基于不同空间尺度的河流健康评价方法探讨

收稿日期：２０１１１０２０基金项目：水利部公益性行业科研专项项目（２００９０１０１２）作者简介：王　波（１９８２），男，贵州桐梓人，工程师，主要从事水资源管理与保护研究，（电话）０２７８２９２６４２３（电子信箱）[e-mail]。　　文章编号：１００１－５４８５（２０１１）１２－００３２－０４基于不同空间尺度的河流健康评价方法探讨王　波１，梁婕鹏２（１．长江科学院水资源综合利用研究所，武汉　４３００１０；２．长江勘测规划设计有限责任公司，武汉　４３００１０）摘要：简要回顾了国内外河流健康评价的主要方法，并分阶段总结了其发展过程；结合河流健康评价的需要，对评价的空间尺度进行了等别划分，并对河流生态系统变化的时空相关性进行了探讨，初步建立了时空相关关系；按照空间尺度等别，对国内外各种评价方法的时空适应性进行了探讨，并推荐了适宜于大、中、小评价尺度的评价方法。关　键　词：河流；尺度；评价方法中图分类号：Ｘ３１２　　　文献标识码：Ａ１　概　述河流健康评价研究是随着水资源开发利用与保护的矛盾不断突出而逐渐兴起的。１９世纪末，由于工业污染物的排放，欧洲一些河流发黑发臭，出现了严重污染的情况。面对水环境持续恶化的压力，人们对河流及水生物关注增加，对河流水质进行评价，形成了最初的河流健康评价的内容。２０世纪７０－８０年代初，人们对河流的关注由单一的水质保护转移到整个河流生态系统，评价内容也开始转向对河流生态及环境质量的评价，河流健康的内涵更为丰富，并且出现了多种评价方法，其中生物完整性指数［１］（ＩＢＩ）、河流无脊椎动物预测与分类系统［２］（ＲＩＶＰＡＣＳ）和快速生物评价协议［３］（ＲＢＰ）获得的认可度比较高。进入２０世纪９０年代，河流健康评价进入快速发展时期，许多国家建立了河流健康评价方法，较具代表性的有美国的环境监测评价计划（ＥＭＡＰ）、岸边与河道环境细则［４］（ＲＣＥ），英国的河流保护评价体系（ＳＥＲＣＯＮ）、河流栖息地调查［５］（ＲＨＳ），澳大利亚的河流地貌类型（ＧＲＳ）、河流状态调查（ＳＲＳ）、溪流健康指数［６］（ＩＳＣ）和南非河流健康计划［７］（ＲＨＰ）的栖息地完整性指数（ＩＨＩ）等。２１世纪以来，河流健康研究的热潮逐渐转移到发展中国家。我国流域机构、高校和科研院所相继开展了大规模的河流健康研究，河流对人类的服务功能被纳入到河流健康评价的对象中，河流健康的内涵进一步丰富。流域管理机构作为河流代言人，出于管理需求，也开展了大量的相关研究，提出了针对河流特性制定指标的多指标综合评价方法，长江水利委员会、黄河水利委员会和珠江水利委员会均提出了各自的河流健康评价方法［８－１０］。河流健康评价方法分阶段发展过程如图１。图１　河流健康评价方法发展过程Ｆｉｇ．１　Ｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔｏｆｒｉｖｅｒｈｅａｌｔｈｅｖａｌｕａｔｉｏｎｍｅｔｈｏｄｓ　　多年来，社会对河流健康的关注不断提高，对河流健康评价也不仅仅是理论研究的需要，而是一项需要全面铺开的生产性技术工作，这就需要对各种评价方法及适用条件比较明确。河流系统的变化是一个复杂的动态过程，并且这种动态变化具有显著的时空相关性，以空间尺度着手，可以建立一个整合的方法框架，便于评价者按需较为快速地选用合适的方法。２　时空尺度的划分２．１　空间尺度的划分河流健康评价的空间尺度由大到小可依次划分为全河长、景观河段、工程河段、断面和微生境，按照便于操作的考虑，概化为大尺度（全河长）、中尺度　第２８卷第１２期长　江　科　学　院　院　报Ｖｏｌ．２８　Ｎｏ．１２　　　　２０１１年１２月ＪｏｕｒｎａｌｏｆＹａｎｇｔｚｅＲｉｖｅｒＳｃｉｅｎｔｉｆｉｃＲｅｓｅａｒｃｈＩｎｓｔｉｔｕｔｅＤｅｃ．２０１１　　DOICNKI:42-1171/TV.20111215.1530.0082011-12-1515:30（景观河段、工程河段）、小尺度（断面、微生境）。不同的评价尺度对评价方法有不同的要求：大尺度的评价要求方法具有较好的综合性，能够全面反映全河长的健康状况和各河段的健康均衡状况；小尺度的评价要求评价方法具有较强的针对性，能准确反映河流断面或微生境的健康状况。２．２　时空尺度的关联性从河流系统发生变化的过程来看，扰动对系统影响的尺度和系统响应的时间存在相关关系：即断面、微生境等小尺度单元的影响较容易在短时间内产生或恢复；而全河长等大尺度系统受到影响或恢复需要长期的过程，并且大尺度的评价需要开展长期的观测和跟踪调查才能完成。基于河流系统变化的时空相关性认识，大尺度河流健康程度的变化一般经历较长的时间尺度，反之，小尺度的变化经历较短的时间尺度，在评价方法上就能建立“空间时间”相关关系，即适宜于大尺度的评价方法对应长期（３～１０年）变化的评价，适宜于中尺度的评价方法对应与中期（１～３年）变化的评价，适宜于小尺度的评价方法对应与短期（０～１年）变化的评价。３　适用于小尺度的评价方法小尺度评价的对象是河流断面或微生境，适用的评价指标较少，在某些特定情况下甚至可只选择个别指标就能得到评价结论，即“一票否决”或“一票肯定”。底栖动物生物完整性指数（ＢＩＢＩ）和河流无脊椎动物预测与分类系统（ＲＩＶＰＡＣＳ）能较好地满足小尺度的健康评价的需要。３．１　底栖无脊椎动物完整性指数底栖无脊椎动物完整性指数（ＢＩＢＩ）来源于生物完整性指数（ＩＢＩ）。生物完整性指数（ＩＢＩ）产生于美国中西部，最初以鱼类生物完整性指数作为指标，被美国的许多地区作为评价溪流状况的工具以支持水资源计划和决策，后来逐渐推广到底栖无脊椎动物等其它物种。底栖无脊椎动物完整性指数（ＢＩＢＩ）以栖息地相对固定的底栖无脊椎生物来作为评价的指示物种代替最初鱼类作为指示物种，以反映河流小尺度的健康状况。该方法充分利用了底栖无脊椎动物栖息地稳定的特点，一次取样评价范围一般仅涉及数米或数十米的范围，可以较好地反映小尺度生境质量的优劣。由此看来，指示物种的活动范围是选择指示物种的重要因素之一，那么也可考虑采用着生藻类等活动范围较小的物种来作为小尺度的健康评价的指示物种。从当前国内应用情况来看，以底栖无脊椎动物作为指示物种可以满足小尺度生境健康评价的需求。王备新等［１１］以大型底栖无脊椎动物为指示物种，将底栖生物完整性指数在国内进行了应用研究，表明了该指数在我国应用的有效性，可作为小尺度健康评价的方法。但该方法的应用有一个前提，就是必须找到未受人为扰动的本底生境作为评价参考对象。３．２　河流无脊椎动物预测与分类系统河流无脊椎动物预测与分类系统（ＲＩＶＰＡＣＳ）也是一种可用于小尺度评价的方法，于１９７７年产生于英国，起初用于保护区域的确定，关注的重点是物种组成类型，后来被用来评价河流健康。ＲＩＶＰＡＣＳ利用无脊椎动物作为指示物种，根据河流生境条件首先建立一个本区域的预测模型，当进行评价时输入评价对象的生境条件参数，即可生成生物总量和敏感性物种生物量的预测值，预测值与实测值的比值即反映该小尺度的健康状况。在我国应用该方法的难点主要在于建立预测模型。该方法与底栖无脊椎动物完整性指数基本原理相同，不同点在于该方法以模型化的参数作为本底值，而底栖无脊椎动物完整性指数以类似的真实生境作为本底值。澳大利亚在ＲＩＶＰＡＣＳ的基础上发展了适合本国的方法ＡＵＳＲＩＶＡＳ，并于１９９３年采用ＡＵＳＲＩＶＡＳ进行了第１次全国河流健康评价。３．３　经验判断在现实中往往存在这样的情况，经验丰富的专家往往可以目测采集小尺度范围内河流健康状况的显性信息，通过与以往经科学评价分级的类似生境进行对比，判断出健康程度。这种方法虽然缺乏严谨的科学程序，但可在无实测条件的情况下较为容易地获得第一手资料，评价结论也可被接受，是河流健康评价中一种常用的方法。４　适用于中尺度的评价方法中尺度河段的规模一般为数公里至上百公里，河段内水动力学条件、水质、河床底质、气候等条件相似，形成具有一定特征和独立性的生态系统。在中尺度的评价上，小尺度评价中采用的生物评价方法仍然是一种适宜的评价方法，和小尺度评价不同的是指示物种的选择原则不同，要求自然状况下指示物种的生命周期或部分生命史应当依赖于该河段的特殊生境而完成，应用条件相对严格。推荐采用河流条件指数（ＩＳＣ）和鱼类生物完整性指数（ＦＩＢＩ）３３第１２期王　波等　基于不同空间尺度的河流健康评价方法探讨进行评价。４．１　河流条件指数河流条件指数（ＩＳＣ）于１９９９年由Ｌａｄｓｏｎ等提出，构建了包括水文、地貌形态、河岸带状况、水质及水生生物在内的指标体系，把生物及其非生命环境作为一个整体来加以评价。从应用情况来看，澳大利亚已应用该方法在多条河流的健康评价中，所采用的水文、地貌形态、河岸带状况、水质及水生生物等大部分评价指标适合于我国丰水地区河流的评价，对部分指标进行针对性调整后可作为中尺度的评价方法。４．２　鱼类生物完整性指数鱼类具有丰富的种类，是生物评价方法常用的指示物种。首先，鱼类的栖息地范围可长达数十乃至上百公里河段，和工程河段及景观河段的尺度重合较好；其次，一些鱼类的生命全周期或部分重要生命期完全依赖于特殊生境［１２］，能较好地代表该生境类型河段的健康状况。比如长江上游一些土著性鱼类对所在的含氧量充足的河流依存度很高，一旦生境条件遭到破坏就可能引起物种的灭亡。也有的鱼类在特殊的生命阶段要求特别的生境条件，比较常见的是多种鱼类对产卵条件均具有较高的要求。鱼类生物完整性指数（ＦＩＢＩ）作为河流中尺度健康评价方法是比较适合的。４．３　经验判断在运用上述方法不具备的条件下，依靠经验通过目测滨水植被、流量、水质、流态等信息来判断河流健康状况的方法仍然被经常使用。当然，从空间构成上来看，中尺度仍然是由一系列小尺度空间构成，因此也可由若干小尺度的评价结论集结而得；中尺度范围相对较大，也可采用单指标评价后集结得到。５　适用于大尺度的评价方法大尺度的评价包含大量不同类型的中尺度和小尺度，采用个别中、小尺度的或单一指标代表大尺度健康状况存在较大的风险，难于对河流健康得出全面可靠的评价结论，因此大尺度评价一般采用小尺度和中尺度评价结论综合或多指标评价结论综合得到。从评价方法来说，就是大尺度评价方法应着重考虑是否能有效地综合信息。大尺度评价方法的关键在于信息综合能力，多指标综合评价方法符合这种需求。多指标综合评价方法将指标信息通过树状结构进行传递，能将众多指标值以一个综合性的值来反映，从而对评价对象作出总体评价。该方法指标集结形式比较灵活（见图２），适用性较好。但在实际运用中，低级指标每向高一级指标综合１次，低一级的多个指标信息由１个高一级的指标来表征，相当于低一级指标的信息被“平均”，可能出现即便个别低级指标值非常糟糕，而总体评价结论较好的情况，因此，在运用该方法时应加以重视。图２　大尺度评价指标集结路径示意图Ｆｉｇ．２　Ａｇｇｒｅｇａｔｉｏｎｒｏｕｔｅｏｆｌａｒｇｅｓｃａｌｅｅｖａｌｕａｔｉｏｎｉｎｄｉｃｅｓ　　由于多指标综合评价方法的这种运用形式具有较强的适用性，长江水利委员会等流域机构及赵彦伟、耿雷华等学者［１３，１４］采用这种方法进行河流健康评价。２００５年初，长江水利委员会提出了“维护健康长江，促进人水和谐”的治江新理念，并界定了维护健康长江的基本内涵、主要任务和保障措施，提出了健康长江评价指标体系的框架结构，并开展了一些具体指标的研究工作。黄河水利委员会提出了“１个最终目标；４项主要标志；９条治理途径；３种基本手段”的“维持黄河健康生命”的理论框架，“维持黄河健康生命”作为黄河治理的终极目标。珠江水利委员会将“构建珠江健康评价体系”作为维护珠江健康的５项主要措施之一，从水质、水量、泥沙、河床等方面提出珠江健康指标，制定了珠江边界河段水量分配方案，以各河段的污染排放、泥沙含量、河道采砂、生态需水、引用供水、航运需水等作为控制指标。６　结　语本文对河流健康评价方法的空间尺度适应性进行了探讨，并按照大尺度、中尺度和小尺度对