水生态环境质量评价体系研究

阴 琨，王业耀

中国环境监测总站，国家环境保护环境监测质量控制重点实验室，北京 100012

在目前社会和经济快速发展形势下，很多水环境问题都逐步暴露出来，主要反映在水质污染、水生生物受损及水生态环境破坏等不同层面。现阶段，水生态环境的破坏也越来越受到关注，我国对于水污染的控制措施也由单纯的水体化学污染控制逐步转变为对水生态环境质量的保护[1]。

水生态环境质量的监测和评价是指通过对河流生态系统中不同水生态指标(非生物和生物)的监测，来反映河流生态系统完整性状况。20世纪80年代，西方国家水环境管理的重点由水质保护拓展到了水生态环境系统的恢复方面[2]，而且已经将水生态环境质量评价工作及流域管理的理念深入到其法令法规以及国家范围的监测计划中，其中欧盟、美国、澳大利亚、英国和南非等已经建立了各自的评价体系和技术方法体系，各类评价体系在发展里程中表现出不同的特点和适用特性。目前，我国虽然借鉴并引入了生态完整性的概念，并在辽河、漓江、松花江、淮河等各流域开展了典型评价体系的案例研究，但尚缺乏对各体系结构特点和适用性的深入分析，难以为我国水生态环境质量评价体系提供有力的借鉴。

我国基于“十二五”国家水体污染控制与治理科技重大专项“流域水生态环境质量监测与评价研究”的研究，初步构建了一套流域水生态环境监测和评价方法，包括水生态环境监测指标体系、监测技术方法体系、综合性评价方法体系[3]。但现阶段，我国对于水生态环境质量评价体系尚处于研究阶段，很多技术内容有待明确和完善。本文在借鉴典型评价体系及现有研究基础上，提出了生态环境质量评价技术体系框架，明确了参照位点的选择原则，补充了评价方法的选择方式，提出了增设和实施监测计划的方案，进一步完善和规范了我国流域水生态环境质量评价体系，为推广和开展水生态环境质量监测评价工作提供有效的技术支持。

1 典型水生态环境质量评价体系

在前期研究中已经着重对最典型的3类评价方法[生物完整性指数(IBI)法，预测模型法，欧盟水框架指令(WFD)]的应用案例进行了归纳概述[4]，尚未对其体系特点进行深入分析。本文将对评价体系的构成和特点、适用性进行补充分析，为我国构建水生态环境质量评价体系提供借鉴。

1.1 IBI评价体系

1.1.1 IBI评价体系的构成和特点

IBI评价体系(见图1)的目的是保护水生生物的健康状况，维持水体中生物生存的良好状态[5-6]。监测要素由物理、生物和化学3个要素构成。其中，IBI评价体系的物理要素更关注与水生生物生境/栖息环境直接相关的物理生境参数，如底质类型、栖境复杂性、河岸稳定性等；与WFD体系不同的是，WFD更侧重流量和水流动力学等流域的水文参数。其次，IBI评价体系中生物要素可为单类群或多类群组合，包含鱼类、底栖动物、着生藻类、浮游动植物、大型植物等，监测类群的选择更自由，对生物完整性的表征也更全面。IBI评价体系的特殊性在于，核心是评价生物群落的完整性，以生物的完整性表征水生态的完整性。物理生境要素和水质理化要素不参与水生态环境质量的评价，更多的是为维持和改善水体生物完整性提供其生存环境质量的信息和影响分析数据，用于分析该区域生存环境的质量是否对完整性造成影响和破坏。

图1 IBI体系框架Fig.1 Framework of IBI system

1.1.2 借鉴意义

对美国、巴西、比利时、韩国、中国等各国开展IBI评价的案例数据(表1)分析结果表明，IBI可对不同的河流类型和不同尺度范围的河流水生态环境开展评价。山区溪流、林区溪流、平原河流、可涉和大型不可涉河流等均可采用IBI评价体系进行评价；调查区域的尺度从河流、水系、流域到国家范围；调查的流域范围从几百平方公里到几十万平方公里。开展IBI评价所需的工作量，主要取决于监测位点的数量及调查周期。确定参照状态(获得参照位点数据)是IBI评价的必要前提条件，所需的参照位点数量随调查区域的大小和准确度有关，河流尺度的监测，参照位点设立几个即可开展有效评价，但数量越多评价的准确度和代表性越好。此外，通常开展1～3 a调查，获取的数据量即可完成评价。

表1 IBI评价体系应用案例分析

注：空表示无相关内容。下同。

IBI体系对于我国开展水生态评价体系的借鉴意义在于，可以从各级生物群落构成变化、污染耐受性的变化以及丰度的变化等方面提供生物完整性变化的全面信息。在不同类型和不同尺度评价时均可以应用，且调查区域可根据监测能力选择生物类群，这对于类似我国地域广阔、河流类型多样、群落监测能力存在地区差异的国家非常值得借鉴；另一方面，借鉴IBI的前提是需要调查区域内存在满足参照状态的位点，所以对受损较重无法找到参照位点的河流或水域不适用。同时，由于IBI评价指标的开放性使得在全国范围难以开展比较分析[16-17]，不适合在各流域间进行横向比较。但对于各流域本身的纵向变化可以实施有效评价。

1.2 预测模型评价体系

1.2.1 预测模型评价体系的构成和特点

预测模型评价的目的是反映河流水生态环境质量和受干扰样点生物多样性丧失的程度[18]，基于环境变量和生物应变量的响应关系来预测生物多样性的状态(图2)。这使得预测模型评价体系要素的信息量必须能提取足够的环境变量信息，要素指标的构成较IBI体系更复杂，获取难度也更大。目前，典型的预测模型体系，如澳大利亚AUSRIVAS模型、英国RIVPACS模型和加利福尼亚模型建立采用的预测变量来自多种要素指标，包括水体水文要素(如河流深度、长度和宽度)、气候要素(年气温变化、平均气温)、地理要素(海拔、经纬度)、生境要素(卵石比例、河岸植被)和化学要素(排放物、电导率)。

另一方面，预测模型应变量必须基于大型底栖动物群落数据，且为获得准确的应变量信息需要提供大量的底栖动物多样性数据，这点与IBI相比，在评价生物类群的选择上存在局限性，即此方法只通过单一底栖动物表征河流健康状况,若河流健康状况受到的破坏未能体现在该物种的变化上,则得不到真实的评价结果。此外，预测模型的建立和预测评价需运用聚类分析、辨别力函数分析等复杂的统计分析手段，对评价人员有更专业的要求，这也是模型在业务化应用上的另一个局限性。

图2 预测模型评价体系Fig.2 Evaluation system of prediction models

1.2.2 借鉴意义

对澳大利亚、美国、英国等国家预测模型评价的案例分析(表2)结果表明，预测模型可直接用于流域面积相对较小的河流和溪流，但在不可涉大型河流或者区域范围开展预测，需要基于生态功能分区数据。其次，用于建立模型的参照位点数量一般达到几百个，远远高于IBI评价对参照位点数量的需求。而且，预测所需底栖动物多样性数据必须系统完整，获取这些数据需要至少3 a以上的调查数据，获取生物数据的工作量非常大。

表2 预测模型评价体系应用案例分析

借鉴预测模型体系的意义在于可掌握河流生物多样性和群落构成的变化程度，即掌握河流中底栖动物群落的构成偏离原始无污染状态时的程度，此目的下预测模型是非常有利的评价工具。预测模型可以应用在溪流/河流的评价，也可以应用于具有生态功能分区数据基础的流域/区域者尺度的评价。实施预测模型评价的前提是调查水域存在足够数量满足参照状态的位点，具备系统完整的底栖动物群落构成的数据。

1.3 WFD评价体系

采用WFD开展评价的目的在于实现水资源可持续利用，要求流域水文、生物及化学3个要素的质量要同时达到良好状态，才能实现其流域生态质量的良好状态[25-26]。目前，丹麦、德国、芬兰、瑞典等欧盟水框架指令各成员国均已按照WFD评价体系的要求开展了大量国家尺度的水生态环境质量评价[27]。由于WFD水生态环境保护高要求的管理目标、严格的评价标准和大量基础数据的需求等，使得在这个体系实施过程中，一些欧洲国家还不能严格采纳WFD方法开展河流生态评价，多数水体生态状况评价结果也还达不到欧盟要求的目标[28]。

现阶段，我国还不适合完全吸纳WFD的评价模式，但WFD流域环境管理方面的很多先进经验[29]非常值得我国借鉴。首先，WFD评价体系设置监督监测、运行监测和调查监测3个类型的监测计划，以较少的工作量实现不同的评价需求(见图3)。其次，借鉴WFD对流域水生态状况评价的意义还在于，WFD要求说明水生生物与环境压力间的关系，水文、形态、理化参数被评价体系列为非常重要的评价参数[30]，与以生物群落保护为目的的IBI体系和预测模型体系不同，WFD真正实现了从水生态完整性角度评价流域水生态环境质量。

图3 WFD体系框架Fig.3 Framework of WFD system

2 我国水生态环境质量评价体系

水生态环境质量评价技术体系包括5项主体内容：评价目的、评价要素和指标、监测技术、监测计划、评价方法(见图4)。

2.1 评价目的

建立水生态环境质量评价体系的目的是了解我国流域的水生态环境质量状况，掌握变化趋势，找到环境压力因素或人为干扰因素，通过评价的实施为流域环境管理提供基础数据支持，协助管理者开展流域保护措施。

图4 我国水生态环境质量评价技术体系框架Fig.4 Framework of assessment system of national water eco-environmental quality

2.2 要素和监测计划

2.2.1 监测要素和方法

监测要素和指标、监测技术的内容，在文献[3]中已经提出了基本要求。评价要素由生境、水质理化和生物3个要素构成；监测的频次以年度或季度开展监测，监测时间一般选择春季或者秋季；布点原则遵循延续性、代表性、一致性、丰富性等7项原则。

2.2.2 参照位点的选择

按照以下原则确定参照位点：①生境状况：区域内无明显受人类活动干扰迹象；其上游无点源污染，河岸植被带覆盖状况较好；且栖息地生境质量的评分标准中，人类活动和土地利用2项得分平均分大于13分。②生物状态：有襀翅目等清洁水体指示性昆虫存在。

2.2.3 监测计划

借鉴WFD监测模式，基于不同子目的需求监测活动应分为3类监测计划进行实施：调查性监测、监督性监测和分析性监测，以更为有效的方式达到保护和管理流域水生态环境的目的。

调查性监测：目的是监测流域水生态环境的长期变化和完整的质量状况，监测内容为所有生物要素指标、所有生境参数、所有的水质理化指标，在全流域监测范围开展监测，3 a开展1次。

监督性监测：目的是在调查性评价基础上，在掌握流域水生态环境完整的质量状况下，对流域部分区域可能发生的水生态环境质量变化进行评价，寻找流域内可能引起水生态环境质量发生变化的压力因素和潜在威胁，监督流域水生态环境的变化情况。需要监测的目标是环境压力因素，监测内容为所有生境参数、关键的水质理化指标，监测范围为全流域范围，在2次调查性评价期间开展，1 a监测1次。

分析性监测：目的是基于监督性评价结果，发现流域内存在明显的人为活动的干扰(如排污、挖沙、筑坝等)时，分析干扰对流域水生态环境产生的影响，监测内容为所有生物要素指标、所有干扰影响的生境参数、相关的水质理化指标，监测范围仅为流域内发生干扰的区域，监测评价要在干扰发现时及时开展。

2.3 评价方法

2.3.1 要素评价

水质理化指标按照《地表水环境质量标准》(GB 3838—2002)中不同水质类别标准限值进行单因子评价；生境按照栖息地生境质量中10个参数进行评分评价[3]。

生物指标评价方法有多种类型(主要有IBI法、预测模型法和生物指数法)，应基于研究区域特点选择科学的评价方法(图5)，根据参照位点、监测区域尺度、流域背景数据等条件情况来逐步确定合适的评价方法。

图5 评价方法选择的技术路线Fig.5 Technical route for evaluation methods selection

在几类评价方法中，IBI和预测模型法均基于参照点位来建立，仅适用于存在参照状态的河流。对于生态环境受损和干扰严重、已不存在满足参照状态位点的河流，可采用生物指数法进行评价，生物指数法选择原则：指数评价结果与压力干扰因素(生境和水质参数)存在显著相关性；尽可能包含多样性和耐污性2个方面的信息；评价结果能表现出与预期响应一致的趋势(见表3)。

表3 生物指数的预期响应结果

注：“*”指当水生态环境受损时指数的响应趋势，“↓”表示降低，“↑”表示升高。

2.3.2 综合评价

从水生态完整性角度采用水生态环境质量综合指数(WQI)进行综合评价，可参考金小伟等[3]对生境、水质理化和生物要素赋分的推荐值(0.2、0.4、0.4)分配权重，也可根据不同流域对3个要素的保护力度的不同自行加减权重值，最终将3个要素加权求和后计算WQI总分值。

采用5级评价(表4)：优，表征水生态环境处于受干扰很小或未受干扰的最优状态；良好，表征水生态环境受到有限干扰，处于相对良好的状态；轻度污染，表征水生态环境受到一定程度的损伤和干扰，状况一般；中度污染，表征水生态环境受到较大的损伤和干扰，状况比较差；重度污染，表征水生态环境受损受到严重损伤和干扰，状况很差。

表4 评价等级和描述

3 结论

基于完整性的流域水生态环境质量评价方法越来越受到重视，评价体系的建立和推广可为流域环境管理提供重要的基础数据，为管理者开展流域保护措施提供重要的技术支撑。本文有针对性地解决了现有评价体系中待明确和完善的技术内容，同时提出下一步待解决的关键问题：①参照位点确定原则的有效性。参照位点确定方法是否适用于我国不同类型的流域，有待在不同流域评价研究中进行有效性的分析和修正。②监测计划的完善。如何在各监测计划中科学地识别和监测环境压力因子，需要明确关键指标的选择原则和确定方法。③方法的可比性。在如何判定参照状态的确定方法不同、各水体选取的评价方法不同、评价指标不尽一致等因素下，不同的流域或水体间评价结果的可比性。随着今后我国评价体系的逐步成熟，相信流域水生态环境质量评价工作的完善性和可靠性也会随之提高，我国对流域生态环境的监测和管理将会迈入基于流域生态质量和生态健康保护的新领域。

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