三峡水库河流生境评价指标体系构建及应用

陈 淼,苏晓磊,党成强,高 婷,黄慧敏,董 蓉,陶建平

西南大学生命科学学院,三峡库区生态环境教育部重点实验室,重庆市三峡库区植物生态与资源重点实验室,重庆 400715

河流生境一般是指河流生命物质赖以生存的局地环境[1],也有学者将其定义为河流生态系统中包含生物生存所必需的物理、化学和生物特征的总和[2]。三峡水库建成蓄水后,除库区水体由自然河流的流水型水体变为水库型水体外,库区的回水区域呈现出与建库前不同的冬蓄夏排反季节水位涨落的特点,水位涨落的库岸消落带每年要经历长时间、大深度的水淹,水淹深度最大可达30 m,水淹时间最长可达9个月。同时,处于不同高程的消落带还会受到因自然洪汛和水库水位调度而产生的自然-人为水淹的双重影响,库区河流生境因而表现出同自然河流生境截然不同的状态。水库建成蓄水后,由于库区支流流域的社会经济发展、人类生产生活、支流水电开发等对支流的影响也日益加剧,三峡库区支流生境是否完好,是否仍能对三峡水库生态系统健康和水库生态系统的正常功能维持发挥积极和重要作用目前并不清楚。因此,在新的形势下对三峡库区支流生境质量进行评价,并在评价过程中寻求适合特大型水库消落带特点的评价指标体系及评价方法十分必要。

至2000年欧盟水框架指令[3]发布后,涌现出大量的河流生境评价方法,由于研究目标不同以及研究区域的差异,河流生境评价方法也多种多样[4]。目前使用较为广泛的国外的评价方法包括英国河流生境调查[5-6]、瑞典岸边与河道环境细则[7]、澳大利亚河流状况指数[8]和河流形态结构框架[9]、美国快速生物监测协议[10]、西班牙水文地貌指标[11]和河岸带质量指数[12]等。国外对河流生境评价研究主要集中于物理生境评价、河岸生境评价、形态学评价以及水文情势变化评价[4],前两种评价方法多用于自然状态下河流生境评价,形态学评价关注时间尺度上的河道调整,水文情势变化评价主要是对现有水文数据的处理或模型的使用。国内也有诸多学者对河流生境评价方法进行研究[1,13- 21],但评价对象多为自然状态下河流生境,其方法和评价体系并不适合大型水库影响下的河流生境评价,而对水库蓄水影响下的河流评价的研究,主要以水库水质保护为目标的居多[22],此外还有浮游植物评价[23]、生态系统服务功能评价[24- 25]、生态治理效益综合评价[26]、生态脆弱性评价[27]等,少有对具体河流生境评价的研究。以上研究和实践中采用的评价方法和指标体系对于三峡库区河流生境评价有十分重要的指导意义,但鉴于大坝蓄水影响下的三峡库区河流生境的特殊性,本研究拟综合水文情势、河流形态和河岸带生境三个方面的指标,并增加能够反映由于水位调度影响河流生境的指标,构建新的能够综合反映消落带水淹特点的三峡库区河流生境评价指标体系；确立各个层次下的指标评价标准,通过组合赋权计算权重；最后以三峡水库库区河流为例,利用新建立的指标体系和方法,进行河流生境质量评价实证研究,为我国大型水库库区河流生境评价及河流生境管理提供参考及科学依据。

1 研究区概况

1.1 研究区域

东溪河、黄金河、汝溪河为三峡库区忠县至万州段的3条长江一级支流。东溪河发源于石柱土家族自治县万朝乡境内,流经东溪镇,最后经钟溪村注入长江,全流域面积139.9 km2,库区境内长度32.1 km。黄金河发源于梁平县柏家镇境内,流经黄金镇,经大面村注入长江,全流域面积958.0 km2,库区境内长度71.2 km。汝溪河发源于万州区分水镇三角凼,流经培文镇,在梁平县境内和汝溪河另一支流交汇,流经忠县汝溪镇,最后经忠县石宝镇注入长江,全流域面积720.0 km2,库区境内长度54.5 km。气候类型属中亚热带湿润季风气候,受峡谷地形影响十分显著。

图1 研究区样点分布图 Fig.1 Distributions of sampling sites in Dongxi River, Huangjin River, and Ruxi RiverRX1：龙滩大桥；RX2：涂井中学；RX3：涂井场；RX4：长溪；RX5：团堡；RX6：骆马；RX7：金狮村；HJ1：大面村；HJ2：黄金镇；HJ3：双汇；HJ4：均房；HJ5：盐井；DX1：钟溪；DX2：龙潭；DX3：兴旺；DX4：对河；DX5：华兴；DX6：白河；DX7：陡岩

1.2 样点设置及调查方法

于2015年8月19日—30日对三峡库区忠县至万州段的3条库区河流东溪河、黄金河、汝溪河进行野外调查,共选取19个样点,其中在东溪河选取7个样点(DX1—DX7)；黄金河选取5个样点(HJ1—HJ5)；汝溪河选取7个样点(RX1—RX7)(图1)。

1.3 数据分析

使用Excel进行层次分析法及熵值法的权重计算；使用MATLAB 7.0进行组合赋权法的权重计算。使用SPSS 22.0对河流生境质量的18个评价指标进行Pearson相关性分析,分析评价指标之间的相关性。运用主成分分析方法(PCA)确定评价指标对河流生境质量的贡献率,找出影响河段生境评估的主导评价因子。

2 研究方法

2.1 评价指标体系

水文情势的变化被认为是对物理生存条件极有价值的预测器,继而在不同尺度上都对河流生态系统的生物组成、分布和进化产生重要影响[28- 29]。三峡水库的建设直接改变了库区河流的水文情势,使河流的流量、流速和河道结构均发生改变,对水生生物的生存带来严重影响。流态的改变导致水力水质条件变化,其直接影响鱼类的集群结构和种群多样性；流速描述河流的能量变化,对于营养物质和含氧量的输送交换起主导作用,同时也直接关系到鱼类的繁殖、产卵、生长、捕食等生命过程[30]。湿润率为平均河宽与满水河宽之比,可以一定程度上反应某一段河道横切面的地形特征以及该河段的水量变化程度。

大型水库蓄水对库区河流河道结构的改变也十分明显,主要表现在两方面：一是自然河流的渠道化；二是自然河流的非连续化[31]。大型水库的运行会改变河流的泥沙循环,水库会捕获大量运往下游的泥沙,导致泥沙大量淤积,生境多样性降低[32]。河床底质为底栖生物提供栖息环境,直接影响其生存和繁衍,丰富的河床底质可以为河流生物提供多样的栖息地。除此之外,河流表层覆盖物通常为漂石、木质残体以及悬垂植被,能为水生动物提供栖息地,为鱼类提供避难场所和排卵的附着地,而由于大型水库蓄水的影响,覆盖物往往会被除去,导致河流的生态异质性得不到有效保障[30]。

水库大坝的修建及运行对河岸带生态系统的影响极其明显[33]。大型水库蓄水导致原有河岸带丧失以及新的河岸带形成[33],且由于季节性蓄水造成河岸带周期性的出露和淹没,使河岸带植被和土壤结构遭到破坏,导致河岸带群落出现新的演替。河岸类型是决定河岸带稳定性的主要因素,不同类型的河岸带结构发生滑坡、崩塌的情况不同,通过调查不同的河岸类型,可以揭示河岸带的结构稳定性程度。河岸带宽度及土壤厚度对过滤污染物、提供陆生生境以及景观等生态效应具有重要的影响。大型水库蓄水形成的河岸带只有经过30年的发展才会形成新的平衡[33],在早期阶段具有较低的物种多样性,而河岸带的植被状况和特点是最为直观和最易获得的指标,也最能直接反映该样点整体的生态系统状况从而考察其生态功能强弱[34]。河岸带植被的连续性、完整性和覆盖度等现状直接影响河流生态系统的健康、生态系统中生物多样性及生物在生态系统中发挥的生态功能。

由于影响河流生境的众多因素具有明显的层次性[14],河流生境评价指标体系可以分为以下3个层次：目标层、准则层、指标层[35]。以河流生境评价为目标层,以水文情势、河流形态、河岸带生境为准则层,以各准则层的分类特性和特征为指标层构建指标体系(图2)。

图2 河流生境评价指标体系Fig.2 The river habitat assessment index system

2.2 评价指标标准化与评价标准

在多指标综合评价中,由于各指标所代表的物理涵义不同,存在着量纲上的差异,无法直接用于评价。这种异量纲是影响对事物整体评价的主要因素,所以必须对指标数据进行标准化处理,以解决参数不可比的问题[27]。本研究采用分等级赋值法对各指标进行赋值,具体评价标准见表1。

2.3 权重的确定

确定指标权重的方法主要有主观赋权法和客观赋权法[36-37]。但不论是主观赋权法还是客观赋权法都有其优缺点[38]。为兼顾决策者对属性的偏好,同时又力争减少赋权的主观随意性,使决策结果更加真实可靠,有关专家提出了一种综合主观赋权法和客观赋权法的方法,即组合赋权法[38]。组合赋权法是基于博弈论的组合赋权思想,利用主观赋权法与客观赋权法相结合得到的组合赋权法来计算权重,既避免了主观赋权法的主观性,又避免了客观赋权法的绝对客观性,在很大程度上克服了二者的不足,是一种较为理想的河流生境质量评价手段。

(6)判断是否终止 算法的终止条件主要由评价指标和迭代次数决定。量子个体满足收敛条件或者算法迭代一定次数时终止算法，终止条件可以根据实际情况进行调整。

本研究使用层次分析法和熵值法分别计算指标体系的权重,然后通过组合赋权法确定最终权重。

表1 河流生境评价指标与评价标准

2.3.1 层次分析法计算权重

层次分析法(Analytic Hierarchy Process,AHP),是对方案的多指标系统进行分析的一种层次化、结构化决策方法,它将决策者对复杂系统的决策思维过程模型化、数量化。根据AHP分析方法要求,研究设计了大型水库库区河流生境评价指标权重系数问卷表,邀请北京林业大学、北京师范大学、中国环境科学研究院、青岛大学、南京大学、沈阳大学、四川大学、重庆大学、华东师范大学、重庆师范大学、西南大学等单位的河流生境评价专家以及生态环境相关专家,通过两两比较确定相对重要性并给出判断值,依此构建矩阵,结果经一致性检验,将CR>0.1的矩阵剔除,取CR<0.1即判断矩阵具有满意的一致性的矩阵进行计算,得到以下结果(表2)。

2.3.2 熵值法计算权重

熵值法作为一种综合评价方法,它主要是根据各指标传递给决策者的信息量大小确定权重,有效地避免了人为因素的干扰,使评价结果更符合实际[38,39]。

本研究通过对三峡库区36条库区河流的254个河段进行河流生境调查,使用调查所得的数据进行熵值法赋权,得到的结果如下(表2)。

表2 河流生境评价指标体系权重值(层次分析法和熵值法)

2.3.3 组合赋权法确定指标权重

组合赋权的实质是通过一定的算式,将多种方法赋权的结果综合在一起,以得到一个更为客观合理的权重值,具体计算步骤参考山成菊、李俊玲、陈家良[38,40-41]等人的文献。计算结果如下(表3)：

2.4 评价方法

河流生境状况评分方法：

(1)每项评价指标采用5分制的评分标准进行赋分,生境状况越好,分值越高。

(2)一级指标(即准则层)评分利用加权平均法对二级指标(即指标层)得分进行计算,所得结果作为一级指标的得分,计算公式如下：

式中：Bn为一级指标得分,fi为二级指标得分,wi为指标权重。

(3)利用加权平均法对一级指标得分进行计算,得到河流生境质量指数(index of stream habitat quality,简称ISHQ)总得分,为便于区分样点间得分的差异,将总得分乘以10,计算公式如下：

式中：Bn为一级指标得分,wi为指标权重。

表3 河流生境评价指标体系权重值(组合赋权法)

(4)参照 An 以及郑丙辉、王建华等采用的生境质量分级方法[1,13,42],即根据 ISHQ 分值的分布范围(本研究最终得分范围是10—50),小于25%分位数值的为优等,介于25%和40%之间的为良好,介于40%和55%之间的为一般,介于55%和70%之间的为较差,大于70%分位值的为最差,将河流生境质量划分为5个等级(表4)。

表4 河流生境质量分级标准

3 结果与分析

3.1 评价指标相关性分析

Pearson 相关性分析表明,河流生境评价指标之间存在较显著的相关性(表5)。因此,需要对河流生境评价指标进行主成分分析,以验证评价指标选择的合理性。

3.2 评价指标的主成分分析

主成分分析的结果见表10：特征值>1.0的主成分有5个,方差累计贡献率达到 80.417%,说明前五个主成分对河流生境质量起到绝对作用,能够反映绝大部分信息。从评价指标的载荷上来看(表6),第1主成分主要反映C11、C12、C14、C23、C24、C32、C35等指标,第2个主成分主要反映C33、C36、C37的3个指标,第3—5个主成分主要反映C21、C31、C39、C13、C38等指标。通过PCA分析,可以发现河流生境评价指标能够较好的反映调查河段河流生境特征,无明显冗余。PCA分析结果信息与 Pearson 相关性分析的信息有一定差异,原因在于评价指标反映的是河流生态系统不同空间位置的生境结构,这些生境结构密切相关,但是评价指标之间不具有可替代性[16]。以流态和河床底质为例,流速越快,河床底质颗粒一般越大。调查河段中流态类型越多,与之相应的河床底质类型也就越多,但是显然流态的生态功能是不能被底质替代的[16]。基于此,可以认为任何一项评价指标的缺失将影响对河流生境状况的真实反映能力。因此可以认为本研究中河流生境评价指标的选择是合理的。

表6 评价指标的主成分载荷矩阵

3.3 河流生境质量评价

三峡库区忠县至万州段库区河流东溪河、黄金河、汝溪河19个样点的河流生境质量指数分值介于22—42之间(表7)。根据上述河流生境质量分级标准,在19个样点中有10个样点的生境质量处于优等或良好等级,占52.6%；8个样点为一般等级,占42.1%；1个样点为较差等级,占5.3%；没有最差等级的样点(表7)。

河流生境质量良好等级的样点均处于河流的上游,属于三峡库区非回水区,不受水库蓄水影响,平均水深较浅,河床底质种类数量多,流态类型多样,且自然植被覆盖率高,人为干扰较少。较差等级的样点仅有龙滩大桥(RX1),位于河流下游,接近入江口,受水库蓄水影响,河面加宽,流速缓慢,流态类型单一,河床底质多为细沙或淤泥。

表7 东溪河、黄金河、汝溪河河流生境质量评价结果

4 讨论

目前国内外有关河流生境评价的方法很多,使用较为广泛的国外的评价方法包括瑞典岸边与河道环境细则(RCE),澳大利亚河流状况指数(ISC)、河岸快速评估(Rapid appraisal of riparian condition, RARC)、河流形态结构框架(GRS),英国河流生境调查(RHS),美国快速生物监测协议(RBPs),西班牙水文地貌指标(IHG)和河岸带质量指数(RQI),德国的水环境野外调查方法,法国的河流物理环境质量评价系统等。但这些方法根据调查目标的不同,都有其局限性,比如RCE是一种评价农业景观下的小型河流物理和生物状况的方法[43]；ISC基础是通过现状与原始状况比较进行健康评估[44]；RARC被认为适用于树木占主导地位的、自然状态的河岸带评估[45]。而三峡库区由于水位调度,使库区支流出现了145 m回水区、175 m回水区以及非回水区,并且形成了落差最高达30 m的消落带,上述方法在这种特殊生境状况下并不适用。

对于河流生境评价,各个国家、各条河流面临的问题不尽相同,因此,选用什么指标衡量,以及如何衡量具有一定的特殊性,国内外文献也有较大的差别。在河流生境评价过程中,有些关键性指标对河流生境健康评价的结果是决定性的,必须着重考虑。库区河流与自然河流很大的区别就在于河流水文情势的改变,为了更科学合理的评价库区河流生境质量,本文将水文情势自然性[11]归入生境状况评价体系。河岸带生境指标在回水区调查的是消落带的生境状况,消落带作为库区支流的特殊生境,受水位涨落影响不仅容易产生水土流失和地质灾害,植物多样性也受到了严重破坏[46]。考虑到消落带的特殊及复杂状况,特意将河岸带生境作为准则层纳入评价体系,其指标层的具体指标也能很好的反应大型水库消落带的特点。

本研究建立的指标体系对三峡库区忠县至万州段3条河流19个样点的生境质量评价结果表明,体系中各指标能很好的与库区支流特殊生境状况相对应,评价结果能较直观的反映大型水库库区河流生境状况,能区分大型水库蓄水对库区河流不同影响程度下河流生境质量的差异,能够指示导致库区河流生境状况变化的原因。

本研究确立的评价方法主要是通过对三峡水库库区河流生境的调查,评估河流生境现状,其中多数生境指标不需要精确的测量和繁琐的计算,调查结果不会因调查人员的不同产生巨大差异,且调查人员不需要具备高深的生态学或水文学知识,稍加培训即可开展调查工作。因此作为一种针对大型水库库区河流生境调查方法,该方法能够有效的采集河段生境信息,具有操作便捷,数据易获得,操作性强的特点。

本研究建立的大型水库库区河流生境评价指标体系在一定程度上拓宽和发展了河流生境研究的思路和理论,但仍存在有待改进的地方,比如某些指标的相关性较大,如“水文情势自然性”、“水量”这两个指标；另外,现有的研究对“河流表层覆盖物”的含义以及它对河流自然性保存方面的作用等还不太清楚。本研究作为针对大型水库库区河流生境评价研究的一次探索,可以为相关评价指标在河流生境维持方面的生态学意义的深入研究提供参考,也可为进一步建立适合不同河流特点的生境评价模型提供思路,更为重要的是,其便捷的操作性能更好地推动库区河流生态系统的保护和管理。

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