基于尺度劃分的灤河河流生態(tài)健康評價

羅曉麗　董增川　徐偉　李大勇

摘要：為提高河流管理質(zhì)量，在已有河流生態(tài)系統(tǒng)健康研究的基礎(chǔ)上，提出了基于尺度劃分的河流健康評價理論。以灤河為例，建立了其上游、中游和下游的評價指標(biāo)體系，通過構(gòu)建改進(jìn)的模糊物元可拓模型對灤河河流生態(tài)健康進(jìn)行了評價。結(jié)果表明：灤河上游、中游、下游均存在一定程度的不健康，灤河全河總體為輕度疾病狀態(tài)，評價結(jié)果與實際相符。因此，本文方法具有合理性和有效性，可用于其他區(qū)域的河流生態(tài)健康評價。

關(guān)鍵詞：尺度劃分；河流生態(tài)系統(tǒng)；健康評價；灤河

中圖分類號：X522 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號：

16721683（2016）05009105

Health assessment of Luan River based on scale division

LUO Xiaoli ，DONG Zengchuan，XU Wei，LI Dayong

（College of Hydrology and Water Resource，Hohai University，Nanjing 210098，China）

Abstract：In order to improve the quality of river management，the river health assessment theory based on the existing study about river ecosystem health and scale division was put forward.Luan River was selected as the research area.Index system was established for its upstream，midstream and downstream，and the improved fuzzy matterelement model was adapted in the assessment of Luan River.The result showed that the upstream，midstream and downstream were all unhealthy to some extent，and Luan River，on the whole，belonged to the mild disease level，which wass consistent with the actual situation.Therefore，this method is reasonable and effective and can be applied in river health assessment in other areas.

Key words：scale division；river ecosystem；health assessment；Luan River

河流是重要的自然生態(tài)系統(tǒng)，也是重要的生態(tài)廊道之一，發(fā)揮著重要的生態(tài)功能[1]。隨著社會經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，河流生態(tài)系統(tǒng)不斷受到人類活動的干擾和損害[2]。因此，如何評價河流生態(tài)系統(tǒng)的健康狀況，保護(hù)河流生態(tài)系統(tǒng)安全是目前國內(nèi)許多學(xué)者關(guān)注的熱點。河流生態(tài)健康評價方法 大致可以歸納為三類，一是理化參數(shù)評價法，以美國GWQI（Gregon Water Quality Index）為代表，旨在檢測包括水溫、溶解氧、生化需氧量、總P、總N、懸浮物、大腸桿菌等指標(biāo)的動態(tài)變化趨勢，找出對河流水質(zhì)具有重要的影響因素[3]；二是指示物種的監(jiān)測和評價法，即選擇指示物種，包括著生藻類（以硅藻為主）、浮游植物、大型水生植物、底棲動物和魚類等生產(chǎn)者、消費(fèi)者和分解者等，進(jìn)行評價；三是綜合指標(biāo)法，它是綜合了物理、化學(xué)、生物、社會經(jīng)濟(jì)等諸多指標(biāo)能夠反映河流生態(tài)系統(tǒng)健康程度的一種多指標(biāo)評價方法。綜合指標(biāo)法既可以反映河流生態(tài)系統(tǒng)健康程度又能反映河流的社會功能水平，還能反映出河流生態(tài)系統(tǒng)健康變化的趨勢。上述三類評價方法各有優(yōu)點，但都不可避免的存在一個問題，就是不能很好地解決評價的尺度問題。尤其是對流域面積廣，水系復(fù)雜的河流，不同的河段自然條件和社會經(jīng)濟(jì)狀況差異較大，因此有必要對河流健康進(jìn)行分尺度評價。

1 河流健康分尺度評價基本理論

河流健康評價的對象是河流生態(tài)系統(tǒng)。在河流管理的研究中，河流生態(tài)系統(tǒng)被描述為一個四維系統(tǒng)，即縱向、橫向、垂向和時間分量[4]。在縱向上，河流是一個線性系統(tǒng)，從河源到河口均發(fā)生物理的、化學(xué)的、生物的變化。在橫向上，河岸帶的植物為水生生物的生長提供了生態(tài)環(huán)境，并且起著調(diào)節(jié)水溫、光線、滲漏、侵蝕和營養(yǎng)輸送的作用。在垂向上，與河流發(fā)生作用的不僅包括地下潛水層，還包括生活在下層土壤的有機(jī)體[5]。在時間尺度上，河道隨著自然的變化和人類的作用，也發(fā)生著自身的演變過程。因此，一般學(xué)者們在做河流健康評價時考慮的范圍不僅僅包括河道本身，還包括河岸帶乃至整個流域。借鑒地理學(xué)尺度的概念，可以將河流健康評價分為面尺度、線尺度和點尺度評價[67]。

面尺度評價通常針對的是流域面對河流生態(tài)影響的問題研究，主要從土地利用變化的角度出發(fā)，探究不同土地利用類型或土地覆蓋模式對河流徑流量、水質(zhì)、泥沙以及水生生物的影響。在現(xiàn)有的河流健康評價指標(biāo)體系中，可以歸結(jié)到面尺度的評價指標(biāo)包括水土流失率、濕地保存率、城鎮(zhèn)化面積、林地覆蓋率等。

線尺度主要對應(yīng)的是河長或河段，是河流健康評價中最常使用的尺度之一，其涉及到的評價指標(biāo)主要包括水質(zhì)達(dá)標(biāo)率、堤防達(dá)標(biāo)率、縱向連續(xù)性指數(shù)等。評價時的難點就在于評價河段的劃分依據(jù)如何制定。除工程河段、景觀河段等具有特定功能的河段外，河流劃分的方式一般有三種方法，第一種是依據(jù)河道的自然規(guī)模及其對社會、經(jīng)濟(jì)發(fā)展的重要程度等因素劃分河道的等級，比如水利部1994年頒布的規(guī)范性文件《河道等級劃分辦法》中將全國的河流分為五個等級。第二種劃分的方式就是按照水系拓?fù)鋵W(xué)的理論，對河流或流域進(jìn)行分級，常見的分級方法有Horton分級法、Strahler分級法等（圖1）。很顯然該方法適合樹狀水系，對網(wǎng)狀水系的分級效果不明顯。另外即使是同級河流，由于流經(jīng)地區(qū)水文和地質(zhì)條件的差異，其物理特征也會存在差異[8]。第三種劃分的方式就是運(yùn)用地理信息軟件，基于流域的數(shù)字高程模型，提取流域的子流域信息，從而將流域劃分為若干個子河段和子流域。

點尺度評價主要針對河流重要的控制斷面，如：省界或其它行政區(qū)界河斷面、主要的干支流控制斷面、重要的水庫、重要的生態(tài)環(huán)境敏感點等。由于大部分監(jiān)測資料都是通過站點獲得，所以與其相關(guān)的評價指標(biāo)也較為常見，比如適宜生態(tài)流量保證率、河口徑流指標(biāo)、浮游生物多樣性等。

其實不管是面尺度、線尺度還是點尺度，都存在資料獲取的難題。就水文站網(wǎng)而言，我國目前為3.5站/萬km2， 低于世界平均水平，更低于發(fā)達(dá)國家的水平，如美國的水文站網(wǎng)密度為170站/萬km2，日本更是高達(dá)936站/萬km2。此外，我國的站網(wǎng)分布極其不均勻，主要集中在中東部地區(qū)，而且生態(tài)監(jiān)測站則少之又少，幾乎無法滿足劃分很細(xì)的河流生態(tài)健康評價的要求。因此，在進(jìn)行河流生態(tài)健康評價尺度劃分時，應(yīng)根據(jù)實際情況對河流進(jìn)行尺度劃分。一般來說，按照河流上、中、下游的徑流特性的差異，河流生物群落可以分為急流區(qū)群落、緩流區(qū)群落與河道區(qū)群落。河流的上游落差較大，水的流速大于50 cm/s，河床多石礫，為急流。在急流中，初級生產(chǎn)者多為有藻類等構(gòu)成的附著于石礫上的植物類群；初級消費(fèi)者多為具有特殊附著器官的昆蟲；次級消費(fèi)者多為體型較小的魚類。河流的下游河床比較寬闊，水的流速低于50 cm/s，河床多為泥沙和[HJ2.1mm]淤泥構(gòu)成，為緩流。在緩流中，初級生產(chǎn)者除藻類外，還有高等植物；消費(fèi)者多為穴居昆蟲幼蟲和魚類，它們的食物來源，除水生植物外，還有陸地輸入的各種有機(jī)腐屑[9]。在河道區(qū)，由于流速很小，河道區(qū)的群落與湖泊有類似之處。在生產(chǎn)者方面，在河床沿岸可生長挺水植物和沉水植物，在一些流速小或支流出口附近存在浮游生物群落。在消費(fèi)者方面，河流種及靜水種都可出現(xiàn)，由于河床底質(zhì)變化比較大，使底棲生物的分布呈團(tuán)狀。魚類與湖泊中的近似[10]。因此，更合理的尺度劃分是將河流分為上游、中游、下游進(jìn)行評價。有條件的地區(qū)河源與河口以及較大的支流均可單獨(dú)進(jìn)行評價。

2 研究區(qū)概況

灤河位于海河流域北部，其發(fā)源于河北省豐寧縣西北巴顏圖古爾山麓的小梁山，上游稱閃電河，經(jīng)張家口沽源縣東部，向北流過內(nèi)蒙古多倫；至外溝門子又折回河北省豐寧縣，在大河口納吐力根河后稱大灤河，水流聚變，水量增加；而后進(jìn)入中游河段，蜿蜒于燕山峽谷之間，在隆化縣郭家屯與小灤河匯合稱為灤河；經(jīng)承德到潘家口穿過長城至灤縣進(jìn)入冀東平原，于樂亭縣南兜網(wǎng)鋪入海。流域面積44 750 km2，河長度888 km[11]，多年平均徑流深109 mm，多年平均徑流量為593×108 m3[12]。灤河水系呈羽狀，南北長435 km，東西寬平均100 km，灤縣以下至入?？谄骄鶎捈s20 km，沿途有多條支流匯入。主要支流有吐力根河、小灤河、伊遜河、武烈河及青龍河等。流域為典型的溫帶、暖溫帶半濕潤、半干旱大陸性季風(fēng)氣候。冬季寒冷干燥，夏季炎熱多雨。流域年平均降水量400～800 mm。灤河流域地形差異大，地形總趨勢由西北向東南傾斜，基本與河流流向一致。按地質(zhì)條件、地貌形態(tài)和成因類型等劃分為壩上高原、燕山山地、南部平原區(qū)三種地貌單元。自20世紀(jì)70年代起，灤河流域先后修建了潘家口、大黑汀、桃林口等多個水庫，并逐漸建成引灤入津、引灤入唐等工程，流域經(jīng)濟(jì)的發(fā)展對水資源的依賴性越來越強(qiáng)，水資源開發(fā)利用強(qiáng)度不斷加大[12]。灤河流域水系見圖2。

3 灤河河流健康分尺度評價

3.1 尺度劃分

運(yùn)用ArcGIS的水文分析模塊（Hydrology Model），基于海河流域1∶25萬數(shù)字高程模型（DEM）提取灤河流域的特征信息，通過計算分析可以將灤河劃分為73個子流域（圖3）。盡管灤河流域分布著35個水文站，但是由于站點的分布不均以及其他指標(biāo)資料尤其是生態(tài)資料的限制，這里對灤河評價時根據(jù)灤河干流的河谷地貌及水流特征，僅將灤河劃分為上游、中游和下游三段。其中源頭至大河口為上游，大河口至羅家屯為中游，羅家屯至入?？跒橄掠蝃13]，見圖3。

3.2 基于改進(jìn)的灤河模糊物元可拓評價

構(gòu)建每個區(qū)域的評價指標(biāo)體系時，主要考慮了每[CM（22]個河段的自然功能的特點與社會服務(wù)功能的要求，等已有的河流健康評價指標(biāo)體系及評價標(biāo)準(zhǔn)。灤河河流生態(tài)健康指標(biāo)體系見表1，其相應(yīng)的評價標(biāo)準(zhǔn)見表2。

由于建立的河流生態(tài)健康指標(biāo)體系具有層次性，各層次性具有向下一級的拓展性。下一層與上一層的遞階屬性，在數(shù)學(xué)上表現(xiàn)出其可拓性，不同層次的遞階評價過程可采用可拓學(xué)的物元評價方法，而同一層次的評價適合選擇模糊優(yōu)選評價[1719]。因此可采用改進(jìn)的模糊物元可拓評價模型[1820]計算河流生態(tài)健康綜合指數(shù)，即可確定河流健康狀態(tài)。

以灤河上游評價為例說明模糊物元可拓評價模型的評價步驟如下。

（a）根據(jù)表1和表2中灤河上游的4個指標(biāo)的5個等級標(biāo)準(zhǔn)，構(gòu)造5個評價等級的經(jīng)典域物元矩陣?？紤]到水土流失率與其余3個指標(biāo)呈反向變化趨勢，因此在構(gòu)造標(biāo)準(zhǔn)物元矩陣時，應(yīng)先將該指標(biāo)轉(zhuǎn)換成正向指標(biāo)，設(shè)水土流失率為x，則轉(zhuǎn)換公式為x′=1-x。構(gòu)造的5個評價等級的經(jīng)典物元矩陣分別為：

4 結(jié)論

對流域面積廣，水系復(fù)雜的河流，由于不同的河段自然條件和社會經(jīng)濟(jì)狀況差異較大，因此有必要對河流進(jìn)行分尺度健康評價。本文構(gòu)建了基于尺度劃分的河流生態(tài)健康評價指標(biāo)體系，建立了改進(jìn)的模糊物元可拓評價模型，并將其應(yīng)用于灤河河流健康評價中。評價結(jié)果顯示，灤河上游、中游、下游均為不健康狀態(tài)，灤河全河河流健康等級為輕度疾病狀態(tài)，與實際情況相符，可見本文方法具有合理性和有效性。[HJ1.96mm]

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