密云水库上游（北京段）流域水生态健康评价

关键词：水生态健康；生境结构；水质；水生生物；密云水库上游

0引言

近年来，随着社会经济发展、城市规模扩张和人类活动干扰，流域水生态系统结构和功能日益衰减，不仅威胁流域水生态健康，而且影响流域水资源的可持续利用和社会经济的可持续发展。因此，从流域系统性和完整性出发，以流域为单元建立水生态健康评价体系，开展流域水生态健康评价已成为近年来流域管理的重要内容。

流域水生态健康评价方法主要有指示物种法和多指标评价法。指示物种法通过水体指示生物种群结构和生物量等的变化表征水生态健康程度。Sarah等基于底栖生物完整性指数（B-IBI）评估了普吉特海湾城市溪流的健康状况；Lin等基于浮游生物群落结构的季节变化，构建浮游生物完整性指数（P-IBI）对九龙江北溪水生态环境质量进行了评价；黄凯等采用鱼类完整性指数（F-IBI）评估了滦河流域生态系统健康状况。该方法的缺点是将某一类敏感生物种群作为水生态健康状况评价的指标，无法辨别影响流域水生态健康的环境驱动因素。多指标评价法是运用水文、水质和水生生物等方面的指标综合评价水生态健康状况，能表示流域水生态健康总体情况。Gary等基于河流地貌一生态一水文等构建河流生态健康评价体系，从流域、河段和水文三方面评价了双溪河流域健康状况；孙徐阳等构建涵盖水环境、水生生物、物理栖息地的评价指标体系对香溪河流域水生态健康状况进行了评价。由于评价指标体系的建立受研究区域限制，不能在其他案例中直接使用，因此该评价方法也具有一定限制。

密云水库是北京市重要地表饮用水水源地，水库的水质状况直接关系北京地区人民的饮水安全。近年来，密云水库上游潮白河水量不断减少，同时受生活污水和工业废水排放影响，流域水生态环境状况不容乐观，严重制约了当地经济和社会的可持续发展。此前，不少学者对密云水库上游流域水生态健康评价开展研究，但在评价指标方面侧重于水域水文、水生生物等，对整个流域地形地貌、水土流失、景观破碎度等方面的研究较少，并且流域尺度的水生态健康评价相对较少。为了全面了解和掌握各因素对密云水库上游流域水生态健康状况的影响，本文以密云水库上游（北京段）流域为研究对象，构建包括生境结构、水质、水生生物三方面内容的水生态健康评价指标体系，采用基于熵权法的综合健康指数法对流域水生态健康状况进行综合评价，同时分析密云水库上游（北京段）流域水生态健康空间异质性，以期为密云水库上游流域水生态保护及修复提供理论依据。

1研究区概况

密云水库上游（北京段）流域地势西北高、东南低，属温带大陆性季风气候区，四季分明，雨量集中，多年平均气温12.6℃，多年平均降水量600mm。选择密云水库上游（北京段）20个小流域作为研究区，涉及密云、怀柔、延庆3个区，见图1。

2材料与方法

2.1评价指标体系构建

参考国内外流域水生态健康评价方面的研究成果，从流域系统性和完整性出发，以流域为单元，综合考虑陆域生态系统及水域生态系统对水生态健康的关键影响因素，构建包含生境结构、水质、水生生物的流域水生态健康评价指标体系，见表1。

生境结构选取能够反映流域地理特征、水文地貌状况、人类活动强度以及植被覆盖状况的指标。其中：植被覆盖度和景观破碎度反映流域环境和人为活动对水生态健康的影响程度：水土流失状况用平均土壤侵蚀模数表示，可以反映流域的土壤肥力、农业发展、堤防安全等状况；水文地貌状况采用《山区河流水文地貌评价导则>（DB11/T 1173-2015）划分的I、Ⅱ级河流占比表示，可以反映河流的水文、地貌和河流的连续性状况。水质是最直观反映水体污染程度的指标，水库汇入河流的水质状况将直接影响密云水库水质，依据《地表水环境质量标准》（GB3838-2002），选择COD、NH4-N、TN、TP、N03-N作为水质评估指标，其中：NH-N、TN、TP是水体中的营养盐，是表征水体富营养化程度的指标；CODM是表征水体有机和无机可氧化物质污染状况的常用指标，可以反映水体耗氧污染物状况；N03-N可以反映水体中氮的污染程度，水体中N03-N含量过高可能危害人体健康。本研究选取底栖动物Shannon-Wiener多样性指数作为水生生物指标，底栖动物是水生态系统的重要组分，生命周期较长，活动范围较小，对水环境变化及不同类型的污染和干扰响应较为敏感，在水域污染严重时，其生物多样性会发生变化，因此该指数能够综合反映长期以来人类活动对河流生态系统的扰动程度。

2.2采样方法及指标值的测定与计算

1）生境结构指标调查与计算。根据小流域调查与评价的体系化方法与标准，开展流域内排污、河道淤堵、水量、垃圾堆积、植被等生态本底状况调查。水文地貌状况根据北京山区小流域主沟道自然状况、发展现状、河（沟）道人类活动影响情况，结合《生态清洁小流域技术规范》（DB11/T 548-2008）、《山区河流水文地貌评价导则》（DBlI/T 1173-2015）、《山区河流生态监测技术导则》（DB11/T 1174-2015）、欧盟水框架指令（WFD）指南中的评价框架，从河床、河岸或缓冲带、河滩和河流整体4个方面开展调查。植被覆盖度采用2022年覆盖河流区域的Sentinel-2高分辨率遥感数据及植被覆盖度实地测量数据。水土流失状况采用2022年《北京市水土保持公报》数据。用于计算景观破碎度的土地利用类型数据采用精度为1mx1m的第三次全国国土调查数据。

2）水样采集与测定。根据小流域出口反映汇流产出的特点，水样采集断面选取小流域出口，分别在汛期（2022年7月）、非汛期（2022年10月）于河流监测断面中间水面以下0.5m现场采集。现场利用便携式多参数水质测量仪（YSI-Pro DSS）测定pH值，同时现场采集1L水样，置于低温保温箱中，并于48h内带回实验室测定COD、NH4-N、TN、TP、N03-N浓度。水样的采集、保存和室内测定参照《地表水环境质量标准》（GB 3838-2002）和《水和废水监测分析方法》。

3）水生生物采集与鉴定。底栖动物样品采集在水样采集断面进行，每个断面设置3个采样点、分别采样后混合为1个样品。小流域主沟道每个断面设置3个采样点。底栖动物使用D型网和采泥器采集，现场筛选后放人盛有75%乙醇溶液的浓缩样品瓶固定。在实验室进行样品挑拣、分类和鉴定，大多数物种鉴定到种，部分物种鉴定到属或目，物种的鉴定和计数参照文献。底栖动物Shannon-Wiener多样性指数H计算公式：

2.3评价指标权重计算

指标权重的计算方法分为主观赋权法和客观赋权法，其中客观赋权法所需数据由评价指标的实际数据组成，可以有效避免人为因素的干扰。熵权法是客观赋权法的一种，采用熵权法对多个评价指标赋权时，在保证评价指标权重客观、合理的基础上，可以一定程度上简化计算过程，因此采用熵权法确定评价指标的权重，权重计算结果见表1。

2.4评价指标分级

关于流域及河流生态健康评价标准已有学者开展了一些研究，如粟一帆等根据各指标数据集的均值、标准差、最小值、最大值及分位数，对比四分法的评价标准对指标进行赋分，采用四分法进行河流健康评价：刘翔宇利用ArcGIS自然断点法进行流域生态健康等级划分。本研究结合流域水环境特有的地形地质和群落状况，根据密云水库上游（北京段）流域水生态环境现状，把流域水生态健康评价指标划分为健康、亚健康、一般、差、极差5个等级（分级标准见表2），对其分别赋分[80．100]、[60，80）、[40，60）、[20，40）、<20。

2.5综合评价模型

根据构建的密云水库上游（北京段）流域水生态健康评价指标体系，采用综合健康指数法计算流域水生态健康综合指数，：

3结果与分析

3.1单项指标健康评价

1）生境结构评价。密云水库上游（北京段）流域水生态系统生境结构整体健康状况良好，流域内主要河段生态系统结构完整性较高，有利于区域的可持续发展。单项评价指标中19个小流域植被覆盖度分值为60，为亚健康等级，仅黄甸子植被覆盖度分值为40，为一般等级：20个小流域景观破碎度和水文地貌状况分值在80～100之间，均为健康等级；朱家湾、大角峪、安洲坝、东黄梁4个小流域水土流失状况分值为60，为亚健康等级，其余16个小流域水土流失状况分值为80，均为健康等级。根据等权平均计算生境结构综合得分，其中18个小流域生境结构处于健康等级，占比90%：安洲坝和朱家湾2个小流域生境结构处于亚健康等级，占比10%，安洲坝和朱家湾分别位于琉璃河下游和清水河中段。

2）水质评价。密云水库上游（北京段）13个小流域水质处于健康等级，占比65%；7个小流域水质处于亚健康等级，占比35%。从单项评价指标看，20个小流域水体TP、N03-N、CODM。含量均属于地表水I类水或Ⅱ类水，水质较好，满足饮用水水源地要求。20个小流域水体NH;-N、TN含量均有超标情况。18个小流域NH;-N含量为地表水I类水或Ⅱ类水，满足饮用水水源地要求；太古石、大角峪NH; -N含量超出地表水V类水标准。安洲坝、椴木沟、鱼水洞、黄甸子TN含量满足地表水Ⅱ类水或Ⅲ类水标准，满足饮用水水源地要求；其余16个小流域TN含量均超出地表水Ⅳ类水或V类水标准，其中大角峪TN超标最多。现场调查发现古石峪、太古石小流域局部河段有污水排入，且有少量垃圾，大角峪、六道河、东黄梁、黄土梁西、西苍峪、杨家堡等小流域沟道内有少量垃圾，表明人类干扰和污染物排放对水质有显著影响。

3）水生生物评价。20个小流域底栖动物Shannon-Wiener多样性指数差别较大（见图2），其中3个小流域处于健康等级，占比15%；6个小流域处于亚健康等级，占比30%；6个小流域处于一般等级，占比30%；5个小流域未采集到底栖动物，健康等级为极差，占比25%，说明密云水库上游（北京段）底栖动物多样性水平较低。

3.2水生态健康综合评价

根据密云水库上游（北京段）流域水生态健康评价指标体系和权重，计算流域水生态健康综合指数，结果见表3。在选取的20个小流域中，2个小流域水生态健康综合指数大于80，为健康等级，占比10%；13个小流域水生态健康综合指数在60～80之间，为亚健康等级，占比65%;5个小流域水生态健康综合指数在40～60之间，为一般等级，占比25%。综合20个小流域水生态健康综合指数，密云水库上游（北京段）流域水生态健康状况为亚健康，其中流域水生态健康综合指数最高的为石洞子小流域，位于密云县，所在河流为白马关河；最低的为朱家湾、大角峪小流域，分别位于清水河干流中段、安达木河上游。

4讨论

4.1密云水库上游（北京段）流域水生态健康空间异质性

在ArcGIS的地统计分析模块中，采用反距离加权法（IDW）对密云水库上游（北京段）流域水生态健康综合指数进行插值计算，得到该指数在密云水库上游（北京段）流域的空间分布状况，见图3（a）。从整个流域看，水生态健康状况具有较强的空间异质性，健康等级较高即水生态健康综合指数较大的地区主要分布在白马关河、忙牛河、琉璃河、汤河中游和天河上游，该区域人类活动干扰程度较低，河流的水文、水质、生物和栖息地状况均较好。健康等级较低即水生态健康综合指数较小的地区主要分布在潮河、白河中下游、汤河下游、安达木河上游和清水河。综合生境结构、水质、水生生物单项指标的健康评价结果可以发现，白马关河、白河、天河和汤河上游地区健康状况普遍较好。生境结构和水质健康等级即综合指数的分布与流域水生态健康略有不同，汤河、白河上中游、黑河、白马关河、忙牛河、安达木河上游生境结构健康等级较高即综合指数较大，琉璃河下游、清水河上游生境结构健康等级较低即综合指数较小：水质健康等级较高即综合指数较大的地区主要分布在白河上游、菜食河、琉璃河、天河、汤河和清水河，白河下游和安达木河上游水质健康等级较低即综合指数较小。水生生物健康等级空间分布规律与流域水生态健康的相似，白马关河、忙牛河、琉璃河、汤河中游和天河上游健康等级较高即综合指数较大，汤河上游与下游、白河下游、清水河、安达木河上游健康等级较低即综合指数较小。

4.2流域水生态健康影响因素

根据流域水生态系统单项指标评价结果，安洲坝、黄土梁西、杨家堡、朱家湾小流域生境结构健康等级相对较低，主要原因是流域植被覆盖度低，水土流失比较严重。陈涛等对密云水库流域植被覆盖度变化的研究表明，密云水库流域平均植被覆盖度不高，尤其西部地区植被覆盖度较低，水土流失和土地沙化比较严重。引起植被覆盖度变化的主要原因是人类活动，其次为气候变化。密云水库上游（北京段）流域人口密度相对较低，但农村生活、农业生产、民俗旅游等人类活动在个别地区的影响仍然存在。因此，人类活动及气候变化等因素导致流域生境结构变化是影响区域水生态健康的原因。

河流水质和水生生物相互影响并共同影响河流水生态系统。水质监测结果表明，2个小流域NH; -N超出地表水V类水标准，15个小流域的TN超出地表水V类水标准。由现场调查可知，密云水库上游存在较严重的面源污染现象，如畜禽养殖、污水乱排乱放和生活垃圾乱扔及近河岸耕作等，导致研究区水生态健康状况具有明显空间异质性。胡春春等分析2010-2021年密云水库上游河道逐月水质监测数据发现，密云水库上游河道氮污染严重，与本研究结果基本一致。根据密云水库上游底栖动物采集情况，5个小流域未采集到底栖动物，健康等级为极差，6个小流域水生生物为一般等级，主要原因是受人类活动干扰，部分河流存在渠道化现象，蜉蝣目、禧翅目和毛翅目等喜急流和清洁水体的物种较少，水体自净作用得不到有效发挥，河流水生态健康状态不断恶化。

5结论

综合考虑密云水库上游（北京段）陆域生态系统及水域生态系统对水生态健康影响的关键因素，构建包含生境结构、水质、水生生物的流域水生态健康评价指标体系，具体由植被覆盖度、景观破碎度、水土流失状况、水文地貌状况、NH4-N、TP、N03 -N、TN、CODM。、底栖动物Shannon-Wiener多样性指数10个评价指标组成。采用基于熵权法的综合健康指数法对流域水生态健康状况进行综合评价表明，密云水库上游（北京段）流域水生态健康状况总体为亚健康，在选取的20个小流域中，健康等级占比10%，亚健康等级占比65%，一般等级占比25%，其中：18个小流域生境结构处于健康等级，2个小流域生境结构处于亚健康等级；13个小流域水质处于健康等级，7个小流域水质处于亚健康等级；3个小流域水生生物处于健康等级，各有6个小流域水生生物处于亚健康和一般等级，5个小流域未采集到底栖动物，健康等级为极差。

密云水库上游（北京段）流域水生态健康状况具有较强的空间异质性，健康等级较高的地区主要分布在白马关河、琉璃河、汤河中游和天河上游，健康等级相对较低的地区主要分布在潮河、白河中下游、汤河下游、清水河、安达木河上游。结合现场调查可知，密云水库上游存在较严重的面源污染，如废水乱排乱放、生活垃圾乱扔、畜禽养殖及近河岸耕作等，导致上游水生态健康具有明显的空间异质性。植被覆盖度、水土流失、氨氮和总氮是影响密云水库上游（北京段）流域水生态健康的关键因子。