表1 贾鲁河流域郑州段水域生态系统健康评价单元划分
童 玲1， 陈伟胜1,2
(1.华北水利水电大学 环境与市政工程学院，郑州450011；2.中国海洋大学 海洋环境与生态教育部重点实验室，山东青岛 266100)
摘 要：为了确定贾鲁河流域郑州段水域生态健康的主要制约因子，以为水域生态系统修复提供参考，采用综合指标体系法，在环境保护部《流域生态系统健康评价技术指南（2013试行）》基础上，制定贾鲁河流域郑州段水域生态健康评估的指标体系，结合遥感解译、采样监测及实际调查数据，对区域内4个评价单元进行了水域生态系统健康评估。结果表明，贾鲁河流域郑州段水域生态健康整体处于“较差”水平，上游索须河和源头段水域生态健康状况优于中下游的市区段和中牟段，主要限制因子为河道连通性，其中市区段水质状况指数影响更显著；水域生态系统健康压力主要来源于水资源开发利用强度和生态需水保证率。贾鲁河流域郑州段水域生态修复应重点从补充生态需水、保障河道连通性和控制入河污染物3方面展开。
关键词：健康评价；水域生态系统；贾鲁河流域
流域以丰富的水资源支持着人类经济社会的发展，但过度的资源利用和污染排放使得流域出现了不同程度的生态退化[1]。国外自20世纪80年代开展了流域生态健康评价相关模型和指标体系等方面的研究[2-5]，我国于20世纪90年代开始基于水环境质量为主的流域水生态健康评价研究，进而发展到从流域角度评价生态系统健康[6-7]。目前，流域尺度的生态健康研究成为研究热点。
流域生态健康评价始于河流生态健康评价，其评价方法仍处于探索中，从单纯的水质指标法、生物监测法[8-9]至综合指标体系法[10-11]，学者们根据不同流域及评价目的筛选评价指标，建立各自的评价体系，RS和GIS宏观监测也被用于流域生态系统健康评价[11-12]。虽然筛选出来的一个或几个水质指标或指示生物可以在一定程度上表征生态系统健康状态，但由于每个指标或生物只对特定干扰敏感，指标的数量变化不能准确全面地表现整个系统变化的因果关系，而且一旦指示性指标或生物及其监测参数选择不恰当，也会给生态系统健康评价带来偏差。综合指标体系法从生态系统整体出发，通常包含生态结构、栖息地、水质、生物、自然经济等指标类型，能综合反应生态系统健康存在的多种胁迫因素和关键影响因子信息，评价所需大量数据需要RS和GIS等宏观监测与指标测试等微观监测和实地调查相结合，但如何将大量复杂信息进行综合，并与生态系统的自然属性和社会功能定位相结合需要进一步探索。
贾鲁河是淮河的二级支流，流域面积占淮河流域的1/49，而污染负荷却占1/9，是淮河流域面积最大、污染最重的河流之一，素有“欲治淮河，必先治贾鲁河”之说[13]。目前流域内经济加速增长，生态保护和综合治理迫在眉睫，但尚无针对贾鲁河流域的生态健康评估研究，流域生态问题症结尚不清楚，兹以2013年印发的《流域生态健康评估技术指南（2013试行）》（以下简称“指南”）[14]为基础，开展贾鲁河流域水域生态健康评估相关研究，探明流域各区段水域生态系统特征及存在的主要问题，为切实保护、维持和改善贾鲁河流域的生态系统健康水平，提出合理的生态保护措施和工程项目方案提供借鉴。
贾鲁河全长255 km，流域面积5 896 km2，其中郑州境内河长137 km，流域面积2 750 km2，地势西高东低，地形呈阶梯状，地貌类型多样，山地、丘陵、平原之间分界明显。研究区域包括郑州市区全部区域和荥阳市、新密市、新郑市和中牟县部分区域，详见表1。郑州市区内的所有内河均属贾鲁河支流，下辖7条主要支流、3个大型人工湖泊和中小型水库12座，河道非汛期干涸或排泄城市污水，雨季则雨水和污水并流而下，河道生态功能受损。源头段新密市由于煤矿开采，地下水位严重下降，泉眼干涸，河道断流，水生态系统严重破坏。索须河流域荥阳市畜禽养殖规模大，分布较为集中，养殖污染重。与郑州市区交接的新郑市和中牟县城镇化速度急剧加速，土地利用转变导致景观格局和生态功能变化。贾鲁河流域特别是郑州段，人口密度高、城镇化速度快、产业结构待调整、水污染严重，成为制约淮河流域水质整体改善的重大瓶颈。
在GIS解译和自然集水区基础上，结合行政区划（乡镇边界）与贾鲁河水功能区划和水环境管理分段区划，将研究区域划分为4个评价单元，即源头段、索须河段、市区段和中牟段，各评价单元概况详见表1。
表1 贾鲁河流域郑州段水域生态系统健康评价单元划分
贾鲁河流域郑州段水域范围无特有或指示性物种，源头水源不足，河道生态需水主要依靠人工补给，沿岸河道水文监测点位极少，缺乏有效的长期水文监测数据，无法获取枯水期径流量。根据指南要求，当年均径流量、枯水期径流量等数据难以获取时，可参考平水期水量现状进行评估。因此，在指南推荐指标体系基础上，根据贾鲁河流域实际情况进行适当调整，增加了生态需水保证率，减少了特有或指示性物种保持率，采用平水期水量现状替代枯水期径流量占同期年均径流量比例。则水域生态健康评估指标主要包括生境结构、水生生物和生态压力3类共8项指标。评估指标权重确定采用层次分析法，分评估对象、指标类型和评估指标3个层次，各指标权重、分级标准见表2。
表2 贾鲁河流域郑州段水域生态健康评估指标分级标准法
贾鲁河流域郑州段存在挖砂、旅游、外来物种入侵和网箱养殖4种人为活动影响。因此，水生生境干扰指数计算公式为：水生生境干扰指数=∑（挖砂、旅游、外来物种、网箱养殖）指标值×相应权重。生态需水保证率=流入水生态区的多年平均水量/河流生态需水量×100%。其他指标计算方法参见文献[14]。
根据调查监测数据，对照水域生态健康评估指标分级标准，对各个指标进行赋分，则：水域健康指数值
其中ωi为指标权重；x'i为指标赋分值。
根据分值大小，将水域生态健康等级分为5级，分别为优秀（Iw≥80）、良好（60≤Iw＜80）、一般（40≤Iw＜60）、较差（20≤Iw＜40）和差（Iw＜20）。
数据来源主要包括历史资料、统计数据、遥感数据和实际监测数据。在常年不断流的河道内设置水质和水生生物调查点位共23个（图1），保证支流入汇干流河口均有采样点，每个调查断面设置距河岸边1.0m和河中央2处采样点。大型底栖动物采样工具为索伯网和彼得逊采泥器，鱼类采样以拖网法、挂网法和电鱼法相结合，主要依据文献[15-17]进行采样、分类和鉴定。水环境状况主要依据相关技术标准规范[18-20]进行水质监测，分析方法参照《水和废水监测分析方法(第4版)》[21]。监测频次为每月1次。
图1 水质和水生生物调查点位示意图
贾鲁河流域郑州段水域生态健康评估指标赋分与评价结果见表3。
表3 贾鲁河流域郑州段水域生态健康评估指标赋分与评价结果
由表3可知，贾鲁河流域郑州段水域生态健康指数值为31.2，根据水域生态健康等级划分，贾鲁河流域郑州段水域生态健康整体评估结果为“较差”。8个分项评价劣优排序结果为：水资源开发利用强度和河道连通性均为“差”，大型底栖动物多样性综合指数、平水期水量现状、生态需水保证率和水质状况指数均为“较差”，鱼类多样性“一般”，仅有水生生境干扰指数为“良好”。
分段评价结果优劣排序为：索须河流域、源头段、中牟段和市区段，中下游市区段和中牟段较上游索须河和源头段水域生态健康明显更差。
生境结构评估结果显示，河道连通性“差”是水域生态健康的主要限制因子；而4个评估单元中，索须河段水质、水量和河道连通性较其他单元好。遥感清晰可见闸坝的数量为43个，测得河流干渠总长度643.56 km，平均约32个/100 km。贾鲁河干流和支流河道存在的跌水坝、小土坝、水库大坝等各种闸坝，减缓过水流速，造成河道淤积堵塞。
平水期水量现状总体评价为“较差”，其中源头段由于煤矿开采部分河道断流，市区段随着沿途支流的汇入、生态用水的补充和污水厂净化水的排入，水流淹没河道范围逐渐增大，由约20%增至中牟段约40%～50%，黄河水的补充使得索须河段水流淹没河道范围达45%左右。因此，源头段平水期水量现状为“差”，市区段至中牟段逐渐由“差”转为“较差”，索须河平水期水量现状“较差”。
水质状况指数总体评价为“较差”。贾鲁河流域郑州段23个主要监测断面中，III类及以上水质监测断面数6个，主要为索须河流域和上游水库、湖泊点位。贾鲁河干流进入市区段后，所有监测断面水质皆为Ⅴ类或劣Ⅴ类。可见，水质状况指数是市区段和中牟段水域生态健康的关键影响因子。
水生生物现场调查期间共采集到大型底栖动物14个种别，分别隶属于3门8纲。其中环节动物寡毛类1属4种，为霍甫水丝蚓、克拉泊水丝蚓、瑞士水丝蚓和水蛭；水生昆虫2属3种，为摇蚊幼虫、蜻蛉豆娘幼虫和红娘华；软体动物4属4种，为田螺、扁旋螺、三角帆蚌和河蚬，大部分出现于库区；出现率最高的优势种为水丝蚓和摇蚊幼虫。干流河道基本都是耐污值高于7的耐污类群如摇蚊幼虫、水丝蚓等，颤蚓科物种栖息密度均大于1 000 ind./m2。表3中显示的评估结果为标准化后的大型底栖动物多样性综合指数，其源头段、市区段、中牟段和索须河段EPT科级分类单元比（EPTr-F）均为0；分类单元数（S）依次为8、3、3和3，BMWP指数值依次为16、9、13和6，Berger-Parker优势度指数（D）依次为0.71、0.88、0.91和0.61。从评估结果看，源头段采样区域水质较清洁，物种较其他单元丰富；市区段耐污类水丝蚓为优势种群，中牟段由于采集到1只十足目虾类使得其BMWP指数略高；索须河流域底栖生物种类较少，分布较均匀。流域大型底栖动物多样性综合指数标准化之后基本接近，底栖动物物种完整性状况“较差”。
调查捕获的各种鱼类共297尾，总质量约45 kg，经分类鉴定，共包括4目7科12属13种鱼类物种，其源头段、市区段、中牟段和索须河段分类单元数（S）依次为10、4、4和8。以鲤科鱼类鲫鱼、鲤鱼、鲢鱼占绝对优势，鱼类多样性一般，其优势度指数（D）在0.41～0.63之间。源头段库区偶见大鱼，索须河流域鲢鱼可见40 cm左右，其香农-威纳多样性指数（H）在2.1左右；但市区段和中牟段捕获的鱼类数量少、体型小，其香农-威纳多样性指数（H）在1.5左右。数据标准化处理后，鱼类物种多样性综合指数为0.54。该结果仅反映出采集的样品中鱼类多样性“一般”，但实际鱼类资源数量锐减并没有通过该指数表征，历史资料显示，贾鲁河流域鱼类约5目13科25属27种。此次实际调查结果显示，贾鲁河流域郑州段鱼类种类减少约50%。
水生生物评价结果也反映了干流河道水域基本处于中-重度污染水平。水域生态健康评估雷达图（图2）清晰显示，河道连通不畅、缺乏必要的水量和水质污染重是水域生态健康状态较差的主要原因。
图2 水域生态健康评估雷达图
图3 水域生态健康压力评估结果
郑州市严重缺水，多年平均水资源总量约13.2亿m3，而用水量逐年上升，2015年总用水量18.208亿m3，耗水量8.804亿m3。根据《郑州市水资源公报（2015年）》数据，研究区域内新密、郑州市区、新郑、中牟段和荥阳市域总用水量均超过区域水资源总量，耗水率均超过40%，中牟甚至超过60%。从水资源总量、总用水量和耗水量数据可以看出，贾鲁河流域郑州段经济社会发展所需总用水量已经远超过水资源总量，郑州市各行政区域均面临水资源缺乏的困境，南水北调分配郑州5.4亿m3的水量亦主要用于城市工业和生活供水，区域水资源缺乏局面有所改善但仍不容乐观。根据国际惯例，一条河流的开发利用一般不能超过其水资源量的40%，但贾鲁河流域开发利用强度远远超过该值。因此，综合评价贾鲁河流域郑州段水资源的开发利用程度为100%，综合评价得分0分，评估结果为“差”，表明在贾鲁河流域郑州段水资源的开发利用强度远超过流域水环境承载力。
水生生境干扰指数分别由挖砂、涉水旅游、外来物种和网箱养殖4个子指标组成，其权重分别为0.2、0.2、0.3和0.3，根据相关执法资料和实地走访进行赋分，详见表3。从结果可以看出，源头段和索须河段由于水质较好，处于市区外，风景秀丽，不同程度受到农家乐、私人垂钓、烧烤、放生、沿岸居民私自挖沙等影响，水生生境受到人为活动干扰较多，而市区段和中牟段受干扰较小，流域水生生境干扰综合评价结果为“良好”。
生态需水保证率表示流入水生态区的多年平均水量与河流生态需水量的比。贾鲁河作为典型的城市河流，主要功能为城市排污和防洪排涝，其生态需水分为河道内需水和河道外需水2部分。王园欣等[23]计算得出周口断面（贾鲁河下游）每年适宜生态流量为11.78×108m3、自净生态需水量3.31×108m3和最小生态需水量3.16×108m3，王凯等[22]研究认为贾鲁河郑州市河段城市河道内年平均生态需水量为1.85m3/s，均可作为贾鲁河流域郑州段的借鉴数值。目前，郑州市引黄供水补源灌溉工程每年为东风渠补水约0.4×108m3，生态水系输水工程每年向河道提供生态输水约0.8×108m3，河道内生态基流约为0.6m3/s。按照补水量和最小生态需水量计算，其生态需水保证率为38%；按照贾鲁河河道内补充流量和平均河道生态基流计算，其生态需水保证率为32%。根据《河道内生态需水评估导则》湿周法计算基准，淮河流域（河南段）生态需水保证率的健康标准可定为80%；结合现场踏勘中河道水流实际状态，贾鲁河流域郑州段生态需水保证率综合评估结果为“较差”，赋分“35”分，充分说明流域水资源开发利用强度过大，水资源短缺，需要进一步提高生态用水保证率，逐步恢复河道水环境生态质量。
贾鲁河流域郑州段水域生态压力评估结果如图3所示，清晰显示水资源短缺是流域生态健康压力的最主要原因。
从流域整体看，贾鲁河流域郑州段水域生态健康状态处于“较差”水平，水资源严重短缺，水污染加剧，生境结构破坏严重，生态功能受损，水生生物减少。上游健康状况较中下游略好，其根本原因在于区域开发带来污染累积效应。随着上游城镇化和经济发展的进一步加速，污染负荷压力增大，短期内贾鲁河流域水域生态环境不可能得到根本改善，但可从3方面开展生态保护工作，即：
一是补充河道生态需水。无水不成河，贾鲁河流域郑州段水域生态健康最大的压力来自水资源短缺，应充分利用南水北调水源缓解供水压力，增加引黄补源的生态需水量，同时配合建设源头生态保护区，涵养本地地下水水源；
二是加快建设生态水系，疏浚河道。针对水生生境破碎、河道连通性差的问题，拆除违规坝体，疏通河道，并与流域内河流湖泊连通，增加水力连通性，最大限度恢复水生生境，确保河道生态基流和连通性。
三是严控流域污染。实行更加严格的流域排水标准，尤其是市区段和中牟段，加强环境监管，配合面源污染控制，削减流域污染物排放总量，保证河流水质不恶化。
1）贾鲁河流域郑州段水域生态健康整体处于“较差”水平，上游源头段和索须河段生态健康略优于中下游的市区段和中牟段。整体生态健康的主要限制因子为河道连通性，而市区段和中牟段水质状况指数影响更加显著。
2）贾鲁河流域郑州段水域生态健康压力主要来源于水资源过度开发利用和水资源短缺，保证生态需水是维持流域水域生态健康状态的基本需求。
参考文献：
[1] 孟伟，张远，郑丙辉，等.生态系统健康理论在流域水环境管理中应用研究的意义、难点和关键技术：代“流域水环境管理战略研究”专栏序言[J].环境科学学报，2007，27(6)：906-910.
[2]PLAFKIN JL,BARBOURM T,PORTER K D,etal.Rapid Bioassessment Protocols for Use in Streams and Rivers:Benthic Macroinvertebratesand Fish[J].Qualidade DaÁgua,1989.
[3]MOISEENKO T I,GASHKINA N A,SHAROV Y N,et al.Ecotoxicological assessment of water quality and ecosystem health:A case study of the Volga River[J].Ecotoxicology and EnvironmentalSafety,2008,71(3):837-850.
[4]PINTOU,MAHESHWARIB.A framework forassessing riverhealth in peri-urban landscapes[J].Ecohydrology&Hydrobiology,2014,14(2): 121-131.
[5] 张华，骆永明.美国流域生态健康评价体系的发展和实践[J].应用生态学报，2013，24(7)：2 063-2 072.
[6] 李春晖，崔嵬，庞爱萍，等.流域生态健康评价理论与方法研究进展[J].地理科学进展，2008，27(1)：9-17.
[7] 王文杰，张哲，王维，等.流域生态健康评价框架及其评价方法体系研究(1)[J].环境工程技术学报，2012，2(4)：271-277.
[8]焦珂伟，周启星.基于水质与生物指标的松花江流域水生态健康评价[J].生态学杂志，2015，34(6)：1 731-1 737.
[9] 廖静秋，曹晓峰，汪杰，等.基于化学与生物复合指标的流域水生态系统健康评价-以滇池为例[J].环境科学学报，2014，34(7)：1 845-1 852.
[10] 张红叶，蔡庆华，唐涛，等.洱海流域湖泊生态系统健康综合评价与比较[J].中国环境科学，2012，32(4)：715-720.
[11] 吴涛，解雪峰，蒋国俊.东阳江流域生态系统健康评价[J].水土保持通报，2015，35(2)：326-331.
[12]解雪峰，蒋国俊，肖翠，等.基于模糊物元模型的西苕溪流域生态系统健康评价[J].环境科学学报，2015，35(4)：1 250-1 258.
[13] 李爱民，梁英，倪天华，等.基流匮乏型城市黑臭河流的治理模式及其主要技术方法[J].环境保护，2015，43(13)：20-23.
[14]中国环境科学研究院.流域生态健康评估技术指南（试行）[R].北京：中国环境科学研究院，2013.
[15]段学花，王兆印，徐梦珍.底栖动物与河流生态评价[M].北京：清华大学出版社，2010.
[16]齐钟彦，马绣同，刘月英，等.中国动物图谱-软体动物（第4册）[M].北京：科学出版社，1985.
[17]张觉民，何志辉.内陆水域渔业自然资源调查手册[M].北京：农业出版社，1991.
[18]GB3838—2002.地表水环境质量标准[S].北京：中国标准出版社，2002.
[19]HJ/T 91—2002.地表水和污水监测技术规范[S].北京：中国环境科学出版社，2002.
[20]HJ495—2009.水质采样方案设计技术规定[S].北京：中国环境科学出版社，2009.
[21]国家环境保护总局.水和废水监测分析方法[M].第4版.北京：中国环境科学出版社，2002.
[22] 王凯，安航永.城市河道生态需水量探讨[J].黑龙江水利，2015，1(4)：36-39.
[23]王园欣.淮河典型河流生态需水及保障机制研究[D].郑州：郑州大学，2014.
Health Assessmentof the Aquatic Ecosystem of Zhengzhou Partofthe Jialu River Basin
TONG Ling1,CHENWeisheng1,2
(1.Instituteof Environmentaland MunicipalEngineering,North China University ofWater Conservancy and Electric Power,Zhengzhou 450011,China;2.Key Laboratory of Ocean Environmentand Ecology, M inistry of Education,Ocean University of China,Qingdao 266100,China)
Abstract:This paper analyzed the health of the aquatic ecosystem of Zhengzhou partof Jialu River Basin aimed to provide guidance forecological remediation.Based on the guidelines provided by theM inistry of Environmental Protection forwatershed ecosystem health assessment,we established an index system to assess the health of the aquatic ecosystems using remote sensing combined with survey andmeasurements.We divided the region into four units and assessed the ecological health of each one.The results showed that overall,the health of the aquatic ecosystem in this regionwas poor,and that them iddle reach of the riverwasecologically worsen than the upper reach.Themain lim iting factor to ecosystem health was the obstruction of the river courseand the deteriorated water quality of the riverw ithin the urban area.The pressure on the ecosystem healthwas due to the imbalance between available water resources and the ecologicalwater demand.Hence,remediation of the ecological system of Zhengzhou partof the Jialu River should focus on ecologicalwater supply,alleviating the obstruction to the river course and reducing contam inant loading.
Key words:health assessment;aquatic ecosystem;Jialu river basin
中图分类号：X826
文献标志码：A
doi：10.13522/j.cnki.ggps.2017.09.019
责任编辑：刘春成
童玲，陈伟胜.贾鲁河流域郑州段水域生态系统健康评估[J].灌溉排水学报，2017,36（9）：108-114.
文章编号：1672-3317（2017）09-0108-07
收稿日期：2016-12-19
基金项目：河南省重大科技专项（161100310700）；河南省教育厅科学技术研究重点项目（13A610696）；华北水利水电学院高层次人才科研启动项目
作者简介：童玲（1979-），女。副教授，博士，主要从事水资源利用与保护相关研究。E-mail:tclgirl@126.com