河流健康诊断与评估.docx
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河流健康诊断与评估
WTDstandardizationoffice【WTD5AB-WTDK08-WTD2C】
河流健康诊断与评估
编号（学号）：
毕业论文
（2012届本科）
题目：
河流健康诊断与评估
学院：
水利学院
专业：
水利水电工程（专升本）
姓名：
袁礼伟
指导教师：
宓永宁教授
完成日期：
2012年06月10日
摘要
河流健康是人类赖以生存和发展的必要条件，对河流健康的评价研究则是关系到人类社会有序、健康、可持续发展的重要课题之一。
一个完整的河流评价应该涵盖各个尺度，而且影响河流健康的主要因素、决策者的总体目标、管理行为都与空间尺度有关，因此河流健康评价首先要明确的关键问题就是评价的尺度问题。
本文从河流的尺度划分和河流健康评价的尺度间转换关系两方面进行了研究。
主要工作及成果如下：
1、从河流健康的涵义、发展历程及其评价目的出发分析了从尺度方面研究河流健康以及建立尺度间指标转换关系的必要性。
2、归纳了流域的点、线、面三种尺度的划分方法及各尺度的特点、尺度之间的相互关联。
着重研究了点、线两个尺度的进一步细分，即生物斑点、工程河段、景观河段和全河长的概念及其相互关系。
3、分析研究了各尺度的评价方法，将相邻尺度间的指标分类为相同指标及不同指标，分别建立了转换关系，并在每个尺度上筛选出10个指标分别进行了相邻尺度上的具体转换分析。
关键词：
河流；健康；评价；尺度；转换
Abstract
Riverhealthisanessentialconditiontosupportlifeexistinganddeveloping.Researchonriverhealthisakeyprojectthatcloselyrelatestoorderliness,healthandsustainabledevelopmentofhumansociety.Everyspatialscalesshouldbeincludedinthetheoreticalframework,andtheinfluencefactors、managementofriverhealthisalwaysrelevanttospatialscales,sothekeypointoftheriverhealthassessmentisclarifyingofspatialscales.
Themainworksandconclusionsareasfollowing:
1.Thenecessityofassessriverhealthindifferentspatialscalesandtransformationoftheindexesbelongingtodifferentspatialscaleswasanalyzedbasedontheexistingconceptsandtheaimoftheassessment.
2.Dividationmethodsandfeatureslongingtospotlineandareascalesweresummarized.Abriefintroductionofcriterionincludingbiologicalspot,projectsection,landscapesectionandentireriverisgiven,andalsotherelationshipsbetweenthemweregivenup.
3.Thispaperdefinitethedifferentindexesbetweendifferentspatialscales,andestablishtherelationsbetweenthem,tenindexesbelongingtodifferentscalesareanalyzedindetail.
KEYWORDS:
river;health;assessment;spatialscales;transformation
前言
人类从水中走上陆地，并在河边定居、生息和发展，河流是人类生存的基础和文明的摇篮，河流的生命与人类的生存和发展息息相关。
历史上，许多灿烂的文明都是依河而兴，河流不仅主导着文明的兴衰，还向人类提供了可再生的水资源、实拍、排洪、景观、航运等服务，体现着河流生态系统中健康的生物链，对维持地球生物链完整、保护人类生存条件有着重要意义。
一旦河流自身生命系统发生危机，以河流为依托的其他生命系统也就失去了存在的基础。
人类在漫长的进化发展过程中，对河流长期不合理地开发利用以及大量工农业以及生活污水的任意排放，严重干扰和改变了河流的自然状态，导致水源枯竭、湿地消失、河床抬高、河槽萎缩、河道断流、水体污染等问题，使得河流的自然状况受到了越来越严重的干扰，严重影响了河流的健康，甚至威胁到了河流的生存。
尤其是近年来，随着人口的大量增加和经济的迅猛发展，河流的健康问题带来的诸多副作用越来越明显，进而危及到了人类经济社会的进一步发展，越来越成为人类社会发展的桎梏。
随着“可持续发展”观念的深入人心，人们开始反思人类与河流的关系，开始认为河流也具有“生命”，而河流生命的健康状况不仅决定着其自身的演变发育，还影响着人类社会的生存和发展。
1河流健康概述
河流健康概念
自然河流经历了数万以至数百万年的演变过程，受到自然界本身和人类活动的双重干扰。
对于自然界的重大干扰，比如地壳变化、气候变化、地震、火山爆发、山体滑坡等，河流系统的反应或是恢复到原有的状态，或者滑移到另外一种状态，寻找新的动态平衡，逐步走入良性轨道。
在这个过程中，河流系统一般表现出一种自我恢复的功能。
人类活动特别是近一二百年工业革命开始的大规模经济活动，包括水资源过度开发利用，经济发展带来的水污染，对于河流生态系统的干扰所造成的影响往往是系统自身难以恢复的，严重的干扰往往是不可逆转的。
科学界普遍认为人类大规模的经济活动是损害河流生态系统健康的主要原因。
人类与河流的关系符合否定之否定、螺旋式上升的发展规律。
从上述人类与河流关系的发展经历来看，正是过去在生存发展的压力下，对河流社会功能过度开发而导致自然功能衰退，超过了河流的承载力，进而严重制约社会经济的可持续发展。
正是在这一背景下，人们提出了河流健康的新理念，其目的是使河流自然功能得到一定程度的恢复，最终使河流自然功能和社会功能得到均衡发挥。
河流健康是一个新概念，是在“河流生命”存在的前提下，人类对其生命存在状态的描述。
河流健康并不仅仅简单等同于河流生态系统健康。
河流生态系统以生物群落为主体，河流仅仅作为生物生存的环境出现；在河流系统中河流才是主体，河流生态健康以生物群落健康为主体；而河流健康首要必须考虑的是河流本身结构和功能的健康。
所以说,仅仅从生态系统健康的角度出发来研究河流健康是远远不够的。
同时，对绝大多数河流而言，河流不仅是自然的河流，更是社会的河流。
健康的河流是自然功能和社会功能获得平衡的河流，是河流自身生存发展和人类开发利用相对平衡的河流，是人类利益和河流利益相对平衡的河流。
因此说，健康的河流应当满足3方面的要求：
河流自身结构完整、功能完备；具有满足自身维持与更新的能力，能发挥其正常的生态环境效益；满足人类社会发展的合理需求。
关于河流健康的定义，至今没有达成一致的意见。
总体来看分为两类，一类认为河流健康基本等同于河流生态系统健康，河流健康是一个描述河流生态系统的完整性与河流生态条件的总体状况的概念，对于那些基本没有防洪要求的河流，可以采用这种定义。
在这种情况下，河流健康评价仅是对河流生态系统状况的评价，即以河流生态系统作为评价对象，河流健康与河流生态系统健康的概念是一致的，国内也有学者对河流生态系统健康进行了专门的研究。
另一类认为河流健康既要有良好的河流生态系统，还要有合理的社会服务功能，如水资源开发利用功能、水能利用功能、防洪功能和娱乐功能等。
我国河流的兴利与防洪要求比较突出，因此宜采用第二种定义。
在这种情况下，河流健康与河流生态系统健康的概念就发生了分歧。
这为在当前大力提倡生态保护的形势下，仍有必要修筑某些堤坝提供了理论依据。
表1-1对河流健康内涵的不同理解
时间
提出者
河流健康内涵
1996
Schofield
河流健康指与相同类型的未受干扰的（原始的）河流的相似程度，尤其是在生物完整性和生态功能方面
1997
Meyer
能维持河流生态系统的结构与功能，同时满足人类与社会的需要和期望，在健康概念中涵盖了生态完整性与人类的服务价值
1999
Norris等
认为健康的生态系统即生物完整性以及可持续性
1999
Fairweather
河流健康包含着活力、生命力、功能未受损害及其它表述健康的状态，应包含公众对河流的环境期望
1999
Karr
认为河流健康即河流生态完整性，采用IBI方法评价河流健康
2002
An等
健康即完整性，采用生物完整性、生境状况和化学参数评价河流健康
2005
董哲仁
河流健康不是严格意义上的科学概念，而是一种河流管理的评估工具
2006
Vugteveen
能维持生态系统结构和功能（活力和恢复力），同时满足社会经济需要的能力
河流健康评价
河流健康的评价是指采用一定的指标群，根据调查和监测资料，对河流的健康状态做出描述，确定主要的影响因素，存在的主要健康问题，从而为河流的管理和规划提供决策依据。
目前关于河流健康评价体系的研究主要集中在河流健康的综合评价方面。
河流生态系统健康的评价经历了几个不同的发展阶段，即水质评价、水量评价、生态健康评价，生态系统服务功能评价。
此外，我国从自己的国情出发开展了河流健康评价的研究。
（一）水质评价
对河流健康的评价与河流健康问题密切联系。
最初对水体的最大破坏来自于污染物，因此关于河流健康的评价最早开始于水质的评价。
19世纪末期从已严重污染的欧洲少数河流开始，评价指标只有生化需氧量BOD、化学需氧量COD,大肠菌群和细菌总数等几项简单的卫生学指标。
以后随着工业的发展，大量的污染物质随工业废水进入了水体，严重地影响了水生生物和人类的健康，于是又引入了重金属、农药和有机化合物等有毒、有害物质指标、反映富营养化的氮磷指标、致畸致癌物质指标。
生物是河流水生态环境的一个重要部分，指示生物具有很强的环境代表性，能够准确表达水环境的状态，并且水生生物监测也不需要昂贵的分析仪器，因此，生物指标也成为了水质评价的重要指标，并成为了长部分国家水质评价的主要依据。
鱼类和底栖无脊椎动物因为具有易测量、稳定等优点而常被作为水质监测的生物指示物种。
（二）水量评价
随着水资源开发利用量的增加，河道内水量日渐减少，导致了水生生物多样性的锐减，河流管理中生态环境需水量的评价开始受到了重视。
20世纪40年代末，随着水库建设和水资源开发程度的提高，美国的资源管理部门开始注意和关心渔场的减少。
60年代前后开展了许多关于鱼类生长繁殖和产量与河流流量关系的研究，从而提出了河流最小流量的概念（国内称为生态环境需水量，国外称为（environmentalflow），并提出了许多的计算评价方法，如Montana法，河道内流量增加法（IFIM）等。
20世纪70年代以后，澳大利亚、南非、法国和加拿大等国家也相继开展了鱼类生长繁殖、产量与河流流量关系的研究。
20世纪90年代以后，我国在西北、华北等许多地区也开始了生态环境需水量的研究。
目前，在44个国家己经产生了大约207种生态环境需水量的评价方法。
河流生态环境需水量的评价方法主要有四种，即水文学方法、水力学方法、栖息地等级法和整体分析法。
生态环境需水量评价方法虽然很多，但在具体使用中还存在不足之处，例如IFIM法，它是生态环境需水量评价方法中使用较广的方法之一，是把大量的水文水化学现场数据与选定的水生生物物种在不同生长阶段的生物学信息相结合，进行流量增加的变化对栖息地影响的评价。
但King和Tharme指出传统的IFIM法将其重点放在一些河流生物物种的保护，而没有考虑诸如河流规划以及包括河流两岸在内的整个河流生态系统，由此计算出的生态流量值，并不符合整个河流的管理要求。
（三）河流生态健康评价
20世纪80年代，西方国家河流管理的重点由水质保护拓展到了河流生态系统的恢复，开始强调用生态工程方法恢复河流的生态系统，回归河流的自然功能。
莱茵河“蛙鱼2000计划”、美国的密苏里河自然化工程、基西米河生态修复工程等一系列的河流生态修复工程付诸于行动。
同一时期，维持河流生态系统的健康成为了河流管理的重要目标。
在修复和管理工作中，常需要调查河流水生生物的种类和数量，建立相应的指标体系用于评估河流的生态状态，判断配水效果、河流修复效果和河流管理的整体效果，作为制定管理或修复计划的依据。
只对河流健康部分内容进行评价的水质评价和水量评价已远远不能满足河流管理的需要，于是，河流健康评价的内容也发生了变化，开始转向对河流生态状态的评价。
我国2002年8月新出台的《水法》21条也明确规定“开发、利用水资源，应当首先满足城乡居民生活用水，并兼顾农业、工业、生态环境用水以及航运等需要”，“在干早和半干早地区开发、利用水资源，应当充分考虑生态环境用水需要”。
水资源政策的改变和监测计划的实施进一步促进了河流生态评价工作的发展。
（四）生态系统服务功能评价
生态系统服务功能是指生态系统与生态过程所形成及所维持的人类赖以生存的自然环境条件与效用。
由河流健康概念的演变过程看，在河流健康概念中同时考虑人类价值，已经逐渐为人们所接受。
河流的社会服务功能也应该是河流健康的组成内容之一，河流健康的评价内容需要同时考虑自然生态价值和社会服务价值。
但事实是生态系统健康和生态系统服务自创建以来就呈现出不同的发展特点，很少有将两者结合起来的综合研究。
在生态系统健康评价上，对生态状态的评价和生态系统服务功能的评价一般也是分开进行的，很少把两者结合起来进行。
1997年Costanza等对全球主要类型的生态系统服务功能的价值进行了评估，揭开了生态系统服务功能价值研究的序幕。
但目前在淡水生态系统方面的研究相对滞后，研究成果较少。
评估方法主要为享受价格法、旅行费用法和支付意愿法。
美国学者在这方面的研究相对较多。
Loomis等曾讨论了恢复美国PlatterRiver的5种生态系统服务功能的总经济价值。
Cameron等用旅行成本法评估了美国Columbia河流域水位变化时的休闲娱乐价值。
Brown等在科罗拉多CalaPoudre河上进行了径流量与风景优美程度感觉关系的调查与经济价值评估。
国内，王寿兵等用意愿评估法评价了上海市苏州河生态系统的景观服务价值。
赵军等用同样的方法对上海河流生态系统的支付意愿进行了调查分析。
近期，蔡庆华等提出了从水量、水质、水能和水生生物四方面建立淡水生态系统服务功能的评价指标体系。
赵同谦等建立了包括河流在内的水生态系统服务功能评价指标体系，对全国水生态系统的综合价值进行了评估。
（五）河流生命健康评价
由于河流健康评价指标体系涉及的研究领域较宽，内容较多，制约河流健康的因素以及相互之间的关系也较为复杂，因此河流（生命）健康评价目前还处于一个起步阶段，现有长的评价理论和方法都有待于进一步完善。
国内外研究进展
1.2.1国外研究进展
（一）美国
美国环保署（EPA）于1989年发展了快速生物评价协议RBPS，为用生物集合体资料作为生态健康指标提供了一个技术框架，经过近10年的发展和完善，于1999年推出新版的RBPS。
RBPS采用着生藻类、鱼类、大型无脊椎动物评价河流状态，通过对生物群落的结构、功能、过程（process）的度量达到评价的目的。
该方法以无人为干扰或人为干扰极小的河流作为参照点，相应于生物指标测量位置的物理化学等生境指标用于帮助解释和修正（calibration）生物指标，确定参考状态，其中河床表层生境、河床泥沙组成等10个生境指标用于表征栖息地质量。
具体应用时将测量点的栖息地质量与参考点比较，如相等，直接进行生物指标比较，不相等则先调查栖息地对生物的支撑能力，再判断生物质量，由此使生物质量评价能真正反映河流的损害程度。
RBPS可推广用于其它地区，它对数据要求相对较高，需要基于大量的实测数据。
美国的国家水质目录（NWQI）为《水清洁法》提供两年一次（19%年后五年一次）的全国水质（包括河流状况）报告。
NWQI的内容包括物理化学水质资料、生物资料（如物种类型和丰富度）、栖息地和辅助资料（如土地利用）。
NWQI的目标是描述水质特征，确定在全国范围内有重要意义的水质问题，描述修复和保护水体的各项计划的情况等。
由于评价定期进行，NWQI可反映管理的执行情况，为管理策略的制定提供依据。
（二）英国
英国在20世纪90年代建立了河流保护评价系统（SERCON），用于评价河流的生物和栖息地属性及其自然保护价值。
SERCON是一种综合性评价方法，采用了35个特征指标，从物理多样性、自然性、代表性、稀有性、种群丰度、特有特征等方面对河流进行评价。
瑞士用于评价河流和湖泊的Aqua系统采纳了SERCON方法。
SERCON方法需要大范围的资料收集，另外，对于“自然性”的标准也存在很大的争议。
同一时期英国还建立了河流栖息地调查（RHS）方法。
RHS建立的目的是发展一种国家标准化系统，用于河流物理结构的测量、分类和定期报告。
测量变量包括背景资料、长江河岸特征资料、河道资料（基质、沉积物特征、流量类型等）和其它的位置资料（河谷形状、土地利用、洪泛地特征等）。
通过对全国3000多个河流位置取样，收集了丰富的数据资料，用参考点的资料产生了一个联系物理结构和栖息地质量的预测模型。
RHS可用于为SERCON提供物理信息资料，其优点是较好地将物理栖息地和生物组成联系在一起，不足之处是生物和部分栖息地组成之间的联系未能明确，定性指标和定量指标的混杂使得统计检验比较困难。
（三）澳大利亚
澳大利亚在河流健康评价方面做了大量的工作。
澳大利亚的水生生物环境质量指数（IAEQ）用于评价维多利亚州的内陆水体，评价指标分为水质、泥沙中的有毒物质、大型底栖无脊椎动物、鱼类和河岸植被等5部分，以自然状态或无干扰状态作为评价标准，每个指标分为极好、好、中、差和退化五级。
由于要求的数据资料内容较多，即使在维多利亚州也很难使用。
维多利亚的河流环境状态（ECVS）采用了河床组成、河岸植被、濒危植被、覆盖物、水深、流速等10个指标，主要用于评价维多利亚州河流的环境状态，指标等级为5级，并考虑了不同指标的权重。
由于以定义的栖息地的适宜性作为标准，使评价结果与实际情况有所出入，评价效果并不理想。
产生于澳大利亚昆士兰的河流状态调查（SRS）方法用于评价河流的物理和环境状态，测量变量包括水文、河道栖息地、横断面、景观休闲和保护价值等11个方面的内容，以无干扰状态作为评价标准，状态分级从参考状态（100%）到退化状态（0%）。
该方法从不同的空间尺度上对河流状态进行测量，信息比较全面，不足之处是变量中没有考虑水质和水生生物指标，一些测量参数和生物之间的联系不是很明确。
Ladson提出的维多利亚溪流状况指数（ISC）用一个分级系统评价溪流状态，主要用于测定非城市河流的状态，点明河流管理中的潜在问题，它的指标结构分为3层，子目标层由水文、水质、物理结构、河岸带和水生生物5部分组成，指标层包括19个指标，通过评分法对指标赋值，根据总分值确定河流健康状态。
ISC对子目标层的分类简洁而明确，既包含了河流生态系统的关键组成部分，又保持了各部分之间的独立性，是其较成功的一点，它的不足之处是参考状态的选择具有一定的主观性，缺乏对指标动态性变化的考虑，由于选取的指标数量比较少，不能完全揭示河流存在的健康问题。
地貌河流类型（GRS）方法的设计原则是植被和地貌过程的直接联系提供了河道栖息地评价的可能性，因此也间接和河流生态联系在一起。
GRS用于河流状态评价包括比较和预测两种方法，比较是对现有河流特征和过程与无干扰状态下期望得到的进行比较；预测是基于目前的河流过程、泥沙量和河流过程的理论概念预测未来的河流特征和过程。
GRS方法完全是基于地貌学理论进行比较和预测，对专业知识的要求比较高，另外，在目前的研究水平下，地貌和生物之间的确定性关系还没有建立，这种方法得到的判断结果具有一定的主观性。
栖息地预测模型（HPM）方法用于河流物理状态的评价，并具有预测功能。
它的工作方法是通过对某一位置无退化情况下预测的局部栖息地特征和实际观测到的栖息地特征的比较评价河流状态，评价原理类似于AUSRIVAS法，不同之处是AUSRIVAS用物理化学指标预测生物群落，HPM用大尺度流域特征预测局部尺度溪流物理栖息地特征。
对于HPM，预测变量的选择很重要，选择不当会影响预测结果。
（四）南非
在南非伴随着国家快速生物评价计划，发展了栖息地整体评价系统（IHAS）和栖息地完整性指数（IHI）,IHAS的测量内容包括了基质、植物和河流物理状态等。
IHI用于评价栖息地主要干扰因素的影响，包括饮水、水流调节、河床与河道的改变、本地岸边植被的去除和外来植被的入侵等内容。
1.2.2国内研究进展
西方发达国家在20世纪50年代水能水资源开发就已基本完成，80年代，河流管理的重点由水质保护转向了河流的生态恢复，而我国目前还处在水利水电建设的高峰时期，河流保护工作处于水质恢复阶段。
由于国情明显不同于西方发达国家，我国的河流管理目标也不同于西方国家，为河流管理服务的河流健康评价也与西方国家有所区别。
较早建立的水环境评价指标体系有1999年上海市环境监测中心建立的适用于黄浦江水环境状态评价的指标体系，包括了理化指标、生物指标、营养状况指标、景观指标等四部分内容。
20世纪90年代以来，由于断流、水污染、河床萎缩等一系列问题的出现，河流健康受到了关注。
2002年黄河水利委员会主任李国英在全球水伙伴中国地区委员会治水高级圆桌会议上提出了“维持河流生命的基本水量”的概念，以后又根据黄河的具体情况，提出了“维持黄河健康生命”的治河新理念，以“堤防不决口，河道不断流，污染不超标，河床不抬高”作为体现终极目标的四个主要标志。
至此，河流健康生命的研究受到了重视，并推广到了淮河、长江、珠江等大江大河。
水利工作者们开始了对河流健康（生命）评价理论的探讨。
关业祥提出河流是否健康可以从四个方面判断:
是否具有足够的河流动力；是否具有与之相适应的调蓄空间；能否基本维系河流生态系统的协调平衡；能否有效发挥河流的综合服务功能。
冯普林针对渭河面临的洪水、水污染等健康问题，建立了包含11个指标的渭河健康生命评价指标体系。
陈以确以福建省的河流为背景，提出了“三维持三维护—模式”，的河流健康生命指标体系。
耿雷华等从河流的功能出发评价河流健康，建立了包括河流的服务功能、环境功能、防洪功能、开发利用功能和生态功能等5个准则层25个指标的河流健康评价指标体系，并采用层次分析法和评分法建立了河流健康的评价模型。
林木隆等提出了由河流形态结构、水环境状况、河流水生物、服务功能、监测水平等5大类20个指标组成的珠江流域河流健康评价指标体系。
在黄河和长江两大河流上，建立河流健康（生命）指标体系的工作也受到了重视。
长江水利委员会在2005年4月正式出台了由总目标层、系统层、状态层和要素层构成的健康长江指标体系。
该指标体系以河流的整体管理为目标，以流域为评价单元，反映了健康长江管理
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