Vol.3 No.03(2014), Article ID:13564,8 pages
DOI:10.12677/JWRR.2014.33025
Research and Progress on River Health Assessment
1State Key Laboratory of Water Resources and Hydropower Engineering Science, Wuhan University, Wuhan
2Hubei Collaborative Innovation Center for Water Resources Security, Wuhan
Email: wangchao2013@whu.edu.cn
Copyright © 2014 by authors and Hans Publishers Inc.
This work is licensed under the Creative Commons Attribution International License (CC BY).
http://creativecommons.org/licenses/by/4.0/
Received: Mar. 5th, 2014; revised: Mar. 18th, 2014; accepted: Mar. 24th, 2014
The long-time inappropriate exploitation of river resources has led to the damages of river ecosystem and structural dysfunction, threatening the sustainable development of society as a whole. The river health issues have emerged as a result. How to carry out river health assessment and river management is vital to the development of harmonious relationship between nature and human being. This review has discussed the connotation of river heath and summarized various methods of evaluating river health at home and abroad. Meanwhile, in view of the status of river health assessment in our country, some suggestions have been put forward that river monitoring plan should be carried out and nationwide river health assessment guidelines should be established in the future.
Keywords:River Health, Assessment Method, Assessment Indicator
王 超1，夏 軍1,2，李凌程1
1武漢大學水資源與水電工程國家重點實驗室，武漢
2水資源安全保障湖北省協(xié)同創(chuàng)新中心，武漢
Email: wangchao2013@whu.edu.cn
收稿日期：2014年3月5日；修回日期：2014年3月18日；錄用日期：2014年3月24日
人類對河流不合理的開發(fā)利用，能夠導致河流生態(tài)環(huán)境及其結構功能的破壞，進一步威脅到人類社會的可持續(xù)發(fā)展。河流健康問題成為人類生存與可持續(xù)發(fā)展面臨的重要問題。如何有效對河流健康開展評價與管理，成為水資源可持續(xù)利用和環(huán)境保護與管理的重要課題，對人與自然的和諧發(fā)展具有重要的意義。本文初步探討了河流健康的概念、定義和內(nèi)涵，概括了國內(nèi)外河流健康的評價方法及國內(nèi)外研究發(fā)展的狀況。針對我國河流健康的發(fā)展現(xiàn)狀，提出了一些評述和建議，認為河流健康涉及的要素比較多，也十分重要，尤其是生態(tài)環(huán)境監(jiān)測與質量評價及其聯(lián)系的生態(tài)水文學和水系統(tǒng)理論研究，今后應該開展長期的河流監(jiān)控計劃并建立全國性的河流健康評價的指南。
河流健康，評價方法，評價指標
河流對于自然界和人類社會來說都是極其重要的。河流作為水循環(huán)地表水環(huán)節(jié)的重要載體，對全球氣候和生態(tài)系統(tǒng)的形成有重要作用；河流生態(tài)系統(tǒng)為人類和其他生物提供了食物及生存發(fā)展的環(huán)境；河流的物質搬運和輸送可以造成河流的水文地理和自然地理環(huán)境；河流蘊藏的豐富的水資源可以為區(qū)域提供生態(tài)、生產(chǎn)、以及人類生活用水；河流的水流具有巨大的能量，可以為人類所開發(fā)和利用；河流還具有社會經(jīng)濟及文化發(fā)展的功能，是人類文明的搖籃。因此河流的這些功能一旦受損，會給自然界和人類社會帶來不良影響。
然而隨著人類對河流不合理的開發(fā)和利用，導致了諸如河道斷流、水質污染、河流生物多樣性喪失等嚴重問題，強烈地干擾到了河流的自然健康狀態(tài)，進而危及到人類自身的可持續(xù)發(fā)展。這些問題的存在促使了河流健康相關理論的發(fā)展及其實踐研究。
歐美等國家于上世紀80年代開始關注河流的健康問題，并采取了一系列保護和修復河流的措施[1] 。我國的河流健康研究是隨著我國經(jīng)濟建設發(fā)展中面臨的愈來愈嚴峻的環(huán)境問題逐漸重視和發(fā)展起來的。雖然相對西方發(fā)達國家起步較晚，但我國的問題復雜，有受到人口多、水土資源不匹配、社會經(jīng)濟發(fā)展較快等多因素的影響與制約的特點，導致中國的河流健康狀況愈來愈嚴峻。例如，1994年淮河發(fā)生特大水污染事件；七大水系中，黃河、海河均有斷流現(xiàn)象；長江流域存在生物量減少，防洪能力不足的危機等[2] 。從國家實施可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略和生態(tài)文明建設的角度看，河流健康評價必將成為河流管理的最核心和主要的目標。因此，總結國內(nèi)外對于河流健康的認識及其研究的相關成果，對于我國河流的管理和治理，構建和諧河流生態(tài)系統(tǒng)有著重要意義。
目前國際上對于河流健康的研究處于探索階段，相關理論并不成熟，河流健康尚無確定的概念。最早可追溯到1972年的美國《清潔水法》，在該法案中為河流健康設定了物理、化學和生物的完整性標準，其中完整性指維持生態(tài)系統(tǒng)的自然結構和功能的狀態(tài)[3] 。此時學者們多是從生態(tài)健康的角度考慮，認為健康的河流等同于河流生態(tài)系統(tǒng)的完整性和穩(wěn)定可持續(xù)性，更多的是強調(diào)河流原始自然的健康狀況[4] -[7] 。Frey認為河流健康指的是具有支持和維持一個均衡的、完整的和適應性強的生態(tài)系統(tǒng)的能力，使這個生態(tài)系統(tǒng)的成分和多樣性能夠與自然棲息地相媲美[4] 。Schofield認為河流健康是指河流在生物完整性和生態(tài)功能方面與自然未受干擾狀態(tài)下的相似的程度[5] 。Simpson等把河流受擾前的原始狀態(tài)當作健康狀態(tài)，認為河流健康是指河流生態(tài)系統(tǒng)支持與維持其主要生態(tài)過程，以及具有與受擾前類似的具有一定種類組成、多樣性和功能組織的生物群落的能力[6] 。Karr認為河流健康即河流生態(tài)完整性，提出IBI(Index of Bioassessment Integrity)方法[7] 。
不過隨著研究的進步，越來越多的學者認為河流健康還應考慮人類價值。Meyer認為河流健康指的是河流在維持其生態(tài)系統(tǒng)結構與功能的同時，能夠為人類社會提供服務[8] 。Fairweather認為河流健康包含著活力、生命力及公眾對其的環(huán)境期望[9] 。Vugteveen認為河流的健康包含著活力和恢復力，以及滿足社會經(jīng)濟需要的能力[10] 。澳大利亞健康河流委員會認為健康的河流能夠與其環(huán)境、社會和經(jīng)濟特征相適應，能夠支撐社會所希望的河流的生態(tài)系統(tǒng)、經(jīng)濟行為和社會功能[11] 。
由于國情的不同，國內(nèi)研究者在河流健康的認識上，強調(diào)的是維持河流自身生命及其功能的健康，以河流對人類社會的服務功能為核心，同時包括河流的生態(tài)環(huán)境及自然結構。劉昌明等認為健康河流就是河流在相應時期其社會功能與自然功能能夠均衡發(fā)揮，在這種情況下，河流具有良好的水沙通道、水質和河流生態(tài)系統(tǒng)[12] 。董哲仁認為河流健康其實是一種河流管理的評估工具[13] 。劉曉燕認為河流健康標準是一種社會選擇，是相對意義上的健康[14] 。李國英認為黃河的健康指的是能維持其生命功能，體現(xiàn)在水資源總量、洪水造床能力、水流挾沙能力等方面[15] 。文伏波認為健康長江指的是能夠可持續(xù)地滿足人類需求，不能對人類安全和社會的發(fā)展構成威脅[16] 。
因此河流健康的定義不僅得基于它的自然屬性，也離不開其社會屬性。綜合現(xiàn)有的關于河流健康的研究內(nèi)容，健康的河流應該滿足：一是河道和岸邊帶結構形態(tài)的穩(wěn)定；二是河流生態(tài)系統(tǒng)結構的完整性和功能的完備性都處于良好狀態(tài)；三是能為社會經(jīng)濟的發(fā)展提供良好服務功能。
如何利用河流健康的概念與理論研究指導實際應用，關鍵在于確定一套合理的評價方法。有效的評價方法應該具備以下特征：1) 建立在科學理論體系的基礎上；2) 能夠簡化并量化復雜的河流生態(tài)現(xiàn)象；3) 能夠靈敏地響應河流生態(tài)系統(tǒng)的變化而免受不同時間或空間的干擾；4) 能夠適應一定的空間尺度；5) 可以滿足河流管理的需要[16] 。近30年以來，隨著河流健康評價的不斷發(fā)展，形成了眾多的各具特色的評價方法，從評價原理上來看主要可以分為兩類：預測模型法(Predictive Model)和多樣性指標法(Multimetircs)。
預測模型法基于以下原理：以無人類活動干擾或干擾較小的河段為參考河段，建立經(jīng)驗模型，以此預測被評價河段天然條件下的物種組成，并與實際的物種組成進行對比量化分析[17] [18] 。評價步驟如下：1) 模型的建立。選取無人類活動干擾或干擾較小的河段作為參照，收集該河段的環(huán)境變量因子和生物組成資料，并建立他們之間的經(jīng)驗關系；2) 被評價河段生物組成(E)的模擬。收集被評價河流的環(huán)境因子數(shù)據(jù)并代入經(jīng)驗模型，得到被評價河流健康情況下的生物組成(E)；3) 健康指數(shù)(O/E)的計算。將被評價河段的實際生物組成(O)與預測的生物組成(E)相比。O/E值的范圍為0~1，越接近1其健康狀況越好，越接近0則健康狀況越差。RIVPACS和AUSRIVAS就是這類方法的代表[16] 。
多指標評價法是依據(jù)評價標準，通過把評價河段的生物化學及形態(tài)特征與參照河段進行對比并打分，將各項得分累計而進行健康評價。該方法在澳大利亞和美國等國家得到了廣泛應用，其中比較著名的代表性方法有：IBI、RCE、ISC、RHS、RHP。
這兩類方法都是基于跟參照河段的對比來進行評價，在評分前會根據(jù)河道的形態(tài)和生境對參考和被評價河道進行統(tǒng)一分類，最后通過計算得分來反映健康程度(雖然評分方式不同)[16] 。預測模型法建模過程比較復雜，并且主要是通過單一物種進行比較評價，如果被評價河段的變化不能反映在這一物種的變化上時，就無法進行評估。多指標評價法相對簡單，容易被非專家人群所理解，并且考慮的因子比較多，但是如何有效地將不同的指標綜合打分具有一定的主觀性。表1給出了這兩類方法中的代表性方法RIVPACS(屬于預測模型法)和IBI(屬于多指標評價法)的對比分析[19] 。
4.1. 國外河流健康評價發(fā)展狀況
國際上很多國家都開展了河流健康評價的實踐研究，其中美國、澳大利亞、南非、英國和歐盟的實踐工作比較有代表性。
美國于1989年提出了快速生物監(jiān)測協(xié)議RBPs(Rapid Bioassessment Protocols)，并于1999年對協(xié)議進行了修訂，該協(xié)議提供了河流藻類、水生附著動物、兩棲動物、魚類及棲息地的監(jiān)測及評價方法和標準[20] 。美國自然保護協(xié)會提出淡水生態(tài)的整體性指標，包括水文情勢，水化學情勢，棲息地條件，水的連續(xù)性以及生物組成等)[21] 。美國還有側重于河流生態(tài)系統(tǒng)功能評估的《河流地貌指數(shù)方法》HGM (Hydrogeomorphic)，評估河流濕地的15種功能[1] 。
澳大利亞于1992年開展國家河流健康計劃)[22] ，主要工具是“澳大利亞河流評價系統(tǒng)”AUSRIVAS (Australian River Assessment System)，AUSRIVAS是針對澳大利亞河流的特點對RIVPACS方法的改進。另一個方法是澳大利亞的溪流狀態(tài)指數(shù)(ISC)(Index of Stream Condition)，它在以河流原始自然狀態(tài)為參照系統(tǒng)的基礎上，構建了基于河流水文學、形態(tài)特征、河岸帶狀況、水質及水生生物5方面，共22項指標的評價指標體系，將參照系統(tǒng)與河流現(xiàn)狀進行比較并打分，在計分的基礎上綜合評價河流健康狀況 [23] -[27] 。
南非于1994年制定了河流健康計劃，該計劃選用河流無脊椎動物、魚類、河岸植被、生境完整性、水質、水文、形態(tài)等作為河流健康的評價指標，特別地，對于河口地區(qū)提出了生物健康、水質以及美學健康指數(shù)來綜合評估其健康狀況)[20] 。在這個計劃中有針對調(diào)查河流形態(tài)和棲息地指數(shù)的方法，即河流地貌指數(shù)方法(ISG)(Index of Stream Geomorphology))[1] 。
英國于1998年提出“英國河流保護評價系統(tǒng)”，該評價系統(tǒng)通過調(diào)查評價六大恢復標準即自然多樣性、天然性、代表性、稀有性、物種豐富度及特殊特征來確定英國河流的健康狀況[23] [28] 。英國環(huán)境署用制定針對河流棲息地的評估方法(RHS)(River Habit Survey)來調(diào)查河流形態(tài)、地貌特征以及橫斷面形態(tài)，適用于經(jīng)過大規(guī)模改造的河流[29] 。英國另一個舉措是對河流現(xiàn)狀進行調(diào)查，包括背景信息、河道數(shù)據(jù)、沉積物特征、植被類型、河岸侵蝕、河岸帶特征以及土地利用幾方面，通過這些指標來評價河流生
Table 1. The comparison of RIVPACS and IBI
表1. RIVPACS法和IBI法的對比分析
態(tài)環(huán)境，并判斷河流現(xiàn)狀與無人類干擾狀態(tài)之間的差別)[30] ；此外，英國還建立了以“河流無脊椎動物預測和分類系統(tǒng)”RIVPACS(River Invertebrate Prediction and Classification System)為基礎的河流生物監(jiān)測系統(tǒng)[31] 。
2000年歐洲議會和歐盟理事會制定了《歐盟水框架指令》，并于12月22日正式實施[21] 。該指令是歐盟在河流修復工作中最重要的指令，其目的包括改善水生態(tài)系統(tǒng)及直接依賴于水生態(tài)系統(tǒng)的陸地生態(tài)系統(tǒng)和濕地的狀況，促進水的可持續(xù)利用，強化水環(huán)境的保護和改善等。并把到2015年所有河流達到良好狀態(tài)作為首要目標。水框架指令要求建立分類體系，通過測定特定生物、水形態(tài)、化學和物理化學的質量要素條件，來評估河流的生態(tài)健康狀況。具體指標如表2所示[32] 。
在該指令的指導下，荷蘭、奧地利、意大利、德國等都開展了河流健康的評估和進一步的修復工作。
4.2. 國內(nèi)河流健康評價發(fā)展狀況
國內(nèi)是近年來才關注河流健康的，唐濤等于2002年在《河流應用生態(tài)學報》上發(fā)表了《河流生態(tài)系統(tǒng)健康及其評價》。繼而，專家們在這一領域進行深入研究，并進行了實踐。隨后健康黃河、健康長江、健康珠江等概念相繼被提出。
為了逐步修復和維持黃河健康，黃河水利委員會提出“維持黃河健康生命”治河新理念。一些學者已經(jīng)對黃河健康做出了評價。劉曉燕用低限流量、河道最大排洪能力、平攤流量、灘地橫比降、水質類別、濕地規(guī)模、水生生物、供水能力等指標評價黃河健康，并確定了這些指示因子的閾值[33] -[36] 。趙彥偉建立了包括水質、水量、水生生物、物理結構與河岸等5個要素的黃河健康評價指標體系[37] 。張世杰把良好的水體水質和安全通暢的水沙通道作為下游黃河健康的兩個重要指標，并在此基礎上給出了黃土高原土壤的允許流失量[38] 。趙鎖志對黃河內(nèi)蒙古段的生態(tài)系統(tǒng)健康狀況進行了評價，從水文、物理形態(tài)、水質、水生生物4個方面選取了河岸抗沖性、河岸植被覆蓋率等14個指標[39] 。
長江水利委員會提出了由1個目標層、3個系統(tǒng)層、5個狀態(tài)層和14個指標層構成的健康長江評價指標體系。具體包括河道需水量滿足程度、防洪工程完善率等12個定量指標和水系連通性、珍稀水生動物存活情況2個定性指標[40] -[43] 。這是中國首個系統(tǒng)化的河流健康指標體系。
珠江水利委員會提出的指標體系包括河岸河床穩(wěn)定性、水面面積率、與周圍自然生態(tài)連通性、魚類棲息地及魚道狀況等26個指標[44] 。金占偉選擇了河流形態(tài)、生態(tài)功能、社會服務、社會影響4個方面14個評價指標[45] 。林木隆從總體層、系統(tǒng)層、狀態(tài)層、指標層四個層面建立了由20個指標組成的珠江評價指標體系[46] 。
值得關注的還有由中澳雙方合作的中國河流健康與環(huán)境流量項目，該項目是中澳環(huán)境發(fā)展伙伴項目(ACEDP)下的一個子項目。項目團隊由國際水資源中心牽頭，包括中澳雙方的專家，分別在黃河試點(黃河下游)、珠江試點(桂河)、遼河試點(太子河)開展河流健康評估工作。采取的指標有水質和生物指標、水文指標、物理形態(tài)指標和社會經(jīng)濟指標[47] 。該項目可以為今后中國在實施河流健康監(jiān)測計劃方面提供寶
Table 2. Indicators of assessing river healthy by EU Water Framework Directive
表2. 歐盟水框架指令用于評估河流生態(tài)健康狀況的指標
貴經(jīng)驗，尤其是制定全國性計劃時。
綜觀河流健康內(nèi)涵及國內(nèi)外健康河流評價方法及發(fā)展狀況，國內(nèi)外不論是在河流健康的內(nèi)涵還是評價方法上都有所差別。中國學者在定義河流健康時，不僅考慮其自然屬性，同時強調(diào)其服務人類的社會屬性，如防洪抗旱、灌溉航運等。國外學者多從生態(tài)、水文、物理形態(tài)、水質等方面評價河流健康，而中國在考慮這些指標的同時，也將河流的社會功能納入指標體系之中，所以會選取防洪能力、水資源開發(fā)利用等指標。究其原因是國外的河流健康研究起步較早，如歐美、澳大利亞等國家，而我國目前還處于水利水電建設時期，水資源高度開發(fā)，具體國情有別于西方國家，因此我國現(xiàn)階段的河流健康評價體系是基于自身的社會經(jīng)濟發(fā)展狀況而定的。
水是生命之源、生產(chǎn)之要、生態(tài)之基，2011年中央1號文件強調(diào)了水資源是支撐人類生存與發(fā)展、生態(tài)環(huán)境保護之根本[48] 。我國目前面臨水災害加劇、水資源短缺、水環(huán)境惡化、水生態(tài)失衡和水管理制度建設亟待加強的五大水問題，解決這些問題已成為刻不容緩的重要任務。河流健康評價與管理研究為我國實施生態(tài)文明建設提供了一個方面的支撐。國家強調(diào)生態(tài)文明建設，也給河流健康評價與管理研究提供了機遇與挑戰(zhàn)。
展望未來，我國的河流健康評價工作可能需要進一步開展以下方面的研究與實踐：
1) 評價標準的確定：在對河流進行健康評價時，要先確定參照系統(tǒng)，即選定無干擾或干擾較少時的河流系統(tǒng)。在河流現(xiàn)狀與參照系統(tǒng)比較的基礎上，進行河流健康狀況的評估。但是沒有人類干擾的狀態(tài)是否就是健康狀態(tài)，這個問題值得思考。
2) 建立完整的監(jiān)測系統(tǒng)：不管選擇哪種評價方法，都涉及大量指標，需要收集大量的資料。而取樣方式和數(shù)據(jù)處理的方式都會影響評價結果的可比性。另一問題是由于河流健康的概念是最近幾十年才興起，因此在這之前的生物要素等方面的資料有所缺失。所以要對河流進行長期的監(jiān)測和評估，以保證資料的完整性。此外還要培養(yǎng)河流健康評估專業(yè)技術人員，特別是水生生物監(jiān)測人才。
3) 加強科技技術應用基礎的研究：生態(tài)文明建設中的水資源安全保障知識系統(tǒng)，是指科學技術創(chuàng)新及其在生態(tài)文明建設中水安全保障的應用技術發(fā)展。它涵蓋了地球系統(tǒng)科學、水文學、生態(tài)學、環(huán)境學、信息學和社會科學等。隨著經(jīng)濟社會發(fā)展和全球環(huán)境變化，我國水短缺、水污染、水生態(tài)、水災害、水管理5個問題復雜交叉，是一個復雜的水系統(tǒng)問題，并直接涉及多方面的國家安全。解決上述水問題的核心是水循環(huán)研究，需要以流域為基本單元，闡明以水循環(huán)為紐帶的流域水系統(tǒng)的物理、生物與生物地球化學、人文等三大過程的聯(lián)系及其反饋機制，發(fā)展多要素、多過程、多尺度流域水系統(tǒng)綜合模擬科學平臺，建立水系統(tǒng)的調(diào)控模式和良性水循環(huán)維持河流健康的有效途徑。針對我國的生態(tài)文明建設中的河流健康評價與水資源管理問題，特別需要加強生態(tài)水文學和水系統(tǒng)理論應用基礎的支撐研究。
4) 建立全國性的指導文件：雖然說每個流域有其自身特點，但河流是個開放的系統(tǒng)，相互之間是有聯(lián)系的。所以各個流域管理機構的合作會更加有利于各河流的健康發(fā)展。萊茵河、多瑙河等歐洲大型河流的成功治理經(jīng)驗，是《歐盟水框架指令》建立的背景和基礎。我國應在借鑒國外先進經(jīng)驗的基礎上，根據(jù)國內(nèi)河流的特點，建立全國性的河流健康評估的框架，來指導各個流域的管理。諸如水量、水質和水生態(tài)系統(tǒng)的一體化管理政策，建立涉水政府部門的協(xié)調(diào)機制以及加強流域管理中的公眾參與等。
國家自然科學基金(No. 51279140)，國家“十二五”水專項淮河課題(No. 2014ZX07204-006)。
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作者簡介：王超(1990-)，女(漢)，湖南，武漢大學水文及水資源系，碩士研究生，主要從事河流健康評估方面的研究。來源 ： https://image.hanspub.org/Html/2-2410159_13564.htm
