杜 飛，王世巖，劉 暢，王 亮

（中國水利水電科學研究院 水環(huán)境研究所，北京 100038）

20世紀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)健康概念及標準，將生態(tài)系統(tǒng)健康總結(jié)為6個方面：①自我平衡；②無疾??；③多樣性或復雜性；④穩(wěn)定性或恢復性；⑤活力或成長性；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)、能量和信息流動未受到損害，關(guān)鍵生態(tài)組分和有機組織完整且沒有疾病，受突發(fā)的自然或人為擾動后能恢復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］。隨著社會經(jīng)濟的不斷發(fā)展，流域開發(fā)、水利工程、水資源開發(fā)利用等方式造成河流水文情勢、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、水體富營養(yǎng)化、水生生物數(shù)量驟減、濕地退化等水生態(tài)問題，引起世界各國高度重視［5］。2001年聯(lián)合國組織世界多個機構(gòu)制定并實施千年生態(tài)系統(tǒng)評估計劃（MA：Millennium Ecosystem Assessment），對全球生態(tài)系統(tǒng)的過去、現(xiàn)在、未來狀況進行評估。2015年中國將生態(tài)文明建設(shè)納入“十三五”規(guī)劃當中，建設(shè)生態(tài)文明、識別流域水生態(tài)健康及演變態(tài)勢、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)鍵科學問題之一［6］。但基于不同水生態(tài)區(qū)生態(tài)系統(tǒng)特征進行流域水生態(tài)健康評價方面的相關(guān)研究尚不多見。本文結(jié)合國內(nèi)外對濕地、河流等生態(tài)系統(tǒng)健康評價的實踐，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，對流域水生態(tài)系統(tǒng)健康進行了評價，本研究將為流域水生態(tài)保護、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，98°00′—101°30′E，面積14.2×104km2，干流全長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，隨著大規(guī)模的生產(chǎn)活動和不合理的開發(fā)利用，導致黑河流域水生態(tài)健康狀況日益嚴峻。諸多學者對于黑河流域水資源與生態(tài)變化以及水量平衡、地下水等方面開展較多研究［7-8］，而對黑河流域水生態(tài)健康研究較少。本文基于黑河流域8個水生態(tài)區(qū)、構(gòu)建了流域水生態(tài)健康評價指標體系，對流域水生態(tài)健康進行了評估分析。

2 水生態(tài)區(qū)劃分及特征分析

本文基于“十二五”水專項“黑河流域水生態(tài)功能分區(qū)研究”成果，通過黑河流域水生態(tài)系統(tǒng)異質(zhì)性特征識別，針對干旱區(qū)內(nèi)陸河流域特點，開展水生態(tài)空間單元的劃分，之后對各水生態(tài)區(qū)水生態(tài)健康狀況進行了評價。水生態(tài)分區(qū)是基于對流域水生態(tài)系統(tǒng)的區(qū)域差異研究，不同類型區(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，通過對分區(qū)指標空間預處理和無量綱歸一化處理后，利用GIS重采樣分析技術(shù)和空間疊加功能對水生態(tài)區(qū)進行劃分。同時，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)和地貌類型數(shù)據(jù)進行水生態(tài)區(qū)邊界的修正，劃分出3個黑河流域水生態(tài)一級區(qū)和8個水生態(tài)二級區(qū)（圖1）。

按照地名/河流名+陸地生態(tài)系統(tǒng)類型（地貌、土壤、植被、水文等）+水生態(tài)區(qū)進行命名。黑河流域各水生態(tài)區(qū)代碼、名稱及生態(tài)系統(tǒng)特征見表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 指標體系及評價方法

3.1 水生態(tài)健康評價框架及指標體系根據(jù)水生態(tài)健康評價需求，結(jié)合國內(nèi)外相關(guān)研究及生態(tài)系統(tǒng)健康評價指標，綜合考慮黑河流域干旱區(qū)特點，構(gòu)建出流域水生態(tài)健康評價指標體系。水生態(tài)健康不僅需要對流域水生態(tài)環(huán)境健康狀況評價，而且還需要全面反映對生態(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，其中壓力指標主要反映在人類活動對生態(tài)環(huán)境直接或間接的改變，狀態(tài)指標主要表現(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)指標包括生態(tài)系統(tǒng)和人類為克服外在擾動所產(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)黑河流域特點及野外水生態(tài)系統(tǒng)調(diào)查、河流水質(zhì)監(jiān)測以及相關(guān)統(tǒng)計數(shù)據(jù)，利用“壓力-狀態(tài)-響應(yīng)”特征分析，構(gòu)建了由目標層、準則層、狀態(tài)層和指標層組成的4級層次的水生態(tài)健康評價框架及指標體系（圖3）。其中，目標層反映流域水生態(tài)健康總體水平，代表著維護健康河流、促進人水和諧的總體態(tài)勢和總體效果；準則層方面依據(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個方面；狀態(tài)層方面是在每一個準則層下設(shè)置能夠代表系統(tǒng)狀態(tài)的指標，對應(yīng)準則層的設(shè)計；指標層表示各個狀態(tài)層要素指標，主要采用可以獲得的定量化指標或半定量指標以反映河流健康狀況。

3.2 指標的選取原則與量化根據(jù)近些年來國內(nèi)外實踐表明，指標選擇應(yīng)遵循以下原則：①全面性，即可以綜合全面地反映整個水生態(tài)系統(tǒng)健康狀況；②可行性，即指標具有采集的可實施性，并切合實際情況；③獨立優(yōu)先性，即各指標間相互獨立、可量化，并非將所有與生態(tài)健康有關(guān)的指標納入評價體系當中，要優(yōu)先選擇對流域生態(tài)健康影響權(quán)重大的指標。

本文采用極差標準化，在指標歸一化處理中，考慮了指標變化趨勢對于水生態(tài)系統(tǒng)的影響差異。對于指標數(shù)值越大，代表水生態(tài)系統(tǒng)狀態(tài)越好的指標，直接對指標進行歸一化處理，而指標數(shù)值越大，代表水生態(tài)系統(tǒng)狀況越差的指標，則利用公式將進行相應(yīng)轉(zhuǎn)變，以體現(xiàn)各指標變化方向的同向性，使得評價指標最大，表明該水生態(tài)區(qū)的水生態(tài)健康狀況越好。指標歸一化公式如下。

式中：Xi′為第i個指標的標準化值；Xi為第i個指標的初始值；Ximin、Ximax分別為第i個指標在研究區(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)健康評價框架及指標

經(jīng)標準化和歸一化之后，各水生態(tài)區(qū)的指標評分如表2所示。

3.3 指標權(quán)重確定由于不同指標對于流域水生態(tài)健康表征特征不同，因此在進行水生態(tài)健康評價之前需首先確定各個指標權(quán)重。

綜合比較指標權(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，在國內(nèi)應(yīng)用較廣［12-14］。在黑河流域水生態(tài)健康評價中，利用構(gòu)建的水生態(tài)健康評價指標體系，首先通過專家打分，利用層次分析法進行指標權(quán)重的初步確定后，之后再通過專家咨詢、協(xié)調(diào)，最終確定各個指標的權(quán)重值（表3）。

3.4 評價方法參考國內(nèi)外相關(guān)研究方法［15-16］，根據(jù)構(gòu)建的評價指標體系，按照由準則層、狀態(tài)層和指標層組成的水生態(tài)健康綜合評價內(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)健康評價指數(shù)計算模型。建立的流域水生態(tài)健康評價指數(shù)計算公式如下：

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

表2 各水生態(tài)區(qū)評價指標評分

表3 黑河流域水生態(tài)健康評價指標權(quán)重

4 評價結(jié)果與分析

4.1 水生態(tài)健康綜合評分流域水生態(tài)區(qū)水生態(tài)健康綜合評分結(jié)果見表4?？梢钥闯觯陨嫌蔚较掠?，水生態(tài)健康評分依次降低（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)健康評分一般，而下游地區(qū)（黑河下游額濟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、類型單一的情形是一致的。

4.2 水生態(tài)健康綜合評價結(jié)果對黑河流域水生態(tài)健康狀況進行分級，劃分為5個等級，分別為相對良好、相對較好、相對一般、相對較差、相對極差，對應(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)健康狀況評價結(jié)果見表5所示。

表4 黑河流域不同水生態(tài)區(qū)水生態(tài)健康綜合評分

表5 水生態(tài)健康綜合評價結(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個地區(qū)水生態(tài)健康相對較好，主要是流域上游地區(qū)受到外在污染最輕、人為擾動相對最??；（2）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)健康性相對一般。由于區(qū)域人口密度相對較大，農(nóng)業(yè)活動等外在擾動相對較多，對水生態(tài)健康性影響較大，水生態(tài)健康性相對一般；（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)，基本沒有河流、湖庫等水體，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)相對極差；（4）黑河下游額濟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，受外來污染較輕，流域水生態(tài)健康性壓力相對較輕，但因河流上中游來水相對不足，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，因此水生態(tài)健康性相對較差。

5 結(jié)語

水生態(tài)健康評價在一定程度上通過評價指標量化了人類活動對自然的影響，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)提供了科學支持。黑河流域水生態(tài)區(qū)水生態(tài)健康評價結(jié)果表明，對于西北內(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、科學安排生產(chǎn)、生活以及生態(tài)用水是流域水資源合理開發(fā)利用的核心。因此，嚴格按照國務(wù)院批準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)用鎭砜?，黑河流域生態(tài)需水對流域水生態(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。為此需要加強上游水源涵養(yǎng)林草建設(shè)，保障水源涵養(yǎng)功能，保護流域水生生物，維護水生態(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)的措施防風固沙、植樹造林，加強流域荒漠植物的生態(tài)保護，加強中游區(qū)域的濕地保護等措施。同時，加強以水生態(tài)功能區(qū)為單元的水生態(tài)保護和管理，促進流域水生態(tài)文明建設(shè)。

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