流域水生态安全评估方法

为建立合理的流域水生态安全评估指标体系,以流域为对象,对水生态安全内涵进行了阐释,并对流域水生态安全评估指标进行了系统分析.基于“压力、状态、功能、风险”四要素,构建了“目标层-方案层-要素层-指标层”的评估体系,其中方案层包括水生态压力、水生态状况、水生态功能和水生态风险4个方面,涵盖土地利用、水资源利用、污染物排放、栖息地状态、水生态质量、水产品供给、休闲娱乐、水环境净化、重金属风险等9个评估要素18个评估指标,并详尽表述了各评估指标的内涵及其计算方法.采用综合指数法计算ESI(生态安全指数),并根据ESI得分将水生态系统的安全评级分为安全(3.5≤ESI≤4.0)、较安全(2.5≤ESI<3.5)、一般(1.5≤ESI<2.5)、不安全(0.5≤ESI<1.5)和很不安全(0≤ESI<0.5)5个级别,构建了多指标的流域水生态安全评估方法.      

流域水生态功能Ⅲ级区划分技术

流域水生态功能Ⅲ级区划分的目的是反映水生态功能Ⅱ级区内水生态系统功能差异,识别区划单元的主导水生态功能类型,为制订水生态保护目标提供支撑. 其划分方法:①确定划分流域的水生态功能备选类型;②选取典型的功能评价指标;③采用定量和半定量评价、功能等级划分、空间叠加、分区校验等方法,完成流域水生态功能Ⅲ级区划分. 以太子河流域为例,先确定5个水生态功能类型(生物多样性维持功能、生境维持功能、水资源支持功能、营养物循环维持功能和社会承载功能),按照划分方法最终将太子河流域划分为17个水生态功能Ⅲ级区. 水生态功能Ⅲ级区的划分应兼顾水体和陆地生态系统的功能要求,构建流域水生态管理模式的基础.      

基于土地利用的水府庙水库流域生态安全评价

从流域生态系统结构以及土地利用角度构建由陆域环境影响、水域生态健康状况、流域生态服务功能组成的水府庙水库流域生态安全评价体系,利用层次分析法和综合指数法对该流域进行生态安全评估。结果表明,基于土地利用的水府庙水库流域生态安全等级为三级,总体处于一般安全状态。陆域环境影响一般,水域生态健康状况处于中等安全,流域生态服务功能较好。流域内土地利用不合理以及污染负荷较大对水府庙水库流域生态安全造成一定的压力,使水体开始呈现富营养化状态,影响水府庙水库流域的水体环境和生态服务功能,已成为威胁水府庙水库流域生态安全的隐患。     

基于土地利用变化的三峡库区小流域生态风险评价——以草堂溪为例

为揭示三峡库区小流域土地利用变化对生态风险的影响,选择草堂溪小流域作为研究区,以1990、2000、2004和2010年4期TM和CBERS影像获取草堂溪小流域土地利用信息,以500 m×500 m为基本单位,制作格网作为辅助评价单元,借助GIS技术为数据分析平台,对土地生态风险指数进行空间插值,生成1990、2000、2004和2010年4期生态风险分级图。结果表明:1990-2010年研究区土地利用相对合理指数上升0.03;研究区5种风险等级连片分布,与耕地和水域分布区域具有显著的空间相关性,5种生态风险等级主要集中在15~25°和>25°坡度带上以及500~1 000 m和1 000~1 500 m两个高程带上;研究区生态风险呈现先恶化后好转的趋势,较低风险等级面积在1990和2010年最大,分别占研究区总面积的28.23%和37.41%,2000和2004年高风险等级面积最大,分别为29.69%和35.54%。研究得出草堂溪小流域生态风险时空变化原因主要为自然条件限制和人为因素控制。针对研究区生态风险时空变化特征提出调控对策,具体有:进行最优土地利用组合类型搭配,调整不合理土地利用类型,改良林分结构;对流域近消落带部位的土地利用在统筹考虑水环境污染治理和土壤侵蚀问题的同时进行统一合理规划管理。     

基于层次分析法的洞庭湖生态安全评估

采用"驱动力-压力-状态-影响-风险"模型,选取14项指标,构建洞庭湖生态安全评价指标体系.利用层次分析法确定各指标的权重,运用生态安全度计算模型,对2000,2005,2007年洞庭湖生态安全状况进行分级评价.结果表明,与20世纪80年代相比,2000年洞庭湖区评价级别处于安全状态;2007年处于一般状态,生态安全状态水平下降,状态得分值仅为基准年的57.2%.对状态做进一步分析可知,TP和Chl.a是造成洞庭湖水生态状况恶化的主要原因.     

基于能值生态足迹分析的宁海县可持续发展潜力评价

应用能值生态足迹模型开展区域可持续发展研究可有效避免传统生态足迹评估方法的不足,更准确地反映地区生态安全状态及可持续发展潜力.以国家“两山”基地——浙江省宁海县为例,利用能值生态足迹模型和生态安全评价模型,通过测算2003—2017年宁海县不同账户/用地类型生态足迹、人均生态足迹盈余/赤字、生态压力指数和生态可持续指数的变化及演变趋势来研究可持续发展潜力变化,旨在为国家“两山”基地生态安全评估和可持续发展提供指导.结果表明:2003—2017年宁海县能源账户人均能值生态足迹变化幅度远大于生物资源账户,各用地类型人均生态足迹占比大小表现为化石能源用地>水域>建设用地>草地>耕地>林地.2003—2017年宁海县人均生态承载力介于2.293~3.571 hm2之间;人均生态足迹介于1.148~4.070 hm2之间,并呈逐渐下降趋势;除2007—2010年外,研究期间其余年份均处于生态盈余状态.生态压力指数和生态可持续指数评估和预测结果表明,宁海县生态系统处于轻度不安全至较安全状态和弱可持续状态,表明近年来宁海县生态状况总体处于安全水平,经济社会发展给当地资源发展带来了一定压力,但生态可持续发展水平不断提升.因此,下一步应坚持生态优先不动摇,建立统一的生态价值核算方法和绿色生态价值考核指标体系;推进地区生态经济政策,促进生态价值的市场化;拓宽“两山”转化路径,提高产业化绿色水平,切实提升宁海县等国家“两山”基地生态环境承载力和可持续发展水平.      

河流流域生态安全综合评估方法

在国内外生态安全相关研究的基础上,提出了河流流域生态安全的定义. 以河流流域生态安全为研究对象,基于DPSIR(驱动力-压力-状态-影响-响应)模型框架,构建了评估指标体系,并利用多准则群体决策模型的层次分析法和熵权法确定指标权重. 以晋城市沁河流域为例,对该流域2005─2009年生态安全状况进行了综合评估. 结果表明:5年内沁河流域的生态安全综合指数从2005年的0.487升至2009年的0.641,状态从“安全”区域底部逐步提升到顶部,人均GDP增长、单位工业产值COD_Cr和NH₃-N排放强度的降低、污水处理厂投入使用和环保投资的逐年增加是影响其变化的关键因素.      

青海湖流域生态安全评价

进行流域的生态安全评价,对于改善流域的生态环境,维护区域的可持续发展具有重要 的意义。本文选择自然生态环境状态指数、人文社会压力指数、环境破坏压力指数,构建了青海 湖流域生态安全综合评价指数模型,提取了生态安全指标,对2000 年青海湖流域的生态安全进 行了评价。结果表明,2000 年青海湖流域生态安全属于生态安全预警等级,流域生态安全面临着 较为严峻的挑战。气候变化和人类活动对青海湖流域的生态环境产生的负效应,也因此会影响到 区域的可持续发展,所以必须进行流域的综合治理,改善当地的生态环境。     

基于鱼类生物完整性指数的浑河流域水生态健康评价

基于2010年5—6月浑河流域62个采样点的鱼类调查数据,应用F-IBI(鱼类生物完整性指数)体系评价浑河河流的生态健康状况. 从23个候选指标中筛选出适用于构建浑河流域F-IBI体系的6个指标,分别为总渔获量、雅罗鱼亚科种类所占比例、鳅科鱼类所占比例、经济鱼类所占比例、耐污物种所占比例和广布种所占比例. 采用比值法计算各指标的F-IBI值,根据所有采样点F-IBI值的75%分位数确定健康标准,对于小于所有采样点F-IBI值75%分位数的数据进行四等分,以确定浑河流域F-IBI体系的评价标准,依次分为健康、亚健康、一般、差和极差5个等级. 结果表明,处于健康、亚健康、一般、差、极差状态的采样点分别占采样点总数的22.58%、27.42%、24.19%、14.52%、11.59%,其中前三者所占比例为74.19%,健康状况为差和极差的采样点主要分布在以沈阳市区为分界的浑河流域下游. Pearson相关分析可知,F-IBI值与电导率呈负相关,而与栖息地质量指数呈正相关. 研究显示,浑河中上游河段的健康状况基本处于健康、亚健康和一般状态,而浑河下游的健康状况令人担忧,处于差和极差状态. 浑河下游恶劣的水生态状况主要是受到沈阳工业区的影响.      

兰州市土地利用生态安全评价

运用压力-状态-响应概念模型,结合兰州市社会、经济、环境等实地情况,从土地生态系统压力、状态、响应的角度出发,选择能够反映土地规划与利用情况的,涵盖社会、经济、资源与环境协调发展的21个指标,设计了具有目标层、准则层、因素层和指标层的区域土地利用生态安全评价体系.以兰州市土地详查数据为依据,剖析了1997—2006年兰州市土地利用生态安全水平的变化情况.结果表明:兰州市土地利用生态安全水平较低,处于不安全状态,但整体有好转趋势.2006年兰州市土地利用生态安全综合指数为0.666 4,比1997年提高了0.060 1,由1997年的风险级转为2006年的敏感级,但仍处于不安全状态.就县区而言,城关区、榆中县与红古区的增长强度较大,增幅分别为25.03%,18.09%和17.65%,其中榆中县2002年土地利用生态安全水平由风险级转为敏感级;其次为城关区与七里河区,增幅分别为13.13%和13.10%;其他县区增幅在6%左右.      

干旱区内陆河流域土地利用程度变化与生态安全评价——以新疆玛纳斯河流域为例

以天山北坡玛纳斯河流域为例,在遥感与GIS支持下揭示了流域1989-2002年间土地利用程度变化状况,并进一步对流域生态安全进行了综合评价,最后分析了土地利用程度变化与生态安全的关系。结果表明：①玛纳斯河流域土地利用程度稳定上升,土地利用总体处于发展时期;②1989-2002年,流域生态安全状况整体有所好转,但局部生态环境出现恶化趋势;③流域土地利用程度综合指数在18~100间的区域生态安全等级有所提高,由1989年主体属于中警状态提高到2002年的预警状态;④不同土地利用程度下流域在较安全和预警状态面积之和有以下顺序：Ⅴ＞Ⅳ＞Ⅰ＞Ⅵ＞Ⅲ＞Ⅱ,表明Ⅴ级土地利用程度区即林草地是流域生态恢复和重建的首选和重要组成部分,而沙地则是生态环境治理的难题和关键。最后,提出了通过提高低利用程度区的土地利用程度来确保生态安全的观点。     

浑太河河流生态系统完整性评价体系的构建

河流健康评价是进行河流管理的重要工具.为了对浑太河进行全面准确的健康评价，基于65个采样点共45个候选指标构建具有生物完整性、物理完整性及化学完整性在内的河流IEI（index of ecological integrity，生态系统完整性）评价体系.根据栖息地综合质量评估和水质等级确定参考样点和受损样点，通过筛选候选指标获得构建IEI评价体系的核心指标并进行标准化处理，按照层次分析法将三部分指标分别赋予不同的权重，运用比值法及分位数法算出各采样点的得分，最终得出浑太河的健康评价结果.为验证IEI评价体系的优势及结果的可靠性，将IEI、SFA（single factor assessment，单因子评价）、F-IBI（fish index of biological intergrity，鱼类生物完整性）3种评价结果进行对比分析.结果表明:①雅罗鱼亚科百分比、鲤亚科百分比、杂食性鱼类百分比、护卵行为鱼类百分比、流速、底质含沙量比例、草地面积、ρ（TN）、ρ（TP）、ρ（COD_Mn）、电导率及ρ（SS）可作为构建IEI评价体系的12个核心指标.②IEI评价结果显示，"健康"样点占24.62%，"较好"样点占9.20%，"一般"样点占6.15%，"较差"样点占60.03%.浑太河水生态健康状况整体较差，中上游地区的水生态健康状况优于下游地区，太子河的水生态健康状况优于浑河.③IEI、F-IBI、SFA评价结果在一般以下样点分别占66.18%、67.70%、63.08%，3种评价结果在全河流范围内大体一致，但在点源污染的采样点，IEI评价结果更贴近采样点的实际情况，更为客观.研究显示，构建的IEI评价体系适用于浑太河的健康评价.      

太子河流域水生态功能Ⅱ级区的划分

流域水生态功能Ⅱ级区是实施流域层面水生生物多样性保护的重要依据. 以太子河流域为研究对象,开展分区指标筛选技术方法研究,通过指标的空间变异性、主导性及其与水生态因子相关性分析,从年均气温、年降水量、年蒸发量、高程、坡度、坡向和NDVI(归一化植被指数)等备选分区指标中筛选出适宜分区指标,在此基础上采用ISODATA(迭代自组织数据分析方法)非监督分类方法划分了太子河水生态功能Ⅱ级区. 结果表明,高程和NDVI具有良好的空间敏感性、主导性以及与水生态因子的相关性,可以反映地貌和植被对太子河水生态系统的影响,是太子河流域水生态功能Ⅱ级区划分的适宜指标. 采用上述指标可将太子河流域划分为3个水生态功能Ⅱ级区:①上游山地森林河流水生态亚区,平均海拔511m,区内以浅水性鱼类和激流性大型底栖动物为主;②中游丘陵森林河流水生态亚区,平均海拔282m,区内以溪流性鱼类和缓流性大型底栖动物为主;③下游平原农业河流水生态亚区,平均海拔65m,区内多受人类活动干扰,以耐污性大型底栖动物为主,少见鱼类.      

呼伦湖流域生态安全评价及时空分布格局变化趋势研究

呼伦湖是我国北方第一大湖,具有涵养水源、生物多样性维护、气候调节等重要生态功能,对于维系我国北方生态安全屏障具有重要作用.近年来,随着气候暖干化加剧,呼伦湖面临着湖体面积萎缩、芦苇湿地大面积消失、局部草原区退化严重、土地沙化面积扩大、关键种群缺失等生态安全问题.该研究围绕“水资源-水环境-水生态”三水共生目标,以“山水林田湖草沙”系统观为指导,基于遥感和GIS技术对呼伦湖流域1990—2018年的生态安全时空分布格局进行评价.结果表明:①2018年呼伦湖及其流域的生态安全指数分别为0.495和0.774,分别处于预警和良好状态.②呼伦湖流域生态安全自1990年以来分别经历了骤降期、稳定期和恢复期等3个时期,呈现“一林一草一湖”的生态安全分布格局.③2010年呼伦湖生态安全水平最低,主要分布在新开河入湖口、湖西岸大部分区域、湖中心以及湖东南方向的湾口区域;流域则在2015年的生态安全状况最差,主要位于新左旗中部、海拉尔河流域以及呼伦沟等地,尤其是沿乌尔逊河上游东侧地带表现最为突出.④影响呼伦湖流域生态安全水平的主要因素为入湖径流量、蓝藻水华面积占比和水源涵养量,而长期超载过牧、水体污染物浓缩效应以及湿地面积萎缩是限制生态安全水平进一步提升的重要因素.研究显示,呼伦湖流域生态安全与水资源状况密切相关,湖面面积维持在2 036 km2以上能保障流域较高的生态安全水平.此外,蓝藻水华面积、放牧强度与湿地面积均关系着区域生态安全,建议通过建立蓝藻水华风险防控体系、合理核定载畜量、保护与修复芦苇湿地以改善局部区域生态安全状况.      

黄河流域生态质量时空变化分析

黄河流域在我国社会经济发展和生态安全格局构建方面具有十分重要的地位,流域的生态保护和高质量发展上升为国家重大战略,同时也面临着生态系统退化、水土流失、湿地萎缩等生态问题.为了解黄河流域生态质量状况及其时空变化特征,分析了黄河流域生态格局、植被、生物多样性、生态系统功能和服务价值、县域生态质量等多方面的数据和文献资料.结果表明:①黄河流域大部分县区生态质量状况一般,植被覆盖度由东南向西北递减,上游地区生态系统服务价值高于中游和下游;② 2000—2018年农田生态系统面积占比持续下降,森林、水域面积占比略有增加,聚落面积占比持续上升,20世纪80年代以来整体植被覆盖和生产力状况得到改善,重要生态功能区的生态系统服务价值明显提升;③大部分地区生态状况改善幅度有限,局部仍有退化,流域的生物多样性依然受到严重威胁.因此,建议在恢复植被覆盖的基础上,开展优化生态结构、维护生态过程的相关研究,重点关注生态敏感地区生态保护成效的评估和提升,农耕地区农田生产力对自然生态系统的影响,以及城镇化过程对生态系统服务和生态安全的影响;同时建立黄河流域生态质量综合监测体系,开展监测指标与技术方法的机理和应用研究,这不但是流域生态质量时空变化分析的基础,也是生态保护恢复和管理工作的支撑.      

三维生态足迹视角下塔里木河流域水土资源与生态承载状况评价

塔里木河流域是新疆发展、丝绸之路经济带的重要组成部分,明晰其水土资源资本利用及生态承载状况,对塔里木河流域的高质量发展具有重要意义。运用改进的三维生态足迹模型,核算塔里木河流域的生态足迹,并对人均区域生态足迹深度、广度变化进行分析;引入水资源压力指数、土地综合压力指数、生态压力指数,判断当前水资源、土地资源是否处于超载状态,并对塔里木河流域的生态承载状况进行评价。结果表明:1)2000-2019年研究区的人均生态足迹持续上升,由2.091 ha/人增加至5.864 ha/人,年均增长率为5.58%。生态赤字问题严重,20年增长了2.98倍。2)研究期内,区域人均生态足迹深度持续增长,由9.283增加到23.905。人均生态足迹广度增长了8.89%;3)水资源压力指数、土地综合压力指数、生态压力指数均>1,各类生产生活对生产性土地造成了严重负担,生态安全形势严峻。     

香溪河流域水生态系统健康评价

随着人们环境保护意识的增强,河湖生态保护与修复成为社会关注的热点问题,科学的生态健康诊断则是有效进行河湖治理的前提.香溪河作为三峡水库典型支流,探究其水生态系统健康对于长江生态保护具有十分重要的意义.通过收集整理香溪河干支流的生物与生境数据,构建了涵盖水环境、水生生物、物理栖息地三方面共16项指标的水生态系统健康评价指标体系,综合运用专家判断法和熵权法确定评价因子权重,采用河流健康指数（RHI）表征香溪河流域水生态系统健康状况.结果表明:①2017年三峡水库蓄水期香溪河流域水生态系统整体健康水平为良好,优和良等级占比分别为12.5%和79.2%.②健康状况呈现出支流优于干流、非回水区优于回水区的空间分布特点,具体表现为支流南阳河>支流古夫河>支流高岚河>香溪河干流.干流水环境问题相对突出,而支流的河流连通性相对较差.③库湾健康状况的年内变化特征为冬季最好,春秋季次之,夏季最差.研究显示,该评价体系能准确地评估香溪河流域水生态健康状况,同时需重视三峡水库支流库湾的水环境治理.      

北运河北京段水生态承载力研究及关键控制要素识别

北运河水系一直存在水资源缺乏、水环境污染、水生态功能不足等问题,未来北京市副中心高标准建设的加速还会增加流域的生态环境负担.因此需明确北运河北京段水生态承载力的时空变化特征,识别其关键控制要素,提升水生态承载力以满足区域发展需求.本文从水资源、水环境、水生态3个方面构建区域水生态承载力评价指标体系,收集1995-2018年北运河北京段的评价指标数据,运用熵权法确定指标权重,分析北运河北京段的水生态承载力状况及关键控制要素.结果表明:1995-2015年,北运河北京段整体处于超载或临界超载状态,2018年水生态承载力有所提升,达到安全承载状态;各子流域间水生态承载力差异显著,其中,位于北运河上游的沙河子流域在1995-2000年处于安全承载状态,在2005-2018年处于临界超载状态,水生态承载状态相对较好,但仍有改善的空间;1995-2018年,清河、温榆河和凉水河等子流域水生态承载状态处于超载状态,水生态承载状态相对较差,需加大水生态承载力提升力度;影响区域水生态承载力的关键要素为河岸带林草覆盖率,其次水环境质量也对水生态承载力具有重要影响.研究显示,北运河北京段水生态承载力的提升需在改善区域生态环境状况的同时加强对水资源的综合利用.      

基于偏最小二乘模型的河流水质对土地利用的响应

流域土地利用类型变化是影响河流水质的重要因素之一.为探究子流域尺度土地利用与河流水质之间的相互关系,本文基于太子河流域遥感影像和水质数据,采用偏最小二乘模型(partial least squares,PLS),分析不同土地利用类型对流域水质的影响程度.选取7个不同子流域土地利用类型面积百分比作为自变量X,总氮(TN)、硝酸根离子(NO_3~-)、氯离子(Cl-)与硫酸根离子(SO_4~(2-))这4个水质参数浓度值作为因变量Y,构建了土地利用类型与河流水质数据的偏最小二乘模型,并使用其余子流域数据对构建的模型进行验证.结果表明,太子河流域不同子流域土地利用类型与河流水质指标TN与NO_3~-之间线性关系显著,决定系数R~20.62.其中,耕地面积变化对水体中TN浓度变化影响明显,居民及工矿建设用地面积变化则对水体中NO_3~-浓度变化影响强烈.但对于Cl-和SO_4~(2-)来说,土地利用类型对其浓度大小有一定影响,但并不是最主要的影响因素.虽然太子河流域未利用地面积百分比极小(1.13%),但是未利用地面积变化对水质参数有较显著影响(影响系数0.24).