流域生態(tài)環(huán)境狀況評價指標(biāo)體系構(gòu)建與應(yīng)用
——以柳江流域為例

周雪欣，趙曉晨，葛曉霞

(珠江水資源保護(hù)科學(xué)研究所，廣州 510635)

2015年原環(huán)境保護(hù)部發(fā)布了《生態(tài)環(huán)境狀況評價技術(shù)規(guī)范》(HJ 192—2015)[1]，該技術(shù)規(guī)范在生態(tài)環(huán)境狀況評價中得到了廣泛應(yīng)用[2-4]，但從流域?qū)用婵紤]，規(guī)范提出的部分評價指標(biāo)難以精確按研究區(qū)進(jìn)行拆分，生物豐度指數(shù)、水網(wǎng)密度指數(shù)、土地脅迫指數(shù)等指標(biāo)計算均與土地利用相關(guān)，指標(biāo)間相關(guān)性較強，攜帶的信息量有限，各項評價指標(biāo)權(quán)重唯一，評價結(jié)果可能與流域?qū)嶋H生態(tài)環(huán)境狀況存在偏差。近年來，遙感和地理信息技術(shù)的迅速發(fā)展，為區(qū)域生態(tài)環(huán)境評價提供了新思路。如張寒等[5]通過計算地表纓帽變換濕度分量、歸一化干度指數(shù)、地表溫度、歸一化植被指數(shù)，運用主成分分析法構(gòu)建遙感生態(tài)指數(shù)評價南充市生態(tài)環(huán)境質(zhì)量；孫彩霞等[6]通過提取遙感影像數(shù)據(jù)，并結(jié)合土地覆被數(shù)據(jù)、空氣質(zhì)量數(shù)據(jù)等得到 5個評價指標(biāo)，利用主成分分析法對阜新市2000—2018年生態(tài)環(huán)境的變化趨勢進(jìn)行評價；王軍偉[7]利用層次分析法建立安慶市生態(tài)環(huán)境的評價指標(biāo)體系，確定各個指標(biāo)的權(quán)重，通過GIS技術(shù)對各指標(biāo)數(shù)據(jù)進(jìn)行可視化的表達(dá)。2020年水利部發(fā)布了《河湖健康評估技術(shù)導(dǎo)則》(SL/T 793—2020)[8]，為河湖健康評估提供了技術(shù)指導(dǎo)，同時也為水生生態(tài)環(huán)境評價提供了參考。專家學(xué)者圍繞生態(tài)環(huán)境評價及河湖健康評估的指標(biāo)體系、方法模型等問題進(jìn)行了大量的研究[9-18]，但大多偏重于陸生或水生生態(tài)環(huán)境狀況，如何統(tǒng)籌考慮陸生、水生生態(tài)，對流域生態(tài)環(huán)境狀況進(jìn)行科學(xué)評價仍是目前亟待解決的問題。

本研究通過選取5項陸生生態(tài)評價指標(biāo)、6項水生生態(tài)評價指標(biāo)，構(gòu)建流域生態(tài)環(huán)境狀況評價綜合指標(biāo)體系，采用組合賦權(quán)法確定各項指標(biāo)權(quán)重，利用綜合指數(shù)法評價流域生態(tài)環(huán)境狀況。以柳江流域為實例，結(jié)合實地調(diào)查數(shù)據(jù)及遙感、GIS技術(shù)，開展各項指標(biāo)計算，將評價過程及結(jié)果可視化，綜合評價分析柳江流域生態(tài)環(huán)境狀況，為流域開發(fā)及保護(hù)提供參考。

1 指標(biāo)體系和評價方法

1.1 指標(biāo)體系構(gòu)建

參照《生態(tài)環(huán)境狀況評價技術(shù)規(guī)范》(HJ 192—2015)《河湖健康評估技術(shù)導(dǎo)則》(SL/T 793—2020)，從陸生、水生生態(tài)環(huán)境狀況兩方面構(gòu)建流域生態(tài)環(huán)境狀況評價指標(biāo)體系。遵循實用性、有效性、代表性原則，選取植被覆蓋指數(shù)、生境質(zhì)量指數(shù)作為陸生生態(tài)環(huán)境狀況基本評價指標(biāo)，由于柳江流域涉及武陵山區(qū)生物多樣性保護(hù)與水源涵養(yǎng)重要區(qū)、西南喀斯特土壤保持重要區(qū)，流域水源涵養(yǎng)、生物多樣性保護(hù)、土壤保持功能突出，因此選取水源涵養(yǎng)指數(shù)、維管束植物豐富度、土壤侵蝕程度作為陸生生態(tài)環(huán)境狀況評價指標(biāo)。

經(jīng)過多年的發(fā)展，柳江流域水力資源開發(fā)和利用取得較大成就，但同時也引發(fā)了一系列水生生態(tài)環(huán)境問題。為全面評價水生生態(tài)環(huán)境狀況，從水文、水環(huán)境、河流形態(tài)、水生生物4方面考慮，選取非汛期生態(tài)流量滿足程度、水質(zhì)優(yōu)劣程度、河流縱向連通性指數(shù)、魚類保有指數(shù)、著生藻類指數(shù)、大型底棲無脊椎動物Shannon-Wiener多樣性指數(shù)等作為水生生態(tài)環(huán)境狀況評價指標(biāo)(見表1)。

表1 流域生態(tài)環(huán)境狀況指標(biāo)體系

1.2 評價方法

本研究采用綜合指數(shù)法對流域生態(tài)環(huán)境狀況進(jìn)行評價，其原理是對各項指標(biāo)進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化處理，利用組合賦權(quán)法確定各指標(biāo)權(quán)重，根據(jù)指標(biāo)標(biāo)準(zhǔn)化賦分結(jié)果及其所占權(quán)重計算流域生態(tài)環(huán)境狀況指數(shù)。

1.2.1評價指標(biāo)標(biāo)準(zhǔn)化

由于各評價指標(biāo)的量綱不一致，缺少可比性，因此，應(yīng)對指標(biāo)進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化處理。依據(jù)各指標(biāo)對生態(tài)環(huán)境狀況的貢獻(xiàn)程度，對各指標(biāo)進(jìn)行賦分評估(見表2)。

表2 各評價指標(biāo)賦分標(biāo)準(zhǔn)

1.2.2指標(biāo)權(quán)重的確定

各項指標(biāo)計算權(quán)重采用組合賦權(quán)法確定，具體計算公式如下：

(1)

式中：

Wi——第i個指標(biāo)的組合權(quán)重；

ai、bi——第i個指標(biāo)的客觀權(quán)重和主觀權(quán)重。

客觀權(quán)重ai采用變異系數(shù)法確定，權(quán)重公式：

(2)

式中：

CVi——第i項指標(biāo)的變異系數(shù)，計算公式如下：

(3)

式中：

σi——第i項指標(biāo)標(biāo)準(zhǔn)差;

μi——第i項指標(biāo)均值。

主觀權(quán)重bi采用專家打分法，邀請若干名相關(guān)領(lǐng)域?qū)＜遥扇—毩⑻畋硇问綄Ω髦笜?biāo)權(quán)重進(jìn)行打分，將各專家打分結(jié)果均值作為每個指標(biāo)主觀權(quán)重。

1.2.3流域生態(tài)環(huán)境狀況評價

流域生態(tài)環(huán)境狀況評價采用綜合指數(shù)法，具體計算公式如下：

(4)

式中：

EI——生態(tài)環(huán)境狀況指數(shù);

Si——第i項指標(biāo)的標(biāo)準(zhǔn)化處理結(jié)果;

Wi——第i項指標(biāo)的權(quán)重值。

流域生態(tài)環(huán)境狀況指數(shù)為陸生、水生生態(tài)環(huán)境狀況指數(shù)均值。根據(jù)生態(tài)環(huán)境狀況指數(shù)，將生態(tài)環(huán)境分為5級。劃分標(biāo)準(zhǔn)與《生態(tài)環(huán)境狀況評價技術(shù)規(guī)范》(HJ 192—2015)一致(見表3)。

表3 生態(tài)環(huán)境狀況分級

2 實例分析

2.1 流域概況

柳江是珠江流域西江水系的第二大支流，位于東經(jīng)107°27′～110°34′、北緯23°41′～26°30′之間，跨越黔、桂、湘三省(自治區(qū))，流域面積為58 520km2。流域地勢北部及西北部高，南部及東南部低?？傮w地貌以喀斯特地貌為主，上、中游地區(qū)多海拔為1 000m左右的中、高山，中下游地區(qū)多為低山丘陵。柳江徑流由降水形成，時空變化特性與降水對應(yīng)，年徑流模數(shù)自中下游向上游逐漸減小，徑流年內(nèi)分配不均勻。

2.2 指標(biāo)計算及權(quán)重確定

2.2.1陸生生態(tài)指標(biāo)計算及權(quán)重確定

本次評價采用2014—2016年柳江流域相關(guān)調(diào)查成果數(shù)據(jù)，具體如下：

植被覆蓋指數(shù)：本次評價選用中國500MNDVI月合成產(chǎn)品柳江流域2015年5—9月象元NDVI月最大值的均值，數(shù)據(jù)來源于中國科學(xué)院計算機網(wǎng)絡(luò)信息中心地理空間數(shù)據(jù)云平臺(http：//www.gscloud.cn)。按賦分標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行賦分評估，計算結(jié)果見圖1a。計算結(jié)果顯示柳江流域NDVI指數(shù)平均值為0.67，NDVI指數(shù)在0.65～0.8區(qū)間的面積占流域總面積58.2%，流域植被覆蓋度較高。

單位面積維管束植物豐富度：通過對流域內(nèi)165個樣方進(jìn)行調(diào)查，并結(jié)合流域內(nèi)重點區(qū)域(如廣西壽城自然保護(hù)區(qū)、廣西金秀大瑤山國家級自然保護(hù)區(qū)、廣西環(huán)江木論國家級自然保護(hù)區(qū)等)植被調(diào)查數(shù)據(jù)成果，采用《中國植被》中植被分類的原則，得出流域維管束植物種數(shù)(2 627種，含變種和變型)，與流域面積相比得出單位面積維管束植物豐富度為0.045(見圖1b)。

土壤侵蝕程度：通過實地調(diào)查和解譯分析流域2015遙感影像，參照《土壤侵蝕分類分級標(biāo)準(zhǔn)》SL190—2007計算確定土壤侵蝕程度，并按賦分標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行賦分評估，計算結(jié)果見圖1c。計算結(jié)果顯示柳江流域水土流失程度較輕，微度侵蝕面積為3.57萬km2，占流域面積的61.0%，輕度侵蝕、中度侵蝕面積分別占流域面積21.4%、17.6%。

水源涵養(yǎng)指數(shù)及生境質(zhì)量指數(shù)：將流域按研究需求劃分為若干個子流域，參照《生態(tài)環(huán)境狀況評價技術(shù)規(guī)范》(HJ192—2015)相關(guān)計算方法，得出各子流域生境質(zhì)量指數(shù)和水源涵養(yǎng)指數(shù)，利用GIS軟件按賦分標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行賦分評估，計算結(jié)果見圖1d、圖1e。計算結(jié)果顯示流域水源涵養(yǎng)指數(shù)平均值為0.26，生境質(zhì)量指數(shù)平均值為0.28，說明流域水源涵養(yǎng)能力較高，生境質(zhì)量較好，但流域內(nèi)差異較大，整體來看龍江下游、柳江干流下游地區(qū)水源涵養(yǎng)能力有待提高，生境質(zhì)量有待提升。

圖1 陸生生態(tài)各指標(biāo)評價結(jié)果示意

根據(jù)式(1)～式(3)指標(biāo)權(quán)重計算方法，計算陸生生態(tài)各項評價指標(biāo)組合權(quán)重(結(jié)果見表4)。根據(jù)式(4)生態(tài)環(huán)境狀況指數(shù)計算方法得出陸生生態(tài)環(huán)境狀況指數(shù),計算結(jié)果顯示流域陸生生態(tài)環(huán)境狀況指數(shù)平均值為71.0，整體處于良水平，優(yōu)良級以上面積為4.9萬km2，占流域面積83.5%。

表4 陸生生態(tài)各項評價指標(biāo)權(quán)重

注：由于單位面積維管束植物豐富度為全流域統(tǒng)計結(jié)果，無法計算變異系數(shù)，客觀權(quán)重按1/5項指標(biāo)計，即0.20。

2.2.2水生生態(tài)指標(biāo)計算及權(quán)重確定

通過遙感影像提取柳江流域研究水域，本實例提取對象主要為柳江干流、龍江。水生生態(tài)各項指標(biāo)計算具體如下：

非汛期生態(tài)流量滿足程度：通過分析2008—2018年非汛期(10月—次年3月)涌尾、柳州、貴江斷面逐月實測流量及生態(tài)流量滿足情況，得出3個斷面非汛期生態(tài)流量下泄?jié)M足程度分別為98%、88%、89%。按賦分標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行賦分評估，計算結(jié)果見圖2a。近10a柳江非汛期生態(tài)流量滿足程度較高，其中涌尾斷面代表的柳江上游都柳江河段非汛期生態(tài)流量滿足程度最高，僅在2010年3月出現(xiàn)1次不滿足情況。

水質(zhì)優(yōu)劣程度：根據(jù)《珠江區(qū)第3次水資源調(diào)查評價報告》調(diào)查結(jié)果評價柳江干流、龍江共16個一級水功能區(qū)、28個二級水功能區(qū)水質(zhì)狀況，年度水質(zhì)類別(總氮不參評)均在Ⅱ類以上，按賦分標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行賦分評估，計算結(jié)果見圖2b。柳江水質(zhì)總體優(yōu)良，柳江干流融江部分河段及龍江中上游河段年度水質(zhì)較好。

河流縱向連通性指數(shù)：調(diào)查結(jié)果顯示，柳江干流已建、在建梯級電站15座，龍江已建梯級電站13座，均未建設(shè)過魚設(shè)施，根據(jù)各河段梯級數(shù)量，計算河流縱向連通性指數(shù)，并按賦分標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行賦分評估，結(jié)果見圖2c。柳江流域開發(fā)程度較高，梯級電站的開發(fā)影響了河流縱向連通性，柳江干流中游、上游河段及龍江中下游河段梯級電站較為集中，河流縱向連通性差。

魚類保有指數(shù)：參考《廣西農(nóng)業(yè)生物科學(xué)》(1986年01期)《柳江魚類區(qū)系》(梁亮、覃建才等)文獻(xiàn)資料，1986年之前，柳江及其支流歷史已知魚類共計156種。根據(jù)《廣西淡水魚類志》及《廣西柳江魚類資源調(diào)查》(朱瑜、羅春業(yè)等)文獻(xiàn)資料，1987—2000年統(tǒng)計柳江共有魚類137種。根據(jù)魚類保有指數(shù)計算公式計算得出指數(shù)為88%，賦分結(jié)果為96(見圖2d)。

著生藻類指數(shù)：在流域內(nèi)選取19個調(diào)查點開展硅藻采樣分析，通過公式計算得出著生硅藻指數(shù)，按分級賦值表進(jìn)行賦分評估，結(jié)果見圖2e。柳江流域著生藻類指數(shù)平均值為12.5，流域內(nèi)各河段差異較小，整體處于中等偏好狀態(tài)。

大型底棲無脊椎動物Shannon-Wiener多樣性指數(shù)：在流域內(nèi)選取17個采樣點開展大型底棲無脊椎動物調(diào)查，通過公式計算得出大型底棲無脊椎動物Shannon-Wiener多樣性指數(shù)，按賦分標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行賦分評估，結(jié)果見圖2f。計算結(jié)果顯示，流域整體物種多樣性水平相對較低。大型底棲無脊椎動物Shannon-Wiener多樣性指數(shù)平均值為1.11，流域內(nèi)各河段差異較大，柳江干流中下游及龍江下游河段受人類活動影響，物種多樣性水平較低。

圖2 水生生態(tài)各指標(biāo)評價結(jié)果示意

根據(jù)式(1)～式(3)指標(biāo)權(quán)重計算方法，計算水生生態(tài)各項評價指標(biāo)組合權(quán)重(結(jié)果見表5),根據(jù)式(4)生態(tài)環(huán)境狀況指數(shù)計算方法得出水生生態(tài)環(huán)境狀況指數(shù)(結(jié)果見圖3b)。計算結(jié)果顯示流域水生生態(tài)環(huán)境狀況指數(shù)平均值為52.7，整體處于一般水平，優(yōu)良級以上河長為288km，占評價總河長的23.9%。

表5 水生生態(tài)各項評價指標(biāo)權(quán)重

2.3 柳江流域生態(tài)環(huán)境狀況評價

根據(jù)水生生態(tài)環(huán)境狀況指數(shù)結(jié)果，通過水文分析提取對應(yīng)的陸域作為賦值范圍。根據(jù)公式，流域綜合生態(tài)環(huán)境狀況指數(shù)=陸生生態(tài)環(huán)境狀況指數(shù)×0.5+水生生態(tài)環(huán)境狀況指數(shù)×0.5，計算結(jié)果如圖3c所示。

圖3 流域生態(tài)環(huán)境狀況評價結(jié)果示意

計算結(jié)果顯示，柳江流域生態(tài)環(huán)境狀況空間差異較大，最低值為34.1，最高值為95.8，平均值64.3。從平均值看，柳江流域整體生態(tài)環(huán)境狀況處于良水平，陸生生態(tài)環(huán)境狀況指數(shù)優(yōu)于水生生態(tài)環(huán)境狀況指數(shù)。從面積及其所占的比例來看，生態(tài)環(huán)境狀況為良等級的區(qū)域面積最大，在全流域分布較為廣泛，占流域總面積的53.7%；生態(tài)環(huán)境狀況為一般等級的區(qū)域面積占流域總面積的24.8%，主要分布在龍江下游、柳江干流中下游及洛清江中上游東部地區(qū)，區(qū)域內(nèi)分布有桂林市臨桂新區(qū)、柳州市轄區(qū)、宜州市、柳城縣、柳江縣，受人類活動影響顯著，植被覆蓋率較低，建設(shè)用地居多造成水源涵養(yǎng)指數(shù)和生境質(zhì)量指數(shù)較低，此外受梯級電站開發(fā)影響，河流縱向連通性較差，生境破碎化嚴(yán)重，物種多樣性水平相對較低，自然生境受到脅迫；生態(tài)環(huán)境狀況為優(yōu)等級的區(qū)域面積占流域總面積的21.5%，主要分布在古宜河流域、洛清江干流及柳江下游東部，大部分集中在林地及草地，受人類活動影響較小，植被覆蓋度較高；生態(tài)環(huán)境狀況為較差等級的區(qū)域面積較小，僅占流域總面積的0.1%，零星分布在龍江下游及洛清江中上游東部地區(qū)。

3 結(jié)語

1) 本文借鑒《生態(tài)環(huán)境狀況評價技術(shù)規(guī)范》(HJ192—2015)、《河湖健康評估技術(shù)導(dǎo)則》(SL/T793—2020)，以科學(xué)、全面、實用為原則，構(gòu)建了流域生態(tài)環(huán)境狀況評價指標(biāo)體系。兼顧陸生、水生生態(tài)環(huán)境，選取11項具有代表性的評價指標(biāo)開展評價，指標(biāo)的權(quán)重采用組合賦權(quán)法確定，兼顧權(quán)重客觀性及不同流域指標(biāo)權(quán)重獨特性，形成一套科學(xué)簡潔、便于業(yè)務(wù)化應(yīng)用的流域生態(tài)環(huán)境狀況評價方法。

2) 以柳江流域為對象，進(jìn)行指標(biāo)體系的應(yīng)用，評價結(jié)果顯示柳江流域生態(tài)環(huán)境狀況空間差異較大，整體處于良水平。結(jié)合GIS技術(shù)，將評價過程及評價結(jié)果可視化，形成各項評價指標(biāo)分級圖和流域生態(tài)環(huán)境狀況評價結(jié)果圖，更加直觀地反映了流域生態(tài)環(huán)境狀況的空間分布規(guī)律及其變化特征，為流域開發(fā)及生態(tài)環(huán)境保護(hù)提供技術(shù)支撐。