基于不同生物類型的河流水生態(tài)健康評價研究

(安徽省·水利部淮河水利委員會水利科學研究院 水利水資源安徽省重點實驗室，安徽 蚌埠 233000)

河流水生態(tài)系統(tǒng)對人類社會的發(fā)展起著至關重要的作用，它不僅能為人類提供淡水資源以及生活、工農(nóng)業(yè)用水，而且還能提供諸如商業(yè)、景觀、休閑娛樂等諸多的服務功能[1]，在維系環(huán)境的水量平衡和能量平衡方面同樣具有非常重要的作用。但是，由于人類經(jīng)濟社會的快速發(fā)展，河流水生態(tài)系統(tǒng)已經(jīng)受到嚴重破壞，如果不對河流的水生態(tài)環(huán)境加以修復和保護，不久的將來，部分依賴河流發(fā)展的城市和地區(qū)將會面臨重大的發(fā)展危機[2]。

隨著人類對河流水生態(tài)認識的逐漸加深，開始意識到保護河流水生態(tài)的重要性，特別是近年來，全世界范圍內出現(xiàn)的水生態(tài)危機也引發(fā)了保護水生態(tài)健康的社會熱潮[3]。如何評價水生態(tài)現(xiàn)狀和修復受損的水生態(tài)系統(tǒng)，已成為促進經(jīng)濟社會可持續(xù)發(fā)展需要解決的問題[4]。因此，水生態(tài)健康評價也越來越受到公眾重視。國外學者提出一系列水生態(tài)評價方法，包括生物完整性指數(shù)IBI(美國,1981年)、快速生物監(jiān)測協(xié)議RBPs(美國,1989年)、岸邊與河道環(huán)境細則RCE(瑞典,1992年)、河流健康計劃RHP(南非,1994年)、溪流狀態(tài)指數(shù)ISC(澳大利亞,1999年)等指標體系法[5]，以及河流無脊椎動物預測和分類計劃RIVPACS(英國,1984年)、河流評價計劃AUSRIVAS(澳大利亞,1994年)、水框架導則WFD(歐盟,2000年)等指示物種法[6]。國內則有包括生物完整性指數(shù)IBI、Shannon-Wiener多樣性指數(shù)、BMWP計分系統(tǒng)、底棲動物BI指數(shù)的指示物種法[7]和綜合健康指數(shù)評價法、模糊綜合評價法、灰色關聯(lián)評價法等指標體系法[8]。然而，國內基于上述方法的水生態(tài)健康評價往往有所側重，特別是河流水生態(tài)中針對生物的評價并未重點評價植物，而是側重評價動物，不能較好地反映河流水生態(tài)環(huán)境生物健康狀況。

鑒于此，本文基于不同生物類型，對河流水生態(tài)健康評價的研究方法、評價標準、指標權重確定進行綜合研究分析構建了基于不同生物類型的河流水生態(tài)健康評價體系，以期為后期河流水生態(tài)健康評價提供科學依據(jù)，也為河流的水生態(tài)修復和保護提供技術支撐。

1 材料和方法

河流水生態(tài)調查應對浮游植物、浮游動物、大型底棲動物和魚類進行采集。采樣時間至少應在評價年的春夏秋冬4季各采集一次，如有必要，可在各季節(jié)內加采一次。采樣點的設置應具有代表性、便利性?？筛鶕?jù)相關資料確定多個備選點位，再通過現(xiàn)場查勘，確定合適的采樣地點。

1.1 浮游植物

1.1.1 樣品的采集與鑒定

參照中國環(huán)境科學出版社出版的《水與廢水監(jiān)測分析方法(第四版)(增補版)》中第五篇第一章“水生生物群落的測定”以及《內陸水域浮游植物監(jiān)測技術規(guī)程》(SL733-2016)中的方法。

(1)浮游植物定量樣品的采集。利用1L采水器采集水樣，在水體表面(水下 0.5 m)和水體底層(底層上 0.5 m)分層采集浮游植物定量樣品。

(2)浮游植物定性樣品的采集。利用25號浮游植物網(wǎng)(孔徑64 μm)在上層水體呈“∞”字形撈取3～5 min，并將濾取的樣品放入樣品瓶中，加入魯哥氏液進行固定濃縮，帶回實驗室在400～1 000倍顯微鏡下，鑒定浮游植物樣品的種類。

1.1.2 評價方法及評價標準

(1)多樣性指數(shù)評價。根據(jù)河流的具體情況，采樣點選擇能反映河流基本生態(tài)功能的河段，原則上應對評價河流設置至少5個采樣地點。如果評價河流較長，則采樣點間隔應盡量不超過50 km，且需對特殊河段，如河流入?yún)R處、閘壩上下側一定范圍內加密采樣。

多樣性指數(shù)評價的側重點在于評價生物群落的豐富度及穩(wěn)定性。利用Shannon-Wiener多樣性指數(shù)(H)和Pielou均勻度指數(shù)(J)分析浮游植物多樣性。浮游植物多樣性指標賦分標準見表1。

表1 浮游植物多樣性指標賦分標準

Shannon-Wiener多樣性指數(shù)計算公式為

(1)

(2)

式中，S為浮游植物種類總數(shù)；Pi為第i種的個體數(shù)與樣品中總個數(shù)的比值(Ni/N)。

(2)完整性指數(shù)評價。根據(jù)河流的具體情況，選擇合適的參考點和受損點，參考點應是未受到人類干擾的，一定范圍內沒有人類活動及污染源的地方，受損點則是受到人類干擾比較明顯的地點。完整性指數(shù)評價的側重點在于評價生物群落的受損程度。浮游植物完整性指數(shù)的備選參數(shù)應根據(jù)具體情況選擇，通常備選參數(shù)應能反映生境生物的數(shù)量及質量信息。

備選參數(shù)要進行敏感性和冗余度分析，通過分析篩選并淘汰不能充分反映水生態(tài)系統(tǒng)受損情況的參數(shù)[9]。①敏感性分析。利用相關軟件繪制備選參數(shù)的箱線圖，分析比較參考點和受損點間的IQ(25%～75%分位數(shù))的重疊程度。若兩個箱體有部分重疊，但各自中位數(shù)都在對方箱體范圍之外的，以及兩個箱體沒有重疊的[10]，則應保留此時的備選參數(shù)并做進一步分析使用。②冗余度分析。對保留下來的備選參數(shù)進行皮爾遜相關性計算，當備選參數(shù)之間的相關系數(shù)︱r︱>0.8時，則表明兩個備選參數(shù)間有較高的相關性，只保留其中一個進行分析即可，這樣可以最大程度地保證所選參數(shù)的獨立性較好。③評估參數(shù)分值計算。備選的各參數(shù)通常具有自身的計量單位，不便于整體進行分析研究。為便于分析，對參數(shù)的評價采用計分評價，具體為：對于隨干擾增加而下降或減少的參數(shù)，以樣本從高到低排序的5%分位數(shù)值作為最佳期望值，該類參數(shù)的分值=參數(shù)實際值/最佳期望值；對于隨干擾增加而上升或增加的參數(shù)，則以95%的分位數(shù)值作為最佳期望值，該類參數(shù)的分值=(最大值-實際值)/(最大值-最佳期望值)[11]。

將浮游植物的評價參數(shù)的分值求和，得到浮游植物IBI指數(shù)值。以參照系樣本的IBI值從高低排序的25%分位數(shù)值作為最佳期望值，IBI指數(shù)賦分100分[12]。評價河段的浮游植物IBI賦分計算公式如下

(3)

式中，IBIr為評價河段浮游植物完整性指標賦分；IBI為評價河段浮游植物完整性指標值；IBIE為評價河段浮游植物完整性指標最佳期望值。

浮游植物完整性指標賦分標準見表2。

表2 浮游植物完整性指標賦分標準

根據(jù)不同河流的具體情況，對多樣性指數(shù)評價和完整性指數(shù)評價的分值進行權重分配，規(guī)定河流水生態(tài)健康評價浮游植物賦分滿分為100分。

1.2 浮游動物

1.2.1 樣品的采集與鑒定

參照中國環(huán)境科學出版社出版的《水與廢水監(jiān)測分析方法(第四版)(增補版)》中第五篇第一章“水生生物群落的測定”以及《淡水浮游生物調查技術規(guī)范》(SC/T9402-2010)中的方法。根據(jù)該方法對浮游動物進行定量樣品和定性樣品采集。

1.2.2 評價方法及評價標準

參考浮游植物評價方法及評價標準。

1.3 大型底棲動物

1.3.1 樣品的采集與鑒定

參照中國環(huán)境科學出版社出版的《水與廢水監(jiān)測分析方法(第四版)(增補版)》中第五篇第一章“水生生物群落的測定”中的方法。根據(jù)該方法對底棲動物進行定性樣品和定量樣品采集。

1.3.2 評價方法及評價標準

(1)多樣性指數(shù)評價。利用Shannon-wiener多樣性指數(shù)和Margalef豐富度指數(shù)分析大型底棲動物多樣性。計算公式為

(4)

d=(S-1)/lnN

(5)

式中，S為物種總數(shù)；Pi為第i種大型底棲動物的個體數(shù)與樣品總個數(shù)的比值(Ni/N)。

大型底棲動物多樣性指標賦分標準見表3。

表3 大型底棲動物多樣性指標賦分標準

(2)完整性指數(shù)評價。參考浮游植物評價方法及評價標準。

1.4 魚 類

1.4.1 樣品的采集與鑒定

參照中國環(huán)境科學出版社出版的《水與廢水監(jiān)測分析方法(第四版)(增補版)》中第五篇第一章“水生生物群落的測定”。根據(jù)該方法對魚類進行樣品采集。

1.4.2 評價方法及評價標準

(1)魚類損失指數(shù)。魚類損失指數(shù)指評價河段內現(xiàn)狀魚類種數(shù)與歷史參考系魚類種數(shù)的差異程度[13]，調查魚類種類不包括外來物種。具體的指標計算公式為

(6)

式中，F(xiàn)OE為魚類損失指數(shù)；FO為評價河段調查的魚類種類數(shù)量；FE為20世紀80年代前該評價河段的魚類種類數(shù)量。

魚類損失指數(shù)賦分標準見表4。

表4 魚類損失指數(shù)賦分標準

(2)完整性指數(shù)評價。參照Fausch等修訂的12個生物完整性指標方法[14-15]，根據(jù)評價河流的實際情況，確定河流的魚類種類及優(yōu)勢魚種。用魚類IBI指數(shù)來表示，分為3個評分標準。魚類IBI指標體系賦分標準具體見表5，魚類生物完整性指標賦分標準見表6。

表5 魚類IBI指標體系

注：其中種類結構中2，3，4應根據(jù)具體評價河流的優(yōu)勢魚類種類數(shù)確定該項的魚類科目。

表6 魚類生物完整性指標賦分標準

根據(jù)不同河流的具體情況，對魚類生物損失指數(shù)和完整性指數(shù)的分值進行權重分配，規(guī)定河流水生態(tài)健康評價魚類的賦分滿分為100分。

2 權重確定

權重分析采用層次分析法(AHP)。層次分析法的本質上是一種“分解-判斷-綜合”的基本決策思維過程[17]，步驟如下。

2.1 構造兩兩比較判斷矩陣

基于不同生物類型構建河流水生態(tài)計算指標權重，運用“1～9”比較標度法把各生物類型之間的相對重要性判斷結果用數(shù)值表示[18]。準則層的浮游植物、浮游動物、大型底棲動物和魚類進行兩兩比較，對重要性進行賦值，據(jù)此構建判斷矩陣。

2.2 層次單排序

計算構建的判斷矩陣的最大特征根及對應的特征向量，計算得出4種生物類型所占權重。層次單排序的兩個關鍵問題是對構造的判斷矩陣進行最大特征根和特征向量的計算，采用求和法。

將矩陣按列歸一化：

(7)

按行求和：

vij=∑bij

(8)

歸一化：

(9)

所得wi(i=1,2,3，….，n)即為相對權重值。

2.3 一致性檢驗

權重分配計算是否合理，還需要通過一致性檢驗確定。計算步驟如下。

(1)計算一致性指標C.I.

(10)

式中,n為判斷矩陣的階數(shù)；λmax可由下式求出：

(11)

式中,W為權重向量矩陣，A為判斷矩陣。

(2)隨機一致性指標C.R.

(12)

式中，R.I.為平均隨機一致性指標，對于低階的平均隨機一致性指標可以通過查表得出。2階以下的判斷矩陣，R.I.為0，上述計算公式無意義，此時規(guī)定C.R.為0，即表示判斷矩陣總是具有完全一致性。對于3階及3階以上的判斷矩陣，當C.R.≤0.10時，認為判斷矩陣的一致性令人滿意；當C.R.>0.10時，則認為判斷矩陣的一致性存在較大的偏差，需要重新調整之前構建的判斷矩陣，直到最后的計算結果滿足C.R.≤0.10，表明此時建立的判斷矩陣一致性檢驗合格，先前通過層次單排序分析得到的權重順序合理有效。

本次所構建的判斷矩陣為4階矩陣，其R.I.為0.9，通過層析分析法對準則層及各指標層的權重進行計算，具體權重分配見表7。

表7 權重分配表

通過MATLAB數(shù)學軟件計算得：判斷矩陣的λmax=4，C.I.=0，C.R.=0，判斷矩陣一致性檢驗合格，λmax所對應的特征向量進行歸一化得到W=(0.125，0.125,0.25,0.5)T，W的各個分量值就是各評價提供一定參考。

3 健康評價標準

根據(jù)不同生物類型計算的健康分值以及確定的權重，計算出整體的水生態(tài)健康分值，通過相應的健康刻度(理想狀況：100分；健康：75分；亞健康：50分；不健康：25分；病態(tài)：0分)確定基于不同生物類型的河流水生態(tài)健康狀況。

4 結 語

本文基于不同生物類型，對河流水生態(tài)健康評價進行綜合研究，給出水生態(tài)健康評價具體的研究方法、評價標準、指標權重分配。然而，河流水生態(tài)健康評價涉及的因素眾多，不只是評價河流的水生生物，還需考慮水資源、水環(huán)境狀況等，目前尚未有普遍適用的河流水生態(tài)健康評價方法標準。希望本文的分析研究能為更加科學準確地進行河流水生態(tài)健康評價提供一定參考。