漢江中下游生態系統健康評價指標體系構建及其應用

粟一帆,李衛明,艾志強,劉德富,朱澄浩,李金京,孫徐陽

三峽大學水利與環境學院,宜昌 443002

河流生態系統是最重要的自然生態系統之一,作為陸地生態系統和水生態系統的樞紐,在物質、能量和信息的交換過程中,發揮著重要的作用[1-2]。水利水電工程在取得巨大社會和經濟效益的同時,對河流生態系統產生了一系列生態環境問題,水華、黑臭水體、生態流量不足等問題日益突出[3-4]。水利水電工程開發等人為影響下的河流生態系統健康問題一直受到學術界的高度關注,但目前尚未得到很好解決。如何合理評估受人類影響的河流健康狀況,盡可能減小水利水電工程開發對河流生態系統的不利影響,是河流管理的重要內容之一。

河流生態系統健康評價過程中,指標評價體系的構建至關重要。國外在20世紀后期建立了不同的指標評價體系用于河流健康評價。如英國在1984年提出了河流無脊椎動物預測和分類計劃[5],瑞典在1992年提出了岸邊與河道環境細則[6],澳大利亞在1999年根據河流水文、形態、河岸帶等特征提出了溪流健康指數[7]等。我國在研究初期較多的借鑒國外評價體系進行河流健康評價,如楊蓮芳[8]應用生物多樣性指數評價了安徽九華河水系的健康狀況。近年來部分學者依據不同的指標歸類標準,建立了各自的河流指標評價體系進行河流健康評價,如鄧小軍[9]構建出包含自然生態、社會經濟和景觀環境等3個方面24個指標的城市河流健康評價指標體系,對漓江市區段進行健康評價；顧曉昀[10]選取涵蓋水生生物、水文、水質和棲息地的22個評價指標,構建了北運河河流生態系統健康評價指標體系進行健康評價；李衛明等[11]構建了包含水文、物理結構、化學、生物、服務等指標的評價體系對水電開發下的雅礱江下游進行了健康評價。

綜上所述,雖然國內外已經構建了很多評價指標體系,但存在評價指標歸類標準不明確,指標歸類錯綜復雜的問題；缺乏對水利工程造成的非連續性河流進行健康評價研究以及指標權重分配過于主觀或客觀的問題,導致評價體系不能廣泛應用。因此,亟待建立一套評價指標分類合理、適用于非連續性河流和指標權重分配合理的評價體系。

漢江是長江最大的支流,流域內建有丹江口、崔家營等梯級水庫[12],是南水北調中線工程取水源地。近年來漢江出現了水質惡化現象,下游水華頻發。為此,本文選取漢江污染較嚴重的中下游為研究對象,通過探討河流生態系統健康的內涵,嘗試從生態系統的整體性、穩定性、可持續性3方面構建漢江水域生態健康指標評價體系,采用頻次分析和相關分析篩選河流生態系統健康評價指標,基于最小二乘法和熵系數法建立綜合指標權重體系進行評價分析,以期為漢江生態系統的管理和恢復提供科學依據。

1 材料與方法

1.1 研究區域概況

漢江是長江最大的支流,干流全長1577 km,流域面積為17.43萬km2,位居長江水系各流域之首。流經陜西、湖北兩省,在武漢匯入長江。湖北省丹江口以上為漢江流域上游,河谷狹窄,長約925 km；丹江口至鐘祥為中游,河谷較寬,沙灘多,長約270 km；鐘祥至漢口為下游,長約382 km。流域內規劃建設多個電站,自上至下依次為丹江口—王甫洲—新集—崔家營—雅口—碾盤山—興隆7個梯級樞紐,王甫洲水電站、崔家營水電站和興隆水電站分別于2000年、2010年和2014年建成投入使用；丹江口水庫作為南水北調中線工程水源地,于2014年正式開始供水。為探明水利工程對漢江中下游(圖1)生態健康的影響,本文選取湖北省水網例行監測斷面和沿河水文站共12個代表監測斷面的數據進行分析,斷面布置情況及名稱見圖1。

圖1 漢江中下游研究區域圖Fig.1 Research Area of the middle and lower reaches of the Hanjiang River#1為黃家崗水文站；#2為襄陽白家灣；#3為襄陽余家湖；#4為鐘祥斗轉；#5為鐘祥皇莊；#6為皇莊水文站；#7為沙洋水文站；#8為天門羅漢閘；#9為天門岳口；#10為潛江澤口：#11為仙桃水文站；#12為漢口水文站

1.2 河流生態系統健康評價指標體系構建

1.2.1生態健康河流內涵

由于漢江中下游同時受梯級水庫和南水北調工程的影響,常用的以水文情勢、河岸帶結構、水質、水生生物等為分類標準的指標體系[13-14]不能很好的適用,有必要將河流生態系統當作一個整體[15-16],從生態系統的整體性、穩定性、可持續性3個固有特性出發,定義合理的要素層,并統一指標層和要素層隸屬標準,以便建立適合情勢復雜河流的健康評價指標體系。

健康的河流生態系統應該是具備良好的整體性,能夠維持較高的穩定性,并能實現良好的可持續性[16-18]。然而,隨著經濟社會的發展,人類在自然河流上進行梯級水電開發和進行調水工程,已成為水資源獲取的重要途徑。水利工程建設后,首先是水生態系統的整體性受到影響,大壩的建設對洄游魚類產生阻隔影響,水文情勢的改變導致生物棲息地面積減少；其次,河流的穩定性也受到影響,生態系統變得脆弱,受到外界干擾后的抵抗能力和恢復能力明顯減弱；同時生物多樣性的減少也會影響生態系統的可持續性。因此,健康的河流生態系統應從整體性、穩定性及可持續性三個方面表征生態系統健康狀況。

(1)整體性

生態系統的整體性具有完整的結構、行為和功能,它由生態系統組分的多樣性、差異性和相關性三個要素構成[19-20]。健康的水生態系統并非原始未經擾動的生態系統,但它必須是相對完整的[21]、仍具有與原生態系統類似結構和功能,其生境具備繁雜的異質性。董哲仁[22]提出了河流生態系統結構和功能整體性模型,并將水文情勢、水力條件和地貌景觀格局作為生態系統整體性的基本特征要素。

(2)穩定性

生態系統穩定性存在兩個方面：一是系統保持現行狀態的抵抗干擾能力,二是系統受擾動后恢復至擾動前狀態的恢復能力[20-23]。即用生物群落、物種個體及其生境恢復速度與恢復程度衡量[23-24]。柳新偉等[25]認為生態系統的穩定性是處于生態閾值內的生態系統的敏感性及恢復能力,其中敏感性與上述抵抗干擾能力的意思相近,反映的是同一特征。

(3)可持續性

生態系統的可持續性即生態系統長時間維持其內在組成成分、組織結構、功能的動態健康及發展進化的潛在(和顯在)的能動性的總和[21]。可持續性是生態系統健康的充分條件,也是生態系統的內在特征[26]。生態系統的可持續性可用生態整合性、活力及組織力3個特征要素表征。

根據上述關于河流生態系統整體性、穩定性及可持續性的定義,具體的指標分類標準見表1。

表1 河流生態系統健康指標分類標準Table 1 River ecosystem health indicators classification criteria

1.2.2評價指標的選擇與篩選

查閱并分析了1970—2017年以來國內外關于河流健康、生態河流、河流生態系統相關的237篇期刊論文,按照表1的指標分類標準進行分類,共獲得3類71個指標。其中整體性指標有34個,包括水深、岸坡坡度、輸沙量等；穩定性指標有18個,包括BOD、pH、經濟魚類存活狀況、大型底棲動物存活狀況等；可持續性指標有19個,包括DO、底棲動物Shannon-Wiener多樣性指數、浮游植物Shannon-Wiener多樣性指數等。

對71個指標進行篩選,篩選原則：1)能全面反映河流生態系統的各種屬性；2)指標能及時反映生態系統的各種變化；3)指標間的獨立性。篩選的步驟包括頻次分析和獨立性分析。頻次分析是通過頻次分析法篩選指標體系,將所有文獻中的指標體系進行統計分析,得出每個指標的使用頻率,設置合適的篩選頻次,將超過該頻次的指標作為篩選結果,采用Excel 2016進行頻次分析；獨立性分析是通過設置相關系數|r|>0.75為闕值,以Pearson相關性分析法篩選出相互獨立的指標。采用SPSS 22進行Pearson相關性分析。

1.2.3評價指標權重的計算

為了避免評價指標權重過于主觀或客觀的問題,建立了將最小二乘法主觀權重模型和熵系數客觀權重模型集成的綜合權重求解模型[27]。

首先定義一個折衷系數β(1≥β≥0),通過最小二乘法主觀決策矩陣F和熵系數客觀決策矩陣C構建綜合決策矩陣Q,Q=βF+(1-β)C,其中

qii=βfii+(1-β)ciii∈[1,n]

(1)

qij=βfij,i≠j且i,j∈[1,n],

(2)

則綜合權重模型可表示為

(3)

求解得

w=Q-1e/eTQ-1e

(4)

1.2.4評價標準與評價方法

本文選用賦分法中的四分法進行河流健康評價[28],四分法評價標準見表2。具體方法是,利用SPSS 22軟件對各指標數據集的均值、標準差、最小值、最大值及5%、25%、50%、75%、95%五個分位數進行統計,對比四分法的評價標準對指標進行賦分。將指標總分五等分,構建出河流健康評價標準,分值從大到小依次分別代表河流生態系統健康等級為自然狀態、健康、亞健康、不健康和病態。

表2 四分法評價標準Table 2 Quartile evaluation criteria

根據構建的漢江中下游生態系統健康評價指標體系,計算河流生態健康綜合指數：

(5)

式中,H為河流生態健康綜合指數,Wi為評價指標權重指標,Ii為評價指標標準化值。

2 結果

2.1 評價指標的篩選

依據1.2中的相關規定,選擇10%作為篩選頻次,對候選評價指標進行初步篩選,指標中的魚類生物多樣性指數、底棲動物多樣性指數等均指的是Shannon-Wiener指數,下文均簡稱為多樣性指數,結果如圖2。對于整體性指標,輸沙量變化和懸移質變化均反映河流的水力條件,但考慮到漢江中下游水流較平緩,選取輸沙量作為水力評價指標。對于穩定性評價指標,大型底棲無脊椎動物存活狀況、經濟魚類存活狀況、納污性能指數、珍稀魚類存活狀況都可以用來表征河流生態系統的抵抗力,但大型無脊椎動物存活狀況因采樣方法或調查方式的不同而差異較大,屬于不穩定指標,因此不予考慮；納污性能指數是一個定義不夠明確的指標,難以定量考量,因此不作為評價指標；珍稀特有魚類存活狀況和經濟魚類存活狀況均可反映一個區域的干擾程度,考慮到數據的可得性,選擇經濟魚類存活狀況作為評價指標；富營養化狀況、pH、水功能區水質達標率3個指標可以反映河流水生態系統的恢復狀況,pH的變化雖可以反映水質的恢復狀況,但不夠全面,予以剔除。對于可持續性指標,魚類數據、底棲動物數據、浮游藻類數據均可表征河流的可持續性,但對于大型流域,底棲動物和浮游藻類存在采樣較繁瑣、分類鑒定復雜、歷史數據系列不完整等缺陷,故選擇魚類物種數和魚類生物多樣性指數作為評價指標；自維持活力是水生態系統中生物保持生態系統活躍、物質交換過程的因素,一般考慮生物的生存狀態,因而選擇DO和生態流量保障程度作為評價指標。最終篩選出13個初選指標,初選指標見表3。指標計算方法見表4。

采用barbour[29]提出的以相關系數|r|>0.75 表示2個指標具有高度的相關性原則,對余下的13個指標進行Pearson相關性分析,分析結果如表5所示。

圖2 指標分類及引用頻率Fig.2 Index classification and citation frequency

表3 漢江中下游生態系統健康評價指標初選體系Table 3 Primary ecosystem health evaluation index system of Hanjiang River

Pearson相關性分析結果表明,水位變化與生態流量保障程度、水位變化與魚類Shannon-Wiener多樣性指數、富營養化狀況與水功能區水質達標條件的相關系數均大于0.75,存在較高的相關性(表3)。生態流量保障程度是河流健康的重要影響因子之一,同時魚類Shannon-Wiener多樣性指數在河流健康評價中應用更廣,因此剔除水位變化指標；富營養化狀況和水功能區水質達標率均能反映河流的穩定性,但鑒于水體富營養化狀況更能揭示河流水華爆發的原因,因此剔除水功能區水質達標條件指標。根據上述分析,漢江中下游生態系統健康評價指標體系見表6。

表4 漢江中下游生態系統健康評價指標計算方法Table 4 Ecosystem Health Evaluation Index calculation method of Hanjiang River

表5 相關分析結果Table 5 Results of Spearman and Pearson correlation analysis

**P<0.01

2.2 評價指標的權重

利用Matlab 2014a計算出最小二乘法和熵系數法權重模型的決策矩陣,依據建立的綜合權重模型,設折中系數為0.5,進行評價指標權重計算,計算結果見表7。

表6 漢江中下游生態系統健康評價指標體系Table 6 Ecosystem Health Evaluation Index System of Hanjiang River

表7 指標權重計算結果Table 7 The Result of Index Weight

2.3 評價方法與評價標準

根據統計的各指標數據集的均值、標準差、最小值、最大值及5%、25%、50%、75%、95%五個分位數與四分法的評價標準進行對比,得到四分法評價標準表見表8。

表8 指標評價標準Table 8 Index evaluation criteria

評價指標共有11項指標,每項指標最高得8分,因此總分為88分,將總分五等分構建出河流健康評價標準,漢江中下游生態系統健康評分等級劃分見表9。

表9 漢江生態系統健康評價等級劃分Table 9 River Health Assessment Evaluation Criterial of Hanjiang River

2.4 河流生態系統健康評價結果

2.4.1數據來源

漢江中下游健康評價所需數據主要來源于水利部長江水利委員會的《長江流域及西南諸河水資源公報》(1998—2016年)、襄陽市環境保護局的《漢江水質月報》(1998—2017年)、湖北省多年的《重點城市集中式飲用水源地水質月報》(1998—2017年)、《湖北省水資源公報》(1998—2017年)、《湖北省環境健康公報》(1998—2017年)、《湖北省統計年鑒》(1998—2017年)和沿河的12個監測斷面的多年站點數據。

2.4.2評價結果

本文以丹江口大壩蓄水前(1969—1972年)的多年月平均數據為歷史狀態參照,選擇1998年(歷史參照年)、2012年(崔家營水庫使用后兩年)及2017年(南水北調中線工程通水后3年)3個典型年份作為評估年,依據上述建立的河流生態系統評價體系對漢江中下游進行河流健康評價。

根據建立的評價體系,漢江中下游河流生態系統健康評價結果如圖3。1998年漢江中下游12個監測斷面中,3個斷面處于健康等級,占25%；5個斷面處于亞健康等級,占41.7%；4個斷面處于不健康等級,占33.3%,健康狀況呈沿程降低的趨勢。2012年2個斷面處于健康等級,占16.7%；4個斷面處于亞健康等級,占33.3%,6個斷面處于不健康等級,占50%,不健康斷面數相對于1998年有所增加,河流健康狀況有所下降。2017年1個斷面處于健康等級,占8.3%；3個斷面處于亞健康等級,占25%；8個斷面處于不健康等級,占66.7%,不健康等級斷面數持續增加,漢江中下游健康狀況有進一步惡化的趨勢。

為探明漢江中下游健康狀況在流域上的表現,利用ArcGIS 10.2的反距離插值工具(Inverse Distance Weighted,IDW)對漢江中下游河流生態系統健康指數進行插值計算,得到該結果在漢江中下游的分布狀況如圖4所示。從整個流域來看,漢江中下游河流生態系統健康狀況具有明顯的空間異質性,健康等級較高的地區主要分布在丹江口及以上地區,河流健康狀況沿程降低。1998年不健康的區域大致分布在潛江及以下地區,2012年不健康的區域有所增加,接近鐘祥地區,至2017年,不健康的區域持續增加。

圖3 漢江中下游河流生態系統健康評價結果Fig.3 Ecosystem Health Assessment Results of Hanjiang River

圖4 綜合健康指數插值結果Fig.4 Comprehensive health index interpolation results#1為黃家崗水文站；#2為襄陽白家灣；#3為襄陽余家湖；#4為鐘祥斗轉；#5為鐘祥皇莊；#6為皇莊水文站；#7為沙洋水文站；#8為天門羅漢閘；#9為天門岳口；#10為潛江澤口：#11為仙桃水文站；#12為漢口水文站

3 討論

總體來說,漢江中下游流域的健康狀況呈現出明顯的空間異質性,且健康狀況逐年降低。漢江中下游河流健康狀況沿程降低,中游健康狀況普遍好于下游。由于漢江中游兩岸高山聳立、峽谷多,河流河道曲折多變,水流急,水量大[30],污染物隨水流運動,不易聚集,大多向下游傳播,或被沿岸植被固定,以致出現河流健康狀況沿程降低的狀況；另一方面,自丹江口大壩加高后,丹江口水庫水域面積達1022.75 km2,蓄水量達290.5億m3,為壩后區域提供了豐富的水資源[12],因此中游區域健康狀況相對較好；而下游地區靠近長江入河口,河面寬,河流流速降低[31],沿河污染物大量聚集加劇了水華爆發的可能性；同時周邊城市如武漢、襄陽等近年來發展迅速,加快的城市化進程嚴重影響河流健康狀況；并且隨著南水北調、梯級水庫的修建運行[32-33],河流水資源量較少,河流連通性遭到破壞,漢江中下游健康狀況逐年降低。

從評價結果可以看出,1998年漢江中下游的整體健康狀況相對于其他年份較好,不健康等級的斷面占33.3%,且多集中于長江入河口的區域,這與1998年漢江水華從武漢逆流而上,至襄陽趨于正常的現象相一致[30]。分析發現出現這種狀況可能與長江的頂托作用有關[31]。丹江口水庫建庫后對漢江的洪峰起了調蓄作用,改變了漢江和長江的兩江的洪峰遭遇情況,兩江洪峰錯開,加大了長江頂托作用的時間和范圍,下游地區流速變緩,河流趨近靜態,營養物質淤積,河流呈現不健康狀態；近期有學者研究表明,長江干流對支流的“倒灌”作用形成的倒灌異重流[34-35],亦是引起支流水華的重要因素之一。

2012年漢江的河流健康狀況相較于1998年有所下降,襄陽范圍已處于亞健康狀態,不健康區域已由潛江上移至鐘祥附近。分析發現,漢江中游地區健康狀況下降的原因主要與丹江口水庫加高工程的實施和王甫洲及崔家營水庫的建成運行相關[36]。丹江口水庫加高后,水庫正常蓄水位從157 m提高至170 m,高速的下泄水流帶來氣體過飽和的問題[37],下游魚類由于氣泡病的影響大量死亡,魚類物種和存活率下降；同時下泄的低溫水導致魚類產卵場向下游水溫高的區域遷移,繁殖量減小,破壞了壩下底棲動物、浮游生物的適宜生態環境；另一方面,隨著王甫洲和崔家營水電站投入使用,幾十公里的回水區將漢江分隔成湖泊型河流,水流變成靜態水[38],大量研究表明,水華的爆發是充足的陽光、充足的營養鹽、適宜的水溫、緩慢的水流綜合作用的結果[39],梯級水庫的運行利于污染物的淤積和藻類的生長[40-41]。漢江下游不健康區域增進的原因,可能是由于梯級水庫建成后,攔蓄了大量的水流,下游水資源量減少,河流健康狀況下降；同時沿河流經湖北鐘祥市、天門市、武漢市等人口聚集地,是湖北境內經濟發展最快的區域。沿河工業廢水和生活污水的無序排放、農業過度施肥等,造成大量污染物匯集入河流,水體富營養化嚴重,水華現象頻發。

2017年漢江的河流健康狀況相對其他兩個評估年進一步下降,不健康區域持續上移,接近襄陽地區,潛江以下區域健康程度持續下降,但下降趨勢有所減緩。分析發現,漢江中下游不健康區域上移的現象可能主要與南水北調中線工程和興隆水庫建成運行相關。大量研究表明,引水工程會對流域的地下水位、生物多樣性以及生物生境造成影響[42-43],丹江口水庫為南水北調中線水源地和渠首所在地,漢江干流也是南水北調的備用水源地。工程的運行調用了丹江口水庫部分蓄水,導致下泄流量減少,下游水環境容量降低,平均水位下降,多年平均流量減少,對灌溉和取水有利的中水歷時大幅下降；興隆水電站正常蓄水位36.2 m,水庫總庫容4.85億m3,回水區段近70多公里。興隆水電站的修建,形成了漢江中下游丹江口-王甫洲-崔家營-興隆為主的四級水庫,河流連通性大幅降低,生態流量無法保障,水生生物棲息地遭到破壞,河流富營養化現象嚴重。潛江以下區域相對于興隆壩上區域健康狀況下降趨勢減緩,可能與引江濟漢工程[44]的實施相關。引江濟漢工程自2010年開工到2014年通水以來,極大緩解了南水北調后漢江中下游水量減少的矛盾,潛江以下河段水資源量得到補充,河流活性恢復,打破了以往的靜水狀態,破壞了水華爆發的必要條件,河流的自凈能力得到有效恢復,減少了N、P等營養鹽的富集。且近年來的一系列諸如“一河一策”、“長江大保護”等相關政策和漢江閘站整治等工程對漢江中下游河流生態恢復也起了積極作用。

近年來,國內眾多學者針對漢江中下游生態健康開展了一系列研究。李柏山[30]構建基于綜合健康指數法流域生態系統健康評價指標體系,選取2001—2010年數據對漢江流域進行健康評價。結果表明漢江生態處于不健康狀態,其結果與本研究基本一致。陳燕飛等[45]采用季節性肯達爾檢驗法對漢江中下游溶解氧等5個水質指標進行檢測和預測,結果表明漢江中下游水質呈現沿程下降的趨勢,評價結果與本研究基本相當。本研究構建的漢江中下游健康評價指標體系具有分類明確、客觀,指標數據易獲得等特點,可以快速、準確評價出河流所處的健康狀況。水利工程對河流造成的非連續性生態水文情勢異變,嚴重影響了河流的生態健康,僅從水文、水質、水生生物等幾個方面開展健康評價已無法滿足要求,從河流生態系統的整體性、穩定性和可持續性探討河流健康,將會是未來研究的發展趨勢。

4 結論

(1)基于生態系統健康內涵構建出包含整體性、穩定性及可持續性3個方面的生態系統健康河流評價指標體系,采用頻次分析法和相關性分析法對指標進行篩選,并用最小二乘法和熵系數法相結合的綜合權重模型確定各評價指標權重。以受筑壩和調水工程影響的漢江中下游為例進行了河流健康評價,評價體系具有一定的可行性。

(2)漢江中下游流域的健康狀況呈現出明顯的空間異質性,且健康狀況逐年降低。靠近丹江口水庫的區域較好,越往下游越差。不健康區域逐年增進,2017年已接近襄陽附近。

(3)隨著“長江大保護”、“河湖長制”等政策的提出,引江濟漢等治理措施的實施,漢江下游潛江-武漢段的健康狀況下降趨勢減緩。然而由于梯級水庫、調水工程的建設,漢江中下游的健康依舊存在風險。

致謝：李瑞萍教授幫助寫作,特此致謝。