北京市水生态监测评价方法构建及应用

孙 峰,黄振芳,杨忠山,陶 亮

北京市水文总站，北京 100089

北京市水生态监测评价方法构建及应用

孙 峰,黄振芳,杨忠山,陶 亮

北京市水文总站，北京 100089

根据北京市多年水生态监测的经验，确立了典型地表水体水生态监测的水文地貌、理化指标和生物要素。其中，生物要素评价因子主要包括浮游植物、浮游动物和底栖动物。并依据2014年监测结果进行了分析评价，将水生态状态等级分为5级。评价结果表明：北京市典型地表水体水生态状态综合评价结果中处于“中等”级别的监测断面数量为7个，占监测总数的41.2%，生物要素对最终评价结果影响略大。

水生态监测与评价；北京河湖；理化指标；生物要素；水文地貌

随着经济社会的发展，中国水生态问题愈来愈突出，如水体污染、湖泊面积减少、湿地退化、河道断流、地下水位持续下降、入海水量减少等[1]。近10年来，湖泊富营养化发生的频次越来越高，富营养化发生湖区面积越来越大。2001年夏季北京市城市河湖暴发了大面积的蓝藻水华，2005年8月底至9月初, 昆明湖又出现了较严重的水华现象，营养级别为中度富营养, 叶绿素a含量高达70.8 mg/m3，浮游植物数量达4 108.28×104cells/L[2]。

针对中国水生态日趋严重等问题，水利部水文局自2008年以来多次召开会议要求各级水环境监测中心加强水生态监测，先后启动了太湖、巢湖、滇池、洪泽湖等16个大型湖库藻类监测试点工作，2009年扩大至33个区域。2012年2月，为了保护松花江流域水生态环境，哈尔滨市颁布实施了全国首部规范水生态行业的管理法规《哈尔滨市水生态监测条例》，该条例规定了水生态监测的内容包括水位、流速、泥沙含量等水文监测，鱼类、底栖动物、浮游生物、水生植物等水生生物监测，以及水体理化指标等水质监测。2013年水利部水文局组织召开了水生态监测工作座谈会，对水生态监测工作进行了部署，明确水生态监测是当前和今后一个时期水文部门必须深入推进的重点工作。北京市水文总站自2009年以来，对北京市重要的水源地与景观水体进行水生态监测，一年分3次，分别于藻类生长的萌发期(5—6月)，繁盛期(9月)，衰亡期(11月)进行，并对各水体水生物多样性状况及其富营养化程度进行分析评价。

2000年10月23日，欧洲议会与欧盟理事会(2000/60/EC号令)通过了《欧盟水框架指令》(WFD)，该指令成为欧盟水领域的行动法令。WFD明确要求各成员国应用生物指标、物理化学指标以及水文地貌要素相结合的综合评价方法对地表水水质进行分类。水质评价的生物指标包括浮游植物、水生植物和底栖植物(河道和湖库)，被子植物和大型藻类(沿海水域和过渡性水域)以及底栖无脊椎动物和鱼类[3]。由于欧洲大陆地理环境和水生境具有多样性，WFD没有规定统一的水生态评价方法。截至2010年2月28日，25个欧盟成员国共提交了231种水生态评价方法，其中79种方法用于河道水生态评价。大部分评价方法应用环波罗的海地区的生态数据进行了相互验证。

根据WFD相关文件，地表水体水生态评价结果分为5类：好、较好、中等、差、较差。其中处于“中等”“差”和“较差”等级的水体需要采取治理措施。2010年德国环保署数据表明，德国仅10%的地表水体达到水生态“好”和“较好”的等级[4]。

由于中国幅员辽阔，水生态环境具有多样性和复杂性，目前还没有成熟和统一的水生态监测与评价相关的技术标准或规范。研究将根据北京市水文总站近几年水生态监测的实践经验，就北京市水生态监测现状与评价方法相关问题进行论述与探讨。

1 实验部分

1.1 采样点布设

北京市地处华北平原的北部，属海河流域，天然河道自西北向东南贯穿五大水系：拒马河水系、永定河水系、北运河水系、潮白河水系和蓟运河水系，城市中心区多为经过人工改造的河道。北京没有天然湖泊，全市共有85座水库，其中大型水库有密云水库、官厅水库、怀柔水库和海子水库。通过对北京市五大水系分析，根据不同类型水体的代表性，选择6个水库、7个湖泊及4条河流，结合现有水质监测断面进行布点，监测断面位置如图1所示。采样点布设应在现场调查的基础上，根据水体的水文和水环境特征进行选定，一般应在湖库的出水口、进水口和中心区域等位置布设采样点。样点的多少可视水体大小和具体情况而定，精度应能够全面反映水体的水生态状况。研究中水库多为北京市重要供水水源地，现有水质监测代表断面以坝前出库口或取水口为主，水生态监测断面与水质监测断面保持一致。对于大型水库，在今后的监测工作中将增设水生态监测断面以便全面反映整个水体的水生态状况。

图1 北京市水生态监测断面示意图Fig.1 The location of sample sections for ecological status assessment of surface water bodies in Beijing area

1.2 监测指标

鉴于生态系统的复杂性，生态监测指标的选择往往是根据生态系统的类型进行选择，具体涉及到水文地貌、动植物、水质、土地利用等多个方面。

在评价河流、湖泊、地下水等水资源质量时，理化指标目前是应用最为广泛的指标类型，很早就被作为管理工具用于水资源保护工作。这些水质理化指标主要包括水体中各种阴阳离子浓度、溶解性气体、有机污染物、营养物质以及浊度、透光率等。 《地表水环境质量标准》(GB 3838—2002)，《生活饮用水卫生标准》(GB 5749—2006)和《地下水质量标准》(GB/T 14848—1993)具体对不同水体的水质指标在使用时应满足的浓度标准进行了分类规定。

但基于理化分析的水质监测评价并不能有效反映生态系统状态，满足水质标准的水体并不意味着生态系统处于良好的状态。而基于生物的基因、个体、种群等属性的生物因素指标与水质指标相比，能够提供一种生物或生态学上的评估，从而使评价结果更容易解释; 生物因素对整个生态系统功能的退化更为敏感，容易反映出生态系统遇到的长期的、累积性的影响。因此，基于生物属性的相关指标迅速发展起来[5]。美国环保局、WFD以及国内水生态监测的先行示范区大多将鱼类、大型底栖无脊椎动物、维管束植物和浮游植物作为水生态监测的主要生物因素。

除了水生态系统的理化指标和生物因素，水文地貌的状态作为非生物因素，在水生态系统中能够更容易反映人类活动对其干扰和破坏作用。WFD直接将受人类活动影响较大的河流(如航道、运河等水体)单独进行水生态评价。河流水文地貌的评价因子主要包括几何形态、河床底质、植被、水文、河流连续性、河岸改造、河滩利用等因素。

基于以上对水生态系统监测指标的分析和北京市河湖的具体情况，表1列出了3类监测要素和相关监测指标。

表1 北京市河湖水生态监测指标Table 1 Monitoring parameters for riviers and lakes ecological status assessment in Beijing area

注：“—”表示北京市河流通常不监测透明度。

1.3 评价方法

目前，美国和欧盟的湖库生态系统健康评价多采用生物学评价方法，即通过选择本地区未受人类活动影响的天然水体作为参照湖库，利用被评价水体的水生生物(如浮游动物、浮游植物、底栖动物、鱼类等)，理化指标以及水文地貌等要素与参照湖库的偏离程度对湖库生态系统的整体健康状况和等级进行分析和评价[6]。就北京地区而言，社会经济的发展导致水资源开发利用程度较高，很难找到一个未受到人类活动干扰的天然水体。为了解湖库水生态系统的健康状况，北京市水文总站联合首都师范大学以及中国环境科学研究院，于2009—2014年通过对北京市17个水生态监测站点的监测结果分析，初步建立起一套北京市湖库水生态评价指标体系和评价方法。

1.3.1 评价等级

根据2009—2014年北京市水生态监测成果和目前北京市各湖库水生态现状，北京地区湖库水生态系统健康评价等级分为5级，其基本特征见表2。

1.3.2 单项指标分类评价

对三大水生态监测要素的各项因子单独进行评价分类，按照“从劣不从优”的原则确定最终水生态健康状态。各单项指标评价方法如下：

1.3.2.1 水文地貌

参照北京市《山区河流水文地貌评价导则》(DB11/T 1173—2015)，根据河床几何形状、河床底质人工化状况、植被自然多样性、河流连续性、水利工程以及人类活动影响程度等将地表水体的河流水文地貌分为5级，分级标准详见表3[7]。

湖库的水文地貌评价要素在河流水文地貌分级标准的基础上增加了库滨带植被覆盖度、水体更新周期、水面面积和平均水深等评价因子，分级标准详见表4。

1.3.2.2 理化指标

水体物理、化学指标能准确地反映水体中污染物的种类、浓度和水环境状况，是水生态监测评估的必选项目，分水体水质类别评价与富营养化评价。

1)水质类别评价

表2 河湖水生态系统健康评价等级与基本特征Table 2 Grades and descriptions of ecological status assessment for rivers and lakes

表3 河流水文地貌分级标准Table 3 Classification standard for hydromorphological features of streams

表4 湖库水文地貌分级标准Table 4 Classification standard for hydromorphological features of lakes and reservoirs

2)富营养化评价

根据湖库水体5项理化指标[透明度(SD)、叶绿素a (Chla)、TN、TP、CODMn]的监测数据，参照修正的营养状态指数(TSIM)法，对湖库进行富营养化评价，评价等级分为：贫营养，中营养，富营养(轻度、中度、重度)。根据水体富营养程度评分对应生态系统健康状况：贫营养对应“优”(I级)，中营养对应“良”(II级)，轻度富营养对应“中”(III级)，中度富营养对应“差”(IV级)，重度富营养对应“劣”(V级)。

1.3.2.3 生物要素

生物要素评价因子主要包括浮游植物、浮游动物和底栖动物。对于维管束植物、鸟类、两栖类和鱼类由于调查条件的限制只进行定性分析。

通常情况下，生物群落的种类多样性指数越高，其群落结构越复杂，稳定性越高，水质越好；而当水体受污染时，多样性指数降低，生物种类趋于单一，群落结构趋于简单，稳定性变差，水质下降。研究分别采用浮游植物密度(Q1)、浮游动物密度(Q2)、浮游植物Shannon-Wiener多样性指数(H1)、浮游动物Margalef丰度指数(M)、底栖动物Shannon-Wiener多样性指数(H2)和底栖动物BI指数进行评估，具体分级标准见表5[8]。

表5 生物要素分级标准Table 5 Classification standard for biological parameters

2 结果分析

3个定量监测生物指标，即：浮游植物、小型浮游动物和底栖无脊椎动物。由于北京市平原区地表水水体受人类活动影响较大，多数河道进行了人工护坡、河床衬砌或建有人工闸坝等水工建筑物，因此评价中没有考虑水文地貌因素。

表6列出了2014年北京市17个典型地表水水体监测断面生物指标和理化指标监测值及评价结果。图2为水生态评价结果统计。

表6 2014年北京市典型地表水体理化指标与生物指标监测评价结果Table 6 The assessment results of physico-chemical and biological parameters for typical surface water bodies in Beijing area in 2014

注：“—”为受高水温影响，未采集到底栖动物。

图2 北京市典型地表水体水生态评价结果统计Fig.2 The results of ecological status assessment for typical surface water bodies in Beijing area

从表6和图2可以看出，北京市典型地表水体水生态状态综合评价结果中处于“中等”级别的监测断面数量为7个，占监测断面总数的41.2%；其中理化指标处于“良”等级的监测断面数量为4，但由于水生物指标评价结果显示没有处于这个等级的断面，基于“从劣不从优”的评价原则，因此综合评价结果也没有断面达到“良”的等级。

研究中构建的北京市地表水体水生态监测多要素评价方法，是基于目前应用比较广泛的生物多样性指数计算方法进行水体生物要素的分级，参照国家《地表水环境质量标准》(GB 3838—2002)对水体理化指标进行分类与评价，并根据北京市地方标准对水体水文地貌进行分级，最终对三大要素的分级结果依照“从劣不从优”的评价原则，给出综合评价结果。从2014年评价结果来看，评价等级基本符合河湖水生态系统健康基本特征(表2)。但由于目前还没有其他广泛应用的系统性多要素综合水生态评价方法见诸文献，因此还无法将该评价结果与其他方法的结果进行对比。当然该评价方法的准确性也会受基础数据、取样点位以及取样时间的影响，尤其是生物要素的监测结果。该评价方法的客观性和有效性还需要长期连续监测数据进行验证，但初步的评价结果仍可以帮助发现水生态系统中哪个要素影响了水生态质量，为指导后期水资源管理和生态修复提供重要的建议。

3 结语

目前，中国还没有成熟的水生态监测与评价的相关技术标准或规范。根据北京市多年水生态监测工作的经验，确立了水生态监测的水文地貌、理化指标和生物要素，并提出三大要素所包含的各单项指标分级标准。依据2014年监测结果进行评价，评价结果表明：6个水库型水体均为“中等”级别；7个城市景观湖泊仅有1个为“中等”级别，2个为“劣”级别，其余4个处于“差”的等级；4个河道型监测断面均处于“劣”的等级。

研究重点监测的是北京市广受关注的6大水库和平原区景观湖泊及部分河道。对山区河流等水体由于受监测条件限制，该次评价没有涉及。在生物要素评价中鱼类和鸟类等大型生物还未纳入，因此对于水生态监测要素和评价指标体系将在此研究基础上进一步完善。

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Assessment of Ecological Status for Surface Water Bodies in Beijing Area

SUN Feng,HUANG Zhenfang,YANG Zhongshan,TAO Liang

Beijing Hydrological Centre,Beijing 100089,China

The biological as well as supporting hydromorphological and physico-chemical quality elements are used in assessment of the ecological status for surface water bodies in Beijing area based on practices in the last five years. The biological quality elements include phyto-plankton, zooplankton and benthic invertebrates in quantities. The ecological status is classified into 5 levels based on the monitoring data in 2014.The results show that 7 water bodies were classified as moderate status, accounting for 41.2% in total. The biological quality elements weight a bit more than physic-chemical parameters to the final classification by the principal of one-out, all-out rule.

assessment of ecological status;lakes and rivers in Beijing；physical and chemical parameters;biological quality elements;hydromorphogy

2016-02-26;

2016-06-13

孙 峰(1977-)，女，山东烟台人，博士，高级工程师。

X826

A

1002-6002(2017)02- 0082- 06

10.19316/j.issn.1002-6002.2017.02.13