健康长江评价区划方法和尺度探讨

许继军，陈 进 ，金小娟

(长江科学院a.水资源综合利用研究所;b.院长办公室，武汉 4 30010)

1 概述

自进入21世纪以来，我国河流生态环境急剧恶化，以及“水多、水少、水浑、水脏”问题对社会影响的复杂化，迫使人们开始反思以往的河流开发利用模式，并借鉴生态系统健康的概念而提出了“河流健康”概念［1］。董哲仁强调“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，其作用是建立相对基准点和评估准则体系，对于在自然力与人类活动双重作用下的河流生态系统状况进行动态评估，以研究其演进趋势并通过管理促其向良性方向发展［2］。由于流域水系是一个复杂的有机生态系统，如何评价河流自然生态和社会属性的健康状态，是一个科学难题。近年来国内学者在评价指标选取、评价方法和健康标准等方面，做了许多有意义的探讨［3］。例如，孙雪岚等［4］结合河流的功能和属性，分目标层、准则层和指标层建立了包括河道健康、河流生态系统健康和流域社会经济价值3方面共24个指标的评价指标体系;耿雷华等［5］针对河流的自然功能、生态环境功能和社会服务功能，依据河流基本特征和个体特征，建立由共性指标和个性指标构建的评价指标体系;陈进和黄薇［6］以长江流域为例，系统提出了健康长江指标体系及其评价方法和标准，并对长江流域典型河流的健康状态进行了初步评价。

在河流健康评价中，对于大中型河流，由于涉及面积广，自然条件和社会经济背景差异大，指标值在整个空间尺度上不具实际意义，需要分区或分段进行评价。由于长江流域幅员广阔、地形起伏、地貌差异大、河流湖泊众多，流域内生态环境系统构成复杂、生物多样性丰富，各地区在治理开发中存在的问题也不一样。目前用来评价河流健康的大部分指标都具有一定的区域特征和尺度效应，不同地区、不同河段、不同尺度的评价指标差异较大。如果评价尺度过大，指标就不具代表性，难以反映健康问题之所在。因此在健康长江评价中，评价对象范围的区划和评价尺度的选取，是需要研究解决的关键问题之一。已开展的相关研究主要关注单一河流的健康评价尺度的选取，例如金小娟和陈进［7，8］以汉江干流河段为例，采用河流生物斑点、工程河段、景观河段和全河长4个尺度对汉江干流河段进行了划分，并对各尺度的评价指标值之间的转换关系进行了描述。而对于干、支流关系比较复杂的大型河流水系，有关的健康评价尺度研究还不够系统。对长江水系，如何根据健康评价指标的属性，对流域水系进行合理区划、选取合适的健康评价尺度，既能反映整体的综合状态，也能体现局部的健康问题，是健康长江评价尺度选取考虑的关键。本文在前期研究基础上，依据长江流域地理特点和河流水系特点，从评价对象的地理空间属性出发，进一步系统地探讨针对整个长江流域水系的健康评价对象的区划方法和评价尺度的选取，并分单指标评价和综合评价2大类，研究评价指标在不同尺度之间的转换计算方法。

2 健康长江评价指标体系

根据河流特点、评价的目的和要求，河流健康评价可以分为单指标评价和多指标综合评价2类。单指标评价就是选择一个特征指标对河流某一个重要问题或者方面进行评价，如对于水质，可采用水功能区达标率;对于河流生物多样性，则可以采用生物多样性指数(IBI)。单指标评价具有方法简单、评价结果直观、便于向社会宣传、较少使用难以确定的权重等优点，而且一些单指标对于河流健康评价具有“一票否决”权。例如，水功能区严重不达标河段，不仅人类无法健康使用，水生生物也无法生存，这样的水体可以判定为不健康。如果要全面深入地评价河流健康，则需要采用综合评价方法。综合评价方法能够较全面地反映评价对象各方面的属性，但该方法也存在一些难点:如何选择基本相互独立的指标，以及如何设置各级指标的权重等。

2.1 单指标评价

健康评价的单指标一般指一级指标，它是由一组二级指标、甚至三级指标组成，并不是一个指标，如水功能区评价是由一系列水质评价指标组成;IBI(生物完整性指数)也是由12个指标组成。单指标评价中最主要的方法是指示物种法。

这种评价方法的依据是:生物，尤其是指示性生物的数量和发育情况，它是水文水质、河道栖息环境、生物廊道、食物链状况等多种因素的综合反映。指示生物的存在是河流健康的重要标志之一，该方法主要以河流中某些物种的数量、生物量、生产力、结构功能指标和一些生理生态指标来描述河流生态系统的健康状况。常用的指示生物包括鱼类、底栖无脊椎动物等，主要评价方法是生物完整性指数(IBI)。在健康长江评价中，几个具有“一票否决权”的指标包括:水功能区水质达标率、生物完整性指数、水资源开发利用率等等。

2.2 综合评价

综合评价法结合了来自不同学科的多个指标，在一定程度上可弥补单指标法的不足，可以系统地评价河流的健康状况。综合评价指标体系包含反映河流健康不同信息的指标，能反映复杂河流生态系统的多尺度、多压力的特征，利于全方位揭示河流面临的压力和存在的问题，所以综合评价法是今后河流健康评价的一个发展方向。

综合指标体系一般由目标层、系统层、指标层3层构成。

2.2.1 目标层

根据需要确定的评价目标，可以分为不同尺度和类型。如对于长江整体，可以称为健康长江指数，而对于长江鱼类资源评价，可以称为长江鱼类生物多样性指数(FIBI)。

2.2.2 系统层

评价指标体系是个复杂的系统，系统层的设立是为了从各个角度反映总体评价目标，并构成一个完整体系。依据健康长江内涵，按内部逻辑关系分系统表述长江健康状态。根据划分程度不同，可将系统层继续划分为一级、二级、三级子系统，子系统也可以称为状态层。

2.2.3 指标层

指标层是指定义清晰，可以通过直接的计算或从统计资料中获得的指标变量。指标的选取要根据评价目的和评价区域的不同特点，具体问题具体分析。对于健康长江评价，采用可以获得的定量指标或定性指标反映长江的健康状况，评价指标根据内部逻辑关系可以分为一级指标、二级指标、三级指标。

3 评价对象区划和尺度选取

一个完整的健康评价应该涵盖各个尺度，而对于不同评价主体来说，他们需要的评价尺度也是不同的。国家层面需要的是宏观大尺度的评价结果;流域管理机构需要的是防洪、水土保持、水环境、输沙采砂、水库调度、水库及水电站建设及生态环境保护的指标;生态与环境保护部门关心的是河流环境与流域生态;而对于特定生态学者来说，可能重点关心的是河流断面或小生境、微生境的情况。因此在确定好评价指标之后，选取合适的评价尺度，是开展河流健康评价的一个重要环节，这首先需要通过合理区划，将长江流域细化为指标属性相对独立的评价单元。

3.1 区划原则及依据

区划过程中需要遵循的原则包括:①历史与传统原则，选择的尺度要处理好与现有的水资源分区、行政区划、生态功能区和河流水系等之间的沿袭关系;②区域相关原则，尺度选取应遵循监测控制点、河道水系和流域产汇流之间的溯源关系，以及与自然环境、生态群落和社会经济的区域相关性;③相似性原则，尺度选取应根据评价指标的一致性与差异性进行分区，注意指标特征的一致性是相对一致性;④发生学原则，尺度选取应根据区域生态环境问题、生态环境敏感性、生态服务功能与生态系统结构过程、格局关系，确定区划中的主导因子及区划依据;⑤可操作性原则，所选择的尺度和对象的评价指标清晰明确，有利于构建系统全面的健康长江评价指标体系，且必须便于实际应用操作;⑥标准规范化原则，尺度标准应尽量规范、统一，在时间纵向和地区横向之间，具有较强的可对比性。

对长江流域进行区划的主要依据包括:①既定的国家行政分区、水资源分区、生态功能分区;②长江流域水行政管理范围划分;③既定的习俗和沿袭;④陆域自然分水岭，干支流水系汇流关系;⑤生态系统基本构成:斑点、走廊、栖息地、繁育点等等;⑥已有监测点。

3.2 区划方法和评价尺度

本文从评价对象和评价指标的空间属性关系考虑，采用3种口径对长江流域进行区划，分别是面口径、线口径和点口径(见图1)。其中对于面口径和线口径，按照评价对象的空间大小和代表性，可进一步确定不同尺度的评价层次。

图1 健康长江评价区划方法Fig.1 Three criteria of regionalization in the Yangtze River health assessment

3.2.1 面口径

面口径主要是针对汇流区域而言的。在健康长江评价指标体系中，对应面口径的评价指标有:水土流失比例、森林覆盖率、水旱灾害损失率、农业面源污染比率、血吸虫病传播阻隔率等等。这些指标的共同特征，是以流域二维空间为评价对象的，指标值能表示一定面积范围对象的健康状态。

面口径的评价层次及尺度，可以参考目前常用的3种分区方法:水资源分区、地貌分区和生态功能区，将整个长江流域逐层细化为指标属性相对独立的面单元。从方便流域管理而言，健康长江面口径评价的尺度选取，可沿用现有的水资源分区(四级标准)，该标准基本反映了长江流域河流水系特点和地表径流汇聚关系。

整个长江流域被视为我国一级水资源分区，其下共划分11个二级水资源分区，45个三级水资源分区(见图2)，其中较大的三级水资源分区还进一步细化为四级水资源分区。在四级水资源分区以下，还可以考虑按县行政区为基本的统计单元。

3.2.2 线口径

图2 长江流域三级水资源分区图Fig.2 Map of the third-grade water resources regions in Yangtze River basin

线口径主要是针对河流而言的。在健康长江评价指标体系中，对应线口径的评价指标有:水系连通性、优良河势保持率、通航水深保证率、防洪工程措施完善率、水能资源开发利用率等等。这些指标的共同特征，都是以河流水系的一维空间为评价对象的，指标值表示一定河长范围内的评价对象的健康状态。线口径的评价层次及其尺度，可以参考长江水系的汇流特点及其干支流、上下游关系，将其细化为指标属性相对独立的线单元。对于长江，按照河流路径，首先将长江水系划分为干流和支流，并分别进行区划。

(1)干流区划:长江干流全长约6 300 km，按照河流地貌特征，初步可划分为5个区间河段(长江口、下游、中游、上游、源头)，13个景观河段(江阴以下、江阴－大通、大通－湖口、湖口－武汉、武汉－城陵矶、城陵矶－枝城、枝城－宜昌、宜昌－万州、万州－寸滩、寸滩－宜宾、宜宾－石鼓、石鼓－玉树、玉树/直门达以上)，以及众多的工程河段。

(2)支流区划:长江支流众多，按汇流面积来算，超过1 000 km2的支流就有437条。对于如此众多的支流河段，本论文没有进行具体区划，只给出了区划的原则建议:①首先对于汇流面积大于1 000 km2的437条支流，按照长江委制定的长江河流三级支流水系划分结果，采用树状水系图，将整个长江支流水系按一级、二级和三级层次进行分类编号，编码符号为 Ri－j－k。其中:i为一级支流序号，按其河口距长江口的距离长短排序，越长序号越大;j为二级支流序号，同样按其出口距一级支流河口的距离长短排序;k为三级支流序号;②对于汇流面积超过50 000 km2的支流，如雅砻江、岷江、大渡河、嘉陵江、乌江、沅江、湘江、汉江和赣江共9条，可按照河源、上、中、下游划分为3～4个区间河段，每个区段的景观河段按照地貌特征和河流形态来划分，工程河段的划分则根据河床特征以及已实施的涉水工程及其影响范围来具体划分;③对于汇流面积超过10 000 km2而小于50 000 km2的35条支流，建议划分为上、下游2个区间河段，每个区段的景观河段按照地貌特征和河流形态来划分，工程河段的划分则根据河床特征以及已实施的涉水工程及其影响范围来具体划分;④对于汇流面积小于10 000 km2而大于3 000 km2的135条支流，建议按1个河段考虑来划分景观河段，景观河段数控制在3个以内;工程河段的划分则根据河床特征以及已实施的涉水工程及其影响范围来具体划分;⑤对于汇流面积小于3 000 km2而大于1 000 km2的367条支流，建议只划分为1～2个景观河段，工程河段数则视工程具体情况确定，若没有涉水工程，则按照河床特征划分。

3.2.3 点口径

点口径主要是针对生物斑点，以及布设于长江流域面上、河道以及湖泊湿地内的水文、水质和生态等监测点或断面而言的。

在健康长江评价指标体系中，对应点口径的评价指标有:生物斑点、河道控制断面生态需水满足率、湿地保留率、取水点水质达标率、重要监测点水质达标率、栖息地、珍稀水生动物存活状况、鱼类生物完整性指数等。

这些指标的共同特征，都是以观测点的监测数据为评价依据，指标值表示该监测点表征范围内的评价对象的健康状态。可选择有代表性的生物斑点监测断面作为评价点，也可以现有的水文、水质监测点为依据。这些点一般位于入海口、干流控制断面、支流出口、湖泊湿地、水库、城镇、生物栖息地、指示性生物斑点等等。长江流域内各类监测点众多，需要根据各具体指标的性质，来选择对应的观测点数据来进行健康评价。可以按照点所在的水系线区划或子流域面区划级别，将选用的观测点进行层次划分。

4 不同评价口径和尺度转换关系

4.1 单指标评价的尺度转换

对于单指标，为了能较好地与已有的各类观测点相结合，且便于在地理信息系统下构建面向用户的健康长江评价管理系统，点、线和面评价口径之间的转换，将按照它们之间的地理属性、几何关系、溯源联络以及权重系数来进行，具体如下。

4.1.1 面口径不同尺度之间的转换关系

对于面口径的评价指标，可以按照不同分级尺度的面积关系，来转换指标值。例如对水资源分区，不同级别之间的分区是包含关系，可以由低一级别分区的指标值，按照面积权重及其它需要考虑的权重系数来统计高一级别分区的指标值，计算公式为

式中:Zi，Ai表示高一级别分区的指标值及其面积;Zi－1，Ai－1表示低级别分区的指标值及其面积;M为高一级别分区中所包含低级别的分区个数;Kj为低级别分区的权重系数。

例如，当评价整个长江流域农业面源污染状况，可以先根据乡县一级的监测和调查数据，按照公式(1)来统计三级水资源分区的指标值，然后依次统计二级水资源分区的指标值，最后计算一级水资源分区即整个长江流域的指标值。

4.1.2 线口径不同尺度之间的转换关系

对于线口径的评价指标，可以按照不同线口径尺度之间的几何从属关系，来转换指标值。一些以河道为评价对象的指标，如水系连通性，通航水深保证率，防洪工程措施完善率等等，可以由低一级别分段的指标值，按照线性权重及其它需要考虑的权重系数来统计高一级别分段的指标值，计算公式为

式中:Zi，Li表示高一级别分段的指标值及其长度;Zi－1，Li－1表示低级别分段的指标值及其长度;M 为高一级别分区中所包含低级别的分段个数;Kj为低级别分段的权重系数。

例如当评价整个长江干流防洪工程措施完善率，可以先将整个长江干流划分为上、中、下游3个区段，每个区段内再划分不同的景观河段，接着对每个景观河段进一步细化为工程河段。以工程河段为基准，按照公式(2)统计景观河段的防洪工程措施完善率指标值，再统计上、中、下游3个区段的指标值，最终得到整个长江干流的指标值。对于干支流之间的线尺度交换，需要按照干支流之间的交汇方式，来确定不同线口径指标值之间的转换关系。

4.1.3 点与线口径之间的转换关系

河流健康评价的主要依据，大多数是基于点观测方式而得到的数据。如生物斑点的监测，以及现有的水文和水质监测点，就是依据各种观测站来获取点的状态值。当评价某一河段的指标状态值时，通常需要将能代表该河段的几个观测站点的状态值，转换为该河段的状态值。这就是所谓点尺度与线尺度之间的转换。分2种情况:①当各点之间相对独立，且点与线只存在几何相关的情况，这时就可以采用算术平均法以及加权平均法等常用的线性插值方法，来将观测站点的状态值，转换为评价河段的线尺度状态值;②当点与线之间还存在溯源关系的情况，如上下游、干支流交汇等情况，就比较复杂的，需要针对不同指标值的点线特征关系，来进行转换。

4.1.4 点与面口径之间的转换关系

当评价某一区域(如水资源分区)指标状态值，通常需要将能代表该区域几个观测站的状态值，转换为该区域的状态值。分2种情况:①当点与面只存在几何相关的情况，这时就可以采用算术平均法、泰森多边形法、逆向距离加权平均法等常用的空间插值方法，来将观测站的状态值，转换为评价区域的面状态值;②当点与面之间存在溯源关系的情况，这在流域中比较常见，例如某子流域或水资源分区的出口处泥沙观测站点的监测值，在很大程度上就能反映该子流域的水土流失状况，在这种情况下，就可以用出口处的观测点值来表征该子流域的面状态值。

4.2 综合评价的尺度转换

以一条河为例，当对其健康状态进行综合评价时，一般可以将其沿纵向分成3个尺度，即整条河长、与陆地生态区尺度相当的景观河段(几十公里到上百公里)和工程河段(涉河工程影响范围，几公里到几十公里)，另外再考虑加入生物斑点，这样就可以将一条河流划分成4个尺度。以河流断面为评价对象的生物斑点评价，是工程河段评价的基础，工程河段评价又是景观河段的评价基础，景观河段是整条河健康评价基础。下面将简要说明综合评价时各尺度之间的转换关系。

先选取合适的评价指标(假设选取了n个指标)，然后对其赋值，再对每个指标值加权求和得到河段的综合健康指数。全河长是一个比较特殊的尺度，它本身视规模和特点而定，也可以是一个包含若干景观河段。假设A是一个景观河段，由m个工程河段(B1，B2，…，Bm)组成，其中的第 i个工程河段Bi中存在k个生态斑点。设景观河段的各指标的权重为X(x1，x2，…，xn)，设工程河段的各指标的权重为Y(y1，y2，…，yn)，设生物斑点的各指标的权重为Z(z1，z2，…，zn)，设景观河段A的各指标的取值为AT(a1，a2，…，an)，设包含于A的第i个工程河段Bi各指标的取值为BiT(bi1，bi2，…，bi5)，Bi中第j个生物斑点的各指标的取值为CijT(cij1，cij2，…，cij5)。Q为河段的健康综合指数。景观河段、工程河段、生物斑点的健康综合值的计算方法如下式，

综合评价时，先由生态斑点推导工程河段的健康综合值，再由工程河段推导景观河段的健康综合值，最后可推求整个河段的健康综合值。有关该方法的具体示例请参见文献［7，8］。

5 结语

对于干、支流关系较为复杂的长江水系，如何根据健康评价指标的属性，对流域水系进行合理区划，选取合适的评价尺度，既能反映整体的综合状态，也能体现局部的健康问题，是健康长江评价首先需要考虑的关键问题之一。本论文依据长江流域地理特点和河流水系特点，从点、线、面3种口径提出了健康长江评价的区划方法和评价尺度，并按照单指标评价和综合评价的不同需要，提出了不同评价口径和尺度之间指标值的转换计算方法。研究成果可以为健康长江评价工作开展及其评价尺度的选取提供可操作性强的参考标准。

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