海城河生態系統健康評價

(海城市水利技術推廣中心，遼寧 海城 114200)

生態系統健康是指一個生態系統在時間上具有外界干擾恢復、自我調節、維持其組織結構的可持續性與穩定性的能力，可根據生態系統恢復力、組織結構和活力3個方面闡述其內涵特征。具有獨特地理單元的流域在維持區域生態平衡、凈化水質、涵養水源和調節徑流等方面發揮著重要作用，流域生態系統保持良好的生物、化學與物理完整性，其良好的平衡狀態為人類提供不同的服務功能或生態產品，對人類活動或自然因素干擾具有一定的自我恢復與調節的能力即為流域生態系統健康的內涵[1]。在流域生態健康方面國內外許多學者開展了大量研究，主要集中在壓力-狀態-響應模型、快速生物評價、棲息地完整性指數法、無脊椎動物群落指數法、景觀格局指數生態評價以及模糊數學模型等方面的研究[2]。然而，目前在流域尺度上對其生態健康的評價研究還處于初期階段，尚未形成統一、完善的框架體系與研究方法[3]。鑒于此，本文參考相關資料，分別從水域和陸域兩個方面建立了評價體系，以海城河為例，綜合評價其生態健康狀態，以期為太子河流域建立生態補償體制和制定生態紅線提供信息和決策參考。

1 研究方法

1.1 海城河概況

海城河發源于孤山鎮瓦子溝村響水溝，由東南向西北方向主要流經接文、馬風、望臺、西柳等18個鄉鎮，全長90.8km，流域面積1310km2，平均比降0.201%，屬于渾河水系太子河支流，是海城市的母親河。該河流處于大陸性季風氣候區，年均降水量在640～800mm之間，降水在空間分布上自東南向西北呈遞減趨勢。流域內地貌特征為山地、丘陵、平原區和洼地等，并以丘陵和山地為主，河岸帶土壤多棕黃土與草甸土，并且大部分區域為耕作土，植物區系以砂土植物、水生植被、沼澤以及草甸為主。該流域地處海城市農業生態功能區和城鎮經濟發展核心位置，生態環境面臨的主要問題有農業面源污染、城鄉生活污染以及工業企業污染等。

選擇統計、監測以及數字影像資料等方式作為海城河生態健康評價主要數據來源，其中統計數據包括海城市2016年統計年鑒、農藥化肥普查數據、海城河調查問卷以及水利工程普查數據等；監測數據有河流徑流量、降水量、水質斷面監測、面源與點源污染數據；數字影像資料主要有土壤類型矢量與土地利用數據庫、SPOT-5、分辨率為30m×30m的DEM[4-5]。

1.2 研究方法

a.評價單元的劃分。綜合考慮流域環境管理、行政區劃管理和自然地理單元的組合一致性特征與空間疊加關系，根據河流自然條件的相似性與一致性特點，合并流域范圍內的最小自然單元。參考海城河水污染防治規劃控制單元、行政管理單元以及自然地理單元的劃分，保持鄉鎮區劃與評估單元大小基本一致。通常情況下，行政區劃與最小評估單元基本保持一致，僅僅在邊界條件上存在一定差異，因此按照評價單元的核心行政單元統計社會經濟數據[6]。

b.構建評價體系與分級標準。本研究依據流域生態健康評估指南，選擇17項代表性指標。考慮到海城河農業污染與生產生活污水排放量較大的實際情況，在選擇水生生物評價指標時將大型底棲硅藻類、底棲動物等對河流富營養化與酸化敏感的生物納入評估范圍，然后從水域和陸域兩大層次構建河流生態健康評價體系[7]。不同評價指標對生態系統健康的貢獻程度可通過指標的權重反映，通過專家咨詢法并考慮各指標的內涵與重要性程度確定其權重，見表1。生態健康評價指標的單位不同、類型較多，因此很難直接利用實測值進行綜合對比分析，需要根據各指標之間的相關關系和對河流影響的大小賦予標準化值，將其統一處理為0～1范圍內的數值。然后根據流域健康評估指南中等級劃分標準，并結合海城河實際狀況進行適當調整，最終確定各指標實測值在不同分級標準下的取值范圍。表1中優秀、良好、一般、較差與極差的等級標準，所對應的分值依次為大于80、60～80、40～60、20～40、小于20。

c.建立流域健康評價模型。流域健康度WHI是根據各評價指標數值反映一個區域生態健康的重要參數，WHI取值范圍0～100，計算公式為

(1)

式中：WHIi為河流健康體系各層級的生態健康度；Li1、Wi分別為各指標標準化值及其權重值。

根據上述計算結果可建立用于河流健康系統評價的模型，其表達式為

(2)

式中：WHI、Li2分別為河流生態安全度與對象層權重值，對海城河各鄉鎮生態系統健康進行評價計算，評價結果見表2。

表1 海城河生態系統健康評價體系與分級標準

表2 海城河各鄉鎮生態系統健康評價

2 結果分析

2.1 水域生態健康評價

計算分析海城河水域生態壓力、水生生物以及水生生境結構各項指標值，結果顯示該河流生態健康評價優秀、良好和一般單元的面積占比分別為21%、42%、37%，河流生態健康狀況整體處于一般及以上水平。根據各指標評價值可以看出，水生生物、水環境質量為影響海城河流域健康的主要因素，特別是在農業生產、人類活動以及人口密集的城區最為顯著，河流下游區域工業廢水、生活污水排放量較大，對水生動物種群結構造成不利影響。野外水質監測結果顯示，水生生物評價指數在Ⅲ類水質以下的區域均處于差或較差水平[8]。海城河上游區域人類活動較少，水環境質量相對較好，在Ⅲ類及以上水平，該區域生態健康評價為優秀且水生生物綜合指數較高，并以二臺子大橋上游區域水質最好。在人類活動較多的下游地區河流水質質量較差，從而造成水生生物指標偏低，以牌樓鎮、八里鎮最為顯著。海城河徑流城區段存在較多的小印花、小染坊等服裝企業，廢水未經處理或處理不達標排放造成河道污染嚴重，水環境質量極差，處于Ⅳ和Ⅴ類水，水生生境結構改變并使得很多水生物種減少甚至消失，以西柳鎮最為突出。

2.2 陸域生態健康評價

海城河陸域生態系統健康良好、一般、較差的單元面積分別為68%、30%、2%，總體不存在優秀評價單元。健康評價等級在空間分布上以山區最為優秀，城區低于鄉鎮。污染物減排資料是計算陸域點、面源污染負荷的主要依據，然而其數據獲取計算單元為縣區，從而使得在鄉鎮級評價單元上兩個指標不存在可比性，因此不再探討其影響作用[9]。在評價等級為優秀的單元中，如接文鎮各項指標得分較高，特別是水源涵養指數、重要生境保持率、建設用地以及森林覆蓋率等參數均大于其他評價單元；水源涵養指數、生境保持率為限制生態健康良好等級評價單元的主要因素，如馬風鎮、孤山鎮等單元。在評價等級為一般的單元中，水源涵養指數、森林覆蓋率以及建設用地比例過高為限制生態健康的主要因素，如西柳鎮、牛莊鎮等單元。

2.3 生態系統健康綜合評價

在海城河生態健康綜合評價中，優秀、良好、一般的單元面積分別占5%、62%、33%，整體處于一般及以上水平。海城河上游至下游生態健康分布表現出逐級遞減的趨勢，在河流源頭區域的生態健康狀況為優秀，然后逐漸過渡至良好和一般狀態，在牛莊鎮匯入太子河附近的生態系統健康破壞較為嚴重，西柳鎮與牛莊鎮單元的評價等級為一般，并低于附近其他區域。從流域整體上分析，人類活動干擾和社會經濟活動為引起海城河生態系統健康存在差異的主要因素，上游區域和山地丘陵區健康等級較高，在平原、盆地以及人口密集的中下游區域偏低。隨著經濟的發展和城鎮化發展速度的加快，可能會進一步增加海城河沿岸的建設用地，在工業產值和農業灌溉等綜合作用下河流的減排負荷指數壓力較大，海城河水質狀況在短期內很難得到明顯的改善[10]。

2.4 生態環境問題分析

根據生態健康評價結果，本文總結分析了海城河生態環境面臨的主要問題有點面源污染排放量大、建設用地比例高、水源涵養能力弱以及干流水質差。污染物排放量較大是引起海城河水質較差的關鍵因素，據統計，海城河2016年點源、面源COD排放分別為1.28萬t和3018.52t，并且氨氮與工業廢水排放呈現出不斷上升的趨勢。點源污染為海城河主要污染源，污染物主要來源于服裝小印花、印染企業，農村與城鎮生活污染，化學制造業等。隨著工業產值的提升和沿岸人口數量的不斷增大，海城河水環境治理仍具有較大的壓力。另外，河流生態壓力與生態功能受建設用地比例影響顯著，通過分析海城河沿岸2012—2016年的土地覆蓋類型轉移矩陣，該區域居民地、交通運輸以及工程建設用地增加了1028hm2，建設用地的急劇增加給河流生態系統、農田、森林覆蓋等造成較大壓力，從而使得生境面積減少并加大了生境破碎程度。土地硬質化改變了流域內的水熱條件、水陸系統能量物質交換，極易引起生態災害與洪澇的發生。

3 結 論

a.海城河生態健康綜合評價中優秀、良好、一般的單元面積分別占5%、62%、33%，整體處于一般及以上水平。海城河上游至下游生態健康分布表現出逐級遞減的趨勢，在河流源頭區域的生態健康狀況為優秀，在牛莊鎮匯入太子河附近的生態系統健康破壞較為嚴重。健康評價等級在空間分布上以山區最為優秀，城區低于鄉鎮，水質狀態指數為主要影響因子。

b.人類活動干擾和社會經濟活動為引起海城河生態系統健康存在差異的主要因素，從而使得上游區域和山地丘陵區健康等級較高，在平原、盆地以及人口密集的中下游區域偏低。

c.海城河徑流城區段存在較多的小印花、小染坊等服裝企業，廢水未經處理或處理不達標排放造成河道污染嚴重，水環境質量極差處于Ⅳ和Ⅴ類水，水生生境結構改變并使得很多水生物種減少，甚至消失，以西柳鎮最為突出。