張 遠，趙 瑞，渠曉東，孟 偉

（中國環(huán)境科學研究院環(huán)境基準與風險評估國家重點實驗室，流域水生態(tài)保護技術(shù)研究室，北京 100012）

1 前言

20世紀80年代以來，多參數(shù)評價（multimetrics assessment）是國內(nèi)外廣泛使用的河流健康評估方法，例如Karr[1]（1981）最早提出的生物完整性就是多參數(shù)評價法的典型代表。Karr應(yīng)用生物完整性評價方法構(gòu)建了加拿大河流魚類完整性指數(shù)。方法后來得到進一步發(fā)展[2，3]，從而產(chǎn)生了運用不同類型水生生物的群落結(jié)構(gòu)、功能、生物多樣性等多種參數(shù)構(gòu)建的生物完整性指數(shù)，被美國EPA規(guī)定為河流健康評價的主要方法[4，5]，并推廣到歐洲地區(qū)[6～8]。生物完整性評價方法在我國近年來也得到了應(yīng)用，渠曉東等[9]和殷旭旺等[10]分別利用大型底棲動物和底棲硅藻構(gòu)建生物完整性指數(shù)評價渾河、太子河的河流健康。該評價方法主要考慮了生物指標，沒有考慮到河流生態(tài)系統(tǒng)的物理、化學等其他要素，難以反映出河流化學、生物完整性的整體狀況。

近年來，人們開始綜合使用河流物理、化學和生物的參數(shù)，在多參數(shù)評價的基礎(chǔ)上進一步發(fā)展出綜合評價法[11]。在澳大利亞的河流健康評價中，通過綜合使用水質(zhì)指標、生態(tài)系統(tǒng)過程指標、營養(yǎng)鹽指標、大型底棲動物和魚類指標等多類型參數(shù)構(gòu)建評價指標體系，對昆士蘭州河流健康狀況進行評估。張楠等[12]從水質(zhì)、生物學和物理棲息地三個方面構(gòu)建河流健康評價指標體系，對遼河河流生態(tài)系統(tǒng)健康進行評價。綜合評價法的發(fā)展，綜合了河流物理、化學和生物完整性的概念，豐富和推動了多參數(shù)評價方法的發(fā)展，是未來河流健康評估的發(fā)展方向[11]。但目前使用的綜合評價法尚存在一定問題。首先，綜合評價法中的多類型評價指標的選擇，一些指標對人類活動干擾的響應(yīng)敏感性及其穩(wěn)定性尚待進一步驗證；其次，即使是同一條河流，依據(jù)河流連續(xù)系統(tǒng)理論[13]，河流源頭區(qū)水生生物群落結(jié)構(gòu)與下游、河口區(qū)都存在較大差異，難以采用同一套評價指標和標準；最后，參數(shù)的參照值篩選和確定難度較大。

針對以上問題，本研究以遼河流域為案例研究區(qū)，在遼河流域河流分類的基礎(chǔ)上，利用野外監(jiān)測數(shù)據(jù)和數(shù)理統(tǒng)計分析，通過評估參數(shù)的敏感性，構(gòu)建河流健康綜合評價指標，并確定參數(shù)的參照閾值，探索建立適合于我國的河流健康綜合評估方法。

2 材料方法

2.1 研究區(qū)域概況

遼河流域位于中國東北地區(qū)南部（116°30′E～125°47′E，38°43′N～45°N），河流全長1345 km，流域面積約2.2×105km2，分為遼河水系和大遼河水系。東、西遼河及遼河干流構(gòu)成遼河水系，其中，東遼河發(fā)源于遼源市境內(nèi)薩哈嶺山，全長448 km；西遼河發(fā)源于遼寧西部與河北省交界的七老圖山脈的光頭山，全長829 km；東、西遼河于福德店匯流后為遼河干流，經(jīng)雙臺子河由盤錦入渤海，干流長516 km。大遼河水系主要包括太子河和渾河，太子河發(fā)源于遼寧省新賓縣境內(nèi)的長白山脈，全長413 m；渾河發(fā)源于清原縣滾馬嶺西南麓，全長415 km；太子河與渾河在三岔河匯合形成大遼河后至營口入渤海。遼河流域年降水量350～1000 mm，多集中于6—9月，約占全年降水量的70%，屬溫帶、暖溫帶半濕潤大陸性季風氣候[14]。

2.2 水質(zhì)監(jiān)測與水生生物采樣

2009年5月—2010年6月，在遼河流域共設(shè)置176個采樣點（見圖1），分別開展河流水化學、藻類、大型底棲動物和魚類監(jiān)測。其中，太子河流域設(shè)置70個采樣點，渾河設(shè)置62個采樣點，遼河水系設(shè)置44個采樣點。

采用YSI便攜式水質(zhì)多參數(shù)分析儀現(xiàn)場測定水體pH值、電導率（EC）、溶解氧（DO）、總固體顆粒溶解物（TDS）和懸浮物（SS）共5項水體理化參數(shù)?，F(xiàn)場采集1 L水樣，用冷藏保溫箱保存后短時間運送到實驗室，測定包括總磷（TP）、總氮（TN）、氨氮（NH3-N）等共20項化學參數(shù)（見表1），水體理化參數(shù)的采集、運送和測定均依據(jù)《水和廢水監(jiān)測分析方法》[15]。

圖1 遼河流域樣點圖及各樣點健康評價結(jié)果Fig.1 The sampling sites and its results of river health assessment in the Liaohe River

表1 遼河流域河流生態(tài)系統(tǒng)健康評價候選參數(shù)Table 1 Candidates indicators of Liaohe River ecosystem health assessment

在采樣點100 m河道范圍內(nèi)選擇不同水深和流速生境，隨機挑選9個石塊。在石塊上用直徑4.4 cm的圓形塑膠環(huán)選取3個面積為15.2 cm2的區(qū)域，用硬毛刷刷取著生藻類，用50 mL純凈水沖刷至不銹鋼托盤中，轉(zhuǎn)移到50 mL廣口塑料瓶中后現(xiàn)場加入5%甲醛溶液保存[7]。著生藻類鑒定依據(jù)相關(guān)文獻[16，17]。

利用索伯網(wǎng)（面積0.3 m×0.3 m，孔徑0.5 mm）收集3個定量樣品，用D型拖網(wǎng)（直徑0.3m，孔徑0.5mm）在河道內(nèi)針對不同維生境采集大型底棲動物15 min，收集定性樣品。樣品采集后，分別沖洗并用60目篩網(wǎng)過濾收集后，分別放入500 mL廣口瓶，加75%酒精保存。在實驗室條件下，利用體式顯微鏡（Olympus SZ61）將絕大多數(shù)物種鑒定到種或?qū)伲瑩u蚊鑒定到亞科，寡毛類和線蟲鑒定到綱[18～20]。

選擇300 m長的河段，利用電魚器采集魚類樣品，共采集1 h。在水深大于1.5 m的河段，除電魚法外，利用3種雙層刺網(wǎng)（6 cm×6 cm、12 cm×12 cm、20 cm×20 cm）掛網(wǎng)1 h收集魚類樣品。現(xiàn)場對所有魚類樣本進行種類鑒定，收集個體數(shù)和生物量數(shù)據(jù)[21，22]。鑒定后的魚類放回水體。

解譯2007年TM影像獲取遼河流域土地利用特征。根據(jù)采樣河段所在區(qū)域，按照采樣點所屬的集水區(qū)（采樣點上游所有匯水區(qū)域）和河流廊道（采樣點左右岸各1 km，從采樣點上溯游而上10 km）提取主要土地類型，分別計算各種土地利用類型在集水區(qū)和廊道內(nèi)的土地比例，作為河流健康評估的壓力參數(shù)。

2.3 河流健康評估綜合評價法技術(shù)路線

河流健康綜合評價方法主要包括6個步驟（見圖2）。a.河流類型分類。依據(jù)流域海拔特征，遼河流域可初步劃分為3種河流類型，從上游至下游依次為山地溪流類型、丘陵河流類型和平原河流類型[14]。b.構(gòu)建概念模型，初步分析河流健康狀況，并選擇合適的壓力指標與健康評價指標。c.依據(jù)壓力指標和健康評價指標定量法統(tǒng)計分析，篩選適合于不同河流類型的評價核心參數(shù)。d.依據(jù)國家標準、文獻調(diào)研、模型模擬等手段，確定不同參數(shù)的參照值和臨界值。e.依據(jù)核心參數(shù)的參照值和臨界值對所有參數(shù)進行標準化，綜合不同類型參數(shù)得分，賦予權(quán)重后計算各樣點的健康得分。f.劃分健康評定等級，對各樣點河流健康等級進行評估。

2.4 評價指數(shù)的構(gòu)建

本研究推薦的河流健康評價指數(shù)包含5個方面，即著生藻類指標、大型底棲動物指標、魚類指標、基本水質(zhì)指標、營養(yǎng)鹽指標，共計42項水生生物參數(shù)和25項水體理化參數(shù)，這些參數(shù)構(gòu)成了遼河河流健康評價的備選參數(shù)（見表1）。

2.5 參數(shù)的篩選方法

評價參數(shù)要具備對人類活動干擾具有明顯的響應(yīng)關(guān)系、參數(shù)間相互獨立、不存在重復信息、能夠反映河流健康的特征。本研究以土地利用作為首要壓力參數(shù)，利用總體線性回歸模型法，篩選對土地利用和水質(zhì)具有顯著響應(yīng)關(guān)系的水生生物參數(shù)，以統(tǒng)計分析的顯著性檢驗作為判別候選參數(shù)是否有效指示人為活動干擾的依據(jù)；篩選對土地利用有顯著響應(yīng)關(guān)系的水質(zhì)參數(shù)作為評價指標（見圖3）。

圖2 河流健康綜合評估法標準化流程圖Fig.2 The standardized flowchart of integrated stream health assessment

圖3 河流健康評價指數(shù)構(gòu)建流程圖Fig.3 The construction flowchart of river health assessment indicator

2.6 評價參數(shù)的標準化計算

各參數(shù)均以參考值為最佳狀態(tài)，以臨界值為最差狀態(tài)，進行評價參數(shù)的標準化計算（公式1）。用標準化公式（公式1）對核心參數(shù)標準化后，各參數(shù)理論分布范圍為0～1，小于0的值記為0，大于1的值記為1。

式（1）中，S為評價指標的標準化計算值；T為參照值；B為臨界值；X為實際值。

參照值是指河流在未受到人為干擾活動下評價參數(shù)的取值，指代的河流健康狀況為最佳狀況；臨界值是指河流在受到人為活動干擾后，河流生態(tài)系統(tǒng)瀕臨崩潰的閾值，此時的河流健康狀態(tài)為最差狀態(tài)。

本研究中參照值和臨界值的確定，主要依據(jù)以下幾種方法：a.水質(zhì)參數(shù)依據(jù)現(xiàn)行中國國家地表水水質(zhì)標準（GB 3838—2002）；b.根據(jù)國際所使用相同或相似參數(shù)的參照值和臨界值，如澳大利亞與新西蘭淡水與海水水質(zhì)健康導則[23]；c.依據(jù)案例研究區(qū)收集的數(shù)據(jù)，構(gòu)建評價參數(shù)與土地利用方式的經(jīng)驗回歸公式，利用模型模擬人為活動為最小狀態(tài)時，評價參數(shù)的預測值；d.相關(guān)專業(yè)的專家經(jīng)驗和建議。

2.7 評價方法

首先根據(jù)各指標評價參數(shù)的標準化計算結(jié)果，采用計算平均值的方法確定魚類、大型底棲動物、著生藻類基本水質(zhì)和營養(yǎng)鹽的得分分值。然后，根據(jù)5個指標的得分值，用加權(quán)平均方法計算河流健康指數(shù)綜合得分（見式2）

式（2）中，RH為河流健康綜合指數(shù)得分；W為基本水質(zhì)指標評價得分；N為營養(yǎng)鹽指標評價得分；D為著生藻類指標評價得分；M為大型底棲動物指標評價得分；F為魚類指標評價得分。a1、a2、a3、a4和a5為權(quán)重，分別取2/15、2/15、3/15、4/15、4/15。

2.8 河流健康等級劃分

河流健康等級的劃分依據(jù)5等分的方法（見表2）。

表2 河流健康等級劃分Table 2 River healthy level division

2.9 數(shù)據(jù)分析

對所有候選參數(shù)先進行正態(tài)分布檢驗，符合正態(tài)分布的參數(shù)利用Pearson相關(guān)性分析，不符合正態(tài)分布的參數(shù)利用Spearman相關(guān)性分析，完成各參數(shù)間的相關(guān)性分析，并剔除相關(guān)性較高的參數(shù)（|r|＞0.75）[24]。以上分析使用SPSS13.0軟件完成。

利用總體線性回歸模型的總體解釋率（R2）和顯著性指標p值，篩選水生生物參數(shù)和水質(zhì)參數(shù)。回歸分析后，對殘差進行檢驗，確保模型預測與數(shù)據(jù)進行了適當?shù)霓D(zhuǎn)化。本研究中，當模型R2＜0.15且p＞0.10時，認為無線性回歸關(guān)系。壓力參數(shù)和健康評估參數(shù)分析前都進行l(wèi)og對數(shù)轉(zhuǎn)化，并適當對極值進行剔除。

3 結(jié)果與討論

3.1 候選參數(shù)相關(guān)性分析

采用Pearson相關(guān)分析和Spearman相關(guān)分析對太子河各類型河流區(qū)內(nèi)的水質(zhì)參數(shù)（包括基本水質(zhì)參數(shù)和營養(yǎng)鹽參數(shù)）和水生生物參數(shù)分別進行相關(guān)性分析，剔除相關(guān)性較高（|r|＞0.75）的水質(zhì)參數(shù)共9項，分別為硝氮、堿度、重碳酸鹽、磷酸鹽、碳酸氫鹽、鈣離子、鎂離子、鉀離子和鈉離子，其余16項水質(zhì)參數(shù)進入下一步分析。

剔除相關(guān)性較高的生物參數(shù)（|r|＞0.75）共3項，分別為藻類密度參數(shù)、大型底棲動物和魚類的多樣性參數(shù)，其余39項生物參數(shù)進入下一步分析。

3.2 基本水質(zhì)和營養(yǎng)鹽參數(shù)對干擾的敏感性

水質(zhì)參數(shù)與土地利用的總體線性回歸分析表明，在山地溪流區(qū)，電導率受建筑用地（集水區(qū)尺度）的影響最強（p＜0.01），懸浮物與森林用地（集水區(qū)尺度）面積具有顯著的線性關(guān)系（p＜0.01）；在丘陵河流區(qū)，磷酸鹽參數(shù)與森林用地（集水區(qū)尺度）的相關(guān)性極強（p＜0.01），解釋率高達79%，在所有水質(zhì)參數(shù)中受土地利用影響最大。同時氨氮與建筑用地（集水區(qū)尺度）具有顯著的線性關(guān)系。在下游平原農(nóng)業(yè)區(qū)，氨氮、總磷、溶解氧、生化五日需氧量和高錳酸鹽指數(shù)受到土地利用顯著影響（p＜0.05），且多數(shù)參數(shù)具有較高的解釋率（R2＞20%，見表3）。

表3 候選水質(zhì)參數(shù)（p＜0.05）與主要土地利用的總體線性回歸分析結(jié)果Table 3 The results of generalized linear regression between the water quality parameters（p＜0.05）and different land uses

在確定河流水質(zhì)參數(shù)時，首先選擇代表性強的參數(shù)，如選擇總磷而非磷酸鹽，總磷可以更好地反映河流中富營養(yǎng)化的狀態(tài)[25]。堿度和陰陽離子通常反映了河流自然地質(zhì)的特征，盡管與壓力參數(shù)的相關(guān)性較大，但在河流健康指示中并不具有實際意義，某些學者認為可能是一種假象，未被選入核心參數(shù)。土地利用對電導率和溶解氧的解釋率并未在3種河流類型中全部出現(xiàn)，但考慮到這兩個參數(shù)在其他地區(qū)的研究中應(yīng)用普遍[5，25]，保留作為全流域核心參數(shù)。揮發(fā)酚是較好的工業(yè)污染程度指示參數(shù)，總大腸菌群數(shù)是較好的指示水體健康與人體健康的參數(shù)，因此除丘陵河流區(qū)外，也將其應(yīng)用于平原河流區(qū)。五日生化需氧量和高錳酸鹽參數(shù)在平原區(qū)與土地利用密切相關(guān)，可有效指示有機物污染，作為平原河流區(qū)的核心參數(shù)。

3.3 生物指標對干擾的敏感性

藻類候選參數(shù)在山地和丘陵區(qū)，主要與水質(zhì)參數(shù)具有較高的擬合度，例如在丘陵河流區(qū)，DO與藻類完整性參數(shù)具有最顯著的線性關(guān)系，R2為0.38。在平原河流區(qū)，藻類生物完整性參數(shù)與氨氮具有較好的擬合關(guān)系（R2均為0.15）。藻類生物完整性參數(shù)和藻類優(yōu)勢度參數(shù)與農(nóng)田面積呈顯著的線性關(guān)系，但其解釋率相對較低（R2均為0.18，見表4）。

大型底棲動物候選參數(shù)在山地和丘陵區(qū)，主要與水質(zhì)參數(shù)具有較高的擬合度。在平原河流區(qū)，大型底棲動物的候選參數(shù)與廊道尺度的森林面積比具有較好的擬合，R2最高達到0.59（見表4）。大型底棲動物科級分類單元參數(shù)、EPT科級分類單元參數(shù)、BMWP參數(shù)和BP參數(shù)分別反映了群落結(jié)構(gòu)、敏感類群、耐污特征和生物多樣性等方面的特征，也是目前全球大型底棲動物健康評估中廣泛使用的參數(shù)[5，6，26，27]。BMWP參數(shù)在韓國河流健康評價也得到廣泛應(yīng)用，并建立了相對穩(wěn)定的參照值和臨界值[28]。

魚類個體數(shù)參數(shù)在山地區(qū)與溶解氧具有極好的擬合度（見表4）。在丘陵區(qū)和平原區(qū)，土地利用可以解釋17%～64%的魚類指標參數(shù)。魚類的生物完整性參數(shù)與藻類參數(shù)一樣，具有地域限制性，因此本研究中應(yīng)用本地區(qū)構(gòu)建的魚類生物完整性參數(shù)[29]。由于魚類的物種數(shù)與個體數(shù)與野外監(jiān)測的時間和監(jiān)測強度具有極高的相關(guān)性[30]。因此，本研究在參數(shù)選擇時剔除了魚類個體數(shù)參數(shù)。

表4 候選水生生物參數(shù)（p＜0.05）與土地利用和水質(zhì)參數(shù)的總體線性回歸分析結(jié)果Table 4 The results of generalized linear regression between the biological parameters（p＜0.05）and land uses and water quality parameters

3.4 評價指標及其參考值的確定

綜合考慮不同參數(shù)間的相關(guān)性，健康評估參數(shù)對壓力參數(shù)的定量化響應(yīng)關(guān)系，篩選出水質(zhì)核心參數(shù)5個，水體營養(yǎng)鹽核心參數(shù)3個，藻類參數(shù)2個，大型底棲動物參數(shù)3個和魚類參數(shù)3個（見表5）。

水質(zhì)參數(shù)除電導率外，其余參考中國《地表水環(huán)境質(zhì)量標準》（GB 3838—2002）中I類水作為參照值，V類水作為臨界值。藻類生物完整性參數(shù)和魚類生物完整性參數(shù)參考本地區(qū)研究中生物完整性的研究[29，31]，BMWP 參數(shù)同時參考了Park等[28]在韓國的應(yīng)用。電導率和其余生物參數(shù)則依據(jù)本研究中總體線性回歸模型的模擬值，當人為活動達到最?。ㄈ甾r(nóng)田用地面積為0%）和人為活動的影響最大（如農(nóng)田面積達到100%）時，確定各參數(shù)對應(yīng)的總體分布范圍，然后選用預測值的5%和95%百分位值作為參照值和臨界值（當參數(shù)值越大代表河流健康狀況越好時，以95%和5%百分位值作為參照值和臨界值）。同樣的方法可用于構(gòu)建尚未確定的本地區(qū)參照值和臨界值，并已經(jīng)在全球其他地區(qū)得到應(yīng)用使用觀測值[23，32，33]（見表5）。

3.5 遼河流域河流健康綜合評估

遼河流域健康等級未達到“良”的樣點共計146個，所占比例高達83%，健康等級為“良”的樣點僅為30個，幾乎全都分布于太子河源頭（見圖4）。

圖4 遼河流域不同健康等級的樣點數(shù)目Fig.4 The number of different healthy level sites at Liaohe River

太子河、渾河、東遼河和遼河干流的健康狀況均屬于“一般”，而西遼河的總體健康狀況最差（見圖1）。

表5 遼河流域河流健康評估核心參數(shù)及其參照值和臨界值Table 5 The core parameters and its reference values and threshold values for the stream health assessment in the Liaohe River basin

4 結(jié)語

1）本研究突破傳統(tǒng)多參數(shù)評價法對于參考點位和受損點位的限制，運用實際監(jiān)測數(shù)據(jù)構(gòu)建預測模型，在綜合水質(zhì)、營養(yǎng)鹽和水生生物參數(shù)的基礎(chǔ)上，提出了河流健康綜合評價法，形成各樣點健康評價得分，其可以更全面地反映河流健康的綜合特征，對于河流管理具有實際意義。

2）評估不同河流健康參數(shù)對人為干擾活動的敏感性和穩(wěn)定性，篩選適宜的指標。并綜合參考國家地表水環(huán)境質(zhì)量標準、國內(nèi)外相關(guān)文獻、國外其他地區(qū)使用的水環(huán)境標準值和專家經(jīng)驗方法，確定各參數(shù)的參考值和臨界值。

3）遼河流域總體健康水平較差，其中17%的樣點達到了“良”等級，83%的樣點為“一般”以下等級，其中西遼河健康水平最差。

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