劉聚濤,溫春云,胡 芳,樓 倩,楊 平,戴國飛,王法磊

江西省水利科學(xué)研究院,江西省鄱陽湖水資源與環(huán)境重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,江西 南昌 330029

明確河流健康狀態(tài)是開展河流水生態(tài)系統(tǒng)保護(hù)與管理的重要基礎(chǔ)。 河流水生態(tài)系統(tǒng)主要由水生生物群落與水環(huán)境共同組成,并且其結(jié)構(gòu)和功能存在空間分異現(xiàn)象[1]。 其中,水環(huán)境因子是影響水生生物組成、生物量及多樣性的重要因素[2-3],水環(huán)境因子的變化直接影響著河流健康狀態(tài)。

河流健康評(píng)估單元?jiǎng)澐质情_展河流健康評(píng)估和生態(tài)系統(tǒng)保護(hù)的重要基礎(chǔ),可以揭示河流生態(tài)系統(tǒng)健康狀況的空間特征差異,為水生態(tài)健康評(píng)估及保護(hù)措施的制定提供科學(xué)依據(jù)[2]。 目前,河流健康評(píng)估單元多集中于區(qū)域或流域尺度[4],通常以監(jiān)測(cè)點(diǎn)為基礎(chǔ),結(jié)合上中下游河段、區(qū)域或流域,開展監(jiān)測(cè)點(diǎn)-上中下游河段[5-7]、監(jiān)測(cè)點(diǎn)-區(qū)域[7]、監(jiān)測(cè)點(diǎn)-流域[8-10]、流域[11-12]等評(píng)估單元的河流健康狀態(tài)評(píng)估研究。 其中,以流域?yàn)樵u(píng)估單元的研究多基于流域數(shù)字高程模型,采用ArcGIS軟件中的水文分析模塊進(jìn)行小流域劃分并作為評(píng)估單元[13];少量研究依托河流水文和水環(huán)境監(jiān)測(cè)點(diǎn)的分布情況,對(duì)河流進(jìn)行上中下游定性分段,作為健康評(píng)估單元。 由于河流水生態(tài)系統(tǒng)具有連續(xù)性,依托地理、水文特征和行政單元?jiǎng)澐值慕】翟u(píng)估單元忽略了監(jiān)測(cè)點(diǎn)的代表性和河流水環(huán)境與生態(tài)系統(tǒng)的連續(xù)性,具有一定的局限性。 因此,有必要以水環(huán)境監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)為依托,科學(xué)劃分河流健康評(píng)估單元,使河流健康評(píng)估單元內(nèi)的水生態(tài)環(huán)境具有一致性和連續(xù)性,不同評(píng)估單元之間具有空間差異性,同時(shí)為進(jìn)一步明確不同評(píng)估單元在河流健康評(píng)估中的權(quán)重提供量化依據(jù)。

撫河是鄱陽湖水系第二大河流。 為改善流域水生態(tài)環(huán)境,以撫河全流域?yàn)閱卧?先后實(shí)施了水資源保護(hù)工程、污染治理工程、水土保持工程、生態(tài)保護(hù)和修復(fù)工程、環(huán)境監(jiān)測(cè)平臺(tái)建設(shè)工程等流域生態(tài)保護(hù)與綜合治理項(xiàng)目,產(chǎn)生了顯著的生態(tài)和環(huán)境效益。 本文以撫河為研究對(duì)象,基于水環(huán)境監(jiān)測(cè)點(diǎn)的布局及其優(yōu)化方法,科學(xué)布設(shè)河流水環(huán)境監(jiān)測(cè)點(diǎn),結(jié)合水環(huán)境監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù),甄別河流健康評(píng)估單元?jiǎng)澐种笜?biāo),構(gòu)建河流健康評(píng)估單元?jiǎng)澐址椒?科學(xué)劃定河流健康評(píng)估單元,并量化各評(píng)估單元所占比重,以期為撫河健康評(píng)估、生態(tài)保護(hù)與綜合管理提供參考。

1 區(qū)域概況

撫河(圖1) 位于江西省東部(26°30′N—28°50′N, 115° 35′ E—117° 09′ E), 主 河 道 長348 km,流域面積15 717 km2。 其中,源頭至南城為上游,長約158 km,河寬200 ～400 m;南城至臨水匯合口為中游,長約77.4 km,河寬400 ～600 m;臨川以下為下游,河寬400 ～1 000 m。 此外,以李家渡水文站為撫河控制站點(diǎn)。

圖1 撫河概化及水環(huán)境監(jiān)測(cè)點(diǎn)布設(shè)Fig.1 Generalization and layout of water environmental monitoring points of Fuhe River

2 材料與方法

2.1 監(jiān)測(cè)點(diǎn)布設(shè)方法

撫河水環(huán)境監(jiān)測(cè)點(diǎn)初始布設(shè)情況如圖1 所示。 結(jié)合上中下游、干支流、重大水利工程和城市節(jié)點(diǎn)分布特征,采用網(wǎng)格法對(duì)撫河水環(huán)境監(jiān)測(cè)點(diǎn)進(jìn)行布設(shè)。 其中,干流以10 km×10 km 格網(wǎng)為基礎(chǔ),每個(gè)網(wǎng)格布設(shè)1 個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn);支流以20 km×20 km 格網(wǎng)為基礎(chǔ),每?jī)蓚€(gè)網(wǎng)格布設(shè)1 個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)。

2.2 水環(huán)境監(jiān)測(cè)指標(biāo)與方法

本研究分別于2017 年8 月(豐水期)、2017年12 月(枯水期)和2018 年5 月(平水期)開展野外取樣和室內(nèi)檢測(cè)分析,檢測(cè)指標(biāo)包括總氮(TN)、總磷(TP)、氨氮(NH3-N)、高錳酸鹽指數(shù)(CODMn)、五日生化需氧量(BOD5)和葉綠素a(Chl-a)等6 項(xiàng),檢測(cè)方法參考《地表水和污水監(jiān)測(cè)技術(shù)規(guī)范》(HJ/T 91—2002)[14]。

2.3 監(jiān)測(cè)點(diǎn)分類及布局優(yōu)化方法

1) 監(jiān) 測(cè) 點(diǎn) 分 類 方 法。 以 水 環(huán) 境TN、TP、NH3-N、CODMn、BOD5和Chl-a 等6 項(xiàng)指標(biāo)在豐水期、平水期、枯水期的平均值為樣本,采用SPSS 16.0 統(tǒng)計(jì)軟件中的樣本聚類分析方法對(duì)監(jiān)測(cè)點(diǎn)進(jìn)行初始分類。

2)監(jiān)測(cè)點(diǎn)布局優(yōu)化方法。 在初始分類中,選擇與各類樣本平均值擬合程度最高的點(diǎn)作為優(yōu)化布局點(diǎn)。 不同類別的監(jiān)測(cè)點(diǎn)中,統(tǒng)籌考慮監(jiān)測(cè)點(diǎn)的空間布局確定優(yōu)化布局點(diǎn)。

2.4 健康評(píng)估單元?jiǎng)澐种笜?biāo)確定方法

以水環(huán)境監(jiān)測(cè)指標(biāo)為基礎(chǔ),結(jié)合監(jiān)測(cè)點(diǎn)的分類結(jié)果,采用Pearson 相關(guān)系數(shù)分析水環(huán)境監(jiān)測(cè)指標(biāo)之間及其與監(jiān)測(cè)點(diǎn)分類結(jié)果之間的相關(guān)關(guān)系,選擇具有顯著相關(guān)性的指標(biāo)作為關(guān)鍵指標(biāo)。在此基礎(chǔ)上,選擇與監(jiān)測(cè)點(diǎn)分類結(jié)果相關(guān)系數(shù)最大且相關(guān)水平最為顯著的指標(biāo),作為河流健康評(píng)估單元?jiǎng)澐值姆謪^(qū)指標(biāo)(圖2)。

圖2 河流健康評(píng)估分區(qū)指標(biāo)篩選概念圖Fig.2 Conceptual map for screening division index of river health assessment

2.5 河流健康評(píng)估單元?jiǎng)澐址椒?/h3>

1)評(píng)估單元?jiǎng)澐謽?biāo)準(zhǔn)的確定方法。 假設(shè)因子I 共m 個(gè)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù),分為n 類,Si表示第i 類監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)。 各類別的最大值和最小值采用取整計(jì)算(INT 為取整函數(shù)), 則第 i 類的最大值為INT(Si,max)+1,最小值為INT(Si,min)。 計(jì)算第j類和第j+1 類的劃分標(biāo)準(zhǔn)時(shí),分別計(jì)算第j 類的最大值Sj,max和第j+1 類的最小值Sj+1,min,然后進(jìn)行取整,取[INT(Sj,max)+1]+INT({INT(Sj+1,min)-[INT(Sj,max)+1]}/2)作為第j 類和第j+1 類的劃分標(biāo) 準(zhǔn)。 第1 類的 INT (S1,min) 和 第 n 類 的INT(Sn,max)+1 按照實(shí)際指標(biāo)值進(jìn)行劃分。

2)評(píng)估單元?jiǎng)澐衷瓌t。 ①每個(gè)評(píng)估單元必須包含至少1 個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn);②支流以匯入干流的節(jié)點(diǎn)為控制點(diǎn)劃分評(píng)估單元;③源頭區(qū)按照空間分區(qū)邊界進(jìn)行劃分;④將具有差異的監(jiān)測(cè)點(diǎn)劃分為不同的評(píng)估單元。

3)評(píng)估單元?jiǎng)澐址椒ā?采用ArcGIS 10.2 軟件對(duì)分區(qū)指標(biāo)進(jìn)行空間插值,以標(biāo)準(zhǔn)值為邊界,結(jié)合河流形態(tài)和空間插值范圍,綜合劃分河流健康評(píng)估單元。

3 結(jié)果與分析

3.1 水環(huán)境監(jiān)測(cè)點(diǎn)布局優(yōu)化分析

根據(jù)水環(huán)境監(jiān)測(cè)點(diǎn)分類方法,對(duì)撫河水環(huán)境監(jiān)測(cè)點(diǎn)進(jìn)行聚類分析,結(jié)果如表1 所示。 表1 顯示,撫河水環(huán)境監(jiān)測(cè)點(diǎn)共分為7 類。 其中,第一類包含13 個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn),第二類包含11 個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn),第三類包含8 個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn),第四類包含4 個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn),第五類包含2 個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn),第六類和第七類各包含1 個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)。

根據(jù)水環(huán)境監(jiān)測(cè)點(diǎn)布局優(yōu)化方法,確定優(yōu)化后的撫河水環(huán)境監(jiān)測(cè)點(diǎn),結(jié)果如表1 所示。 布局優(yōu)化后,共包括了16 個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn),占初始布局點(diǎn)位數(shù)量的40%。 其中,第一類監(jiān)測(cè)點(diǎn)包含5 個(gè),第二類監(jiān)測(cè)點(diǎn)包含4 個(gè),第三類監(jiān)測(cè)點(diǎn)包含2 個(gè),第四類監(jiān)測(cè)點(diǎn)包含2 個(gè),第五至七類各包含1 個(gè)。

表1 撫河水環(huán)境監(jiān)測(cè)點(diǎn)空間布局優(yōu)化結(jié)果Table 1 Results of spatial layout optimization for water environment monitoring points in Fuhe River

3.2 河流健康評(píng)估單元?jiǎng)澐种笜?biāo)識(shí)別

以撫河6 項(xiàng)水環(huán)境監(jiān)測(cè)指標(biāo)和分類結(jié)果為基礎(chǔ)進(jìn)行相關(guān)性分析,結(jié)果如表2 所示。 在0.01 水平上,TN 與NH3-N 呈顯著相關(guān),Chl-a 分別與BOD5、分類結(jié)果呈顯著相關(guān);在0.05 水平上,TN與CODMn呈顯著相關(guān),BOD5與分類結(jié)果呈顯著相關(guān)。

根據(jù)各水環(huán)境監(jiān)測(cè)指標(biāo)與分類結(jié)果之間的相關(guān)性分析結(jié)果,Chl-a、BOD5兩項(xiàng)指標(biāo)均與分類結(jié)果之間存在顯著相關(guān)關(guān)系,確定Chl-a 和BOD5為河流健康評(píng)估單元?jiǎng)澐值年P(guān)鍵指標(biāo)。 同時(shí),由于Chl-a 與分類結(jié)果在0.01 水平上顯著相關(guān),且相關(guān)系數(shù)為0.944,選擇Chl-a 作為撫河健康評(píng)估單元?jiǎng)澐值姆謪^(qū)指標(biāo)。

表2 撫河水環(huán)境監(jiān)測(cè)指標(biāo)與分類結(jié)果的相關(guān)性分析Table 2 Correlation analysis between the water environment monitoring index and classification result in Fuhe River

3.3 河流健康評(píng)估分區(qū)標(biāo)準(zhǔn)

撫河健康評(píng)估分區(qū)指標(biāo)Chl-a 的濃度值如表3 所示。 根據(jù)評(píng)估單元?jiǎng)澐謽?biāo)準(zhǔn)確定方法,第一類的最大和最小劃分標(biāo)準(zhǔn)為5 和1,第二類的最大和最小劃分標(biāo)準(zhǔn)為8 和5,由此確定第一類和第二類的劃分標(biāo)準(zhǔn)為5;第三類的最大和最小劃分標(biāo)準(zhǔn)為11 和8,由此確定第二類和第三類的劃分標(biāo)準(zhǔn)為8;第四類的最大和最小劃分標(biāo)準(zhǔn)為14 和11,由此確定第三和第四類的劃分標(biāo)準(zhǔn)為11;第五類的最大和最小劃分標(biāo)準(zhǔn)為16 和15,則通過計(jì)算得到第四類和第五類的劃分標(biāo)準(zhǔn),[INT(S4,max)+1]+INT({INT(S5,min)-[INT(S4,max)+1]}/2)= 14+INT({15-14}/2)= 14,由此確定第四類和第五類點(diǎn)的劃分標(biāo)準(zhǔn)為14;第六類的最大和最小劃分標(biāo)準(zhǔn)為21 和20,則通過計(jì)算得到第五類和第六類的劃分標(biāo)準(zhǔn),[INT(S5,max)+1] +INT({INT(S6,min)-[INT(S5,max)+1]}/2)= 16+INT({20-16}/2)= 18,由此確定第五類和第六類的劃分標(biāo)準(zhǔn)為18;第七類的最大和最小劃分標(biāo)準(zhǔn)為28 和27,則通過計(jì)算得到第六類和第七類 的 劃 分 標(biāo) 準(zhǔn), [INT ( S6,max) + 1] +INT({INT(S7,min)-[INT(S6,max)+1]}/2)= 21+INT({27-21}/2)= 24,由此確定第六類和第七類的劃分標(biāo)準(zhǔn)為24。

根據(jù)撫河健康評(píng)估單元?jiǎng)澐謽?biāo)準(zhǔn)計(jì)算結(jié)果,第一類至第七類的分區(qū)指標(biāo)Chl-a 濃度(mg/m3)的分區(qū)標(biāo)準(zhǔn)分別為(0,5)、[5,8)、[8,11)、[11,14)、[14,18)、[18,24)、[24,+∞)。

表3 撫河健康評(píng)估分區(qū)指標(biāo)值及分區(qū)標(biāo)準(zhǔn)Table 3 Division index values and criteria for river health assessment in Fuhe River mg/m3

3.4 河流健康評(píng)估分區(qū)劃分

根據(jù)撫河水環(huán)境監(jiān)測(cè)點(diǎn)布局優(yōu)化結(jié)果,采用反距離加權(quán)法(Inverse Distance Weighted)進(jìn)行空間插值(圖3)。 結(jié)合河流健康評(píng)估分區(qū)標(biāo)準(zhǔn),確定撫河健康評(píng)估單元,共劃分為16 個(gè)(圖4),各評(píng)估單元特征如表4 所示。

圖3 撫河健康評(píng)估分區(qū)指標(biāo)空間插值Fig.3 Spatial interpolation of division index for river health assessment in Fuhe River

根據(jù)撫河健康評(píng)估單元?jiǎng)澐纸Y(jié)果,盱江劃分為盱江上游、盱江中游和盱江下游3 個(gè)評(píng)估單元;撫河干流劃分為撫河干流上游、撫河干流中游、撫河干流撫州段3 個(gè)評(píng)估單元;黎灘河劃分為黎灘河源頭區(qū)和黎灘河下游2 個(gè)評(píng)估單元;宜黃水劃分為宜黃水源頭區(qū)和宜黃水下游2 個(gè)評(píng)估單元;相水劃分為相水源頭區(qū)和相水干流2 個(gè)評(píng)估單元;寶塘水劃分為寶塘水源頭區(qū)和寶塘水-崇仁河2 個(gè)評(píng)估單元;東鄉(xiāng)水為1 個(gè)評(píng)估單元;撫河下游為1 個(gè)評(píng)估單元。

圖4 撫河健康評(píng)估分區(qū)Fig.4 Zoning map of river health assessment in Fuhe River

表4 撫河健康評(píng)估單元特征及所占比重Table 4 Characteristics and proportion of river health assessment units in Fuhe River

4 討論與結(jié)論

經(jīng)優(yōu)化后,撫河水環(huán)境監(jiān)測(cè)布局共包含16 個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)。 根據(jù)撫河健康評(píng)估單元?jiǎng)澐纸Y(jié)果,每個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)代表1 個(gè)評(píng)估單元。 其中,主支干流包含上游、中游、下游3 個(gè)評(píng)估河段,其他支流一般分為源頭區(qū)和下游2 個(gè)河段,較小的支流和流域下游單獨(dú)劃分為1 個(gè)評(píng)估單元。

根據(jù)撫河健康評(píng)估單元水環(huán)境特征及分類結(jié)果可知,相鄰評(píng)估單元所包含的水環(huán)境監(jiān)測(cè)點(diǎn)基本屬于不同分類,表明相鄰評(píng)估單元存在一定的差異。 撫河各評(píng)估單元中,相水源頭區(qū)和相水干流被劃分為兩個(gè)評(píng)估單元,但其所包含的水環(huán)境監(jiān)測(cè)點(diǎn)屬于同一分類,可能是由于該評(píng)估單元多個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)的指標(biāo)值經(jīng)平均后,縮小了兩個(gè)評(píng)估單元之間的差異。 相水源頭區(qū)評(píng)估單元包含1 個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)(32 號(hào)),該監(jiān)測(cè)點(diǎn)的Chl-a 濃度為3.122 mg/m3,屬于評(píng)估單元?jiǎng)澐值牡谝活悺?相水干流評(píng)估單元包含兩個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)(33 號(hào)、34 號(hào)),Chl-a 濃度分別為1.380、5.828 mg/m3,分別屬于評(píng)估單元?jiǎng)澐值牡谝活?、第二?但整個(gè)評(píng)估單元Chl-a 濃度的平均值為3.604 mg/m3,屬于評(píng)估單元?jiǎng)澐值牡谝活悺?顯然,平均值縮小了兩個(gè)評(píng)估單元之間的差異。

根據(jù)撫河健康評(píng)估單元?jiǎng)澐纸Y(jié)果,16 個(gè)評(píng)估單元所代表的河段長度不同,在河流健康評(píng)估中所占的比重也不同。 已往的河流健康評(píng)估通常利用各監(jiān)測(cè)點(diǎn)特征值的算數(shù)平均值進(jìn)行綜合評(píng)估[7-10],但根據(jù)本研究結(jié)果,各監(jiān)測(cè)點(diǎn)所代表評(píng)估單元的比重介于0.025 ～0.192,表明各評(píng)估單元所占比重存在較大差異。 因此,采用河流健康評(píng)估單元所占比重開展河流健康綜合評(píng)估,考慮了各評(píng)估單元健康狀況的差異性,評(píng)估結(jié)果更加符合實(shí)際情況。

本文構(gòu)建了河流健康評(píng)估單元的劃分指標(biāo)、標(biāo)準(zhǔn)和方法,并以撫河為研究對(duì)象驗(yàn)證了其適用性。 以水環(huán)境監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)為基礎(chǔ),通過河流健康評(píng)估單元?jiǎng)澐种笜?biāo)識(shí)別方法,確定Chl-a 為撫河健康評(píng)估單元?jiǎng)澐值姆謪^(qū)指標(biāo),按濃度由低到高分為7 類。 按照河流健康評(píng)估單元?jiǎng)澐址椒?撫河共劃分為16 個(gè)河流健康評(píng)估單元,其中,僅相水源頭區(qū)和相水干流兩個(gè)相鄰評(píng)估單元屬于同一類別,其他各相鄰評(píng)估單元均屬于不同分類,表明本研究構(gòu)建的河流健康評(píng)估單元?jiǎng)澐址椒ň哂幸欢ǖ倪m用性,可為進(jìn)一步科學(xué)開展河流健康綜合評(píng)估提供參考。