劉子鈺，任良鎖,，白乙娟，趙銀軍，丁愛中**，李紅兵

(1.北京師范大學水科學研究院，北京 100875；2.南寧師范大學地理科學與規(guī)劃學院，廣西南寧 530100；3.昆明柴石灘地區(qū)水資源管理局，云南昆明 652100)

隨著人類社會的進步，工業(yè)化城鎮(zhèn)化進程加快，社會經濟發(fā)展和環(huán)境保護之間的矛盾愈演愈烈，尤其是流域水環(huán)境水生態(tài)問題[1]。水域被污染或破壞，相關的水生生物、河岸帶動植物、水域周邊土壤等都會受到影響，這將導致破壞向整個流域蔓延[2]。因此，對流域健康的研究變得十分重要。

在流域健康研究方面，西方國家要早于我國。1997年，Meyer[3]首次提出“流域健康”的概念，他認為健康的流域除了能夠對其本身的結構與功能進行維持外，還應產生一定的社會價值。之后，國外學者一直嘗試從更多影響流域健康的環(huán)境因素出發(fā)，進一步深入研究流域健康，如2021年伊朗學者Mosaffaie等[4]采用DPSIR模型與Friedman測試，將地下水資源損失、洪水潛力和土壤侵蝕率列為流域面臨的重要挑戰(zhàn)。國內學者們也使用不同的研究方法對流域健康進行評估。張金艷[5]采用Flow Health模型對大通河流域水文健康進行評價，并對主要控制斷面進行流量計算。蔣衡等[6]基于PSR模型，構建磁湖流域健康評價體系，并用健康評價指數(CEI)評價磁湖流域健康狀況?？偟膩碚f，健康的流域是指環(huán)境良好的、在不良環(huán)境中具有一定的自我修復能力的、可持續(xù)發(fā)展并且可以造福人類的流域。

分析國內外學者對流域健康評價所進行的研究可以看出，一方面，學者們對子流域的劃分較為粗略，影響了評價精度；另一方面，學者們大都重點分析研究流域某一年的健康狀況，對其多年變化情況的分析較少。本研究擬按照地形和氣候等因素將永定河流域劃分為多個子流域，并結合永定河流域的人口、經濟、環(huán)境、資源、地下水、氣象水文等資料，建立永定河流域健康評價體系；同時，依據2005年、2010年、2015年和2020年4年的數據及評價指標，對永定河流域進行健康評價，分析其健康變化情況；最后，在健康評價的基礎上，深入分析影響永定河流域健康的因素，為永定河流域的合理開發(fā)利用與保護提出對策和建議。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

永定河流域經緯度為112°00′-117°45′E，39°00′-41°20′N，發(fā)源于內蒙古高原南緣和山西高原的北部。流域地跨內蒙古、山西、河北、北京、天津5個省(自治區(qū)、直轄市)，總面積4.7萬km2(圖1)，是海河流域七大水系之一，也是我國北方典型缺水型流域[7]。永定河流域上游主要由洋河和桑干河兩大支流組成，兩大支流在河北懷來縣匯流后稱為永定河，經官廳山峽于三家店進入華北平原[8]。永定河流域西北部植被覆蓋率低，水土流失嚴重；三家店出山后為華北平原地區(qū)，植被覆蓋率相對較高。流域位于干旱和濕潤氣候的過渡帶，屬中緯度大陸性季風氣候，四季分明。近年來永定河流域的氣溫出現了非常明顯的上升趨勢，蒸發(fā)能力有輕微的下降趨勢[9]。流域內多年平均降水量為420 mm，但年際變化很大，最多可達1 400 mm，最少僅200 mm[10]。

人類活動使永定河流域健康狀況受損嚴重，尤其是中下游流域，這些流域人口密度大且流域面積小，其人均水資源量嚴重不足，甚至出現用水量大于水資源總量的情況，需要跨流域調水來滿足日常生活。其中官廳水庫的年入庫徑流量自1950年起呈現連續(xù)下降趨勢，河流水量較小，常年細水，2009年甚至降至0.2億m3。桑干河、洋河、永定河山峽段入庫水量嚴重減少，全年減少量為17.36%-67.98%，山區(qū)水資源開發(fā)強度高達97%，地表水達89%，農業(yè)用水占總用水量的69.3%，用水比例不協調[11]。

1.2 方法

1.2.1 子流域劃分方法

武海霞等[12]在對子流域劃分方法的研究中發(fā)現，子流域劃分的數量及面積對研究結果的差異影響較為顯著，而地形復雜、坡度較大的區(qū)域對研究結果的準確性也會產生一定影響。但當子流域劃分的數量達到一定水平時，對研究結果的準確性影響較小。因此，為了使永定河流域健康狀況評價更加客觀，本研究利用ArcGIS軟件并依據永定河流域內的氣候和地理條件，將研究區(qū)域劃分為18個子流域(圖2)。對18個子流域分別進行流域健康評價，得出各子流域的評分后再利用綜合指數評價法進行計算，從而得出永定河全流域的最終評價結果。

1.2.2 評價指標體系構建

根據永定河流域的現狀和流域健康的表現形式，本研究選取陸域、水域、經濟社會3個一級指標，并依據與各一級指標相關的主要影響因素，將森林覆蓋率、水資源開發(fā)利用強度、人均GDP等9項因素作為二級指標，以此構建評價指標體系，如表1所示。其中，陸域層指標主要反映當地的地理特征、人類活動強度以及植被覆蓋度等情況：森林覆蓋率可以反映當地氣候調節(jié)、水土保持的能力，水源涵養(yǎng)功能則能在一定程度上體現生態(tài)系統對水分循環(huán)利用和河流徑流量調節(jié)的能力，而景觀破碎度則反映出人類活動對當地環(huán)境的破壞[13]。水域層指標主要反映徑流量以及水資源量等情況，水資源開發(fā)利用強度和年徑流量的變化情況都可以反映出流域內水文狀況、流量大小以及水資源利用率等問題。經濟社會層指標主要反映經濟發(fā)展對環(huán)境的負面影響程度：人均GDP能夠反映當地的經濟技術發(fā)展水平，工業(yè)產值模數和農業(yè)占GDP比重也能夠反映流域內的經濟結構以及生產生活方式[14]。

在對永定河流域進行健康評價時，首先應確定準則層各指標的權重；然后根據層次分析法綜合評價指標層所有的二級指標，并根據各二級指標的計算結果評價準則層的3個一級指標；最后根據各一級指標權重，利用綜合指數評價法計算得出永定河流域的整體健康狀況。其中土地利用類型的相關數據來源于中國科學院資源環(huán)境科學與數據中心，水文數據來源于海河流域水文年鑒與水利部監(jiān)測網站，經濟人口數據來源于各省市的統計年鑒，選取數據年份為2005年、2010年、2015年和2020年。在參考相關研究的基礎上，采用專家打分法和層次分析法確定各指標的權重分配[2]，權重賦值情況見表1。

1.2.3 評價方法與標準

本次評價采用綜合指數法進行。以各子流域為評價單元，首先根據各二級指標的數據計算得出相應的結果，利用計算結果對其健康狀況進行打分，再根據權重分配計算出每個一級指標的分值；然后通過準則層陸域、水域和經濟社會的健康指數加權求和，獲得各單元的流域健康綜合評價指數(WHI)。流域健康綜合評價指數計算如下：

WHI=ILWL+IWWW+IEWE，

式中：IL為陸域健康指數值，WL為陸域健康指數權重；IW為水域健康指數值，WW為水域健康指數權重；IE為經濟社會健康指數值，WE為經濟社會健康指數權重。IL、IW和IE分別由各自的二級指標加權獲得。

根據2020年方云祥[15]對安徽省典型流域的健康等級劃分以及流域健康評價綜合指數、各項指標分值大小，將流域健康等級分為五級，分別為優(yōu)秀(WHI≥80)、良好(60≤WHI<80)、一般(40≤WHI<60)、較差(20≤WHI<40)和差(WHI<20)。

2 結果和分析

2.1 永定河流域健康等級

利用ArcGIS軟件繪制永定河18個子流域的健康等級圖(圖3)。由圖3可以看出，永定河流域整體上處于一般的健康等級，2005-2020年健康情況無明顯變化，但個別子流域有環(huán)境惡化的趨勢。2005-2010年，流域3健康等級由良好降為一般，流域14的健康等級由一般降為較差；2010-2015年，流域15的健康等級由一般降為較差；流域1的健康等級一直較差，其余子流域的健康等級均穩(wěn)定在一般水平。但是從2020年的評價結果來看，流域健康狀況有好轉跡象，流域14、流域15健康等級均回升到一般水平。

2.2 永定河流域健康狀況

利用評價指標的各類相關數據，經過計算后得出準則層中各一級指標的結果。然后根據評價標準進行賦分，繪制出2005-2020年永定河流域一級指標的健康狀況變化趨勢，如圖4所示。

陸域方面：2005-2020年，各子流域間的健康狀況有較為明顯的差別，其中流域1的得分嚴重偏低，而流域3的得分明顯高于其他子流域；除流域8和流域9外，其他子流域在各年份的健康狀況變化趨勢較為統一；流域8和流域9的得分在2020年有較明顯的提高[圖4(a)] 。水域方面：2005-2015年大部分子流域得分沒有明顯變化，而流域3的得分呈現明顯下降趨勢，流域1和流域2的得分則有小幅度提高；但在2015-2020年，大部分流域的水域狀況明顯改善，可見流域環(huán)境治理工作取得了一定成效[圖4(b)]。經濟社會方面：各子流域的得分大多處于連續(xù)下降的趨勢，尤其是流域7和流域8，得分下降幅度較為明顯[圖4(c)]。結合陸域、水域和經濟社會三項一級指標的計算結果，最終可得出各子流域的健康綜合評價指數(WHI)。如圖4(d)所示，2005-2015年，流域3的得分有較明顯的下降趨勢，另有小部分子流域的健康狀況也有下降趨勢，但變化不明顯；2015-2020年，一些子流域的健康狀況有所改善，例如流域9、流域12、流域14和流域17等。

圖4 永定河流域健康狀況變化情況Fig.4 Changes of health status in Yongding River Basin

2.2.1 陸域健康狀況

在陸域方面，森林覆蓋率和水源涵養(yǎng)功能指數得分較低且差異較大，反映出評估流域森林覆蓋度較低、生態(tài)結構穩(wěn)定性較差、環(huán)境不良等問題(圖5)。

圖5 永定河流域陸域指標變化情況Fig.5 Index changes of land area in Yongding River Basin

人類對土地無節(jié)制的開墾、對水資源的浪費以及眾多不合理的工程建設，是導致大部分子流域森林覆蓋率較低、景觀破碎化以及水循環(huán)能力較弱的原因。

2.2.2 水域健康狀況

在水域方面，年徑流量和水資源開發(fā)利用強度得分均偏低，除了流域5與流域18有比較明顯的優(yōu)勢外，2005-2015年各子流域得分基本在50以下(圖6)。由于氣候波動、土地利用劇烈變化以及經濟發(fā)展等影響，流域內水資源量消耗巨大；過量開發(fā)水資源造成河流徑流量急劇減少、地下水位明顯下降、水域面積縮小、部分地區(qū)出現用水量大于水資源總量甚至是河道斷流等現象[16,17]。雖2020年永定河流域的水域健康狀況有一定改善，但總體水平還是較低，仍需繼續(xù)改善。

圖6 永定河流域水域指標變化情況Fig.6 Index changes of water area in Yongding River Basin

2.2.3 流域經濟狀況

在經濟社會方面，人均GDP得分偏低，工業(yè)產值模數和農業(yè)占GDP比重得分差異較大，大部分流域各項指標均得分較低，并且人均GDP和工業(yè)產值模數基本呈現得分連續(xù)下降的趨勢(圖7)。經濟發(fā)展的不平衡、農業(yè)產值比重過大，以及工業(yè)快速發(fā)展過程中對水資源的不合理開發(fā)利用、廢水的無節(jié)制排放等行為都會造成水資源的過度損耗以及水質惡化等問題[16]。

圖7 永定河流域經濟社會指標變化情況Fig.7 Index changes of economic and social in Yongding River Basin

3 討論

根據永定河流域的健康狀況等級，本研究從準則層的3個評價指標以及其對應的各目標層的影響指標，分析永定河流域健康狀況的變化情況。

3.1 永定河流域陸域健康狀況分析

賈文娟等[18]對永定河流域森林植被覆蓋的研究表明，引起植被覆蓋度變化的主要原因是人為因素，主要包括人類活動的破壞和保護不力等導致的土地利用類型變化；次要原因是氣候因素，主要是降水和溫度的變化對植被產生影響，從而造成水土流失、土壤肥力受損等問題，導致原有的生態(tài)平衡受到一定程度的破壞，生態(tài)自我修復能力受損[19,20]。

近30年來，由于永定河的多次改道和河水泛濫，永定河下游河道出現了大面積的沙丘和荒地，導致自然濕地和林地的土地質量受損且面積逐漸減少[21]。另外，永定河流域植被類型較為單一，植被主要為自然生長的雜草，植被覆蓋度低，部分地區(qū)仍然存在大面積的裸露土地。另外，永定河流域常年缺水也會導致植被無法正常生長[22]。人類活動在土地沙化、地下水位下降、植被單一且適應能力弱等多個方面對流域的植被覆蓋度產生影響。

3.2 永定河流域水域狀況分析

通過年徑流量指標的數據(圖6)可以看出，部分水庫和河道站點存在常年斷流或是流量極低的現象。影響流域內徑流量的主要因素有氣候變化和人類活動。氣候通過氣溫、降水、蒸發(fā)等因素的改變影響陸地水文循環(huán)系統；人類活動則是通過土地利用、水土工程等方式改變流域環(huán)境[23]。在20世紀六七十年代，氣候是徑流量變化的主要影響因素，而到了20世紀80年代之后，頻繁的人類活動成為影響徑流量變化的主要因素[24,25]。近年來，永定河流域內的氣溫出現了明顯的上升趨勢，且與全球氣溫升高的趨勢相近，但其蒸發(fā)量與降水量沒有明顯變化，可見影響永定河流域流量減少的主要原因并不是氣候因素，而是人為因素[9]。在一些子流域的河岸帶范圍內，土地大多被用作農田或人工建筑，導致部分河段挖沙嚴重；一些河道渠道化嚴重，水深較淺且流速較??；部分河道水體污染嚴重，使得附近的棲息地受到破壞；在洋河流域和桑干河流域內，閘壩分布較多，對河流的連通性產生了明顯的阻隔作用[26]。人類利用水利工程對河流進行攔蓄使用、對地下水進行抽取利用，這些行為都使得永定河流域內河流徑流量大幅度減少，同時導致流域健康狀況惡化[27]。近年來，人們逐漸意識到問題的嚴重性，開始嘗試采取一些措施來改善此類情況，如增加綠化面積、植林種草；調整流域內的農業(yè)結構，節(jié)約用水并大力發(fā)展節(jié)水農業(yè)；培育推廣耐旱植物，減少灌溉用水量；等等。這些方法對永定河流域的徑流量情況均有一定程度的改善，但由于流域內的水量問題由來已久，無法在短期內達到良好的效果，所以仍需更多的研究以及措施來解決[28,29]。

從水資源開發(fā)利用強度指標(圖6)可以看出，永定河流域內大部分地區(qū)水資源被過度開發(fā)利用。隨著經濟快速發(fā)展和人口急速增長，水資源的供需矛盾越來越突出，較少的水資源承載著龐大的人口需求，這就導致了水量的嚴重不足，以致于人們不得不對水資源進行大量的開發(fā)以滿足生活所需。地下水也是水資源開發(fā)利用中的重要一步，但由于對地下水的開采缺乏有效的統一規(guī)劃和管理，流域內出現多個地下水降落漏斗區(qū)。另外，由于含水層的失水，土層受到壓力形成地面沉降，土地甚至出現裂縫[30]。根據《永定河綜合治理與生態(tài)修復方案》，永定河流域水資源開發(fā)利用率已接近極限，甚至超采，急需通過調整產業(yè)結構、減少單位GDP用水量、降低水資源利用強度等措施來保護水資源和改善生態(tài)環(huán)境[26]。在這種情況下，可以通過統一調度水資源量、對水資源進行合理的配置、解決用水供需矛盾等措施來實現流域間的協同管理，從而改善水資源總量稀缺的問題[31,32]。

3.3 永定河流域經濟社會狀況分析

經濟社會對流域的影響有著不可忽視的作用。在經濟發(fā)展過程中，流域水質惡化和水量匱乏的問題尤為突出。一方面，自20世紀70年代以來，隨著永定河流域經濟的快速發(fā)展，大量的工業(yè)廢水、未經處理的生活污水被直接排入河道，施肥施藥后的農業(yè)用水也大量滲流進入河道，導致流域內的地表河水、水庫水以及地下水水質逐年惡化，并多次出現較為嚴重的水污染災害，急需采取水污染防治措施來改善水質[27]。另一方面，在生產生活中水資源的大量浪費也會導致水資源量嚴重匱乏：工業(yè)發(fā)展中，企業(yè)長期以來在用水時沒有規(guī)劃、缺乏考核、復用水率低，這些都會造成工業(yè)用水的浪費；農業(yè)生產中，大部分農業(yè)灌溉存在防滲率低、技術落后、田面不整等問題，再加上農民節(jié)水意識薄弱、管理不善、單位面積用水量嚴重超標等現象導致農業(yè)灌溉用水的嚴重浪費[30]。

3.4 建議

綜上所述，永定河流域健康狀況等級整體上處于一般水平。植被覆蓋率低、徑流量小、水資源開發(fā)利用強度大以及經濟發(fā)展的不均衡性都是永定河流域目前所面臨的主要問題。為進一步改善永定河流域健康狀況，本研究提出以下建議：

(1)將永定河流域內造林與水利事業(yè)結合，因地制宜發(fā)展植樹工程，從而改善永定河流域內植被覆蓋度低、河道連通性差等問題；

(2)加強對水資源的保護，逐步減小水資源開發(fā)強度。通過調整產業(yè)結構，開展節(jié)約用水，降低單位GDP水消耗，緩解并遏制因過量開發(fā)水資源而引發(fā)的一系列環(huán)境問題，恢復河流的自然屬性；

(3)進一步完善永定河流域的水資源管理，優(yōu)化產業(yè)結構、整治河道，改善因經濟快速發(fā)展而導致大量生態(tài)用水被占用的情況；

(4)建立以流域健康為基礎的綜合管理目標?；谟蓝ê恿饔虻奶卣?，建立完整的健康評價指標，并指定包括流域植被、生態(tài)流量、水質、污染負荷、底棲動物完整性等多目標綜合考核體系[32]，服務于流域健康評價，指導流域健康管理。

4 結論

本研究在綜合分析國內外關于流域健康評價方法和研究進展的基礎上，結合本流域的特點，構建了永定河流域健康評價體系，并對其健康狀況進行評估。結果表明，永定河流域健康狀況等級總體處于一般的水平，且在2005-2020年無明顯變化，個別子流域在前期有小幅度的下降，但在后期環(huán)境治理等措施的實施下，部分流域的健康狀況得到了改善。其中，水域和經濟社會得分偏低，反映出人類對水資源的過度開發(fā)和浪費導致河流徑流量下降，以及經濟發(fā)展過程中對環(huán)境的忽視等問題。另外，陸域中森林覆蓋率得分偏低且差異較大，反映了永定河流域內整體植被覆蓋度低、綠化程度低等現象，進而導致生態(tài)結構不穩(wěn)定、生態(tài)環(huán)境脆弱等問題。