1 流域生态环境健康的内涵
随着水土保持和生态环境建设的深入和经济社会的发展, 国内外对于流域的综合治理已提高到流域的保育、健康等更高目标。分析生态系统演变过程,评价流域生态系统的健康状况, 对于促进流域生态系统建设及稳定发展在理论和实践上都具有重要意义。目前,我国对于流域生态系统健康的评价研究仍然处于刚刚起步的探索阶段, 因此对于该类问题的研究具有重大的意义和前瞻性。
以流域为基本单元建立流域生态环境健康评价体系,主要基于以下2点。
1.1 流域具有独特的自然地理条件和生态特征
流域作为一个相对完整的生态和地理单元, 具有独特的自然地理条件。流域具有其独特的天、地、生特征。天是指该流域的天文气象条件,包括阳光、风、雨、雷电、霜、雹、宇宙射线、磁暴、星体间的引力……地是指地表层的地形、地貌、地质构造、岩石、土壤、冰川、河流……生是指由该流域所具有的天、地条件所形成的独特生物群体特征。流域的生态特征是由天、地特征所决定的,而地学特征除瞬间突变外是相对稳定的,只有天象特征始终不停地在变动。地学特征的变化是地质构造引起的突变和由于风蚀、雨淋所引起的缓慢变化。对于强烈的地质构造运动人类无法控制, 岩石的风化也在所难免,惟一可以控制的是水土流失现象, 而水系是以流域为单位的。
流域的生物圈基本上已经适应了天、地环境, 但若遇到天、地环境的异常变化将会给生物圈、包括人类在内带来一定的灾难。
水文循环是全球自然过程中的重要组成部分, 推动着生物圈物质和能量的交换和传递。陆地水文循环过程是在一定的自然地理单元中进行的,这个自然地理单元就是流域。由于陆地水文联系具有这种单元性, 因而与水循环运动有关的其他自然过程或经济过程也就有了单元性。以水循环为纽带,自然过程与经济过程在流域中相互联结, 互相影响, 从而形成一个复杂的自然经济综合系统。
1.2 流域具有独特的经济发展模式和文化特征
人类自古逐水而居, 黄河流域、两河流域、印度河流域和尼罗河流域孕育了文化品质迥异而光辉璀璨的人类文明。人类在依赖冲积平原进行农业生产的同时,又在与洪水进行斗争。洪水对人类文明的无数破坏与人类无数次的重建, 形成了流域独特的经济发展模式和文化特征。尤其是在工业化社会, 多数城市傍水而立,其工业布局和人口分布都与所处流域的自然地理条件息息相关,水资源的多寡、时空分布深刻地影响了流域内工农业的类型和特点。由此造成的各种问题也是流域性的。就河流保护而言, 尽管河流是一个线状系统,从河源到河口均发生物理、化学和生物的变化, 但就保护范围而言, 任何保护方案都不能只局限于河道, 应该将河流所在的流域作为一个整体来考虑。就水灾害而言,洪水灾害往往是全流域性, 抗洪抢险往往需要全流域干支流、左右岸共同协防。治理也必须进行统一的流域规划, 根据流域的特征,采取各种工程措施和非工程措施才能从根本上减少流域洪涝灾害。另外, 流域性的水土保持和生态恢复、流域性的水资源优化配置等,都需要以流域为基本单元加以解决。
对流域进行健康评价, 将为流域的规划、管理和保护以及流域综合治理提供决策依据。以流域为单元,将流域内的生态系统、环境系统、社会经济系统纳入流域复杂系统进行分析, 确定生态环境和社会经济各要素的内在联系,相互关系。并将各要素进行定量评估,为生态环境恢复和良性循环以及社会经济不断发展提供具有科学性、可操作性的现状分析和基础数据,显示其在基本状态上的发展趋势。针对评价结果对流域生态系统的某一层面采取相应保护、修复等对策措施, 促进流域生态环境和经济社会全面、协调和可持续发展。
1.3 流域生态环境健康的本质要求
流域生态环境健康的本质要求是在水资源保护、水污染防治以及水生态环境改善过程中力求达到并保持的一种相对平衡的健康状态。健康流域指流域的这样一种特性,即可以自我持续发展,可以从各种不良的环境影响中自行恢复, 其结构和环境功能达到相对最佳稳定状态。在自然条件下,健康的流域总是从一种原始状态向生物种类多样化、结构复杂化和功能完善化的状态发展。
2 流域生态环境健康评价的理论和实践
2.1 以流域水质评价为核心内容的评价体系
美国新泽西州公共利益研究会法律和政策中心的报告,对新泽西州内流域健康进行了评价, 将流域按照个层次进行定量打分。这个层次是①较好水质,低脆弱性；②较好水质, 高脆弱性；③较少严重问题, 低脆弱性；④较少严重问题, 高脆弱性；⑤较多严重问题, 低脆弱性；⑥较多严重问题,高脆弱性。结论是：92.9%的流域有较高的水质不断恶化的趋势；42.9%的流域有严重的水质问题和较高的水质退化趋势,50%的流域有严重的水质问题。提出了加强保护饮用水源、清理州内污染严重的水道、加强污水管道建设以减少地表水和地下水污染、停止对水资源具有较大威胁的过量开发、保证充足的水资源供应等政策措施。
该组织与州和各级地方政府、组织以及其他联邦机构合作, 选取了16项健康评价指标。其中, 项指标是流域环境现状指标9项指标是关于脆弱性指标。现状指标的设置尽可能地刻画全国的流域健康状况, 具有一定的普遍性。脆弱性指标的设置应显示流域污染或其他活动对流域健康所施加的压力,这些压力将会导致将来问题的发生。7项现状指标包括①对满足各种指定用途的河流评估；②对鱼类和野生动物的消费劝诫；③对饮用水系统的水源质量评价指标；④污染沉淀物；⑤水环境质量以铜、铬、镍、锌种有毒物质超过国家标准的百分比衡量；⑥环境水质种常规污染物指标,氨、溶解氧、磷和PH值；⑦湿地消失面积百分比。9项脆弱性指标包括①危险状态中的水生物种和湿地物种(评估固有动植物的灭绝威胁);②有毒污染物超过允许限值;③常规污染物超过允许限值;④城市健康流失潜势(路面、停车场、房顶等不透水面积的增加);⑤农村健康流失潜势指标(田间氮的流失、农田和牧场的泥沙流失、农场土地杀虫剂的流失潜势);⑥人口变化⑦大坝导致的水文改变(流域内大坝造成的静水可能改变河流的特征,水库和湖面的形成更易使水质被污染);⑧河口易受污染指标(河口易受污染决定于其物理特征和污染物的集中程度);⑨大气沉淀物(主要指大气中NO3和NH4进入水的部分)。
可以说这一流域健康评价体系的各项现状指标和脆弱性指标均具有一定的通用性和代表性, 能够表征流域生态和环境系统的健康状况, 并且具备一定的敏感性。但是,河口易受污染指标的评价函数、大坝导致水文改变的评价函数比较难以确定, 提法虽然新颖, 评价和衡量有一定难度。
在我国流域生态环境健康评价中, 可以用河口水量和河口水质来代替该指标。因为河口水量的减少一方面可反映水资源利用率的提高或水资源量的不足,但河口水量的减少将会导致河口的生态环境恶化。另外, 大气沉淀物对河流的污染脆弱性指标也不适宜于测量和定量评估。
2.2 以流域土地利用方式为核心内容的评价体系
在美国的密西西比(Mississippi)流域的管理中, 首先分析了人类活动对流域的影响。报告指出, 由于人类的开发活动,对土壤中水的输送和储存方式的改造导致了流域水文的剧烈变化。集中体现在不透水面积, 路面、屋面、被密实的土壤等,阻止了雨水的自然入渗过程。不透水面积和密实土壤的增加为雨水进入土壤而过滤造成障碍, 增加了地面径流, 减少地下水的渗透,中断自然水文循环导致了许多变化。暴雨由于不透水面积的增加而较多涌入溪流, 造成河岸的加宽和趋向顺直。暴雨洪水还毁坏了溪流边的植被,但是也带来了营造生物栖息地的泥沙, 引起极端的温度波动, 侵害了水生物种, 使其不能在苛刻的条件下生存。地下径流减少, 正常季节性的缓流很少存在,限制了植被的生长和野生动物的生存。暴雨洪水的增多还使得污染物集中进入河道。密西西比流域的75%县都存在喀斯特地形,而水溶解岩石形成水槽、地下溶岩洞穴。在喀斯特地区, 污染物不能经过土壤的渗滤而直接进入地下水,而通过裂隙进人其他的流域。因此,喀斯特地区的污染物应该被减少和消除。
2.3 “ 压力一状态一响应” 评价体系
美国Muskoka流域委员会于2002年5月开始对该流域进行健康评价工作, 于2002年和2003年根据专家和公众的意见,拟定了2套Muskoka评价流域健康的指标体系。其体系框架采用一种“ 压力一状态一响应” (PSR Pressure-State-Respose)模型,这种模型最先为加拿大IJC(International Joint Commission)提出,并且由于其简易和被广泛的使用而被用在Muskoka流域的评价体系建立中。其中“ 压力” 包括直接或间接的人类活动对环境的改变“ 状态”主要指流域物理、化学和生物条件, 或自然系统的状态, 包括人类的健康和财富“ 响应” 包括政府行为或政策、部门、个人对环境改变的应对和治理。在第一套指标体系,也就是专家制定的指标体系中,分成了以下几个层面①水文(地表水、地下水水量、水质等);②生物栖息地(河底生物、浮游动物、鱼类、物理结构—水流交汇点的数量、固有生物等);③陆地景观(森林覆盖率、湿地面积比例、湿地物种丰度、土壤酸度等);④生物多样性(物种丰度、栖息地、污染物指数);⑤水陆消落带;⑥空气质量;⑦水质;⑧政策框架等。
2.4 “ 自然条件限制因子一流域生态健康指示因子—人类活动影响因子” 评价体系
自然条件限制因子反映流域生态环境察赋和先天条件,是流域生态环境健康状况的决定性条件之一。例如在北方干旱、半干早的流域, 降雨量或年径流量,亦即水资源的多寡直接影响流域内的生物多样性和生态环境脆弱性。
流域生态健康指示因子综合反映流域健康状况,例如流域内水质状况、湿地面积变化、土壤侵蚀情况、林草覆盖度、生物多样性状况等。这些要素直接指示流域生态环境健康变化趋势和现状。
人类活动影响因子反映流域内的社会经济系统对生态环境系统的影响程度。包括土地利用方式、点源污染负荷、面源污染负荷、水资源开发程度、河流自然化和人均GDP等。流域生态环境健康状况不仅受制于其察赋,而且越来越受到人为活动的影响。一个处于“ 原生态” 状况的不受任何人类活动影响的流域不能称作健康的流域,同样一个受到人为干扰或严重破坏的流域也不能称作健康的流域。“ 自然条件限制因子一流域生态健康指示因子一人类活动影响因子” 模型同时综合考虑了流域生态环境察赋和人类活动影响,通过健康指示因子反映流域健康状况。应该说是一种较为科学合理的评价模型。
例如美国波特兰市的健康流域评价体系分为3个部分地形地貌因子、流域健康因子、人类影响因子。地形地貌因子包括气候、地相、土壤、岩石、流域形态、水文、植被等。流域健康因子包括水文、生物栖息地、水质、生物群落等。人类影响因子包括土地利用、不透水面积、大坝影响、排水网络、渠道改造、植被管理、湿地改造、外来引入物种等。分析地形地貌制约因子与人类影响因子对流域健康因子的影响。应当说这一评价体系的结构概念明晰,简单易行,全面刻画了影响流域健康的地相、水文、生态、环境和人类活动因子, 具有一定的代表性和通用性。
2.5 “ 生物因素一非生物因素” 评价体系
主要将流域生态环境评价体系分为生物因素和非生物因素两大类进行评价。
澳大利亚相关机构对河流现状健康评价的体系建构中,分为个部分, 即生物因素和非生物因素。生物因素包括生物多样性、水陆交错带动植物的生存环境。例如,大型无脊椎动物、鱼类、河滨植被、河底硅藻。非生物因素包括水生生态系统的物理条件。例如,水陆交错带的物理结构和动物栖息地、水质(浑浊度、盐度、氮、磷和PH值)、水文。
2.6 开发与保护并重的流域健康评价体系
加拿大的Kemptville Greek流域健康保护计划,其对流域的健康地保持和改善从以下几个可持续的且不以牺牲其他目标为代价的方法来开展。①水质。包括减少向Kemptville河的营养物的排放、减少向Kemptville河细菌的排放、维持和改善全流域的美学景观、保持和改善地下水质量;②野生动物自然化。包括营造和提高流域内的生物多样性水平、提高全流域渔业人口和生物栖息地的数量、保护和增强生物联系、保持河流基本流量以维持水生动物健康;③社会和经济因素。包括发展和加强Kemptville流域及其周边的娱乐业、增加流域内的旅游、保持流域内的自然田园特征、保护流域内的农业、为投资者提供关于自然环境方面的教育材料;④水量。包括解决海狸活动与地面排水的冲突、解决OxfordMills大坝管理与上游排水和水位的冲突、维持和保护地下水资源、为全年有持续流量而维持基流、避免增加洪水破坏的潜势和确保洪水风险不超过估计范围。
Kemptville Greek流域健康保护计划的特点在于, 结合该流域的特点, 特别强调了保护与开发并重。尤其是在保护自然地形地貌和生态特征的同时,以可持续的方式开发当地旅游资源。因此, 建设健康流域, 不是禁止人类活动, 恢复流域内的自然和生态特征的原貌, 而是应该鼓励在流域可承受的范围内的人类活动,包括旅游、农业等。对健康流域的理解不能机械化和片面化, 而应该统筹生态、人与发展的关系。
3 流域生态环境健康评价指标的选择原则
流域生态环境健康评价指标体系的建立一般应经过指标的初步选择, 指标的筛选和指标的最后确定等几个阶段。
美国环保署EPA(Environmental Protection Agency)认为流域健康评价的指标选择应该体现个基本原则①概念的普遍性,即指标应该提供与社会公众关心的生态现状有关的信息;②实施的可行性,即用于监测大型和长期的项目的指标必须要可行并切合实际;③对可变性的响应,即选择的指标应该区分对环境真实的可变性信号无关的那些指标, 并且指标与指标要独立、量化,没有必要把自然的所有可变性的指标都纳入评价体系中, 但是必须在条件有一定的改变之后, 清楚地显示出其重大而不同的响应;④可解释和有效,即指标提供的结构能够清楚地被科学家,政策制定者和公众理解和接受。
美国Muskoka流域委员会于2002年5月开始对该流域进行健康评价工作, 于2002年和2003年根据专家和公众的意见,拟定了2套评价Muskoka流域健康的指标体系。其对指标的选择原则坚持①相关性,即指标应该被政策推动并且告诉需要指导的这个系统内的状况;②易于理解,即对于公众也要不难理解;③可信赖;④整体性, 即指标体系能够成为流域系统健康的晴雨表,全面反映流域状况;⑤敏感性, 即条件改变时, 能够响应新的问题的出现;⑥广泛性;⑦易实现, 即信息可获得或者不用花很多时间和费用易于搜集;⑧可量测。
上述指标的选择原则, 亦可作为我国流域生态环境健康评价指标体系建立的基本原则的重要参考。
流域生态环境健康评价体系指标的选择, 主要应考虑它对流域生态环境质量以及社会经济系统的表征、刻画作用, 及其内在的联系和因果关系等。同时,应结合我国的国情, 考虑指标信息获取的经济、技术条件以及指标的易获取性、可比性等。指标的选择及其体系的建立需要经历一个不断改进、修订和完善的过程。
4 我国流域生态环境健康评价现状
国内对干流域健康状况的评价还不多见。我国学者刘国彬赴澳大利亚进行合作研究, 1999年完成了《生态环境健康诊断指南》专著,并结合我国黄土高原综合治理实践和具体实际, 提出了“ 流域生态健康诊断” 研究课题。以安塞纸坊沟小流域为对象, 利用层次分析法,选取林草覆盖度、基本农田面积、土壤抗冲性、土壤有机质含量、农业产投比、粮食单产、人均纯收入和综合治理减沙效率等反映流域生态经济系统功能评价指标,定量分析了黄土丘陵区安塞纸坊沟小流域进行水土保持型生态农业的建设中生态系统恢复的过程。
流域生态环境健康评价和河流生态修复在我国才刚刚起步,目前对流域的生态环境健康评价主要集中在对河流水质的监测。对流域水资源的物理特征和生态特征的研究还不多。还需要专家学者和关注水利、环保的人士不断地丰富和发展,让人与水、人与自然真正实现和谐相处。
参考文献
1 唐涛, 蔡庆华, 刘健康.河流生态系统健康及其评价[J].应用生态学报,2002,13(9):1192一1194.
2 姜付仁, 刘树坤, 陆吉康.流域可持续发展基本内涵[J].中国水利,2002,(4)20一21.
3 刘国彬, 胡维银, 许明祥黄土丘陵区小流域生态经济系统健康评价[J].自然资源学报,2003,18(1):44一49.
作者简介：龙笛（1982-），男，硕士研究生。
来源：《北京水利》2005.5