河流生态系统健康评价——以银川市典农河为例.pdf

水与万物：专栏和谐共生徐宗学，马欣洋河流生态系统健康评价一一以银川市典农河为例J.水利发展研究，2 0 2 3，2 3（9）：1-7.XU Zongxue,MA Xinyang.Assessment on river ecosystem health:A case study of Diannong River in Yinchuan CityJ.WaterResources DevelopmentResearch,2023,23(9):1-7.编者按：第18 届世界水资源大会于2 0 2 3年9 月11一15 日在中国北京隆重召开，来自6 0 多个国家和地区、130 多个国际组织和涉水机构的近6 0 0 位国际代表以及国内近7 0 0 位水利行业人士参加大会。本届大会以“水与万物：人与自然和谐共生”为主题，围绕变化环境下的“水资源一人口一经济（农业、工业、城市等）一生态”纽带关系、提高用水效率效益和完善水公共服务、建设韧性防灾减灾体系、提升水生态系统质量和稳定性、推进可持续的水利基础设施建设、水治理与管理创新，展开学术交流活动，展示学术成果及科技成果。本期围绕大会主题设置专栏，精选4篇理论研究与应用实践方面的文章与广大读者分享。河流生态系统健康评价以银川市典农河为例徐宗学1.2，马欣洋1.2（1.北京师范大学水科学研究院，北京100875;2.城市水循环与海绵城市技术北京市重点实验室，北京100875)摘要：近年来，随着我国经济社会的快速发展，水资源开发力度和利用率不断增加，导致个别水域水生态系统发生退化，河流生态系统健康评价成为当前水环境治理和保护的重要基础性工作。文章梳理了国内外近十几年来的河流生态系统健康评价研究进展，归纳了河流生态系统健康评价的内涵；总结了河流生态系统健康评价的主要方法；并以银川市典农河为例，构建了以水生生物、水体生境、水环境质量与水资源4个准则层共2 2 个指标层的评价指标体系。评价结果表明，典农河生态系统健康状态为一般，水生生物中，物种丰度以及多样性较高，基本处于亚健康状态；水资源指标中，典农河健康状态较差，后期需重点关注水量调度与生态补水，以维持典农河生态系统健康。最后，针对未来河流生态系统健康评价提出了一些建议。关键词：生态系统；河流；健康；评价；典农河doi:10.13928/ki.wrdr.2023.09.001开放科学（资源服务）标识码（OSID）：中图分类号：TV213.4文献标识码：B文章编号：16 7 1-140 8（2 0 2 3)0 9-0 0 0 1-0 7收稿日期：2 0 2 3-0 8-2 5基金项目：清华大学-宁夏银川水联网数字治水联合研究院专项统筹项目（SKL-I0W-2022TC2210）作者简介：徐宗学（19 6 2 一），男，教授，博士，主要从事水文水资源、水生态系统健康评价方面的研究。E-mail：z x x u b n u.e d u.c n通信作者：马欣洋（19 9 4一），男，博士研究生，主要从事生态健康评价研究。E-mail：m a x i n y a n g m a i l.b n u.e d u.c n2水利发展研究第2 3 卷2023 年第9 期Assessment on river ecosysystemhealth:AcasestudRiver in Yinchuan CityXU Zongxuel-2,MA Xinyang1,2(1.College of Water Science,Beijing Normal University,Beijing 100038,China;2.Beijing Key Laboratory of Urban Hydrological Cycle and Sponge City Technology,Beijing100038,China)Abstract:During the past years,with the rapid development of economics and society,and the increasing development anduses of water resources in China,the water ecosystem in some water bodies was gradually degraded,thus the assessment onriver ecosystem health is accordingly becoming a basis of management and protection of water environment.The articleintroduces the research progress of river ecosystem health assessment in the past decade both domestically and international-ly,concludes the connotation of river ecosystem health assessment and summarizes main methods for evaluating the healthof river ecosystems.Meanwhile,taking the Diannong River in Yinchuan City as an example,an evaluation index system isconstructed based on four criteria levels,including aquatic organisms,water habitats,water environment quality,and waterresources,with a total of 22 indicator levels.The evaluation results indicate that the health status of the Diannong River isaverage,with high species abundance and diversity among aquatic organisms,and it is basically in a sub healthy state.Interms of the water resource indicators,the health status of Diannong River is bad,and it is necessary to focus on water reg-ulation and ecological replenishment to maintain the health of the Diannong River ecosystem in the future.Finally,somesuggestions are proposed for river ecosystem health assessment.Keywords:aquatic ecosystem;river;health;assessment;Diannong River0引言水是生命物质与非生命物质必不可少的要素!水在生态系统中的特殊作用和重要功能，使系统中的各种生物得以有序进化2 1。水生态系统是以河流、湖泊、水库水域及滨河滨湖湿地等组成的生态系统，并包括周边一定辐射范围陆域的综合生态系统。水生态系统在人类社会的发展过程中发挥着重要作用，它不仅为人类提供生活生产的基础产品，也具有维持生态系统结构、生态过程和区域生态环境的功能3。近年来，由于人类活动的干扰，水生态系统功能遭到了严重破坏，直接导致了河流断流、湿地丧失、区域生态环境退化、生物多样性减少等问题，水生态系统健康受到严重威胁4。因此，水生态健康越来越受到国内外学者的关注，成为了当前生态学中最具活力的前沿领域之一3-6 水生态系统是河流生态系统的重要组成部分，河流生态系统所具备的功能属性均需要以水生态系统为依托7 ，因此，水生态系统是河流生态系统的基础，对河流生态系统进行健康评价时，需了解和掌握水生态系统健康状况。近年来，全世界范围内出现的水生态健康危机引发了保护水生态健康的社会思潮。如何评价水生态系统现状，提出合理的修复和保护措施，使受损的水生态系统发挥其应有的生态服务功能，已经成为人类社会可持续发展的全球性问题9 。开展河流生态系统健康评价，积极恢复水生态健康状况，对于促进经济发展，维持社会和谐稳定，推动生态文明建设具有重要意义。1河流生态系统健康评价1.1河流生态系统健康评价内涵河流生态系统是指以河流为主体的自然生态系统，涵盖了水体、陆地、河岸带以及周边湿地与沼泽等，是一个复合生态系统1-1。2 0 世纪7 0 年代，美国水污染控制修正法指出，维持河流自然结构及生态功能的关键是恢复其物理、化学和生物完整性，应将完整性作为衡量河流是否健康的标准 2 。SCHOFIELD等3 认为河流生态系统处于健康状态需满足河流为原始状态，并且自然结构、生物完整性、生态过程以及生态功能未受到外界干扰。国外早期河流健康研究重点关注河流本身及水体内的生物，河流健康的衡量标准是河流受到人类活动干扰前的原始状态。近年来，随着经济社会不断发展，人类对河流干扰活动逐渐增多，人类活动水与万物：专栏和谐共生已逐渐成为河流生态健康遭受破坏无法避免的重要影响因素。在河流健康研究中KARR认为结构齐全、功能完整的河流生态系统固然是健康的，既便人类活动干扰到河流的原始状态，使得河流生态系统产生了一定改变，但只要河流本身及其对人类所具有的使用价值未受到影响，河流生态系统就仍处于健康状态。随后，MEYER1S提出河流生态系统的健康需要能维持自身的结构和功能稳定，并具有一定的自我恢复能力，还需要满足人类生存和发展过程中的社会需求。因此，当前国外河流健康研究的切人点已转变为河流及其周边相关的自然生态系统，衡量标准也转变为河流在服务于人类社会的基础上尽量维持生态系统的稳定状态。我国的河流健康研究起步较晚，唐涛等16 率先对河流生态系统健康的概念进行了初步探讨。文伏波等7 1对河流健康的定义与内涵进行了深入的研究。近年来，我国的水问题层出不穷，水资源短缺、水污染严重和水生态退化已逐步成为制约经济社会可持续发展的瓶颈之一。在此背景下，国内学者大多将人类活动干扰纳入到河流生态系统范畴，认为健康的河流生态系统不仅要发挥其自身的自然价值，更要挖掘潜在的社会价值和经济价值，并将人类对河流的主观感受以及河流对人类的服务质量作为河流生态系统健康的重要衡量标准18-19 。这就对如何正确处理人水关系、满足沿河发展需求、平衡流域内利益冲突提出了更高的要求，有助于实现人类对河流生态系统的合理开发利用和有效管理保护。1.2河流生态系统健康评价方法1.2.1指示物种法指示物种法（IndicatorTaxa）主要是根据水生态系统中指示物种的数量和种类，确定生物的多样性、丰富度、完整性等。当水环境受到外界胁迫后，水生态系统的结构和功能受到影响，这些指示物种的适宜生境受到胁迫，它们的结构功能指标将产生明显的变化。因此，可以通过这些指示生物的结构功能指标和数量的变化来表示水生态的健康程度，同时也可以通过这些指示生物的恢复能力表示水生态受胁迫的恢复能力2 0)。生物完整性（BioticIntegrity）的概念最早由KARR提出，KERANS和KARR首次选用13个指标构成底栖动物完整性指数评价河流生态系统的健康状况2 1】，此后，生物完整性指数（IndexofBioticIntegrity，I BI）的概念和方法被广泛应用于多种不同的指示物种，包括着生藻类、大型底栖无脊椎动物、浮游生物、鱼类、高等维管束植物等。OBERDORFF等2 2 在法国应用IBI评价人类干扰活动对河流健康的影响；在德国，HERING等2 3 探讨了B-IBI在当地溪流中的适用性。在国内，IBI的应用主要包括水生态系统健康评价、分析水生态对人类干扰的响应和预测水生态健康状况2 4。李国忧2 5 比较研究了F-IBI和P-IBI在辽宁清河流域健康评价中的应用，结果表明F-IBI的评价结果普遍比P-IBI的评价结果偏优。高欣等2 6 采用B-IBI评价了西辽河的生态系统健康，结果显示西辽河全流域处于严重的生态退化状态，B-IBI与水体悬浮物浓度呈负相关。1.2.2指标体系法指标体系法典型的方法包括美国的快速生物监测协议（Rapid Bioassessment Protocols，RBPs）、瑞典的岸边与河道环境细则（Riparian，Ch a n n e la n dEnvironmentalInventory，RCE）、南非的河流健康计划（RiverHealthProgramme，RH P）、英国的河流生态环境调查（RiverHabitatSurvey，RH S）、澳大利亚的溪流状态指数（Indexof StreamCondition，ISC）以及欧盟水框架指令（WaterFrameworkDirec-tive，WFD）等。RBPs包含生境评估（含水质评估）和水生生物评估两部分，其中生境的定义被聚焦为影响水生生物结构和功能的河水质量及沿岸栖息地环境。RBPs是基于生物完整性指数（IBI)来进行监测和评价，整个调查内容包括11项生境指标、45项候选生物指标和多项化学指标2 7 。RCE对二级指标共设定4级评分制度，用各指标的评分累加后的最终得分来判定河溪的健康状况，为政府对河流的治理和管理工作提供建议。RCE能够在短时间内快速评价河流的健康状况，但该方法主要适用于农业地区，对于其他类型地区的河流健康评价有一定的局限性2 8 。国内的水生态健康评价指标主要包括水文特征、水质参数、生物指标、河岸带指标、河流形态和社会服务状况，这六个方面可以表征水生态健康状况的不同侧面。冯彦等分析了近40 年国内外相关研究中对评价体系指标的使用率，基于45 个河流健康评价指标体系9 0 2 项指标进行归纳，从中筛选出使用率较高的8 个指标，认为河岸指标覆盖率、河流连通性、湿地保留率、径流量变化率、水质达标率、鱼类生物完整4水利发展研究第2 3 卷2023年第9 期表1国内河流健康评价常用指标体系评价体系一级指标二级指标水文参数流速、水量、水系连通性、生态需水保证率、年断流天数、河流脉动指标、河口径流指标、河流流动性水质特征TP、BO D、CO D、氨氮、溶解氧、pH、底泥污染指数生态环境价值评生物指标鱼类、底栖无脊椎动物、浮游植物、藻类、鸟类价指标体系河岸带状况生物多样性和完整性、景观多样性、河岸带宽度、结构完整性、纵向连续性河流形态河道改变、弯曲程度、河岸稳定性、河床稳定性、河岸护岸形式、鱼道状况河流社会价值评河道防洪标准、抗旱指数、景观娱乐功能指数、河岸人口密度、航运、国民经济取水率、水质安全指标、经济发展指标价指标体系岸线利用程度性指数、水资源利用率和流域天然植被覆盖率可以作为河流健康的主评指标，为我国建立评价体系提供了有价值的参考2 9 。陈璞构建了包括系统层、准则层、目标层以及2 9 项具体指标在内的水生态文明评价指标体系，其中，准则层包含水安全、水生态、水管理、水景观和水文化五类一级指标，在结合专家咨询的同时，采用层次分析法确定指标权重，并对安徽省六安市进行了水生态文明城市评价30 。国内河流健康评价的具体常用指标如表1所列。2银川市典农河生态系统健康评价典农河，南起永宁县境内滞洪区，北至石嘴山市滨河广场处流人黄河，横跨永宁县、兴庆区、金凤区、贺兰县、平罗县、惠农区等6 县（区），全长18 0.5 km，流域面积439 1km。典农河承接银西防洪6 个拦洪库2 个滞洪区来水，沿途连接七子连湖、华雁湖、西湖、阅海、北塔湖、沙湖等湖泊湿地，集农田排水、防洪泄洪、城市景观、生态建设为一体的重点水利工程，也是宁夏建设节水型社会的标志性工程之一。项目组于2 0 2 2 年9 月进行了野外调查，根据典农河河流特性共设置2 1个采样点，如图1所示。2.1典农河生态系统健康评价指标体系构建参考河湖健康评价技术导则（SL/T793一2020），并根据银川市典农河相关特点以及城市化背景下河流功能定位，构建以河流生态系统健康综合评价为目标层A，水生生物B1、水体生境B2、水环境质量B3、水资源B4为准则层共2 2 项指标为指标层的河流健康评价指标体系，各指标要素如表2 所列。2.2典农河生态系统健康评价结果基于构建的典农河生态健康评价指标体系，综合健康评价标准如表3所列。1060000E1062000E1064000EN234N.00.0t.88N.00,0.8589723416N.00.0Z.86力N.00.02088192图例点位水系0918km流域边界1060000E1062000E1064000E图1银川市典农河采样点分布2.2.1水生生物健康评价典农河各类水生生物指标健康状况结果表明，浮游植物与浮游动物健康评价状况较好，丰富度及多样性相对较高，健康评价得分为8 0 分，处于亚健康状态，其中，典农河4号点、9 号点浮游植物与浮游动物健康评价状况最好；8 号点、15 号点浮游植物与浮游动物健康评价状况较差；大型水生植物中，整体健康评价状况处于亚健康状态，其中典农河4号点健康状况最好，大型水生植物丰富度较高，10 号点健康状况最差，评价得分为35，表明该点大型水生植物丰富度较低；鱼类指标中，整体健康状况为一般，健康评价得分均值为5 9 分，其中典农河16 号点鱼类物种最为丰富，健康评价得分最高为7 2 分，2 0 号点鱼类物种数为0，健康评价状况较差；大型底栖动物指标中，整体健康评价水与万物：专栏和谐共生表2典农河生态系统健康评价指标体系目标层准则层（B）权重指标层（C)权重(A)鱼类(C1)0.10大型水生植物（C2）0.08水生生物指标0.4浮游植物（C3)0.06(B1)浮游动物(C4)0.06大型底栖动物（C5）0.10河道坡度(C6)0.03水体生境指标河道底质粒径类型（C7）0.070.2(B2)河岸带植被覆盖率（C8）0.04河岸带土地利用类型（C9）0.06河流生电导率(C10)0.01态系统溶解氧(C11)0.03健康综pH(C12)0.01合指数水环境质量指标化学需氧量（C13）0.020.2(B3)高锰酸盐指数（C14）0.02总氮(C15)0.04总磷(C16)0.04氨氮(C17)0.03河流流动性（C18）0.06相对水深(C19)0.04水资源指标0.2流量过程维持时间（C20）0.06(B4)干旱指数(C21)0.02大气降水量（C22）0.02表3典农河生态系统健康评价标准评价等级健康亚健康般差评价标准85赋分10 070赋分 8 555赋分 7 0赋分 5 5状况为一般，健康评价得分均值为6 0 分，其中典农河14号点底栖动物物种数最为丰富，健康评价得分最高为8 1分，1号点底栖动物物种数最少，健康评价状况较差。整体上典农河中游点位水生生物健康评价状况好于上下游，浮游植物、浮游动物、大型水生植物健康状况较好，鱼类与大型底栖动物健康评价状况相对较差。2.2.2水体生境健康评价典农河水体生境健康状况处于亚健康以上状态，评价得分平均值为7 9 分，典农河3号点健康状况最好，评价得分8 2 分；19 号点健康状况相对较差，评价得分7 6 分。现场监测结果显示，由于典农河河道底质粒径类型大部分为细砂等沉积物，按照评分标准该项指标健康评价较差，评价得分平均值为5 0。整体上典农河河岸带植被覆盖率、河道坡度、土地利用类型健康评价状况较好，河道底质粒径类型健康评价状况相对较差2.2.3水环境质量健康评价典农河水环境质量健康状况基本处于一般以上状态，评价得分平均值为8 9 分，典农河13号点健康状况最好，评价得分9 7 分；15 号点健康状况相对较差，评价得分7 9 分。整体上典农河水体各理化指标相对较好，均处于健康状态，电导率健康评价状况相对较差，处于一般状态。典农河各类水环境质量健康状况结果表明，溶解氧健康评价状况较好，健康评分平均值为9 8 分，处于健康状态，其中典农河17 号点溶解氧含量相对较低，健康评价得分为7 2 分，处于亚健康状态；pH指标中，由于水体酸碱度对水生态健康影响较为明显，水体偏酸性或碱性都不利于水体健康，因此该指标在典农河反映波动明显。其中在典农河11号点、15 号点和18号点，监测结果pH值呈碱性，极不利于水体生物健康生长，这些点位生态健康评价状况较差；典农河化学需氧量与高锰酸盐指数健康评价状况较好，表明典农河污染程度相对较低，健康评价得分90分，处于健康状态；总磷指标中，典农河各点总磷含量均低于0.0 2 mg/L，结合评分标准，各点总磷健康评价均处于健康状态2.2.4水资源健康评价典农河水资源健康状况基本处于“一般一差”状态，评价得分平均值为2 3分，典农河4号点健康状况相对较好，评价得分31分；17 号点健康状况相对较差，评价得分17 分。典农河整体水资源指标中，各项指标健康评价状况相对较差，均处于“一般一差状态。典农河各项水资源指标健康状况结果表明，其中河流流动性指标与流量过程维持时间指标较差，表明典农河流动性较差，现场监测结果看，各点位断面流速较小基本为静止水面，导致水体更新周期较长，易出现水体富营养化或者变质恶化等情况，极不利于水生态系统健康维持。结合健康评价标准，该类指标健康评价状况均为差状态；干旱指数中，其含义为年蒸发能力和年降水量的比值。由于典农河位于西北干旱区域，蒸发能力较强而降水量相对较小，因此干旱指数相对较高。该条件不利于河流生态系统健康维持，结合评分标准该项健康评价状况为差。大气降水中，由历史观测资料显示，典农河区域内年平均降水量为2 0 2 mm。结合健康评价标准，该指标为差的状态。6水利发展研究第2 3 卷2023年第9 期2.2.5典农河生态系统健康综合评价典农河生态系统健康评价结果如图2 所示。整体结果表明，典农河生态系统健康状况均处于一般状态，评价得分平均值为6 5 分，典农河4号点健康状况相对较好，评价得分6 9 分；1号点健康状况相对较差，评价得分5 9 分。整体上典农河水环境质量指标健康状况较好，水体生境指标与水生生物指标次之，水资源指标健康状况相对较差。典农河水环境质量健康评价状况较好，表明各点水质情况良好，为河流水生生物健康生长提供了营养盐等优越条件。水体生境指标中，健康评价状况均为亚健康状态，表明典农河各点位植被覆盖度较高，物种较为丰富。水生生物指标中，典农河整体处于亚健康状态，健康评价得分平均值为7 1分。其中典农河1号点、2 0 号点生态系统健康评价结果为6 9 分，其主要原因由于该点位水生生物较少，鱼类与大型底栖动物相对较少，结合健康评价标准，典农河1号点、2 0 号点均处于一般状态。水资源指标中，典农河各点位健康评价状况相对较低，健康评价结果均处于差状态。3结论与建议本文结合文献调研，系统梳理了国内外近十几年来河流生态系统健康评价研究进展，将河流生态系统健康评价方法划分为指示物种法和指标体系法两大类，并简要介绍了其发展历程与基本原理。以银川市典农河为例，基于水生生物、水体生境、水环境质量以及水资源四个准则层指标构建了典农河生态系统健康评价指标体系，从四个维度开展了河流生态系统健康评价。主要结论如下：典农河生态系统健康状态为一般，水生生物中，物种丰富度以及多样性较高，结合生态系统健康评价标准，水生100L水资源水环境质量水体生境水生生境90健康80亚健康7060一般5040差3020100DNTDNDN3N16INADN13DN14DN15DN19DN20图2典农河生态系统健康评价结果生物健康状况基本处于亚健康状态；水体生境中，典农河水体生境健康评价基本处于亚健康状态；水环境质量中，典农河水质较好，未出现明显污染情况，健康评价均为健康状态；水资源指标中，典农河健康状态较差，水体流动性不足，更新周期较长，极易出现水体富营养化及水质恶化等现象，后期需重点关注水量调度与生态补水，以维持典农河生态系统健康状况生态文明建设不仅关乎当代人民的福让，更关乎中华民族的未来。水生态系统是河流生态系统中重要的组成部分，习近平总书记提出“绿水青山就是金山银山”，更是强调了水生态系统以及河流生态系统在生态文明建设中的重要地位。为进一步推进河流生态系统健康全面系统的研究，针对目前研究中尚存的问题，有如下几点建议：(1)完善生态监测多源数据体系。在今后的河流水生态调查工作中，应逐步建立相对固定的监测网络和站点，对河流水生态系统进行长期的监测和评价，减少系统误差，评价结果更为准确可靠。（2）对于城市水生态系统健康评价，有学者认为应从河流为人类提供的功能角度出发，从水文要健）康（责任编辑水与万物：专栏和谐共生素、水环境要素、社会经济要素、人类满意程度等方面进行综合评价。而在银川市典农河生态系统健康评价体系中，评价指标虽然基于水文、水质、生物、栖息地四大类，随着人类活动干扰强度的增大和来源的多样化，仅从这几个方面开展评价工作可能无法全面反映城市河流生态系统的现状，如何考虑多方面因素和整合多个时空尺度信息将会是未来城市河流生态系统健康评价的方向。(3）河流生态系统健康的恢复与维持。河流生态系统的健康并不是要杜绝一切人类活动，而是在河流生态系统健康可承受范围内实现人与河流的和谐共存。因此，保持河流生态系统健康并不是避免人类活动对河流造成干扰，而是二者之间需要动态平衡，实时关注人类活动对河流的影响程度，从而为河流生态修复工作及时提供基础数据与科技支撑。参考文献：1刘昌明：提高水生态与生态水关系的认知J。中国水利，2020(2):20.2许文杰，城市湖泊综合需水分析及生态系统健康评价研究D.大连：大连理工大学，2 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