梅江河生態(tài)系統(tǒng)健康指標及評估

陳志云，劉艷玲

(嘉應學院 地理科學與旅游學院，廣東 梅州 514015)

河流是地球上重要的生態(tài)系統(tǒng)之一，具有傳遞輸送全球物質能量、調節(jié)氣候、改變地表形態(tài)的作用，同時還是生物圈物質循環(huán)的主要通道之一，可以遷移和降解許多營養(yǎng)鹽及污染物.河流與人類的關系極為密切，不僅是人類最主要的淡水資源，也是可再生的能源，同時還附帶有交通、休閑娛樂等功能.但是，在經(jīng)濟快速發(fā)展和人類社會活動日益加劇的影響下，我國部分主要河流的內(nèi)部結構、功能組織與生態(tài)系統(tǒng)健康都受到了不同程度的破壞，絕大多數(shù)河流已經(jīng)遭受到不同程度的水污染侵害.而進行河流生態(tài)系統(tǒng)健康評價工作，對維持和保護河流生態(tài)系統(tǒng)健康有著重要意義.

目前河流生態(tài)系統(tǒng)健康的涵義尚不明確，國內(nèi)外研究狀況也不盡相同.國外河流健康評價的內(nèi)容主要是針對河流生態(tài)狀況，所采用的表征指標包括指示物種和棲息地特征指標，內(nèi)容很少考慮到人類社會價值，指標幾乎沒有涉及社會服務功能指標.

國內(nèi)河流由于在自然狀況、社會經(jīng)濟背景上與國外有較大程度的差異，因此對河流健康內(nèi)涵的定義以及河流健康的評價標準都與國外有較大的不同.趙彥偉、楊志峰等［1］在研究城市河流健康問題時，建立了包括水量、水質、水生生物、物理結構以及河岸帶等五大要素的指標體系，并提出了“很健康、健康、亞健康、不健康、病態(tài)”的五級評價標準.龍笛、張思聰［2］以生態(tài)系統(tǒng)健康的理論和“壓力-狀態(tài)-響應”模型為基礎，構建了灤河流域的生態(tài)系統(tǒng)健康評價指標體系.

1 河流生態(tài)系統(tǒng)健康概述

20 世紀70年代末，全球生態(tài)系統(tǒng)普遍出現(xiàn)退化現(xiàn)象，“生態(tài)系統(tǒng)健康”概念應運而生，成為了新興的生態(tài)系統(tǒng)管理學.但是生態(tài)學家至今未就生態(tài)系統(tǒng)健康的概念達成共識，而Costanza 提出的生態(tài)系統(tǒng)健康概念得到廣泛認同，該理論涵蓋了6 個方面:自我平衡、沒有病征、多樣性、有恢復力、有活力和能夠保持系統(tǒng)組份間的平衡［3］.后來90年代中期出現(xiàn)了“河流健康”的概念.西方國家在開展河流健康研究時，主要以河流生態(tài)系統(tǒng)為研究對象，認為河流生態(tài)系統(tǒng)具有自然和社會雙重屬性［4］.由此產(chǎn)生了兩類河流生態(tài)系統(tǒng)健康概念:

(1)河流自然生態(tài)系統(tǒng)健康:提出這一概念的代表學者都是以自然河流狀態(tài)作為河流健康標準，只強調河流生態(tài)系統(tǒng)的自然屬性內(nèi)容健康，而忽略了河流生態(tài)系統(tǒng)的社會服務功能.

(2)河流人化生態(tài)系統(tǒng)健康:如今越來越多的學者傾向于在強調河流生態(tài)系統(tǒng)自然屬性的同時，也考慮到其社會屬性.Norris 等人認為應考慮到人類的福利需求［5］.Meyer 認為河流生態(tài)系統(tǒng)應既有生態(tài)系統(tǒng)功能與結構，還應包含人類與社會的價值［6］.這些概念綜合考慮了河流生態(tài)系統(tǒng)的自然屬性與社會屬性健康，但就如何將兩者結合起來的問題未作深入闡述.

河流生態(tài)系統(tǒng)健康評價方法從評價原理上可分為預測模型法和多指標法，從評價對象角度可分為物理-化學法和生物法［7］.

2 梅江河生態(tài)系統(tǒng)健康分析與評價

2.1 梅江河概況

梅江是韓江的主流，發(fā)源于廣東省紫金縣的白石棟，上游稱為琴江，流經(jīng)五華縣水寨與五華河匯合后始稱梅江，自西南向東北流經(jīng)五華、興寧、梅縣至大埔縣的三河壩，與汀江匯合后稱韓江，其位置如圖1 所示.支流主要有琴江、五華河、寧江、程江、石窟河、松源河、柚樹河等.梅江流域東西寬136.5 km，南北長172 km，流域集水面積為13929 km2.梅江干流全長307 km，其中梅州市以下河段長約82 km，集水面積5559 km2，一般河寬150～250 m［8］.從梅江流域的地勢上看，總體地形是由西南向東北傾斜，山地面積占流域總面積的36%，丘陵面積占流域總面積的44%，臺地及小平原面積占流域總面積的20%［8］.

圖1 梅州市主要河道分布圖

2.2 數(shù)據(jù)來源及處理

2.2.1 數(shù)據(jù)來源

本研究所用數(shù)據(jù)主要通過文獻資料的收集和谷歌影像地圖的瀏覽等方式獲得，收集的主要文獻有《梅州水利志》、梅州市2008年水資源公報、梅州市水資源綜合規(guī)劃(2010-2030年)、《梅州市志》等.在時間上，本次評價指標數(shù)據(jù)采用2008 到2013年間的數(shù)據(jù).在空間上，研究范圍為梅江河主干流部分，即從五華河與梅江匯合處至大埔三河壩.河道的分段以行政區(qū)劃和支流匯合為主，結合河道功能區(qū)劃以及沿線生產(chǎn)生活特點等情況.分段見圖2，具體分段情況如下:

第一段(S1):五華河與梅江河匯合處-寧江與梅江河匯合處.第二段(S2):寧江與梅江河匯合處-畬(shē)江鎮(zhèn)畬江大橋處.第三段(S3):畬江鎮(zhèn)畬江大橋處-梅南鎮(zhèn)與長沙鎮(zhèn)交界處.第四段(S4):梅南鎮(zhèn)與長沙鎮(zhèn)交界處-西陽鎮(zhèn)梅子壩大橋處.第五段(S5):西陽鎮(zhèn)梅子壩大橋處-松源河與梅江河匯合處.第六段(S6):松源河與梅江河匯合處-大埔三河壩(梅江與韓江匯合處).

圖2 梅江分段圖

2.2.2 評價指標體系

根據(jù)參考文獻［3］中對河流生態(tài)系統(tǒng)健康的定義及其內(nèi)涵，明確河流具有自然屬性和社會屬性，把指標劃分為三大類:一是自然結構健康，二是生態(tài)結構健康，三是社會服務健康，具體結構見表1.

表1 健康評價指標體系

2.2.3 評價標準

在借鑒人體健康等級劃分和借鑒相關研究成果的基礎上，將河流生態(tài)系統(tǒng)健康標準劃分為“健康、基本健康、亞健康、疾病、病?！保?］，各個級別的確定標準為1.0-0.8，0.8-0.6，0.6-0.4，0.4-0.2，0.2-0，分別代表5 個級別的標準.

同樣可借鑒參考文獻［4］中的三級指標的健康等級評價標準，建立本文研究區(qū)域的評價體系參量，具體見表2.

表2 三級指標評價標準

2.2.4 評價過程

(1)判斷河流功能是否滿足基本的社會服務需求.判斷河流系統(tǒng)健康狀況應該考慮具體河流的功能要求.對于有特定社會服務功能的河流，如其社會服務方面的指標達不到要求，則河流系統(tǒng)就明顯的不健康.因此，河流系統(tǒng)的這類特殊功能指標是河流健康的決定性指標，被稱為控制性指標.除此以外，其他指標對河流健康也起一定的約束作用，被稱為協(xié)作性指標.對于沒有特殊功能的河流，所有的評價指標都是協(xié)作性指標.健康評價首先要判斷控制性指標是否在閾值范圍內(nèi)，具體流程見圖3.

圖3 評價流程圖

(2)計算序參量的有序度.參量是影響指標數(shù)值大小的各個重要因素，例如多年平均徑流量、河岸總長度等，而序參量是經(jīng)過參量定量計算或定性分析得出的指標數(shù)值.河流系統(tǒng)的序參量對健康狀態(tài)的影響方式是不一樣的，有些序參量是隨參量值的增大，其有序度增大，河流健康狀況越好;有些是隨參量值的增大，河流系統(tǒng)的有序度減小，河流健康狀況越差;有些是當序參量趨向于某一固定值時，河流系統(tǒng)有序度越高，河流健康狀況越好.本文的序參量(ε)大部分是遞增型的，設序參量的最小臨界值為Rmin，最大臨界值為Rmax，序參量值為Rreal，則序參量的有序度計算公式如下(序參量的最大、最小臨界值參照表3):

表3 梅江河河道指標閾值

(3)計算河段健康指數(shù).設河段系統(tǒng)可以分為m 段，各河段健康評價指標數(shù)為n.則各河段二級指標健康指數(shù)可采用公式(2)計算而得，各河段的總體健康指數(shù)可采用公式(3)計算而得.

式中:Ipj為第p 河段第j 個二級指標的健康指數(shù);Wpji為第p 河段第j 個二級指標中第i 個序參量的權重系數(shù);pij為第p 河段第j 個二級指標中第i 個序參量的有序度;n 為第j 個二級指標中序參量的個數(shù)(即三級指標的個數(shù)).

式中:Ip為第p 河段總體健康指數(shù);Wpj為第p 河段第j 個二級指標的權重系數(shù).

(4)指標權重的確定.權重是以某種數(shù)量形式對比，權衡被評價事物總體中各個因素相對重要程度的量值，不同的權重往往會導致不同的評價結果［9］.層次分析法是目前確定權重應用得較為廣泛的一種方法，因此根據(jù)實際需求和條件，本文采用層次分析法來確定權重.層次分析法是一種定性與定量相結合的決策分析方法，采用“分解-判斷-綜合”的基本決策思維過程，把復雜系統(tǒng)分解為各個組成因素，又將這些因素按支配關系組成有序的遞階層次結構，通過兩兩比較的方式確定層次中各因素的相對重要性，并利用判斷矩陣特征向量的計算確定下層指標對上層指標的貢獻程度.梅江河生態(tài)系統(tǒng)健康指標體系權重詳細見表4.

表4 梅江河生態(tài)系統(tǒng)健康指標體系權重

2.3 結果與分析

數(shù)據(jù)整理過程中按段、按區(qū)域進行劃分，各河段健康評價指標數(shù)值見表5.梅江河的主要功能為灌溉，因此選擇灌溉保證率作為控制性指標，將各河段灌溉保證率指標值和梅江河河道指標閾值范圍進行對比，可以看出梅江河各河段灌溉保證率均在閾值范圍內(nèi)，能滿足基本要求.

運用評價方法和數(shù)學模型，將各評價指標的有序度和權重系數(shù)代入計算模型中，計算出各河段的指數(shù)數(shù)值，并參考上述評價標準，確定河流生態(tài)系統(tǒng)的健康等級，計算結果見表6 和圖4.由表6 和圖4 的評估結果可以看出:

(1)梅江河總體健康指數(shù)為0.611，大于0.6，處于“基本健康”等級狀態(tài)，但是其社會服務指數(shù)比較低，為0.521，小于0.6，從河道的實際情況來看，河道水質和通航情況不良.

(2)從各河段診斷結果來看，S1、S2、S3、S6 河段總體健康指數(shù)均大于6.0，處于“基本健康”等級，S4、S5 河段總體健康指數(shù)低于0.6，處于“亞健康”等級.S4 的社會服務健康指數(shù)為0.416，偏低，主要是因為程江出口德龍橋至西陽電站水質為Ⅲ度，水污染嚴重，還有就是通航保障率不高，水電站的營運對航運造成不良影響，導致水位不銜接和蓄水時引起斷航.S5 的總體健康指數(shù)為0.541，生態(tài)系統(tǒng)健康指數(shù)為0.501.從衛(wèi)星影像圖上可以發(fā)現(xiàn)，S5 河段的河岸植被覆蓋率較低，大部分河道都修筑了圍堤，導致灘地保留率偏低，加上其中修建了幾座水電站，對航運造成不良影響.

表5 梅江河生態(tài)系統(tǒng)健康評估指標值

表6 梅江河生態(tài)系統(tǒng)健康等級表

圖4 梅江河生態(tài)系統(tǒng)健康等級條形圖

3 結論

在前人研究成果的基礎上，本文圍繞河流生態(tài)系統(tǒng)健康評價的理論知識、指標選取、評價方法、河流資料的收集、數(shù)學模型的計算等方面進行探討，從河流的自然結構、生態(tài)系統(tǒng)、社會服務功能三個方面對梅江河生態(tài)系統(tǒng)健康進行了初步的評估.計算結果顯示梅江河處于“基本健康等級”，說明目前梅江河的生態(tài)環(huán)境系統(tǒng)的各項功能基本正常，今后應制定適宜的生態(tài)管理策略.但是，由于資料、數(shù)據(jù)不全面，加上研究水平的限制，仍存在幾個不足之處有待改善:數(shù)據(jù)準確度不夠高、定量分析方法缺乏、致病原因不清等.還由于受技術水平和寫作時間的局限，未能探討GIS 技術在河流生態(tài)系統(tǒng)健康評價中的應用，望以后有時間能繼續(xù)完善.

［1］趙彥偉，楊志峰.城市河流生態(tài)系統(tǒng)健康評價初探［J］.水科學進展，2005，16(3):349-355.

［2］龍笛，張思聰.灤河流域生態(tài)系統(tǒng)健康評價研究［J］.中國水土保持，2006(3):14-16.

［3］佚名.河流生態(tài)系統(tǒng)健康及其評價指標體系［R］.中國科學院地理科學與資源研究所，2005.

［4］韓玉玲，夏繼紅，陳永明，等.河道生態(tài)建設:河流健康診斷技術［M］.北京:中國水利水電出版社，2012:12-67.

［5］SIMPOSN J，NORRIS R，BARRMUTAL L，et al.AusRivAs-National River Health PrFram:User［Z］.Manual Website Version，1999.

［6］MEYER J L.Stream Health:Incorporating the Human Dimension to Advance Streamecology ［J］.Journal of the North American Benthological Society，1997 (16):438-447.

［7］熊文，黃思平，楊軒.河流生態(tài)系統(tǒng)健康評價關鍵指標研究［J］.人民長江，2010，41(12):7-12.

［8］李宇.梅江、汀江調峰影響河段設計水位的推算及航道整治研究［D］.南京:河海大學，2007.

［9］魏文彪.GIS 技術支持下的河口濕地生態(tài)系統(tǒng)健康評價研究［D］.上海:華東師范大學，2007.