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国外河流健康评估技术(董哲仁)
  2005-12-08 09:21  

董哲仁
(中国水利水电科学研究院,北京 100038)

【摘 要】 河流健康评估方法以河流生态系统状况为主线,着眼于建立河流状况变化与生物过程的关系,建立一种兼顾合理开发利用和生态保护的综合评估体系。文中简要介绍了国外河流健康评估具有代表性的技术标准,对于物理一化学评估、生物栖息地评估、水文评估、生物评估的方法和要点分别作了评述。
【关键词】 河流;健康;评估;栖息地;水文;生物
中图分类号:X52 文献标识码:A 文章编号:l000-0860(2005)11-0015-05

Overseas assessing technology for river health
DONG Zhe - ren
(china Institute of Water Resources and Hydropower Research, Beijing  100038,china)

Abstract: Assessment measures for river health are guided by a general thinking of river ecosystem,focused on building up relations between river changing and biological process and aimed at establishing a comprehensive assessment system which gives attentions to both the rational development and the ecosystem protection. A brief introduction of the representative assessment standards for river health overseas is given, and then the measures and key points of physical-chemical assessment, habitat assessment,hydrological assessment and bio-assessment are reviewed respectively herein as well.
Key words:river;health;assessment;habitat;hydrology;biology


    在可持续发展理念的指导下,河流管理工作需要寻找一种河流状况评估工具,能够考虑河流水文、水质及地貌特征变化对于水域生物群落的影响,分析河流生态系统在自然力与人类活动双重作用下的变化趋势,力图通过管理促进河流生态系统向良性方向发展。河流健康评估就是为满足这种需要提出的一种技术方法[1]
    传统意义上的河流评估,以河流开发和工程建设为目的,主要以水文条件和水质评估为主。而河流健康评估方法则以河流生态系统状况为主线,着眼于建立河流状况变化与生物过程的关系,建立一种兼顾合理开发利用和生态保护的综合评估体系。如何建立评估体系,是河流健康评估的关键技术问题。发达国家在河流健康评估方面已经积累了一些经验,有的国家已经制订了相应的技术法规和规范,这些经验值得我们借鉴。评估的内容一般包括以下4个方面:物理-化学评估;生物栖息地质量评估;水文评估;生物评估。以下结合国外主要技术标准作一简要介绍。
1 物理—化学评估
    传统意义上的水质评估已有较为成熟的技术方法。河流健康评估中物理一化学评估更侧重于分析物理一化学量测参数对河流生物的潜在影响。表1列举了8种测量参数对于河流生物的潜在影响。
    为满足社会公众对于水质的关注需求,一些学者试图综合各种水质指数为一组简单的水质指数。这种综合水质指数用不多的参数就可以表达水体受损的相对程度及随时间变化的过程。
    美国GWQI指标(Gregon Water Quality Index)[2](Cude 2001)综合了8项水质参数(温度、溶解氧、生化需氧量、pH值、氨态氮+硝态氮、总磷、总悬浮物、大肠杆菌)。在计算中可以简单对于每一种具有不同量测单位的参数进行分析,随后转换为无量纲的二级指数.其范围为10~100(10为最恶劣情况,100为理想情况),表示该参数对于损害水质的作用程度。

水域系统健康评估的一般测量参数

测量参数

输入物质

潜在影响

(1)    电导率
(2)   
总磷
(3)    TN/TP
(4)   
生化需氧量(BOD)
(5)   
浊度
(6)   
悬浮物
(7)   
叶绿素
(8)    pH
(9)   
金属,有机化合物



磷、氮
有机物
泥沙
泥沙
营养物
酸性污染物输入
有毒物质

损失敏感物种
富营养化
水华爆发
生物呼吸窒息,鱼类死亡
生物栖息地变化,敏感性生物减少
生物栖息地变化,敏感性生物减少
富营养化
敏感物种减少
敏感物种减少

注:引自澳大利亚和新西兰自然资源理事会:《评估水域生态系统健康的一般量测参数》,2000

    美国国家卫生基金会的水质指标NSFWQI(National Sanitation Foundation,Water Quality Index),这种指标体系还考虑各种参数对于水质影响的权重值,借以反映地区水质特点。
2 栖息地评估
    研究成果表明,假设水量与水质条件不变的情况下,生物群落多样性与生境的空间异质性存在线性关系[3]。生物栖息地评估的内容主要是评估河流的物理一化学条件、水文条件和河流地貌学特征对于生物群落的适宜程度。生物栖息地质量的表述方式,可以用适宜的栖息地的数量表示,或者用适宜栖息地所占面积的百分数表示,也可以用适宜栖息地的存在或缺失表示。
    在美国已经确定了以栖息地评估为基础的自然资源总量评估方法。Bain和Hughes(1996)归纳了美国有关机构进行栖息地评估的50种不同勘查方法、总清单和报告方法,其内容偏于繁琐。现在更倾向于采用简单、成熟的测量和分析方法。
    美国《栖息地评估程序》HEP(Habitant Evaluation Procedure)和《栖息地适宜性指数》HSI(Habitat Suitability Index,)是美国鱼类和野生动物服务协会(1980,2000)颁布的[4]。它提供了150种栖息地适宜性指数(HSl)标准报告。HIS模型方法认为在各项指数与栖息地质量之间具有正相关性。HSI模型包括18个变量指数,并认为这些指数可以控制鲑鱼在溪流生长栖息的条件,这些指数是:水温,深度,植被覆盖度,DO,基质类型,基流/平均流量等。栖息地适宜性指数按照0.0~1.0范围确定。
    美国环境署(U.S.E.P.A)提出的《快速生物评估草案》RBP(Rapid Bioassessment Protoco1)是一种综合方法,涵盖了水生附着生物、两栖动物、鱼类及栖息地的评估方法。栖息地评估内容包括:(1)传统的物理一化学水质参数;(2)自然状况定量特征,包括周围土地利用、溪流起源和特征、岸边植被状况、大型木质碎屑密度等;(3)溪流河道特征,包括宽度,流量,基质类型及尺寸。这种方法对于河道纵坡不同的河段采用不同的参数设置。
    在调查方法中还包括栖息地目测评估方法。RBP设定了一种参照状态,称为“可以达到的最佳状态”,通过当前状况与参考状况总体的比较分析,得到最终的栖息地等级,反映栖息地对于生物群落支持的不同水平。对于每一个监测河段等级数值范围0到20,20代表栖息地质量最高。
    美国陆军工程师团《河流地貌指数方法》HGM (Hydrogeomorphic)侧重于河流生态系统功能的评估。在这种方法中列出了河流湿地的15种功能,共分为4大类:水文(5种功能);生物地理化学(4种功能);植物栖息地(2种功能);动物栖息地(4种功能)。对于每一种功能都有一种功能指数IF,为计算指数,需要建立相应的方程,在方程中依据生态过程的关系将有关变量组合在一起,计算出有量纲的IF值,然后与参照标准进行比较得到无量纲的比值,用以代表相对的功能水平。所谓“参照标准”表示在景观中具有可持续性功能的状态,代表最高水平。计算出的比值为1.0代表理想状态,比值为0表示该项功能消失。
    为说明IF的计算方法,举有机碳输出功能为例,这的功能列在生地化类中。按照生物过程的功能分析,有机碳输出的功能需要有2个要素,一是要有湿地的活性物质为来源,二是有适宜的水流将活性物种传输到下游。水流路径变量包括:从河床漫溢到河滩的水流,其发生频率用V1表示;浅层水,频率为V2;湿地地表水,频率为V3;湿地与河流汇集水体频率为y4。定义M5为湿地的有机物质,包括树叶、粗木屑、木本植物、草本植物和富含有机物的土壤等。建立如下

IF={[(V1+V2+V3+V4)]/4×M5}1/2      (1)

河流状况影响因素(1SG)

二级指数

    评估内容

   

()水文

现实状态与曾经出现过的自然状态比较

(1)月径流量与参照自然状态比较;(2)流域内城市化比例;(3)水电站泄流

()河流物理形态

河道稳定性和栖息地评估

(1)岸坡稳定性;(2)河床淤积与退化;(3)人工闸、栅的影响;(4)冲积带的树木枝叶影响

()岸边带

评估岸边带植被数量、质量

(1)植被宽度;(2)顺河向植被连续性(用岸边植被间断的长度表示)(3)结构完整性(上层林木、下层林木、地被植物的密度与自然状态的比较)(4)乡土种覆盖比例;(5)乡土种再生性状况;(6)湿地和洼地状况

()水质

评估关键水质参数

总磷,浊度,电导率,pH

()水域生物

描述大型无脊椎动物家族

用干扰信号指数描述大型无脊椎动物家族

    作为特例,如果活性物质来源枯竭,则M5=0,则IF=0,说明这项功能消失。
    如果河床漫溢到河滩的水流完全发生,则V1=1.0。
    如果各类水流都完全发生,V1+V2+V3+V4=4,IF=V1/25。该项功能的参照标准即为V1/25,现状值与参照标准比值为1.0,说明为理想状态。实际状况的比值在0—1.0之间。
    瑞典《岸边与河道环境细则》RCE(Riparian,Channel and Environmental Inventory)。RCE是为评估农业景观下小型河流物理和生物状况的方法。这种模型假定:对于自然河道和岸边结构的干扰是河流生物结构和功能退化的主要原因。RCE包含16项特征,定义为:岸边带的结构,河流地貌特征以及二者的栖息地状况。测量范围从景观到大型底栖动物。RCE记分分为5类,范围从优秀到差。这种方法的优点是采用目测,可以进行快速观测,现场的每一个点只需要11—20min。
    澳大利亚《河流状况指数》ISC(1ndex of Stream Condition)。ISC方法是澳大利亚的维多利亚州制定的分类系统,其基础是通过现状与原始状况比较进行健康评估。该方法强调对于影响河流健康的主要环境特征进行长期评估,以河流每10—30 km为河段单位,每5年向政府和公众提交一次报告。评估内容包括5个方面,即水文、河流物理形态、岸边带、水质和水域生物(见表2)。每一方面又划分若干参数,比如,水文类中,除了传统的水文状况对比外,还包括流域内特有的因素,比如水电站泄流影响,城市化对于径流过程影响等。每一方面的最高分为10分,代表理想状态,总积分为50分。将河流健康状况划分为5个等级,按照总积分判定河流健康等级,也说明河流被干扰的程度(见表3)。需要指出的是ISC方法中设定的参照系统是真实的原始自然状态河道,这种方法只有像澳大利亚这样开发较晚的地区才有可能采用。

河流状况分类(1SG)

状况分类

指数等级

河流状况分类

总积分

非常接近参照自然状况

对于河流稍有干扰

中等干扰

重大干扰

彻底干扰

4

3

2

1

0

优秀

边缘

极差

4550

3544

2534

1524

<15

    英国环境署制定的河流栖息地调查方法(RHS)(River Habitat Survey)是一种快速评估栖息地的调查方法,注重河流形态、地貌特征、横断面形态等调查测量,强调河流生态系统的不可逆转性,适用于经过人工大规模改造的河流[6]。
    南非执行的河流地貌指数方法(1SG)(Index of Stream Geomorphology),是南非河流健康评估计划的框架文件之一,内容包括两部分,即河流分类和河流状况评估,在河流构成和特征描述中把尺度定为:流域,景观单元,河段,地貌单元4类。该方法重视野外测量和调查,包括调查测量河流断面的宽深比,调查河流形态和栖息地指数等。提出按照水力学和河流本底值情况描述河段栖息地多样性的方法。
3 水文评估
    由于水库调度运行中对于径流的调节、水力发电泄流、土地使用变化及城市化等因素,人工改变了河流自然水文模式,其结果可能是洪水流量和水位降低,同时改变了水流的季节性和水文周期模式,改变了底流特性和水位起落速度。水文条件的变化对于河流生态系统结构与功能产生重要影响。因此,需要研究泄流全过程,以便认识相关的生态演替和地貌演变的全过程,同时需要建立河流水文特性与生态响应之间的关系,特别是水流变动性与生态过程的关系。
    从生态角度评估水流的模式变化,可以采取简化的方法,把长时间的水流过程分解成为对于河流地貌和河流生态系统产生重要影响的若干部分或事件。这包括下列方面:断流,基流,维持水质需要水流,分别对于河流地貌和生物群落具有意义的水流现象。对应于以上5方面,相关考虑水位、频率、持续时间、发生时机和变化速率。一些研究者在分析保护珍稀物种所需要的水文条件的基础上,认为影响河流生态和河流地貌的最重要因素是流速变化和泄流变动性。
    《修订的年径流偏离比率方法》AAPPD(Amended Annual Proportion now Deviation)是由Ladson(1999)先提出来的,后又经修正完善。这种方法以月径流为基础,用实际状况与参照状况月平均径流之比率表示。其后他又进行了修订,建议建立径流变动指数,用于描述鱼类多样性相关关系。澳大利亚在执行ISC(河流状况指数)中使用这种方法时,AAPED的记分标准范围为0—10。后来,又增加了2个二级指数:(1)即考虑城市化造成流域渗透性变化引起日径流变动;(2)由于水电站发电峰值引起的日径流变动。
    澳大利亚国家土地与水资源监察署制定河流状况评估方法中,在环境指数中对于水电站干扰影响增加了二级指数。具体方法是:用平均年径流指数给出总水量变化;用不同频率的洪水月径流过程曲线给出水流模式的变动;用水流季节比例指数变化的模式评估季节变化;用季节峰值指数评估季节最高和最低水位。
4 生物评估
    生物评估的目的是确认河流的生物状况。具体是分析水文条件、水质条件和栖息地条件发生变化对于河流生物群落的影响程度。可能产生的变化包括:水域生物群落物种成分变化;栖息地生物优势种群的变化;物种枯竭;整个种群死亡率;生物行为变化;生理代谢变化;组织变化和形态畸变。基本评估方法是与参照河段的生物状况进行对比,以记分的方式进行评估。“参照河段”一般选取水质、河流地貌以及生物群落基本未受到干扰的河段。
    人们认识到,如果对于河流所有的生物群落成分进行监测取样是不现实的,变通的办法是选择几种标志物种。在选择具体标志性物种时,往往在藻类、大型无脊椎动物和鱼类中选择最适合的物种。一般情况下,岸边植物不适宜作为标志性物种,原因是不少植物对于水体污染并不敏感。因此评估岸边植物状况作为河流健康指标并不是先进的方法。至于细菌、原生动物、真菌、青蛙、爬行动物和水鸟等都不适合作为标志物种(表4)。
一些国家的法律要求有关机构进行河流生物评估。欧洲有上百种生物评估方法,2/3是基于大型无脊椎生物。采用较多的是“生物参数法”(Biotic Parameters)和“生物指数法”(Bioindicators),从2000年12月起执行的《欧盟水框架导则》具有代表性。《欧盟水框架导则》(EU Water Framework Directive)的定位是“在成员国开展河流生态状况评估的方法框架”,这个标准提出了较为完整的准则和方法[7,8]

生物评估方法和测量参数

 

测量参数

 

 

 

 

(1)多样性指数

 

多种

可以对于复杂资料进行概括,也易于理解,便于对于不同河段和不同时间状况比较

生态学意义不明确,受标本和分析因子的影响

具有简明特点,但是生态学价值受到质疑

(2)生物指数

主要是大型无脊椎动物和藻类

简单,易于对于复杂资料进行概括,可以提供对于水体污染的物种相应解释

为对河流进行诊断,可以获得污染容许量的细节认识

有实用价值,特别是可以获得现场污染容许量

(3)河流生物群落代谢

底栖动物区系和植物区系

对于底栖生物获得简单的全貌,相对快速,输出快捷

在干扰严重河段难于应用,不能用于诊断

是具有潜在优势的技术,但是其敏感性和诊断能力尚未显示

(4)快速生物评估;现场物种研究定量法

大型无脊椎动物

整体性,适合暂时、特定的范围,背景资料丰富,具有诊断功能

依赖于复杂的模型方法,与其他方法比较其产出不易理解

对于认识影响因素具有巨大的潜力

(5)大型植物群落结构

大型植物

易于采样,对于一定范围具有响应

对于影响生物群落结构的因子难以辨认,对于某些污染因子缺乏敏感性

有限应用

(6)鱼类群落结构

鱼类

可实际采样,易于分类

对于生物群落的动态性和水质因子缺乏认识,对于温带鱼类不适用

生物群落结构方法更适合于热带地区河流

(7)生物量及群落结构(藻类)

藻类

敏感性强,分类方法清楚,具有诊断潜力,群落结构方法具有前途

需要高水平专业技术辨认,生物群落结构方法不能试验

生物群落结构方法具有很好的潜力

(8)群落结构

细菌、原生动物、真菌

生物体

 

 

5 结 语
    建立河流健康评估体系时似应考虑以下原则:(1)重视生物群落的状况,建立生境因子与生物因子的相关关系。(2)河流健康是一个相对的概念,需要确定参照系统,所谓“参照系统”是选定健康的或较为健康的河流系统。在河流现状与参照系统比较的基础上,进行河流健康状况的评估。(3)明确水文条件、水质条件和栖息地质量是影响河流生态系统健康的三要素,与这三要素具有正相关关系的生物状况则是河流健康的主体。(4)评估体系应包含对于人类合理开发水资源的承认,力图在保护河流生态系统与开发利用水资源之间取得平衡。(5)河流生态系统演替是一个漫长的过程,需要建立完整的生物监测系统,进行长期监测和评估。(6)充分考虑我国各流域、各地区自然、社会、经济状况的巨大差异性,需要因地制宜地制定每一条河流的健康评估标准,国外经验值得借鉴,但是绝对不可照搬。


参考文献:
[1] 董哲仁.河流健康的内涵[J].中国水利,2005,(4).
[2] 董哲仁.河流形态多样性与生物群落多样性[J].水利学报,2003,(11).
[3] Cude C G. Oregon water quality index[J].Journal of the American WaterResources Association,2001,37(1):125-137.
[4] Barbour M T.Rapid Bioassessment protocols for Use in Streams and Wadeable River:Peiiphyton,Benthic Macroinvertehrates and Fish [M].2ndedn,EPA 841-B-99,USEPA.1999.
[5] Brinson MM,HauerFR,Lee LC NutteL A Guide-book for application Of hydrogeomorphic assessments to river wetlands[R].Technical Report WRP-DE-11,U5 Army Engineer Waterways ExperimenI Stadon,Vicksburg,MS.1995.
[6] Environment Agency.River Habitat Survey:1997 Field Survey Guidance Manual,Incorporating SERCON[R].Center fOr Ecology and Hydrology,National Environment ReseaKh Council,UK.1997.
[7] Kallis G,Bufier D.The EU Water Framework Directive: measures and directives[J].Warer Policy,2001,(3):125-124.
[8] EUROPA.The EU Water Framework Directive-integrated river basin management for Europe[DB/OL].The European Union Online.URL: http://ruropa.eu.int/comm/environment/water/water-framework/index en.html.2003.

(原载《水利水电技术》2005年第11期,责任编辑 聂建平)


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