基于水生態(tài)區(qū)的黑河流域水生態(tài)健康評(píng)價(jià)研究

杜 飛，王世巖，劉 暢，王 亮

（中國(guó)水利水電科學(xué)研究院 水環(huán)境研究所，北京 100038）

20世紀(jì)80年代，Schaeffer和Rapport首次提出生態(tài)系統(tǒng)健康的內(nèi)涵和定量問(wèn)題［1-2］，Costanza等［3］從生態(tài)系統(tǒng)本身結(jié)構(gòu)和功能出發(fā)提出了生態(tài)系統(tǒng)健康概念及標(biāo)準(zhǔn)，將生態(tài)系統(tǒng)健康總結(jié)為6個(gè)方面：①自我平衡；②無(wú)疾??；③多樣性或復(fù)雜性；④穩(wěn)定性或恢復(fù)性；⑤活力或成長(zhǎng)性；⑥系統(tǒng)組成成分之間維持平衡，即健康的湖泊生態(tài)系統(tǒng)表現(xiàn)為物質(zhì)循環(huán)、能量和信息流動(dòng)未受到損害，關(guān)鍵生態(tài)組分和有機(jī)組織完整且沒(méi)有疾病，受突發(fā)的自然或人為擾動(dòng)后能恢復(fù)或保持原有的功能和結(jié)構(gòu)，整體功能表現(xiàn)出多樣性、復(fù)雜性和活力。所謂“健康”就是指系統(tǒng)在各種不良環(huán)境影響中，結(jié)構(gòu)和功能保持相對(duì)穩(wěn)定狀態(tài)，并具有可持續(xù)發(fā)展或不斷完善的特性［4］。隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)的不斷發(fā)展，流域開(kāi)發(fā)、水利工程、水資源開(kāi)發(fā)利用等方式造成河流水文情勢(shì)、水質(zhì)以及棲息地環(huán)境改變，流域水生態(tài)系統(tǒng)異質(zhì)性格局遭到破壞，致使河流斷流、湖泊萎縮、水體富營(yíng)養(yǎng)化、水生生物數(shù)量驟減、濕地退化等水生態(tài)問(wèn)題，引起世界各國(guó)高度重視［5］。2001年聯(lián)合國(guó)組織世界多個(gè)機(jī)構(gòu)制定并實(shí)施千年生態(tài)系統(tǒng)評(píng)估計(jì)劃（MA：Millennium Ecosystem Assessment），對(duì)全球生態(tài)系統(tǒng)的過(guò)去、現(xiàn)在、未來(lái)狀況進(jìn)行評(píng)估。2015年中國(guó)將生態(tài)文明建設(shè)納入“十三五”規(guī)劃當(dāng)中，建設(shè)生態(tài)文明、識(shí)別流域水生態(tài)健康及演變態(tài)勢(shì)、保障流域水生態(tài)系統(tǒng)健康，是水生態(tài)文明建設(shè)中的關(guān)鍵科學(xué)問(wèn)題之一［6］。但基于不同水生態(tài)區(qū)生態(tài)系統(tǒng)特征進(jìn)行流域水生態(tài)健康評(píng)價(jià)方面的相關(guān)研究尚不多見(jiàn)。本文結(jié)合國(guó)內(nèi)外對(duì)濕地、河流等生態(tài)系統(tǒng)健康評(píng)價(jià)的實(shí)踐，為了突出不同水生態(tài)區(qū)生態(tài)特征差異，利用PSR（Pressure-State-Response）模型，在黑河流域水生態(tài)區(qū)劃分基礎(chǔ)上，對(duì)流域水生態(tài)系統(tǒng)健康進(jìn)行了評(píng)價(jià)，本研究將為流域水生態(tài)保護(hù)、水生態(tài)功能區(qū)劃和干旱區(qū)水生態(tài)文明建設(shè)等提供相關(guān)研究基礎(chǔ)。

1 研究區(qū)域概況

黑河流域是我國(guó)西北干旱地區(qū)第二大內(nèi)陸河流域，流域位于38°00′—42°00′N(xiāo)，98°00′—101°30′E，面積14.2×104km2，干流全長(zhǎng)821 km，地跨青海、甘肅和內(nèi)蒙古3省區(qū)。流域平均海拔3 600 m，相對(duì)高差3 000 m左右，生態(tài)格局、氣候狀況具有明顯的垂直地帶性，流域自然、社會(huì)環(huán)境特征分區(qū)明顯，流域可劃分為上游祁連山山區(qū)水源涵養(yǎng)區(qū)、中游張掖地區(qū)人工農(nóng)業(yè)綠洲區(qū)以及下游額濟(jì)納旗自然沙漠綠洲區(qū)［8］。上游祁連山區(qū)和中游走廊區(qū)和年降水量分別為300～500 mm和100～250 mm，下游額爾濟(jì)納旗綠洲為荒漠極端干旱區(qū)，降水量不足45 mm，流域分布有大小支流30多條，均發(fā)源于祁連山，多年平均水資源總量41.73億m3，其中出山徑流量36.83億m3。

近年來(lái)，隨著大規(guī)模的生產(chǎn)活動(dòng)和不合理的開(kāi)發(fā)利用，導(dǎo)致黑河流域水生態(tài)健康狀況日益嚴(yán)峻。諸多學(xué)者對(duì)于黑河流域水資源與生態(tài)變化以及水量平衡、地下水等方面開(kāi)展較多研究［7-8］，而對(duì)黑河流域水生態(tài)健康研究較少。本文基于黑河流域8個(gè)水生態(tài)區(qū)、構(gòu)建了流域水生態(tài)健康評(píng)價(jià)指標(biāo)體系，對(duì)流域水生態(tài)健康進(jìn)行了評(píng)估分析。

2 水生態(tài)區(qū)劃分及特征分析

本文基于“十二五”水專(zhuān)項(xiàng)“黑河流域水生態(tài)功能分區(qū)研究”成果，通過(guò)黑河流域水生態(tài)系統(tǒng)異質(zhì)性特征識(shí)別，針對(duì)干旱區(qū)內(nèi)陸河流域特點(diǎn)，開(kāi)展水生態(tài)空間單元的劃分，之后對(duì)各水生態(tài)區(qū)水生態(tài)健康狀況進(jìn)行了評(píng)價(jià)。水生態(tài)分區(qū)是基于對(duì)流域水生態(tài)系統(tǒng)的區(qū)域差異研究，不同類(lèi)型區(qū)域生物區(qū)系、群落結(jié)構(gòu)和水體理化環(huán)境的異同比較，以及水生態(tài)系統(tǒng)空間格局和尺度效應(yīng)分析而提出的一種分區(qū)方法［9］。水生態(tài)區(qū)可以闡明水生環(huán)境系統(tǒng)在區(qū)域和地帶等不同尺度上空間分異特征，揭示水生態(tài)系統(tǒng)空間分布規(guī)律［10-11］。

在黑河流域水生態(tài)分區(qū)中，利用CA、PCA或CCA等分析技術(shù)，以徑流深度、植被覆蓋度和地形起伏度為主要分區(qū)指標(biāo)，通過(guò)對(duì)分區(qū)指標(biāo)空間預(yù)處理和無(wú)量綱歸一化處理后，利用GIS重采樣分析技術(shù)和空間疊加功能對(duì)水生態(tài)區(qū)進(jìn)行劃分。同時(shí)，結(jié)合Arc Hydro模塊小流域提取技術(shù)，得到小流域空間數(shù)據(jù)，在此基礎(chǔ)上利用流域植被數(shù)據(jù)、土壤數(shù)據(jù)和地貌類(lèi)型數(shù)據(jù)進(jìn)行水生態(tài)區(qū)邊界的修正，劃分出3個(gè)黑河流域水生態(tài)一級(jí)區(qū)和8個(gè)水生態(tài)二級(jí)區(qū)（圖1）。

按照地名/河流名+陸地生態(tài)系統(tǒng)類(lèi)型（地貌、土壤、植被、水文等）+水生態(tài)區(qū)進(jìn)行命名。黑河流域各水生態(tài)區(qū)代碼、名稱(chēng)及生態(tài)系統(tǒng)特征見(jiàn)表1。RBⅠ1祁連山高山寒漠水源涵養(yǎng)水生態(tài)區(qū)；RBⅠ2祁連山中山草原水源涵養(yǎng)水生態(tài)區(qū)；RBⅡ1走廊北山?jīng)_積平原灌叢荒漠水生態(tài)區(qū)；RBⅡ2黑河緩傾斜平原綠洲農(nóng)業(yè)水生態(tài)區(qū)；RBⅡ3北大河緩傾斜平原綠洲農(nóng)業(yè)水生態(tài)區(qū)；RBⅡ4走廊西北沙漠戈壁水生態(tài)區(qū)；RBⅢ1黑河下游額濟(jì)納居延三角洲水生態(tài)區(qū)；RBⅢ2阿拉善高原戈壁荒漠水生態(tài)區(qū)。

圖1 黑河流域水生態(tài)區(qū)劃分

3 指標(biāo)體系及評(píng)價(jià)方法

3.1 水生態(tài)健康評(píng)價(jià)框架及指標(biāo)體系根據(jù)水生態(tài)健康評(píng)價(jià)需求，結(jié)合國(guó)內(nèi)外相關(guān)研究及生態(tài)系統(tǒng)健康評(píng)價(jià)指標(biāo)，綜合考慮黑河流域干旱區(qū)特點(diǎn)，構(gòu)建出流域水生態(tài)健康評(píng)價(jià)指標(biāo)體系。水生態(tài)健康不僅需要對(duì)流域水生態(tài)環(huán)境健康狀況評(píng)價(jià)，而且還需要全面反映對(duì)生態(tài)安全有潛在影響的重要因素變化和水生態(tài)系統(tǒng)響應(yīng)特征。因此，水生態(tài)健康問(wèn)題是流域水生態(tài)系統(tǒng)的“壓力-狀態(tài)-響應(yīng)”（PSR）（圖2）的綜合狀況，其中壓力指標(biāo)主要反映在人類(lèi)活動(dòng)對(duì)生態(tài)環(huán)境直接或間接的改變，狀態(tài)指標(biāo)主要表現(xiàn)為在壓力影響下人和自然環(huán)境所呈現(xiàn)出的狀態(tài)，響應(yīng)指標(biāo)包括生態(tài)系統(tǒng)和人類(lèi)為克服外在擾動(dòng)所產(chǎn)生的反應(yīng)。

表1 黑河流域水生態(tài)區(qū)生態(tài)系統(tǒng)特征

根據(jù)黑河流域特點(diǎn)及野外水生態(tài)系統(tǒng)調(diào)查、河流水質(zhì)監(jiān)測(cè)以及相關(guān)統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，利用“壓力-狀態(tài)-響應(yīng)”特征分析，構(gòu)建了由目標(biāo)層、準(zhǔn)則層、狀態(tài)層和指標(biāo)層組成的4級(jí)層次的水生態(tài)健康評(píng)價(jià)框架及指標(biāo)體系（圖3）。其中，目標(biāo)層反映流域水生態(tài)健康總體水平，代表著維護(hù)健康河流、促進(jìn)人水和諧的總體態(tài)勢(shì)和總體效果；準(zhǔn)則層方面依據(jù)PSR模型，按內(nèi)部邏輯關(guān)系系統(tǒng)地表述為壓力、狀態(tài)、響應(yīng)3個(gè)方面；狀態(tài)層方面是在每一個(gè)準(zhǔn)則層下設(shè)置能夠代表系統(tǒng)狀態(tài)的指標(biāo)，對(duì)應(yīng)準(zhǔn)則層的設(shè)計(jì)；指標(biāo)層表示各個(gè)狀態(tài)層要素指標(biāo)，主要采用可以獲得的定量化指標(biāo)或半定量指標(biāo)以反映河流健康狀況。

3.2 指標(biāo)的選取原則與量化根據(jù)近些年來(lái)國(guó)內(nèi)外實(shí)踐表明，指標(biāo)選擇應(yīng)遵循以下原則：①全面性，即可以綜合全面地反映整個(gè)水生態(tài)系統(tǒng)健康狀況；②可行性，即指標(biāo)具有采集的可實(shí)施性，并切合實(shí)際情況；③獨(dú)立優(yōu)先性，即各指標(biāo)間相互獨(dú)立、可量化，并非將所有與生態(tài)健康有關(guān)的指標(biāo)納入評(píng)價(jià)體系當(dāng)中，要優(yōu)先選擇對(duì)流域生態(tài)健康影響權(quán)重大的指標(biāo)。

本文采用極差標(biāo)準(zhǔn)化，在指標(biāo)歸一化處理中，考慮了指標(biāo)變化趨勢(shì)對(duì)于水生態(tài)系統(tǒng)的影響差異。對(duì)于指標(biāo)數(shù)值越大，代表水生態(tài)系統(tǒng)狀態(tài)越好的指標(biāo)，直接對(duì)指標(biāo)進(jìn)行歸一化處理，而指標(biāo)數(shù)值越大，代表水生態(tài)系統(tǒng)狀況越差的指標(biāo)，則利用公式將進(jìn)行相應(yīng)轉(zhuǎn)變，以體現(xiàn)各指標(biāo)變化方向的同向性，使得評(píng)價(jià)指標(biāo)最大，表明該水生態(tài)區(qū)的水生態(tài)健康狀況越好。指標(biāo)歸一化公式如下。

式中：Xi′為第i個(gè)指標(biāo)的標(biāo)準(zhǔn)化值；Xi為第i個(gè)指標(biāo)的初始值；Ximin、Ximax分別為第i個(gè)指標(biāo)在研究區(qū)內(nèi)的最小值和最大值。

圖2“壓力-狀態(tài)-響應(yīng)”模型

圖3 黑河流域水生態(tài)健康評(píng)價(jià)框架及指標(biāo)

經(jīng)標(biāo)準(zhǔn)化和歸一化之后，各水生態(tài)區(qū)的指標(biāo)評(píng)分如表2所示。

3.3 指標(biāo)權(quán)重確定由于不同指標(biāo)對(duì)于流域水生態(tài)健康表征特征不同，因此在進(jìn)行水生態(tài)健康評(píng)價(jià)之前需首先確定各個(gè)指標(biāo)權(quán)重。

綜合比較指標(biāo)權(quán)重確定方法，層次分析法（AHP，the Analysis Hierarchy Process）由于適用范圍廣，可操作性強(qiáng)，在國(guó)內(nèi)應(yīng)用較廣［12-14］。在黑河流域水生態(tài)健康評(píng)價(jià)中，利用構(gòu)建的水生態(tài)健康評(píng)價(jià)指標(biāo)體系，首先通過(guò)專(zhuān)家打分，利用層次分析法進(jìn)行指標(biāo)權(quán)重的初步確定后，之后再通過(guò)專(zhuān)家咨詢(xún)、協(xié)調(diào)，最終確定各個(gè)指標(biāo)的權(quán)重值（表3）。

3.4 評(píng)價(jià)方法參考國(guó)內(nèi)外相關(guān)研究方法［15-16］，根據(jù)構(gòu)建的評(píng)價(jià)指標(biāo)體系，按照由準(zhǔn)則層、狀態(tài)層和指標(biāo)層組成的水生態(tài)健康綜合評(píng)價(jià)內(nèi)容，依據(jù)從上到下逐層整合的方法，建立黑河流域水生態(tài)健康評(píng)價(jià)指數(shù)計(jì)算模型。建立的流域水生態(tài)健康評(píng)價(jià)指數(shù)計(jì)算公式如下：

式中：EHCI為流域水生態(tài)健康評(píng)價(jià)指數(shù)值，其值的大小在0～1之間；Wi為評(píng)價(jià)指標(biāo)在綜合評(píng)價(jià)指標(biāo)體系中的權(quán)重值，其值的大小在0～1之間；Ii為評(píng)價(jià)指標(biāo)的歸一化值，其值大小在0～1之間。

表2 各水生態(tài)區(qū)評(píng)價(jià)指標(biāo)評(píng)分

表3 黑河流域水生態(tài)健康評(píng)價(jià)指標(biāo)權(quán)重

4 評(píng)價(jià)結(jié)果與分析

4.1 水生態(tài)健康綜合評(píng)分流域水生態(tài)區(qū)水生態(tài)健康綜合評(píng)分結(jié)果見(jiàn)表4。可以看出，自上游到下游，水生態(tài)健康評(píng)分依次降低（中游地區(qū)的走廊北山?jīng)_積平原灌叢荒漠水生態(tài)區(qū)（RBⅡ1）、走廊西北沙漠戈壁水生態(tài)區(qū)（RBⅡ4）除外）。上游水生態(tài)區(qū)（祁連山高山寒漠水源涵養(yǎng)水生態(tài)區(qū)（RBⅠ1）、祁連山中山草原水源涵養(yǎng)水生態(tài)區(qū)（RBⅠ2））的水生態(tài)健康評(píng)分結(jié)果較好，中游地區(qū)（黑河緩傾斜平原綠洲農(nóng)業(yè)水生態(tài)區(qū)（RBⅡ2）、北大河緩傾斜平原綠洲農(nóng)業(yè)水生態(tài)區(qū)（RBⅡ3））的水生態(tài)健康評(píng)分一般，而下游地區(qū)（黑河下游額濟(jì)納居延三角洲水生態(tài)區(qū)（RBⅢ1）、阿拉善高原戈壁荒漠水生態(tài)區(qū)（RBⅢ2））水生態(tài)健康評(píng)分則較差。其中，中下游地區(qū)的走廊北山?jīng)_積平原灌叢荒漠水生態(tài)區(qū)（RBⅡ1）和走廊西北沙漠戈壁水生態(tài)區(qū)（RBⅡ4）的水生態(tài)健康評(píng)分分別為0.000、0.009，這與該地區(qū)為荒漠戈壁、環(huán)境惡劣、水資源量稀少、生態(tài)系統(tǒng)脆弱、類(lèi)型單一的情形是一致的。

4.2 水生態(tài)健康綜合評(píng)價(jià)結(jié)果對(duì)黑河流域水生態(tài)健康狀況進(jìn)行分級(jí)，劃分為5個(gè)等級(jí)，分別為相對(duì)良好、相對(duì)較好、相對(duì)一般、相對(duì)較差、相對(duì)極差，對(duì)應(yīng)的綜合指數(shù)分別為：0.8～1.0、0.6～0.8、0.4～0.6、0.2～0.4、0～0.2。各水生態(tài)區(qū)健康狀況評(píng)價(jià)結(jié)果見(jiàn)表5所示。

表4 黑河流域不同水生態(tài)區(qū)水生態(tài)健康綜合評(píng)分

表5 水生態(tài)健康綜合評(píng)價(jià)結(jié)果

由以上結(jié)果可以看出：（1）流域上游地區(qū)的祁連山高山寒漠水源涵養(yǎng)水生態(tài)區(qū)（RBⅠ1）、祁連山中山草原水源涵養(yǎng)水生態(tài)區(qū)（RBⅠ2）2個(gè)地區(qū)水生態(tài)健康相對(duì)較好，主要是流域上游地區(qū)受到外在污染最輕、人為擾動(dòng)相對(duì)最?。唬?）流域中游地區(qū)的黑河緩傾斜平原綠洲農(nóng)業(yè)水生態(tài)區(qū)（RBⅡ2）、北大河緩傾斜平原綠洲農(nóng)業(yè)水生態(tài)區(qū)（RBⅡ3）水生態(tài)健康性相對(duì)一般。由于區(qū)域人口密度相對(duì)較大，農(nóng)業(yè)活動(dòng)等外在擾動(dòng)相對(duì)較多，對(duì)水生態(tài)健康性影響較大，水生態(tài)健康性相對(duì)一般；（3）中下游地區(qū)的走廊北山?jīng)_積平原灌叢荒漠水生態(tài)區(qū)（RBⅡ1）、走廊西北沙漠戈壁水生態(tài)區(qū)（RBⅡ4）、阿拉善高原戈壁荒漠水生態(tài)區(qū)（RBⅢ2）3個(gè)地區(qū)處于合黎山、龍首山及走廊北山的荒漠地區(qū)，基本沒(méi)有河流、湖庫(kù)等水體，植被覆蓋度低、水資源匱乏、沙漠化程度高，因而水生態(tài)健康性表現(xiàn)相對(duì)極差；（4）黑河下游額濟(jì)納居延三角洲水生態(tài)區(qū)（RBⅢ1）處于流域下游地區(qū)，該區(qū)域人口減少，受外來(lái)污染較輕，流域水生態(tài)健康性壓力相對(duì)較輕，但因河流上中游來(lái)水相對(duì)不足，經(jīng)常性河道斷流、水生態(tài)系統(tǒng)棲息條件脆弱且易于受到擾動(dòng)，因此水生態(tài)健康性相對(duì)較差。

5 結(jié)語(yǔ)

水生態(tài)健康評(píng)價(jià)在一定程度上通過(guò)評(píng)價(jià)指標(biāo)量化了人類(lèi)活動(dòng)對(duì)自然的影響，較好的反映了流域水生態(tài)現(xiàn)狀，是流域生態(tài)治理的基礎(chǔ)性工作，也為生態(tài)文明建設(shè)提供了科學(xué)支持。黑河流域水生態(tài)區(qū)水生態(tài)健康評(píng)價(jià)結(jié)果表明，對(duì)于西北內(nèi)陸河流的生態(tài)健康狀況除了與自身的自然環(huán)境條件有關(guān)外，還與人口增加和農(nóng)業(yè)生產(chǎn)壓力等外在擾動(dòng)有著密切的關(guān)聯(lián)。目前黑河流域面臨著水資源短缺和生態(tài)退化等水生態(tài)健康威脅，合理配置水資源、科學(xué)安排生產(chǎn)、生活以及生態(tài)用水是流域水資源合理開(kāi)發(fā)利用的核心。因此，嚴(yán)格按照國(guó)務(wù)院批準(zhǔn)的黑河流域水資源分配方案，確保河流生態(tài)水量下泄。從流域?qū)用鎭?lái)看，黑河流域生態(tài)需水對(duì)流域水生態(tài)健康保障具有重要意義，應(yīng)在保障河道生態(tài)流量的基礎(chǔ)上，注重生物多樣性和棲息地的保護(hù)。為此需要加強(qiáng)上游水源涵養(yǎng)林草建設(shè)，保障水源涵養(yǎng)功能，保護(hù)流域水生生物，維護(hù)水生態(tài)系統(tǒng)的多樣性。在水生態(tài)健康狀況極差的中下游荒漠地區(qū)應(yīng)采取相應(yīng)的措施防風(fēng)固沙、植樹(shù)造林，加強(qiáng)流域荒漠植物的生態(tài)保護(hù)，加強(qiáng)中游區(qū)域的濕地保護(hù)等措施。同時(shí)，加強(qiáng)以水生態(tài)功能區(qū)為單元的水生態(tài)保護(hù)和管理，促進(jìn)流域水生態(tài)文明建設(shè)。

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