生物快速評價方案(RBPs)[13]、歐盟水框架指令(WFD)[14]、英國的河流生境調(diào)查(RHS)[15]、澳大利亞的溪流狀況指數(shù)(ISC)[13]、河流形態(tài)結構框架法(GRS)[13,16]、瑞典的農(nóng)業(yè)景觀區(qū)域河岸帶與河道環(huán)境評估方法(RCE)[13,17,18]、多指標評價方法(MMIs)[19]和南非的河流健康計劃(RHP)[20,21]等，評價研究主要關注河流生境評價、河岸生境評價、形態(tài)學評價和水文形式變化評價等方面[22,23]，且方法多適用于人類干擾程度較小的自然河流生境[24]。結合國外相關研究，我國學者根據(jù)各地實際，改進和調(diào)整了評價指標，并開展了相關實證研究，劉華等[25]人和曾鵬等[24]人都對太湖流域不同河段進行了生境調(diào)查，并建立了一套相應的生境評價體系；薩茹拉等[26]人在對北京市延慶區(qū)媯水河生境調(diào)查基礎上，構建了能綜合反映北方缺水干旱特點的河流生境評價指標體系；劉培斌等[27]人在對北京山區(qū)典型河流的生態(tài)狀況調(diào)查基礎上，提出了適于山區(qū)河流生態(tài)系統(tǒng)健康評價的方法，并在北京拒馬河進行了應用。

永定河北京山區(qū)段是永定河入京的第一段，對區(qū)域水源涵養(yǎng)和生態(tài)系統(tǒng)健康維護具有重要作用。自20世紀70年代以來，受長期以來水資源過度開發(fā)等多種因素影響，該段河道曾一度斷流，生態(tài)系統(tǒng)功能退化，嚴重影響了地區(qū)的可持續(xù)發(fā)展，目前已成為京津冀地區(qū)廣泛關注的問題。而近年來，海委多措并舉著力打造永定河綠色生態(tài)河流廊道，不斷夯實京津冀協(xié)同發(fā)展生態(tài)保障。自2017年以來，海委組織山西省和河北省相關水庫向下游永定河下泄水量逾1.7 億m3，永定河官廳水庫以上河段逐漸恢復生機，而永定河北京段生態(tài)補水是從2019年3月開始，每年春、秋兩季開展永定河生態(tài)補水。目前國內(nèi)外研究和實踐中采用的評價方法和指標體系對北京山區(qū)段生境質(zhì)量評價具有十分重要的指導意義，但鑒于生態(tài)補水影響下的北京山區(qū)段河流生境的特殊性，本研究擬從水陸統(tǒng)籌的角度出發(fā)，綜合河道生境、河岸生境、濱岸帶生境3個方面的指標，完善可以反映該段生境特點的生境質(zhì)量評價指標體系；確定各層次下的指標評價標準，采用層次分析法計算權重；最后將北京山區(qū)段分為3個河段，利用建立的指標體系和方法，對河流生境質(zhì)量評價開展實證研究，所采用的方法和結果將為永定河北京山區(qū)段河流生境質(zhì)量健康、河流生態(tài)恢復和管理提供理論和實踐依據(jù)。

1 研究區(qū)概況

1.1 研究區(qū)域

永定河是海河水系最大的一條河流，永定河上游有桑干河、洋河兩大支流，兩河在河北省懷來縣朱官屯匯合后稱永定河，注入官廳水庫，經(jīng)官廳山峽，于三家店進入平原。本次研究區(qū)范圍為北京市界至三家店攔河閘，長約91 km，該段河道平均縱坡3.1‰，河寬70～300 m不等。

研究區(qū)屬溫帶大陸性氣候區(qū)，年平均氣溫約為12 ℃，極端最高氣溫37.6 ℃，極端最低氣溫為-19.5 ℃，無霜期160 d，年平均降雨量為539 mm，降雨多集中在6-8月，占全年降水量的70%以上。研究區(qū)土壤種類以山地草甸土、山地棕壤、褐土為主，區(qū)域內(nèi)植被類型為暖溫帶落葉闊葉林，目前河流兩側原始森林已被破壞，僅存少量的天然次生林，植物種類較多，依海拔高低呈垂直規(guī)律性分布。

1.2 調(diào)查點設置及調(diào)查方法

1.2.1 調(diào)查點設置

在全面了解永定河北京山區(qū)段河流環(huán)境的基礎上，結合遙感影像和實地勘察，選取了山區(qū)段干流30個調(diào)查點開展生境質(zhì)量調(diào)查，同時通過咨詢相關專家，根據(jù)人為干擾程度將永定河北京山區(qū)段劃分為3個河段，其中官廳至珠窩水庫河段為輕度干擾河段(R1～R8)、珠窩壩下至落坡嶺水庫河段為中度干擾河段(R9～R23)、落坡嶺壩下至三家店水庫河段為中度干擾河段(R24～R30)，樣點設置及河段劃分詳見圖1。

圖1 研究區(qū)樣點分布圖Fig.1 Distribution of sampling sites in Beijing mountain section of the Yongding River

1.2.2 調(diào)查方法

河段實地調(diào)查于2019年9月進行，每個調(diào)查點長度約100 m，河岸帶寬約50 m，利用GPS儀確定其經(jīng)緯度和海拔高度，采用測距儀、流速儀、黑白盤等工具對河流的寬度、坡度、流速、透明度等參數(shù)進行測定，其他指標均通過目測法進行判定，同時并拍照作為輔佐記錄。

2 永定河北京山區(qū)段河流生境評價指標體系的構建

2.1 評價指標體系的確立

參考國內(nèi)外關于河流生境質(zhì)量評價指標和標準的相關研究[6,16,24,26-29]，結合山區(qū)段所在流域的生態(tài)環(huán)境特點，建立集河流生境共性問題、河流生境差異性于一體的永定河北京山區(qū)段河流生境質(zhì)量評價的指標體系。評價指標體系設置了目標層、準則層及指標層3個層次，以河流生境評價為目標層，以河道生境、河岸生境及濱岸帶生境為準則層，以各準則層的分類特性和特征為指標層。其中河道生境包含6個指標，分別為表觀水質(zhì)、水量、河流深寬比、水生植被蓋度、河床底質(zhì)種類、流速-深度組合；河岸生境包含5個指標，分別為河岸穩(wěn)定性、河岸植被類型、河岸植被蓋度、岸堤坡度、人工護岸類型；濱岸帶生境包含2個指標，分別為濱岸帶土地利用及人類活動。

2.2 評價標準與指標權重

每項評價指標采用五分制的評分標準進行賦分，生境狀況越好，每項評價指標賦予的分值就越高(表1)。采用層次分析法確定指標權重，通過咨詢相關專家將各項評價指標進行兩兩比較，確定其相對重要性并給出判斷值，結果見表1。

表1 永定河北京山區(qū)段河流生境質(zhì)量評價指標、權重及評價標準Tab.1 Indicators,weight and their criteria for river habitat quality assessment in the Beijing Mountain Section of Yongding River

2.3 評價方法

本研究采用加權平均法對評價體系的各級指標層進行評分。二級指標(準則層)評分利用加權平均法對三級指標(指標層)得分進行計算，所得結果作為二級指標的得分，公式如下：

(1)

式中：Aa為二級指標得分；Bab為三級指標得分；μBab為三級指標Bab的權重；n代表二級指標總數(shù)；m代表各二級指標下的三級指標總數(shù)。

同理，利用加權平均法對一級指標(目標層)進行計算，得到河流生境質(zhì)量指數(shù)總得分，為了區(qū)分30個調(diào)查樣點之間的得分差異，將總得分乘以10，計算公式如下：

(2)

式中：W為一級指標得分，此值代表河流生境現(xiàn)狀；Aa為二級指標得分；μAa為二級指標Aa的權重；n代表二級指標總數(shù)。

參考國內(nèi)學者采用的生境質(zhì)量分級方法[6,10,23,26]以及根據(jù)本研究最終得分范圍，對河流生境質(zhì)量指數(shù)進行等級劃分，小于25%分位數(shù)值的為極好，位于25%和40%之間的為好，位于40%和55%之間的為一般，位于55%和70%之間的為差，大于70%分位值的為極差(見表2)。

表2 河流生境質(zhì)量分級標準Tab.2 Classification criteria of river habitat quality

2.4 統(tǒng)計分析

研究中數(shù)據(jù)處理均在R 3.5.2 軟件中完成。采用shapiro.test及ks.test函數(shù)分別進行數(shù)據(jù)正態(tài)性檢驗及方差齊次性檢驗，對通過正態(tài)分布檢驗及方差齊次性檢驗的數(shù)據(jù)采用ANOVA單因素方差分析(aov.mis函數(shù))檢驗不同河段間生境質(zhì)量差異，對未滿足條件的數(shù)據(jù)采用Kruskal-Wallis非參數(shù)分析(kruskal.test函數(shù))進行差異分析，并采用Nemenyi檢驗進行均值比較。相關分析中對滿足正態(tài)分布的參數(shù)及不滿足正態(tài)分布的參數(shù)分別采用Pearson相關分析法及Spearman相關分析法。

3 結果與分析

3.1 永定河北京山區(qū)段生境質(zhì)量現(xiàn)狀

永定河北京山區(qū)段30個樣點的河流生境質(zhì)量指數(shù)分值范圍為23.2～41.0，河流生境質(zhì)量總體較好。根據(jù)表2河流生境質(zhì)量分級標準對樣點生境質(zhì)量分級，結果顯示30個樣點生境質(zhì)量等級在一般-極好之間，在30個樣點中有8個樣點生境質(zhì)量處于極好等級，占26.67%，生境質(zhì)量指數(shù)分值范圍為37.5～41.0；生境質(zhì)量等級為好和一般的樣點數(shù)均為11個，占總樣點個數(shù)比例均為36.67%，生境質(zhì)量指數(shù)分值范圍分別處于30.7～37.4、23.2～29.8；在所有調(diào)查的樣點中，無差和極差等級的樣點(表3)。

表3 河流生境質(zhì)量評價結果Tab.3 Result of river habit quality assessment

從河流生境質(zhì)量分級的河段分布來看，生境質(zhì)量為極好等級的樣點分布在官廳至珠窩水庫河段及珠窩壩下至落坡嶺水庫河段，個數(shù)分別為6個、2個，分別占所在河段樣點總個數(shù)的75%、13.34%，此類型河道內(nèi)水量豐沛，水生植被蓋度較大，河岸多保持了自然或近自然狀態(tài)，植被覆蓋度高且植被類型多樣，由于多靠近北京與河北的交界地帶，人為活動干擾較小。

生境質(zhì)量為好等級的樣點主要分布在官廳至珠窩水庫河段及珠窩壩下至落坡嶺水庫河段，個數(shù)分別為2個、9個，分別占所在河段樣點總個數(shù)的25%、60%，此類型中多數(shù)河道的水量充足、河水清澈，河道內(nèi)和河岸均無明顯污染，河岸植被覆蓋度高，但少數(shù)的濱岸帶被農(nóng)田占用，周圍的村莊、道路、旅游等對生境產(chǎn)生了一定的干擾。

生境質(zhì)量為一般等級的樣點分布在珠窩壩下至落坡嶺水庫河段及落坡嶺壩下至三家店水庫河段，個數(shù)分別為4個、8個，分別占所在河段樣點總個數(shù)的26.67%、100%，此類型河道處于山峽段到平原段的過渡地段，濱岸帶土地利用方式多樣，小規(guī)模型的村鎮(zhèn)開始出現(xiàn)，河道的生境類型較為單一，生態(tài)護岸和人工護岸的比例較高，但由于河岸植被覆蓋和水量等保持較好，人類活動造成的污染較少。從等級分布上來看，河道生境質(zhì)量官廳至珠窩水庫河段要優(yōu)于其他兩條河段，且隨著人為干擾程度的增加，生境質(zhì)量呈降低的趨勢。

圖2 不同河段河流生境質(zhì)量分級Fig.2 Class of stream habitat quality for different river reach

3.2 不同河段河流生境質(zhì)量空間差異

由圖3和表4可以看出，不同河段河道生境、河岸生境、濱岸帶生境的得分在空間上均表現(xiàn)為官廳至珠窩水庫河段>珠窩壩下至落坡嶺水庫河段>落坡嶺壩下至三家店水庫河段，且在空間上具有顯著差異。通過準則層權重的計算得出官廳至珠窩水庫河段、珠窩壩下至落坡嶺水庫河段、落坡嶺壩下至三家店水庫3個河段的河流生境質(zhì)量平均值分別為38.83、32.78、26.11，不同河段的河流生境質(zhì)量差異顯著。

圖3 不同河段準則層指標得分Fig.3 Scores of normal level in different river reaches

從評價指標的方差分析結果來看(表4)，在涉及的13個評價指標中，不同河段在寬深比、水生植被蓋度、流速-深度組合、河岸植被類型、坡度、人工護岸類型、濱岸帶土地利用、人類活動等指標上存在顯著差異，在水質(zhì)、水量、河床底質(zhì)種類類型、河岸穩(wěn)定性、河岸植被蓋度等參數(shù)指標上差異不顯著。結合表5不同河段下生境質(zhì)量多重比較的結果進行分析，在河道生境方面，官廳至珠窩水庫河段的寬深比、水生植被蓋度、流速-深度組合顯著優(yōu)于落坡嶺壩下至三家店水庫河段，珠窩壩下至落坡嶺水庫河段的水質(zhì)顯著優(yōu)于落坡嶺壩下至三家店水庫河段；在河岸生境方面，官廳至珠窩水庫河段的河岸植被類型與人工護岸類型顯著優(yōu)于落坡嶺壩下至三家店水庫河段，在坡度得分上，官廳至珠窩水庫河段顯著優(yōu)于珠窩壩下至落坡嶺水庫河段；對于濱岸帶生境的兩個指標，官廳至珠窩水庫河段均顯著優(yōu)于落坡嶺壩下至三家店水庫河段。

表5 不同河段下河流生境質(zhì)量多重比較Tab.5 Multiple comparison of river habitat quality in different river reaches

表4 不同河段生境質(zhì)量參數(shù)方差分析Tab.4 ANOVA results of river habitat quality parameters in different river reaches

3.3 河流生境質(zhì)量與水質(zhì)狀況相關分析

河流生境質(zhì)量與河流水質(zhì)之間有密切的關系，水體理化指標或參數(shù)容易受河流生境質(zhì)量變化的影響。對生境質(zhì)量指標與水質(zhì)狀況指標開展相關分析的結果表明：在目標層和準則層，除河道生境外，生境質(zhì)量指數(shù)、河岸生境、濱岸帶生境多與DO呈顯著正相關，與TP呈顯著負相關，表明河流水質(zhì)狀況與河岸和濱岸帶密切相關。從河道生境評價指標來看，水質(zhì)與DO呈顯著正相關，與pH、COD呈顯著負相關，流速-深度組合與TP呈負相關，與DO、COD呈顯著正相關，寬深比、河床底質(zhì)種類類型只與個別水質(zhì)指標呈顯著相關性，可能是由于近年來河流生態(tài)修復工程以及生態(tài)補水等措施造成了河道內(nèi)參數(shù)發(fā)生了復雜變化。從河岸生境評價指標來看，人工護岸類型與TN、TP均呈現(xiàn)顯著負相關，河岸植被類型與TP呈負相關，說明自然或近自然河岸以及植被配置合理的生態(tài)護岸可有效地消減TN、TP，從而起到改善河流水質(zhì)的作用。從濱岸帶生境評價指標來看，河岸土地利用、人類活動與DO呈顯著正相關，與TP呈顯著負相關，說明不合理的人類活動和土地配置會影響河流水質(zhì)。

表6 生境質(zhì)量指標與水質(zhì)狀況相關分析Tab.6 Correlation coefficient between habitat quality index and water quality index

4 討 論

永定河大規(guī)模生態(tài)補水后，對河流生境質(zhì)量恢復、生態(tài)功能改善起到了積極作用，水量、水質(zhì)和物理結構變化導致了生物群落組成的變化，從而推動水生態(tài)環(huán)境逐漸改善，生物多樣性增加，對生態(tài)補水后的河流生境質(zhì)量開展評價不僅有助于總結生態(tài)補水的成效，還能診斷生態(tài)保護修復工作中的不足，對提升整體生態(tài)修復成效具有更深層次地理論和實踐意義。目前我國河流生境質(zhì)量評價指標體系還未統(tǒng)一，國內(nèi)學者結合河流地形地貌[30]、水文背景[26]、城市化背景[31]或重大工程背景[23,28]等，建立和完善了河流生境質(zhì)量評價體系，并開展了廣泛的實踐研究，但以往研究很少針對生態(tài)補水后的河流生境質(zhì)量的指標體系與方法。相較于其他河流的生境質(zhì)量評價，本研究在指標體系構建方面綜合考慮了水域與陸地，同時結合了岸上與岸下，在突出生態(tài)補水水量、水質(zhì)等方面改善同時，兼顧了河岸植被、人為等因素的影響，構建了集河道生境、河岸生境、濱岸帶生境于一體，能夠綜合反映長期斷流河流生態(tài)補水特點的河流生境質(zhì)量評價體系。研究共調(diào)查了3個河段的30個樣點，其中生態(tài)補水前生境質(zhì)量為一般、較差和極差等級的樣點分別為4個、24個、2個，總體上呈現(xiàn)較差的趨勢，生態(tài)補水后26.67%的樣點生境質(zhì)量為極好等級，生境質(zhì)量為好和一般等級的樣點占比均為36.67%，無差和極差等級的樣點，表明生態(tài)補水后永定河北京山區(qū)段生境質(zhì)量整體狀況較好，通過改善河道生境增強生境質(zhì)量的效果顯著。

從河流生境質(zhì)量分級與生境質(zhì)量指標不同河段的分布結果可以看出，總體上河流生境質(zhì)量極好的河段主要位于官廳至珠窩水庫河段，生境質(zhì)量好的河段主要位于珠窩壩下至落坡嶺水庫河段，生境質(zhì)量一般的河段主要位于落坡嶺壩下至三家店水庫，除水質(zhì)、寬深比、水生植被蓋度和流速-深度組合等由于生態(tài)補水導致的水文情勢和水生植被覆蓋變化引起的指標外，河岸植被類型、坡度、人工護岸類型、土地利用變化及人類活動等指標的空間差異導致了河流生境質(zhì)量等級的差異。結合生境質(zhì)量指標與水質(zhì)狀況指標的相關分析結果可以看出，生態(tài)補水后北京山區(qū)段河道生境質(zhì)量改善效果明顯，河岸植被多樣性、人類活動、土地利用方式等不僅對生境質(zhì)量具有重要影響，同時對河流水質(zhì)起到了主導作用。因此，對于官廳至珠窩水庫河段和珠窩壩下至落坡嶺水庫河段中生境質(zhì)量為極好的區(qū)域，生態(tài)管理措施重點為維持現(xiàn)有生態(tài)管理和保護修復措施，減少人為因素的干擾；對于2個河段中生境質(zhì)量好的區(qū)域，應加強河岸植被近自然撫育，改造河岸植被結構，將部分區(qū)域人工護岸改為生態(tài)護岸，同時加強空間管控，退出濱岸帶農(nóng)田，減少人為干擾。對于生境質(zhì)量一般的落坡嶺壩下至三家店水庫河段應加強人工護岸的改造力度，降低河岸硬質(zhì)化程度，修建多種植被類型，改善河岸植被結構，加強對因經(jīng)濟建設活動引起的人為擾動的管控。

5 結 論

參考國內(nèi)外有關河流生境質(zhì)量評價的相關研究，結合永定河北京山區(qū)段生態(tài)補水背景，本文構建了永定河北京山區(qū)段河流生境質(zhì)量評價的指標體系和方法，并開展了實證研究。從評價結果看，該指標體系能夠合理、有效地反映永定河北京山區(qū)段生態(tài)補水后的河流生境質(zhì)量現(xiàn)狀，并能夠有效探索當前河流生境質(zhì)量提升路徑。

永定河北京山區(qū)段30個樣點的河流生境質(zhì)量指數(shù)分值介于23.2～41.0之間，其中有8個樣點生境質(zhì)量處于極好等級，占26.67%，生境質(zhì)量等級為好、一般的樣點數(shù)均為11個，占總樣點個數(shù)比例均為36.67%，無差和極差等級的樣點。

無論是生境質(zhì)量指數(shù)還是表征生境質(zhì)量狀況的河道生境、河岸生境、濱岸帶生境，均表現(xiàn)為官廳至珠窩水庫河段>珠窩壩下至落坡嶺水庫河段>落坡嶺壩下至三家店水庫河段，說明隨著人為干擾程度的加劇，生境質(zhì)量呈下降的趨勢。

除由生態(tài)補水引起水文情勢和水生植被覆蓋等指標變化外，人類活動、土地利用方式、河岸植被結構、河岸護坡類型等對生境質(zhì)量及水質(zhì)影響較大，在下一步生態(tài)保護修復工作中，應更加注重河道與河岸以及濱岸帶的水陸統(tǒng)籌聯(lián)系，減少人為因素的干擾，改善土地利用模式，修建生態(tài)護坡，改善河岸植被結構，增加覆蓋率，發(fā)揮岸上與岸下的聯(lián)動作用。

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