張云程，繆萍萍，張 浩，周緒申，王 潛

（1.天津市碧波環(huán)境資源開發(fā)有限公司，天津 300170；2.海河水利委員會水資源保護(hù)科學(xué)研究所，天津 300170；3.海河流域水資源保護(hù)局，天津 300170；4.海河流域水環(huán)境監(jiān)測中心，天津 300170）

河系是由多條河流構(gòu)成的水網(wǎng)系統(tǒng)，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(jīng)濟(jì)社會等諸多因素空間布局的非均衡性，河系水生態(tài)狀況在空間上存在明顯的上下游、干支流的異質(zhì)性。聚類分析[1]、主成分分析[2-3]、因子分析[4]等多元統(tǒng)計技術(shù)能夠?qū)?fù)雜的多元數(shù)據(jù)進(jìn)行降維，同時最大限度地保留原始樣本數(shù)據(jù)的主要信息，在水環(huán)境要素的空間異質(zhì)性方面有廣泛的應(yīng)用。包姍姍等人[5]利用聚類分析技術(shù)探討了流域景觀格局與河流水體中營養(yǎng)鹽濃度的相關(guān)關(guān)系。徐華山等人[6]分析了漳衛(wèi)南運河流域的水質(zhì)時空演變特征及水質(zhì)變化趨勢，將漳衛(wèi)南運河流域水質(zhì)空間分為兩大類。李義祿等人[7]結(jié)合GIS技術(shù)，系統(tǒng)分析了旅游城市蘇州古城區(qū)河網(wǎng)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(qū)重要的水源涵養(yǎng)區(qū)和生態(tài)廊道，當(dāng)前面臨水資源過度開發(fā)、環(huán)境承載力弱、污染嚴(yán)重、河道斷流、生態(tài)系統(tǒng)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(qū)經(jīng)濟(jì)社會的健康發(fā)展?？茖W(xué)客觀地認(rèn)識永定河系水生態(tài)空間分異特征，提出有針對性的水生態(tài)治理策略十分必要。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

永定河發(fā)源于內(nèi)蒙古高原的南緣和山西高原的北部，地跨內(nèi)蒙古、山西、河北、北京、天津5個?。ㄗ灾螀^(qū)、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(jīng)三家店流入華北平原東部。三家店為永定河流域山區(qū)、平原分界，山區(qū)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(jīng)北京市的最大河流，對于北京阻沙保水、調(diào)節(jié)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(shù)據(jù)與方法

本研究在桑干河、洋河以及永定河干流上布設(shè)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(jiān)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(jiān)測指標(biāo)包括氨氮（NH3-N）、化學(xué)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(wǎng)（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(nèi)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(jù)對象距離遠(yuǎn)近或相似性大小進(jìn)行分類的多元統(tǒng)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(jìn)行合并，不斷重復(fù)此過程，直到所有的個體都?xì)w為一類。本文采用歐氏距離作為類別劃分的依據(jù)。

2 結(jié)果與討論

2.1 水生態(tài)現(xiàn)狀

水量不足是永定河系面臨的水生態(tài)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(qū)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(jù)相關(guān)水文資料，1956—1990年間，永定河山區(qū)降水量持續(xù)減少，受氣候變化和下墊面變化等因素的影響，永定河山區(qū)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(tài)，盧溝橋至屈家店段基本全年干涸，河流生態(tài)嚴(yán)重退化。

圖2 永定河山區(qū)徑流量和降水量演變趨勢

永定河系非汛期水質(zhì)總體上劣于汛期。將NH3-N和COD兩項水質(zhì)指標(biāo)的平均值做比較，發(fā)現(xiàn)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(lán)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(fā)現(xiàn)有金藻門和甲藻門，永定河系浮游植物群落構(gòu)成如圖3所示。采樣點S2、S17和S18由于處于河干狀態(tài)，未采集浮游植物指標(biāo)?？傮w上，上游桑干河和洋河的浮游植物種數(shù)多于下游永定河。具體描述性統(tǒng)計成果，詳見表1。

圖3 永定河系浮游植物群落構(gòu)成

表1 永定河系水生態(tài)現(xiàn)狀描述性統(tǒng)計成果

按照《地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》（GB3838-2002）中確定的各類別水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)值，永定河系汛期達(dá)到和優(yōu)于Ⅲ類水質(zhì)的采樣點占53%，非汛期達(dá)到和優(yōu)于Ⅲ類水質(zhì)的采樣點僅占28%，具體評價成果見圖4。

2.2 空間異質(zhì)性特征

對永定河系21個采樣點汛期和非汛期的監(jiān)測數(shù)據(jù)分別進(jìn)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(yīng)上游山區(qū)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(yīng)上游山區(qū)洋河以及永定河屈家店以上河段。非汛期的監(jiān)測中，采樣點S3水質(zhì)指標(biāo)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(jìn)一步分為3類：第一類包括采樣點S1、S4、S5、S6、S7，對應(yīng)上游山區(qū)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(yīng)上游山區(qū)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(yīng)永定河屈家店閘上—永定新河閘上。永定河系水生態(tài)聚類分析譜系，如圖5所示。

圖5 永定河系水生態(tài)聚類譜系

根據(jù)層次聚類分析結(jié)果，結(jié)合永定河系自身特征，可以將永定河系劃分為3個水生態(tài)分區(qū)，即A區(qū)包括上游山區(qū)桑干河大渡口村以上河段、B區(qū)包括上游山區(qū)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(qū)包括永定河屈家店閘至河口部分。永定河系水生態(tài)分區(qū)，如圖6所示。其中，A區(qū)（桑干河）位于永定河系上游，是重要的產(chǎn)水匯水區(qū)域，經(jīng)濟(jì)以農(nóng)業(yè)為主，兼有采礦業(yè)，是水土流失嚴(yán)重、面源污染相對突出的區(qū)域；B區(qū)（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(qū)，是對河流生態(tài)環(huán)境要求相對更高且生態(tài)系統(tǒng)十分脆弱的區(qū)域；C區(qū)（永定河屈家店以下河段）流經(jīng)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(tài)分區(qū)示意

2.3 分區(qū)治理策略

根據(jù)永定河系水生態(tài)的空間異質(zhì)性，應(yīng)有針對性地研究水生態(tài)修復(fù)策略。其中，A區(qū)（桑干河）應(yīng)以增加水源涵養(yǎng)能力、維持河道生態(tài)基流為重點，建設(shè)水源涵養(yǎng)林，實施清潔小流域建設(shè)，開展灌區(qū)高效節(jié)水改造和地下水壓采，實施河道生態(tài)綜合整治，構(gòu)建綠色生態(tài)源區(qū)，促進(jìn)區(qū)域清水產(chǎn)流；B區(qū)（洋河及永定河屈家店以上河段）著重實施河道生態(tài)修復(fù)、河灘地治理、防洪薄弱環(huán)節(jié)治理、防護(hù)林建設(shè)等，以恢復(fù)河流自然特性為重點，開展?jié)竦乇Ｗo(hù)與恢復(fù)[11]，建設(shè)沿河濕地和郊野公園等；C區(qū)（永定河屈家店以下河段）以打造濱海生態(tài)走廊為重點，實施生態(tài)河岸景觀帶建設(shè)及防護(hù)林建設(shè)，實施生態(tài)補(bǔ)水，維持入海水量。

水量和水質(zhì)作為影響水生態(tài)的兩個決定性因素，應(yīng)采取綜合性措施進(jìn)行改善。

水量方面，強(qiáng)化水資源節(jié)約，提高生態(tài)用水保障。節(jié)水是保障永定河生態(tài)水量的根本性措施。為保障永定河生態(tài)水量，應(yīng)對官廳水庫上游地區(qū)大中型灌區(qū)進(jìn)行節(jié)水改造，退還農(nóng)業(yè)擠占河道生態(tài)用水；完善再生水利用管網(wǎng)設(shè)施，利用再生水補(bǔ)充河道生態(tài)用水；實施河系連通，優(yōu)化水資源配置，提高生態(tài)用水保障。

水質(zhì)方面，全面控制污染物排放，促進(jìn)河湖水質(zhì)改善。加強(qiáng)源頭治理，嚴(yán)格控制入河污染物量，是改善永定河水質(zhì)的關(guān)鍵。開展清潔小流域建設(shè)，控制農(nóng)業(yè)農(nóng)村污染物排放，削減面源污染物入河量；以水功能區(qū)限制排污總量為依據(jù)，合理規(guī)劃入河排污口的空間布局，著力加強(qiáng)入河排污口監(jiān)督管理，采取排污口規(guī)范化建設(shè)、遷建和生態(tài)凈化等措施，進(jìn)一步削減入河污染物量。

3 結(jié)語

（1）永定河系面臨水資源過度開發(fā)、環(huán)境承載力弱、污染嚴(yán)重、河道斷流、生態(tài)系統(tǒng)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(qū)經(jīng)濟(jì)社會的健康發(fā)展。

（2）根據(jù)2016年汛期和非汛期對永定河系21個采樣點的水生態(tài)監(jiān)測數(shù)據(jù)，采用層次聚類分析法研究，結(jié)果表明永定河系水生態(tài)狀況存在明顯的空間異質(zhì)性。據(jù)此，可以將永定河系劃分為3個水生態(tài)分區(qū)，即A區(qū)包括上游山區(qū)桑干河大渡口村以上河段、B區(qū)包括上游山區(qū)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(qū)包括永定河屈家店閘至河口部分。

（3）針對不同分區(qū)的實際情況，應(yīng)采取適宜的水生態(tài)治理與修復(fù)措施。其中，上游山區(qū)的桑干河應(yīng)以增加水源涵養(yǎng)能力、維持河道生態(tài)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(tài)修復(fù)、河灘地治理、防洪薄弱環(huán)節(jié)治理、防護(hù)林建設(shè)等；永定河屈家店以下河段應(yīng)實施生態(tài)河岸景觀帶建設(shè)及防護(hù)林建設(shè)，實施生態(tài)補(bǔ)水，維持入海水量。