楊 蓉,劉 波,王東霞,徐 冉,黃振芳

北京市水文總站,北京 100089

水是人類文明起源和發(fā)展的重要條件,維持水體清潔和健康是環(huán)境保護、資源管理和供水安全等領域的共同要求,而建立判斷水體狀態(tài)的評價方法是評估水環(huán)境受人類干擾程度、指導后續(xù)保護和修復工作的重要基礎。 近年來,隨著生態(tài)文明理念的提出,基于生物學指標的水生態(tài)監(jiān)測獲得了進一步的發(fā)展和推廣。 水生生物個體和群落的改變是對理化指標變化的響應,因此,生物指標可以反映生態(tài)系統(tǒng)在環(huán)境壓力下的整體效應和累積效果,具有靈敏、直觀、綜合等優(yōu)勢[1]。 生物監(jiān)測已成為美國、歐盟等國家和地區(qū)水環(huán)境管理框架的重要組成部分。 中國在生物監(jiān)測方面雖然起步較晚,但在加強生物監(jiān)測能力建設、推進相關研究、促成標準和規(guī)范建立等方面也取得了一定的成果[2]。 目前,已有多種生物監(jiān)測和評價方法應用于水生態(tài)健康評價,例如:指示生物法通過判斷敏感性強或耐污性好的生物的存在與否來指示水體受污染程度;多樣性指數法通過評估群落組成異質性和群落結構復雜性來反映水質優(yōu)劣;生物指數法通過量化特定類群生物的敏感性、耐受性等特征來構建計分系統(tǒng),從而評價水生態(tài)狀況。水務、環(huán)境等管理部門也在長期工作實踐的基礎上建立了滿足自身管理需要的評價方法。 2017年,中國環(huán)境監(jiān)測總站基于多年監(jiān)測和研究基礎,牽頭出版了《流域水生態(tài)環(huán)境質量監(jiān)測與評價技術指南》[3],并在系統(tǒng)內推廣應用。 2020 年,北京市水務局出臺了推薦性地方標準《水生態(tài)健康評價技術規(guī)范》(DB11/T 1722—2020)[4],并依此發(fā)布了年度水生態(tài)監(jiān)測及健康評價報告。 兩份技術指南/規(guī)范均是從水質、生境和生物3 個方面對水生態(tài)質量開展綜合評價。 同年,水利部推出了《河湖健康評價指南(試行)》[5],從生態(tài)狀況和功能狀況兩個角度指導河湖管理和保護。

北京地區(qū)的河湖水體均屬于海河水系。 北京西部、北部、東北部被太行山脈和燕山山脈環(huán)繞,因此,其大多數天然河流都發(fā)源于西北山區(qū),向東南流經平原城區(qū)后,出京流向渤海。 作為歷史上多個朝代的都城和新中國的首都,數百年間,北京出于漕運、景觀、防洪等目的修建了諸多河道和湖庫[6]。 《北京市第一次水務普查公報》顯示,北京五大水系共有流域面積超過10 km2的河流425條、湖泊41 個、水庫88 座[7]。 這些水體不同程度地受到人類活動的影響,其健康狀況受到政府和民眾的關注。 綜合目前的研究和管理成果,本研究選擇了北京市部分典型水體,包括地表水水源地、景觀湖泊和流經主城區(qū)的河道,分別采用Shannon-Wiener 多樣性指數、水生態(tài)健康綜合指數(Water Health Index,WHI)、水生態(tài)環(huán)境綜合評價指數(Water Quality Index,WQI)開展水生態(tài)評價。 通過對3 種方法的評價結果進行對比,分析不同方法在北京市水域健康評價中的適用性,從而為評價方法的選擇和應用提供參考。

1 實驗方法

1.1 點位布設

在北京市典型水體中共選擇16 個采樣點,覆蓋作為重要水源地的密云水庫、面積較大的景觀湖泊,以及清河、南護城河、通惠河、溫榆河、涼水河、北運河等城市河道的重點斷面,詳見表1。

表1 采樣點具體情況Table 1 Information of sampling spots

1.2 調查與監(jiān)測方法

本研究基于2016—2020 年水生態(tài)調查與監(jiān)測成果,數據獲取方法如下:

1)生境調查。 按照《水生態(tài)健康評價技術規(guī)范》(DB11/T 1722—2020)和《流域水生態(tài)環(huán)境質量監(jiān)測與評價技術指南》對河流和湖庫生境參數進行評分,每年開展1 次。

2)水質監(jiān)測。 按照《水環(huán)境監(jiān)測規(guī)范》(SL 219—2013)[8]采集表層水樣,監(jiān)測項目為《地表水環(huán)境質量標準》(GB 3838—2002)[9]中的24 項基本項目,河流另加全鹽量,湖庫另加葉綠素a、透明度、全鹽量。 分析方法采用最新的國家或行業(yè)標準方法。 每月月初開展1 次。

3)水生生物監(jiān)測。 根據《水生生物調查技術規(guī)范》(DB11/T 1721—2020)[10]開展魚類、大型水生植物、浮游植物、浮游動物和大型底棲動物調查監(jiān)測。 每年春、夏、秋季各開展1 次。 魚類種類鑒定主要參考《北京魚類志》和《北京及其鄰近地區(qū)的魚類:物種多樣性、資源評價和原色圖譜》[11-12],大型水生植物的鑒定主要參考《水生植物圖鑒》[13],浮游植物的種類鑒定主要參考《中國淡水藻類——系統(tǒng)、分類及生態(tài)》[14],浮游動物與大型底棲動物的鑒定主要參考《淡水微型生物與底棲動物圖譜》和《中國淡水生物圖譜》[15-16]。

1.3 數據處理與分析

1.3.1 水質評價

采用《地表水環(huán)境質量標準》 (GB 3838—2002)中的單因子評價法,以各個站點水質指標的年均值開展水質類別評價,密云水庫使用8 個站點年均值的算術平均值。

1.3.2 多樣性指數

以生態(tài)監(jiān)測和相關研究中使用較多、可分別反映短期和長期環(huán)境狀況的浮游植物和底棲動物兩類水生生物,作為水體中初級生產者和消費者的重要代表類群,分別計算其Shannon-Wiener 多樣性指數(H′)。 0≤H′<1 代表水體為重污染狀態(tài),1≤H′<2 為中污染,2≤H′<3 為輕污染,H′≥3為清潔[17-18]。

1.3.3 綜合指數

WHI 和WQI 的計算方法分別參考《水生態(tài)健康評價技術規(guī)范》(DB11/T 1722—2020)和《流域水生態(tài)環(huán)境質量監(jiān)測與評價技術指南》,按照要求將生境指標、理化指標和生物指標分別賦分,結合不同權重進行指數計算和健康等級劃分。WHI<60 表示水生態(tài)系統(tǒng)處于不健康狀態(tài),60≤WHI<80 為亞健康,WHI≥80 為健康。 WQI<1 表示水環(huán)境受到重度污染,1≤WQI<2 為中度污染,2≤WQI<3 為輕度污染,3 ≤WQI<4 為良好,WQI≥4 為優(yōu)秀。

由表2 可知,WHI 和WQI 在具體構成上仍存在一定差異,生境、理化和生物3 項要素的內容組成和權重值各自不同。

表2 WHI 和WQI 指標構成Table 2 Assessment indicators of WHI and WQI

在WQI 的計算過程中,可由研究者在常見水生生物指數評價方法中按需選擇評價生物和生物指數。 本研究選擇了浮游植物的Shannon-Wiener 多樣性指數和底棲動物的BMWP 指數,賦分后計算算術平均值,再結合生境和理化指標獲得WQI。

2 結果分析

2.1 水質評價結果

總體而言,2016—2020 年,9 個水體的水質類別均有所提升。 Ⅲ類及以上水體占比從2016 年的33.3%上升到2020 年的66.7%,Ⅴ類及劣Ⅴ類占比從2016 年的44.4%降至2019—2020 年的0%(圖1)。 其中,6 個河流水體的水質改善明顯:2016 年,2 個處于Ⅳ類,4 個處于劣V 類;2020 年,2個處于Ⅳ類,3 個處于Ⅲ類,1 個達到Ⅱ類水平。

圖1 水體水質類別占比變化情況Fig.1 Percentage changes of water quality grades of nine aquatic systems

2.2 多樣性指數評價結果

9 個水體的浮游植物Shannon-Wiener 多樣性指數介于1～3(圖2),對應中污染和輕污染等級。按照水體類別排序:湖泊<水庫<河流。 其中,昆明湖和福海的5 年均值(圖2 中的黑色短橫線)無明顯差異,6 個河流水體之間也無明顯差異。

圖2 各水體Shannon-Wiener 多樣性指數對比Fig.2 Comparison of Shannon-Wiener diversity indexes of nine aquatic systems

與浮游植物相比,9 個水體的底棲動物多樣性較低,多樣性指數全部小于1.5,對應重污染和中污染等級。 不同水體的5 年均值差別不大,絕大多數落在0.5～1.0 范圍內。

浮游植物多樣性指數的年度變化呈現先上升后下降的趨勢,2016 年和2017 年年均值相近,2018 年開始上升,2019 年達到最高值,2020 年又有所下降。 底棲動物多樣性指數的年度變化趨勢為2016—2018 年緩慢下降,2019 年出現最高值,2020 年又有所下降(圖3)。

圖3 Shannon-Wiener 多樣性指數變化趨勢Fig.3 Annual variation of Shannon-Wiener diversity index

2.3 綜合指數評價結果

各水體WHI 評分如圖4 所示。 其中,密云水庫和昆明湖WHI 在5 年間保持穩(wěn)中有升的趨勢,福海和6 個河流水體明顯上升。 除密云水庫、南護城河(龍?zhí)堕l)和溫榆河(北關閘)外,其余水體均出現了健康等級的提升。 湖泊方面,福海的WHI 5 年均值低于昆明湖;河流方面,清河(羊坊閘)、通惠河(高碑店湖)和北運河(榆林莊閘)整體優(yōu)于南護城河(龍?zhí)堕l)、溫榆河(北關閘)和涼水河(馬駒橋)。 9 個水體的WHI 年均值由2016年的70.4 升至2020 年的82.4,不健康類別消失,健康類別占比從2016 年11.1%逐年上升至2020年的77.8%(圖5)。

圖4 各水體WHI 評分變化趨勢Fig.4 Annual variation of WHI of nine aquatic systems

圖5 水體WHI 健康類別占比變化Fig.5 Percentage changes of WHI of nine aquatic systems

各水體WQI 評分如圖6 所示。 與WHI 相似,密云水庫和昆明湖WQI 在5 年間保持穩(wěn)中有升的趨勢,6 條河流則明顯提高,但福海WQI 在近3 年有所下降。 湖泊方面,福海的WQI 5 年均值整體低于昆明湖;河流方面,處于上游的清河(羊坊閘)、南護城河(龍?zhí)堕l)和通惠河(高碑店湖)的水生態(tài)狀況優(yōu)于下游的溫榆河(北關閘)、涼水河(馬駒橋)和北運河(榆林莊閘)。 9 個水體的WQI 年均值逐漸上升,由2016—2017 年的2.0 提高到2020 年的2.8,中度污染類別消失,良好類別在2019—2020 年大幅增加(圖7)。

圖6 各水體WQI 評分變化趨勢Fig.6 Annual variation of WQI of nine aquatic systems

圖7 水體WQI 健康類別占比變化Fig.7 Percentage changes of WQI of nine aquatic systems

2.4 相關性分析

對水質類別、浮游植物多樣性指數、底棲動物多樣性指數、WHI、WQI 開展Spearman 相關性分析,結果如表3 所示。

由表3 可知,水質類別與WHI、WQI 呈極顯著負相關;浮游植物多樣性指數與底棲動物多樣性指數呈極顯著正相關;WQI 與WHI 呈極顯著正相關,與底棲動物多樣性指數呈顯著正相關,但相關性較弱。 以上分析說明,水生態(tài)系統(tǒng)健康狀況與水質狀況密切相關,與單一類型的水生生物多樣性指數的相關性較差,但水質改善和生物多樣性增加均有利于兩種綜合指數的上升。

表3 Spearman 相關性分析結果Table 3 Results of Spearman correlation analysis

3 討論

3.1 水質類別、生物多樣性指數和綜合指數的比較

水質類別、生物多樣性指數和綜合指數的評價結果在時間上指向了較為一致的變化趨勢,但在空間上指示的變化趨勢有較大差異。 例如:水質類別和綜合指數評價結果顯示,密云水庫和昆明湖水生態(tài)狀況優(yōu)于河流;但浮游植物多樣性指數評價結果顯示,河流優(yōu)于湖泊和水庫。 不同方法獲得的健康等級也有所不同,如浮游植物多樣性指數和綜合指數指示的水生態(tài)狀況以健康(良好)和亞健康(輕污染～中污染)為主,但底棲動物多樣性指數指示的水生態(tài)狀況基本處于中污染～重污染層次。 這說明不同指標可以從不同方面反映水體狀況,單獨使用水質指標或單一類型的生物多樣性指數并不能顯示生態(tài)系統(tǒng)內的多重變化,其評價結果也不夠全面。 與此相比,WHI 和WQI 綜合了生境、化學、生物等多方面的調查和監(jiān)測結果,表達的信息更加豐富。 而且在實際評價工作中,WHI 和WQI 可用指數形式體現同一健康類別內的差異,對環(huán)境狀況的反映更加靈敏。

表2 所示WHI 和WQI 的構成差異主要與不同部門的工作側重有關。 例如,在生境指標中,WHI 更關注與水量有關的水深、蓄水比、湖庫更新周期等指標,而WQI 更關注生境是否處于天然狀態(tài)和人類活動的影響程度。 再如,在生物指標中,WHI 將5 種水生生物全部納入計算,而WQI可根據實際需要選用生物類群和評價方法,并傾向于選擇受短期水質波動影響較小、更適合反映該流域在時間和空間上的整體狀況的大型底棲動物進行評價。 因此,兩個綜合指數在實際應用中會存在評價結果的差異。 例如,在本研究中,對于圓明園福海的水生態(tài)狀況年度變化,WHI 和WQI給出了相反的趨勢判定。 在近3 年的評價中,福海大型維管束植物覆蓋度和魚類種類數等指標明顯提高,造成WHI 中的生物指標得分升高,綜合指數逐年上升;而水質類別和浮游植物多樣性指數出現下降,導致WQI 中的水化學和水生生物指標得分下滑,綜合指數逐年降低。 評價結果應符合北京市河湖健康的基本狀況,而近年來圓明園水生態(tài)系統(tǒng)有所改善[19],說明WQI 中出于通盤考慮選用的水生生物評價方法可能不適用于某些特定水體,需要對其開展具體分析和說明,使結果更符合民眾對水生態(tài)變化的感受。

3.2 北京市水體水生態(tài)健康方面的其他研究

王旭等[20]綜述了2001—2018 年公開發(fā)表的北京市水體水生態(tài)健康評價相關文獻,結果顯示:潮白河流域水生態(tài)狀況最優(yōu);其次為永定河、薊運河和清水河;北運河流域受城市化和人類活動干擾最嚴重,水生態(tài)狀況最差。 此綜述中,大部分水體的水生態(tài)監(jiān)測和調查工作完成于2015 年之前。表4 總結了近年開展的部分研究,研究區(qū)域聚焦本文關注的密云水庫、北運河等典型水體。 此外,對崇青水庫、大寧水庫和永定河流域的健康評價也有報道[21-24],此處不予詳細敘述。

表4 北京典型水體水生態(tài)調查和健康評價結果對比Table 4 Comparison on aquatic ecology monitoring and assessment results in Beijing

作為經典方法,多樣性指數法在北京水生態(tài)系統(tǒng)評價相關研究中的應用廣泛。 近年來,對密云水庫浮游植物的調查結果差異較大,王媛媛等[25]獲得的浮游植物Shannon-Wiener 多樣性指數明顯低于王哲等[26]的調查結果,而本研究調查結果處于二者之間。 李永剛等[27]、胡濤等[28]的研究結果顯示,密云水庫底棲動物的Shannon-Wiener 多樣性指數顯著低于浮游植物,與本研究調查結果基本一致。 密云水庫是處于群山包圍中的大型水庫,其深水區(qū)下層的低溶解氧環(huán)境造成底棲動物生物量和種類數較小,以耐污種為主要組成[39-40]。 這就導致密云水庫在水質良好、生態(tài)系統(tǒng)較為健康的情況下,涉及底棲動物的多樣性指數、BMWP 指數及WQI 評價結果偏低。 隨著南水北調中線引水進京,密云水庫蓄水量大幅上升,水位提高進一步加劇了底棲動物種類和密度的下降[41]。 這說明當采用單種生物開展評價,且出于某些原因該生物的表現與實際情況有所偏差時,其評價結果容易造成誤導。 因此,對生態(tài)系統(tǒng)中的生物的觀測應盡可能涵蓋生產者、消費者、分解者等多個方面。 為了回應這一要求,WHI 中有從浮游植物到魚類的5 種生物同時參評,WQI 中也可以按需選用2 種評價生物,如針對河流,推薦同時開展大型底棲動物和著生藻類評價。

北運河流域的水生態(tài)健康狀況為2015 年之后整體優(yōu)于2015 年之前,2018 年進一步提高[20,29]。 不同年份、不同研究的浮游植物評價結果波動較大,對應的水生態(tài)狀況基本為中污染狀態(tài)[30-31,35-37]。 2015—2017 年底棲動物多樣性指數、BMWP 指數和BI 指數較低,對應的水生態(tài)狀況多為中污染和重污染等級[30,32-33,38]。 而2019年謝陽村等[34]基于底棲動物的調查結果顯示,北運河大多數站點的水生態(tài)狀況可達到中/輕度污染等級,與本研究中WHI、WQI 反映出的水生態(tài)健康狀況基本一致。

3.3 污染防治政策及工程措施與水環(huán)境改善

在本研究所涉河流湖庫中,密云水庫和昆明湖的水生態(tài)狀況優(yōu)良,且5 年間變化不大。 其中,密云水庫作為北京市重要的飲用水水源地,其入庫水源主要包括白河、潮河來水和南水北調中線調水,而上游的水污染防治和水源地保護工作保障了入庫水質。 昆明湖主要依靠西側的團城湖向其補水。 2015 年之前的團城湖湖水主要源自密云水庫,南水北調通水后即變更為“南水”,其水質較為穩(wěn)定。 除密云水庫和昆明湖外,其余水體都在至少一項指數上有明顯的向好趨勢。 其中,福海依靠清河再生水廠每天補充近3 萬m3再生水[42],6 個城市河道的河水也大多來自再生水。因此,其水環(huán)境和水生態(tài)的改善主要依靠治污政策的實施和再生水品質的提升。

在一系列政策措施鼓勵下[43],北京市污廢水處理量和再生水利用量呈現增加趨勢。 2019 年,全市污水處理量為19.97 億m3,再生水利用量達到了11.52 億m3[44],污水再生利用率已于全國領先[45]。 再生水利用量增加的同時,水質也有大幅改善。 2012 年,北京市頒布了地方標準《城鎮(zhèn)污水處理廠水污染物排放標準》 (DB11/ 890—2012)[46],其A、B 兩級的主要水質指標與GB 3838—2002 中的地表水Ⅲ類、Ⅳ類標準大致相當,總體嚴于國家標準《城鎮(zhèn)污水處理廠污染物排放標準》(GB 18918—2002)的要求[47];2013 年頒布了《水污染物綜合排放標準》(DB11/ 307—2013)[48],對除城鎮(zhèn)污水處理廠、醫(yī)療機構以外的一切單位和個體工商戶的污水排放限值進行了規(guī)定。 2013—2019 年,隨著兩輪“三年治污行動計劃”的實施,北京市積極推進污水治理和再生水利用,再生水品質明顯提高[49]。 根據北京市生態(tài)環(huán)境局統(tǒng)計數據,2019 年廢水中,化學需氧量、氨氮排放量分別為51 121、3 467 t,分別占2012 年排放量的27.4%、16.9%,污染物削減成效顯著[44,50]。 目前,第三輪“三年治污行動計劃”正在實施,北運河綜合治理、涼水河水生態(tài)綜合治理、溫榆河生態(tài)濕地建設等一系列治污與修復工程的實施也已初見成效。

當前,管理部門對污水的處理思路正向著資源化利用的方向轉變。 再生水水量充沛、水質穩(wěn)定,在實際應用中已逐漸成為生態(tài)用水的首要選擇。 以本文關注的6 條北運河水系河流為例,污染防治政策的落地首先帶來地表水水質類別的提升,其后是以浮游植物為代表的水生生物的恢復,綜合表現為WHI 和WQI 等指數的逐年增長。 底棲動物對環(huán)境變化的響應略顯緩慢,因而在本研究中,底棲動物多樣性指數和BMWP指數雖已出現上升趨勢,但仍需要更長的時間才能出現健康等級的提升。

4 結論

1)相較水質類別、多樣性指數等評價方法,結合生境、水質和水生生物的WHI、WQI 等綜合指數法提供了更全面的水生態(tài)信息,對環(huán)境變化的響應更加靈敏,可較真實地反映北京市水生態(tài)系統(tǒng)現狀,并更好地為后續(xù)的污染治理和生態(tài)修復工作提供參考。 其中,WHI 方法為北京市地方標準推薦方法,可在北京市水生態(tài)健康評價中優(yōu)先選用。

2)包括本研究在內,雖然已開展的各項北京市水生態(tài)健康相關研究所選用的評價方法和獲得的評價結果有所不同,但均反映出北京市近5 年的水生態(tài)狀況呈改善趨勢,其中在北運河水系的表現更為明顯。

3)“十二五”以來,北京市一系列水污染防治政策和河流綜合治理工程的實施,大幅提升了作為景觀生態(tài)用水排入城市河湖的再生水的質量,以北運河為代表的受納水體的水環(huán)境質量明顯好轉,水生態(tài)健康程度呈現逐年上升趨勢。