流域生态环境状况评价指标体系构建与应用——以柳江流域为例
时间：2023-04-16 08:15:03 来源：柠檬阅读网 本文已影响 人 
周雪欣，赵晓晨，葛晓霞
(珠江水资源保护科学研究所，广州 510635)
2015年原环境保护部发布了《生态环境状况评价技术规范》(HJ 192—2015)[1]，该技术规范在生态环境状况评价中得到了广泛应用[2-4]，但从流域层面考虑，规范提出的部分评价指标难以精确按研究区进行拆分，生物丰度指数、水网密度指数、土地胁迫指数等指标计算均与土地利用相关，指标间相关性较强，携带的信息量有限，各项评价指标权重唯一，评价结果可能与流域实际生态环境状况存在偏差。近年来，遥感和地理信息技术的迅速发展，为区域生态环境评价提供了新思路。如张寒等[5]通过计算地表缨帽变换湿度分量、归一化干度指数、地表温度、归一化植被指数，运用主成分分析法构建遥感生态指数评价南充市生态环境质量；
孙彩霞等[6]通过提取遥感影像数据，并结合土地覆被数据、空气质量数据等得到 5个评价指标，利用主成分分析法对阜新市2000—2018年生态环境的变化趋势进行评价；
王军伟[7]利用层次分析法建立安庆市生态环境的评价指标体系，确定各个指标的权重，通过GIS技术对各指标数据进行可视化的表达。2020年水利部发布了《河湖健康评估技术导则》(SL/T 793—2020)[8]，为河湖健康评估提供了技术指导，同时也为水生生态环境评价提供了参考。专家学者围绕生态环境评价及河湖健康评估的指标体系、方法模型等问题进行了大量的研究[9-18]，但大多偏重于陆生或水生生态环境状况，如何统筹考虑陆生、水生生态，对流域生态环境状况进行科学评价仍是目前亟待解决的问题。
本研究通过选取5项陆生生态评价指标、6项水生生态评价指标，构建流域生态环境状况评价综合指标体系，采用组合赋权法确定各项指标权重，利用综合指数法评价流域生态环境状况。以柳江流域为实例，结合实地调查数据及遥感、GIS技术，开展各项指标计算，将评价过程及结果可视化，综合评价分析柳江流域生态环境状况，为流域开发及保护提供参考。
1.1 指标体系构建
参照《生态环境状况评价技术规范》(HJ 192—2015)《河湖健康评估技术导则》(SL/T 793—2020)，从陆生、水生生态环境状况两方面构建流域生态环境状况评价指标体系。遵循实用性、有效性、代表性原则，选取植被覆盖指数、生境质量指数作为陆生生态环境状况基本评价指标，由于柳江流域涉及武陵山区生物多样性保护与水源涵养重要区、西南喀斯特土壤保持重要区，流域水源涵养、生物多样性保护、土壤保持功能突出，因此选取水源涵养指数、维管束植物丰富度、土壤侵蚀程度作为陆生生态环境状况评价指标。
经过多年的发展，柳江流域水力资源开发和利用取得较大成就，但同时也引发了一系列水生生态环境问题。为全面评价水生生态环境状况，从水文、水环境、河流形态、水生生物4方面考虑，选取非汛期生态流量满足程度、水质优劣程度、河流纵向连通性指数、鱼类保有指数、着生藻类指数、大型底栖无脊椎动物Shannon-Wiener多样性指数等作为水生生态环境状况评价指标(见表1)。
表1 流域生态环境状况指标体系
1.2 评价方法
本研究采用综合指数法对流域生态环境状况进行评价，其原理是对各项指标进行标准化处理，利用组合赋权法确定各指标权重，根据指标标准化赋分结果及其所占权重计算流域生态环境状况指数。
1.2.1评价指标标准化
由于各评价指标的量纲不一致，缺少可比性，因此，应对指标进行标准化处理。依据各指标对生态环境状况的贡献程度，对各指标进行赋分评估(见表2)。
表2 各评价指标赋分标准
1.2.2指标权重的确定
各项指标计算权重采用组合赋权法确定，具体计算公式如下：
(1)
式中：
Wi——第i个指标的组合权重；
ai、bi——第i个指标的客观权重和主观权重。
客观权重ai采用变异系数法确定，权重公式：
(2)
式中：
CVi——第i项指标的变异系数，计算公式如下：
(3)
式中：
σi——第i项指标标准差;
μi——第i项指标均值。
主观权重bi采用专家打分法，邀请若干名相关领域专家，采取独立填表形式对各指标权重进行打分，将各专家打分结果均值作为每个指标主观权重。
1.2.3流域生态环境状况评价
流域生态环境状况评价采用综合指数法，具体计算公式如下：
(4)
式中：
EI——生态环境状况指数;
Si——第i项指标的标准化处理结果;
Wi——第i项指标的权重值。
流域生态环境状况指数为陆生、水生生态环境状况指数均值。根据生态环境状况指数，将生态环境分为5级。划分标准与《生态环境状况评价技术规范》(HJ 192—2015)一致(见表3)。
表3 生态环境状况分级
2.1 流域概况
柳江是珠江流域西江水系的第二大支流，位于东经107°27′～110°34′、北纬23°41′～26°30′之间，跨越黔、桂、湘三省(自治区)，流域面积为58 520km2。流域地势北部及西北部高，南部及东南部低。总体地貌以喀斯特地貌为主，上、中游地区多海拔为1 000m左右的中、高山，中下游地区多为低山丘陵。柳江径流由降水形成，时空变化特性与降水对应，年径流模数自中下游向上游逐渐减小，径流年内分配不均匀。
2.2 指标计算及权重确定
2.2.1陆生生态指标计算及权重确定
本次评价采用2014—2016年柳江流域相关调查成果数据，具体如下：
植被覆盖指数：本次评价选用中国500MNDVI月合成产品柳江流域2015年5—9月象元NDVI月最大值的均值，数据来源于中国科学院计算机网络信息中心地理空间数据云平台(http：//www.gscloud.cn)。按赋分标准进行赋分评估，计算结果见图1a。计算结果显示柳江流域NDVI指数平均值为0.67，NDVI指数在0.65～0.8区间的面积占流域总面积58.2%，流域植被覆盖度较高。
单位面积维管束植物丰富度：通过对流域内165个样方进行调查，并结合流域内重点区域(如广西寿城自然保护区、广西金秀大瑶山国家级自然保护区、广西环江木论国家级自然保护区等)植被调查数据成果，采用《中国植被》中植被分类的原则，得出流域维管束植物种数(2 627种，含变种和变型)，与流域面积相比得出单位面积维管束植物丰富度为0.045(见图1b)。
土壤侵蚀程度：通过实地调查和解译分析流域2015遥感影像，参照《土壤侵蚀分类分级标准》SL190—2007计算确定土壤侵蚀程度，并按赋分标准进行赋分评估，计算结果见图1c。计算结果显示柳江流域水土流失程度较轻，微度侵蚀面积为3.57万km2，占流域面积的61.0%，轻度侵蚀、中度侵蚀面积分别占流域面积21.4%、17.6%。
水源涵养指数及生境质量指数：将流域按研究需求划分为若干个子流域，参照《生态环境状况评价技术规范》(HJ192—2015)相关计算方法，得出各子流域生境质量指数和水源涵养指数，利用GIS软件按赋分标准进行赋分评估，计算结果见图1d、图1e。计算结果显示流域水源涵养指数平均值为0.26，生境质量指数平均值为0.28，说明流域水源涵养能力较高，生境质量较好，但流域内差异较大，整体来看龙江下游、柳江干流下游地区水源涵养能力有待提高，生境质量有待提升。
图1 陆生生态各指标评价结果示意
根据式(1)～式(3)指标权重计算方法，计算陆生生态各项评价指标组合权重(结果见表4)。根据式(4)生态环境状况指数计算方法得出陆生生态环境状况指数,计算结果显示流域陆生生态环境状况指数平均值为71.0，整体处于良水平，优良级以上面积为4.9万km2，占流域面积83.5%。
表4 陆生生态各项评价指标权重
注：由于单位面积维管束植物丰富度为全流域统计结果，无法计算变异系数，客观权重按1/5项指标计，即0.20。
2.2.2水生生态指标计算及权重确定
通过遥感影像提取柳江流域研究水域，本实例提取对象主要为柳江干流、龙江。水生生态各项指标计算具体如下：
非汛期生态流量满足程度：通过分析2008—2018年非汛期(10月—次年3月)涌尾、柳州、贵江断面逐月实测流量及生态流量满足情况，得出3个断面非汛期生态流量下泄满足程度分别为98%、88%、89%。按赋分标准进行赋分评估，计算结果见图2a。近10a柳江非汛期生态流量满足程度较高，其中涌尾断面代表的柳江上游都柳江河段非汛期生态流量满足程度最高，仅在2010年3月出现1次不满足情况。
水质优劣程度：根据《珠江区第3次水资源调查评价报告》调查结果评价柳江干流、龙江共16个一级水功能区、28个二级水功能区水质状况，年度水质类别(总氮不参评)均在Ⅱ类以上，按赋分标准进行赋分评估，计算结果见图2b。柳江水质总体优良，柳江干流融江部分河段及龙江中上游河段年度水质较好。
河流纵向连通性指数：调查结果显示，柳江干流已建、在建梯级电站15座，龙江已建梯级电站13座，均未建设过鱼设施，根据各河段梯级数量，计算河流纵向连通性指数，并按赋分标准进行赋分评估，结果见图2c。柳江流域开发程度较高，梯级电站的开发影响了河流纵向连通性，柳江干流中游、上游河段及龙江中下游河段梯级电站较为集中，河流纵向连通性差。
鱼类保有指数：参考《广西农业生物科学》(1986年01期)《柳江鱼类区系》(梁亮、覃建才等)文献资料，1986年之前，柳江及其支流历史已知鱼类共计156种。根据《广西淡水鱼类志》及《广西柳江鱼类资源调查》(朱瑜、罗春业等)文献资料，1987—2000年统计柳江共有鱼类137种。根据鱼类保有指数计算公式计算得出指数为88%，赋分结果为96(见图2d)。
着生藻类指数：在流域内选取19个调查点开展硅藻采样分析，通过公式计算得出着生硅藻指数，按分级赋值表进行赋分评估，结果见图2e。柳江流域着生藻类指数平均值为12.5，流域内各河段差异较小，整体处于中等偏好状态。
大型底栖无脊椎动物Shannon-Wiener多样性指数：在流域内选取17个采样点开展大型底栖无脊椎动物调查，通过公式计算得出大型底栖无脊椎动物Shannon-Wiener多样性指数，按赋分标准进行赋分评估，结果见图2f。计算结果显示，流域整体物种多样性水平相对较低。大型底栖无脊椎动物Shannon-Wiener多样性指数平均值为1.11，流域内各河段差异较大，柳江干流中下游及龙江下游河段受人类活动影响，物种多样性水平较低。
图2 水生生态各指标评价结果示意
根据式(1)～式(3)指标权重计算方法，计算水生生态各项评价指标组合权重(结果见表5),根据式(4)生态环境状况指数计算方法得出水生生态环境状况指数(结果见图3b)。计算结果显示流域水生生态环境状况指数平均值为52.7，整体处于一般水平，优良级以上河长为288km，占评价总河长的23.9%。
表5 水生生态各项评价指标权重
2.3 柳江流域生态环境状况评价
根据水生生态环境状况指数结果，通过水文分析提取对应的陆域作为赋值范围。根据公式，流域综合生态环境状况指数=陆生生态环境状况指数×0.5+水生生态环境状况指数×0.5，计算结果如图3c所示。
图3 流域生态环境状况评价结果示意
计算结果显示，柳江流域生态环境状况空间差异较大，最低值为34.1，最高值为95.8，平均值64.3。从平均值看，柳江流域整体生态环境状况处于良水平，陆生生态环境状况指数优于水生生态环境状况指数。从面积及其所占的比例来看，生态环境状况为良等级的区域面积最大，在全流域分布较为广泛，占流域总面积的53.7%；
生态环境状况为一般等级的区域面积占流域总面积的24.8%，主要分布在龙江下游、柳江干流中下游及洛清江中上游东部地区，区域内分布有桂林市临桂新区、柳州市辖区、宜州市、柳城县、柳江县，受人类活动影响显著，植被覆盖率较低，建设用地居多造成水源涵养指数和生境质量指数较低，此外受梯级电站开发影响，河流纵向连通性较差，生境破碎化严重，物种多样性水平相对较低，自然生境受到胁迫；
生态环境状况为优等级的区域面积占流域总面积的21.5%，主要分布在古宜河流域、洛清江干流及柳江下游东部，大部分集中在林地及草地，受人类活动影响较小，植被覆盖度较高；
生态环境状况为较差等级的区域面积较小，仅占流域总面积的0.1%，零星分布在龙江下游及洛清江中上游东部地区。
1) 本文借鉴《生态环境状况评价技术规范》(HJ192—2015)、《河湖健康评估技术导则》(SL/T793—2020)，以科学、全面、实用为原则，构建了流域生态环境状况评价指标体系。兼顾陆生、水生生态环境，选取11项具有代表性的评价指标开展评价，指标的权重采用组合赋权法确定，兼顾权重客观性及不同流域指标权重独特性，形成一套科学简洁、便于业务化应用的流域生态环境状况评价方法。
2) 以柳江流域为对象，进行指标体系的应用，评价结果显示柳江流域生态环境状况空间差异较大，整体处于良水平。结合GIS技术，将评价过程及评价结果可视化，形成各项评价指标分级图和流域生态环境状况评价结果图，更加直观地反映了流域生态环境状况的空间分布规律及其变化特征，为流域开发及生态环境保护提供技术支撑。
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