基于不同生物类型的河流水生态健康评价研究

(安徽省·水利部淮河水利委员会水利科学研究院 水利水资源安徽省重点实验室，安徽 蚌埠 233000)

河流水生态系统对人类社会的发展起着至关重要的作用，它不仅能为人类提供淡水资源以及生活、工农业用水，而且还能提供诸如商业、景观、休闲娱乐等诸多的服务功能[1]，在维系环境的水量平衡和能量平衡方面同样具有非常重要的作用。但是，由于人类经济社会的快速发展，河流水生态系统已经受到严重破坏，如果不对河流的水生态环境加以修复和保护，不久的将来，部分依赖河流发展的城市和地区将会面临重大的发展危机[2]。

随着人类对河流水生态认识的逐渐加深，开始意识到保护河流水生态的重要性，特别是近年来，全世界范围内出现的水生态危机也引发了保护水生态健康的社会热潮[3]。如何评价水生态现状和修复受损的水生态系统，已成为促进经济社会可持续发展需要解决的问题[4]。因此，水生态健康评价也越来越受到公众重视。国外学者提出一系列水生态评价方法，包括生物完整性指数IBI(美国,1981年)、快速生物监测协议RBPs(美国,1989年)、岸边与河道环境细则RCE(瑞典,1992年)、河流健康计划RHP(南非,1994年)、溪流状态指数ISC(澳大利亚,1999年)等指标体系法[5]，以及河流无脊椎动物预测和分类计划RIVPACS(英国,1984年)、河流评价计划AUSRIVAS(澳大利亚,1994年)、水框架导则WFD(欧盟,2000年)等指示物种法[6]。国内则有包括生物完整性指数IBI、Shannon-Wiener多样性指数、BMWP计分系统、底栖动物BI指数的指示物种法[7]和综合健康指数评价法、模糊综合评价法、灰色关联评价法等指标体系法[8]。然而，国内基于上述方法的水生态健康评价往往有所侧重，特别是河流水生态中针对生物的评价并未重点评价植物，而是侧重评价动物，不能较好地反映河流水生态环境生物健康状况。

鉴于此，本文基于不同生物类型，对河流水生态健康评价的研究方法、评价标准、指标权重确定进行综合研究分析构建了基于不同生物类型的河流水生态健康评价体系，以期为后期河流水生态健康评价提供科学依据，也为河流的水生态修复和保护提供技术支撑。

1 材料和方法

河流水生态调查应对浮游植物、浮游动物、大型底栖动物和鱼类进行采集。采样时间至少应在评价年的春夏秋冬4季各采集一次，如有必要，可在各季节内加采一次。采样点的设置应具有代表性、便利性。可根据相关资料确定多个备选点位，再通过现场查勘，确定合适的采样地点。

1.1 浮游植物

1.1.1 样品的采集与鉴定

参照中国环境科学出版社出版的《水与废水监测分析方法(第四版)(增补版)》中第五篇第一章“水生生物群落的测定”以及《内陆水域浮游植物监测技术规程》(SL733-2016)中的方法。

(1)浮游植物定量样品的采集。利用1L采水器采集水样，在水体表面(水下 0.5 m)和水体底层(底层上 0.5 m)分层采集浮游植物定量样品。

(2)浮游植物定性样品的采集。利用25号浮游植物网(孔径64 μm)在上层水体呈“∞”字形捞取3～5 min，并将滤取的样品放入样品瓶中，加入鲁哥氏液进行固定浓缩，带回实验室在400～1 000倍显微镜下，鉴定浮游植物样品的种类。

1.1.2 评价方法及评价标准

(1)多样性指数评价。根据河流的具体情况，采样点选择能反映河流基本生态功能的河段，原则上应对评价河流设置至少5个采样地点。如果评价河流较长，则采样点间隔应尽量不超过50 km，且需对特殊河段，如河流入汇处、闸坝上下侧一定范围内加密采样。

多样性指数评价的侧重点在于评价生物群落的丰富度及稳定性。利用Shannon-Wiener多样性指数(H)和Pielou均匀度指数(J)分析浮游植物多样性。浮游植物多样性指标赋分标准见表1。

表1 浮游植物多样性指标赋分标准

Shannon-Wiener多样性指数计算公式为

(1)

(2)

式中，S为浮游植物种类总数；Pi为第i种的个体数与样品中总个数的比值(Ni/N)。

(2)完整性指数评价。根据河流的具体情况，选择合适的参考点和受损点，参考点应是未受到人类干扰的，一定范围内没有人类活动及污染源的地方，受损点则是受到人类干扰比较明显的地点。完整性指数评价的侧重点在于评价生物群落的受损程度。浮游植物完整性指数的备选参数应根据具体情况选择，通常备选参数应能反映生境生物的数量及质量信息。

备选参数要进行敏感性和冗余度分析，通过分析筛选并淘汰不能充分反映水生态系统受损情况的参数[9]。①敏感性分析。利用相关软件绘制备选参数的箱线图，分析比较参考点和受损点间的IQ(25%～75%分位数)的重叠程度。若两个箱体有部分重叠，但各自中位数都在对方箱体范围之外的，以及两个箱体没有重叠的[10]，则应保留此时的备选参数并做进一步分析使用。②冗余度分析。对保留下来的备选参数进行皮尔逊相关性计算，当备选参数之间的相关系数︱r︱>0.8时，则表明两个备选参数间有较高的相关性，只保留其中一个进行分析即可，这样可以最大程度地保证所选参数的独立性较好。③评估参数分值计算。备选的各参数通常具有自身的计量单位，不便于整体进行分析研究。为便于分析，对参数的评价采用计分评价，具体为：对于随干扰增加而下降或减少的参数，以样本从高到低排序的5%分位数值作为最佳期望值，该类参数的分值=参数实际值/最佳期望值；对于随干扰增加而上升或增加的参数，则以95%的分位数值作为最佳期望值，该类参数的分值=(最大值-实际值)/(最大值-最佳期望值)[11]。

将浮游植物的评价参数的分值求和，得到浮游植物IBI指数值。以参照系样本的IBI值从高低排序的25%分位数值作为最佳期望值，IBI指数赋分100分[12]。评价河段的浮游植物IBI赋分计算公式如下

(3)

式中，IBIr为评价河段浮游植物完整性指标赋分；IBI为评价河段浮游植物完整性指标值；IBIE为评价河段浮游植物完整性指标最佳期望值。

浮游植物完整性指标赋分标准见表2。

表2 浮游植物完整性指标赋分标准

根据不同河流的具体情况，对多样性指数评价和完整性指数评价的分值进行权重分配，规定河流水生态健康评价浮游植物赋分满分为100分。

1.2 浮游动物

1.2.1 样品的采集与鉴定

参照中国环境科学出版社出版的《水与废水监测分析方法(第四版)(增补版)》中第五篇第一章“水生生物群落的测定”以及《淡水浮游生物调查技术规范》(SC/T9402-2010)中的方法。根据该方法对浮游动物进行定量样品和定性样品采集。

1.2.2 评价方法及评价标准

参考浮游植物评价方法及评价标准。

1.3 大型底栖动物

1.3.1 样品的采集与鉴定

参照中国环境科学出版社出版的《水与废水监测分析方法(第四版)(增补版)》中第五篇第一章“水生生物群落的测定”中的方法。根据该方法对底栖动物进行定性样品和定量样品采集。

1.3.2 评价方法及评价标准

(1)多样性指数评价。利用Shannon-wiener多样性指数和Margalef丰富度指数分析大型底栖动物多样性。计算公式为

(4)

d=(S-1)/lnN

(5)

式中，S为物种总数；Pi为第i种大型底栖动物的个体数与样品总个数的比值(Ni/N)。

大型底栖动物多样性指标赋分标准见表3。

表3 大型底栖动物多样性指标赋分标准

(2)完整性指数评价。参考浮游植物评价方法及评价标准。

1.4 鱼 类

1.4.1 样品的采集与鉴定

参照中国环境科学出版社出版的《水与废水监测分析方法(第四版)(增补版)》中第五篇第一章“水生生物群落的测定”。根据该方法对鱼类进行样品采集。

1.4.2 评价方法及评价标准

(1)鱼类损失指数。鱼类损失指数指评价河段内现状鱼类种数与历史参考系鱼类种数的差异程度[13]，调查鱼类种类不包括外来物种。具体的指标计算公式为

(6)

式中，FOE为鱼类损失指数；FO为评价河段调查的鱼类种类数量；FE为20世纪80年代前该评价河段的鱼类种类数量。

鱼类损失指数赋分标准见表4。

表4 鱼类损失指数赋分标准

(2)完整性指数评价。参照Fausch等修订的12个生物完整性指标方法[14-15]，根据评价河流的实际情况，确定河流的鱼类种类及优势鱼种。用鱼类IBI指数来表示，分为3个评分标准。鱼类IBI指标体系赋分标准具体见表5，鱼类生物完整性指标赋分标准见表6。

表5 鱼类IBI指标体系

注：其中种类结构中2，3，4应根据具体评价河流的优势鱼类种类数确定该项的鱼类科目。

表6 鱼类生物完整性指标赋分标准

根据不同河流的具体情况，对鱼类生物损失指数和完整性指数的分值进行权重分配，规定河流水生态健康评价鱼类的赋分满分为100分。

2 权重确定

权重分析采用层次分析法(AHP)。层次分析法的本质上是一种“分解-判断-综合”的基本决策思维过程[17]，步骤如下。

2.1 构造两两比较判断矩阵

基于不同生物类型构建河流水生态计算指标权重，运用“1～9”比较标度法把各生物类型之间的相对重要性判断结果用数值表示[18]。准则层的浮游植物、浮游动物、大型底栖动物和鱼类进行两两比较，对重要性进行赋值，据此构建判断矩阵。

2.2 层次单排序

计算构建的判断矩阵的最大特征根及对应的特征向量，计算得出4种生物类型所占权重。层次单排序的两个关键问题是对构造的判断矩阵进行最大特征根和特征向量的计算，采用求和法。

将矩阵按列归一化：

(7)

按行求和：

vij=∑bij

(8)

归一化：

(9)

所得wi(i=1,2,3，….，n)即为相对权重值。

2.3 一致性检验

权重分配计算是否合理，还需要通过一致性检验确定。计算步骤如下。

(1)计算一致性指标C.I.

(10)

式中,n为判断矩阵的阶数；λmax可由下式求出：

(11)

式中,W为权重向量矩阵，A为判断矩阵。

(2)随机一致性指标C.R.

(12)

式中，R.I.为平均随机一致性指标，对于低阶的平均随机一致性指标可以通过查表得出。2阶以下的判断矩阵，R.I.为0，上述计算公式无意义，此时规定C.R.为0，即表示判断矩阵总是具有完全一致性。对于3阶及3阶以上的判断矩阵，当C.R.≤0.10时，认为判断矩阵的一致性令人满意；当C.R.>0.10时，则认为判断矩阵的一致性存在较大的偏差，需要重新调整之前构建的判断矩阵，直到最后的计算结果满足C.R.≤0.10，表明此时建立的判断矩阵一致性检验合格，先前通过层次单排序分析得到的权重顺序合理有效。

本次所构建的判断矩阵为4阶矩阵，其R.I.为0.9，通过层析分析法对准则层及各指标层的权重进行计算，具体权重分配见表7。

表7 权重分配表

通过MATLAB数学软件计算得：判断矩阵的λmax=4，C.I.=0，C.R.=0，判断矩阵一致性检验合格，λmax所对应的特征向量进行归一化得到W=(0.125，0.125,0.25,0.5)T，W的各个分量值就是各评价提供一定参考。

3 健康评价标准

根据不同生物类型计算的健康分值以及确定的权重，计算出整体的水生态健康分值，通过相应的健康刻度(理想状况：100分；健康：75分；亚健康：50分；不健康：25分；病态：0分)确定基于不同生物类型的河流水生态健康状况。

4 结 语

本文基于不同生物类型，对河流水生态健康评价进行综合研究，给出水生态健康评价具体的研究方法、评价标准、指标权重分配。然而，河流水生态健康评价涉及的因素众多，不只是评价河流的水生生物，还需考虑水资源、水环境状况等，目前尚未有普遍适用的河流水生态健康评价方法标准。希望本文的分析研究能为更加科学准确地进行河流水生态健康评价提供一定参考。