密云水庫上游（北京段）流域水生態健康評價

關鍵詞：水生態健康；生境結構；水質；水生生物；密云水庫上游

0引言

近年來，隨著社會經濟發展、城市規模擴張和人類活動干擾，流域水生態系統結構和功能日益衰減，不僅威脅流域水生態健康，而且影響流域水資源的可持續利用和社會經濟的可持續發展。因此，從流域系統性和完整性出發，以流域為單元建立水生態健康評價體系，開展流域水生態健康評價已成為近年來流域管理的重要內容。

流域水生態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構和生物量等的變化表征水生態健康程度。Sarah等基于底棲生物完整性指數（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構的季節變化，構建浮游生物完整性指數（P-IBI）對九龍江北溪水生態環境質量進行了評價；黃凱等采用魚類完整性指數（F-IBI）評估了灤河流域生態系統健康狀況。該方法的缺點是將某一類敏感生物種群作為水生態健康狀況評價的指標，無法辨別影響流域水生態健康的環境驅動因素。多指標評價法是運用水文、水質和水生生物等方面的指標綜合評價水生態健康狀況，能表示流域水生態健康總體情況。Gary等基于河流地貌一生態一水文等構建河流生態健康評價體系，從流域、河段和水文三方面評價了雙溪河流域健康狀況；孫徐陽等構建涵蓋水環境、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健康狀況進行了評價。由于評價指標體系的建立受研究區域限制，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，水庫的水質狀況直接關系北京地區人民的飲水安全。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廢水排放影響，流域水生態環境狀況不容樂觀，嚴重制約了當地經濟和社會的可持續發展。此前，不少學者對密云水庫上游流域水生態健康評價開展研究，但在評價指標方面側重于水域水文、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，構建包括生境結構、水質、水生生物三方面內容的水生態健康評價指標體系，采用基于熵權法的綜合健康指數法對流域水生態健康狀況進行綜合評價，同時分析密云水庫上游（北京段）流域水生態健康空間異質性，以期為密云水庫上游流域水生態保護及修復提供理論依據。

1研究區概況

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，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，涉及密云、懷柔、延慶3個區，見圖1。

2材料與方法

2.1評價指標體系構建

參考國內外流域水生態健康評價方面的研究成果，從流域系統性和完整性出發，以流域為單元，綜合考慮陸域生態系統及水域生態系統對水生態健康的關鍵影響因素，構建包含生境結構、水質、水生生物的流域水生態健康評價指標體系，見表1。

生境結構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境和人為活動對水生態健康的影響程度：水土流失狀況用平均土壤侵蝕模數表示，可以反映流域的土壤肥力、農業發展、堤防安全等狀況；水文地貌狀況采用《山區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、地貌和河流的連續性狀況。水質是最直觀反映水體污染程度的指標，水庫匯入河流的水質狀況將直接影響密云水庫水質，依據《地表水環境質量標準》（GB3838-2002），選擇COD、NH4-N、TN、TP、N03-N作為水質評估指標，其中：NH-N、TN、TP是水體中的營養鹽，是表征水體富營養化程度的指標；CODM是表征水體有機和無機可氧化物質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多樣性指數作為水生生物指標，底棲動物是水生態系統的重要組分，生命周期較長，活動范圍較小，對水環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，其生物多樣性會發生變化，因此該指數能夠綜合反映長期以來人類活動對河流生態系統的擾動程度。

2.2采樣方法及指標值的測定與計算

1）生境結構指標調查與計算。根據小流域調查與評價的體系化方法與標準，開展流域內排污、河道淤堵、水量、垃圾堆積、植被等生態本底狀況調查。水文地貌狀況根據北京山區小流域主溝道自然狀況、發展現狀、河（溝）道人類活動影響情況，結合《生態清潔小流域技術規范》（DB11/T 548-2008）、《山區河流水文地貌評價導則》（DBlI/T 1173-2015）、《山區河流生態監測技術導則》（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個方面開展調查。植被覆蓋度采用2022年覆蓋河流區域的Sentinel-2高分辨率遙感數據及植被覆蓋度實地測量數據。水土流失狀況采用2022年《北京市水土保持公報》數據。用于計算景觀破碎度的土地利用類型數據采用精度為1mx1m的第三次全國國土調查數據。

2）水樣采集與測定。根據小流域出口反映匯流產出的特點，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）于河流監測斷面中間水面以下0.5m現場采集。現場利用便攜式多參數水質測量儀（YSI-Pro DSS）測定pH值，同時現場采集1L水樣，置于低溫保溫箱中，并于48h內帶回實驗室測定COD、NH4-N、TN、TP、N03-N濃度。水樣的采集、保存和室內測定參照《地表水環境質量標準》（GB 3838-2002）和《水和廢水監測分析方法》。

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型網和采泥器采集，現場篩選后放人盛有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，大多數物種鑒定到種，部分物種鑒定到屬或目，物種的鑒定和計數參照文獻。底棲動物Shannon-Wiener多樣性指數H計算公式：

2.3評價指標權重計算

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

2.4評價指標分級

關于流域及河流生態健康評價標準已有學者開展了一些研究，如粟一帆等根據各指標數據集的均值、標準差、最小值、最大值及分位數，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健康等級劃分。本研究結合流域水環境特有的地形地質和群落狀況，根據密云水庫上游（北京段）流域水生態環境現狀，把流域水生態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

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

3結果與分析

3.1單項指標健康評價

1）生境結構評價。密云水庫上游（北京段）流域水生態系統生境結構整體健康狀況良好，流域內主要河段生態系統結構完整性較高，有利于區域的可持續發展。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。根據等權平均計算生境結構綜合得分，其中18個小流域生境結構處于健康等級，占比90%：安洲壩和朱家灣2個小流域生境結構處于亞健康等級，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）水質評價。密云水庫上游（北京段）13個小流域水質處于健康等級，占比65%；7個小流域水質處于亞健康等級，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。現場調查發現古石峪、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有少量垃圾，表明人類干擾和污染物排放對水質有顯著影響。

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水生態健康綜合評價

根據密云水庫上游（北京段）流域水生態健康評價指標體系和權重，計算流域水生態健康綜合指數，結果見表3。在選取的20個小流域中，2個小流域水生態健康綜合指數大于80，為健康等級，占比10%；13個小流域水生態健康綜合指數在60～80之間，為亞健康等級，占比65%;5個小流域水生態健康綜合指數在40～60之間，為一般等級，占比25%。綜合20個小流域水生態健康綜合指數，密云水庫上游（北京段）流域水生態健康狀況為亞健康，其中流域水生態健康綜合指數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）流域水生態健康空間異質性

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

4.2流域水生態健康影響因素

根據流域水生態系統單項指標評價結果，安洲壩、黃土梁西、楊家堡、朱家灣小流域生境結構健康等級相對較低，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，但農村生活、農業生產、民俗旅游等人類活動在個別地區的影響仍然存在。因此，人類活動及氣候變化等因素導致流域生境結構變化是影響區域水生態健康的原因。

河流水質和水生生物相互影響并共同影響河流水生態系統。水質監測結果表明，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。由現場調查可知，密云水庫上游存在較嚴重的面源污染現象，如畜禽養殖、污水亂排亂放和生活垃圾亂扔及近河岸耕作等，導致研究區水生態健康狀況具有明顯空間異質性。胡春春等分析2010-2021年密云水庫上游河道逐月水質監測數據發現，密云水庫上游河道氮污染嚴重，與本研究結果基本一致。根據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揮，河流水生態健康狀態不斷惡化。

5結論

綜合考慮密云水庫上游（北京段）陸域生態系統及水域生態系統對水生態健康影響的關鍵因素，構建包含生境結構、水質、水生生物的流域水生態健康評價指標體系，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10個評價指標組成。采用基于熵權法的綜合健康指數法對流域水生態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個小流域生境結構處于健康等級，2個小流域生境結構處于亞健康等級；13個小流域水質處于健康等級，7個小流域水質處于亞健康等級；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）流域水生態健康狀況具有較強的空間異質性，健康等級較高的地區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。結合現場調查可知，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、畜禽養殖及近河岸耕作等，導致上游水生態健康具有明顯的空間異質性。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）流域水生態健康的關鍵因子。