环境科学  2023, Vol. 44 Issue (10): 5478-5489   PDF    
引用本文
张宇航, 渠晓东, 彭文启, 张敏, 张海萍, 杜龙飞, 张舒朝. 北京市河流生态系统健康评价[J]. 环境科学, 2023, 44(10): 5478-5489.
ZHANG Yu-hang, QU Xiao-dong, PENG Wen-qi, ZHANG Min, ZHANG Hai-ping, DU Long-fei, ZHANG Shu-chao. Health Assessment of the Stream Ecosystem in Beijing, China[J]. Environmental Science, 2023, 44(10): 5478-5489.
北京市河流生态系统健康评价
张宇航1, 渠晓东1, 彭文启1, 张敏1, 张海萍1, 杜龙飞1, 张舒朝1,2     
1. 中国水利水电科学研究院, 北京 100038;
2. 大连海洋大学水产与生命学院, 大连 116023
收稿日期: 2022-10-31; 修订日期: 2022-12-21
基金项目: 河北省河湖健康评估项目；生态环境部生物多样性调查评估项目（2019HJ2096001006）；国家水体污染控制与治理科技重大专项（2018ZX07101005）
作者简介: 张宇航(1995~), 男, 博士研究生, 主要研究方向为水生态系统健康评价, E-mail: zhangyuhangdy@163.com
通信作者: 渠晓东, E-mail: quxiaodong@iwhr.com
摘要: 伴随经济的快速发展，人类活动对河流生态系统的胁迫日益强烈，生态系统健康状况受到严重威胁.以北京市河流水系为例，于2020年秋季至2021年夏季在区域内101个样点进行了4个季度的野外调查，选取涵盖水文、水质、水生生物和栖息环境质量的34个评价指标，采用主成分分析和相关分析进行筛选，利用熵权法确定各评价指标权重，构建北京市河流生态系统健康评价指标体系，并对其健康状况进行评价.结果表明，北京市河流生态系统健康评价指标体系包括：水温、流速、BOD5、NH4+-N、Cu、浮游植物密度、浮游动物密度、底栖动物Shannon指数和BMWP指数、鱼类Shannon指数和栖息地质量指数11项指标.北京市河流101个点位中，健康状态占比4.95%，亚健康占比23.76%，一般及以下占比71.29%.河流健康状况具有较强的空间异质性，北部和西部地区河流健康状况良好，而中部及东南地区健康状况相对较差.单项指标评价结果显示，北京市河流水质状况整体尚可，为"亚健康-一般"状态，生物和栖息地状况评价均为"一般-差"状态，但水文状况堪忧，为差状态.北京市各水系评价结果显示，潮白河水系健康状况最好，永定河、大清河和蓟运河水系健康状态一般，北运河水系健康状况最差.维持河流生态基流，保障河流水系连通性，改善和恢复河流栖息地环境是今后北京市河流进行生态修复与保护需要重点关注的方面.
关键词: 北京市河流      河流生态系统      评价指标体系      熵权法      健康评价     
Health Assessment of the Stream Ecosystem in Beijing, China
ZHANG Yu-hang1 , QU Xiao-dong1 , PENG Wen-qi1 , ZHANG Min1 , ZHANG Hai-ping1 , DU Long-fei1 , ZHANG Shu-chao1,2     
1. China Institute of Water Resource and Hydropower Research, Beijing 100038, China;
2. College of Fisheries and Life Science, Dalian Ocean University, Dalian 116023, China
Abstract: With economic development, the health of river ecosystems is becoming severely threatened because of the increasing effects of human activities on river ecosystems. Here, 101 sites along regional river systems in Beijing rivers were investigated from autumn 2020 to summer 2021. A total of 34 metrics, including aquatic organisms, hydrology, water quality, and habitat, were calculated to be the candidate indicators. Principal component and correlation analyses were used to select the core metrics from the candidate indicators, and the weight of each core metric was estimated using the entropy method. The integrated index of stream ecological health was constructed to assess the health condition of the Beijing rivers. The results of the PCA and correlation analyses revealed that eleven metrics were selected as the core metrics to construct the integrated index of stream ecological health, including water temperature, flow velocity, BOD5, NH4+-N, Cu, the density of phytoplankton and zooplankton, the Shannon-Wiener diversity index of macroinvertebrates and fish, the BMWP index, and the qualitative habitat evaluation index. According to the health assessment results, 4.95% of the sampling sites were healthy, 23.76% were subhealthy, and 71.29% were in a fair or below healthy state. The river health status showed strong spatial heterogeneity, and the river health statuses in the northern and western regions were relatively good, whereas the river health status in the central and southeastern regions were relatively poor. The results of four aspects stream ecosystem assessment showed that the overall water quality of the rivers was "subhealthy" and the aquatic organisms and habitat were "general poor, " but the hydrology was "poor." The evaluation results of five water systems demonstrated that the Chaobai River had the best health status, followed by that of the Yongding River, Daqing River, and Jiyun River, and the Beiyun River had the worst health status. Maintaining river ecological baseflow, ensuring river system connectivity, and improving and restoring the river habitat environment are the key aspects of river ecological restoration and protection in Beijing in the future.
Key words: Beijing rivers      stream ecosystem      evaluation index system      entropy method      health assessment     

河流生态系统是由水生生物群落和非生物环境相互作用和相互影响形成的较为稳定的生态系统[1].河流生态系统不仅是重要的自然生态系统, 也是重要的生态廊道之一, 在维系物质、能量和信息交换过程中发挥着重要的生态功能[2].然而随着社会经济的快速发展, 城市规模不断扩张和人类活动干扰引起的河流水质污染、水文节律紊乱、生境破坏和土地利用模式改变等因素, 正在导致河流生态系统遭受前所未有的威胁与破坏, 河流生态系统的严重退化已成为城市可持续发展的制约瓶颈[3].因此, 探讨有效的河流生态系统评价指标体系和评价方法, 开展河流健康状况评估, 是正确进行现状问题诊断及其未来预测和管理的需要[4].

评价指标体系的构建对于开展河流生态系统健康评价至关重要[5~7].自20世纪70年代开始, 欧盟[8]、美国[9]、澳大利亚[10]和瑞典[11]等国在河流生态健康评价体系和评价方法上取得了较大进展, 经过不断地探索和实践, 逐渐形成了包括水文、化学、生物、物理结构和社会功能等多重指标在内的健康评价体系.国内于2002年由唐涛等[12]最先对河流生态系统评价进行探索, 随后诸多学者相继开展了河流健康评价方面的研究[13~15], 其中左其亭等[16]基于水体理化指标、生态、水文、栖息地环境和连通性这5方面构建评价指标体系, 并对淮河中上游区域进行了健康评价; 郝利霞等[17]基于水质、底栖动物和营养盐这3方面构建评价指标体系, 并对海河流域进行了健康评价; 朱卫红等[2]基于水体理化指标、河岸带状况、河流形态、河流生物和水文状况这5方面构建评价指标体系, 并对图们江流域进行了健康评价; 徐宗学[1]等从水文、水质和生物这3个方面对渭河流域的健康状况进行了评价.指标体系法在上述研究中均得到了较好地展现, 通过运用多类型指标从不同角度反映河流生态健康现状, 全方位地揭示河流生态系统存在的问题, 已经成为当下河流生态系统健康评价较为理想的方向.

北京市是我国的首都, 同时也是高度城市化和强人类干扰的区域, 作为资源型缺水城市, 水资源短缺矛盾尤为突出, 河流水体与河流生境构成具有自然-人工双重属性, 加之受人工管控, 河流呈现间断性和片断性特点, 在人口基数大、城市规模扩张、水土资源不合理开发和水资源短缺等问题的累积作用下, 河流生态系统持续恶化约束着社会经济和自然生态的可持续发展[18].因此, 开展北京市河流生态系统健康评价, 识别目前河流存在的主要问题, 对于提高北京市河流生态系统质量和稳定性、维护首都生态安全具有重要的意义.目前, 针对北京市河流生态系统健康评价开展了许多研究[19~23], 但仍存在着部分不足: 在研究对象的选取上偏向于单一河流或水系, 缺乏北京市整体层面的调查评价; 在评价数据时间的选择上多以单次或季度调查数据为主, 较少利用多个季度或不同水期的数据进行评价; 在评价指标的选择上较多地将水质单独作为关键因素和生物指标, 多以单一类群为主, 忽略了河流生态系统整体性的基本特征要素.为此, 本文在改进并吸取相关指标体系的基础上, 以北京全市范围河流水体为研究对象, 采用判别能力分析、特征贡献率分析和独立性分析方法筛选评价指标, 并利用熵权法确定指标权重, 构建北京市河流生态系统健康评价指标体系并对其进行评价分析, 以期为北京市河流为代表的强人类干扰和缺水型城市的河流生态修复及河流管理提供科学的理论依据.

1 材料与方法 1.1 研究区概况

北京市范围内的河流(39.4°~41.6°N, 115.7°~117.4°E)主要由永定河、大清河、潮白河、北运河和蓟运河等五大水系组成, 五大河流串联了整个北京市的河流水系.北京市西北部为山区, 面积9 973.4 km2, 占北京市面积的60.8%, 海拔高度在1 000~1 500 m, 东南部为平原, 面积6 342.3 km2, 占北京市面积的39.2%, 海拔高度在20~60 m, 平原自西北向东南缓缓倾斜, 高度逐渐降低, 因此多数河流在东南部汇流出京[3].北运河水系主要位于城市化程度较高的中部平原区, 其他水系上游多位于山区, 中、下游则位于平原区.区域内气候属于典型的半湿润大陆性季风气候, 夏季高温多雨, 冬季寒冷干燥.2020年9月和12月、2021年4月和7月, 依据河流水系的长度、密度以人员的可到达性, 结合北京市地表水国控和市控监测断面, 对北京市河流101个监测样点进行了4个季度的调查监测(见图 1), 将各样点4次所获取的数据求平均值, 即将每个样点作为独立的样本进行数据统计分析.

图 1 北京市河流调查样点分布示意 Fig. 1 Distribution of sampling sites in Beijing rivers

1.2 水生生物样品采集与鉴定

浮游植物样品采集1 L水样, 现场用鲁哥氏液固定, 带回实验室后沉淀24~48 h, 浓缩至30 mL, 利用光学显微镜进行定量分析, 鉴定和计数参照文献[24~26].

浮游动物轮虫样品与浮游植物定量样品采集方法一致.枝角类、桡足类取不同水层水样30 L, 用25号浮游生物网过滤, 收集浓缩液30 mL, 甲醛固定后带回实验室用于镜检, 物种鉴定参照文献[27~29].

采集底栖动物样品时, 可涉水河段利用网径60目, 采样面积0.062 5 m2的Surber网进行采集, 不可涉水河段选用面积为1/16 m2改良型彼得森采泥器进行采集.每个样点取3个平行样品, 混合放入样品瓶中, 用95%的酒精进行固定保存, 转入实验室后进行样品的挑拣.物种的鉴定和计数参照文献[30~33].

采用挂网法和地笼法相结合的方法对鱼类样品进行采集, 现场进行鉴定、称量和计数, 物种鉴定参照文献[34~35].对于不确定的种类, 用10%的甲醛固定, 带回实验室后进一步鉴定分析.

1.3 环境因子测定 1.3.1 水环境因子

在水环境因子的测定中, 溶解氧(DO)在现场利用便携式多参数水质测量仪(YSI-Pro Plus)进行测定.将水样带回实验室后参照《水和废水监测分析方法》测定高锰酸盐指数、化学需氧量(COD)、生化需氧量(BOD5)、氨氮(NH4+-N)、总磷(TP)、氟化物、氰化物、铜(Cu)、锌(Zn)、硒(Se)、铅(Pb)、镉(Cd)、六价铬、砷(As)、汞(Hg)、硫化物、阴离子表面活性剂、石油类和挥发酚.

1.3.2 水文因子

流速于现场用LS300A便携式流速仪测定; 水深于现场用水位尺测量; 水温(WT)于现场用YSI-Pro Plus测定.

1.3.3 栖息地环境质量

栖息地质量状况参照郑丙辉等[36]提出的栖息地质量综合评估指数(qualitative habitat evaluation index, QHEI)进行评价.

1.4 数据分析 1.4.1 评价指标的选择与筛选

根据研究区河流特征和调查数据情况, 参考文献[1, 2, 12~17], 选取了基于水文、水质、水生生物和栖息地环境这4个方面34个参数组成的候选评价指标, 具体见表 1.评价指标要对河流生态系统变化响应敏感, 各指标相互独立, 能够全面反映河流生态系统的不同属性[22].评价指标的筛选主要包括3个步骤, 首先进行判别能力分析, 通过分析指标与河流生态系统的响应关系, 剔除掉反应不敏感的指标; 其次进行特征贡献率分析, 利用主成分分析(principal component analysis, PCA)剔除掉特征贡献率较低的指标, 即旋转后载荷值小于0.6的指标予以剔除; 最后进行独立性分析, 利用相关性分析将信息出现冗余的指标予以剔除, 以降低指标间的信息重叠程度[37].

表 1 北京市河流生态系统候选评价指标统计信息1) Table 1 Statistical information of stream ecosystem candidate indicators in Beijing

1.4.2 评价指标权重的计算

为避免评价指标权重受到主观因素的影响, 利用熵权法对各指标权重进行求解[38], 权重的计算主要包含3个步骤.

(1) 矩阵标准化

定义n个对象m个指标的初始矩阵为X.

对初始矩阵X进行标准化处理, 得到标准化矩阵R:

式中, rij为对应初始矩阵X中xij的标准化值, 0≤rij≤1.

(2) 定义熵

熵Hi定义为:

式中, Hi为第i个评价指标的熵, 0≤Hi≤1, fij为矩阵R中对应的标准化值占该评价指标标准值总和的比重, 为使ln fij有意义, 当fij=0时, 令fij ln fij=0.

(3) 定义权重

权重Wi定义为:

式中, Wi为第i个评价指标的权重, 0≤Wi≤1, .

1.4.3 评价方法与评价标准

北京市河流生态系统健康综合指数计算公式如下:

式中, H为河流生态健康综合指数值, 其值大小在0~1之间, Wi为评价指标权重, Ii为评价指标的标准化值.

将所有点位生态健康综合指数值的95%分位数定义为健康标准, 将小于该值的范围进行四等分, 确定健康、亚健康、一般、差和极差这5个等级.

2 结果与讨论 2.1 评价指标的筛选

判别能力分析结果如表 1所示.Zn、Se、As、Hg、Cd、六价铬、Pb、氰化物、挥发酚、石油类和硫化物这11个指标判别能力较弱, 对河流生态系统变化的响应不够敏感, 指标值在所有点位中的变化较小(标准差SD < 0.01), 故予以剔除.

对余下的指标进行特征贡献率分析, 首先将指标进行标准化, 利用PCA分析计算Kaiser-Meyer-Olkin检验统计值为0.747, Bartlett球度检验值为1 212.647, 相伴概率为0, 表明上述23个指标适合进行PCA分析.利用最大方差旋转法, 按照70%的累计方差贡献率提取出7个主成分, 如表 2所示.DO、氟化物、阴离子表面活性剂、水深、底栖动物BI指数、浮游植物和浮游动物Shannon指数这7个指标旋转后载荷值小于0.6, 故予以剔除.

表 2 北京市河流生态系统候选评价指标主成分分析1) Table 2 Principal component analysis of stream ecosystem candidate indicators in Beijing

对余下的16个候选评价指标进行独立性分析, 结果如表 3所示.WT、流速、Cu、浮游植物密度、浮游动物密度和QHEI与其他指标间的相关性不显著, 故这6个指标予以保留.高锰酸盐指数、COD和BOD5这3个指标两两之间显著相关, TP与NH4+-N之间显著相关, 从实际监测数据来看, BOD5和NH4+-N是限制水质类别的主要因子, 故保留BOD5和NH4+-N; 底栖动物物种数与Shannon指数、BMWP指数极显著相关, 而Shannon指数和BMWP指数在国内外水生态健康评价研究中应用较为广泛, 可从生物多样性和水体污染程度的角度判别生态系统健康状况, 故剔除底栖动物物种数指标; 鱼类物种数和Shannon指数极显著相关, 由于Shannon指数反映的生态学意义更为全面, 故保留鱼类Shannon指数.

表 3 相关分析结果1) Table 3 Results of correlation analysis

基于以上分析, 北京市河流生态系统健康评价指标体系包括11个指标, 如表 4所示.水文指标包含WT和流速2个指标, 其中WT是人类活动对水体干扰的重要表征, 其变化会直接或间接地对河流中水生生物的生理生化活动产生影响; 流速是河流水文情势的重要表征, 对于闸坝建设、渠道化和景观跌水等人类活动干扰具有良好的指示性, 是河流生境的一个决定因素, 也是影响水生生物最基本的环境因子.水质指标中BOD5、NH4+-N和Cu这3个指标可分别从不同层面反映水体的污染状况, 其中BOD5是反映水体有机污染程度的重要指标, NH4+-N是表征水体富营养化的重要指标, Cu是指示水体重金属污染的重要指标.生物指标包含浮游植物密度、浮游动物密度、底栖动物Shannon指数和BMWP指数、鱼类Shannon指数这5个指标, 浮游植物作为水生态系统重要的初级生产者, 可为其他生物类群提供能量来源, 并且对水环境变化响应敏感, 是水生态系统状况的重要指示类群; 浮游动物处于食物链的中间环节, 对水生态系统的物质循环和能量流动起着重要的作用; 底栖动物移动能力较弱, 生命周期较长, 能综合反映长期以来人类干扰对河流生态系统的扰动程度, 同时底栖动物对不同类型的污染和干扰响应敏感, 其多样性和敏感特性是水生态系统评价中常用的指标; 鱼类处于食物链顶端, 活动能力较强, 其群落组成和多样性对于维持河流生态系统稳定和完整具有重要作用; 以上4种生物类群所处生态位和营养级不同, 故可从不同层面反映水生态系统的健康状况.栖息地环境是河流生态系统的重要组成部分, 不仅可以表征河流生态系统的健康状况, 也有利于分析生态系统退化的原因.

表 4 北京市河流生态系统健康评价指标体系 Table 4 Health assessment indices of the stream ecosystem in Beijing

2.2 评价指标的权重

评价指标的熵(H)和权重(W)计算结果如下:

北京市河流生态系统健康评价指标体系如表 4所示.由各类型指标权重可知, 水文指标权重最大, 其次是生物指标、栖息地指标, 水质指标权重最小.水文指标中权重由大到小依次为流速、WT; 水质指标权重依次为BOD5、NH4+-N和Cu; 生物指标权重依次为底栖动物BMWP指数、鱼类Shannon指数、浮游植物密度、底栖动物Shannon指数和浮游动物密度.流速、QHEI、底栖动物BMWP指数和BOD5这4个指标权重相对较大, 累计权重为0.706 4, 表明这4个指标对于北京市河流生态系统健康状况具有重要的指示作用.

2.3 河流生态系统健康评价

基于北京市河流生态系统健康评价指标体系, 计算河流生态健康综合指数, 其中最小值为0.14, 最大值为0.81, 95%分位数为0.68, 故评价标准如表 5所示.

表 5 北京市河流生态系统健康评价标准 Table 5 Health assessment criteria for the stream ecosystem in Beijing

北京市河流生态系统健康评价结果如图 2所示.北京市河流整体处于一般状态, 得分平均值为0.43.基于各点位的综合分析, 健康状态的点位有5个, 占比4.95%; 亚健康有24个, 占比23.76%; 一般状态有42个, 占比41.59%; 差状态有27个, 占比26.73%; 极差状态有3个, 占比2.97%.整体上, 北京市河流生态系统健康状况具有较强的空间异质性, 北部和西部地区河流健康状况良好, 中部及东南地区健康状况较差, 究其原因, 这与北京市地形特点和人口密度分布有一定关系.北京市北部和西部属于山区, 人口密度较低, 河流基本维持自然或轻度人为干扰状态, 区域内白河、潮河和汤河等河流属于北京市饮用水源区, 河流保护受到相关管理部门高度重视, 水质基本维持在Ⅰ类和Ⅱ类水标准.此外, 北部和西部山区不仅是京津冀地区生物多样性保护的重点和热点区域, 也是北京市的生态涵养区, 作为重要的生态屏障和水源地保护区, 区域内的云蒙山、云峰山和白河堡等众多自然保护区, 对河流生态系统起到了重要的保护作用.北京市中部和东南地区河流位于平原区, 区域内人口稠密, 产业集中, 是北京市发展程度最高、发展速度最快的地区, 河流严重受到人类干扰影响, 虽然近年来水污染防治力度加大, 水环境质量稳步提升[39], 但本次调查显示, 部分河段仍存在Ⅴ类和劣Ⅴ类水现象, 水污染形势依然严峻; 由于城市排水和防洪需要, 河流受人工管控[40], 水体间歇性与片段性流动, 河流水体的连通性差, 河道渠化使得生境异质性丧失, 栖息地退化严重, 进而对水生生物产生负面影响, 生物多样性降低, 耐污类群成为优势类群, 导致中部和东南地区河流健康状况处于较差状态.

图 2 北京市河流生态系统健康评价结果 Fig. 2 Health assessment results for the stream ecosystem in Beijing

2.4 河流生态系统单项指标健康评价

北京市河流生态系统单项指标评价结果如图 3所示, 水文状况处于健康状态的点位占比仅为4.95%, 差和极差状态占比达71.29%, 表明北京市河流水文状况堪忧.水文健康状况空间差异显著, 北部山区河流水文状况良好, 中部、南部和东部地区河流水文状况较差.水文状况由流速和水温两个指标决定, 其中流速指标权重为0.2856, 在水文状况评价中提供了最多信息, 对最终评价结果贡献最大.山区河流由于地形原因, 坡降较大, 水利工程建设少, 河流连通性良好, 水体基本维持着较高的流速状态; 平原区河流出于城市防洪排涝和营造滨水景观的需求, 形成了多闸坝和人工调控的水利格局, 有研究表明[41], 仅北运河干流具有防洪节制闸17座, 橡胶坝9座, 闸坝密度约为0.14个·km-2, 其中上中游段闸坝分布较多, 闸坝密度为0.22个·km-2, 下游段0.12个·km-2, 闸坝等水利工程对河流造成的非连续性生态水文情势异变, 严重影响了河流的生态健康.水温是河流生态系统变化的重要驱动因子, 水温的高低会直接或间接对生态系统中生物群落和非生物环境产生影响[42].北京市城区经济较为发达, 大量人口聚集导致生活用水量和排污量巨大, 天然径流被山前水库拦蓄, 市区污水处理厂退水和城市下游纳污河道排水成为城区河流主要补给来源, 水体中多余的热量使得受纳水域水温升高, 河流水体的理化属性和水生生物结构发生改变, 极大影响了河流的健康状况.

图 3 北京市河流生态系统单项指标健康评价结果 Fig. 3 Health assessment results for the stream ecosystem on four aspects in Beijing

水质状况评价显示亚健康及以上状态的点位有68个, 占比67.33%, 差和极差状态占比9.9%, 表明北京市河流水质状况尚可, 但部分区域水污染形势依旧严峻.水质状况较差的区域主要位于北京市平原城区, 河流两岸土地利用方式的变化导致下垫面属性发生改变[43], 不透水面积增加, 陆域上的污染物随降雨径流汇入河道, 加之污水处理厂未完全消除的污染物和纳污河道排水, 平原区河流成为污染物的汇集区[40]; 此外平原城区较差的水体连通性, 导致水体换水周期延长, 进一步加剧了水污染程度.

生物状况和栖息地状况评价结果均为“一般-差”状态, Raven等[44]研究表明河流的栖息地特征和生物多样性是紧密相关的, 栖息地的质量和数量影响生物群落的组成和结构, 是水生生物群落潜力的一个主要决定因素, 故评价结果二者较为接近.空间上, 二者均呈现北部和西部山区河流相对较好, 中心城区、房山和大兴等区域的部分河流较差, 这些区域为提高河道的过水能力和堤岸稳定性, 满足城市防洪、排水和景观等功能需求, 河道渠化现象普遍, 水体对河床的冲刷作用增强, 栖境异质性和稳定性丧失, 水生生物的群落组成依赖于河流生境的多样性和稳定性, 较差的栖息地环境致使生物完整性降低.同时由于闸坝调控, 水体流速缓慢, 污染物在河道内汇集、沉积并导致水质恶化, 耐污类群占据优势地位, 生物多样性降低.值得注意的是, 平原区经过生态修复后的河流栖息地状况良好, 例如凉水河和温榆河上游, 河道内水生植物丰富, 生境类型多样化, 河流生物多样性得到了很大程度的改善[39].因此, 改善和提升北京市平原区河流栖息地环境, 修复受损生境是进行生物多样性保护与恢复的重要举措.

2.5 北京市五大水系生态系统评价

北京市五大水系生态系统健康评价结果如图 4所示.五大水系中潮白河水系的健康状况最好, 为亚健康状态, 得分为0.55, 其次为永定河、大清河和蓟运河水系, 均为一般状态, 得分分别为0.44、0.38和0.36; 北运河水系健康状况最差, 为差状态, 得分为0.33.潮白河水系地跨山区和平原区两种地貌类型, 其健康状况空间差异显著, 上游山区白河、潮河健康状况良好, 区域内河流属于地表水源区, 人类干扰程度较低, 河流的水文、水质、生物和栖息地状况均处于较好的状态.自密云城区汇合之后的潮白河健康状况较差, 属于再生水补给型城市河流[18], 水质状况相对恶劣, 普遍的渠化现象导致栖息地异质性丧失, 闸坝众多, 水体连通性降低, 下游区水文、水质和栖息地状况的严重受损, 共同导致了生物状况处于较差状态.

图 4 北京市五大水系健康评价结果 Fig. 4 Health assessment results for the five major water systems in Beijing

永定河水系健康状况从上游到下游呈现逐渐变差的趋势, 上游山峡段健康状况良好, 随着人类干扰强度不断增大, 下游平原段健康状况较差.永定河水系是北京市的生态屏障和生态涵养区, 一直以来流域内存在水资源短缺问题, 导致河流生态状况退化严重, 曹宸等[23]于2018年对永定河水系健康状况进行评价, 结果显示永定河水系整体处于“差-较差”状态.自2019年开始, 永定河启动生态补水增加水量以求改善流域整体的生态状况, 本次评价显示永定河水系整体处于一般状态, 表明生态补水措施有效改善了永定河水系的生态状况.水系内的水质和栖息地状况相对较好, 均为亚健康状态, 生物状况为一般状态, 由于生态补水的间歇性, 削弱了河流水文的连续性和稳定性, 导致水文状况整体偏差.因此, 维持河流生态基流, 保障河流水系连通性是提高永定河水系生态系统健康的前提和关键因素.

大清河水系整体处于一般状态, 区域内拒马河生态状况良好, 其山区段位于自然保护区内, 水质良好, 水量充沛, 栖息地状况基本维持天然状态, 生物多样性较高, 平原段受到闸坝等水利工程建设的影响, 河流健康状况相对较差; 大石河和小清河等平原区河流, 由于河流水源不足和人工截流呈现季节性断流, 加之河流属于景观排涝降污河流[23], 承接再生水, 河流水质较差, 严重影响了河流的健康状况.因此保证河流生态基流, 减少污染物入河量是缓解和改善大清河水系平原段河流健康状况的关键.

北运河水系在五大水系中处于最差状态, 这与水系所处的地理位置和河道所承担的功能有一定关系.北运河水系范围覆盖北京市9个区, 北京七成以上人口在此流域内工作生活, 是北京市人口最多、城市化水平最高的流域[22], 河流严重受到人类活动干扰影响, 区域内河道每年承纳北京市区约90%的排洪量[45], 天然水陆生境破坏严重, 生态系统健康状况整体性偏差, 急需采取有效措施弥补或缓解北运河水系生态系统恶化趋势.

蓟运河水系评价结果虽为一般状态, 但濒临差状态, 健康状况仍不容乐观, 尤其是水文状况处于极差状态.究其缘由, 调查期间泃河处于大规模河道整治阶段, 短期内人工构筑河流方式对水体流动性产生了极大影响, 许多河流沟道由于河水静滞或断流导致无法发挥水体的自净能力.此外蓟运河水系多数河道补水为污水处理厂退水[18], 河流中自然径流与再生水间极不协调的比例, 远远超出河流自净能力上限, 加之沿岸的粗放型农业和居民生活废水排放对水质产生较大的影响, 进而致使有水河段生物群落以耐污种为主, 无水河段间歇性出现耐污种, 进一步限制了河流健康状况的改善.因此, 适当释放水系上游库区截留水量, 调配区外清洁水体, 提升河流水体自净能力是恢复蓟运河水系健康状况的前提与基础.

综上所述, 河流生态基流不足、部分河段污染物超标、富营养化和水生生物栖息地质量下降, 导致的水生生物完整性退化, 是当前北京市河流存在的主要问题.以往北京市河流生态系统健康评价的研究中[19~23], 河流采样的频次相对较少, 采样点的密度相对较低, 考虑到野外监测的随机性以及河流水文过程和水生生物群落随季节的变化状况, 本研究将同一监测位点不同季节的数据作为独立样本进行处理, 有效避免单次采样数据评价的片面性, 同时利用较高的采样点密度, 有助于筛选和校验出更准确的评价指标, 提高评价体系的准确性.利用熵权法计算指标权重, 排除了主观因素的影响, 使各指标之间的重要性更贴近于客观情况, 本研究评价体系水文指标所占权重最大, 表明水文状况对现阶段北京市河流生态系统具有相对重要的指示作用, 北京市整体评价结果与水文状况评价结果较为一致的空间分布规律证明了此点.虽然本研究在时间和空间尺度上获取了相对完整的数据, 但河流生态系统是一个动态系统, 而且随着近年来水环境和水生生物栖息地的不断改善, 北京河流生态系统的健康状况正在发生快速的演变, 在未来的研究中通过开展长序列的水生态监测和评估工作十分必要, 可以更加准确掌握北京市河流生态系统健康状况的演变过程和规律, 为我国北方地区重度扰动的缺水型河湖生态修复提供重要的数据支撑.

3 结论

(1) 北京市河流生态系统健康评价指标体系包含水温、流速、BOD5、NH4+-N、Cu、浮游植物密度、浮游动物密度、底栖动物Shannon指数和BMWP指数、鱼类Shannon指数和栖息地质量指数等11项指标, 4类指标权重大小依次为水文指标、生物指标、栖息地指标和水质指标.

(2) 北京市河流健康状况整体为一般状态, 其中健康状态的点位有5个, 亚健康有24个, 一般状态有42个, 差状态有27个, 极差状态有3个.空间上, 北京市河流健康状况空间差异显著, 北部和西部地区河流健康状况良好, 中部和东南地区河流相对较差.单项指标评价显示, 北京市河流水文状况堪忧, 处于差状态; 生物状况和栖息地状况为“一般- 差”状态; 水质状况整体尚可, 为“亚健康- 一般”状态.

(3) 北京市五大水系评价结果显示潮白河水系为亚健康状态, 但健康状况空间差异显著, 白河、潮河等上游区河流健康状况良好, 下游区潮白河相对较差; 永定河水系为一般状态, 健康状况从上游到下游具有明显的下降趋势, 维持河流生态基流, 保障河流水系连通性是改善永定河水系健康状况的前提与关键因素; 大清河水系为一般状态, 空间上, 拒马河生态状况良好, 大石河和小清河等平原河流生态状况较差, 保证河流生态基流, 减少污染物入河量是缓解和改善大清河水系健康状况的关键; 北运河水系健康状况为差状态, 开展河流生态修复工程, 改善和恢复河流栖息地环境可能是北运河水系河流生态系统修复与保护需要重点关注的方向; 蓟运河水系为一般状态, 但濒临差状态, 适当释放水系上游库区截留水量, 调配区外清洁水体, 提升河流水体的自净能力是恢复蓟运河水系健康状况的前提与基础.

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