环境科学研究  2017, Vol. 30 Issue (7): 1041-1049  DOI: 10.13198/j.issn.1001-6929.2017.02.30

引用本文  

张雷, 时瑶, 张佳磊, 等. 大宁河水生态系统健康评价[J]. 环境科学研究, 2017, 30(7): 1041-1049.
ZHANG Lei, SHI Yao, ZHANG Jialei, et al. Health Assessment of Aquatic Ecosystem in the Daning River, China[J]. Research of Environmental Sciences, 2017, 30(7): 1041-1049.

基金项目

国家水体污染控制与治理科技重大专项(2014ZX07104-006-001)

责任作者

秦延文(1973-), 女, 山东青岛人, 研究员, 博士, 主要从事河口污染物生物地球化学循环研究, qinyw@craes.org.cn

作者简介

张雷(1975-), 男, 北京人, 高级工程师, 主要从事环境工程、环境化学研究, zhang_lei@craes.org.cn

文章历史

收稿日期:2016-06-16
修订日期:2017-03-10
大宁河水生态系统健康评价
张雷1,2 , 时瑶1,2 , 张佳磊3 , 刘志超1,2 , 秦延文1,2 , 迟明慧1,2     
1. 中国环境科学研究院, 环境基准与风险评估国家重点实验室, 北京 100012;
2. 中国环境科学研究院, 环境保护河口与海岸带环境重点实验室, 北京 100012;
3. 湖北工业大学, 轻工学部资源与环境工程学院, 湖北 武汉 430068
摘要:随着人口增长及社会经济的发展,河流水生态系统健康受到严重威胁.为了解大宁河水生态系统健康状况,选取大宁河2011-2015年水体水质[水温、pH、SD(透明度)、ρ(DO)、ρ(CODMn)、ρ(TN)、ρ(TP)]与水生态[藻密度、ρ(Chla)]9个主要指标,构建了大宁河水生态系统健康评价指标体系,运用基于熵值法的综合健康指数法对其水体生态系统健康状况进行综合评价.结果表明,2011-2015年,大宁河水生态系统健康状况整体呈亚健康状态,有50.89%的监测样本处于亚健康状态,枯水期健康状态好于丰水期.大宁河各监测断面CHI(综合健康指数)值的季节变化特征为丰水期低于枯水期;年际变化特征为从2011-2015年CHI值呈先升后降的变化趋势,健康状态呈先转好后转差的变化趋势,大宁河水体富营养化趋势明显;空间变化特征为丰水期和枯水期CHI最低值主要位于中下游的白水河、龙门和菜子坝断面,河流水质与人类活动强度密切相关.研究显示,影响大宁河水生态系统健康的关键因子为营养盐指标[ρ(TN)、ρ(TP)]和有机物指标[ρ(CODMn)].
关键词大宁河    水生态系统    综合健康指数    健康评价    
Health Assessment of Aquatic Ecosystem in the Daning River, China
ZHANG Lei1,2 , SHI Yao1,2 , ZHANG Jialei3 , LIU Zhichao1,2 , QIN Yanwen1,2 , CHI Minghui1,2     
1. State Key Laboratory of Environmental Criteria and Risk Assessment, Chinese Research Academy of Environmental Sciences, Beijing 100012, China;
2. State Environmental Protection Key Laboratory of Estuarine and Coastal Environment, Water Research Institute, Chinese Research Academy of Environmental Sciences, Beijing 100012, China;
3. School of Resources and Environmental Engineering, Hubei University of Technology, Wuhan 430068, China
Abstract: With socio-economic development and population growth, the aquatic ecosystem health in rivers has become severely threatened. The aim of this article is to explore the aquatic ecosystem health of the Daning River. An indicator system for aquatic ecosystem health assessment was established by selecting 7 water quality parameters (i.e., water temperature, pH, SD, DO, CODMn, TN and TP) and 2 phytoplankton parameters (i.e., algal density and Chla) of the Daning River over 2011-2015 to build a river aquatic ecosystem health assessment indicator system. The comprehensive health index was used to assess the degree of river aquatic ecosystem health of the Daning River. The results indicated that the health condition of river aquatic ecosystem in the Daning River was classified as sub-healthy state, with the proportion of monitoring samples with sub-healthy state accounting for 50.89% of the total samples. The health status in the dry season was better than that in the wet season. The seasonal variation results indicated that CHI values for different sampling sites in the wet season were lower than those in the dry season. The interannual variation of CHI values results showed a rising trend first and then decreasing during 2011 to 2015, and the health condition of the river aquatic ecosystem in the Daning River showed an improvement first and then declining trend. The water body of the Daning River showed significant eutrophication trend. The spatial variation results showed the lowest CHI values in the wet and dry seasons at the Baishuihe, Longmen and Caiziba sites. We also found that water quality in the Daning River was closely related to human activities. The indicators such as TN, TP and CODMn were the key factors that affected the aquatic ecosystem health in the Daning River.
Keywords: Daning River    aquatic ecosystem    CHI    health assessment    

河流生态系统通常由陆地河岸生态系统、水生态系统、相关湿地及沼泽生态系统等一系列子系统构成,具有典型的结构特征和服务功能[1].河流生态系统作为生物圈物质循环的重要通道,具有调节气候、改善生态环境以及维护生物多样性等众多功能[2].一般认为,健康的河流生态系统应具有结构完整性(即化学、物理、生物三方面的完整性)和功能完整性(生态学进程)[3].但是随着人口增长及社会经济的发展,人类大量消耗水资源,并排放污染物进入水体,使河流水生态系统自然功能和经济功能降低或丧失,河流水生态系统健康受到严重威胁[4].

随着河流水生态系统不断受到人类活动的干扰和损害,科学有效地评价、恢复和维持一个健康的河流水生态系统已经成为近年来流域管理的重要目标[5].美国1972年颁布的“清洁水法令”认为,维持河流水生态系统自然结构和功能的物理、化学和生物的完整性状态是河流健康评价的重要原则[6].我国河流生态系统健康评价起步较晚,最早始于1992年杨莲芳等[7]利用EPT〔Ephemeroptera(蜉蝣目)、Plecoptera(襀翅目)和Trichoptera(毛翅目)〕分类单元数和科级水平生物指数(family biotic index,FBI)评价安徽九华河的水质状况.近年来,我国有关河流水生态系统健康评价的研究已有较多工作.赵义等[8]基于层次分析法构建了基础的流域水系统健康评价体系;郝利霞等[4]以海河流域为研究对象,采用指标体系法评价了流域内河流生态系统健康;张楠等[9]根据辽河流域2005年水生态监测数据,构建了健康候选指标体系.在评价方法方面,国内学者主要采用水质理化指标及部分生物指标,多以多指标评价法对河流水生态系统健康状况进行评价[2].多指标法采用的具体模型包括综合指数评价法和模糊综合评价法两类.比较而言,综合指数法的优点在于能较好的体现生态系统健康评价的整体性和综合性,评价过程简单,评价结果明确,易于公众感知,而模糊综合评价法则能避免主观判断生态系统健康标准的不确定性[10].基于层次分析法的综合评价方法在已有的生态系统健康评价中得到了更广泛的应用,模糊综合评价法的应用相对较少[8-10].

富营养化是三峡水库当前亟待解决的问题之一[11-12].大宁河位于三峡库区的腹心地带,自蓄水后多次暴发藻类水华,是库区典型的富营养化支流[13-15].对于三峡水库研究目前一般主要关注水质的研究较多,但是关注水质与水生态耦合的研究比较少.该研究主要以三峡水库富营养化典型支流—大宁河为研究对象,耦合水质〔水温、pH、SD(透明度)、ρ(DO)、ρ(CODMn)、ρ(TN)、ρ(TP)〕与水生态〔藻密度、ρ(Chla)〕多重指标,构建了大宁河水生态系统健康评价指标体系,基于熵值法建立了综合健康指数法对其水体生态系统健康状况进行定性定量评价,以期为大宁河的水生态保护和富营养化防治提供理论依据.

1 材料与方法 1.1 研究区域概况

大宁河(108°44′E~110°11′E、31°04′N~31°44′N)是三峡库区一条典型的一级支流,流域面积4 045 km2,三峡库区属于湿润的亚热带季风气候,具有四季分明、冬暖春早、夏热伏旱、秋雨多、湿度大、云雾多和风力小等特征.该地区年均温度为16.6 ℃,年均降水量为1 124.5 mm.水库支流自三峡库区139 m蓄水后,大宁河于2003年6月在双龙(108°44′E~110°11′E、31°04′N~31°44′N)首次爆发蓝绿藻水华,之后历年在大宁河回水区水华频发[16].大宁河流域为山区,受人为影响较小,植被覆盖率高,水体透明度显著高于其他支流.但由于长期以来对环境资源不合理的开发利用,大宁河生态环境已经非常脆弱[17-18].

1.2 断面设置

结合三峡库区环境监测需求(水质问题和水华问题)和大宁河的水生态系统特点,2011—2015年,从大宁河上游至下游出河口(长江)水华易发河段分别设置大昌断面(上游区)、双龙断面(回水区)、白水河断面(白水河入大宁河处)、龙门断面(龙门峡内)和菜子坝断面(河口区,巫山县城易污染区),每个采样断面分左、中、右3个采样点,每月采样监测1次.其中,丰水期是指5—10月,其余月份为枯水期.考虑大宁河实际情况兼顾采集难度等原因,部分月份的部分采样断面未采集,采集信息及采样断面位置见表 1图 1.

表 1 大宁河采样信息表 Table 1 Sampling sites of the Daning River, China

图 1 大宁河采样断面分布示意 Figure 1 Sampling sites of the Daning River, China
1.3 样品采集及处理

用采水器采得水样,分装于500 mL的塑料瓶中冷藏保存.监测指标包括水温、pH、电导率、SD、ρ(DO)、ρ(CODMn)、ρ(TN)、ρ(TP)、藻密度、ρ(Chla).其中,2013年未取得藻密度指标数据. SD用赛氏盘测定.水温、pH、ρ(DO)、电导率等参数由Hydro lab DS5X型多参仪(美国哈希)现场测定. ρ(CODMn)、ρ(TN)、ρ(TP)、藻密度、ρ(Chla)的采样及测定方法均按照《水和废水监测分析方法》[19]进行.

1.4 水生态系统健康评价指标的选取

健康的河流生态系统应具有物理、化学、生物三方面的结构完整性,即河流健康的指标包括:物理指标、化学指标、生物指标[3-4].但由于河流水生态系统非常复杂,不可能对所有表征其生态系统健康状况的指标都进行评价,因此在对大宁河水生态系统健康状况评价指标进行选择时,必须根据其本身的特点选择适宜的指标.

在对大宁河水生态环境健康状况进行深入调查研究的基础上,依据指标选取的代表性、综合性、方便性和适用性原则,选取能反映水体物理化学、水生生物等河流特征的10个状态指标作为河流健康评价的候选指标[20].

其中,反映河流理化性质的指标包括水温、pH、电导率、ρ(DO)、ρ(CODMn)、SD、ρ(TN)、ρ(TP);反映河流生物状况的指标包括藻密度和ρ(Chla).对10个指标采用Pearson相关检验,分析指标的相关性(见表 2),结果表明,藻密度和ρ(Chla)与其他指标相关性较好,而且考虑到藻密度和ρ(Chla)属于能够反映水生态系统特征的两个极为重要的生物指标,因此都予以保留.水质指标中电导率与其他指标相关性较差,因此将其剔除.水温、pH和SD与其他指标相关性较好,尤其是与生物指标相关性密切,因而将其保留.鉴于ρ(TN)、ρ(TP)、ρ(CODMn)和ρ(DO)相互之间相关性较好,能够较为全面地反映大宁河营养盐和有机污染方面的特征,因此保留这些指标进入综合评价.大宁河水生态系统健康评价指标体系详见表 3.

表 2 Pearson相关性分析结果 Table 2 Results of pearson correlation analysis

表 3 大宁河水生态系统健康评价指标[4] Table 3 Assessment indicators of aquatic ecosystem health in the Daning River
1.5 水生态系统健康评价方法

综合健康指数法能定量地评价河流水生态系统的健康状态[21-23],该研究采用综合健康指数法对大宁河河流水生态系统健康状况进行综合评价.

CHI(综合健康指数)的计算公式:

$ {\rm{CHI}} = \sum\limits_{i = 1}^m {{w_i}} \times {b_i} $

式中,m为评价指标的个数,wi为指标i的权重,bi为指标i的归一化值.

对于所讨论的n个样本m个评价指标的初始矩阵,利用熵值法计算各指标的权重,其本质就是利用该指标信息的效用值来计算的,效用值越高,其对评价的重要性越大.其计算步骤如下:

首先构建n个样本m个评价指标的判断矩阵

$ \begin{array}{*{20}{l}} {\mathit{\boldsymbol{R}} = {{\left( {{x_{ji}}} \right)}_{n \times m}}}\\ {\left( {i = 1,2, \cdots ,m;j = 1,2, \cdots ,n} \right)} \end{array} $

将判断矩阵归一化处理,得到归一化判断矩阵BB中元素的表达式为

$ \begin{array}{*{20}{l}} {}\\ {\mathit{\boldsymbol{B}} = {{\left( {{b_{ji}}} \right)}_{n \times m}}}\\ {\left( {i = 1,2, \cdots ,m;j = 1,2, \cdots ,n} \right)} \end{array} $

评价指标通常分为越大越优、越小越优两类,各类指标相对于优隶属度的计算公式分别为

越大优型指标:

$ {b_{ji}} = \frac{{{x_{ji}}-{x_{\min }}}}{{{x_{\max }}-{x_{\min }}}} $

越小优型指标:

$ {b_{ji}} = \frac{{{x_{\min }}-{x_{ji}}}}{{{x_{\max }}-{x_{\min }}}} $

式中,xmaxxmin分别为同指标下不同样本中最满意值和最不满意值.

根据熵的定义,n个样本m个评价指标,可确定评价指标的熵为

$ \begin{array}{*{20}{l}} {{{\rm{H}}_i} = - \frac{1}{{{\rm{ln}}\;n}}\left( {\sum\limits_{j = 1}^n {{f_{ji}}{\rm{ln}}\;{f_{ji}}} } \right)}\\ {\left( {i = 1,2, \cdots ,m;j = 1,2, \cdots ,n} \right)}\\ {{f_{ji}} = {b_{ji}}/\sum\limits_{j = 1}^n {{b_j}_i} } \end{array} $

为使ln fji有意义,当fji =0时,根据水质评价的实际意义,可以理解ln fji为一较大的数值,与fji相乘趋于0,故可认为fji ln fji也等于0.但当fji =1,fji ln fji也等于0,这显然与熵所反映的信息无序化程度相悖,不切合实际,故需对fji进行修正,将其定义为:

$ {f_{ji}} = \left( {1 + {b_{ji}}} \right)/\sum\limits_{j = 1}^n {\left( {1 + {b_{ji}}} \right)} $

评价指标的熵权w的计算:

$ \begin{array}{l} W = {\left( {{w_i}} \right)_{1 \times m}}\\ {w_i} = \left( {1-{H_i}} \right)/\left( {m-\sum\limits_{i = 1}^m {{H_i}} } \right) \end{array} $

并且满足:

$ \sum\limits_{i = 1}^m {{w_i} = 1} $
1.6 健康等级划分

基于国内外研究成果[24-28]及专家咨询,在该范围内确定健康评价等级划分标准,将CHI值划分为5个区间,分别对应5个健康等级,具体见表 4.

表 4 河流水生态系统健康等级划分 Table 4 Classification of aquatic ecosystem health state for river
1.7 数据分析

采用SPSS 13.0统计软件对所有指标参数利用Pearson进行相关性分析.

2 结果与讨论 2.1 评价指标基础数据分析

表 5为2011—2015年大宁河各评价指标监测结果.从表 5可以看出,2011—2015年大宁河水体9个评价指标中ρ(TN)和ρ(TP)均较高,其他指标监测结果相对较低.其中,ρ(TN)在0.07~2.67 mg/L之间,平均值为1.52 mg/L,最大值超过GB 3838—2002《地表水环境质量标准》三类的1.67倍,并且远远超过国际公认的发生富营养化的水平(0.2 mg/L)[29]ρ(TP)在0.01~0.93 mg/L之间,平均值为0.10 mg/L,最大值超过GB 3838—2002三类的3.65倍,并且超过国际公认发生富营养化的浓度水平(0.02 mg/L)[29]ρ(CODMn)虽然平均值(1.85 mg/L)较小,但其最大值也已超过有机物污染水平(4 mg/L)[30].可见,大宁河水体虽未完全受到有机污染影响,但已具备一定的发生富营养化的营养盐条件.

表 5 大宁河2011—2015年评价指标监测结果统计 Table 5 Results of assessment indicators in the Daning River in 2011-2015
2.2 水生态系统健康评价结果分析

根据建立的评价指标体系,利用综合健康指数法对2011—2015年大宁河各监测断面逐月进行水生态系统健康评价,计算得到相应的CHI值,并结合水生态健康等级划分(见表 4),判定大宁河2011—2015年各监测断面每月水生态系统健康状态,进而分析确定大宁河丰水期和枯水期各监测样本不同健康等级百分比分布,结果如图 2所示.

图 2 2011—2015年大宁河各健康等级所占比例 Figure 2 The percentage distribution of different healthy status in the Daning River in 2011-2015

经计算,大宁河丰水期有87个监测样本,其中49个监测样本的CHI值在0.4~0.6之间,即56.32%的监测样本处于亚健康状态,从图 2亦可见,丰水期大宁河水生态系统健康状况以亚健康状态为主,并且除2013年外均有不同程度分布;其次是24.14%的监测样本处于健康状态,主要分布在2011—2015年;16.09%的监测样本处于一般病态状态,与健康状态分布相似;仅有3.45%的监测样本处于很健康状态,主要分布在2011年和2014年.枯水期有80个监测样本,其中健康和亚健康状态的监测样本分别有37个和36个,即46.25%和45.00%的监测样本分别处于健康和亚健康状态,健康和亚健康状态分布趋势相似,其在2011—2015年均有不同程度分布;7.50%的监测样本处于一般病态状态,主要分布在2012—2014年;仅有1.25%的监测样本处于很健康状态,分布在2014年.总体上,2011—2015年大宁河共监测样本167个,87个样本处于亚健康状态,即50.89%的监测样本处于亚健康状态,其次是37.13%的监测样本处于健康及以上状态.由此可见,2011—2015年大宁河水生态系统健康状况整体呈亚健康状态,丰水期和枯水期各健康等级分布趋势较为相似,整体上枯水期健康状态好于丰水期.

2.3 水生态系统健康状况时间变化特征

图 3为大宁河各监测断面水生态系统健康状况分布.从图 3可见,2011年、2014—2015年各断面CHI值在丰水期和枯水期的变化趋势相反;2012—2013年各断面CHI值在丰水期变化趋势表现一致,均呈先升后降的变化趋势,枯水期的变化趋势相反,分别呈下降和上升的变化趋势.从整体看,2011—2015年大宁河各监测断面CHI值季节变化表现出相似的规律性,即丰水期低于枯水期,并且CHI最高值主要出现在枯水期.大宁河库湾属亚热带湿润季风区,其主要的水体理化因子均不同程度的受季节性变化影响[31].丰水期、枯水期CHI值的差异从某一侧面反映了影响大宁河水生态系统健康状况的主要指标营养盐和有机物的污染来源,丰水期CHI值低,营养状态较差,可能与丰水期雨水径流及农业面源污染对水质的影响较大有关,丰水期受降雨等条件的影响,农田径流量加大,从而可能把地表和大气中的污染物带入水体引起营养盐和有机物含量增大.已有研究表明三峡库区各支流由农业规模种养殖带来的畜禽养殖和农业面源污染是造成水体污染的重要原因,农业面源排放的CODCr、TN、TP已占入库污染负荷的70%~80%[32].

图 3 大宁河各监测断面CHI值沿程分布 Figure 3 Spatial variations of CHI values for different sampling sites in the Daning River

图 4为大宁河水生态系统CHI值年际变化.从图 4可见,大宁河大昌、双龙断面CHI值在2011—2015年基本呈先降后升的趋势;白水河断面在2013—2015年丰水期呈先升后降的趋势,枯水期则呈先降后升的趋势;龙门断面在2011—2014年丰水期呈先降后升的趋势,枯水期则呈下降趋势;菜子坝断面在2013—2015年丰水期呈上升趋势,枯水期则呈先降后升的趋势.从整体看,2011—2015年大宁河CHI值年际变化表现出较为相似的规律性,即从2011—2014年整体呈上升趋势,2014—2015年呈下降的趋势,健康状态呈先转好后转差的变化趋势.究其原因,可能主要是由于“十二五”以来,经过多年的三峡库区及大宁河水环境综合治理,水质得到了一定程度的改善[33],但并未完全解决大宁河水体富营养化的趋势,从该研究的健康评价指标变化趋势分析亦发现:大宁河水体ρ(CODMn)、ρ(TN)和ρ(TP)2011—2014年基本呈下降趋势,2014—2015年则呈略微上升的变化趋势(见表 5),这些都可能是影响大宁河水生态系统健康状态变化的原因,说明控制营养盐和有机污染可能是维持大宁河水生态系统健康的一种有效手段.

图 4 大宁河各监测断面CHI值年际变化 Figure 4 Annual variations of CHI values for different sampling sites in the Daning River
2.4 水生态系统健康状况空间变化特征

从空间变化(见图 3)看,大宁河各监测断面CHI值沿程变化均呈一定的规律,即2011年(丰水期)和2012年CHI值从双龙到龙门断面均呈下降趋势. 2013年(丰水期)和2014年(丰水期)CHI值沿程变化基本相似,从大昌到菜子坝断面均呈先升后降的趋势. 2015年CHI值沿程变化表现为从大昌到白水河断面呈先升后降的趋势,从白水河断面开始,随着水体流向,丰水期和枯水期的CHI值不断变化,直到在菜子坝断面分别出现高值和低值.从整体看,2011—2015年大宁河CHI最低值主要出现在中下游的白水河、龙门和菜子坝断面.白水河农业地表径流和网箱养鱼污染严重[34-35],营养盐含量也随之升高,下游龙门和菜子坝断面CHI值较低,可能是受巫山县城的城镇污染和周边农村农业地表径流污染所致[36-38].

3 结论

a) 采用基于熵值法的综合健康指数法对大宁河水生态系统健康状况进行综合评价.结果表明,2011—2015年大宁河水生态系统健康状况整体呈亚健康状态,50.89%的监测样本处于亚健康状态,丰水期和枯水期各健康等级分布趋势较为相似,并且整体上枯水期健康状态好于丰水期.

b) 从季节变化看,大宁河各监测断面CHI值季节变化表现为丰水期CHI值低于枯水期,CHI最高值主要出现在枯水期.从年际变化看,大宁河CHI值年际变化表现为从2011—2015年整体呈现先升后降的变化趋势,健康状态呈先转好后转差的变化趋势.从空间变化看,大宁河各监测断面丰水期和枯水期CHI最低值主要出现在中下游的白水河、龙门和菜子坝断面.

c) 农业面源污染及城镇生活排污等可能是造成大宁河水生态系统健康受损的主要因素.营养盐指标和有机物指标在河流健康评价体系中有重要的作用,需从上述指标入手治理大宁河河流污染,以恢复其健康状态.

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