鮑艷磊,田 冰,張 瑜,渠開躍,李 煒,錢金平
1 河北師范大學(xué)資源與環(huán)境科學(xué)學(xué)院,石家莊 050024 2 河北省環(huán)境演變與生態(tài)建設(shè)重點實驗室,石家莊 050024 3 河北省環(huán)境變化遙感識別技術(shù)創(chuàng)新中心,石家莊 050024 4 河北工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院環(huán)境與化學(xué)工程系,石家莊 050091 5 河北地質(zhì)大學(xué)土地資源與城鄉(xiāng)規(guī)劃學(xué)院,石家莊 050031 6 河北水利電力學(xué)院水利工程學(xué)院,滄州 061001
河流生態(tài)系統(tǒng)是河流生物與環(huán)境相互作用的統(tǒng)一體,具有動態(tài)、開放、連續(xù)等特點[1],提供著供水、輸沙、防洪、涵養(yǎng)水源等多種生態(tài)服務(wù)功能,不僅以其自然功能推動人類的發(fā)展,同時還具備經(jīng)濟、社會與環(huán)境價值。近年來,河流生態(tài)普遍退化嚴(yán)重[2-3],影響了河流的自然和社會功能,失去了其自身價值,也危及了河流健康,因此河流健康評價引起了廣泛的研究和重視。
河流健康評價是進行河流生態(tài)整治改善、水資源保護和管理的基本前提[4],需要明確河流水文、水質(zhì)和棲息地質(zhì)量,同時還要因地制宜地為河流建立河流健康評價體系[5]。澳大利亞、美國、英國、南非等許多國家地區(qū)對于河流健康評價,建立了相對成熟的調(diào)查方法與評價體系[6-7],我國也于2010年提出了《河流健康評估指標(biāo)、標(biāo)準(zhǔn)與方法(試點工作用)》,用于指導(dǎo)全國河流健康評價試點工作,為我國河流健康評價提供了重要參考。在此基礎(chǔ)上,近年來學(xué)者針對不同流域情況開展了大量河流健康評價實證研究,韓春華[8]從河流的自然生態(tài)功能角度出發(fā),建立包含河流水文、水質(zhì)等在內(nèi)的20項指標(biāo)的評價體系對沙潁河典型斷面的健康評價。而陳歆等[9]綜合了考慮拉薩河的自然生態(tài)環(huán)境和社會經(jīng)濟,基于拉薩河生態(tài)環(huán)境和社會經(jīng)濟發(fā)展特點建立多層次多指標(biāo)的評價體系,為拉薩河流域管理、保護工作提供參考。通過總結(jié)不同學(xué)者利用不同指標(biāo)要素建立的河流健康評價體系,可以看出學(xué)者對指標(biāo)的選擇更側(cè)重于維持河流河道正常生態(tài)功能以及河流周邊環(huán)境方面,并且多是研究大型河流的健康評價體系[10-12],對于中小型河流的研究較少。雄安新區(qū)由于上游水庫攔蓄及巨大地下水漏斗的存在,在氣候變化和人類活動的雙重影響下,無論是白洋淀區(qū)還是區(qū)域內(nèi)河流健康都受損嚴(yán)重。淀是生態(tài)恢復(fù)的核心,河是生態(tài)恢復(fù)的紐帶,白洋淀8條呈樹狀分布的入淀河流的生態(tài)健康問題直接關(guān)系著淀區(qū)的生態(tài)健康,研究入淀河流的健康問題對于整個新區(qū)的生態(tài)修復(fù)及功能提升具有重要意義。因此,本文以雄安新區(qū)河流水體狀況為基礎(chǔ),建立包含水文水資源狀況、河流水質(zhì)、底泥、生物、河流生境以及社會服務(wù)6個方面的河流健康評價體系,并利用綜合健康指數(shù)法對現(xiàn)階段新區(qū)河流進行健康評價,以期為后期生態(tài)需水及其整個新區(qū)的生態(tài)修復(fù)和功能提升提供參考依據(jù)。
雄安新區(qū)地處大清河流域腹地,規(guī)劃范圍涵蓋河北省雄縣、容城、安新3個縣及周邊部分區(qū)域,區(qū)內(nèi)有華北最大天然湖泊白洋淀,接納府河、瀑河、唐河、漕河、潴龍河、白溝引河和孝義河等河流來水,總體呈現(xiàn)西北高東南低。雄安新區(qū)為季風(fēng)氣候,全年最高月與最低月平均氣溫為 26℃、-4.9℃,年降水量 550 mm 左右。為全面研究河流生態(tài)的健康情況,本研究于2019年7月對雄安新區(qū)4條常年有水的入淀河流白溝引河、瀑河、府河和孝義河進行了實地采樣調(diào)查,按照河流沿岸土地利用類型的不同選取了19個采樣點,孝義河4個點(X1—X4)、瀑河4個點(B5—B8)、府河7個點(F9—F15)和白溝引河4個點(G16—G19),采樣點位置如圖1所示。
2.1.1河流健康評價指標(biāo)體系的構(gòu)建原則
河流健康評價指標(biāo)體系的構(gòu)建應(yīng)遵循科學(xué)性、層次性、系統(tǒng)性、全面性和普遍適用性的原則,從多角度綜合考慮河流健康的影響因素,因地制宜地建立科學(xué)的評價體系。
基于上述原則,雄安新區(qū)河流健康評價指標(biāo)體系的構(gòu)建步驟為:(1)進行相關(guān)參考文獻的閱讀,掌握目前進行河流健康評價指標(biāo)的構(gòu)建的方法、指標(biāo)量化方法以及指標(biāo)的權(quán)重的確定方法;(2)實地調(diào)研,采集數(shù)據(jù),并咨詢相關(guān)專家對新區(qū)4條有水河流的自然和社會要素信息進行實地調(diào)研與分析,明確評價體系應(yīng)具備的幾個方面;(3)綜合考慮目前國內(nèi)外采用的指標(biāo)體系,結(jié)合新區(qū)河流生態(tài)環(huán)境和社會經(jīng)濟特征,以及數(shù)據(jù)的可獲取性篩選評價指標(biāo),構(gòu)建評價指標(biāo)體系。(4)就能夠得到的數(shù)據(jù)咨詢相關(guān)專家,不斷改善評價指標(biāo)體系的指標(biāo)構(gòu)成,最終建立適合新區(qū)河流的指標(biāo)評價體系。
2.1.2河流健康評價指標(biāo)體系構(gòu)建
眾多國內(nèi)外學(xué)者采用生境多樣性指標(biāo)、水質(zhì)指標(biāo)、底泥指標(biāo)、河口徑流指標(biāo)、森林覆蓋率指標(biāo)、地下水超采率、河流縱向連續(xù)性指標(biāo)、河岸帶、水生生物、景觀環(huán)境、棲息地等指標(biāo)用以建立河流生態(tài)健康評價體系[13-23]。根據(jù)雄安新區(qū)河流特征,更多考慮維持河流河道自身的生態(tài)功能的指標(biāo),從河流河道生態(tài),生境和社會服務(wù)功能等方面建立體現(xiàn)河流水量,河流水質(zhì),河流水環(huán)境,河流生境和社會服務(wù)功能的健康評價體系。雄安新區(qū)河流健康評價體系包含了水文水資源、河流水質(zhì)、河流底泥、河流生物、河流生境以及社會服務(wù)功能6個準(zhǔn)則層16個指標(biāo),各指標(biāo)要素見下表1。
表1 河流健康評價指標(biāo)體系
權(quán)重是以一個數(shù)值大小來表示眾多因素相對重要程度的量值,在對多個指標(biāo)進行評估時,各項指標(biāo)的權(quán)重的確定是重要的也是困難的。層次分析法操作相對簡單但是主觀性較強,隨意性大;熵權(quán)法可以考慮到指標(biāo)實際信息對評估結(jié)果的影響,更貼合客觀實際。為降低隨機性,提高科學(xué)性,本文采用層次分析法和熵值法兩種方法分別計算權(quán)重,進而通過主客觀賦值法得到綜合權(quán)重值。
(1)層次分析法
1)構(gòu)造成對比矩陣。
2)計算權(quán)向量并做一致性檢驗。
3)計算組合權(quán)向量并做組合一致性檢驗。計算最下層對目標(biāo)的組合權(quán)向量,并做組合一致性檢驗。
(1)
(2)
式中,λmax為最大特征根,A為對比矩陣,αi為權(quán)重向量,R.I.為判斷矩陣的隨機一致性指標(biāo)。當(dāng)C.R.<0.1時,認(rèn)為判斷矩陣的一致性是可以接受的。
(2)熵值法
1)選取樣本和指標(biāo),定義為i個樣本、j個指標(biāo);
2)指標(biāo)的歸一化處理:異質(zhì)指標(biāo)同質(zhì)化得到Xij;
3)計算指標(biāo)的比重Yij:
(3)
4)計算第j項指標(biāo)的熵值:
(4)
5)計算信息熵冗余度:
dj=1-ej
(5)
6)計算各項指標(biāo)的權(quán)值:
(6)
式中,Xij表示第i個年份第j項評價指標(biāo)的歸一化數(shù)值,n為指標(biāo)數(shù)。
(3)綜合權(quán)重的確定
綜合權(quán)重的確定運用了加法集成法,由主客觀賦值法得到的的綜合權(quán)重向量進行計算,公式為:
w=αp+βq
(7)
式中,α、β為待定系數(shù),關(guān)于α、β的確定,主要采用差異系數(shù)法,計算公式如下:
(8)
式中,T為主觀權(quán)重q的各分量的差異系數(shù), 有:
(9)
式中,p1,p2,....,pn是主觀權(quán)重向量中各分量從小到大的重新排列。
應(yīng)用所有采樣點位的河流健康綜合指數(shù)值,建立新區(qū)河流健康評價標(biāo)準(zhǔn)。具體方法是以所有樣點綜合健康指數(shù)的95%分位數(shù)對應(yīng)的值作為標(biāo)準(zhǔn),大于此值的健康等級為I級(自然狀態(tài)),將小于該值至最小值的分布范圍四等分。分值從大到小依次分別代表河流健康等級為Ⅱ級(健康)、Ⅲ級(亞健康)、Ⅳ級(不健康)和V級(病態(tài)),并對指標(biāo)進行賦分,單項要素分值標(biāo)準(zhǔn)為0、2、4、6、8,因此最高值為8,16個要素總分值為128。據(jù)此將新區(qū)河流健康情況劃分為5個等級。
綜合健康指數(shù)計算公式:
(10)
式中,Sij為各采樣點的綜合健康指數(shù),Wij為評價指標(biāo)的權(quán)重值,Xij為標(biāo)準(zhǔn)優(yōu)化后的各采樣點各項指標(biāo)值。
根據(jù)層次分析法和熵值法,在Matlab 2016a中計算得到兩種方法的各指標(biāo)的權(quán)重值,再進行綜合權(quán)重的計算,結(jié)果如表2所示。準(zhǔn)則層中的水文水資源、河流水質(zhì)、河流底泥、河流生物、河流生境和社會服務(wù)的綜合權(quán)重值分別為0.161、0.167、0.082、0.144、0.178和0.268。指標(biāo)層指標(biāo)的取值范圍為0.017—0.139,其中,生態(tài)基流保障度和防洪工程的權(quán)重值較大,河流水質(zhì)中的其他污染指數(shù)和水文水資源中的地下水高程的權(quán)重值較小。
表2 河流健康評價指標(biāo)權(quán)重
根據(jù)通過指標(biāo)評價體系6個準(zhǔn)則層16個指標(biāo)要素計算得到的綜合健康指數(shù)對河流健康情況進行綜合評價,評價標(biāo)準(zhǔn)等級如表3所示。
表3 河流健康評價等級劃分
3.3.1準(zhǔn)則層評價分析
通過公式(10)計算,得到新區(qū)4條河流6項單項評價指標(biāo)健康指數(shù),結(jié)果如表4所示。從表中可以看出,不同河流的準(zhǔn)則層指標(biāo)差別較大,其中水文水資源、河流底泥和社會服務(wù)的健康指數(shù)差值較大,河流水質(zhì)、河流生物和河流生境的健康指數(shù)差值較小。水文水資源方面,綜合健康指數(shù)的范圍為0.008—0.153,瀑河的水文條件最差,府河的最好;河流底泥的綜合健康指數(shù)的范圍為0.013—0.082,孝義河的底泥污染嚴(yán)重,白溝引河的污染較輕;河流生物綜合健康指數(shù)的取值范圍為0.003—0.078,最好的是府河和白溝引河,瀑河最差;白溝引河的社會服務(wù)最好,其次是瀑河和府河,孝義河的最差。河流水質(zhì)、河流生境的綜合健康指數(shù)最大差值分別為0.041、0.052。
表4 河流單項評價指標(biāo)健康指數(shù)
新區(qū)4條河流中,白溝引河有多項準(zhǔn)則層的健康指數(shù)較高,其次是府河,孝義河和瀑河的健康情況較差。情況最好的白溝引河也存在綜合健康指數(shù)較低的指標(biāo),白溝引河的水文水資源健康指數(shù)為0.015,與府河相差了90.20%,說明白溝引河在此方面健康情況差距明顯;府河在水文水資源和河流生物方面達到了4條河流的最優(yōu),在河流水質(zhì)、河流底泥、河流生境和社會服務(wù)方面與最高的健康指數(shù)分別相差0.025、0.041、0.029和0.202,差異程度分別達到21.37%、50.00%、25.44%和85.23%,在河流底泥、社會服務(wù)方面與白溝引河差距明顯;孝義河和瀑河在多個準(zhǔn)則層指標(biāo)的綜合健康指數(shù)明顯均較低,孝義河健康情況最好的是河流水質(zhì)和河流生境,但河流生境仍與白溝引河差異程度達到34.21%;瀑河的河流底泥和社會服務(wù)情況除白溝引河外的3條河流中最好,但是其社會服務(wù)綜合健康指數(shù)仍與白溝引河的差異程度達到74.26%,差別明顯。
3.3.2綜合評價分析
經(jīng)公式(10)計算,得到新區(qū)河流的綜合指數(shù)、綜合得分以及健康等級結(jié)果,19個采樣點中有1個采樣點處于自然狀態(tài),占比5.26%,采樣點來自于白溝引河中下游河段;有3個點處于健康狀態(tài),占比15.78%,均為白溝引河的的采樣點;6個采樣點處于亞健康狀態(tài),占比31.58%,均為府河的采樣點;瀑河和府河分別有1個采樣點處于不健康狀態(tài),占比10.53%,瀑河不健康狀態(tài)點位為臨近淀區(qū)位置;孝義河4個,瀑河3個采樣點均處于病態(tài),占比36.85%。由圖2各采樣點的綜合健康指數(shù)等級結(jié)果可知,不同河流以及同一河流的不同點位甚至不同河段的河流健康情況均存在一定的空間異質(zhì)性。府河和白溝引河的健康狀態(tài)明顯好于孝義河和瀑河;同時除孝義河不同采樣點的健康情況沒有差別,府河、瀑河和白溝引河三條河流不同采樣點之間的健康狀況存在一定的差別。孝義河的四個采樣點均處于病態(tài)狀態(tài);瀑河在臨近淀區(qū)的B8采樣點健康狀況發(fā)生了改變,其他三個采樣點均處于病態(tài),臨近淀區(qū)的采樣點B8處于不健康狀態(tài);府河同樣有一個采樣點的健康狀態(tài)與其他采樣點不同,其他六個采樣點均處于亞健康狀態(tài),F11采樣點綜合健康情況較差,處于不健康狀態(tài);白溝引河G18采樣點的健康狀態(tài)最好,為自然狀態(tài),健康情況優(yōu)于其他三個處于健康狀態(tài)的采樣點。
如表5所示,白溝引河的綜合健康指數(shù)為0.640,綜合得分為81.920,處于健康狀態(tài);府河綜合健康指數(shù)為0.484,處于亞健康狀態(tài);瀑河和孝義河的綜合健康指數(shù)分別為0.228和0.269,均處于病態(tài)。府河雖然處于亞健康狀態(tài),但是其綜合健康指數(shù)只比區(qū)間最低值高0.057,白溝引河的綜合健康指數(shù)與處于健康狀態(tài)的區(qū)間最大值還相差0.049,因此新區(qū)河流不同河流均存在不同程度的健康問題。
表5 河流綜合指數(shù)、綜合得分以及健康等級結(jié)果
氣候是影響水文條件的一個因素,統(tǒng)計1974—2018年雄縣、容城縣、安新縣、高陽縣、任丘市的多年平均降水量分別為498.96、494.81、500.13、472.61 mm和503.93 mm,年內(nèi)變化和年際變化趨勢基本一致;汛期降水占全年總降水量的78%—81%,年際降雨量較少。降雨量影響地表徑流,同時全球氣候變暖,氣溫的升高增加了地表蒸散和植被蒸騰作用,也導(dǎo)致地表徑流降低,對保障河流的生態(tài)需水有著直接影響。
河流水文受到水利樞紐的影響[30]。新區(qū)白溝引河有新蓋房水利樞紐,可用于灌溉和分洪。大清河的灌溉閘是在下游需進行灌溉時才進行輸水,灌溉用水一般在春秋兩季,這與“蓄洪補枯”在時間上存在一定的差別,在一定程度上影響著白溝引河的河流自身水文條件。
河流水質(zhì)、底泥和生物相互影響并共同影響著河流的生態(tài)系統(tǒng)[31]。河流底泥污染是水體中污染物沉淀或被顆粒物吸附而使得底泥受到污染,沉積物中營養(yǎng)鹽的釋放會引起水體富營養(yǎng)化,重金屬的釋放則影響水生生物。
入河水源是造成河流污染物輸入的一個不可忽視的原因。孝義河長期接納蠡吾鎮(zhèn)、辛興鎮(zhèn)等制革工業(yè)的排污水,水質(zhì)長期處于劣Ⅴ類[32]。新區(qū)建立后,對入河污水進行管控,根據(jù)采集的數(shù)據(jù)得到孝義河溶解氧含量較好,數(shù)值在7.50—8.00 mg/L之間;但河流中營養(yǎng)鹽污染指數(shù)在6.30—6.43之間,耗氧有機物污染指數(shù)除臨近淀區(qū)河段,污染指數(shù)均高于5.50,水質(zhì)劣于Ⅳ類。
河流臨近居民點是造成水質(zhì)較差的原因,在樣品采集過程中和檢測分析結(jié)果均可發(fā)現(xiàn)越靠近村莊水質(zhì)就越差,沿岸生活污水和垃圾會造成河流水體污染。瀑河的DO含量在淀區(qū)上游和臨近淀區(qū)河段,數(shù)值達到7.20—8.10 mg/L;在流經(jīng)村莊的河流中游段,DO含量則低于5.00 mg/L;除臨近淀區(qū)的B8采樣點,其他采樣點的耗氧有機物污染指數(shù)的數(shù)值均高于4.00,河流水質(zhì)均無法達到Ⅳ類水功能區(qū)水質(zhì)目標(biāo)。
工業(yè)廢水是導(dǎo)致河流中有機物污染和重金屬污染嚴(yán)重的原因。白洋淀流域近年來降水量減少、泥沙淤積,直接導(dǎo)致水體污染物不斷累積沉淀[33]。印染工業(yè)廢水會排入孝義河,污染物沉積,孝義河X2和X4采樣點的N、P含量高,有機污染指數(shù)分別達到3.58、2.73,屬于重度污染;同時Pb、Co及Sn元素在孝義河沉積物中含量最高,尤其是Pb數(shù)值高達389.51 mg/kg,是全國背景值的16.60倍。另外來自于保定市的生活污水造成府河的氮污染[34],府河的有機物污染綜合污染指數(shù)為1.49,4個采樣點處于中度污染;同時底泥中重金屬污染程度大,Zn、Cd含量為全國背景值的4.70、13.80倍。保定市工業(yè)廢水、生活污水及府河沿岸金屬冶煉企業(yè)很可能是造成府河沉積物中重金屬污染的原因。
具有低耐用能力的底棲動物及浮游生物能很好的適應(yīng)水體環(huán)境[35]。節(jié)肢動物搖蚊幼蟲、輪蟲因耐污能力強普遍存在于四條河流中,但是對環(huán)境較敏感的無齒蚌則在水體環(huán)境較好的白溝引河中存在較多。同時汛期水體中的TP和DO濃度直接影響到浮游植物種類組成、密度及多樣性,府河中的DO含量范圍為3.50—5.30 mg/L,浮游植物生物量高。因此水體環(huán)境直接造成不同河流的生物量的差距。
本文通過結(jié)合當(dāng)前河流存在的健康問題,遵循“流域統(tǒng)籌、系統(tǒng)治理、遠(yuǎn)近兼顧、建管并重”的總體原則,以“山、水、林、田、湖生命共同體”為生態(tài)修復(fù)核心理念,為達到改善河流的生態(tài)系統(tǒng),提供更好的自然功能與社會功能的目標(biāo),對不同健康情況的河流給予不同的修復(fù)建議。
對處于病態(tài)的孝義河和瀑河,建議從以下幾個方面進行修復(fù):
(1)提升補水能力,改善水資源條件
考慮氣候原因,合理規(guī)劃種植結(jié)構(gòu);并考慮跨區(qū)調(diào)水,根據(jù)《河北雄安新區(qū)規(guī)劃綱要》、《華北地區(qū)地下水超采綜合治理行動方案》等要求,確保河流水流量。
(2)改善河岸帶穩(wěn)定性,提升生物棲息地環(huán)境質(zhì)量
改善河流河岸帶覆蓋植被類型單一的現(xiàn)狀,可采用喬灌草結(jié)合,在河道設(shè)置生態(tài)景觀帶、生態(tài)綠帶;并調(diào)整河岸的坡度與高度,提高河岸的穩(wěn)定性。
(3)提升治污能力,改善河流水質(zhì)、底泥和生物
與相關(guān)部門建議建立適量的污水處理廠,嚴(yán)格規(guī)定污水排放標(biāo)準(zhǔn);在后期修復(fù)工程中可以在一定河段放置生態(tài)浮床,在其中種植合適植物,在凈化河水的同時為河流生物及鳥類提供水中棲息地;建立底泥沉降工程,將底泥沉降過濾后再返回河流;同時可以在水流、水深、餌料相宜的地方進行放置魚類和水生生物,提高河流的生物多樣性。
(4)建設(shè)防洪堤壩
對河流進行河流的清淤,以還原自然河道狀態(tài);另外新區(qū)地勢低,強降水年份可能會帶來水患,需要在新區(qū)主要河流建設(shè)行洪水道和防洪堤壩。
對處于亞健康狀態(tài)的府河,則需要著重改善河岸穩(wěn)定性、提升生物棲息地環(huán)境質(zhì)量;并凈化河流水質(zhì)、底泥;建設(shè)符合防洪要求的堤壩。對健康狀態(tài)較好的白溝引河也需要改善水資源條件,提高河岸帶植被多樣性和河流生物多樣性。
(1)在選取的新區(qū)河流體系中的19個樣點中,有1個點處于自然狀態(tài),3個點處于健康狀態(tài),6個點處于亞健康狀態(tài),2個點處于不健康狀態(tài),7個點處于病態(tài)。不同河流的準(zhǔn)則層指標(biāo)的健康指數(shù)和河流綜合健康指數(shù)存在差異性,計算得到白溝引河綜合健康指數(shù)為0.640,處于健康狀態(tài);府河的綜合健康指數(shù)為0.484,處于亞健康狀態(tài);瀑河和孝義河均處于病態(tài),綜合健康指數(shù)為0.269和0.228。
(2)新區(qū)河流水系同一河流的不同河段以及不同河流的健康狀況呈現(xiàn)出明顯的空間異質(zhì)性。整體呈現(xiàn)河流入淀處健康狀況比中游健康狀況好。
(3)隨著雄安新區(qū)的建設(shè),對河流濕地進行生態(tài)修復(fù)。應(yīng)對入河水源的水質(zhì)和河流底泥的清潔程度予以控制,并適當(dāng)放置河流生物;提高河岸帶的林草覆蓋度、調(diào)整土地利用類型;在臨近河流地帶建立綠化帶;做到節(jié)水環(huán)保,跨區(qū)域調(diào)水保障河流的生態(tài)需水;并構(gòu)建符合標(biāo)準(zhǔn)的防洪工程。