北京市汤河生态健康评价指标相关性分析

高宇婷，高甲荣，顾岚，钱斌天，王越，郭维

(北京林业大学水土保持学院，水土保持与荒漠化防治教育部重点实验室，100083，北京)

河流健康状况是对河流生态系统结构、功能特征的评判，处于健康状况的河流结构合理、功能健全，包括正常能量流动且物质循环没有受到破坏，对自然干扰的长期效应具有抵抗力和恢复力，能够维持自身的组织结构长期稳定，并能发挥其正常的生态环境效益［1-2］。国际上通过水质理化参数、河流形态结构、河流生物指标、河流水文特征、河岸带状况5类指标表征河流健康状况;然而河流生态系统中许多变量之间存在的相关性增加了问题分析的复杂性［3-4］。K.M.Rowntree 等［5］运用 RHP 方法，通过河流无脊椎动物、鱼类、河岸植被、生境完整性、水质、水文、形态等7类指标评价河流的健康状况;J.A.Gore等［6］认为，河流生态评价须考虑水文、土地利用、地貌、水质、生物与生态、娱乐、经济和文化等方面。澳大利亚河流评价计划(AUSRIVAS)、河流无脊椎动物预测和分类系统(RIVPACS)、生物完整性指数(IBI)、溪流状态指数(ISC)［7-8］通过建立指标体系对河流生态健康状况进行评价，不但提高了河流管理的质量，而且有助于不同河段之间进行比较，同时，还可对受损河段生态恢复的成效进行评估，提高了河流健康状况管理决策的能力。这些指标体系虽能较全面地评价河溪的近自然状况，但有些因子只能进行定性描述，带有一定的主观性，降低了评价结果的可信度。此外，这些评价体系带有地域性，并不适合我国河流自然性的评价［9］。笔者通过调查北京市汤河21个河段的17个指标，经过因子分析得出影响北京市汤河生态健康的关键因子［10］，研究结果可为北京市河流生态健康的管理提供参考。

1 研究区概况

研究区位于北京市怀柔区汤河中下游河岸带，处于北京市最北端，降水集中在夏季，多年平均降水量约为644.2 mm。汤河发源于河北丰宁县邓家栅子，于大南沟门进入北京市怀柔区，介于E115°30'～116°37.2'，N40°19.2'～ 41°39.2'之间，河流由北到南流速渐缓，在海拔264 m处形成汤河口盆地［11］，流量约为2.45 m3/s。汤河在怀柔境内南北长约52.4 km，流域面积618.3 km2。该流域属暖温带大陆性季风型半湿润气候，四季分明，雨热同期，夏季暖热湿润，冬季寒冷少雪。目前耕作制度多为一种一熟制，是全区籽种、杂粮、淡季蔬菜的主产区。研究区为帽山至汤河口段，全长46.5 km。北京市汤河评价河段位置见图1。

2 研究方法

2.1 指标设定

国外学者对河流健康评价影响因素做了大量理论研究，主要集中在地貌、生态、水文3方面，其中，水文、河流状况、生态功能被认为是影响河流健康的最主要因素。结合北京市汤河实际状况，根据相关文献资料，将河流健康的主要影响因素划分为水量因素、水质因素、河岸带因素、物理结构因素、景观娱乐因素5类。

图1 北京市汤河评价河段位置Fig.1 Location of evaluated sections of Tanghe River in Beijing

水量因素的主要影响子因素为河宽X1、河深X2、流速X3;水质因素的主要影响子因素为溶解氧X4、总氨氮X5、pH值X6;河岸带因素的主要影响子因素为坡度X7、纵比降X8、横比降X9、缓冲带植被宽度X10;物理结构因素的主要影响子因素为水与河底接触点个数X11、河流弯曲度X12、心滩面积X13、心滩形状系数X14;景观娱乐因素的主要影响子因素为河流生物多样性 X15、河滩地覆盖率 X16、闸坝个数X17。

2.2 指标测定方法

在2011年的4—8月进行野外调查，在生态特征典型代表处共21个河段布设调查样点，采用定量测定法观测记录其相关特性。其中:河宽、河深、流速用卷尺和测速仪测量;溶解氧、总氨氮、pH值用野外便携式试剂盒测定;坡度、纵比降、横比降、缓冲带植被宽度、水与河底接触点个数、河流弯曲度、心滩面积、心滩形状系数、河流生物多样性、河滩地覆盖率、闸坝个数通过实地测量、内业计算获得。

2.3 指标检验

检验因子相关性的方法主要有KMO(Kaiser-Meyer-Olk in measure of Sampling Adequacy)样本测度法和 Baetlett球形检验法(巴特利 Test of sphericity)。KMO是用来检验变量间偏相关性的，其值愈接近1表明愈适合进行因子分析。一般认为，KMO值在0.7以上适合做因子分析。KMO和Baetlett球形检验结果见表1。可知，指标间显著性概率是0，小于1%，说明数据具有相关性，是适宜进行因子分析的。同时在显示结果中，KMO值为0.813，说明以所涉及的21个样点的5类因素17个指标为基础的数据可以进行因子分析。

表1 KMO和Bartlett检验结果Tab.1 KMO and Bartlett's test

2.4 因子分析

用SPSS20.0对各指标数据进行因子分析，具体步骤如下。

1)建立多维数据矩阵:将所测数据以所测指标为行、以样点为列建立多维数据矩阵。

2)相关系数矩阵:计算原始变量的相关系数矩阵，用以判断所选变量有无相关关系［12］。

3)提取公共因子:确定因子求解方法和因子个数。取方差大于1的因子，按因子累计方差贡献率确定因子个数［13］。

4)因子旋转:正交阵右乘A使旋转后的因子载荷阵结构简化，每个变量仅在1个公共因子上有较大的载荷，而在其余的因子上载荷比较小，使得旋转后所得到的因子载荷阵的总方差达到最大值。

5)计算因子得分:求出各指标的因子得分值，为后续分析提供参考［14］。

最后用Excel 2007软件将所得各因子得分均值与各样点因子得分作雷达图进行分析。

2.5 指标提取

对检验后数据作标准化处理，采用主成分分析法计算出用方差最大正交旋转后的因子载荷矩阵，依据各共同因素中因素负荷量的大小排序，根据贡献率大于85%且特征值大于1的标准抽取因子。

由于因子分析法［15］产生的前4个主成分特征值分别为1.167、1.128、1.059、1.044(均大于1)，提取出前4个主成分即汤河生态健康特征因子，且其对应的方差贡献率分别为27.675%、26.112%、17.127%、14.918%，累积方差贡献率超过85%，可以反映17个指标的绝大部分信息。相关因子载荷阵见表2。

2.6 指标修正

提取到各组因子后，为了便于进行数据分析及因子作用表达需将其命名，由表2可知:

1)主成分1中，坡度、纵比降、横比降、闸坝个数载荷很大，是主要反映河流岸坡结构的因子，命名为河流岸坡因子(因子1)，其值越大表明河道岸坡情况对河流生态健康影响情况越大;

表2 因子旋转后河流健康指标因子载荷阵Tab.2 Factor loading array of Tanghe River health factors

2)主成分2中，pH值、溶解氧、总氨氮、河流生物多样性载荷很大，是主要反映河流水质情况的因子，命名为河流水质因子(因子2)，其值越大表明河流水质情况对河流生态健康影响情况越大;

3)主成分3中，流速、水与河底接触点个数、河宽、河深载荷相对稍大，命名为河床作用因子(因子3)，其值越大表明河床作用对河流生态健康影响情况越大;

4)主成分4中，植被带宽度、河流弯曲度、心滩面积、心滩形状系数、河滩地覆盖率载荷相对稍大，命名为河流植被因子(因子4)，其值越大表明河流植被对河流生态健康影响情况越大。

修正后的因素指标体系见表3。

3 结果与分析

3.1 汤河因子分析

将表3生成的修正指标应用于北京市汤河生态健康评价，结果见图2。从图2(a)可以看出，汤河因子1和2、3和4得分较相近，均对汤河河流生态健康相关性显著;从图2(b)～(e)可以看出，因子1在喇叭沟门、北八道河、古石沟门得分较大，因子2在二道河东沟、长哨营得分较大，因子3在长哨营和汤河口得分较大，因子4在头道穴得分较大。说明这些河段对各指标因子影响较大。

表3 修正后的汤河河流生态健康影响因素指标体系Tab.3 Tanghe River ecosystem health influencing factor model after correction

3.2 指标影响分析

从因子的角度分析影响作用最大河段、最小河段及平均值，其相关度见表4。可以看出:4个因子特征值中，因子4的平均值最大，其中头道穴段所占份额最多，其次是因子3，对应汤河口段所占比例最多，说明因子3、因子4对汤河总体生态健康影响较大，集中体现在头道穴段和汤河口段;4个因子特征值中，因子2的平均值最小，其次是因子1，均为老西沟门段，所占比例最多，说明老西沟门段为因子1和因子2影响汤河总体生态健康的关键河段。

另外，从表2中还可以看出，各个子因素的方差贡献率中，因子1中坡度(9.627%)，因子2中pH值(10.675%)、溶解氧(12.568%)，因子3中流速(10.390%)、水与河底接触点个数(16.112%)，因子4中心滩面积(8.693%)、心滩形状系数(8.113%)、弯曲度(8.010%)、缓冲带植被宽度(4.540%)与汤河总体生态健康的相关度较大。

表4 影响汤河生态健康的因子特征Tab.4 Characteristics of factors affecting Tanghe River

3.3 河段影响分析

将图2(b)～(e)中显著正相关(边缘最外2环分布河段)、负相关(在雷达图最内环分布河段)相关河段在各因子中的分布比例整理为表5。

1)将数值前2列横向求和，可看出显著相关河段在因子4、因子1方面所占比例均达到40%，且第2列数字均大于第1列数字。说明河段对北京市汤河生态健康状况的影响主要体现在因子1和因子4上，且下游对其影响要高于中游(上游为河北丰宁县邓家栅子，非本研究涉及范围)。

2)显著正相关河段在因子1中比例最高，显著负相关河段在因子4中比例最高。说明显著相关河段在因子1上对河流生态健康的影响是正相关作用，在因子4方面的影响是负相关作用。

4 结论

1)河流岸坡因子、河流水质因子、河床作用因子，植被作用因子可以用来评价北京市汤河生态健康状况，其中河床作用因子、植被作用因子对北京市汤河河流生态健康评价影响最大。

2)各河段对北京市汤河生态健康状况各因子方面的影响可以通过因子分析法直观看到，符合北京市汤河生态地域性特点对北京市汤河生态健康状况的影响。

图2 因子分析示意图Fig.2 Diagram of evaluation factors

表5 各河段对河流生态健康相关度比例Tab.5 Percentage of river ecosystem health-related degrees in individual reaches

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