拉萨河河流健康评价指标体系构建及应用

陈 歆,靳甜甜,苏辉东,林俊强,王东波,刘国华,张俊洁

1 西藏自治区环境保护厅,拉萨 850002 2 中国水利水电科学研究院,北京 100038 3 呼伦贝尔市环境监测中心站, 海拉尔 021008 4 中国科学院生态环境研究中心,北京 100085 5 中国科学院大学资源与环境学院,北京 100049

河流生态系统提供给人类多种生态服务,包括气候调节、生物多样性维持、供水、航运、渔业、文化娱乐等多个方面[1-4],而生态系统服务功能的实现以生态系统合理结构和健康过程为基础。随着人类社会的不断进步,人类对自然生态系统干扰逐渐加剧,河流生态系统河道形状、水生生物组成、河流连续性、水文和生物过程等发生变化,进而影响到其功能的发挥[5-6]。

“河流健康”概念最早在1972 年在美国的《水污染控制修正法》中提出,至今河流健康内涵仍未统一。Karr 等将河流生态系统平衡、完整和适应性作为河流是否健康的评价标准[7]；Schofield认为未受干扰的(原始的)的河流处于健康状态,而其它河流健康状况可通过其与相同类型未受干扰河流的相似程度来评价[8]；文伏波将生态良好、满足人类需求,可实现水资源可持续利用的河流定义为健康河流[9]。美国、英国、澳大利亚、瑞典等多个国家提出了不同的评价指标体系和评价方法[2,4,7],中华人民共和国水利部也在2010年出版了《河流健康评估指标、标准与方法V1.0》,用于指导全国河流健康评价试点工作。综合来看,河流健康评估主要从水文、水质、栖息地和生物等四个方面开展指标体系的构建,但由于河流健康评价指标和方法需根据评价对象地理特征、气候条件、经济发展状况和社会需求等条件制定,因此目前并无统一标准和方法。虽然河流健康的内涵、评价标准和评价方法尚未统一,但是河流健康评价重点关注河流生态系统状况,使其既能满足人类生产生活需求,又能实现河流生态系统可持续发展,成为河流管理的重要手段。

拉萨河位于青藏高原东南部,是雅鲁藏布江五大支流之一。河流中下游地区地势平坦、水土资源条件较好,是整个西藏自治区人口和耕地最为密集区域,同时该流域还是西藏自治区政治和文化中心。为维护实现拉萨河流域社会经济和生态环境的协调发展,对拉萨河合理有效的开发利用是关键领域之一。但近年来流域内工业发展加速、人口密度增加、农田灌溉面积扩大、鱼类放生活动增加,成为拉萨河河流健康和生态环境保护的潜在风险。目前,该流域出现了本地鱼类资源减少、外来物种入侵[10-11],农业面源污染[12],河流水质恶化[13-15]等生态环境问题,此外气候变化可能带来的径流和植被变化[16]也会对河流健康状况产生潜在影响。因此,为做好该流域生态环境保护工作,应在了解拉萨河流域河流健康现状和存在的主要问题的基础上,有针对性地开展保护和研究工作。本文基于拉萨河生态环境和社会经济发展特点,从水文、水质、生物、生境和服务功能等五个方面[17-18],构建了拉萨河流域河流健康评价指标体系,并进行了应用,其结果可以为拉萨河流域河流管理、保护工作提供参考。

1 研究区与研究方法

1.1 研究区概况

拉萨河发源于念青唐古拉山中段南麓澎错玛朵山峰,干流由东北向西南流动,河道比降0.29%,主河道长度551 km,于曲水县汇入雅鲁藏布江中游,多年平均流量1.1×1010m3,干流沿程有众多支流汇入,拉萨河干流建有多个水利水电工程,其中旁多水利枢纽和直孔水电站对河流水文过程具有显著调节作用。拉萨河流域属高原温带半干旱大陆性气候区,降水主要受西南季风的影响,而且影响的程度由东北向西南,即降水由上游向下游呈递减趋势,降雨主要集中在6—9月、多夜雨,旱季10—5月份、降雨稀少。流域内部高原湿地众多,上游源头麦地卡湿地是国家级自然保护区,中下游地区分布有拉鲁湿地、江夏热湿地、巴嘎雪湿地、茶巴朗湿地、甲玛湿地等[19-20],这些湿地对于流域水循环、水质保护和生物多样性维护具有重要意义。拉萨河流域概况如图1所示。

图1 拉萨河流域概况图Fig.1 Overview of Lhasa River basin

1.2 河流健康评价指标体系构建

1.2.1 指标体系构建原则及步骤

指标体系的构建的是河流健康评价的基础,指标体系的科学性、合理性和有效性,直接决定了河流健康评价结果的可信度。拉萨河河流健康评价指标体系构建遵循以下原则：(1)目标明确,可指导河流生态保护工作。(2)普适性,具有较多应用,并被证明适应性较好。(3)能突出拉萨河流域生态环境特色。(4)操作性强,评价数据和资料较容易获取。(5)可量化客观性指标。(6)指标体系全面、相对独立、指标之间不重复。

基于以上原则,拉萨河河流健康评价指标体系构建步骤如下：首先,通过文献调研,对目前河流健康评价指标体系构建、指标体系量化方法、指标量化需要的数据或者资料来源、指标权重的确定等方面研究进行全面分析,确定几种适合的评价指标体系供选择；其次,通过现场考察、文献调研和专家访谈,对拉萨河流域地形地貌、气候、社会经济和人文等生态环境和社会特征进行分析,明确拉萨河河流健康评价应涵盖的主要方面；再次,进行指标库的构建及筛选。综合考虑国内外采用的指标体系,结合拉萨河流域生态环境特点和社会经济特征,筛选评价指标,构建评价指标体系；最后,咨询相关专业的专家学者,对构建的指标体系进行适当调整,最终得到拉萨河河流健康评价指标体系。

1.2.2 指标体系构建及指标内涵

根据拉萨河河流特征,参考国内外已往研究[21-22]构建了包含水文、水质、生物、生境、服务功能等5个要素13个指标的拉萨河河流健康评价指标体系,各要素指标见表1。

(1)水文

河流水文条件是河流生态系统各种理化和生物过程的基础,水文条件变化会引起河流生态系统一系列改变,在国内外河流健康评价中,水文指标是指标体系重要组成部分。为全面反映河流水文状态变化,采用C11河流压力指数、C12流量过程变异程度、C13生态基流保障度三个指标,反映水量、流量过程变异以及不同水期流量变化。

表1 拉萨河河流健康评价指标体系

(2)水质

基于西藏自治区环境监测中心站以往水质监测结果,采用pH、高锰酸盐指数、氨氮、挥发酚、砷、汞、铬(六价)、铅、镉、铜、锌、氟化物、石油类等13个水质指标计算干流上、中、下游C21水功能区水质达标率取值。除此之外利用C22耗氧有机污染状反映水体中耗氧有机物状况,该指标由高锰酸钾指数、化学需氧量和氨氮三个指标组成。拉萨河流域矿产资源丰富,拉萨河中上游地区矿产资源开发可能对干流水质产生影响,本文利用汞、镉、铬、铅、砷等5种重金属浓度计算C23重金属污染状况指数,反映干流重金属浓度状况。

(3)水生态

水生态指标选用C31外来鱼类入侵率和C32大型底栖无脊椎动物科级耐污指数表征。鱼类是河流生态系统中的顶级生物,可很好反映河流生态系统健康状况。90年代以来,不断有研究表明捕捞、放生等一系列人类活动导致拉萨河干流本地鱼类减少或灭绝、外来鱼类入侵；入侵物种已经成为威胁拉萨河水生态安全的重要因素。拉萨河鱼类资源调查数据相对匮乏,加之对鱼类资源调查方式、捕捞方式、捕捞时间、捕捞地点的差异性,导致少数样点鱼类资源调查结果代表性较差。相对于少数断面鱼类调查结果,区域尺度鱼类资源调查结果代表向较强；相对于丰富度和鱼类大小,物种数的变异性较小,本文利用拉萨河河流外来鱼类入侵率反映水生态状况。此外,利用大型底栖无脊椎动物科级耐污指数C32根据不同科对污染物的耐受程度赋予不同耐污值,反映底栖动物对外界环境各种污染物的综合耐受能力。

(4)河流生境

生境指标选取C41河道稳定性、C42河流联通阻隔状况2个指标表征。河道稳定性指不同年份河流水流路径空间变异程度,河岸或者河床不稳的情况下,水流流动形态会发生变化,本文采用河流蜿蜒度和水面面积指数来反应河道的稳定性。河流连通阻隔状况用于评估河流上水库、堤坝建设对鱼类等生物物种迁徙及水流与营养物质传递产生的阻隔作用,利用评价河段闸坝阻隔状况反映河流连通阻隔状况。

(5)服务功能

河流服务功能包含内容较多,此处利用C51防洪安全指数和C52水资源开发利用率表征拉萨河河流服务功能状态。防洪安全指数指现状的防洪能力与我国对河道水库防洪标准之间的比值,防洪安全指数越高,说明越安全。水资源开发利用率是指示水资源开发利用程度,流域内水资源量丰富的河流,人类可以开发量适当增加,但是其比率应该控制在一定的范围内。

1.2.3 赋值标准

目前,关于河流健康评价的赋值标准,存在较大主观性。为增加不同评价结果的可比性,应尽量统一河流健康评价指标量化和赋值标准。由于地形地貌、气候、社会经济发展条件等方面的不同,导致不同河流健康评价目标存在较大差异,评价指标和赋值标准较难统一。本文根据流域生态环境特征和评价指标特点,利用关键阈值、法律法规限定取值、专家咨询等方法确定指标赋值标准。其中,关键阈值法将河流原生状态设置为理想状态,将人类干扰、社会需求因素引入到评价环节中：无干扰原始状态为最佳预期,赋值100分,之后历史扰动最小值、可接受最小值、严重威胁值、完全破坏值分别赋值80分、60分、30分和0分。由于一些指标无法确定无干扰状态或自然状态,则将已有标准和规范作为赋值标准。如水质指标中的水功能区水质达标率,通过判断河流水质是否达到水环境功能区划所要求的水质目标进行赋值。最终,拉萨河河流健康评价指标赋值标准和数据来源如表2所示。

2 拉萨河干流河流健康评价结果

拉萨河干流不同河段指标取值和赋值情况如表3和图2所示。

总体来看：上游河段河流健康状况明显优于中下游河段,各指标中除C21外,其余各指标赋值均在60分以上；中游C12、C32和C42未达到60分,其余各指标赋值均大于或等于60分；下游C12、C23、C31、C32、C42未达到60分,其余各指标赋值均大于或等于60分。

表2 河流健康评价指标赋值标准和数据来源

注：水面面积指数Area index of river surface waterAr; 河流蜿蜒性指数 Sinuosity index of riverSr; 航天飞机雷达地形测绘任务Shuttle radar topography mission SRTM; 数字高程模型Digital elevation model DEM.

表3 拉萨河干流健康评价结果

*表示指标取值有多个,未列出

图2 拉萨河河流健康评价结果示意图Fig.2 Schematic diagram of river health assessment result for Lhasa RiverC11河流压力指数Flow stress index; C12流量过程变异程度Degree of variation in the flow process; C13生态基流保障度Ecological base flow security degree; C21水功能区水质达标率Water qualification rate; C22耗氧有机污染状况Oxygen consuming organic pollution; C23重金属污染状况Heavy metal pollution; C31外来鱼类入侵率Invasive percentage of exotic fish; C32大型底栖无脊椎动物科级耐污指数Family biotic index; C41河道稳定性指标River stability; C42河流联通阻隔状况River connectivity barrier; C51防洪安全指数Flood protection safety index; C52水资源开发利用率Exploitation rate of water resources

从水文指标来看,上游赋值较高,中下游C12取值大、赋值低,中游C13赋值低。上游地区无水文站点,无法准确计算水文指标赋值情况,但上游无大型水利水电工程,且人口稀少分散而居,根据经验判断拉萨河上游C11、C12、C13赋值均较高,上游河段3个水文指标均赋值100分。中游河段对水文产生显著影响的为具有年调节能力的旁多水利枢纽,电站下游设有旁多水文站。中游C11、C12采用旁多水文站历年水文数据计算,C11、C12取值分别为0.82、4.9；中游旁多水利枢纽环评批复生态流量为23 m3/s,C13利用旁多水利枢纽2014年4月22日到2017年10月31日电站实际下泄流量计算,C13取值93%。下游分布有直孔、平措、纳金和献多水电站,直孔电站为季调节水电站,其余均为引水式电站调节能力有限,直孔电站下设有唐家水文站。下游C11、C12采用唐家、拉萨水文站水文数据计算,C11、C12取值分别为0.78、5.2；平措、纳金和献多水电站调节能力有限,而直孔水电站无生态基流要求,下游C13为100%。

从水质指标来看,中游水质最好,上游水体中营养盐浓度稍高水功能区水质达标率较低,而下游水体个别断面存在重金属超标现象。2017年拉萨河干流上、中、下游C21取值分别为50%、100%和78%。上游水体水域功能为I类,考核标准较严格,枯水期水质良好各指标均达标,但丰水期氨氮浓度升高,麦地卡湿地氨氮浓度未达到I类水功能区水质目标；中游水质较好,丰水期和枯水期各指标均达标；下游枯水期和丰水期水功能区水质达标率均为78%,枯水期甲玛湿地和帕热湿地镉含量未达到II类水功能区水质目标,丰水期唐嘎湿地、巴嘎雪湿地氨氮含量未达到II类水功能区水质目标。

从水生态评价结果来看,上游水生态状况良好,中游次之,下游最差。根据范丽卿等[11]于2010、2012和2014年三年拉萨河流域鱼类调查结果显示,42个调查点中的19个外来鱼类,其中76.5%位于湿地。拉萨河上、中、下游C31取值分别为8%、20%和84%；下游19个调查断面中游16个断面发现了外来鱼类入侵。C32利用2017年8月干流不同河段10个调查断面结果进行评价,其中上游、中游、下游分别设置3个、2个和5个调查点。C32评价结果显示,上游水体较为清洁赋80分,中下游水质相近赋45分,拉萨河上游处于较好状态,而中下游部分河段出现较多耐污种,可能存在局部污染。中游旁多水利枢纽下游、拉萨市下游和才纳断面耐污种比例较大。

拉萨河干流河道稳定性较强,且上游稳定性>中游>下游。从水面面积指数来看,整个流域河流水面面积指数为90%,为比较稳定河流。自上而下,河流稳定性有较大差异,上游地区河流淹没面积基本重叠,水面面积指数为96%,而中游地区水面面积指数为70%,下游地区水面面积指数为68%。中下游水面面积指数主要受直孔与旁多水利枢纽蓄水影响,库区水面拓宽,枢纽工程下游的水面面积有所减少。整个河段河道蜿蜒性指数在2%以内,说明从1988年以来主河道几乎没有变化,河道较为稳定。根据2017年3月和9月份对拉萨河干流的实地调查,结合拉萨河干流2015—2017年遥感影像数据对拉萨河流域闸坝阻隔情况进行评价。拉萨河干流上游乌鲁龙曲汇入口以上无水电站和水闸,河流联通条件好,未扣分。中游河段修建有旁多水利枢纽,该电站为大(1)型Ⅰ等工程,最大坝高72.3 m,闸坝阻隔对鱼类及其它水生生物造成影响,工程建设中未设置鱼道和仿生旁通道,亦无其它过鱼设施,且电站目前正常运行；根据《拉萨河流域综合规划》报告,旁多水利枢纽对部分鱼类迁移具有阻隔作用。下游分布有直孔水电站、2#闸、3#闸和4#闸,闸坝较多,其中直孔水电站坝体较高,无鱼道和其它过鱼设施,且2#闸、3#闸和4#闸运行后,对鱼类也有一定阻隔作用。

拉萨河干流防洪和水资源服务功能处于良好状态。根据新编制的《拉萨河流域综合规划》,拉萨河干流唐家水文站以上无防洪敏感点,防洪安全指数赋100分,而唐家水文站以下分为三段。唐加—纳金电站段,河道长度约为76 km,防洪标准为10年一遇,需治理护岸工程12.98 km；纳金电站—堆龙、曲水交界段,需对中心城区范围柳梧中组团、南组团、文化园新筑堤防,对现状城区段不满足超高要求的干流两岸堤防进行加高加固,加高加固堤防17 km,新建堤防11.6 km；堆龙、曲水交界段—雅鲁藏布江入口段河道防洪标准为10年一遇,需新建护岸工程20.16 km,堤防工程1.7 km。下游河道总长157 km,不符合防洪标准,需要加固或新建工程措施长度为63.44 km,占总河道长度的40%。按照赋值标准,下游C51赋值为85分。根据《拉萨河流域综合规划》,2003—2012年拉萨河流域水资源量为115.4×109 m3,多年平均供水量为5.16×109 m3,近10年全流域开发利用程度仅为4.5%,开发程度整体较低,且已经满足了流域内的经济社会用水需求。拉萨河流域下游拉萨市城关区属于流域集中用水区,局部水资源开发利用率达到17%。

3 讨论

3.1 水文及主要影响因素

拉萨河干流开发程度低,上游无大型水利水电工程,干流水文情势主要受旁多水利枢纽和直孔水电站影响。旁多水利枢纽主要任务为灌溉和发电,电站设计灌溉引水流量10 m3/s,主要用于澎波灌区农田灌溉,旁多水利枢纽设计引水流量10 m3/s,多年平均引水量2×109m3,控制灌溉面积5万公顷；直孔水电站库周5千公顷耕地可从库内提水得到灌溉,还可确保引水灌溉下游耕地2千公顷。电站蓄水发电和灌溉引流均可对河流水文产生影响。根据旁多水利枢纽和直孔水电站调度计划,电站修建可起到“蓄洪补枯”的作用,但直孔水电站建设前后水文站径流数据研究结果表明电站运行后,电站下游水量在枯水期和平水期水量减少,丰水期水量增加,这与“蓄洪补枯”作用相反,河流水文过程变异强烈。

电站影响外,气候变化也是影响水文过程的一个重要因素。根据蔺学东等人的研究[33],拉萨河流域流量呈现增加趋势。然而1955—2015年拉萨河流域内及周边10个气象站数据显示：2004年以前拉萨河流域降雨量呈上升趋势,2004年以后降雨量呈现降低趋势；流域气温呈现持续上升趋势。气候变化将直接影响河流水文状况：降雨量减少会降低河流水量,温度的上升对河流水文条件的影响具有不确定性。气温升高后冰川和冻土消融速度升高,会增加河流水量补给[34-35]；气温增加地表蒸散和植物蒸腾作用变强[36-37],会降低河流水量补给。2004—2015年,拉萨水文站年径流量降低趋势明显,水文过程可能受到气候变化的影响。

3.2 干流水质状况及主要影响因素分析

拉萨河干流水质整体状况良好,根据下游达孜、卡林、才纳 3个国家水环境监测站点多年水质监测结果,全年水质基本在国家Ⅱ类标准以上,但存在个别指标在特定时期超标现象。根据2017年3月和8月两次全流域水环境22个监测点水质监测结果：拉萨河干流丰水期湿地河段氨氮易超标,而枯水期甲玛沟下游入河口的甲玛湿地镉浓度未达到III类水功能区水质目标,而帕热湿地镉浓度未达到II类水功能区水质目标。

丰水期流经湿河段中水体氨氮浓度升高,可能与拉萨河流域湿地水文过程和人类活动密切相关。拉萨河流域湿地众多,主要分布在河流两岸,这些湿地地势平坦,生物量高,且靠近水源,成为发展畜牧业的理想场所。由于枯水期地表径流较少,河流水体与湿地不连通,湿地中氨氮不会对河流水体产生影响,而随着丰水期来临,雨水与冰川雨水将湿地氨氮带入河流,使得河流水体中氨氮浓度升高。此外,气候暖干化背景下,湿地中凋落物和腐殖质分解加速[38-39]也成为影响河流中养分的一个重要潜在因素。

枯水期甲玛湿地和帕热湿地镉含量较高可能与甲玛沟内矿产资源开发、道路交通以及水文过程有关。甲玛沟内分布有铜多金属矿开采点,采矿和洗矿过程中产生的污染物可通过雨水冲刷或者废液排放进入附近水体,而湿地对于这些离子具有吸附作用,枯水期水量较少,浓度升高；丰水期,水量增大,浓度被稀释,水体中镉离子浓度降低。除矿产资源开采,甲玛湿地附近道路密集,道路交通污染也是潜在因素,而帕热湿地镉浓度超标可能主要与道路交通污染有关。

3.3 水生态现状分析

拉萨河海拔高、气候独特,孕育了河流独特的鱼类多样性。20世纪90年代以前,拉萨河的鱼类受到较好的保护；20世纪90年代以后,拉萨河的鱼类受到的大规模捕捞,鱼类资源锐减[40]。2004—2006年间陈锋等[10]对拉萨河上、中、下游的鱼类做了详细的调查,共调查到3目5科14属24种鱼类,其中本地鱼14种,外来鱼10种。2005—2010年间洛桑等[41]通过调查发现：在相同的季节相同采样点,2005年能捕获的渔获物11种,而到2010年只能捕获7种。吕永磊[42]对拉萨河源头水域的鱼类资源做了调查,通过捕捞调查,共发现5种鱼类,其中本地鱼3种,外来鱼2种,隶属于1目2科5属。

拉萨河流域最近一次流域层面鱼类调查由范丽卿等人于2010年到2014年完成[11]。此次调查在拉萨河上游流域、中游流域和下游流域的河流、溪流、水库、湿地42个采样点,对整个拉萨河鱼类资源做了详尽的调查,共发现25种鱼类,其中本地鱼类12种,外来鱼类13种,隶属于4目6科17属。裂腹鱼、黑斑原鮡等土著鱼类的减少甚至灭绝,以及鲫、麦穗鱼和泥鳅等外来鱼类的增加,是拉萨河鱼类面临的主要问题。土著鱼类减少受过度捕捞、生态环境破坏等因素影响,黑斑原鮡90年代开始受到大规模捕捞,目前在拉萨河基本绝迹。外来鱼类主要分布于拉萨河下游地区[43-44],特别是湿地。外来物种入侵途径主要是放生和鱼塘外游,而这些活动主要集中在下游地区。

3.4 河流生境状况

拉萨河干流水面面积指数为90%,属于较为稳定河流,但不同河段差异较大。上游地区较稳定,中游、下游地区淹没面积变化较大。中下游变动主要原因为：受直孔水电站与旁多水利枢纽影响,中游水面有所拓宽,而下游水面淹没面积有所减少。拉萨河主河道的上游、中游和下游的河道蜿蜒性指数的变化率在2%以内,主河道的人为改造(如截湾取直,河道改道等)较少,河道较为稳定。旁多水利枢纽、直孔水电站的修建以及拉萨市区拦水坝阻断了河流连续性,是影响河流联通阻隔状况的主要因素。

4 河流适应性管理建议

针对拉萨河河流健康状况,本文提出以下河流适应性管理建议。

首先,加强河流水文、水质和流域湿地生态环境监测力度。在旁多水利枢纽库区上游设置水文、水质监测站点,监测入库流量和入库水质,用于支撑气候变化背景下河流水质影响因素研究。其次,研究表明湿地可能是河流营养元素超标的主要原因,为更好地进行河流生态系统管理和保护,需要加强流域内湿地面源污染调查工作,明确营养物质来源和迁移转化机制。

其次,加强鱼类保护力度,特别需要关注外来鱼类入侵问题。系统整理流域鱼类调查数据,明确本地鱼类分布和丰富度,针对濒临灭绝的本地物种开展物种特性分析,实施栖息地保护措施加强本地鱼类保护。合理规划鱼类资源开采,捕捞活动避开鱼类三场,禁止在产卵期捕捞。设置专门放生点,提供本地鱼类供放生,在放生点设置宣传栏介绍本地鱼类保护重要性及入侵物种危害。

最后,进一步明确水电站、水利工程建设和运行对河流生态系统的影响,并制定措施对水利水电工程调度过程进行科学管理。水电站运行、灌溉引水等活动不仅会影响河流水文、水环境,还会进一步影响水生生物的生存和繁衍。虽然拉萨河流域经济欠发达,对河流水资源利用程度不高,然而人类干扰已经对河流生态系统产生了显著影响,目前仍未得到足够重视。应在明确水利水电工程调度、灌溉引水对河流水文、水环境和生物生境影响的基础上,制定调度规则,并加强监管,确保水利水电工程调度过程和灌溉引水活动符合调度规则。