流域生態環境狀況評價指標體系構建與應用
——以柳江流域為例

周雪欣，趙曉晨，葛曉霞

(珠江水資源保護科學研究所，廣州 510635)

2015年原環境保護部發布了《生態環境狀況評價技術規范》(HJ 192—2015)[1]，該技術規范在生態環境狀況評價中得到了廣泛應用[2-4]，但從流域層面考慮，規范提出的部分評價指標難以精確按研究區進行拆分，生物豐度指數、水網密度指數、土地脅迫指數等指標計算均與土地利用相關，指標間相關性較強，攜帶的信息量有限，各項評價指標權重唯一，評價結果可能與流域實際生態環境狀況存在偏差。近年來，遙感和地理信息技術的迅速發展，為區域生態環境評價提供了新思路。如張寒等[5]通過計算地表纓帽變換濕度分量、歸一化干度指數、地表溫度、歸一化植被指數，運用主成分分析法構建遙感生態指數評價南充市生態環境質量；孫彩霞等[6]通過提取遙感影像數據，并結合土地覆被數據、空氣質量數據等得到 5個評價指標，利用主成分分析法對阜新市2000—2018年生態環境的變化趨勢進行評價；王軍偉[7]利用層次分析法建立安慶市生態環境的評價指標體系，確定各個指標的權重，通過GIS技術對各指標數據進行可視化的表達。2020年水利部發布了《河湖健康評估技術導則》(SL/T 793—2020)[8]，為河湖健康評估提供了技術指導，同時也為水生生態環境評價提供了參考。專家學者圍繞生態環境評價及河湖健康評估的指標體系、方法模型等問題進行了大量的研究[9-18]，但大多偏重于陸生或水生生態環境狀況，如何統籌考慮陸生、水生生態，對流域生態環境狀況進行科學評價仍是目前亟待解決的問題。

本研究通過選取5項陸生生態評價指標、6項水生生態評價指標，構建流域生態環境狀況評價綜合指標體系，采用組合賦權法確定各項指標權重，利用綜合指數法評價流域生態環境狀況。以柳江流域為實例，結合實地調查數據及遙感、GIS技術，開展各項指標計算，將評價過程及結果可視化，綜合評價分析柳江流域生態環境狀況，為流域開發及保護提供參考。

1 指標體系和評價方法

1.1 指標體系構建

參照《生態環境狀況評價技術規范》(HJ 192—2015)《河湖健康評估技術導則》(SL/T 793—2020)，從陸生、水生生態環境狀況兩方面構建流域生態環境狀況評價指標體系。遵循實用性、有效性、代表性原則，選取植被覆蓋指數、生境質量指數作為陸生生態環境狀況基本評價指標，由于柳江流域涉及武陵山區生物多樣性保護與水源涵養重要區、西南喀斯特土壤保持重要區，流域水源涵養、生物多樣性保護、土壤保持功能突出，因此選取水源涵養指數、維管束植物豐富度、土壤侵蝕程度作為陸生生態環境狀況評價指標。

經過多年的發展，柳江流域水力資源開發和利用取得較大成就，但同時也引發了一系列水生生態環境問題。為全面評價水生生態環境狀況，從水文、水環境、河流形態、水生生物4方面考慮，選取非汛期生態流量滿足程度、水質優劣程度、河流縱向連通性指數、魚類保有指數、著生藻類指數、大型底棲無脊椎動物Shannon-Wiener多樣性指數等作為水生生態環境狀況評價指標(見表1)。

表1 流域生態環境狀況指標體系

1.2 評價方法

本研究采用綜合指數法對流域生態環境狀況進行評價，其原理是對各項指標進行標準化處理，利用組合賦權法確定各指標權重，根據指標標準化賦分結果及其所占權重計算流域生態環境狀況指數。

1.2.1評價指標標準化

由于各評價指標的量綱不一致，缺少可比性，因此，應對指標進行標準化處理。依據各指標對生態環境狀況的貢獻程度，對各指標進行賦分評估(見表2)。

表2 各評價指標賦分標準

1.2.2指標權重的確定

各項指標計算權重采用組合賦權法確定，具體計算公式如下：

(1)

式中：

Wi——第i個指標的組合權重；

ai、bi——第i個指標的客觀權重和主觀權重。

客觀權重ai采用變異系數法確定，權重公式：

(2)

式中：

CVi——第i項指標的變異系數，計算公式如下：

(3)

式中：

σi——第i項指標標準差;

μi——第i項指標均值。

主觀權重bi采用專家打分法，邀請若干名相關領域專家，采取獨立填表形式對各指標權重進行打分，將各專家打分結果均值作為每個指標主觀權重。

1.2.3流域生態環境狀況評價

流域生態環境狀況評價采用綜合指數法，具體計算公式如下：

(4)

式中：

EI——生態環境狀況指數;

Si——第i項指標的標準化處理結果;

Wi——第i項指標的權重值。

流域生態環境狀況指數為陸生、水生生態環境狀況指數均值。根據生態環境狀況指數，將生態環境分為5級。劃分標準與《生態環境狀況評價技術規范》(HJ 192—2015)一致(見表3)。

表3 生態環境狀況分級

2 實例分析

2.1 流域概況

柳江是珠江流域西江水系的第二大支流，位于東經107°27′～110°34′、北緯23°41′～26°30′之間，跨越黔、桂、湘三省(自治區)，流域面積為58 520km2。流域地勢北部及西北部高，南部及東南部低。總體地貌以喀斯特地貌為主，上、中游地區多海拔為1 000m左右的中、高山，中下游地區多為低山丘陵。柳江徑流由降水形成，時空變化特性與降水對應，年徑流模數自中下游向上游逐漸減小，徑流年內分配不均勻。

2.2 指標計算及權重確定

2.2.1陸生生態指標計算及權重確定

本次評價采用2014—2016年柳江流域相關調查成果數據，具體如下：

植被覆蓋指數：本次評價選用中國500MNDVI月合成產品柳江流域2015年5—9月象元NDVI月最大值的均值，數據來源于中國科學院計算機網絡信息中心地理空間數據云平臺(http：//www.gscloud.cn)。按賦分標準進行賦分評估，計算結果見圖1a。計算結果顯示柳江流域NDVI指數平均值為0.67，NDVI指數在0.65～0.8區間的面積占流域總面積58.2%，流域植被覆蓋度較高。

單位面積維管束植物豐富度：通過對流域內165個樣方進行調查，并結合流域內重點區域(如廣西壽城自然保護區、廣西金秀大瑤山國家級自然保護區、廣西環江木論國家級自然保護區等)植被調查數據成果，采用《中國植被》中植被分類的原則，得出流域維管束植物種數(2 627種，含變種和變型)，與流域面積相比得出單位面積維管束植物豐富度為0.045(見圖1b)。

土壤侵蝕程度：通過實地調查和解譯分析流域2015遙感影像，參照《土壤侵蝕分類分級標準》SL190—2007計算確定土壤侵蝕程度，并按賦分標準進行賦分評估，計算結果見圖1c。計算結果顯示柳江流域水土流失程度較輕，微度侵蝕面積為3.57萬km2，占流域面積的61.0%，輕度侵蝕、中度侵蝕面積分別占流域面積21.4%、17.6%。

水源涵養指數及生境質量指數：將流域按研究需求劃分為若干個子流域，參照《生態環境狀況評價技術規范》(HJ192—2015)相關計算方法，得出各子流域生境質量指數和水源涵養指數，利用GIS軟件按賦分標準進行賦分評估，計算結果見圖1d、圖1e。計算結果顯示流域水源涵養指數平均值為0.26，生境質量指數平均值為0.28，說明流域水源涵養能力較高，生境質量較好，但流域內差異較大，整體來看龍江下游、柳江干流下游地區水源涵養能力有待提高，生境質量有待提升。

圖1 陸生生態各指標評價結果示意

根據式(1)～式(3)指標權重計算方法，計算陸生生態各項評價指標組合權重(結果見表4)。根據式(4)生態環境狀況指數計算方法得出陸生生態環境狀況指數,計算結果顯示流域陸生生態環境狀況指數平均值為71.0，整體處于良水平，優良級以上面積為4.9萬km2，占流域面積83.5%。

表4 陸生生態各項評價指標權重

注：由于單位面積維管束植物豐富度為全流域統計結果，無法計算變異系數，客觀權重按1/5項指標計，即0.20。

2.2.2水生生態指標計算及權重確定

通過遙感影像提取柳江流域研究水域，本實例提取對象主要為柳江干流、龍江。水生生態各項指標計算具體如下：

非汛期生態流量滿足程度：通過分析2008—2018年非汛期(10月—次年3月)涌尾、柳州、貴江斷面逐月實測流量及生態流量滿足情況，得出3個斷面非汛期生態流量下泄滿足程度分別為98%、88%、89%。按賦分標準進行賦分評估，計算結果見圖2a。近10a柳江非汛期生態流量滿足程度較高，其中涌尾斷面代表的柳江上游都柳江河段非汛期生態流量滿足程度最高，僅在2010年3月出現1次不滿足情況。

水質優劣程度：根據《珠江區第3次水資源調查評價報告》調查結果評價柳江干流、龍江共16個一級水功能區、28個二級水功能區水質狀況，年度水質類別(總氮不參評)均在Ⅱ類以上，按賦分標準進行賦分評估，計算結果見圖2b。柳江水質總體優良，柳江干流融江部分河段及龍江中上游河段年度水質較好。

河流縱向連通性指數：調查結果顯示，柳江干流已建、在建梯級電站15座，龍江已建梯級電站13座，均未建設過魚設施，根據各河段梯級數量，計算河流縱向連通性指數，并按賦分標準進行賦分評估，結果見圖2c。柳江流域開發程度較高，梯級電站的開發影響了河流縱向連通性，柳江干流中游、上游河段及龍江中下游河段梯級電站較為集中，河流縱向連通性差。

魚類保有指數：參考《廣西農業生物科學》(1986年01期)《柳江魚類區系》(梁亮、覃建才等)文獻資料，1986年之前，柳江及其支流歷史已知魚類共計156種。根據《廣西淡水魚類志》及《廣西柳江魚類資源調查》(朱瑜、羅春業等)文獻資料，1987—2000年統計柳江共有魚類137種。根據魚類保有指數計算公式計算得出指數為88%，賦分結果為96(見圖2d)。

著生藻類指數：在流域內選取19個調查點開展硅藻采樣分析，通過公式計算得出著生硅藻指數，按分級賦值表進行賦分評估，結果見圖2e。柳江流域著生藻類指數平均值為12.5，流域內各河段差異較小，整體處于中等偏好狀態。

大型底棲無脊椎動物Shannon-Wiener多樣性指數：在流域內選取17個采樣點開展大型底棲無脊椎動物調查，通過公式計算得出大型底棲無脊椎動物Shannon-Wiener多樣性指數，按賦分標準進行賦分評估，結果見圖2f。計算結果顯示，流域整體物種多樣性水平相對較低。大型底棲無脊椎動物Shannon-Wiener多樣性指數平均值為1.11，流域內各河段差異較大，柳江干流中下游及龍江下游河段受人類活動影響，物種多樣性水平較低。

圖2 水生生態各指標評價結果示意

根據式(1)～式(3)指標權重計算方法，計算水生生態各項評價指標組合權重(結果見表5),根據式(4)生態環境狀況指數計算方法得出水生生態環境狀況指數(結果見圖3b)。計算結果顯示流域水生生態環境狀況指數平均值為52.7，整體處于一般水平，優良級以上河長為288km，占評價總河長的23.9%。

表5 水生生態各項評價指標權重

2.3 柳江流域生態環境狀況評價

根據水生生態環境狀況指數結果，通過水文分析提取對應的陸域作為賦值范圍。根據公式，流域綜合生態環境狀況指數=陸生生態環境狀況指數×0.5+水生生態環境狀況指數×0.5，計算結果如圖3c所示。

圖3 流域生態環境狀況評價結果示意

計算結果顯示，柳江流域生態環境狀況空間差異較大，最低值為34.1，最高值為95.8，平均值64.3。從平均值看，柳江流域整體生態環境狀況處于良水平，陸生生態環境狀況指數優于水生生態環境狀況指數。從面積及其所占的比例來看，生態環境狀況為良等級的區域面積最大，在全流域分布較為廣泛，占流域總面積的53.7%；生態環境狀況為一般等級的區域面積占流域總面積的24.8%，主要分布在龍江下游、柳江干流中下游及洛清江中上游東部地區，區域內分布有桂林市臨桂新區、柳州市轄區、宜州市、柳城縣、柳江縣，受人類活動影響顯著，植被覆蓋率較低，建設用地居多造成水源涵養指數和生境質量指數較低，此外受梯級電站開發影響，河流縱向連通性較差，生境破碎化嚴重，物種多樣性水平相對較低，自然生境受到脅迫；生態環境狀況為優等級的區域面積占流域總面積的21.5%，主要分布在古宜河流域、洛清江干流及柳江下游東部，大部分集中在林地及草地，受人類活動影響較小，植被覆蓋度較高；生態環境狀況為較差等級的區域面積較小，僅占流域總面積的0.1%，零星分布在龍江下游及洛清江中上游東部地區。

3 結語

1) 本文借鑒《生態環境狀況評價技術規范》(HJ192—2015)、《河湖健康評估技術導則》(SL/T793—2020)，以科學、全面、實用為原則，構建了流域生態環境狀況評價指標體系。兼顧陸生、水生生態環境，選取11項具有代表性的評價指標開展評價，指標的權重采用組合賦權法確定，兼顧權重客觀性及不同流域指標權重獨特性，形成一套科學簡潔、便于業務化應用的流域生態環境狀況評價方法。

2) 以柳江流域為對象，進行指標體系的應用，評價結果顯示柳江流域生態環境狀況空間差異較大，整體處于良水平。結合GIS技術，將評價過程及評價結果可視化，形成各項評價指標分級圖和流域生態環境狀況評價結果圖，更加直觀地反映了流域生態環境狀況的空間分布規律及其變化特征，為流域開發及生態環境保護提供技術支撐。