基于“3S”技術的甌江流域生態系統健康評價

韓善銳，酈建鋒，張漢朝，李華斌，屈澤龍，宋思遠

（1.中國電建集團華東勘測設計研究院有限公司，浙江 杭州 310014；2.南京大學生命科學學院，江蘇 南京 210093）

0 引 言

流域作為社會、經濟、自然的復合生態系統，是一個獨立的地貌單元，具有生態完整性[1]，同時承擔氣候調節、生態環境改善及生物多樣性維護等多種生態系統服務功能[2]。但隨著社會經濟快速發展、人口急劇增長，水利工程建設、水資源利用、城鄉建設等高強度人類活動對流域生態系統結構與功能造成嚴重影響，流域生態系統健康受到嚴重威脅[2-3]。開展流域生態系統健康評價研究對于客觀反映流域生態系統健康狀況并為流域可持續管理提供決策支持具有重要意義[4-5]。

流域生態系統健康是其所具有的穩定性和可持續性，即在時間上具有維持其組織結構、自由調節和對干擾的恢復能力。20 世紀80 年代以來，國外相關部門和學者針對流域生態系統健康展開一系列研究，主要有生物完整性指數評價[6]（Index of Biological Integrity，IBI）、溪流狀況指數評價[7]（Stream Condition Index，SCI）、壓力-狀態-響應模型（Press-State-Response，PSR）等。近年來，國內有關流域生態系統健康評價的研究也逐漸開展。趙義等[8]基于層次分析法構建了基礎的流域水系統健康評價體系；郝利霞等[9]以海河流域為研究對象，采用指標體系法評價了流域內河流生態系統健康。在評價方法方面，國內學者主要采用水質理化指標及部分生物指標，多以指標體系法對流域水生態系統健康狀況進行評價[10-11]，目前國內也有較多學者基于PSR 模型對流域生態系統開展評價[12-15]。

但由于技術發展與數據獲取難度的限制，目前國內關于生態系統健康評價的研究多以中小尺度特定湖泊、河流水生態系統為主，對大尺度的生態系統健康評價研究仍較少，“3S”技術的發展一定程度上克服了這些困難。吳炳方[1]、蔣衛國[16]等將RS 和GIS 方法引入流域生態系統健康評價；景彩娥[17]基于RS 技術和GIS 技術對黑河流域的生態系統健康狀況進行評估；李國霞等[18]基于GIS 技術構建了流域生態系統健康評價體系，以評估金川河流域的生態系統健康狀態。當前關于大尺度生態系統健康評價的研究仍位于起步階段，流域生態健康評價的基本框架尚不統一，且多聚焦于特定河流、湖泊水體的生態健康評價。本研究以《河湖健康評估技術導則》為指導，結合“3S”技術構建流域尺度生態系統健康評價模型及指標體系，開展甌江流域尺度河湖生態系統健康評價，旨在為甌江流域水生態保護與修復提供良好的技術指導與決策支持。

1 研究區概況

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、北部與錢塘江、椒江2 個流域相鄰，是浙江省第二大河。甌江發源于慶元、龍泉交界的洞宮山脈百山祖西麓鍋冒尖，流經麗水、金華、溫州、臺州等4 個地市，干流全長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）為研究對象，涉及干支流15 條（見表1）。流域內地貌以中低山為主，間有丘陵和小面積河谷平原，地勢自西南向東北傾斜。林地是流域內主要土地利用類型，占88.42%。

表1 甌江（麗水段）干支流信息表

2 數據來源與研究方法

2.1 數據來源

本次研究數據主要包括遙感信息數據集、監測數據集及統計數據集。遙感信息數據集包括：美國Landsat 衛星的TM 影像數據1 景（成像時間為2020 年03 月11 日，30 m×30 m），數字高程數據（DEM，30 m×30 m），土地利用數據（2 期，分別為1980 年、2018 年），土壤類型矢量數據庫；監測數據集包括：水質斷面監測數據；統計數據集包括：甌江流域水利工程調查數據等。

2.2 研究方法

2.2.1 評價單元

基于Landsat 8 OLI 遙感影像數據及DEM數據，利用流域分析與水文分析等技術，明確主要評價河流的所在水文單元作為評價單元。根據流域分析與水文分析結果，本文將研究區劃分為15 個評價單元（見圖1）。

2.2.2 指標體系構建及等級賦分

本研究結合研究區生態系統特征篩選評估指標共計3 類7 項（見表2），以反映流域尺度生態系統特征。選取指標主要包括水文水資源、水環境及水生態3 類，并結合RS 與GIS 分析對相關特征指標進行測算。根據各評價指標與流域水生態系統健康的相關關系，結合研究區實際情況將評價指標的實測值進行5 級劃分，并進行分級賦分（見表2）。

表2 流域尺度水生態系統健康評價指標體系及其等級劃分表

指標權重決定各評價指標對流域尺度水生態系統健康的貢獻程度，直接影響到評價精度。本研究采用熵權法與專家咨詢法（Delphi）計算各項指標權重，每種方法權重占比均為0.5，通過加權求和最終確定各項指標的權重。

2.2.3 評價方法

2.2.3.1 單因子評價

水土流失強度：水土流失敏感性是為了識別容易形成水土流失的區域，評價水土流失對人類活動的敏感程度。根據通用水土流失方程（USLE），影響區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。因此本研究選取坡度、植被覆蓋度、人類活動及土壤條件作為評價水土流失敏感性的主要指標。水土流失強度以各河流所在水文單位內中、高敏感區面積占比高低進行確定。

水質：依據GB 3838—2002《地表水環境質量標準》，采用單因子評價法對區域水體水質進行評價。水質指標以各河流所在水文單位內I～Ⅲ類水占比情況進行表征。

河湖縱向連通性：河湖縱向連通性根據單位河長（每100 km）內影響河流連通性的建筑物或設施數量進行評估。

天然濕地保留率：評估對象為國家、地方濕地名錄及保護區名錄內與評估河流有直接水力連通關系的濕地，水力聯系包括地表水和地下水的聯系，按照公式計算濕地面積與歷史（1980 年）狀況濕地面積的比例。

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

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 距離內建設用地面積占比進行表征。

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間河流的實際長度與其直線距離的比值，是河流彎曲程度的無量綱度量值。

植被覆蓋率：濱岸空間是河湖生態系統重要的組成部分，對生態系統功能的正常發揮具有不可替代的作用，而植被覆蓋率是濱岸生態系統完整性的最直接表征，因此本文以河湖兩岸2 000 m 距離內總植被覆蓋度（包括自然和人工）作為評價河湖生態系統健康的指標之一。

2.2.3.2 生態系統健康綜合評價

使用加權求和方法計算流域生態系統健康指數，綜合評價流域生態系統健康狀況，計算公式如下：

式（2）中，HI為流域生態系統健康綜合指數，SIi為第i個指標標準化得分，wi為指標權重。

根據得到的流域生態系統健康綜合指數，結合研究區實際情況，將河流的生態系統健康狀況劃分為5 個等級（見表3）。

表3 流域尺度生態系統健康等級劃分標準

3 結果與分析

3.1 甌江流域水生態系統健康單因子評價

3.1.1 水土流失強度

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

表4 各水文單元不同指標實測值

3.1.2 水 質

研究區內水質基本在Ⅲ類水以下，水質狀況基本全面達標，水質狀況較好。

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較好，河流阻水構筑物低于15 個/100 km。小安溪、四都港和浮云溪的河湖縱向連通性相對較差，河流阻水構筑物分別達到了79 個/100 km、70 個/100 km 和68 個/100 km。巖樟溪和四都港天然濕地保留率數據暫未獲得，為方便計算，本研究指定其數值為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，達到8.73，近40 a 來天然濕地面積不斷增加。宣平溪、好溪等流域內天然濕地面積有所增加，增幅較小。烏溪江、均溪、禎埠港等流域內天然濕地面積小幅減少。八都溪、浮云溪、松源江等流域內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干擾強度較低，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 流域水生態系統健康綜合評價

本研究采用熵權法和專家咨詢法共同確定各個指標的權重，2 種方法所占權重均為0.5，通過加權求和方式確定各個指標綜合權重。熵權法中，因各河流水質指標值未發生變化，故不將其納入熵權值計算，其權重根據專家咨詢法結果進行確定。各指標綜合權重見表5。

表5 各項指標權重表

根據指標等級賦分標準（表2），本研究采用算術平均法對各項指標進行評分。利用加權求和的方式計算各河流水文單元的健康綜合指數，所得結果見表6。評價結果表明，甌江流域（麗水段）水生態系統總體處于健康和亞健康狀態，其中，宣平溪流域的健康綜合指數最高，達到91.95，表明其生態系統結構和功能完整，生態資源豐富，生態系統活力較高；此外，甌江干流、禎埠港、小溪、烏溪江等流域生態系統均處于健康狀態，其余河流均處于亞健康狀態，浮云溪和好溪健康綜合評價得分較低，分別為67.25 和69.00。

表6 各水文單元評價指標相應得分及綜合健康指數表

3.3 甌江流域水生態脅迫因子分析

評價結果顯示，河湖縱向連通性和河流蜿蜒度是甌江流域水生態健康的主要威脅因子，調查表明甌江及其支流建有大量水庫、滾水壩、堰壩等阻水設施，造成河流生態系統連通性的阻斷，導致棲息地破碎化、河流斷流、河網主干化等現象[19]，不利于河流生態系統中水文過程與魚類洄游[20]等生態學過程的發生。河流蜿蜒度與河流的自凈能力息息相關[21-22]，對維持河流生態系統的健康具有重要作用，調查結果顯示研究區內河流蜿蜒度普遍較小，不利于河流水質的凈化以及魚類的棲息。

此外，水土流失嚴重、人類活動干擾大等是影響好溪、浮云溪等河流生態健康的重要因素。野外調查結果顯示，好溪、浮云溪流域人類活動強度較大，植被覆蓋率較低，水土流失較嚴重，生態系統健康狀況相對較差。

4 討論與結論

4.1 討 論

流域生態系統的健康對區域社會經濟發展具有重要意義。流域是水域與陸域相互關聯、相互作用的有機整體，彼此發生強烈的物質與能量交換，水域對陸域環境變化具有較高的敏感性[3]。因此，流域水生態系統健康評價離不開陸域環境。故本文結合水域與陸域構建宏觀尺度指標體系并開展評價工作，相較于中小尺度評價，本研究可以在宏觀尺度上更好的反映流域生態系統的健康問題。同時，本文通過GIS空間分析將研究區劃分為15個小流域，一定程度上避免了由于尺度過大而造成的精細信息丟失。通過評價分析，本文識別了甌江流域的總體生態健康狀況，定位了生態系統健康狀況較差的河流，為流域內水生態保護與修復提供頂層設計基礎與理論支撐。

生態系統健康評價中指標權重的計算決定評價結果的精度。層次分析法、專家咨詢法等主觀方法可以充分考慮指標的重要性，但權重大小受人為干擾較大。熵權法、主成分分析法等客觀方法可以避免人為因素帶來的影響，但其忽略了指標自身的重要程度，有時可能得到與預期相差甚遠的結果[23]。本文利用熵權法與專家咨詢法綜合確定各項指標的權重，一定程度上避免了人為因素帶來的偏差，并同時考慮了指標的重要程度。

本研究是在大型流域尺度上開展生態系統健康評價的初探。由于數據獲取困難，僅對甌江流域1 a 的生態系統健康狀況進行評價，后續應持續對甌江流域進行監控與數據收集，以期獲得更完善、更全面的數據用于健康評價，同時持續對甌江流域的健康狀況進行跟蹤，為流域的管理與保護提供技術支撐。

4.2 結 論

本文基于“3S”技術，突破傳統針對某一特定水體開展生態系統健康評價的限制，采用指標體系法，從水文水資源、水環境、水生態3 個層面綜合評價了甌江流域（麗水段）15 條河流水文單元的生態系統健康狀況。評價結果表明：甌江流域（麗水段）水生態系統總體處于健康和亞健康狀態。其中宣平溪、禎埠港、小溪、烏溪江、甌江干流等流域生態系統結構較完整，功能較完善；好溪、浮云溪等流域受人類活動影響較大，生態系統健康狀況相對較差，需要加強流域內水生態系統的保護與修復。