基于“3S”技術(shù)的甌江流域生態(tài)系統(tǒng)健康評(píng)價(jià)

韓善銳，酈建鋒，張漢朝，李華斌，屈澤龍，宋思遠(yuǎn)

（1.中國(guó)電建集團(tuán)華東勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院有限公司，浙江 杭州 310014；2.南京大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院，江蘇 南京 210093）

0 引 言

流域作為社會(huì)、經(jīng)濟(jì)、自然的復(fù)合生態(tài)系統(tǒng)，是一個(gè)獨(dú)立的地貌單元，具有生態(tài)完整性[1]，同時(shí)承擔(dān)氣候調(diào)節(jié)、生態(tài)環(huán)境改善及生物多樣性維護(hù)等多種生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能[2]。但隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)快速發(fā)展、人口急劇增長(zhǎng)，水利工程建設(shè)、水資源利用、城鄉(xiāng)建設(shè)等高強(qiáng)度人類活動(dòng)對(duì)流域生態(tài)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)與功能造成嚴(yán)重影響，流域生態(tài)系統(tǒng)健康受到嚴(yán)重威脅[2-3]。開(kāi)展流域生態(tài)系統(tǒng)健康評(píng)價(jià)研究對(duì)于客觀反映流域生態(tài)系統(tǒng)健康狀況并為流域可持續(xù)管理提供決策支持具有重要意義[4-5]。

流域生態(tài)系統(tǒng)健康是其所具有的穩(wěn)定性和可持續(xù)性，即在時(shí)間上具有維持其組織結(jié)構(gòu)、自由調(diào)節(jié)和對(duì)干擾的恢復(fù)能力。20 世紀(jì)80 年代以來(lái)，國(guó)外相關(guān)部門(mén)和學(xué)者針對(duì)流域生態(tài)系統(tǒng)健康展開(kāi)一系列研究，主要有生物完整性指數(shù)評(píng)價(jià)[6]（Index of Biological Integrity，IBI）、溪流狀況指數(shù)評(píng)價(jià)[7]（Stream Condition Index，SCI）、壓力-狀態(tài)-響應(yīng)模型（Press-State-Response，PSR）等。近年來(lái)，國(guó)內(nèi)有關(guān)流域生態(tài)系統(tǒng)健康評(píng)價(jià)的研究也逐漸開(kāi)展。趙義等[8]基于層次分析法構(gòu)建了基礎(chǔ)的流域水系統(tǒng)健康評(píng)價(jià)體系；郝利霞等[9]以海河流域?yàn)檠芯繉?duì)象，采用指標(biāo)體系法評(píng)價(jià)了流域內(nèi)河流生態(tài)系統(tǒng)健康。在評(píng)價(jià)方法方面，國(guó)內(nèi)學(xué)者主要采用水質(zhì)理化指標(biāo)及部分生物指標(biāo)，多以指標(biāo)體系法對(duì)流域水生態(tài)系統(tǒng)健康狀況進(jìn)行評(píng)價(jià)[10-11]，目前國(guó)內(nèi)也有較多學(xué)者基于PSR 模型對(duì)流域生態(tài)系統(tǒng)開(kāi)展評(píng)價(jià)[12-15]。

但由于技術(shù)發(fā)展與數(shù)據(jù)獲取難度的限制，目前國(guó)內(nèi)關(guān)于生態(tài)系統(tǒng)健康評(píng)價(jià)的研究多以中小尺度特定湖泊、河流水生態(tài)系統(tǒng)為主，對(duì)大尺度的生態(tài)系統(tǒng)健康評(píng)價(jià)研究仍較少，“3S”技術(shù)的發(fā)展一定程度上克服了這些困難。吳炳方[1]、蔣衛(wèi)國(guó)[16]等將RS 和GIS 方法引入流域生態(tài)系統(tǒng)健康評(píng)價(jià)；景彩娥[17]基于RS 技術(shù)和GIS 技術(shù)對(duì)黑河流域的生態(tài)系統(tǒng)健康狀況進(jìn)行評(píng)估；李國(guó)霞等[18]基于GIS 技術(shù)構(gòu)建了流域生態(tài)系統(tǒng)健康評(píng)價(jià)體系，以評(píng)估金川河流域的生態(tài)系統(tǒng)健康狀態(tài)。當(dāng)前關(guān)于大尺度生態(tài)系統(tǒng)健康評(píng)價(jià)的研究仍位于起步階段，流域生態(tài)健康評(píng)價(jià)的基本框架尚不統(tǒng)一，且多聚焦于特定河流、湖泊水體的生態(tài)健康評(píng)價(jià)。本研究以《河湖健康評(píng)估技術(shù)導(dǎo)則》為指導(dǎo)，結(jié)合“3S”技術(shù)構(gòu)建流域尺度生態(tài)系統(tǒng)健康評(píng)價(jià)模型及指標(biāo)體系，開(kāi)展甌江流域尺度河湖生態(tài)系統(tǒng)健康評(píng)價(jià)，旨在為甌江流域水生態(tài)保護(hù)與修復(fù)提供良好的技術(shù)指導(dǎo)與決策支持。

1 研究區(qū)概況

甌江位于浙江省南部，東臨東海、南與飛云江流域交界，西與閩江流域接壤，西北部、北部與錢(qián)塘江、椒江2 個(gè)流域相鄰，是浙江省第二大河。甌江發(fā)源于慶元、龍泉交界的洞宮山脈百山祖西麓鍋冒尖，流經(jīng)麗水、金華、溫州、臺(tái)州等4 個(gè)地市，干流全長(zhǎng)384 km，流域面積18 100 km2，多年平均年徑流總量193 億m3。

本文以甌江流域（麗水段）為研究對(duì)象，涉及干支流15 條（見(jiàn)表1）。流域內(nèi)地貌以中低山為主，間有丘陵和小面積河谷平原，地勢(shì)自西南向東北傾斜。林地是流域內(nèi)主要土地利用類型，占88.42%。

表1 甌江（麗水段）干支流信息表

2 數(shù)據(jù)來(lái)源與研究方法

2.1 數(shù)據(jù)來(lái)源

本次研究數(shù)據(jù)主要包括遙感信息數(shù)據(jù)集、監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)集及統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)集。遙感信息數(shù)據(jù)集包括：美國(guó)Landsat 衛(wèi)星的TM 影像數(shù)據(jù)1 景（成像時(shí)間為2020 年03 月11 日，30 m×30 m），數(shù)字高程數(shù)據(jù)（DEM，30 m×30 m），土地利用數(shù)據(jù)（2 期，分別為1980 年、2018 年），土壤類型矢量數(shù)據(jù)庫(kù)；監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)集包括：水質(zhì)斷面監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)；統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)集包括：甌江流域水利工程調(diào)查數(shù)據(jù)等。

2.2 研究方法

2.2.1 評(píng)價(jià)單元

基于Landsat 8 OLI 遙感影像數(shù)據(jù)及DEM數(shù)據(jù)，利用流域分析與水文分析等技術(shù)，明確主要評(píng)價(jià)河流的所在水文單元作為評(píng)價(jià)單元。根據(jù)流域分析與水文分析結(jié)果，本文將研究區(qū)劃分為15 個(gè)評(píng)價(jià)單元（見(jiàn)圖1）。

2.2.2 指標(biāo)體系構(gòu)建及等級(jí)賦分

本研究結(jié)合研究區(qū)生態(tài)系統(tǒng)特征篩選評(píng)估指標(biāo)共計(jì)3 類7 項(xiàng)（見(jiàn)表2），以反映流域尺度生態(tài)系統(tǒng)特征。選取指標(biāo)主要包括水文水資源、水環(huán)境及水生態(tài)3 類，并結(jié)合RS 與GIS 分析對(duì)相關(guān)特征指標(biāo)進(jìn)行測(cè)算。根據(jù)各評(píng)價(jià)指標(biāo)與流域水生態(tài)系統(tǒng)健康的相關(guān)關(guān)系，結(jié)合研究區(qū)實(shí)際情況將評(píng)價(jià)指標(biāo)的實(shí)測(cè)值進(jìn)行5 級(jí)劃分，并進(jìn)行分級(jí)賦分（見(jiàn)表2）。

表2 流域尺度水生態(tài)系統(tǒng)健康評(píng)價(jià)指標(biāo)體系及其等級(jí)劃分表

指標(biāo)權(quán)重決定各評(píng)價(jià)指標(biāo)對(duì)流域尺度水生態(tài)系統(tǒng)健康的貢獻(xiàn)程度，直接影響到評(píng)價(jià)精度。本研究采用熵權(quán)法與專家咨詢法（Delphi）計(jì)算各項(xiàng)指標(biāo)權(quán)重，每種方法權(quán)重占比均為0.5，通過(guò)加權(quán)求和最終確定各項(xiàng)指標(biāo)的權(quán)重。

2.2.3 評(píng)價(jià)方法

2.2.3.1 單因子評(píng)價(jià)

水土流失強(qiáng)度：水土流失敏感性是為了識(shí)別容易形成水土流失的區(qū)域，評(píng)價(jià)水土流失對(duì)人類活動(dòng)的敏感程度。根據(jù)通用水土流失方程（USLE），影響區(qū)域水土流失程度的因素主要有降水、地貌、植被、土壤和人類活動(dòng)。因此本研究選取坡度、植被覆蓋度、人類活動(dòng)及土壤條件作為評(píng)價(jià)水土流失敏感性的主要指標(biāo)。水土流失強(qiáng)度以各河流所在水文單位內(nèi)中、高敏感區(qū)面積占比高低進(jìn)行確定。

水質(zhì)：依據(jù)GB 3838—2002《地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》，采用單因子評(píng)價(jià)法對(duì)區(qū)域水體水質(zhì)進(jìn)行評(píng)價(jià)。水質(zhì)指標(biāo)以各河流所在水文單位內(nèi)I～Ⅲ類水占比情況進(jìn)行表征。

河湖縱向連通性：河湖縱向連通性根據(jù)單位河長(zhǎng)（每100 km）內(nèi)影響河流連通性的建筑物或設(shè)施數(shù)量進(jìn)行評(píng)估。

天然濕地保留率：評(píng)估對(duì)象為國(guó)家、地方濕地名錄及保護(hù)區(qū)名錄內(nèi)與評(píng)估河流有直接水力連通關(guān)系的濕地，水力聯(lián)系包括地表水和地下水的聯(lián)系，按照公式計(jì)算濕地面積與歷史（1980 年）狀況濕地面積的比例。

式（1）中：NWL為天然濕地保留率，AW為評(píng)估基準(zhǔn)年天然濕地面積，km2；AWR為歷史（1980 年）的濕地面積，km2；NS為評(píng)估河段有水力聯(lián)系的濕地個(gè)數(shù)，個(gè)。

河湖岸帶人工干擾程度：河湖岸帶人工干擾程度以河湖兩岸2 000 m 距離內(nèi)建設(shè)用地面積占比進(jìn)行表征。

河流蜿蜒度：河流蜿蜒度以河流彎曲率表示。彎曲率指沿河流中線兩點(diǎn)間河流的實(shí)際長(zhǎng)度與其直線距離的比值，是河流彎曲程度的無(wú)量綱度量值。

植被覆蓋率：濱岸空間是河湖生態(tài)系統(tǒng)重要的組成部分，對(duì)生態(tài)系統(tǒng)功能的正常發(fā)揮具有不可替代的作用，而植被覆蓋率是濱岸生態(tài)系統(tǒng)完整性的最直接表征，因此本文以河湖兩岸2 000 m 距離內(nèi)總植被覆蓋度（包括自然和人工）作為評(píng)價(jià)河湖生態(tài)系統(tǒng)健康的指標(biāo)之一。

2.2.3.2 生態(tài)系統(tǒng)健康綜合評(píng)價(jià)

使用加權(quán)求和方法計(jì)算流域生態(tài)系統(tǒng)健康指數(shù)，綜合評(píng)價(jià)流域生態(tài)系統(tǒng)健康狀況，計(jì)算公式如下：

式（2）中，HI為流域生態(tài)系統(tǒng)健康綜合指數(shù)，SIi為第i個(gè)指標(biāo)標(biāo)準(zhǔn)化得分，wi為指標(biāo)權(quán)重。

根據(jù)得到的流域生態(tài)系統(tǒng)健康綜合指數(shù)，結(jié)合研究區(qū)實(shí)際情況，將河流的生態(tài)系統(tǒng)健康狀況劃分為5 個(gè)等級(jí)（見(jiàn)表3）。

表3 流域尺度生態(tài)系統(tǒng)健康等級(jí)劃分標(biāo)準(zhǔn)

3 結(jié)果與分析

3.1 甌江流域水生態(tài)系統(tǒng)健康單因子評(píng)價(jià)

3.1.1 水土流失強(qiáng)度

結(jié)果表明（見(jiàn)表4）：松陰溪、四都港、松源溪3 個(gè)流域的水土流失中、高敏感區(qū)占比較低，不足20%。小溪流域的中、高敏感區(qū)面積最大為1 309.71 km2，占流域面積的38%。好溪和禎埠港流域的中、高敏感區(qū)占比較高，分別占59%和48%。

表4 各水文單元不同指標(biāo)實(shí)測(cè)值

3.1.2 水 質(zhì)

研究區(qū)內(nèi)水質(zhì)基本在Ⅲ類水以下，水質(zhì)狀況基本全面達(dá)標(biāo)，水質(zhì)狀況較好。

3.1.3 河湖縱向連通性

甌江干流、宣平溪以及小溪的河湖縱向連通性相對(duì)較好，河流阻水構(gòu)筑物低于15 個(gè)/100 km。小安溪、四都港和浮云溪的河湖縱向連通性相對(duì)較差，河流阻水構(gòu)筑物分別達(dá)到了79 個(gè)/100 km、70 個(gè)/100 km 和68 個(gè)/100 km。巖樟溪和四都港天然濕地保留率數(shù)據(jù)暫未獲得，為方便計(jì)算，本研究指定其數(shù)值為1。

3.1.4 天然濕地保留率

小溪流域的天然濕地保留率最高，達(dá)到8.73，近40 a 來(lái)天然濕地面積不斷增加。宣平溪、好溪等流域內(nèi)天然濕地面積有所增加，增幅較小。烏溪江、均溪、禎埠港等流域內(nèi)天然濕地面積小幅減少。八都溪、浮云溪、松源江等流域內(nèi)天然濕地面積基本保持不變。

3.1.5 河湖岸帶人工干擾程度

浮云溪流域人類活動(dòng)干擾程度較高，占比14.06%。松陰溪、好溪、巖樟溪、甌江干流等流域人類活動(dòng)程度相比浮云溪較低，分別為7.31%、7.28%、5.45%、5.41%。禎埠港、烏溪江、小溪等流域人類活動(dòng)干擾強(qiáng)度較低，不足1.00%。

3.1.6 蜿蜒度

宣平溪、禎埠港河流的蜿蜒度較高，分別達(dá)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 植被覆蓋率

禎埠港、八都溪、巖樟溪、松陰溪、船寮港等流域植被覆蓋率較高，超過(guò)90.00%。浮云溪植被覆蓋率最低，僅占74.48%。甌江干流植被覆蓋面積最高為780.42 km2，但其植被覆蓋率較低，僅為75.43%。

3.2 流域水生態(tài)系統(tǒng)健康綜合評(píng)價(jià)

本研究采用熵權(quán)法和專家咨詢法共同確定各個(gè)指標(biāo)的權(quán)重，2 種方法所占權(quán)重均為0.5，通過(guò)加權(quán)求和方式確定各個(gè)指標(biāo)綜合權(quán)重。熵權(quán)法中，因各河流水質(zhì)指標(biāo)值未發(fā)生變化，故不將其納入熵權(quán)值計(jì)算，其權(quán)重根據(jù)專家咨詢法結(jié)果進(jìn)行確定。各指標(biāo)綜合權(quán)重見(jiàn)表5。

表5 各項(xiàng)指標(biāo)權(quán)重表

根據(jù)指標(biāo)等級(jí)賦分標(biāo)準(zhǔn)（表2），本研究采用算術(shù)平均法對(duì)各項(xiàng)指標(biāo)進(jìn)行評(píng)分。利用加權(quán)求和的方式計(jì)算各河流水文單元的健康綜合指數(shù)，所得結(jié)果見(jiàn)表6。評(píng)價(jià)結(jié)果表明，甌江流域（麗水段）水生態(tài)系統(tǒng)總體處于健康和亞健康狀態(tài)，其中，宣平溪流域的健康綜合指數(shù)最高，達(dá)到91.95，表明其生態(tài)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和功能完整，生態(tài)資源豐富，生態(tài)系統(tǒng)活力較高；此外，甌江干流、禎埠港、小溪、烏溪江等流域生態(tài)系統(tǒng)均處于健康狀態(tài)，其余河流均處于亞健康狀態(tài)，浮云溪和好溪健康綜合評(píng)價(jià)得分較低，分別為67.25 和69.00。

表6 各水文單元評(píng)價(jià)指標(biāo)相應(yīng)得分及綜合健康指數(shù)表

3.3 甌江流域水生態(tài)脅迫因子分析

評(píng)價(jià)結(jié)果顯示，河湖縱向連通性和河流蜿蜒度是甌江流域水生態(tài)健康的主要威脅因子，調(diào)查表明甌江及其支流建有大量水庫(kù)、滾水壩、堰壩等阻水設(shè)施，造成河流生態(tài)系統(tǒng)連通性的阻斷，導(dǎo)致棲息地破碎化、河流斷流、河網(wǎng)主干化等現(xiàn)象[19]，不利于河流生態(tài)系統(tǒng)中水文過(guò)程與魚(yú)類洄游[20]等生態(tài)學(xué)過(guò)程的發(fā)生。河流蜿蜒度與河流的自凈能力息息相關(guān)[21-22]，對(duì)維持河流生態(tài)系統(tǒng)的健康具有重要作用，調(diào)查結(jié)果顯示研究區(qū)內(nèi)河流蜿蜒度普遍較小，不利于河流水質(zhì)的凈化以及魚(yú)類的棲息。

此外，水土流失嚴(yán)重、人類活動(dòng)干擾大等是影響好溪、浮云溪等河流生態(tài)健康的重要因素。野外調(diào)查結(jié)果顯示，好溪、浮云溪流域人類活動(dòng)強(qiáng)度較大，植被覆蓋率較低，水土流失較嚴(yán)重，生態(tài)系統(tǒng)健康狀況相對(duì)較差。

4 討論與結(jié)論

4.1 討 論

流域生態(tài)系統(tǒng)的健康對(duì)區(qū)域社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展具有重要意義。流域是水域與陸域相互關(guān)聯(lián)、相互作用的有機(jī)整體，彼此發(fā)生強(qiáng)烈的物質(zhì)與能量交換，水域?qū)﹃懹颦h(huán)境變化具有較高的敏感性[3]。因此，流域水生態(tài)系統(tǒng)健康評(píng)價(jià)離不開(kāi)陸域環(huán)境。故本文結(jié)合水域與陸域構(gòu)建宏觀尺度指標(biāo)體系并開(kāi)展評(píng)價(jià)工作，相較于中小尺度評(píng)價(jià)，本研究可以在宏觀尺度上更好的反映流域生態(tài)系統(tǒng)的健康問(wèn)題。同時(shí)，本文通過(guò)GIS空間分析將研究區(qū)劃分為15個(gè)小流域，一定程度上避免了由于尺度過(guò)大而造成的精細(xì)信息丟失。通過(guò)評(píng)價(jià)分析，本文識(shí)別了甌江流域的總體生態(tài)健康狀況，定位了生態(tài)系統(tǒng)健康狀況較差的河流，為流域內(nèi)水生態(tài)保護(hù)與修復(fù)提供頂層設(shè)計(jì)基礎(chǔ)與理論支撐。

生態(tài)系統(tǒng)健康評(píng)價(jià)中指標(biāo)權(quán)重的計(jì)算決定評(píng)價(jià)結(jié)果的精度。層次分析法、專家咨詢法等主觀方法可以充分考慮指標(biāo)的重要性，但權(quán)重大小受人為干擾較大。熵權(quán)法、主成分分析法等客觀方法可以避免人為因素帶來(lái)的影響，但其忽略了指標(biāo)自身的重要程度，有時(shí)可能得到與預(yù)期相差甚遠(yuǎn)的結(jié)果[23]。本文利用熵權(quán)法與專家咨詢法綜合確定各項(xiàng)指標(biāo)的權(quán)重，一定程度上避免了人為因素帶來(lái)的偏差，并同時(shí)考慮了指標(biāo)的重要程度。

本研究是在大型流域尺度上開(kāi)展生態(tài)系統(tǒng)健康評(píng)價(jià)的初探。由于數(shù)據(jù)獲取困難，僅對(duì)甌江流域1 a 的生態(tài)系統(tǒng)健康狀況進(jìn)行評(píng)價(jià)，后續(xù)應(yīng)持續(xù)對(duì)甌江流域進(jìn)行監(jiān)控與數(shù)據(jù)收集，以期獲得更完善、更全面的數(shù)據(jù)用于健康評(píng)價(jià)，同時(shí)持續(xù)對(duì)甌江流域的健康狀況進(jìn)行跟蹤，為流域的管理與保護(hù)提供技術(shù)支撐。

4.2 結(jié) 論

本文基于“3S”技術(shù)，突破傳統(tǒng)針對(duì)某一特定水體開(kāi)展生態(tài)系統(tǒng)健康評(píng)價(jià)的限制，采用指標(biāo)體系法，從水文水資源、水環(huán)境、水生態(tài)3 個(gè)層面綜合評(píng)價(jià)了甌江流域（麗水段）15 條河流水文單元的生態(tài)系統(tǒng)健康狀況。評(píng)價(jià)結(jié)果表明：甌江流域（麗水段）水生態(tài)系統(tǒng)總體處于健康和亞健康狀態(tài)。其中宣平溪、禎埠港、小溪、烏溪江、甌江干流等流域生態(tài)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)較完整，功能較完善；好溪、浮云溪等流域受人類活動(dòng)影響較大，生態(tài)系統(tǒng)健康狀況相對(duì)較差，需要加強(qiáng)流域內(nèi)水生態(tài)系統(tǒng)的保護(hù)與修復(fù)。