劉麗萍,趙世民,張 宇,黃麗娟
1.昆明市環(huán)境監(jiān)測中心,云南 昆明 650028 2.昆明綠島環(huán)境科技有限公司,云南 昆明 650028
自20世紀(jì)80年代初至今,滇池流域水環(huán)境及污染源監(jiān)測均為濃度監(jiān)測,監(jiān)測指標(biāo)主要為《地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》(GB 3838—2002)中基本項目,評價指標(biāo)與監(jiān)測指標(biāo)基本一致,評價方法主要有水污染指數(shù)法(WPI)[1]、富營養(yǎng)指數(shù)法[2]和綜合污染指數(shù)法(CWQI)[3]等。滇池現(xiàn)有水環(huán)境質(zhì)量評價指標(biāo)存在重點不突出、關(guān)鍵指標(biāo)選擇不合理、重要指標(biāo)缺漏、評價標(biāo)準(zhǔn)不科學(xué)、評價方法偏微觀和評價體系不合理等問題。要準(zhǔn)確反映滇池水環(huán)境質(zhì)量狀況及發(fā)展趨勢,有必要進行指標(biāo)優(yōu)選,建立科學(xué)合理的評價體系,構(gòu)建符合滇池實際情況的評價標(biāo)準(zhǔn)。
該研究已經(jīng)篩選出36個評價指標(biāo)[4],分別表征滇池水環(huán)境質(zhì)量的物理、化學(xué)、生物、營養(yǎng)、重金屬、有機污染等特性,筆者直接引用評價指標(biāo)篩選研究結(jié)果?,F(xiàn)行的評價方法基本思路是將監(jiān)測結(jié)果與指標(biāo)對應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)值進行比較,以污染最嚴(yán)重指標(biāo)對應(yīng)的水質(zhì)類型作為水體水質(zhì)類別,可能掩蓋了其他重要指標(biāo)的作用,也可能因該指標(biāo)背景值高等原因,使水環(huán)境質(zhì)量假惡化。筆者將滇池水環(huán)境質(zhì)量放大到生態(tài)系統(tǒng)的宏觀角度進行評價,建立滇池生態(tài)系統(tǒng)的脅迫和響應(yīng)機制,能快速、全面、準(zhǔn)確、宏觀地反映滇池水環(huán)境質(zhì)量、水生態(tài)系統(tǒng)質(zhì)量,建立滇池水生態(tài)系統(tǒng)健康評價標(biāo)準(zhǔn)、評價體系,為宏觀、全面、準(zhǔn)確掌握滇池水環(huán)境質(zhì)量提供可靠的方法依據(jù),為滇池流域水環(huán)境綜合管理提供堅實的技術(shù)支持,也為全國湖泊水環(huán)境質(zhì)量綜合評價提供研究示范。
滇池屬高原缺水性湖泊,近30年來受生活污水、工業(yè)廢水和農(nóng)業(yè)面源排水影響,水質(zhì)不斷惡化、生態(tài)功能嚴(yán)重退化、富營養(yǎng)化問題十分突出,同時存在重金屬和有機污染潛在風(fēng)險。經(jīng)多年治理,滇池城鎮(zhèn)生活污水中污染物的輸入基本得到控制,工業(yè)污染和農(nóng)業(yè)面源污染輸入基本穩(wěn)定,將來的污染治理方向是滇池水體及底質(zhì)中營養(yǎng)元素和有毒物質(zhì)的去除。生態(tài)健康評價目標(biāo)包含水環(huán)境和沉積物環(huán)境,其中水環(huán)境評價指標(biāo)為營養(yǎng)物質(zhì)、重金屬、生物、有機物、物理指標(biāo),沉積物評價指標(biāo)為重金屬、生物及有機指標(biāo)。該研究采用層次分析法[5]構(gòu)建評價體系,詳見圖1。
建立指標(biāo)篩選和評價體系的最終目的,是建立滇池水環(huán)境健康度(EHCI)評價體系,通過比較滇池監(jiān)測點位的EHCI值,來判斷監(jiān)測點位健康程度。
圖1 滇池水生態(tài)健康評價體系Fig.1 Diagram of water ecological health assessment system of the Dianchi Lake
對上述評價指標(biāo)體系進行比較研究,根據(jù)優(yōu)選的表征指標(biāo)[4],結(jié)合流域水環(huán)境狀況信息調(diào)查,采用主客觀賦權(quán)法相結(jié)合的組合權(quán)重賦值法[6-7],專家根據(jù)滇池水環(huán)境質(zhì)量影響因素的重要性進行賦值,確定準(zhǔn)則層、方案層和指標(biāo)層的權(quán)重。準(zhǔn)則層和方案層權(quán)重值見表1,水環(huán)境指標(biāo)權(quán)重見表2,沉積物環(huán)境指標(biāo)權(quán)重見表3。
表1 準(zhǔn)則層及方案層權(quán)重值Table 1 Weight values of criterion layer and scheme layer
表2 指標(biāo)層權(quán)重值 (水環(huán)境質(zhì)量)Table 2 Weight value of indicator layer (water environment quality)
表3 指標(biāo)層權(quán)重值(沉積物環(huán)境質(zhì)量)Table 3 Weight value of indicator layer (sediment environment quality)
具體的評價指標(biāo)權(quán)重與濃度、評價標(biāo)準(zhǔn)有關(guān)。研究采用主客觀賦權(quán)法相結(jié)合的組合權(quán)重賦值法[6-7],偏重客觀因素賦權(quán)值。指標(biāo)權(quán)重的劃分以《地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》(GB 3838—2002)為基本判定標(biāo)準(zhǔn),標(biāo)準(zhǔn)中劃分不明確或沒有的指標(biāo),采用國內(nèi)外研究結(jié)果或已發(fā)表論文結(jié)論。由于多氯聯(lián)苯、有機磷、多環(huán)芳烴、有機氯農(nóng)藥和藻毒素等指標(biāo)目前難以確定評價標(biāo)準(zhǔn)(但這些指標(biāo)對滇池水生態(tài)系統(tǒng)評價很重要),因此僅列出指標(biāo)名稱,待進一步研究中補充完善。
指標(biāo)權(quán)重分5級,權(quán)重值分別為8、6、4、2、1,以《地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》(GB 3838—2002)為基礎(chǔ),優(yōu)于Ⅰ類水賦值8,介于Ⅰ和Ⅱ類水之間賦值6,介于Ⅱ和Ⅲ類水之間賦值4,介于Ⅲ和Ⅳ類水之間賦值2,介于Ⅳ和Ⅴ類水之間賦值1,劣Ⅴ類賦值0,指標(biāo)權(quán)重分值見表4。
表4 指標(biāo)權(quán)重確定情況一覽表Table 4 List of indicators weight determination
注:“*”表示該數(shù)據(jù)為生態(tài)危害指數(shù);“—”表示無相關(guān)數(shù)據(jù);ND表示未檢出。
美國水環(huán)境健康評價[9]設(shè)置了參照點,將參照點的相應(yīng)指標(biāo)監(jiān)測結(jié)果作為水環(huán)境健康評價的標(biāo)準(zhǔn),將龐雜的系統(tǒng)評價簡化為具體的指標(biāo),進而將生態(tài)健康標(biāo)準(zhǔn)與理化指標(biāo)、生物指標(biāo)等一并列入水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)中,使生態(tài)健康評價標(biāo)準(zhǔn)與理化指標(biāo)、生物指標(biāo)標(biāo)準(zhǔn)處于同等地位甚至高于理化指標(biāo)和生物指標(biāo)[10-14]的地位。利用參照點建立評價標(biāo)準(zhǔn)的意義還在于因充分考慮到不同水系、生態(tài)系統(tǒng)間的差異,所選擇的參照點能代表該水系或生態(tài)系統(tǒng)的最優(yōu)狀態(tài),是評價特定水系和生態(tài)系統(tǒng)最完備的標(biāo)準(zhǔn)體系。目前難以找到滇池水環(huán)境質(zhì)量的理想?yún)⒄拯c,暫時還不能利用參照點設(shè)置具體的評價標(biāo)準(zhǔn),也不能將健康評價進一步與參照狀態(tài)進行直接比較。隨著監(jiān)測技術(shù)不斷更新和滇池水環(huán)境質(zhì)量研究方法的革新等,找到滇池水環(huán)境質(zhì)量的理想?yún)⒄諣顟B(tài),或通過模型預(yù)測反推等方式模擬出滇池水環(huán)境質(zhì)量參照狀態(tài)后,就可以參照美國水環(huán)境健康評價方法,建立滇池生態(tài)質(zhì)量評價標(biāo)準(zhǔn),利用監(jiān)測值與參照狀態(tài)值的比值(即生態(tài)質(zhì)量比值),評價滇池水環(huán)境質(zhì)量好壞,評價簡單,結(jié)果明了。
研究采用評價指標(biāo)權(quán)重經(jīng)評價體系計算結(jié)果作為評價標(biāo)準(zhǔn),即將準(zhǔn)則層、方案層、指標(biāo)層權(quán)重及指標(biāo)層具體指標(biāo)權(quán)重輸入評價體系,即可得到對應(yīng)的評價標(biāo)準(zhǔn),分別代表水生態(tài)系統(tǒng)的健康程度,并用不同的顏色表征不同生態(tài)系統(tǒng)健康狀況,以便在圖上直觀表述評價結(jié)果:用藍色表征理想狀態(tài),綠色表征健康狀態(tài),黃色表征亞健康狀態(tài),橙色表征不健康狀態(tài),紅色表征病態(tài)。評價體系可以融入建設(shè)中的滇池流域水環(huán)境綜合管理平臺,在平臺上可以直接顯示滇池水環(huán)境健康狀態(tài)。
將滇池23個監(jiān)測點(網(wǎng)格布點法布點)監(jiān)測數(shù)據(jù)(2011年1月)輸入評價系統(tǒng),計算結(jié)果表明,23個監(jiān)測點EHCI值均低于45,屬亞健康或不健康狀態(tài),其中不健康狀態(tài)監(jiān)測點占82.6%,亞健康狀態(tài)占17.4%,此結(jié)論與滇池屬中、重度富營養(yǎng)化狀態(tài)情況相符。處于亞健康狀態(tài)的4個監(jiān)測點分別為3#、13#、16#和白魚口監(jiān)測點。3#位于外海最北端,因草海與外海不連通,受外界排污影響相對小,該點位水生態(tài)環(huán)境屬亞健康狀態(tài),與實際相符合;13#(呈貢附近)、16#(白魚口附近)點位位于滇池東部、東南部,人口密度相對較小,入湖河流少且水質(zhì)相對較好,水生態(tài)環(huán)境質(zhì)量也相對較好,因此13#、16#點位EHCI值與其生態(tài)環(huán)境質(zhì)量現(xiàn)狀相符;白魚口監(jiān)測點位于滇池西部,因附近人口相對較少,地形較陡峭,農(nóng)業(yè)生產(chǎn)條件相對較差,生活污水、農(nóng)業(yè)面源污染相對較輕,因此,白魚口監(jiān)測點處于亞健康狀態(tài)符合實際情況。
滇池草海EHCI數(shù)值較低,其中斷橋結(jié)果最低,與草海屬重度富營養(yǎng)狀態(tài)情況相符;從各監(jiān)測點EHCI數(shù)據(jù)差異來看,滇池外海東岸自北向南,EHCI值較低,外海中部和西部指數(shù)值相對較高,與滇池東岸受昆明城區(qū)排污影響較大情況相符,其中18#和海口監(jiān)測斷面以南,EHCI值減少,與海口西設(shè)有工業(yè)、生活排污口情況相符。因此,研究采用的健康指數(shù)評價法能客觀、真實地反映滇池水環(huán)境質(zhì)量狀況。
為驗證評價體系的合理性,將滇池監(jiān)測點位的EHCI值與現(xiàn)行水污染指數(shù)法(WPI)、綜合污染指數(shù)法(CWQI)和富營養(yǎng)指數(shù)法進行比較。WPI、CWQI和富營養(yǎng)指數(shù)法屬越小越好型指標(biāo),EHCI屬越大越好型指標(biāo)。
選擇斷橋、草海中心、白魚口和觀音山中監(jiān)測點監(jiān)測結(jié)果進行結(jié)果驗證。斷橋和草海中心監(jiān)測點處于污染較重的草海,2011年以來各種工程措施相繼上馬,對草海水環(huán)境質(zhì)量影響較大,作為草海驗證點位更有說服力;白魚口監(jiān)測點位于滇池外海西部,受生活、農(nóng)業(yè)、工業(yè)污染源影響小,屬水文情勢變化相對較小區(qū)域;觀音山中監(jiān)測點位于滇池外海中部,水文情勢相對穩(wěn)定,位于2013年后牛欄江調(diào)水工程影響范圍內(nèi),因此選擇白魚口和觀音山中作為外海驗證點位,較有代表性。將2011—2017年4個驗證點位數(shù)據(jù)輸入健康度評價體系,計算的EHCI值與現(xiàn)有評價結(jié)論進行比較驗證(圖2~圖5)。
圖2 斷橋監(jiān)測點不同水環(huán)境質(zhì)量評價方法評價結(jié)果比較Fig.2 Comparison diagram of evaluation results of different water environment quality assessment methods at Duanqiao monitoring site
圖3 草海中心監(jiān)測點不同水環(huán)境質(zhì)量評價方法評價結(jié)果比較Fig.3 Comparison diagram of evaluation results of different water environment quality assessment methods at Caohai Center monitoring site
圖4 白魚口監(jiān)測點不同水環(huán)境質(zhì)量評價方法評價結(jié)果比較Fig.4 Comparison of evaluation results of different water environment quality assessment methods at Baiyukou monitoring site
圖5 觀音山中監(jiān)測點不同水環(huán)境質(zhì)量評價方法評價結(jié)果比較Fig.5 Comparison of evaluation results of different water environment quality assessment methods at Guanyinshan East monitoring site
斷橋監(jiān)測點EHCI值與WPI、CWQI、富營養(yǎng)指數(shù)變化趨勢基本一致,采用SPSS軟件計算4個評價方法相關(guān)性,WPI、CWQI和富營養(yǎng)指數(shù)Pearson相關(guān)性為顯著相關(guān)(置信度0.05,雙側(cè));EHCI與WPI和富營養(yǎng)指數(shù)Pearson相關(guān)系數(shù)為-0.700、-0.753;EHCI與CWQI Pearson相關(guān)系數(shù)為-0.532。相比之下,EHCI與WPI、富營養(yǎng)指數(shù)Pearson相關(guān)性更好。
2013年以后草海治理措施不斷上馬,措施效果不斷鞏固,2015年斷橋監(jiān)測點透明度明顯增加,酸堿度明顯降低,藍藻暴發(fā)明顯緩解,排入草海碳、氮、磷量明顯減少,水質(zhì)明顯好轉(zhuǎn),但是斷橋底棲、浮游生物種類單一,且斷橋監(jiān)測點受昆明城市污水處理廠排水影響較大,水質(zhì)與污水廠處理效果和排污量密切相關(guān),斷橋底質(zhì)中重金屬和有機污染較嚴(yán)重,WPI、CWQI和富營養(yǎng)指數(shù)僅表征了斷橋水環(huán)境質(zhì)量的變化,沒有反映斷橋底質(zhì)中重金屬和有機污染較嚴(yán)重情況,也沒有將浮游生物、底棲等表征草海生態(tài)系統(tǒng)變化的指標(biāo)納入評價體系,只有EHCI綜合了斷橋監(jiān)測點水環(huán)境和沉積物評價指標(biāo)。2011—2017年,斷橋現(xiàn)有的3種評價方法與EHCI法評價趨勢一致,但Pearson相關(guān)性相對較差,主要原因是斷橋底質(zhì)中重金屬污染嚴(yán)重,水環(huán)境、底質(zhì)環(huán)境生物多樣性較差因素在EHCI中有考量。隨著草海治理工作的推進、草海底質(zhì)中營養(yǎng)元素及有毒物質(zhì)的不斷去除以及草海生態(tài)系統(tǒng)不斷改善,EHCI評價法的優(yōu)勢更加凸顯,能真實反映草海經(jīng)過治理,斷橋水環(huán)境質(zhì)量及其生態(tài)系統(tǒng)的真實變化。因此EHCI法評價結(jié)果更全面、更客觀。
草海中心監(jiān)測點EHCI與WPI、CWQI、富營養(yǎng)指數(shù)變化趨勢基本一致,采用SPSS軟件計算4個評價方法相關(guān)性,富營養(yǎng)指數(shù)與WPI、CWQI Pearson相關(guān)性為顯著相關(guān)(置信度0.05,雙側(cè));WPI與CWQI評價方法Pearson相關(guān)性為顯著相關(guān)(置信度0.10,雙側(cè));EHCI與WPI、富營養(yǎng)指數(shù)Pearson相關(guān)系數(shù)為-0.660、-0.677,與CWQI Pearson相關(guān)系數(shù)為-0.522。相比之下,EHCI與WPI、富營養(yǎng)指數(shù)Pearson相關(guān)性更好。
草海中心監(jiān)測點位于草海中部,水環(huán)境相對斷橋更穩(wěn)定,受污水廠排水影響相對不明顯,7年間4種評價方法計算結(jié)果變化趨勢平穩(wěn),與草海治理措施效果初現(xiàn)相符合。2015年以后,草海藍藻暴發(fā)情況有所好轉(zhuǎn),氮、磷等濃度穩(wěn)中有降,透明度等物理指標(biāo)逐漸好轉(zhuǎn),但是底棲、浮游生物種群單一;草海中心監(jiān)測點底質(zhì)中重金屬、有機污染仍然較嚴(yán)重,因此EHCI的變化不明顯。2011—2017年,草海中心現(xiàn)有的3種評價方法與EHCI法評價趨勢一致,但Pearson相關(guān)性相對較差,主要原因是草海中心底質(zhì)中重金屬污染嚴(yán)重,水環(huán)境、底質(zhì)環(huán)境生物多樣性較差因素在EHCI法中有考量。隨著草海治理工作的推進、草海底質(zhì)中營養(yǎng)元素及有毒物質(zhì)的不斷去除和草海生態(tài)系統(tǒng)不斷改善,EHCI評價法的優(yōu)勢更加凸顯。因此EHCI法評價結(jié)果更全面、更客觀。
白魚口監(jiān)測點EHCI值與WPI、CWQI、富營養(yǎng)指數(shù)變化趨勢基本一致,采用SPSS軟件計算4個評價方法相關(guān)性,富營養(yǎng)指數(shù)、WPI、CWQI Pearson相關(guān)性為顯著相關(guān)(置信度0.05,雙側(cè));EHCI與CWQI評價方法Pearson相關(guān)性為顯著相關(guān)(置信度0.10,雙側(cè));EHCI與富營養(yǎng)指數(shù)Pearson相關(guān)性顯著相關(guān)(置信度0.05,雙側(cè));EHCI與CWQI Pearson相關(guān)性為顯著相關(guān)(置信度0.10,雙側(cè))。EHCI與WPI Pearson相關(guān)系數(shù)為-0.749。
白魚口位于滇池外海西部,受生活、農(nóng)業(yè)、工業(yè)污染影響小,為外海水環(huán)境質(zhì)量相對較好區(qū)域。白魚口監(jiān)測點水環(huán)境質(zhì)量相對穩(wěn)定,底質(zhì)中有機物、重金屬等污染程度相對較輕,因此,EHCI、WPI、CWQI和富營養(yǎng)指數(shù)法評價結(jié)果基本一致,評價結(jié)果相關(guān)性顯著。隨著外海治理措施效果不斷顯現(xiàn),白魚口水環(huán)境、沉積物環(huán)境質(zhì)量不斷改善,EHCI評價法的優(yōu)點也將隨之凸顯。
觀音山中監(jiān)測點EHCI與WPI、CWQI、富營養(yǎng)指數(shù)變化趨勢基本一致,采用SPSS軟件計算4個評價方法相關(guān)性,富營養(yǎng)指數(shù)與WPI Pearson相關(guān)性為顯著相關(guān)(置信度0.05,雙側(cè));EHCI、富營養(yǎng)指數(shù)和CWQI評價方法Pearson相關(guān)性為顯著相關(guān)(置信度0.10,雙側(cè));EHCI與WPI Pearson相關(guān)性為顯著相關(guān)(置信度0.05,雙側(cè))。
2013年后,滇池外海啟動牛欄江調(diào)水工程,經(jīng)大量清潔水補充和置換后,滇池外海水生態(tài)環(huán)境逐步好轉(zhuǎn),生物多樣性呈增加趨勢。觀音山中處于牛欄江調(diào)水工程影響范圍內(nèi),2013年后,EHCI值增加趨勢明顯,也證明生物多樣性變化對EHCI指標(biāo)貢獻較大,客觀反映了滇池外海水環(huán)境質(zhì)量的變化。隨著外海治理效果不斷顯現(xiàn),觀音山中水環(huán)境和沉積物環(huán)境質(zhì)量不斷改善,特別是生物多樣性繼續(xù)改善,EHCI評價法的優(yōu)點也將明顯顯現(xiàn)。
綜上所述,2011—2017年,EHCI評價結(jié)果與現(xiàn)有評價方法評價結(jié)果變化趨勢基本相符。水環(huán)境相對穩(wěn)定區(qū)域(如白魚口、觀音山中),EHCI與WPI、CWQI、富營養(yǎng)指數(shù)Pearson相關(guān)性顯著,2013年后,牛欄江調(diào)水外海,觀音山中生物多樣性增加,EHCI指數(shù)增加顯著;水環(huán)境受外界影響較大區(qū)域(如斷橋、草海中心區(qū)域),WPI、CWQI、富營養(yǎng)指數(shù)Pearson相關(guān)性顯著,與EHCI Pearson相關(guān)性不顯著,與斷橋和草海中心底質(zhì)重金屬、有機污染嚴(yán)重,生物多樣性較差有關(guān)。EHCI綜合了水環(huán)境質(zhì)量和沉積物環(huán)境質(zhì)量,因此評價結(jié)果更全面、更客觀,說明優(yōu)選的評價指標(biāo)及建立的評價體系能滿足滇池水環(huán)境綜合評價要求。隨著滇池治理效果不斷顯現(xiàn),滇池沉積物環(huán)境質(zhì)量持續(xù)改善,生物多樣性增加,EHCI評價法的優(yōu)勢也將逐步凸顯。
研究根據(jù)滇池污染特點,將美國河湖健康評價體系與重金屬指標(biāo)、有機指標(biāo)相結(jié)合,形成新的河湖健康評價體系。評價遵循方法科學(xué)、可行、有代表性和與國際先進水平接軌原則,充分借鑒國內(nèi)外研究成果,將滇池水環(huán)境綜合評價方法從單一因子評價提升到多因子評價,從常規(guī)營養(yǎng)度指數(shù)、CWQI、WPI等微觀評價上升到滇池水生態(tài)健康評價宏觀高度,用層次分析法(AHP)建立了一套完整的評價方法體系。
該評價體系將滇池水生態(tài)系統(tǒng)質(zhì)量定為目標(biāo)層,將滇池水環(huán)境質(zhì)量和沉積物質(zhì)量定為準(zhǔn)則層,將方案層評價指標(biāo)劃分為水環(huán)境指標(biāo)(物理指標(biāo)、營養(yǎng)指標(biāo)、生物指標(biāo)、重金屬指標(biāo)、有機指標(biāo))和沉積物指標(biāo)(營養(yǎng)指標(biāo)、生物指標(biāo)、重金屬指標(biāo)、有機指標(biāo)),指標(biāo)層為篩選出的具體指標(biāo)。評價體系直觀、明了地反映了滇池水生態(tài)系統(tǒng)特點。綜合考慮了滇池水環(huán)境和沉積物環(huán)境對滇池水環(huán)境質(zhì)量的影響,評價結(jié)論更全面、可信。
經(jīng)EHCI計算驗證,EHCI評價結(jié)果與滇池污染現(xiàn)狀較好相符,與現(xiàn)有綜合評價方法評價結(jié)果變化趨勢基本相符,能很好地響應(yīng)生物多樣性變化。EHCI綜合了水環(huán)境質(zhì)量和沉積物環(huán)境質(zhì)量,因此評價結(jié)果更全面、更客觀。優(yōu)選的評價指標(biāo)及體系能滿足滇池水環(huán)境質(zhì)量綜合評價要求。未來滇池的污染治理方向是水體及底質(zhì)中營養(yǎng)元素和有毒物質(zhì)的去除,現(xiàn)有評價方法沒有將底質(zhì)納入評價,因此EHCI評價法能更好地服務(wù)未來滇池的治理工作。