汉江中下游生态系统健康评价指标体系构建及其应用

粟一帆,李卫明,艾志强,刘德富,朱澄浩,李金京,孙徐阳

三峡大学水利与环境学院,宜昌 443002

河流生态系统是最重要的自然生态系统之一,作为陆地生态系统和水生态系统的枢纽,在物质、能量和信息的交换过程中,发挥着重要的作用[1-2]。水利水电工程在取得巨大社会和经济效益的同时,对河流生态系统产生了一系列生态环境问题,水华、黑臭水体、生态流量不足等问题日益突出[3-4]。水利水电工程开发等人为影响下的河流生态系统健康问题一直受到学术界的高度关注,但目前尚未得到很好解决。如何合理评估受人类影响的河流健康状况,尽可能减小水利水电工程开发对河流生态系统的不利影响,是河流管理的重要内容之一。

河流生态系统健康评价过程中,指标评价体系的构建至关重要。国外在20世纪后期建立了不同的指标评价体系用于河流健康评价。如英国在1984年提出了河流无脊椎动物预测和分类计划[5],瑞典在1992年提出了岸边与河道环境细则[6],澳大利亚在1999年根据河流水文、形态、河岸带等特征提出了溪流健康指数[7]等。我国在研究初期较多的借鉴国外评价体系进行河流健康评价,如杨莲芳[8]应用生物多样性指数评价了安徽九华河水系的健康状况。近年来部分学者依据不同的指标归类标准,建立了各自的河流指标评价体系进行河流健康评价,如邓小军[9]构建出包含自然生态、社会经济和景观环境等3个方面24个指标的城市河流健康评价指标体系,对漓江市区段进行健康评价；顾晓昀[10]选取涵盖水生生物、水文、水质和栖息地的22个评价指标,构建了北运河河流生态系统健康评价指标体系进行健康评价；李卫明等[11]构建了包含水文、物理结构、化学、生物、服务等指标的评价体系对水电开发下的雅砻江下游进行了健康评价。

综上所述,虽然国内外已经构建了很多评价指标体系,但存在评价指标归类标准不明确,指标归类错综复杂的问题；缺乏对水利工程造成的非连续性河流进行健康评价研究以及指标权重分配过于主观或客观的问题,导致评价体系不能广泛应用。因此,亟待建立一套评价指标分类合理、适用于非连续性河流和指标权重分配合理的评价体系。

汉江是长江最大的支流,流域内建有丹江口、崔家营等梯级水库[12],是南水北调中线工程取水源地。近年来汉江出现了水质恶化现象,下游水华频发。为此,本文选取汉江污染较严重的中下游为研究对象,通过探讨河流生态系统健康的内涵,尝试从生态系统的整体性、稳定性、可持续性3方面构建汉江水域生态健康指标评价体系,采用频次分析和相关分析筛选河流生态系统健康评价指标,基于最小二乘法和熵系数法建立综合指标权重体系进行评价分析,以期为汉江生态系统的管理和恢复提供科学依据。

1 材料与方法

1.1 研究区域概况

汉江是长江最大的支流,干流全长1577 km,流域面积为17.43万km2,位居长江水系各流域之首。流经陕西、湖北两省,在武汉汇入长江。湖北省丹江口以上为汉江流域上游,河谷狭窄,长约925 km；丹江口至钟祥为中游,河谷较宽,沙滩多,长约270 km；钟祥至汉口为下游,长约382 km。流域内规划建设多个电站,自上至下依次为丹江口—王甫洲—新集—崔家营—雅口—碾盘山—兴隆7个梯级枢纽,王甫洲水电站、崔家营水电站和兴隆水电站分别于2000年、2010年和2014年建成投入使用；丹江口水库作为南水北调中线工程水源地,于2014年正式开始供水。为探明水利工程对汉江中下游(图1)生态健康的影响,本文选取湖北省水网例行监测断面和沿河水文站共12个代表监测断面的数据进行分析,断面布置情况及名称见图1。

图1 汉江中下游研究区域图Fig.1 Research Area of the middle and lower reaches of the Hanjiang River#1为黄家岗水文站；#2为襄阳白家湾；#3为襄阳余家湖；#4为钟祥斗转；#5为钟祥皇庄；#6为皇庄水文站；#7为沙洋水文站；#8为天门罗汉闸；#9为天门岳口；#10为潜江泽口：#11为仙桃水文站；#12为汉口水文站

1.2 河流生态系统健康评价指标体系构建

1.2.1生态健康河流内涵

由于汉江中下游同时受梯级水库和南水北调工程的影响,常用的以水文情势、河岸带结构、水质、水生生物等为分类标准的指标体系[13-14]不能很好的适用,有必要将河流生态系统当作一个整体[15-16],从生态系统的整体性、稳定性、可持续性3个固有特性出发,定义合理的要素层,并统一指标层和要素层隶属标准,以便建立适合情势复杂河流的健康评价指标体系。

健康的河流生态系统应该是具备良好的整体性,能够维持较高的稳定性,并能实现良好的可持续性[16-18]。然而,随着经济社会的发展,人类在自然河流上进行梯级水电开发和进行调水工程,已成为水资源获取的重要途径。水利工程建设后,首先是水生态系统的整体性受到影响,大坝的建设对洄游鱼类产生阻隔影响,水文情势的改变导致生物栖息地面积减少；其次,河流的稳定性也受到影响,生态系统变得脆弱,受到外界干扰后的抵抗能力和恢复能力明显减弱；同时生物多样性的减少也会影响生态系统的可持续性。因此,健康的河流生态系统应从整体性、稳定性及可持续性三个方面表征生态系统健康状况。

(1)整体性

生态系统的整体性具有完整的结构、行为和功能,它由生态系统组分的多样性、差异性和相关性三个要素构成[19-20]。健康的水生态系统并非原始未经扰动的生态系统,但它必须是相对完整的[21]、仍具有与原生态系统类似结构和功能,其生境具备繁杂的异质性。董哲仁[22]提出了河流生态系统结构和功能整体性模型,并将水文情势、水力条件和地貌景观格局作为生态系统整体性的基本特征要素。

(2)稳定性

生态系统稳定性存在两个方面：一是系统保持现行状态的抵抗干扰能力,二是系统受扰动后恢复至扰动前状态的恢复能力[20-23]。即用生物群落、物种个体及其生境恢复速度与恢复程度衡量[23-24]。柳新伟等[25]认为生态系统的稳定性是处于生态阈值内的生态系统的敏感性及恢复能力,其中敏感性与上述抵抗干扰能力的意思相近,反映的是同一特征。

(3)可持续性

生态系统的可持续性即生态系统长时间维持其内在组成成分、组织结构、功能的动态健康及发展进化的潜在(和显在)的能动性的总和[21]。可持续性是生态系统健康的充分条件,也是生态系统的内在特征[26]。生态系统的可持续性可用生态整合性、活力及组织力3个特征要素表征。

根据上述关于河流生态系统整体性、稳定性及可持续性的定义,具体的指标分类标准见表1。

表1 河流生态系统健康指标分类标准Table 1 River ecosystem health indicators classification criteria

1.2.2评价指标的选择与筛选

查阅并分析了1970—2017年以来国内外关于河流健康、生态河流、河流生态系统相关的237篇期刊论文,按照表1的指标分类标准进行分类,共获得3类71个指标。其中整体性指标有34个,包括水深、岸坡坡度、输沙量等；稳定性指标有18个,包括BOD、pH、经济鱼类存活状况、大型底栖动物存活状况等；可持续性指标有19个,包括DO、底栖动物Shannon-Wiener多样性指数、浮游植物Shannon-Wiener多样性指数等。

对71个指标进行筛选,筛选原则：1)能全面反映河流生态系统的各种属性；2)指标能及时反映生态系统的各种变化；3)指标间的独立性。筛选的步骤包括频次分析和独立性分析。频次分析是通过频次分析法筛选指标体系,将所有文献中的指标体系进行统计分析,得出每个指标的使用频率,设置合适的筛选频次,将超过该频次的指标作为筛选结果,采用Excel 2016进行频次分析；独立性分析是通过设置相关系数|r|>0.75为阙值,以Pearson相关性分析法筛选出相互独立的指标。采用SPSS 22进行Pearson相关性分析。

1.2.3评价指标权重的计算

为了避免评价指标权重过于主观或客观的问题,建立了将最小二乘法主观权重模型和熵系数客观权重模型集成的综合权重求解模型[27]。

首先定义一个折衷系数β(1≥β≥0),通过最小二乘法主观决策矩阵F和熵系数客观决策矩阵C构建综合决策矩阵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)

则综合权重模型可表示为

(3)

求解得

w=Q-1e/eTQ-1e

(4)

1.2.4评价标准与评价方法

本文选用赋分法中的四分法进行河流健康评价[28],四分法评价标准见表2。具体方法是,利用SPSS 22软件对各指标数据集的均值、标准差、最小值、最大值及5%、25%、50%、75%、95%五个分位数进行统计,对比四分法的评价标准对指标进行赋分。将指标总分五等分,构建出河流健康评价标准,分值从大到小依次分别代表河流生态系统健康等级为自然状态、健康、亚健康、不健康和病态。

表2 四分法评价标准Table 2 Quartile evaluation criteria

根据构建的汉江中下游生态系统健康评价指标体系,计算河流生态健康综合指数：

(5)

式中,H为河流生态健康综合指数,Wi为评价指标权重指标,Ii为评价指标标准化值。

2 结果

2.1 评价指标的筛选

依据1.2中的相关规定,选择10%作为筛选频次,对候选评价指标进行初步筛选,指标中的鱼类生物多样性指数、底栖动物多样性指数等均指的是Shannon-Wiener指数,下文均简称为多样性指数,结果如图2。对于整体性指标,输沙量变化和悬移质变化均反映河流的水力条件,但考虑到汉江中下游水流较平缓,选取输沙量作为水力评价指标。对于稳定性评价指标,大型底栖无脊椎动物存活状况、经济鱼类存活状况、纳污性能指数、珍稀鱼类存活状况都可以用来表征河流生态系统的抵抗力,但大型无脊椎动物存活状况因采样方法或调查方式的不同而差异较大,属于不稳定指标,因此不予考虑；纳污性能指数是一个定义不够明确的指标,难以定量考量,因此不作为评价指标；珍稀特有鱼类存活状况和经济鱼类存活状况均可反映一个区域的干扰程度,考虑到数据的可得性,选择经济鱼类存活状况作为评价指标；富营养化状况、pH、水功能区水质达标率3个指标可以反映河流水生态系统的恢复状况,pH的变化虽可以反映水质的恢复状况,但不够全面,予以剔除。对于可持续性指标,鱼类数据、底栖动物数据、浮游藻类数据均可表征河流的可持续性,但对于大型流域,底栖动物和浮游藻类存在采样较繁琐、分类鉴定复杂、历史数据系列不完整等缺陷,故选择鱼类物种数和鱼类生物多样性指数作为评价指标；自维持活力是水生态系统中生物保持生态系统活跃、物质交换过程的因素,一般考虑生物的生存状态,因而选择DO和生态流量保障程度作为评价指标。最终筛选出13个初选指标,初选指标见表3。指标计算方法见表4。

采用barbour[29]提出的以相关系数|r|>0.75 表示2个指标具有高度的相关性原则,对余下的13个指标进行Pearson相关性分析,分析结果如表5所示。

图2 指标分类及引用频率Fig.2 Index classification and citation frequency

表3 汉江中下游生态系统健康评价指标初选体系Table 3 Primary ecosystem health evaluation index system of Hanjiang River

Pearson相关性分析结果表明,水位变化与生态流量保障程度、水位变化与鱼类Shannon-Wiener多样性指数、富营养化状况与水功能区水质达标条件的相关系数均大于0.75,存在较高的相关性(表3)。生态流量保障程度是河流健康的重要影响因子之一,同时鱼类Shannon-Wiener多样性指数在河流健康评价中应用更广,因此剔除水位变化指标；富营养化状况和水功能区水质达标率均能反映河流的稳定性,但鉴于水体富营养化状况更能揭示河流水华爆发的原因,因此剔除水功能区水质达标条件指标。根据上述分析,汉江中下游生态系统健康评价指标体系见表6。

表4 汉江中下游生态系统健康评价指标计算方法Table 4 Ecosystem Health Evaluation Index calculation method of Hanjiang River

表5 相关分析结果Table 5 Results of Spearman and Pearson correlation analysis

**P<0.01

2.2 评价指标的权重

利用Matlab 2014a计算出最小二乘法和熵系数法权重模型的决策矩阵,依据建立的综合权重模型,设折中系数为0.5,进行评价指标权重计算,计算结果见表7。

表6 汉江中下游生态系统健康评价指标体系Table 6 Ecosystem Health Evaluation Index System of Hanjiang River

表7 指标权重计算结果Table 7 The Result of Index Weight

2.3 评价方法与评价标准

根据统计的各指标数据集的均值、标准差、最小值、最大值及5%、25%、50%、75%、95%五个分位数与四分法的评价标准进行对比,得到四分法评价标准表见表8。

表8 指标评价标准Table 8 Index evaluation criteria

评价指标共有11项指标,每项指标最高得8分,因此总分为88分,将总分五等分构建出河流健康评价标准,汉江中下游生态系统健康评分等级划分见表9。

表9 汉江生态系统健康评价等级划分Table 9 River Health Assessment Evaluation Criterial of Hanjiang River

2.4 河流生态系统健康评价结果

2.4.1数据来源

汉江中下游健康评价所需数据主要来源于水利部长江水利委员会的《长江流域及西南诸河水资源公报》(1998—2016年)、襄阳市环境保护局的《汉江水质月报》(1998—2017年)、湖北省多年的《重点城市集中式饮用水源地水质月报》(1998—2017年)、《湖北省水资源公报》(1998—2017年)、《湖北省环境健康公报》(1998—2017年)、《湖北省统计年鉴》(1998—2017年)和沿河的12个监测断面的多年站点数据。

2.4.2评价结果

本文以丹江口大坝蓄水前(1969—1972年)的多年月平均数据为历史状态参照,选择1998年(历史参照年)、2012年(崔家营水库使用后两年)及2017年(南水北调中线工程通水后3年)3个典型年份作为评估年,依据上述建立的河流生态系统评价体系对汉江中下游进行河流健康评价。

根据建立的评价体系,汉江中下游河流生态系统健康评价结果如图3。1998年汉江中下游12个监测断面中,3个断面处于健康等级,占25%；5个断面处于亚健康等级,占41.7%；4个断面处于不健康等级,占33.3%,健康状况呈沿程降低的趋势。2012年2个断面处于健康等级,占16.7%；4个断面处于亚健康等级,占33.3%,6个断面处于不健康等级,占50%,不健康断面数相对于1998年有所增加,河流健康状况有所下降。2017年1个断面处于健康等级,占8.3%；3个断面处于亚健康等级,占25%；8个断面处于不健康等级,占66.7%,不健康等级断面数持续增加,汉江中下游健康状况有进一步恶化的趋势。

为探明汉江中下游健康状况在流域上的表现,利用ArcGIS 10.2的反距离插值工具(Inverse Distance Weighted,IDW)对汉江中下游河流生态系统健康指数进行插值计算,得到该结果在汉江中下游的分布状况如图4所示。从整个流域来看,汉江中下游河流生态系统健康状况具有明显的空间异质性,健康等级较高的地区主要分布在丹江口及以上地区,河流健康状况沿程降低。1998年不健康的区域大致分布在潜江及以下地区,2012年不健康的区域有所增加,接近钟祥地区,至2017年,不健康的区域持续增加。

图3 汉江中下游河流生态系统健康评价结果Fig.3 Ecosystem Health Assessment Results of Hanjiang River

图4 综合健康指数插值结果Fig.4 Comprehensive health index interpolation results#1为黄家岗水文站；#2为襄阳白家湾；#3为襄阳余家湖；#4为钟祥斗转；#5为钟祥皇庄；#6为皇庄水文站；#7为沙洋水文站；#8为天门罗汉闸；#9为天门岳口；#10为潜江泽口：#11为仙桃水文站；#12为汉口水文站

3 讨论

总体来说,汉江中下游流域的健康状况呈现出明显的空间异质性,且健康状况逐年降低。汉江中下游河流健康状况沿程降低,中游健康状况普遍好于下游。由于汉江中游两岸高山耸立、峡谷多,河流河道曲折多变,水流急,水量大[30],污染物随水流运动,不易聚集,大多向下游传播,或被沿岸植被固定,以致出现河流健康状况沿程降低的状况；另一方面,自丹江口大坝加高后,丹江口水库水域面积达1022.75 km2,蓄水量达290.5亿m3,为坝后区域提供了丰富的水资源[12],因此中游区域健康状况相对较好；而下游地区靠近长江入河口,河面宽,河流流速降低[31],沿河污染物大量聚集加剧了水华爆发的可能性；同时周边城市如武汉、襄阳等近年来发展迅速,加快的城市化进程严重影响河流健康状况；并且随着南水北调、梯级水库的修建运行[32-33],河流水资源量较少,河流连通性遭到破坏,汉江中下游健康状况逐年降低。

从评价结果可以看出,1998年汉江中下游的整体健康状况相对于其他年份较好,不健康等级的断面占33.3%,且多集中于长江入河口的区域,这与1998年汉江水华从武汉逆流而上,至襄阳趋于正常的现象相一致[30]。分析发现出现这种状况可能与长江的顶托作用有关[31]。丹江口水库建库后对汉江的洪峰起了调蓄作用,改变了汉江和长江的两江的洪峰遭遇情况,两江洪峰错开,加大了长江顶托作用的时间和范围,下游地区流速变缓,河流趋近静态,营养物质淤积,河流呈现不健康状态；近期有学者研究表明,长江干流对支流的“倒灌”作用形成的倒灌异重流[34-35],亦是引起支流水华的重要因素之一。

2012年汉江的河流健康状况相较于1998年有所下降,襄阳范围已处于亚健康状态,不健康区域已由潜江上移至钟祥附近。分析发现,汉江中游地区健康状况下降的原因主要与丹江口水库加高工程的实施和王甫洲及崔家营水库的建成运行相关[36]。丹江口水库加高后,水库正常蓄水位从157 m提高至170 m,高速的下泄水流带来气体过饱和的问题[37],下游鱼类由于气泡病的影响大量死亡,鱼类物种和存活率下降；同时下泄的低温水导致鱼类产卵场向下游水温高的区域迁移,繁殖量减小,破坏了坝下底栖动物、浮游生物的适宜生态环境；另一方面,随着王甫洲和崔家营水电站投入使用,几十公里的回水区将汉江分隔成湖泊型河流,水流变成静态水[38],大量研究表明,水华的爆发是充足的阳光、充足的营养盐、适宜的水温、缓慢的水流综合作用的结果[39],梯级水库的运行利于污染物的淤积和藻类的生长[40-41]。汉江下游不健康区域增进的原因,可能是由于梯级水库建成后,拦蓄了大量的水流,下游水资源量减少,河流健康状况下降；同时沿河流经湖北钟祥市、天门市、武汉市等人口聚集地,是湖北境内经济发展最快的区域。沿河工业废水和生活污水的无序排放、农业过度施肥等,造成大量污染物汇集入河流,水体富营养化严重,水华现象频发。

2017年汉江的河流健康状况相对其他两个评估年进一步下降,不健康区域持续上移,接近襄阳地区,潜江以下区域健康程度持续下降,但下降趋势有所减缓。分析发现,汉江中下游不健康区域上移的现象可能主要与南水北调中线工程和兴隆水库建成运行相关。大量研究表明,引水工程会对流域的地下水位、生物多样性以及生物生境造成影响[42-43],丹江口水库为南水北调中线水源地和渠首所在地,汉江干流也是南水北调的备用水源地。工程的运行调用了丹江口水库部分蓄水,导致下泄流量减少,下游水环境容量降低,平均水位下降,多年平均流量减少,对灌溉和取水有利的中水历时大幅下降；兴隆水电站正常蓄水位36.2 m,水库总库容4.85亿m3,回水区段近70多公里。兴隆水电站的修建,形成了汉江中下游丹江口-王甫洲-崔家营-兴隆为主的四级水库,河流连通性大幅降低,生态流量无法保障,水生生物栖息地遭到破坏,河流富营养化现象严重。潜江以下区域相对于兴隆坝上区域健康状况下降趋势减缓,可能与引江济汉工程[44]的实施相关。引江济汉工程自2010年开工到2014年通水以来,极大缓解了南水北调后汉江中下游水量减少的矛盾,潜江以下河段水资源量得到补充,河流活性恢复,打破了以往的静水状态,破坏了水华爆发的必要条件,河流的自净能力得到有效恢复,减少了N、P等营养盐的富集。且近年来的一系列诸如“一河一策”、“长江大保护”等相关政策和汉江闸站整治等工程对汉江中下游河流生态恢复也起了积极作用。

近年来,国内众多学者针对汉江中下游生态健康开展了一系列研究。李柏山[30]构建基于综合健康指数法流域生态系统健康评价指标体系,选取2001—2010年数据对汉江流域进行健康评价。结果表明汉江生态处于不健康状态,其结果与本研究基本一致。陈燕飞等[45]采用季节性肯达尔检验法对汉江中下游溶解氧等5个水质指标进行检测和预测,结果表明汉江中下游水质呈现沿程下降的趋势,评价结果与本研究基本相当。本研究构建的汉江中下游健康评价指标体系具有分类明确、客观,指标数据易获得等特点,可以快速、准确评价出河流所处的健康状况。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,仅从水文、水质、水生生物等几个方面开展健康评价已无法满足要求,从河流生态系统的整体性、稳定性和可持续性探讨河流健康,将会是未来研究的发展趋势。

4 结论

(1)基于生态系统健康内涵构建出包含整体性、稳定性及可持续性3个方面的生态系统健康河流评价指标体系,采用频次分析法和相关性分析法对指标进行筛选,并用最小二乘法和熵系数法相结合的综合权重模型确定各评价指标权重。以受筑坝和调水工程影响的汉江中下游为例进行了河流健康评价,评价体系具有一定的可行性。

(2)汉江中下游流域的健康状况呈现出明显的空间异质性,且健康状况逐年降低。靠近丹江口水库的区域较好,越往下游越差。不健康区域逐年增进,2017年已接近襄阳附近。

(3)随着“长江大保护”、“河湖长制”等政策的提出,引江济汉等治理措施的实施,汉江下游潜江-武汉段的健康状况下降趋势减缓。然而由于梯级水库、调水工程的建设,汉江中下游的健康依旧存在风险。

致谢：李瑞萍教授帮助写作,特此致谢。