基于“3S”技术的瓯江流域生态系统健康评价

韩善锐，郦建锋，张汉朝，李华斌，屈泽龙，宋思远

（1.中国电建集团华东勘测设计研究院有限公司，浙江 杭州 310014；2.南京大学生命科学学院，江苏 南京 210093）

0 引 言

流域作为社会、经济、自然的复合生态系统，是一个独立的地貌单元，具有生态完整性[1]，同时承担气候调节、生态环境改善及生物多样性维护等多种生态系统服务功能[2]。但随着社会经济快速发展、人口急剧增长，水利工程建设、水资源利用、城乡建设等高强度人类活动对流域生态系统结构与功能造成严重影响，流域生态系统健康受到严重威胁[2-3]。开展流域生态系统健康评价研究对于客观反映流域生态系统健康状况并为流域可持续管理提供决策支持具有重要意义[4-5]。

流域生态系统健康是其所具有的稳定性和可持续性，即在时间上具有维持其组织结构、自由调节和对干扰的恢复能力。20 世纪80 年代以来，国外相关部门和学者针对流域生态系统健康展开一系列研究，主要有生物完整性指数评价[6]（Index of Biological Integrity，IBI）、溪流状况指数评价[7]（Stream Condition Index，SCI）、压力-状态-响应模型（Press-State-Response，PSR）等。近年来，国内有关流域生态系统健康评价的研究也逐渐开展。赵义等[8]基于层次分析法构建了基础的流域水系统健康评价体系；郝利霞等[9]以海河流域为研究对象，采用指标体系法评价了流域内河流生态系统健康。在评价方法方面，国内学者主要采用水质理化指标及部分生物指标，多以指标体系法对流域水生态系统健康状况进行评价[10-11]，目前国内也有较多学者基于PSR 模型对流域生态系统开展评价[12-15]。

但由于技术发展与数据获取难度的限制，目前国内关于生态系统健康评价的研究多以中小尺度特定湖泊、河流水生态系统为主，对大尺度的生态系统健康评价研究仍较少，“3S”技术的发展一定程度上克服了这些困难。吴炳方[1]、蒋卫国[16]等将RS 和GIS 方法引入流域生态系统健康评价；景彩娥[17]基于RS 技术和GIS 技术对黑河流域的生态系统健康状况进行评估；李国霞等[18]基于GIS 技术构建了流域生态系统健康评价体系，以评估金川河流域的生态系统健康状态。当前关于大尺度生态系统健康评价的研究仍位于起步阶段，流域生态健康评价的基本框架尚不统一，且多聚焦于特定河流、湖泊水体的生态健康评价。本研究以《河湖健康评估技术导则》为指导，结合“3S”技术构建流域尺度生态系统健康评价模型及指标体系，开展瓯江流域尺度河湖生态系统健康评价，旨在为瓯江流域水生态保护与修复提供良好的技术指导与决策支持。

1 研究区概况

瓯江位于浙江省南部，东临东海、南与飞云江流域交界，西与闽江流域接壤，西北部、北部与钱塘江、椒江2 个流域相邻，是浙江省第二大河。瓯江发源于庆元、龙泉交界的洞宫山脉百山祖西麓锅冒尖，流经丽水、金华、温州、台州等4 个地市，干流全长384 km，流域面积18 100 km2，多年平均年径流总量193 亿m3。

本文以瓯江流域（丽水段）为研究对象，涉及干支流15 条（见表1）。流域内地貌以中低山为主，间有丘陵和小面积河谷平原，地势自西南向东北倾斜。林地是流域内主要土地利用类型，占88.42%。

表1 瓯江（丽水段）干支流信息表

2 数据来源与研究方法

2.1 数据来源

本次研究数据主要包括遥感信息数据集、监测数据集及统计数据集。遥感信息数据集包括：美国Landsat 卫星的TM 影像数据1 景（成像时间为2020 年03 月11 日，30 m×30 m），数字高程数据（DEM，30 m×30 m），土地利用数据（2 期，分别为1980 年、2018 年），土壤类型矢量数据库；监测数据集包括：水质断面监测数据；统计数据集包括：瓯江流域水利工程调查数据等。

2.2 研究方法

2.2.1 评价单元

基于Landsat 8 OLI 遥感影像数据及DEM数据，利用流域分析与水文分析等技术，明确主要评价河流的所在水文单元作为评价单元。根据流域分析与水文分析结果，本文将研究区划分为15 个评价单元（见图1）。

2.2.2 指标体系构建及等级赋分

本研究结合研究区生态系统特征筛选评估指标共计3 类7 项（见表2），以反映流域尺度生态系统特征。选取指标主要包括水文水资源、水环境及水生态3 类，并结合RS 与GIS 分析对相关特征指标进行测算。根据各评价指标与流域水生态系统健康的相关关系，结合研究区实际情况将评价指标的实测值进行5 级划分，并进行分级赋分（见表2）。

表2 流域尺度水生态系统健康评价指标体系及其等级划分表

指标权重决定各评价指标对流域尺度水生态系统健康的贡献程度，直接影响到评价精度。本研究采用熵权法与专家咨询法（Delphi）计算各项指标权重，每种方法权重占比均为0.5，通过加权求和最终确定各项指标的权重。

2.2.3 评价方法

2.2.3.1 单因子评价

水土流失强度：水土流失敏感性是为了识别容易形成水土流失的区域，评价水土流失对人类活动的敏感程度。根据通用水土流失方程（USLE），影响区域水土流失程度的因素主要有降水、地貌、植被、土壤和人类活动。因此本研究选取坡度、植被覆盖度、人类活动及土壤条件作为评价水土流失敏感性的主要指标。水土流失强度以各河流所在水文单位内中、高敏感区面积占比高低进行确定。

水质：依据GB 3838—2002《地表水环境质量标准》，采用单因子评价法对区域水体水质进行评价。水质指标以各河流所在水文单位内I～Ⅲ类水占比情况进行表征。

河湖纵向连通性：河湖纵向连通性根据单位河长（每100 km）内影响河流连通性的建筑物或设施数量进行评估。

天然湿地保留率：评估对象为国家、地方湿地名录及保护区名录内与评估河流有直接水力连通关系的湿地，水力联系包括地表水和地下水的联系，按照公式计算湿地面积与历史（1980 年）状况湿地面积的比例。

式（1）中：NWL为天然湿地保留率，AW为评估基准年天然湿地面积，km2；AWR为历史（1980 年）的湿地面积，km2；NS为评估河段有水力联系的湿地个数，个。

河湖岸带人工干扰程度：河湖岸带人工干扰程度以河湖两岸2 000 m 距离内建设用地面积占比进行表征。

河流蜿蜒度：河流蜿蜒度以河流弯曲率表示。弯曲率指沿河流中线两点间河流的实际长度与其直线距离的比值，是河流弯曲程度的无量纲度量值。

植被覆盖率：滨岸空间是河湖生态系统重要的组成部分，对生态系统功能的正常发挥具有不可替代的作用，而植被覆盖率是滨岸生态系统完整性的最直接表征，因此本文以河湖两岸2 000 m 距离内总植被覆盖度（包括自然和人工）作为评价河湖生态系统健康的指标之一。

2.2.3.2 生态系统健康综合评价

使用加权求和方法计算流域生态系统健康指数，综合评价流域生态系统健康状况，计算公式如下：

式（2）中，HI为流域生态系统健康综合指数，SIi为第i个指标标准化得分，wi为指标权重。

根据得到的流域生态系统健康综合指数，结合研究区实际情况，将河流的生态系统健康状况划分为5 个等级（见表3）。

表3 流域尺度生态系统健康等级划分标准

3 结果与分析

3.1 瓯江流域水生态系统健康单因子评价

3.1.1 水土流失强度

结果表明（见表4）：松阴溪、四都港、松源溪3 个流域的水土流失中、高敏感区占比较低，不足20%。小溪流域的中、高敏感区面积最大为1 309.71 km2，占流域面积的38%。好溪和祯埠港流域的中、高敏感区占比较高，分别占59%和48%。

表4 各水文单元不同指标实测值

3.1.2 水 质

研究区内水质基本在Ⅲ类水以下，水质状况基本全面达标，水质状况较好。

3.1.3 河湖纵向连通性

瓯江干流、宣平溪以及小溪的河湖纵向连通性相对较好，河流阻水构筑物低于15 个/100 km。小安溪、四都港和浮云溪的河湖纵向连通性相对较差，河流阻水构筑物分别达到了79 个/100 km、70 个/100 km 和68 个/100 km。岩樟溪和四都港天然湿地保留率数据暂未获得，为方便计算，本研究指定其数值为1。

3.1.4 天然湿地保留率

小溪流域的天然湿地保留率最高，达到8.73，近40 a 来天然湿地面积不断增加。宣平溪、好溪等流域内天然湿地面积有所增加，增幅较小。乌溪江、均溪、祯埠港等流域内天然湿地面积小幅减少。八都溪、浮云溪、松源江等流域内天然湿地面积基本保持不变。

3.1.5 河湖岸带人工干扰程度

浮云溪流域人类活动干扰程度较高，占比14.06%。松阴溪、好溪、岩樟溪、瓯江干流等流域人类活动程度相比浮云溪较低，分别为7.31%、7.28%、5.45%、5.41%。祯埠港、乌溪江、小溪等流域人类活动干扰强度较低，不足1.00%。

3.1.6 蜿蜒度

宣平溪、祯埠港河流的蜿蜒度较高，分别达到4.70 和3.07。其余河流蜿蜒度相差不大，均位于1.30-1.90。

3.1.7 植被覆盖率

祯埠港、八都溪、岩樟溪、松阴溪、船寮港等流域植被覆盖率较高，超过90.00%。浮云溪植被覆盖率最低，仅占74.48%。瓯江干流植被覆盖面积最高为780.42 km2，但其植被覆盖率较低，仅为75.43%。

3.2 流域水生态系统健康综合评价

本研究采用熵权法和专家咨询法共同确定各个指标的权重，2 种方法所占权重均为0.5，通过加权求和方式确定各个指标综合权重。熵权法中，因各河流水质指标值未发生变化，故不将其纳入熵权值计算，其权重根据专家咨询法结果进行确定。各指标综合权重见表5。

表5 各项指标权重表

根据指标等级赋分标准（表2），本研究采用算术平均法对各项指标进行评分。利用加权求和的方式计算各河流水文单元的健康综合指数，所得结果见表6。评价结果表明，瓯江流域（丽水段）水生态系统总体处于健康和亚健康状态，其中，宣平溪流域的健康综合指数最高，达到91.95，表明其生态系统结构和功能完整，生态资源丰富，生态系统活力较高；此外，瓯江干流、祯埠港、小溪、乌溪江等流域生态系统均处于健康状态，其余河流均处于亚健康状态，浮云溪和好溪健康综合评价得分较低，分别为67.25 和69.00。

表6 各水文单元评价指标相应得分及综合健康指数表

3.3 瓯江流域水生态胁迫因子分析

评价结果显示，河湖纵向连通性和河流蜿蜒度是瓯江流域水生态健康的主要威胁因子，调查表明瓯江及其支流建有大量水库、滚水坝、堰坝等阻水设施，造成河流生态系统连通性的阻断，导致栖息地破碎化、河流断流、河网主干化等现象[19]，不利于河流生态系统中水文过程与鱼类洄游[20]等生态学过程的发生。河流蜿蜒度与河流的自净能力息息相关[21-22]，对维持河流生态系统的健康具有重要作用，调查结果显示研究区内河流蜿蜒度普遍较小，不利于河流水质的净化以及鱼类的栖息。

此外，水土流失严重、人类活动干扰大等是影响好溪、浮云溪等河流生态健康的重要因素。野外调查结果显示，好溪、浮云溪流域人类活动强度较大，植被覆盖率较低，水土流失较严重，生态系统健康状况相对较差。

4 讨论与结论

4.1 讨 论

流域生态系统的健康对区域社会经济发展具有重要意义。流域是水域与陆域相互关联、相互作用的有机整体，彼此发生强烈的物质与能量交换，水域对陆域环境变化具有较高的敏感性[3]。因此，流域水生态系统健康评价离不开陆域环境。故本文结合水域与陆域构建宏观尺度指标体系并开展评价工作，相较于中小尺度评价，本研究可以在宏观尺度上更好的反映流域生态系统的健康问题。同时，本文通过GIS空间分析将研究区划分为15个小流域，一定程度上避免了由于尺度过大而造成的精细信息丢失。通过评价分析，本文识别了瓯江流域的总体生态健康状况，定位了生态系统健康状况较差的河流，为流域内水生态保护与修复提供顶层设计基础与理论支撑。

生态系统健康评价中指标权重的计算决定评价结果的精度。层次分析法、专家咨询法等主观方法可以充分考虑指标的重要性，但权重大小受人为干扰较大。熵权法、主成分分析法等客观方法可以避免人为因素带来的影响，但其忽略了指标自身的重要程度，有时可能得到与预期相差甚远的结果[23]。本文利用熵权法与专家咨询法综合确定各项指标的权重，一定程度上避免了人为因素带来的偏差，并同时考虑了指标的重要程度。

本研究是在大型流域尺度上开展生态系统健康评价的初探。由于数据获取困难，仅对瓯江流域1 a 的生态系统健康状况进行评价，后续应持续对瓯江流域进行监控与数据收集，以期获得更完善、更全面的数据用于健康评价，同时持续对瓯江流域的健康状况进行跟踪，为流域的管理与保护提供技术支撑。

4.2 结 论

本文基于“3S”技术，突破传统针对某一特定水体开展生态系统健康评价的限制，采用指标体系法，从水文水资源、水环境、水生态3 个层面综合评价了瓯江流域（丽水段）15 条河流水文单元的生态系统健康状况。评价结果表明：瓯江流域（丽水段）水生态系统总体处于健康和亚健康状态。其中宣平溪、祯埠港、小溪、乌溪江、瓯江干流等流域生态系统结构较完整，功能较完善；好溪、浮云溪等流域受人类活动影响较大，生态系统健康状况相对较差，需要加强流域内水生态系统的保护与修复。