河流類型劃分及其水生態環境治理技術路線圖

胡官正，曾維華，馬冰然，宋永會

（1.北京師范大學 環境學院，北京100875；2.中國環境科學研究院，北京100012）

中國幅員遼闊，水文氣象條件南北差異顯著，社會經濟發展東西差距明顯，水污染態勢也呈現南北、東西、上下游明顯的時空差異性。然而，我國不同層級流域水生態環境治理規劃與管理很少考慮這一差異性，由此導致制定的相關規劃與管理方案缺乏針對性與適用性，因此有必要充分考慮河流流域水污染特征與成因，面向河流水生態環境治理差異性需求，兼顧水文、氣象、水污染與社會經濟條件，建立河流類型劃分技術方法。

截至2018年，我國七大流域和浙閩片河流、西北諸河、西南諸河的1 613個水質斷面中，Ⅳ類水占14.4%、Ⅴ類水占4.5%、劣Ⅴ類水占6.9%。造成我國部分地區水污染問題嚴重的主要原因是，水生態環境治理缺乏頂層設計與宏觀導引，所實施的水污染治理與生態修復技術之間缺乏有效銜接。無論是自然河流流域水系統，還是城市水系統，都是一個整體，只有統籌各個子系統，充分考慮各子系統所采用的技術之間的有效銜接，才能確保整個水污染治理與水生態修復系統處于最佳運轉狀態。針對我國水生態環境治理缺乏頂層集成優化設計與總體宏觀導引等問題，除了加大資金投入、加強管理外，還要增強不同類型河流水生態環境治理技術路線圖的優化設計，制定具有針對性的水生態環境治理分類指導方案。目前，國內學者針對河流分類的研究大多基于河流的單一特征，較少基于多角度特征研究河流綜合分類方法，尚無學者從水生態環境治理需求角度研究河流分類。錢寧［1］依據河流平面形態，倪晉仁等［2］依據河流的起源、地貌條件、河水補給、地理、氣候以及河流形態等方面的特征，徐彩彩等［3-4］依據河流等級、封閉度、河道數以及蜿蜒度等對河流進行分類。與國外以定量為主、定性為輔的河流分類相比［5-6］，這種依據單一角度的分類方法不能表征河流整體生態環境狀況，影響流域水系統差異化、精細化規劃與管制。

當今，發達國家的水生態環境治理工作已基本完成，以維護為主，國內的水生態環境治理體系也較為完備，如重慶的水污染治理和修復方法［7］、太湖流域水環境綜合治理方案［8］、小流域污染治理措施［9］、澤龍湖水污染治理和生態修復［5］都有完整的理論體系。美國和日本提出了流域治理和維護方法［6，10］、哥倫比亞總結了生態修復工程維護管理措施［11］。但是，國際上的技術路線圖研究以低碳、行業發展相關技術為主，對流域水生態環境治理的研究甚少。1998年，Robert Galvin率先提出了技術路線圖，并將其應用于企業管理［12］，這推動了美國的技術路線圖研究在汽車［13］、半導體［14］等行業的興起，而環境領域技術路線圖研究主要聚焦于如何節能減排［15］。受美國啟發，歐洲繪制了許多醫療行業的技術路線圖［16-17］，環境治理領域的技術路線圖以節能減排為主［18］。關注高新技術的日本繪制了許多新技術行業的發展技術路線圖［19-20］，同時由于資源短缺，因此日本十分重視低碳技術路線圖的繪制［21-26］。國內樊東黎［27］引入了技術路線圖的概念，之后汽車零配件［28］、生物醫藥［29］等行業技術路線圖逐漸發展起來，但總體上處于技術路線圖思想的引進階段［30］，環境領域的技術路線圖研究以學習國外［31］并嘗試繪制［32-33］低碳技術路線圖為主，沒有涉及流域水生態環境治理方面的技術路線圖研究。但是，在進行流域水生態環境治理時，迫切需要技術路線圖指導，以推進流域精細化管控、流域生態環境保護與修復工作。因此，筆者以湟水流域小峽橋斷面上游及其各支流為例，面向水生態環境治理，基于聚類分析方法對河流進行分類，進而解析各類河流的水污染與生態破壞特征，給出配套政策措施，并基于“決策樹”方法繪制技術路線圖，以期為河流水系統規劃與管理提供參考。

1 研究區概況與數據來源

1.1 研究區概況

湟水流域地處青海省東北部，流域面積約3 200 km2。湟水干流全長374 km，是“青海的母親河”，也是黃河上游的重要支流。該流域地勢由西向東傾斜，最高海拔與最低海拔分別為4 836、2 169 m，氣候類型為高原干旱、半干旱大陸性氣候，年均降水量為460.5 mm。湟水水系整體呈樹枝狀，主要支流包括沙塘川河、黑林河、北川河、西納川河、藥水河等，而小峽橋斷面是湟水干流在西寧市的出境斷面。

1.2 數據來源

研究數據來源于2014年青海省污染源普查數據，2014年海晏縣、海東市和西寧市環境統計數據，《西寧統計年鑒》（2015年），以及2014年海晏縣、大通回族土族自治縣、互助土族自治縣、湟中縣國民經濟和社會發展統計資料等?？刂谱訂卧獎澐忠罁F有研究成果進行［34-35］，見圖1（其中XN-1為西寧城區，HY-2為湟源縣大華鎮，HY-4為湟源縣城關鎮東峽鄉，HY-1為湟源縣巴燕鄉申中鄉，HZ-2為湟中縣魯沙爾鎮多巴鎮，HZ-3為湟中縣上新莊鎮總寨，DT-4為大通縣橋頭鎮長寧鎮，DT-2為大通縣城關鎮良教鄉，DT-1為大通縣寶庫鄉青山鄉，HB-1為海北州甘子河鄉金灘鄉，HHZ-2為互助縣威遠鎮塘川鎮，HHZ-1為互助縣林川鄉臺子鄉，HY-3為湟源縣日月藏族鄉和平鄉，HB-2為海北州哈勒景蒙古族鄉，HZ-1為湟中縣上五莊鎮攔隆口鎮，DT-3為大通縣向化藏族鄉朔北藏族鄉）。

圖1 控制子單元劃分

2 研究方法

2.1 面向水污染治理與生態修復的河流綜合分類方法

對各河流進行分類的關鍵在于構建合理的指標體系，采取合適的分類方法。由于不同河流環境污染、資源短缺、生態破壞問題和社會經濟發展狀況不同，所采取的水生態環境治理措施也不同，因此有必要在河流分類基礎上，針對不同類型河流的特點，制定具有針對性的水生態環境治理技術路線圖。通過構建表征河流環境污染、資源短缺、生態破壞問題和社會經濟發展狀況的指標體系，以聚類分析的方法進行河流綜合分類。

2.1.1 河流分類指標體系構建

為較全面評價流域的綜合情況，依據水生態系統面臨的問題與影響因素，遵循系統性、科學性、綜合性、區域性、層次性、動態性等基本原則［36］，從社會經濟與人口、水資源、水環境、水生態等方面出發，建立河流綜合分類指標體系，見圖2。

圖2 河流綜合分類指標體系

（1）水環境指標。通常以水體污染程度表征水環境指標，而承載率則能較全面表征水體污染程度。河流污染物中，最常見的是COD和氨氮，因此選取COD和氨氮承載率作為水環境指標。COD承載率LCOD計算公式［37］:

式中:ECOD為COD實測值；CCOD為河流水質標準允許的COD上限值。

氨氮承載率LN計算公式［38］:

式中:EN為氨氮實測值；CN為河流水質標準允許的氨氮上限值。

（2）社會經濟與人口指標。采用支撐農業發展、工業發展、宏觀社會經濟發展和人口發展的指標表征社會經濟與人口指標，這里以耕地面積占比表征對農業發展的支撐情況、以固定資產投資額表征對工業發展的支撐情況、以GDP表征對宏觀社會經濟發展的支撐情況、以人口密度表征對人口發展的支撐情況，其中GDP和固定資產投資額從相關統計年鑒和資料中查得。耕地面積占比ε計算公式［34］:

式中:Sa為區域耕地面積；St為區域土地面積總和。

人口密度η計算公式［39］:

式中:P為區域人口總數；S為區域面積。

（3）水資源指標。水資源指標包括表征水量大小的指標和表征水質狀況的指標，采用地表水資源豐裕度表征水量大小、水環境脆弱度表征水質情況。地表水資源豐裕度AN計算公式［40］:

式中:S t為第t區域根據人口與經濟規模實際可獲得的地表水資源量。

水環境脆弱度計算公式［34］:

式中:Ve為河流水質得分；PⅠ、Ⅱ為Ⅰ-Ⅱ類水河段占比；PⅢ為Ⅲ類水河段占比；PⅣ為Ⅳ類水河段占比。

（4）水生態指標。水生態指標應全面表征生境質量和河流應對干擾的自我恢復能力，生境質量采用綠地覆蓋度描述，自我恢復能力與生態廊道緊密相關，采用連通度表征。岸邊帶綠地連通度可用斑塊連接度指數來度量，其計算需借助ArcGIS軟件完成。首先將岸邊帶數據柵格化，再導入Fragstats 4.2中計算斑塊連接度指數（COHESION）。連接度指數在景觀水平和類型水平兩個層次上都適用，但公式結構不同，其中類型水平連接度指數表征某一類景觀類型中不同斑塊之間在功能上或生態系統中的有機關系，景觀水平連接度指數表征各類景觀類型中不同斑塊之間在功能上或生態系統中的有機關系。類型水平連接度指數計算公式為

景觀水平連接度指數公式為

式中:p ij為景觀類型i中斑塊j周長上的像元數；a i j為景觀類型i中斑塊j的像元數；A為景觀中像元的總數量；m為類型總數；n為斑塊總數。

岸邊帶綠地覆蓋度的計算也需借助ArcGIS軟件，以研究河流為基準，河流兩岸各50 m為緩沖區，再分區計算緩沖區中植物（沼澤地、草地、林地和建設用地的綠地部分）面積，與流域內河流緩沖區總面積相比得到綠地覆蓋度。覆蓋度計算與耕地占比計算方法類似，計算公式為［34］

式中:ξ為綠地覆蓋度；Ma為區域沼澤地、草地、林地和建設用地的綠地部分面積；Mt為區域土地面積總和。

2.1.2 基于聚類分析的河流分類

按照各事物間的相似性對事物進行分類屬于無監督分類，包括動態聚類、系統聚類、有序樣本聚類、聚類預報、圖論聚類等［41］。其中，在分類過程中，系統聚類法事先無須知道分類對象的分類結構，只將原始數據標準化后根據數據間親疏關系歸類，而本研究事先并不清楚分類對象應該劃分幾類，即不清楚其分類結構，因此系統聚類法較為適用［42］。由于各類指標具有不同的量綱，數量級相差懸殊，因此運用標準化方法消除量綱，這里采用極差標準化方法。

常用的系統聚類有直接聚類和最短距離聚類。前者依據距離最小原則按順序選擇分類對象，依據各對象的歸類情況，繪制聚類譜系圖，適合數據量大的樣本。后者在m階距離矩陣非對角元素中找d p q=min｛d ij｝，把分類對象G p和G q歸成新類G r，由d rk=min｛d p k，d qk｝（k≠p，q）可得原來各類與新類之間的距離，從而得到新的（m-1）階距離矩陣，直到所有類合而為一，適合數據量小的樣本［41］。 其中:d pq、d ij、d rk、d p k、d qk分別表示p類與q類、任兩類、r類與k類、p類與k類、q類與k類的間距，G p、G q、G r分別表示第p、q、r類［41］。因此，最短距離聚類法更適合本研究。

2.2 河流水污染特征解析以及治理與修復技術篩選

借鑒前人研究成果獲得河段控制單元劃分結果后，通過實地考察與統計文獻資料，收集獲取各單元、各指標數據，標準化后采用聚類分析方法對河流進行分類。根據ArcGIS可視化分類結果，結合相關參考文獻，把握各類河流特征，分析其對應的水生態環境問題。針對不同的水污染與生態破壞特征，分析各類河段應采取的水污染治理與生態修復技術、配套政策方案、管制策略，并采用水污染與水生態破壞+水生態環境治理方法的命名規則對各類河段命名。

2.3 差異化河流水生態環境治理技術路線圖繪制

依據各類河流的水生態環境問題，列舉可能的環境保護與生態修復措施，作為待采納技術，采用“決策樹”判別法繪制技術路線圖。首先依據實際情況，確定各技術應用的時間節點，再對各待采納技術的時序安排逐一判別，判別準則包括技術適宜性分析、需求性分析、技術成熟度分析和經濟可行性分析，見圖3。技術適宜性分析:根據各技術的氣候、地理條件要求，判斷是否適宜該區域，若不適合則不應用；若適合，則是否應用以及何時應用需進一步分析。對于適合的技術進行需求性分析:有的技術雖然適合，但在實際工程應用中無需求，不予應用；有的技術不光適合，而且在實際應用中有需求，其應用的時序安排要進一步分析確定。對于既適宜該地區應用，又有應用需求的技術，分析技術成熟度:有的技術相對成熟，能直接應用，此類技術于前期或中期應用；有的技術不成熟，則將來成熟后，于遠期應用。對于適合應用、有需求且較為成熟的技術，具體在前期還是在中期應用，要根據其經濟可行性判別:對于成本較低而收益較高的技術，于前期應用，以最快的速度獲得收益；對于成本較高的技術，待前期應用的技術初具成效后，于中期應用。

圖3 “決策樹”的構建方法

3 結果分析與討論

3.1 河流分類結果分析

湟水流域小峽橋斷面上游及其各支流聚類結果樹狀圖見圖4，可視化結果見圖5，其中控制子單元HY-2、HY-3、HY-1、HB-2、DT-1、HB-1、HY-4、HZ-3地處流域上游，人為活動影響小，自然環境優良，生態系統的抵抗力穩定性較強，劃為第1類，命名為水源保護與生態保育區；控制子單元HHZ-1、DT-2、HZ-2、DT-3、HHZ-2生態環境受人類農林活動影響大，存在農業面源污染和水土流失問題，劃為第2類，命名為農田面源污染控制與水土保持區；控制子單元DT-4地處城鄉系統過渡帶，基礎設施建設不能滿足需要，工業污染疊加，居民環保意識淡薄，劃為第3類，命名為工業點源污染控制與河道生態修復區；控制子單元HZ-1多處于流域中游，主產業為養殖業，劃為第4類，命名為畜禽養殖污染控制區；控制子單元XN-1地處人口密度大、經濟發達的城市地區，人類活動影響大，劃為第5類，命名為城市合流制溢流［43］（CSO）管制與河道黑臭水體修復區。

圖4 聚類結果樹狀圖

3.2 不同類型河段環境污染與生態破壞特征解析及管制措施選擇

水源保護與生態保育區河段人為干擾小，僅有少量農牧業污染源，管制措施為水源地生態保育與環境保護［44］。農田面源污染控制與水土保持區河段化肥、殺蟲劑、農業尾水污染嚴重［45］，管制措施以農田節水、廢水處理為主［46］。工業點源污染控制與河道生態修復區河段工業污染嚴重，污水處理廠水體凈化率低［47］，管制措施為治理工業點源污染［48］。畜禽養殖污染控制區河段污染源為畜禽養殖過程中廢水的排放［49］，管制措施為合理劃分養殖區并引導畜禽養殖產業規?；⒓谢晟茝U物處理設施。城市CSO管制與河道黑臭水體修復區河段存在污水處理廠水體凈化能力不能滿足要求、河道生態破壞和黑臭水體等問題［50］，管制措施包括雨污分流、合流制溢流、受損河道修復整治等，見表1。

圖5 河流分類結果

表1 各類河段特征解析及管制措施

3.3 不同類型河段差異化治理與生態修復技術篩選

水源保護與生態保育區可采取的技術有，水源地生態保育技術［51］、非規?；B殖廢水處理技術［52］、水源地保護區劃分［53］、水源地生態紅線劃定［54］、水源地保護區天地一體化監管技術、水源地生態預警技術［55］等。農田面源污染控制與水土保持區可采取的技術有，農田灌溉節水技術，灌區渠道襯砌節水技術［56］，農田尾水水量預測，農田尾水水質實時監控技術［57］，沉沙池、過濾帶、濕地、植物籬凈化技術［58］等。工業點源污染控制與河道生態修復區可采取的技術有，工業污水處理廠處理率提高技術［59］、中水回用技術［60］、工業污水深度治理技術［61］、“主槽生態式”河道、人工濕地處理工業污水［62］、基于物聯網的監管偷排漏排技術［63］等。畜禽養殖污染控制區可采取的技術有，養殖區和禁養區劃分［64］、禁養區生態保育技術［65］、集中化養殖園區廢水利用技術［66］、養殖區生態紅線劃定［67］、養殖場重金屬處理技術［68］等。城市CSO管制與河道黑臭水體修復區可采取的技術有，城市污水處理廠處理率提高技術［69］，城市雨污分流技術［70］，污水箱涵技術［71］，中水回用技術［60］，“主槽生態式”河道，沉沙池、過濾帶、濕地、植物籬技術［58］，管網破損檢測技術［72］，CSO控制技術［73］等。

適應于研究區水源保護與生態保育區的技術:水源地生態保育和預警技術、水源地保護區劃分、水源地保護區天地一體化監管技術、水源地生態紅線劃定；適應于研究區農田面源污染控制與水土保持區的技術:農田灌溉節水技術（如膜下滴灌、渠道襯砌），沉沙池、過濾帶、濕地、植物籬凈化技術，農田尾水水質、水量預測技術，農田尾水水質、水量實時監控技術；適應于研究區工業點源污染控制與河道生態修復區的技術:中水回用技術、“主槽生態式”河道、工業污水深度治理技術、基于物聯網的監管偷排漏排技術；適應于研究區畜禽養殖污染控制區的技術:養殖區和禁養區劃分、禁養區生態保育技術、養殖區生態紅線劃定、集中化養殖園區廢水處理與利用技術、養殖場重金屬處理技術；適應于研究區城市CSO管制與河道黑臭水體修復區的技術:污水箱涵技術、“主槽生態式”河道、管網破損檢測技術、黑臭水體處理技術（如底泥疏浚、資源利用、人工增氧）、CSO控制技術、中水回用技術。

3.4 不同類型河段治理修復技術路線圖繪制

對于水源保護與生態保育區，水源地保護區劃分、水源地生態紅線劃定、水源地生態保育和預警技術適宜當地氣候地理條件且有需求，技術成熟且經濟，故前期開始應用。水源地保護區天地一體化監管技術適宜當地氣候地理條件且有需求，技術成熟但不夠經濟，故中期開始應用。

對于農田面源污染控制與水土保持區，農田灌溉節水技術適宜當地氣候地理條件且有需求，技術成熟且經濟，故前期開始應用。農田尾水水質、水量實時監控技術，農田尾水水質、水量預測技術適宜當地氣候地理條件且有需求，技術成熟但不夠經濟，故中期開始應用。沉沙池、過濾帶、濕地、植物籬凈化技術適宜當地氣候地理條件且有需求，但與當地實際結合程度不高，故遠期開始應用。

對于工業點源污染控制與河道生態修復區，中水回用技術、工業污水深度治理技術、“主槽生態式”河道適宜當地氣候地理條件且有需求，技術成熟且經濟，故前期開始應用?；谖锫摼W的監管偷排漏排技術適宜當地氣候地理條件且有需求，技術成熟但不夠經濟，故中期開始應用。

對于畜禽養殖污染控制區，養殖區和禁養區劃分、養殖區生態紅線劃定技術、禁養區生態保育技術適宜當地氣候地理條件且有需求，技術成熟且經濟，故前期開始應用。集中化養殖園區廢水處理與利用技術適宜當地氣候地理條件且有需求，技術成熟但不夠經濟，故中期開始應用。養殖場重金屬處理技術適宜當地氣候地理條件且有需求，預計在將來養殖進一步集中化后會出現較嚴重的重金屬排放入河問題，現今問題不夠嚴重，故遠期開始應用。

對于城市CSO管制與河道黑臭水體修復區，中水回用技術、黑臭水體處理技術、“主槽生態式”河道適宜當地氣候地理條件且有需求，技術成熟且經濟，故前期開始應用。CSO控制技術、污水箱涵技術適宜當地氣候地理條件且有需求，技術成熟但不夠經濟，故中期開始應用，其中CSO控制技術本身包含多類相關技術，難以一次性完成，需依據實際情況將少部分技術于遠期開始應用。管網破損檢測技術適宜當地氣候地理條件且有需求，但近期并不是主要問題，故遠期開始應用。不同河段治理修復技術路線圖見圖6。

圖6 不同河段治理修復技術路線圖

4 結 語

以湟水流域小峽橋斷面上游及其各支流河流流域為例，通過建立面向流域水生態環境治理的河流分類方法，對16個子單元進行污染物特征解析，繪制各類河段治理修復的技術路線圖，為進一步推動完善河流分類方法體系提供依據，為河流健康評估、河流生態修復以及河道整治項目等提供參考。

（1）以COD承載率、氨氮承載率、耕地面積占比、人口密度、第二三產業固定資產投資額、GDP、水環境脆弱度、地表水資源豐裕度等為指標構建子單元尺度上的河流分類指標體系，運用系統聚類分析方法將16個河流流域子單元劃分為5種流域類型。

（2）依據河流流域分類結果，對每類河流的生態問題和污染物特征進行解析，從而因地制宜地提出污染治理和生態修復方法，并采用主要污染與生態問題+水生態環境治理方法的命名規則對各類河流進行命名。

（3）基于“決策樹”判別，從需求性分析與可靠性分析兩方面出發，繪制各類河段水生態環境治理技術路線圖，并指明各類技術適宜的引進與應用時段。