關鍵詞：水生態(tài)健康；生境結(jié)構(gòu)；水質(zhì)；水生生物；密云水庫上游

0引言

近年來，隨著社會經(jīng)濟發(fā)展、城市規(guī)模擴張和人類活動干擾，流域水生態(tài)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和功能日益衰減，不僅威脅流域水生態(tài)健康，而且影響流域水資源的可持續(xù)利用和社會經(jīng)濟的可持續(xù)發(fā)展。因此，從流域系統(tǒng)性和完整性出發(fā)，以流域為單元建立水生態(tài)健康評價體系，開展流域水生態(tài)健康評價已成為近年來流域管理的重要內(nèi)容。

流域水生態(tài)健康評價方法主要有指示物種法和多指標評價法。指示物種法通過水體指示生物種群結(jié)構(gòu)和生物量等的變化表征水生態(tài)健康程度。Sarah等基于底棲生物完整性指數(shù)（B-IBI）評估了普吉特海灣城市溪流的健康狀況；Lin等基于浮游生物群落結(jié)構(gòu)的季節(jié)變化，構(gòu)建浮游生物完整性指數(shù)（P-IBI）對九龍江北溪水生態(tài)環(huán)境質(zhì)量進行了評價；黃凱等采用魚類完整性指數(shù)（F-IBI）評估了灤河流域生態(tài)系統(tǒng)健康狀況。該方法的缺點是將某一類敏感生物種群作為水生態(tài)健康狀況評價的指標，無法辨別影響流域水生態(tài)健康的環(huán)境驅(qū)動因素。多指標評價法是運用水文、水質(zhì)和水生生物等方面的指標綜合評價水生態(tài)健康狀況，能表示流域水生態(tài)健康總體情況。Gary等基于河流地貌一生態(tài)一水文等構(gòu)建河流生態(tài)健康評價體系，從流域、河段和水文三方面評價了雙溪河流域健康狀況；孫徐陽等構(gòu)建涵蓋水環(huán)境、水生生物、物理棲息地的評價指標體系對香溪河流域水生態(tài)健康狀況進行了評價。由于評價指標體系的建立受研究區(qū)域限制，不能在其他案例中直接使用，因此該評價方法也具有一定限制。

密云水庫是北京市重要地表飲用水水源地，水庫的水質(zhì)狀況直接關系北京地區(qū)人民的飲水安全。近年來，密云水庫上游潮白河水量不斷減少，同時受生活污水和工業(yè)廢水排放影響，流域水生態(tài)環(huán)境狀況不容樂觀，嚴重制約了當?shù)亟?jīng)濟和社會的可持續(xù)發(fā)展。此前，不少學者對密云水庫上游流域水生態(tài)健康評價開展研究，但在評價指標方面?zhèn)戎赜谒蛩?、水生生物等，對整個流域地形地貌、水土流失、景觀破碎度等方面的研究較少，并且流域尺度的水生態(tài)健康評價相對較少。為了全面了解和掌握各因素對密云水庫上游流域水生態(tài)健康狀況的影響，本文以密云水庫上游（北京段）流域為研究對象，構(gòu)建包括生境結(jié)構(gòu)、水質(zhì)、水生生物三方面內(nèi)容的水生態(tài)健康評價指標體系，采用基于熵權(quán)法的綜合健康指數(shù)法對流域水生態(tài)健康狀況進行綜合評價，同時分析密云水庫上游（北京段）流域水生態(tài)健康空間異質(zhì)性，以期為密云水庫上游流域水生態(tài)保護及修復提供理論依據(jù)。

1研究區(qū)概況

密云水庫上游（北京段）流域地勢西北高、東南低，屬溫帶大陸性季風氣候區(qū)，四季分明，雨量集中，多年平均氣溫12.6℃，多年平均降水量600mm。選擇密云水庫上游（北京段）20個小流域作為研究區(qū)，涉及密云、懷柔、延慶3個區(qū)，見圖1。

2材料與方法

2.1評價指標體系構(gòu)建

參考國內(nèi)外流域水生態(tài)健康評價方面的研究成果，從流域系統(tǒng)性和完整性出發(fā)，以流域為單元，綜合考慮陸域生態(tài)系統(tǒng)及水域生態(tài)系統(tǒng)對水生態(tài)健康的關鍵影響因素，構(gòu)建包含生境結(jié)構(gòu)、水質(zhì)、水生生物的流域水生態(tài)健康評價指標體系，見表1。

生境結(jié)構(gòu)選取能夠反映流域地理特征、水文地貌狀況、人類活動強度以及植被覆蓋狀況的指標。其中：植被覆蓋度和景觀破碎度反映流域環(huán)境和人為活動對水生態(tài)健康的影響程度：水土流失狀況用平均土壤侵蝕模數(shù)表示，可以反映流域的土壤肥力、農(nóng)業(yè)發(fā)展、堤防安全等狀況；水文地貌狀況采用《山區(qū)河流水文地貌評價導則>（DB11/T 1173-2015）劃分的I、Ⅱ級河流占比表示，可以反映河流的水文、地貌和河流的連續(xù)性狀況。水質(zhì)是最直觀反映水體污染程度的指標，水庫匯入河流的水質(zhì)狀況將直接影響密云水庫水質(zhì)，依據(jù)《地表水環(huán)境質(zhì)量標準》（GB3838-2002），選擇COD、NH4-N、TN、TP、N03-N作為水質(zhì)評估指標，其中：NH-N、TN、TP是水體中的營養(yǎng)鹽，是表征水體富營養(yǎng)化程度的指標；CODM是表征水體有機和無機可氧化物質(zhì)污染狀況的常用指標，可以反映水體耗氧污染物狀況；N03-N可以反映水體中氮的污染程度，水體中N03-N含量過高可能危害人體健康。本研究選取底棲動物Shannon-Wiener多樣性指數(shù)作為水生生物指標，底棲動物是水生態(tài)系統(tǒng)的重要組分，生命周期較長，活動范圍較小，對水環(huán)境變化及不同類型的污染和干擾響應較為敏感，在水域污染嚴重時，其生物多樣性會發(fā)生變化，因此該指數(shù)能夠綜合反映長期以來人類活動對河流生態(tài)系統(tǒng)的擾動程度。

2.2采樣方法及指標值的測定與計算

1）生境結(jié)構(gòu)指標調(diào)查與計算。根據(jù)小流域調(diào)查與評價的體系化方法與標準，開展流域內(nèi)排污、河道淤堵、水量、垃圾堆積、植被等生態(tài)本底狀況調(diào)查。水文地貌狀況根據(jù)北京山區(qū)小流域主溝道自然狀況、發(fā)展現(xiàn)狀、河（溝）道人類活動影響情況，結(jié)合《生態(tài)清潔小流域技術規(guī)范》（DB11/T 548-2008）、《山區(qū)河流水文地貌評價導則》（DBlI/T 1173-2015）、《山區(qū)河流生態(tài)監(jiān)測技術導則》（DB11/T 1174-2015）、歐盟水框架指令（WFD）指南中的評價框架，從河床、河岸或緩沖帶、河灘和河流整體4個方面開展調(diào)查。植被覆蓋度采用2022年覆蓋河流區(qū)域的Sentinel-2高分辨率遙感數(shù)據(jù)及植被覆蓋度實地測量數(shù)據(jù)。水土流失狀況采用2022年《北京市水土保持公報》數(shù)據(jù)。用于計算景觀破碎度的土地利用類型數(shù)據(jù)采用精度為1mx1m的第三次全國國土調(diào)查數(shù)據(jù)。

2）水樣采集與測定。根據(jù)小流域出口反映匯流產(chǎn)出的特點，水樣采集斷面選取小流域出口，分別在汛期（2022年7月）、非汛期（2022年10月）于河流監(jiān)測斷面中間水面以下0.5m現(xiàn)場采集?，F(xiàn)場利用便攜式多參數(shù)水質(zhì)測量儀（YSI-Pro DSS）測定pH值，同時現(xiàn)場采集1L水樣，置于低溫保溫箱中，并于48h內(nèi)帶回實驗室測定COD、NH4-N、TN、TP、N03-N濃度。水樣的采集、保存和室內(nèi)測定參照《地表水環(huán)境質(zhì)量標準》（GB 3838-2002）和《水和廢水監(jiān)測分析方法》。

3）水生生物采集與鑒定。底棲動物樣品采集在水樣采集斷面進行，每個斷面設置3個采樣點、分別采樣后混合為1個樣品。小流域主溝道每個斷面設置3個采樣點。底棲動物使用D型網(wǎng)和采泥器采集，現(xiàn)場篩選后放人盛有75%乙醇溶液的濃縮樣品瓶固定。在實驗室進行樣品挑揀、分類和鑒定，大多數(shù)物種鑒定到種，部分物種鑒定到屬或目，物種的鑒定和計數(shù)參照文獻。底棲動物Shannon-Wiener多樣性指數(shù)H計算公式：

2.3評價指標權(quán)重計算

指標權(quán)重的計算方法分為主觀賦權(quán)法和客觀賦權(quán)法，其中客觀賦權(quán)法所需數(shù)據(jù)由評價指標的實際數(shù)據(jù)組成，可以有效避免人為因素的干擾。熵權(quán)法是客觀賦權(quán)法的一種，采用熵權(quán)法對多個評價指標賦權(quán)時，在保證評價指標權(quán)重客觀、合理的基礎上，可以一定程度上簡化計算過程，因此采用熵權(quán)法確定評價指標的權(quán)重，權(quán)重計算結(jié)果見表1。

2.4評價指標分級

關于流域及河流生態(tài)健康評價標準已有學者開展了一些研究，如粟一帆等根據(jù)各指標數(shù)據(jù)集的均值、標準差、最小值、最大值及分位數(shù)，對比四分法的評價標準對指標進行賦分，采用四分法進行河流健康評價：劉翔宇利用ArcGIS自然斷點法進行流域生態(tài)健康等級劃分。本研究結(jié)合流域水環(huán)境特有的地形地質(zhì)和群落狀況，根據(jù)密云水庫上游（北京段）流域水生態(tài)環(huán)境現(xiàn)狀，把流域水生態(tài)健康評價指標劃分為健康、亞健康、一般、差、極差5個等級（分級標準見表2），對其分別賦分[80．100]、[60，80）、[40，60）、[20，40）、<20。

2.5綜合評價模型

根據(jù)構(gòu)建的密云水庫上游（北京段）流域水生態(tài)健康評價指標體系，采用綜合健康指數(shù)法計算流域水生態(tài)健康綜合指數(shù)，：

3結(jié)果與分析

3.1單項指標健康評價

1）生境結(jié)構(gòu)評價。密云水庫上游（北京段）流域水生態(tài)系統(tǒng)生境結(jié)構(gòu)整體健康狀況良好，流域內(nèi)主要河段生態(tài)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)完整性較高，有利于區(qū)域的可持續(xù)發(fā)展。單項評價指標中19個小流域植被覆蓋度分值為60，為亞健康等級，僅黃甸子植被覆蓋度分值為40，為一般等級：20個小流域景觀破碎度和水文地貌狀況分值在80～100之間，均為健康等級；朱家灣、大角峪、安洲壩、東黃梁4個小流域水土流失狀況分值為60，為亞健康等級，其余16個小流域水土流失狀況分值為80，均為健康等級。根據(jù)等權(quán)平均計算生境結(jié)構(gòu)綜合得分，其中18個小流域生境結(jié)構(gòu)處于健康等級，占比90%：安洲壩和朱家灣2個小流域生境結(jié)構(gòu)處于亞健康等級，占比10%，安洲壩和朱家灣分別位于琉璃河下游和清水河中段。

2）水質(zhì)評價。密云水庫上游（北京段）13個小流域水質(zhì)處于健康等級，占比65%；7個小流域水質(zhì)處于亞健康等級，占比35%。從單項評價指標看，20個小流域水體TP、N03-N、CODM。含量均屬于地表水I類水或Ⅱ類水，水質(zhì)較好，滿足飲用水水源地要求。20個小流域水體NH;-N、TN含量均有超標情況。18個小流域NH;-N含量為地表水I類水或Ⅱ類水，滿足飲用水水源地要求；太古石、大角峪NH; -N含量超出地表水V類水標準。安洲壩、椴木溝、魚水洞、黃甸子TN含量滿足地表水Ⅱ類水或Ⅲ類水標準，滿足飲用水水源地要求；其余16個小流域TN含量均超出地表水Ⅳ類水或V類水標準，其中大角峪TN超標最多?，F(xiàn)場調(diào)查發(fā)現(xiàn)古石峪、太古石小流域局部河段有污水排入，且有少量垃圾，大角峪、六道河、東黃梁、黃土梁西、西蒼峪、楊家堡等小流域溝道內(nèi)有少量垃圾，表明人類干擾和污染物排放對水質(zhì)有顯著影響。

3）水生生物評價。20個小流域底棲動物Shannon-Wiener多樣性指數(shù)差別較大（見圖2），其中3個小流域處于健康等級，占比15%；6個小流域處于亞健康等級，占比30%；6個小流域處于一般等級，占比30%；5個小流域未采集到底棲動物，健康等級為極差，占比25%，說明密云水庫上游（北京段）底棲動物多樣性水平較低。

3.2水生態(tài)健康綜合評價

根據(jù)密云水庫上游（北京段）流域水生態(tài)健康評價指標體系和權(quán)重，計算流域水生態(tài)健康綜合指數(shù)，結(jié)果見表3。在選取的20個小流域中，2個小流域水生態(tài)健康綜合指數(shù)大于80，為健康等級，占比10%；13個小流域水生態(tài)健康綜合指數(shù)在60～80之間，為亞健康等級，占比65%;5個小流域水生態(tài)健康綜合指數(shù)在40～60之間，為一般等級，占比25%。綜合20個小流域水生態(tài)健康綜合指數(shù)，密云水庫上游（北京段）流域水生態(tài)健康狀況為亞健康，其中流域水生態(tài)健康綜合指數(shù)最高的為石洞子小流域，位于密云縣，所在河流為白馬關河；最低的為朱家灣、大角峪小流域，分別位于清水河干流中段、安達木河上游。

4討論

4.1密云水庫上游（北京段）流域水生態(tài)健康空間異質(zhì)性

在ArcGIS的地統(tǒng)計分析模塊中，采用反距離加權(quán)法（IDW）對密云水庫上游（北京段）流域水生態(tài)健康綜合指數(shù)進行插值計算，得到該指數(shù)在密云水庫上游（北京段）流域的空間分布狀況，見圖3（a）。從整個流域看，水生態(tài)健康狀況具有較強的空間異質(zhì)性，健康等級較高即水生態(tài)健康綜合指數(shù)較大的地區(qū)主要分布在白馬關河、忙牛河、琉璃河、湯河中游和天河上游，該區(qū)域人類活動干擾程度較低，河流的水文、水質(zhì)、生物和棲息地狀況均較好。健康等級較低即水生態(tài)健康綜合指數(shù)較小的地區(qū)主要分布在潮河、白河中下游、湯河下游、安達木河上游和清水河。綜合生境結(jié)構(gòu)、水質(zhì)、水生生物單項指標的健康評價結(jié)果可以發(fā)現(xiàn)，白馬關河、白河、天河和湯河上游地區(qū)健康狀況普遍較好。生境結(jié)構(gòu)和水質(zhì)健康等級即綜合指數(shù)的分布與流域水生態(tài)健康略有不同，湯河、白河上中游、黑河、白馬關河、忙牛河、安達木河上游生境結(jié)構(gòu)健康等級較高即綜合指數(shù)較大，琉璃河下游、清水河上游生境結(jié)構(gòu)健康等級較低即綜合指數(shù)較小：水質(zhì)健康等級較高即綜合指數(shù)較大的地區(qū)主要分布在白河上游、菜食河、琉璃河、天河、湯河和清水河，白河下游和安達木河上游水質(zhì)健康等級較低即綜合指數(shù)較小。水生生物健康等級空間分布規(guī)律與流域水生態(tài)健康的相似，白馬關河、忙牛河、琉璃河、湯河中游和天河上游健康等級較高即綜合指數(shù)較大，湯河上游與下游、白河下游、清水河、安達木河上游健康等級較低即綜合指數(shù)較小。

4.2流域水生態(tài)健康影響因素

根據(jù)流域水生態(tài)系統(tǒng)單項指標評價結(jié)果，安洲壩、黃土梁西、楊家堡、朱家灣小流域生境結(jié)構(gòu)健康等級相對較低，主要原因是流域植被覆蓋度低，水土流失比較嚴重。陳濤等對密云水庫流域植被覆蓋度變化的研究表明，密云水庫流域平均植被覆蓋度不高，尤其西部地區(qū)植被覆蓋度較低，水土流失和土地沙化比較嚴重。引起植被覆蓋度變化的主要原因是人類活動，其次為氣候變化。密云水庫上游（北京段）流域人口密度相對較低，但農(nóng)村生活、農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、民俗旅游等人類活動在個別地區(qū)的影響仍然存在。因此，人類活動及氣候變化等因素導致流域生境結(jié)構(gòu)變化是影響區(qū)域水生態(tài)健康的原因。

河流水質(zhì)和水生生物相互影響并共同影響河流水生態(tài)系統(tǒng)。水質(zhì)監(jiān)測結(jié)果表明，2個小流域NH; -N超出地表水V類水標準，15個小流域的TN超出地表水V類水標準。由現(xiàn)場調(diào)查可知，密云水庫上游存在較嚴重的面源污染現(xiàn)象，如畜禽養(yǎng)殖、污水亂排亂放和生活垃圾亂扔及近河岸耕作等，導致研究區(qū)水生態(tài)健康狀況具有明顯空間異質(zhì)性。胡春春等分析2010-2021年密云水庫上游河道逐月水質(zhì)監(jiān)測數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)，密云水庫上游河道氮污染嚴重，與本研究結(jié)果基本一致。根據(jù)密云水庫上游底棲動物采集情況，5個小流域未采集到底棲動物，健康等級為極差，6個小流域水生生物為一般等級，主要原因是受人類活動干擾，部分河流存在渠道化現(xiàn)象，蜉蝣目、禧翅目和毛翅目等喜急流和清潔水體的物種較少，水體自凈作用得不到有效發(fā)揮，河流水生態(tài)健康狀態(tài)不斷惡化。

5結(jié)論

綜合考慮密云水庫上游（北京段）陸域生態(tài)系統(tǒng)及水域生態(tài)系統(tǒng)對水生態(tài)健康影響的關鍵因素，構(gòu)建包含生境結(jié)構(gòu)、水質(zhì)、水生生物的流域水生態(tài)健康評價指標體系，具體由植被覆蓋度、景觀破碎度、水土流失狀況、水文地貌狀況、NH4-N、TP、N03 -N、TN、CODM。、底棲動物Shannon-Wiener多樣性指數(shù)10個評價指標組成。采用基于熵權(quán)法的綜合健康指數(shù)法對流域水生態(tài)健康狀況進行綜合評價表明，密云水庫上游（北京段）流域水生態(tài)健康狀況總體為亞健康，在選取的20個小流域中，健康等級占比10%，亞健康等級占比65%，一般等級占比25%，其中：18個小流域生境結(jié)構(gòu)處于健康等級，2個小流域生境結(jié)構(gòu)處于亞健康等級；13個小流域水質(zhì)處于健康等級，7個小流域水質(zhì)處于亞健康等級；3個小流域水生生物處于健康等級，各有6個小流域水生生物處于亞健康和一般等級，5個小流域未采集到底棲動物，健康等級為極差。

密云水庫上游（北京段）流域水生態(tài)健康狀況具有較強的空間異質(zhì)性，健康等級較高的地區(qū)主要分布在白馬關河、琉璃河、湯河中游和天河上游，健康等級相對較低的地區(qū)主要分布在潮河、白河中下游、湯河下游、清水河、安達木河上游。結(jié)合現(xiàn)場調(diào)查可知，密云水庫上游存在較嚴重的面源污染，如廢水亂排亂放、生活垃圾亂扔、畜禽養(yǎng)殖及近河岸耕作等，導致上游水生態(tài)健康具有明顯的空間異質(zhì)性。植被覆蓋度、水土流失、氨氮和總氮是影響密云水庫上游（北京段）流域水生態(tài)健康的關鍵因子。