黃昌碩， 蓋永偉， 吳 京

(1.南京水利科學(xué)研究院 水文水資源與水利工程科學(xué)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 江蘇 南京 210029； 2.江蘇省水資源服務(wù)中心， 江蘇 南京 210029)

1 研究背景

目前，國(guó)內(nèi)現(xiàn)有的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)、規(guī)范和導(dǎo)則中，涉及到水生態(tài)監(jiān)測(cè)與安全評(píng)估的內(nèi)容遠(yuǎn)不能滿足生態(tài)文明城市建設(shè)的需求，相關(guān)指標(biāo)應(yīng)用并未廣泛普及，尚未建立常規(guī)性的動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)體系[1]。

近年來(lái)，南京市江寧區(qū)河流生態(tài)狀況受經(jīng)濟(jì)社會(huì)高速發(fā)展的影響，個(gè)別時(shí)段部分河段水質(zhì)狀況較差，不能滿足群眾對(duì)美好生態(tài)環(huán)境的需求。因此，開展河流水生態(tài)監(jiān)測(cè)與安全評(píng)估研究，有助于摸清河流水生態(tài)系統(tǒng)狀況，為生態(tài)系統(tǒng)保護(hù)與科學(xué)恢復(fù)提供基礎(chǔ)支撐，也有助于提高周邊群眾的生活滿意度。

本次研究以南京市江寧區(qū)牛首山河為例，對(duì)河流水生態(tài)狀況進(jìn)行監(jiān)測(cè)和安全評(píng)估，為促進(jìn)河流生態(tài)系統(tǒng)的整體恢復(fù)提供技術(shù)支撐。

2 研究區(qū)概況

江寧區(qū)位于南京市南部，長(zhǎng)江下游南岸，區(qū)域總面積1 558 km2，水域面積186 km2(不含長(zhǎng)江)，處秦淮河流域中游、鄰近長(zhǎng)江，過(guò)境水資源量豐富，降水充沛。牛首山河系外秦淮河支流，西起洋山、東至外秦淮河干河，屬太湖流域。河道由人工納污渠(沿隱龍路及沿康平街)、硬化岸堤河道段、自然岸堤河道段等組成，全長(zhǎng)約8.0 km，流域面積約46.4 km2，沿河設(shè)有何魏泵站、長(zhǎng)山泵站、江南青年城處理站、水閣路橋等污水提升或處理設(shè)施。牛首山河作為江寧城區(qū)的主要支流之一，是城市生態(tài)系統(tǒng)的重要組成部分，近年來(lái)受到人類活動(dòng)的劇烈干擾，其水質(zhì)逐步出現(xiàn)惡化狀態(tài)，河流生態(tài)系統(tǒng)受到嚴(yán)重破壞。這幾年，通過(guò)實(shí)施截污治污、生態(tài)修復(fù)等一系列工程措施，其生態(tài)環(huán)境狀況已有明顯好轉(zhuǎn)，但依舊不能滿足周邊群眾對(duì)生態(tài)環(huán)境日益增長(zhǎng)的高需求。牛首山河具體位置見圖1。

圖1 南京市江寧區(qū)水系及牛首山河位置和監(jiān)測(cè)點(diǎn)布置圖

3 研究方法

本次研究通過(guò)在牛首山河上布設(shè)監(jiān)測(cè)站點(diǎn)和現(xiàn)場(chǎng)采樣調(diào)查等手段[2]，構(gòu)建牛首山河水生態(tài)安全評(píng)估指標(biāo)體系，選擇基于熵值法-物元可拓模型綜合評(píng)估其水生態(tài)安全狀況[3]，為牛首山河生態(tài)治理與修復(fù)提供科學(xué)依據(jù)。

3.1 水生態(tài)監(jiān)測(cè)點(diǎn)布設(shè)方案

根據(jù)牛首山河的河流長(zhǎng)度、形態(tài)特征、水文條件和評(píng)估需要，設(shè)置3個(gè)河岸帶現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查點(diǎn)與水質(zhì)監(jiān)測(cè)點(diǎn)，牛首山河1監(jiān)測(cè)點(diǎn)處于河流下游，牛首山河3監(jiān)測(cè)點(diǎn)處于河流上游。調(diào)查時(shí)間為2016年8月和2016年11月，分兩次對(duì)牛首山河開展了浮游植物和底棲動(dòng)物現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)與調(diào)查。水質(zhì)監(jiān)測(cè)選擇的兩個(gè)季節(jié)為夏季和秋季，是浮游植物生長(zhǎng)的盛期，也是水質(zhì)的敏感時(shí)期，能較好地反映河流生態(tài)系統(tǒng)的健康狀況[4-6]。現(xiàn)場(chǎng)河岸帶調(diào)查于2016年8月進(jìn)行，表1給出了牛首山河的3個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)位坐標(biāo)，監(jiān)測(cè)點(diǎn)位置如圖1所示。

表1 牛首山河水生態(tài)監(jiān)測(cè)點(diǎn)經(jīng)緯度

3.2 水生態(tài)安全評(píng)估指標(biāo)與評(píng)估指標(biāo)

3.2.1 評(píng)估指標(biāo)的選取 牛首山河附近很多小區(qū)并未建立完善的污水處理設(shè)施，生活污水直接排入九龍湖，然后經(jīng)過(guò)泵站進(jìn)入河道。因此，在充分考慮到牛首山河自身資料條件和監(jiān)測(cè)采樣難度及成本，同時(shí)結(jié)合實(shí)際情況，依據(jù)科學(xué)性、完整性、實(shí)用性、可評(píng)價(jià)性的原則，牛首山河水生態(tài)安全評(píng)估指標(biāo)選取了水質(zhì)(RC1)、藻類密度(RC2)、大型底棲動(dòng)物生物多樣性指數(shù)(RC3)、重金屬污染狀況(RC4)、天然濕地保留率(RC5)、河流形態(tài)結(jié)構(gòu)(RC6)、水資源開發(fā)利用指數(shù)(RC7)、最低生態(tài)水位滿足程度(RC8)、河流連通阻隔狀況(RC9)、水功能區(qū)水質(zhì)達(dá)標(biāo)率(RC10)、防洪達(dá)標(biāo)率(RC11)等11個(gè)指標(biāo)[7]，詳見表2。牛首山河現(xiàn)場(chǎng)采樣調(diào)查主要監(jiān)測(cè)指標(biāo)包括水質(zhì)、浮游植物、底棲動(dòng)物、重金屬等指標(biāo)，其中水質(zhì)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)見表3，夏季和秋季浮游植物優(yōu)勢(shì)種見表4，夏季和秋季各監(jiān)測(cè)點(diǎn)浮游植物多樣性指數(shù)見表5，夏季和秋季底棲動(dòng)物各物種密度和生物量見表6，夏季和秋季各監(jiān)測(cè)點(diǎn)底棲動(dòng)物多樣性見表7，夏季和秋季各監(jiān)測(cè)點(diǎn)沉積物重金屬含量均值見表8。其余指標(biāo)主要根據(jù)《江蘇省水資源公報(bào)》《江蘇省統(tǒng)計(jì)年鑒》和江寧區(qū)水務(wù)局提供的水位流量數(shù)據(jù)等計(jì)算得到。

3.2.2 評(píng)估標(biāo)準(zhǔn)的確定 本文研究的河流水生態(tài)安全狀況評(píng)估等級(jí)劃分為非常安全(Ⅰ級(jí))、較安全(Ⅱ級(jí))、基本安全(Ⅲ級(jí))、不安全(Ⅳ級(jí))、極不安全(Ⅴ級(jí))5個(gè)等級(jí)[9]，其中各等級(jí)的臨界值都采用目前已有的規(guī)范、標(biāo)準(zhǔn)和研究成果中的指標(biāo)臨界值，

表2 牛首山河安全評(píng)估指標(biāo)-監(jiān)測(cè)指標(biāo)

注：表中“*”表示數(shù)值為優(yōu)勢(shì)度。

表3 牛首山河水質(zhì)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù) mg/L

如水質(zhì)監(jiān)測(cè)指標(biāo)臨界值選用地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)(GB 3838-2002)中的基本指標(biāo)標(biāo)準(zhǔn)限值，河流連通阻隔狀況、天然濕地保留率、大型底棲動(dòng)物生物多樣性、重金屬污染狀況、水資源開發(fā)利用率等5個(gè)指標(biāo)參考《河流健康評(píng)估指標(biāo)、標(biāo)準(zhǔn)與方法(試點(diǎn)工作用)》(辦資源[2010]484號(hào))中指標(biāo)的臨界值，最低生態(tài)水位保障程度、水功能區(qū)水質(zhì)達(dá)標(biāo)率、防洪指標(biāo)等3個(gè)指標(biāo)參考江蘇省水利廳發(fā)布的《江蘇省主要河流健康狀況報(bào)告》中指標(biāo)的臨界值，河流形態(tài)結(jié)構(gòu)、藻類密度等2個(gè)指標(biāo)參考國(guó)內(nèi)外水生態(tài)安全評(píng)估指標(biāo)相關(guān)研究成果以及專家建議等確定評(píng)定等級(jí)臨界點(diǎn)[10-12]。表9給出了河流水生態(tài)安全狀況總體評(píng)估標(biāo)準(zhǔn)分級(jí)。

表4 牛首山河夏季和秋季浮游植物優(yōu)勢(shì)種

注：表中數(shù)值為優(yōu)勢(shì)度。

表5 牛首山河夏季和秋季各監(jiān)測(cè)點(diǎn)浮游植物多樣性指數(shù)

表6 牛首山河夏季和秋季底棲動(dòng)物各物種密度和生物量

表7 牛首山河夏季和秋季各監(jiān)測(cè)點(diǎn)底棲動(dòng)物多樣性

表8 牛首山河夏季和秋季各監(jiān)測(cè)點(diǎn)沉積物重金屬含量均值 mg/kg

3.3 水生態(tài)安全評(píng)估方法

目前，國(guó)內(nèi)外學(xué)者在水生態(tài)安全評(píng)估工作中大量應(yīng)用了灰色聚類法、模糊綜合評(píng)估法、人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)法、模糊物元分析法等，在眾多評(píng)估方法中，由于物元可拓模型是直接面向問(wèn)題而不是面向數(shù)據(jù)或空間形式的處理方法，因此本文選取能夠更好地反映水體實(shí)際情況的物元可拓模型方法對(duì)河流水生態(tài)安全狀況進(jìn)行評(píng)估，同時(shí)針對(duì)物元可拓模型中存在的指標(biāo)權(quán)重確定不太理想這一問(wèn)題，采用熵值法對(duì)其進(jìn)行改進(jìn)[13-16]。

熵值法是一種客觀賦權(quán)法，在信息論中，熵值反映了信息無(wú)序化的程度，熵越大，有序程度就越低，不確定性越大；反之，熵越小，其有序程度越高，不確定性越小。熵值法計(jì)算步驟包括數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)、計(jì)算參評(píng)對(duì)象指標(biāo)值的比重、計(jì)算指標(biāo)信息熵值和信息效用值、計(jì)算指標(biāo)權(quán)重。熵值法確定指標(biāo)權(quán)重的本質(zhì)主要是利用了指標(biāo)信息的價(jià)值系數(shù)來(lái)計(jì)算，其價(jià)值系數(shù)越高，權(quán)重就越大，對(duì)評(píng)估結(jié)果的貢獻(xiàn)程度就越大。在指標(biāo)權(quán)重確定的過(guò)程中不需要加入任何人為主觀信息，極大程度上削弱了極端值對(duì)綜合評(píng)估的影響。

物元可拓模型通過(guò)評(píng)估級(jí)別和實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)，得到模型的經(jīng)典域、節(jié)域及關(guān)聯(lián)度，從而建立定量綜合評(píng)估模型。物元可拓評(píng)估的具體計(jì)算步驟包括確定經(jīng)典域、確定節(jié)域、確定關(guān)聯(lián)函數(shù)、計(jì)算待評(píng)估物元同評(píng)估等級(jí)間的綜合關(guān)聯(lián)度、評(píng)定等級(jí)、計(jì)算物元隸屬程度等。熵值法和物元可拓模型的具體原理和計(jì)算過(guò)程本文不再冗述。

表9 江寧區(qū)河流水生態(tài)安全綜合評(píng)估等級(jí)劃分

本次研究選擇的熵值法-物元可拓綜合評(píng)價(jià)模型可以處理各評(píng)價(jià)等級(jí)間的過(guò)渡問(wèn)題，并且很好地降低了人為對(duì)權(quán)重的干擾程度，能夠有效地反映出河流水生態(tài)安全狀況。

4 河流水生態(tài)安全綜合評(píng)估

4.1 構(gòu)建經(jīng)典域和節(jié)域

由于所選擇的指標(biāo)中既有正向指標(biāo)(越大越優(yōu))，又有逆向指標(biāo)(越小越優(yōu))，且量綱和尺度不同，因此，需要對(duì)指標(biāo)數(shù)據(jù)進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化，處理后每個(gè)指標(biāo)的取值范圍為[0，1]，將正、逆向指標(biāo)均化為正向指標(biāo)，最優(yōu)值為1，最劣值為0，得到牛首山河水生態(tài)安全評(píng)估指標(biāo)規(guī)范值。牛首山河水生態(tài)安全評(píng)估指標(biāo)值及標(biāo)準(zhǔn)化值見表10。

表10 牛首山河水生態(tài)安全評(píng)估指標(biāo)值及標(biāo)準(zhǔn)化值

構(gòu)建物元可拓評(píng)估模型的經(jīng)典域矩陣R0j：

構(gòu)造值域 ：

4.2 確定權(quán)重系數(shù)

依據(jù)上文介紹的熵值法計(jì)算各個(gè)指標(biāo)權(quán)重系數(shù)，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 確定關(guān)聯(lián)函數(shù)

結(jié)合熵值法計(jì)算得到的各指標(biāo)權(quán)重，利用可拓距和位置的定義，在將各個(gè)評(píng)估指標(biāo)值和各分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)全部規(guī)范化的基礎(chǔ)上，計(jì)算牛首山河水生態(tài)安全評(píng)估指標(biāo)關(guān)于評(píng)估等級(jí)的關(guān)聯(lián)函數(shù)，按照最大值原則確定牛首山河水生態(tài)安全狀況的評(píng)估結(jié)果，評(píng)估結(jié)果見表11。

4.4 評(píng)定等級(jí)

表11 牛首山河水生態(tài)安全評(píng)估指標(biāo)關(guān)于不同等級(jí)的關(guān)聯(lián)度及評(píng)估結(jié)果

5 結(jié) 論

(1)本文通過(guò)布設(shè)監(jiān)測(cè)站點(diǎn)對(duì)南京市江寧區(qū)牛首山河水生態(tài)狀況進(jìn)行監(jiān)測(cè)，監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)顯示，該河水質(zhì)狀況中等，藻類密度遠(yuǎn)超標(biāo)準(zhǔn)限值，生物多樣性較差，存在一定的水生態(tài)安全風(fēng)險(xiǎn)隱患；根據(jù)淡水沉積物質(zhì)量基準(zhǔn)，牛首山河表層沉積物重金屬生態(tài)毒性風(fēng)險(xiǎn)較低。同時(shí)，采用基于熵值法-物元可拓評(píng)估模型對(duì)江寧區(qū)牛首山河水生態(tài)安全狀況進(jìn)行綜合評(píng)估，評(píng)估結(jié)果顯示牛首山河水生態(tài)安全狀況評(píng)估等級(jí)在Ⅳ～Ⅴ級(jí)之間，且更偏重Ⅳ級(jí)，水生態(tài)安全狀況較差。

(2)本文在河流水生態(tài)狀況監(jiān)測(cè)的基礎(chǔ)上，選取了11項(xiàng)評(píng)估指標(biāo)，對(duì)河流水生態(tài)安全狀況進(jìn)行評(píng)估，評(píng)估結(jié)果能夠較好地反映出一條河流的生態(tài)安全狀況。未來(lái)，不同區(qū)域可根據(jù)自身河流水系特點(diǎn)及經(jīng)濟(jì)發(fā)展?fàn)顩r，選擇不同的評(píng)估指標(biāo)，對(duì)河流水生態(tài)安全狀況進(jìn)行綜合評(píng)估，可為河流生態(tài)系統(tǒng)保護(hù)和治理提供基礎(chǔ)支撐。