南京市江宁区牛首山河水生态监测与安全评估研究

黄昌硕， 盖永伟， 吴 京

(1.南京水利科学研究院 水文水资源与水利工程科学国家重点实验室， 江苏 南京 210029； 2.江苏省水资源服务中心， 江苏 南京 210029)

1 研究背景

目前，国内现有的相关标准、规范和导则中，涉及到水生态监测与安全评估的内容远不能满足生态文明城市建设的需求，相关指标应用并未广泛普及，尚未建立常规性的动态监测体系[1]。

近年来，南京市江宁区河流生态状况受经济社会高速发展的影响，个别时段部分河段水质状况较差，不能满足群众对美好生态环境的需求。因此，开展河流水生态监测与安全评估研究，有助于摸清河流水生态系统状况，为生态系统保护与科学恢复提供基础支撑，也有助于提高周边群众的生活满意度。

本次研究以南京市江宁区牛首山河为例，对河流水生态状况进行监测和安全评估，为促进河流生态系统的整体恢复提供技术支撑。

2 研究区概况

江宁区位于南京市南部，长江下游南岸，区域总面积1 558 km2，水域面积186 km2(不含长江)，处秦淮河流域中游、邻近长江，过境水资源量丰富，降水充沛。牛首山河系外秦淮河支流，西起洋山、东至外秦淮河干河，属太湖流域。河道由人工纳污渠(沿隐龙路及沿康平街)、硬化岸堤河道段、自然岸堤河道段等组成，全长约8.0 km，流域面积约46.4 km2，沿河设有何魏泵站、长山泵站、江南青年城处理站、水阁路桥等污水提升或处理设施。牛首山河作为江宁城区的主要支流之一，是城市生态系统的重要组成部分，近年来受到人类活动的剧烈干扰，其水质逐步出现恶化状态，河流生态系统受到严重破坏。这几年，通过实施截污治污、生态修复等一系列工程措施，其生态环境状况已有明显好转，但依旧不能满足周边群众对生态环境日益增长的高需求。牛首山河具体位置见图1。

图1 南京市江宁区水系及牛首山河位置和监测点布置图

3 研究方法

本次研究通过在牛首山河上布设监测站点和现场采样调查等手段[2]，构建牛首山河水生态安全评估指标体系，选择基于熵值法-物元可拓模型综合评估其水生态安全状况[3]，为牛首山河生态治理与修复提供科学依据。

3.1 水生态监测点布设方案

根据牛首山河的河流长度、形态特征、水文条件和评估需要，设置3个河岸带现场调查点与水质监测点，牛首山河1监测点处于河流下游，牛首山河3监测点处于河流上游。调查时间为2016年8月和2016年11月，分两次对牛首山河开展了浮游植物和底栖动物现场监测与调查。水质监测选择的两个季节为夏季和秋季，是浮游植物生长的盛期，也是水质的敏感时期，能较好地反映河流生态系统的健康状况[4-6]。现场河岸带调查于2016年8月进行，表1给出了牛首山河的3个监测点位坐标，监测点位置如图1所示。

表1 牛首山河水生态监测点经纬度

3.2 水生态安全评估指标与评估指标

3.2.1 评估指标的选取 牛首山河附近很多小区并未建立完善的污水处理设施，生活污水直接排入九龙湖，然后经过泵站进入河道。因此，在充分考虑到牛首山河自身资料条件和监测采样难度及成本，同时结合实际情况，依据科学性、完整性、实用性、可评价性的原则，牛首山河水生态安全评估指标选取了水质(RC1)、藻类密度(RC2)、大型底栖动物生物多样性指数(RC3)、重金属污染状况(RC4)、天然湿地保留率(RC5)、河流形态结构(RC6)、水资源开发利用指数(RC7)、最低生态水位满足程度(RC8)、河流连通阻隔状况(RC9)、水功能区水质达标率(RC10)、防洪达标率(RC11)等11个指标[7]，详见表2。牛首山河现场采样调查主要监测指标包括水质、浮游植物、底栖动物、重金属等指标，其中水质监测数据见表3，夏季和秋季浮游植物优势种见表4，夏季和秋季各监测点浮游植物多样性指数见表5，夏季和秋季底栖动物各物种密度和生物量见表6，夏季和秋季各监测点底栖动物多样性见表7，夏季和秋季各监测点沉积物重金属含量均值见表8。其余指标主要根据《江苏省水资源公报》《江苏省统计年鉴》和江宁区水务局提供的水位流量数据等计算得到。

3.2.2 评估标准的确定 本文研究的河流水生态安全状况评估等级划分为非常安全(Ⅰ级)、较安全(Ⅱ级)、基本安全(Ⅲ级)、不安全(Ⅳ级)、极不安全(Ⅴ级)5个等级[9]，其中各等级的临界值都采用目前已有的规范、标准和研究成果中的指标临界值，

表2 牛首山河安全评估指标-监测指标

注：表中“*”表示数值为优势度。

表3 牛首山河水质监测数据 mg/L

如水质监测指标临界值选用地表水环境质量标准(GB 3838-2002)中的基本指标标准限值，河流连通阻隔状况、天然湿地保留率、大型底栖动物生物多样性、重金属污染状况、水资源开发利用率等5个指标参考《河流健康评估指标、标准与方法(试点工作用)》(办资源[2010]484号)中指标的临界值，最低生态水位保障程度、水功能区水质达标率、防洪指标等3个指标参考江苏省水利厅发布的《江苏省主要河流健康状况报告》中指标的临界值，河流形态结构、藻类密度等2个指标参考国内外水生态安全评估指标相关研究成果以及专家建议等确定评定等级临界点[10-12]。表9给出了河流水生态安全状况总体评估标准分级。

表4 牛首山河夏季和秋季浮游植物优势种

注：表中数值为优势度。

表5 牛首山河夏季和秋季各监测点浮游植物多样性指数

表6 牛首山河夏季和秋季底栖动物各物种密度和生物量

表7 牛首山河夏季和秋季各监测点底栖动物多样性

表8 牛首山河夏季和秋季各监测点沉积物重金属含量均值 mg/kg

3.3 水生态安全评估方法

目前，国内外学者在水生态安全评估工作中大量应用了灰色聚类法、模糊综合评估法、人工神经网络法、模糊物元分析法等，在众多评估方法中，由于物元可拓模型是直接面向问题而不是面向数据或空间形式的处理方法，因此本文选取能够更好地反映水体实际情况的物元可拓模型方法对河流水生态安全状况进行评估，同时针对物元可拓模型中存在的指标权重确定不太理想这一问题，采用熵值法对其进行改进[13-16]。

熵值法是一种客观赋权法，在信息论中，熵值反映了信息无序化的程度，熵越大，有序程度就越低，不确定性越大；反之，熵越小，其有序程度越高，不确定性越小。熵值法计算步骤包括数据标准、计算参评对象指标值的比重、计算指标信息熵值和信息效用值、计算指标权重。熵值法确定指标权重的本质主要是利用了指标信息的价值系数来计算，其价值系数越高，权重就越大，对评估结果的贡献程度就越大。在指标权重确定的过程中不需要加入任何人为主观信息，极大程度上削弱了极端值对综合评估的影响。

物元可拓模型通过评估级别和实测数据，得到模型的经典域、节域及关联度，从而建立定量综合评估模型。物元可拓评估的具体计算步骤包括确定经典域、确定节域、确定关联函数、计算待评估物元同评估等级间的综合关联度、评定等级、计算物元隶属程度等。熵值法和物元可拓模型的具体原理和计算过程本文不再冗述。

表9 江宁区河流水生态安全综合评估等级划分

本次研究选择的熵值法-物元可拓综合评价模型可以处理各评价等级间的过渡问题，并且很好地降低了人为对权重的干扰程度，能够有效地反映出河流水生态安全状况。

4 河流水生态安全综合评估

4.1 构建经典域和节域

由于所选择的指标中既有正向指标(越大越优)，又有逆向指标(越小越优)，且量纲和尺度不同，因此，需要对指标数据进行标准化，处理后每个指标的取值范围为[0，1]，将正、逆向指标均化为正向指标，最优值为1，最劣值为0，得到牛首山河水生态安全评估指标规范值。牛首山河水生态安全评估指标值及标准化值见表10。

表10 牛首山河水生态安全评估指标值及标准化值

构建物元可拓评估模型的经典域矩阵R0j：

构造值域 ：

4.2 确定权重系数

依据上文介绍的熵值法计算各个指标权重系数，ωj=(0.0341，0.3208，0.2766，0.0039，0.0051，0.0712，0.0277，0.1584，0.0225，0.0733，0.0063)。

4.3 确定关联函数

结合熵值法计算得到的各指标权重，利用可拓距和位置的定义，在将各个评估指标值和各分级标准全部规范化的基础上，计算牛首山河水生态安全评估指标关于评估等级的关联函数，按照最大值原则确定牛首山河水生态安全状况的评估结果，评估结果见表11。

4.4 评定等级

表11 牛首山河水生态安全评估指标关于不同等级的关联度及评估结果

5 结 论

(1)本文通过布设监测站点对南京市江宁区牛首山河水生态状况进行监测，监测数据显示，该河水质状况中等，藻类密度远超标准限值，生物多样性较差，存在一定的水生态安全风险隐患；根据淡水沉积物质量基准，牛首山河表层沉积物重金属生态毒性风险较低。同时，采用基于熵值法-物元可拓评估模型对江宁区牛首山河水生态安全状况进行综合评估，评估结果显示牛首山河水生态安全状况评估等级在Ⅳ～Ⅴ级之间，且更偏重Ⅳ级，水生态安全状况较差。

(2)本文在河流水生态状况监测的基础上，选取了11项评估指标，对河流水生态安全状况进行评估，评估结果能够较好地反映出一条河流的生态安全状况。未来，不同区域可根据自身河流水系特点及经济发展状况，选择不同的评估指标，对河流水生态安全状况进行综合评估，可为河流生态系统保护和治理提供基础支撑。