三峡库区河流生境质量评价

陈 淼,苏晓磊,黄慧敏,高 婷,党成强,董 蓉,曾 波,陶建平

三峡库区生态环境教育部重点实验室,重庆市三峡库区植物生态与资源重点实验室,西南大学生命科学学院, 重庆 400715

随着人类对河流的开发利用,大型水利设施的建设导致河流水文情势、流水生态系统结构和过程发生改变,甚至影响全球的环境变化[1]。三峡库区的长江干流具有众多支流汇入,这些支流成为三峡水库水资源的重要组成部分,并且对三峡水库水环境和水生生态系统有重要影响。三峡水库建成后,长江干流以及汇入长江的支流的下游河段均被淹没,使三峡水库修建前长江干流和支流的湍急流水环境被改变,河流生境从典型的流水型水体转变为相对静止的湖泊水体,流水生境的大幅度减少使该区段内支流的水生生态系统也发生了巨大变化。由于三峡库区的特殊性,水库库尾以上干流,特别是库区支流生境质量对库区水环境质量和水生生态系统健康的影响甚大。在这种新的特殊情况下,三峡库区支流生境是否完好,支流生境质量的驱动因子是什么目前并不清楚。因此,对三峡库区支流生境质量进行评价十分必要。

最早的有关河流生境的评价方法出现于20世纪80年代,提出的方法主要是对河流物理生境的定性描述,直到2000年欧盟水框架指令(Water Framework Directive, WFD)[2]发布以后,各种河流生境评价方法才大量涌现[3-25]。目前使用较为广泛的评价方法包括美国快速生物监测协议(Rapid Bio-assessment Protocols, RBPs)[9]、英国河流生境调查(River Habitat Survey, RHS)[4-5]、澳大利亚河流状况指数(Index of Stream Condition, ISC)[7]、西班牙水文地貌指标(Hydro Geomorphologic Index, IHG)[10]等。目前国内外的众多河流生境评价方法多用于自然状态下河流生境评价[3],其方法和评价体系并不完全适合大型水库影响下的河流生境评价,特别是有不同形式消落区存在的支流生境评价。在这种情况下,我们改进形成了新的评价体系和方法[26],主要增加了能反应库区河流水文情势及消落带特点的指标,使用建立的新体系和方法,对三峡库区3条重要支流东溪河、黄金河、汝溪河进行评价,认为该评价指标体系适合库区支流河流生境状况的特殊性,并且具有较强的科学性和可操作性[26]。本研究中,我们将调查的河流数量扩展到36条(包括前期的3条河流),调查样点扩展到254个,进一步对方法和体系进行检验,并对评价结果进行生境指标得分状况分析、河流生境质量驱动因子分析。本研究的目的有二,一是使用大量的河流生境调查数据,分析新方法在生境指标得分状况、生境质量驱动因子等方面的有效性,进一步检验评价指标体系和方法在大型水库库区河流生境评价中的适用性；二是期望能全面合理地评估三峡库区的河流生境质量,寻找影响库区河流生境质量的驱动因子,为三峡库区河流生境恢复及管理提供指导和帮助。

1 研究区域概况

1.1 研究区域

三峡库区是被三峡大坝蓄水所淹没的地区,库区流域面积达100万km2,属中亚热带湿润季风气候,年平均气温17—19℃[27]。长江干流自西向东横穿三峡库区段,全长683.8 km,北有嘉陵江、南有乌江汇入,形成不对称的、向心的网状水系。本研究对三峡库区位于江津-长寿段的11条长江一级支流,涪陵-巫山段的22条长江一级支流,湖北境内的3条长江一级支流开展生境状况调查与评估工作(图1)。

图1 研究区样点分布图Fig.1 Distributions of sampling sites in three gorges reservoir region

1.2 数据收集

本研究对三峡库区36条重要支流进行调查与评价,三峡库区支流由于受到三峡大坝蓄水的影响,库区支流形成了3种不同水文类型的河段：完全受水库蓄水影响的河段(145 m回水段),既受蓄水影响又受自然洪汛影响的河段(145—175 m回水段)以及不受蓄水影响的自然河段(大于175 m的自然河流段)。研究区域内共设置样点断面254个,145 m回水段、145—175 m回水段及大于175 m的自然河流段均设有样点,并于2015年6—10月、2016年8—9月进行野外调查。数据均通过野外调查获得,调查时间避开蓄水期及洪水期,在平水期进行。通过实地考察、采访当地群众,确定145 m及175 m回水区位置。每个样点以500 m的河段为调查单位,从下游往上游步行,调查、测量和记录河流水文、河流形态、河岸带生境的各个指标；同时使用GPS记录每个样点经纬度坐标并拍摄照片[28]。

1.3 统计分析

研究中调查数据处理与统计分析,均采用SPSS 22.0和Microsoft Office Excel 2013软件完成。使用Excel进行河流生境质量指数(index of stream habitat quality,简称ISHQ)计算。主成分分析[29]和因子分析都适用于将多个相关变量简化为少数几个综合指标的多元统计分析方法,都可以在尽量保留变量信息的基础上降低变量维数。因子分析可以看作是主成分分析法的扩展,其通过因子旋转,对因子载荷座进一步简化,使得各公因子具有明确的实际意义。利用主成分分析方法(PCA)确定评价指标对河流生境质量的贡献率,找出影响河段生境质量的驱动因子。利用Origin 9.0软件作图。

2 研究方法

参考三峡水库河流生境评价指标体系构建及应用[26]中的评价方法,对三峡库区河流生境进行调查与评价。评价指标体系设置了目标层、准则层及指标层3个层次,以河流生境评价为目标层,以水文情势、河流形态、河岸带生境为准则层,以各准则层的分类特性和特征为指标层。水文情势包含5个指标,分别为水文情势自然性、流速流态状况、表观水质、水量、湿润率；河流形态包含4个指标,分别为人为影响长度、河床底质种类数量、底质受泥沙覆盖率、表层覆盖物状况；河岸带生境包含9个指标,分别为河岸类型、河岸侵蚀程度、河岸坡度、河岸带宽度、河岸带土壤厚度、植被覆盖率、植被连续性、植被结构完整性、岸边带土地利用方式。

多指标综合评价中各评价指标权数分配不同会直接导致评价对象优劣顺序的改变, 因而权数的合理性、准确性直接影响评价结果的可靠性[30]。本研究使用层次分析法和熵值法分别计算指标体系的权重,然后通过组合赋权法[31-35]确定最终权重。评价指标、权重及各指标评价标准见表1[26]。

具体评分方法为：利用加权平均法对二级指标(即指标层)得分进行计算,所得结果作为一级指标(即准则层)的得分,利用加权平均法对一级指标得分进行计算,得到河流生境质量指数(index of stream habitat quality,简称ISHQ)总得分,为便于区分样点间得分的差异,将总得分乘以10[26]。河流生境质量分级标准参考An[36]及郑丙辉[12]等人根据我国的实际情况进行数值分布比率的调整,将河流等级分为优等、良好、一般、较差、差5个等级[26](表2)。

表1 河流生境评价指标、权重及评价标准[26]

表2 河流生境质量分级标准[26]

ISHQ表示河流生境质量指数(index of stream habitat quality,简称ISHQ)

3 结果与分析

3.1 库区河流生境现状

三峡库区254个样点的河流生境指数分值介于17.1—40.9之间。根据上述生境质量分级标准对样点进行生境质量分级显示,在库区254个样点中有12个样点的生境质量处于优等等级,占4.72%；77个样点为良好等级,占30.31%；126个样点为一般等级,占49.61%；39个样点为较差等级,占15.35%；没有最差等级的样点(表3)。

表3 河流生境质量评价结果分析

分析发现,河流生境质量分级为优等的12个样点中,11个位于大于175 m的自然河流段,还有1个位于145—175 m回水段,这些样点平均水深较浅,河床底质种类数量多,流态类型多样,且自然植被覆盖率高,人为干扰较少。河流生境质量分级为较差的39个样点中,其中26个位于145 m回水段,其共同特征是均位于河流下游,完全受水库蓄水影响,河面加宽,流速缓慢,流态类型单一,河床底质多为细沙或淤泥,无表层覆盖物;5个位于145—175 m回水段的样点,均为于城市繁华地带;8个位于大于175 m的自然河流段的样点,虽然不受三峡大坝蓄水的影响,但都受到当地其他水库蓄水或拦水坝的影响,所有样点均呈现出流速缓慢甚至不流动,流态类型单一,河床底质多为细沙或淤泥,表观水质较差,河流两岸堆有垃圾,河岸带土地利用方式多为耕地。

3.2 河流生境指标得分状况分析

一级指标(即准则层)评分利用加权平均法对二级指标(即指标层)得分进行计算,所得结果作为一级指标的得分(图2)。结果表明,对于表征河流生境状况的水文情势、河流形态和河岸带生境3个类别,由图2中阴影部分覆盖面积占雷达图中的比例,254个河段总体上河岸带生境状况最好,其次为水文情势,河流形态最差。

库区支流生境指标按照质量由好到差分为5个等级,若不考虑各指标对库区支流生境的重要程度,仅从指标本身出发,则可根据254个河段各指标的中位数作为该指标的得分来确定其健康状况(图3)。三峡库区支流生境指标得分显示,水量、人为影响长度、植被连续性3个生境指标的质量状况最好,其次为表观水质、湿润率、河岸类型、河岸坡度、植被覆盖率、植被结构完整性等5个生境指标,而水文情势自然性、流速流态状况、河岸带宽度3个指标的质量状况较差,河床底质种类数量、底质受泥沙覆盖率、表层覆盖物状况3个指标的质量状况最差。

图2 各河段一级指标评价结果Fig.2 Results of rule layer assessment

图3 生境因子得分状况Fig.3 Scores of habitat factors

将河流生境质量达到优秀与良好的样点分为a组,将生境质量为一般与较差的样点分为b组,比较a组与b组生境参数得分。从水文情势参数得分状况来看(图4),水文情势自然性(C11)及流速流态状况(C12)两个指标差异明显,a组得分很高而b组得分很低。从河流形态参数得分状况来看(图5),河床底质种类数量(C22)及表层覆盖物状况(C24)两个指标无论a组还是b组得分都很低,而底质受泥沙覆盖率(C23)a组得分较高,而b组得分很低。从河岸带生境参数来看(图6),除河岸带宽度(C34)得分较低外,其他参数得分都在一般偏上,且a组与b组差别不大。

图4 水文情势指标得分比较Fig.4 Comparison of hydrological parameters

图5 河流形态指标得分比较Fig.5 Comparison of river morphological parameters

图6 河岸带生境指标得分比较Fig.6 Comparison of riparian habitat parameters

3.3 河流生境质量驱动因子分析

利用因子分析方法对a组和b组进行分析,a组和b组均为前6个主成分的特征值大于1,为了使各个主成分具有明确的实际意义,使用方差最大正交旋转(Varimax)对不同河段前6个主成分进行因子分析。

对a组旋转后的因子载荷矩阵进行分析(表4),与第一主成分(PC1)密切相关的指标是植被覆盖率、植被连续性、植被结构完整性；第二主成分(PC2)在水量、湿润率、河岸带宽度上有较大载荷；第三主成分(PC3)在表观水质、岸边带土地利用方式上有较大载荷；第四主成分(PC4)在人为影响长度上有较大载荷；第五主成分(PC5)在水文情势自然性上有较大载荷；第六主成分(PC6)在底质受泥沙覆盖率上有较大载荷。

对b组旋转后的因子载荷矩阵进行分析(表5),与第一主成分(PC1)密切相关的指标是植被覆盖率、植被连续性、植被结构完整性；第二主成分(PC2)在人为影响长度、河岸类型、岸边带土地利用方式上有较大载荷；第三主成分(PC3)在湿润率、河岸带宽度上有较大载荷；第四主成分(PC4)在表观水质、表层覆盖物状况上有较大载荷；第五主成分(PC5)在水文情势自然性上有较大载荷；第六主成分(PC6)在河床低质种类数量上有较大载荷。

表4 a组旋转后的因子载荷矩阵

*表示生境因子的载荷矩阵大于0.7

表5 b组旋转后的因子载荷矩阵

*表示生境因子的载荷矩阵大于0.7

除此之外,其他生境因子对库区支流生境状况也造成不同程度的影响,但从总体上来看,三峡库区支流生境质量是自然环境和人类活动相互作用的结果,其中河岸带植被状况、消落带宽度、人为干扰、河床底质状况、水文情势自然性等为主要的驱动因子。

4 讨论

三峡水库建成蓄水后,对库区河流生境的影响严重,河道及河岸带物理结构的变化必定导致栖息在河流中的生物群落组成的变化,通常导致水生生态系统的生物多样性减少[37],而河流生境评价对于河流生态恢复具有重要作用[38],是必不可少的环节。相比于其他河流的生境质量评价[12-20,39],本研究所选择的河流以及调查样点较多,共调查了36条库区支流的254个样点,其中35%的样点生境质量处于优等或良好等级,50%为一般等级, 约15%为较差等级,没有最差等级的样点,相比之下,虽然三峡库区支流生境受库区蓄水影响严重,但生境质量整体状况较好。

三峡水库建成后,长江干流以及汇入长江的支流的下游河段均被淹没,而且根据三峡水库的运行调度方法,库区的回水区域呈现出与建库前相反的反季节水位涨落的特点,水位涨落的库岸消落区每年要经历长时间、大深度的水淹,水淹深度最大可达30 m,水淹时间最长可达9个月[26]。对这种特殊情况下的库区支流进行河流生境质量调查与评价发现,生境质量为优等和良好的河段多位于库区支流上游,受库区蓄水影响较小甚至不受库区蓄水影响,这些样点的共同特征是平均水深较浅,河床底质种类数量多,流态类型多样,且自然植被覆盖率高,植被结构完整,人为干扰较少；完全受库区蓄水影响的145 m回水河段共调查了64个样点,其中38个样点的生境质量等级为一般,26个样点的生境质量等级为较差,没有优秀、良好、较差等级的样点,这些样点的共同特征是位于河流下游,完全受水库蓄水影响,河面加宽,流速缓慢,流态类型单一,河床底质多为细沙或淤泥,河流表层生境单一,无多样化的生境存在。

经分析发现,河岸带植被状况、消落带宽度、人为干扰、河床底质状况、水文情势自然性等为主要的驱动因子。三峡库区支流与自然河流很大的区别就在于河流水文情势的改变,水文情势自然性发生改变以后,其他生境因子随之发生改变。从入江口至175 m回水区,在水文情势自然性上有一个非常重要的流量改变,在这一河段,消落带植被多为耐水淹的草本植物,库区蓄水形成的消落带宽度却靠近上游越小,河床底质状况也因流速不同而表现出不同的状况,越靠近下游,流速越慢而导致泥沙沉积,越靠近上游,流速越快,将泥沙等颗粒物等带往下游,河床底质越多样。在不受库区蓄水影响的自然河流段,河岸带植被覆盖率及连续性高,植被结构相对完整,河床底质呈现出多样化,沙、淤泥、卵石、砾石、大石均有出现。人为干扰主要表现在河道取直及混凝土加固、人工采沙、修建水库或拦水坝,人工采沙行为会引起水位的降低、流量的重新分配及其他水文情况的改变,并可能破坏地表水与地下水的补给平衡,也会对水生生物觅食场所、栖息地、繁殖场所等生活环境造成影响；河道中因建有水库或其他原因设置拦水坝会造成河流流量的减少、鱼类等生物迁徙及水流与营养物质传递受阻,并会改变河流原有水生生物群落及水生生态系统的结构和功能,拦水坝存在不单单影响设置拦水坝的具体河流断面,而且会影响整个河流的连通性。

5 结论

三峡库区254个样点的河流生境指数分值介于17.1—40.9之间,其中有12个样点的生境质量处于优等等级,占4.72%；77个样点为良好等级,占30.31%；127个样点为一般等级,占49.61%；38个样点为较差等级,占15.35%；没有最差等级的样点。

对于表征河流生境状况的水文情势、河流形态和河岸带生境3个类别,254个河段总体上河岸带生境最好,其次为水文情势,河流形态最差。从总体上来看,三峡库区支流生境质量是自然环境和人类活动相互作用的结果,其中河岸带植被状况、消落带宽度、人为干扰、河床底质状况、水文情势自然性等为主要的驱动因子。