海城河生态系统健康评价

(海城市水利技术推广中心，辽宁 海城 114200)

生态系统健康是指一个生态系统在时间上具有外界干扰恢复、自我调节、维持其组织结构的可持续性与稳定性的能力，可根据生态系统恢复力、组织结构和活力3个方面阐述其内涵特征。具有独特地理单元的流域在维持区域生态平衡、净化水质、涵养水源和调节径流等方面发挥着重要作用，流域生态系统保持良好的生物、化学与物理完整性，其良好的平衡状态为人类提供不同的服务功能或生态产品，对人类活动或自然因素干扰具有一定的自我恢复与调节的能力即为流域生态系统健康的内涵[1]。在流域生态健康方面国内外许多学者开展了大量研究，主要集中在压力-状态-响应模型、快速生物评价、栖息地完整性指数法、无脊椎动物群落指数法、景观格局指数生态评价以及模糊数学模型等方面的研究[2]。然而，目前在流域尺度上对其生态健康的评价研究还处于初期阶段，尚未形成统一、完善的框架体系与研究方法[3]。鉴于此，本文参考相关资料，分别从水域和陆域两个方面建立了评价体系，以海城河为例，综合评价其生态健康状态，以期为太子河流域建立生态补偿体制和制定生态红线提供信息和决策参考。

1 研究方法

1.1 海城河概况

海城河发源于孤山镇瓦子沟村响水沟，由东南向西北方向主要流经接文、马风、望台、西柳等18个乡镇，全长90.8km，流域面积1310km2，平均比降0.201%，属于浑河水系太子河支流，是海城市的母亲河。该河流处于大陆性季风气候区，年均降水量在640～800mm之间，降水在空间分布上自东南向西北呈递减趋势。流域内地貌特征为山地、丘陵、平原区和洼地等，并以丘陵和山地为主，河岸带土壤多棕黄土与草甸土，并且大部分区域为耕作土，植物区系以砂土植物、水生植被、沼泽以及草甸为主。该流域地处海城市农业生态功能区和城镇经济发展核心位置，生态环境面临的主要问题有农业面源污染、城乡生活污染以及工业企业污染等。

选择统计、监测以及数字影像资料等方式作为海城河生态健康评价主要数据来源，其中统计数据包括海城市2016年统计年鉴、农药化肥普查数据、海城河调查问卷以及水利工程普查数据等；监测数据有河流径流量、降水量、水质断面监测、面源与点源污染数据；数字影像资料主要有土壤类型矢量与土地利用数据库、SPOT-5、分辨率为30m×30m的DEM[4-5]。

1.2 研究方法

a.评价单元的划分。综合考虑流域环境管理、行政区划管理和自然地理单元的组合一致性特征与空间叠加关系，根据河流自然条件的相似性与一致性特点，合并流域范围内的最小自然单元。参考海城河水污染防治规划控制单元、行政管理单元以及自然地理单元的划分，保持乡镇区划与评估单元大小基本一致。通常情况下，行政区划与最小评估单元基本保持一致，仅仅在边界条件上存在一定差异，因此按照评价单元的核心行政单元统计社会经济数据[6]。

b.构建评价体系与分级标准。本研究依据流域生态健康评估指南，选择17项代表性指标。考虑到海城河农业污染与生产生活污水排放量较大的实际情况，在选择水生生物评价指标时将大型底栖硅藻类、底栖动物等对河流富营养化与酸化敏感的生物纳入评估范围，然后从水域和陆域两大层次构建河流生态健康评价体系[7]。不同评价指标对生态系统健康的贡献程度可通过指标的权重反映，通过专家咨询法并考虑各指标的内涵与重要性程度确定其权重，见表1。生态健康评价指标的单位不同、类型较多，因此很难直接利用实测值进行综合对比分析，需要根据各指标之间的相关关系和对河流影响的大小赋予标准化值，将其统一处理为0～1范围内的数值。然后根据流域健康评估指南中等级划分标准，并结合海城河实际状况进行适当调整，最终确定各指标实测值在不同分级标准下的取值范围。表1中优秀、良好、一般、较差与极差的等级标准，所对应的分值依次为大于80、60～80、40～60、20～40、小于20。

c.建立流域健康评价模型。流域健康度WHI是根据各评价指标数值反映一个区域生态健康的重要参数，WHI取值范围0～100，计算公式为

(1)

式中：WHIi为河流健康体系各层级的生态健康度；Li1、Wi分别为各指标标准化值及其权重值。

根据上述计算结果可建立用于河流健康系统评价的模型，其表达式为

(2)

式中：WHI、Li2分别为河流生态安全度与对象层权重值，对海城河各乡镇生态系统健康进行评价计算，评价结果见表2。

表1 海城河生态系统健康评价体系与分级标准

表2 海城河各乡镇生态系统健康评价

2 结果分析

2.1 水域生态健康评价

计算分析海城河水域生态压力、水生生物以及水生生境结构各项指标值，结果显示该河流生态健康评价优秀、良好和一般单元的面积占比分别为21%、42%、37%，河流生态健康状况整体处于一般及以上水平。根据各指标评价值可以看出，水生生物、水环境质量为影响海城河流域健康的主要因素，特别是在农业生产、人类活动以及人口密集的城区最为显著，河流下游区域工业废水、生活污水排放量较大，对水生动物种群结构造成不利影响。野外水质监测结果显示，水生生物评价指数在Ⅲ类水质以下的区域均处于差或较差水平[8]。海城河上游区域人类活动较少，水环境质量相对较好，在Ⅲ类及以上水平，该区域生态健康评价为优秀且水生生物综合指数较高，并以二台子大桥上游区域水质最好。在人类活动较多的下游地区河流水质质量较差，从而造成水生生物指标偏低，以牌楼镇、八里镇最为显著。海城河径流城区段存在较多的小印花、小染坊等服装企业，废水未经处理或处理不达标排放造成河道污染严重，水环境质量极差，处于Ⅳ和Ⅴ类水，水生生境结构改变并使得很多水生物种减少甚至消失，以西柳镇最为突出。

2.2 陆域生态健康评价

海城河陆域生态系统健康良好、一般、较差的单元面积分别为68%、30%、2%，总体不存在优秀评价单元。健康评价等级在空间分布上以山区最为优秀，城区低于乡镇。污染物减排资料是计算陆域点、面源污染负荷的主要依据，然而其数据获取计算单元为县区，从而使得在乡镇级评价单元上两个指标不存在可比性，因此不再探讨其影响作用[9]。在评价等级为优秀的单元中，如接文镇各项指标得分较高，特别是水源涵养指数、重要生境保持率、建设用地以及森林覆盖率等参数均大于其他评价单元；水源涵养指数、生境保持率为限制生态健康良好等级评价单元的主要因素，如马风镇、孤山镇等单元。在评价等级为一般的单元中，水源涵养指数、森林覆盖率以及建设用地比例过高为限制生态健康的主要因素，如西柳镇、牛庄镇等单元。

2.3 生态系统健康综合评价

在海城河生态健康综合评价中，优秀、良好、一般的单元面积分别占5%、62%、33%，整体处于一般及以上水平。海城河上游至下游生态健康分布表现出逐级递减的趋势，在河流源头区域的生态健康状况为优秀，然后逐渐过渡至良好和一般状态，在牛庄镇汇入太子河附近的生态系统健康破坏较为严重，西柳镇与牛庄镇单元的评价等级为一般，并低于附近其他区域。从流域整体上分析，人类活动干扰和社会经济活动为引起海城河生态系统健康存在差异的主要因素，上游区域和山地丘陵区健康等级较高，在平原、盆地以及人口密集的中下游区域偏低。随着经济的发展和城镇化发展速度的加快，可能会进一步增加海城河沿岸的建设用地，在工业产值和农业灌溉等综合作用下河流的减排负荷指数压力较大，海城河水质状况在短期内很难得到明显的改善[10]。

2.4 生态环境问题分析

根据生态健康评价结果，本文总结分析了海城河生态环境面临的主要问题有点面源污染排放量大、建设用地比例高、水源涵养能力弱以及干流水质差。污染物排放量较大是引起海城河水质较差的关键因素，据统计，海城河2016年点源、面源COD排放分别为1.28万t和3018.52t，并且氨氮与工业废水排放呈现出不断上升的趋势。点源污染为海城河主要污染源，污染物主要来源于服装小印花、印染企业，农村与城镇生活污染，化学制造业等。随着工业产值的提升和沿岸人口数量的不断增大，海城河水环境治理仍具有较大的压力。另外，河流生态压力与生态功能受建设用地比例影响显著，通过分析海城河沿岸2012—2016年的土地覆盖类型转移矩阵，该区域居民地、交通运输以及工程建设用地增加了1028hm2，建设用地的急剧增加给河流生态系统、农田、森林覆盖等造成较大压力，从而使得生境面积减少并加大了生境破碎程度。土地硬质化改变了流域内的水热条件、水陆系统能量物质交换，极易引起生态灾害与洪涝的发生。

3 结 论

a.海城河生态健康综合评价中优秀、良好、一般的单元面积分别占5%、62%、33%，整体处于一般及以上水平。海城河上游至下游生态健康分布表现出逐级递减的趋势，在河流源头区域的生态健康状况为优秀，在牛庄镇汇入太子河附近的生态系统健康破坏较为严重。健康评价等级在空间分布上以山区最为优秀，城区低于乡镇，水质状态指数为主要影响因子。

b.人类活动干扰和社会经济活动为引起海城河生态系统健康存在差异的主要因素，从而使得上游区域和山地丘陵区健康等级较高，在平原、盆地以及人口密集的中下游区域偏低。

c.海城河径流城区段存在较多的小印花、小染坊等服装企业，废水未经处理或处理不达标排放造成河道污染严重，水环境质量极差处于Ⅳ和Ⅴ类水，水生生境结构改变并使得很多水生物种减少，甚至消失，以西柳镇最为突出。