大寧河水生態(tài)系統(tǒng)健康評(píng)價(jià)

張 雷， 時(shí) 瑤， 張佳磊， 劉志超， 秦延文*， 遲明慧

1.中國(guó)環(huán)境科學(xué)研究院， 環(huán)境基準(zhǔn)與風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 北京 100012 2.中國(guó)環(huán)境科學(xué)研究院， 環(huán)境保護(hù)河口與海岸帶環(huán)境重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 北京 100012 3.湖北工業(yè)大學(xué)， 輕工學(xué)部資源與環(huán)境工程學(xué)院， 湖北 武漢 430068

大寧河水生態(tài)系統(tǒng)健康評(píng)價(jià)

張 雷1,2， 時(shí) 瑤1,2， 張佳磊3， 劉志超1,2， 秦延文1,2*， 遲明慧1,2

1.中國(guó)環(huán)境科學(xué)研究院， 環(huán)境基準(zhǔn)與風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 北京 100012 2.中國(guó)環(huán)境科學(xué)研究院， 環(huán)境保護(hù)河口與海岸帶環(huán)境重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 北京 100012 3.湖北工業(yè)大學(xué)， 輕工學(xué)部資源與環(huán)境工程學(xué)院， 湖北 武漢 430068

隨著人口增長(zhǎng)及社會(huì)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，河流水生態(tài)系統(tǒng)健康受到嚴(yán)重威脅. 為了解大寧河水生態(tài)系統(tǒng)健康狀況，選取大寧河2011—2015年水體水質(zhì)〔水溫、pH、SD(透明度)、ρ(DO)、ρ(CODMn)、ρ(TN)、ρ(TP)〕與水生態(tài)〔藻密度、ρ(Chla)〕9個(gè)主要指標(biāo)，構(gòu)建了大寧河水生態(tài)系統(tǒng)健康評(píng)價(jià)指標(biāo)體系，運(yùn)用基于熵值法的綜合健康指數(shù)法對(duì)其水體生態(tài)系統(tǒng)健康狀況進(jìn)行綜合評(píng)價(jià). 結(jié)果表明，2011—2015年，大寧河水生態(tài)系統(tǒng)健康狀況整體呈亞健康狀態(tài)，有50.89%的監(jiān)測(cè)樣本處于亞健康狀態(tài)，枯水期健康狀態(tài)好于豐水期. 大寧河各監(jiān)測(cè)斷面CHI(綜合健康指數(shù))值的季節(jié)變化特征為豐水期低于枯水期；年際變化特征為從2011—2015年CHI值呈先升后降的變化趨勢(shì)，健康狀態(tài)呈先轉(zhuǎn)好后轉(zhuǎn)差的變化趨勢(shì)，大寧河水體富營(yíng)養(yǎng)化趨勢(shì)明顯；空間變化特征為豐水期和枯水期CHI最低值主要位于中下游的白水河、龍門和菜子壩斷面，河流水質(zhì)與人類活動(dòng)強(qiáng)度密切相關(guān). 研究顯示，影響大寧河水生態(tài)系統(tǒng)健康的關(guān)鍵因子為營(yíng)養(yǎng)鹽指標(biāo)〔ρ(TN)、ρ(TP)〕和有機(jī)物指標(biāo)〔ρ(CODMn)〕.

大寧河； 水生態(tài)系統(tǒng)； 綜合健康指數(shù)； 健康評(píng)價(jià)

Abstract： With socio-economic development and population growth, the aquatic ecosystem health in rivers has become severely threatened. The aim of this article is to explore the aquatic ecosystem health of the Daning River. An indicator system for aquatic ecosystem health assessment was established by selecting 7 water quality parameters (i.e., water temperature, pH, SD, DO, CODMn, TN and TP) and 2 phytoplankton parameters (i.e., algal density and Chla) of the Daning River over 2011-2015 to build a river aquatic ecosystem health assessment indicator system. The comprehensive health index was used to assess the degree of river aquatic ecosystem health of the Daning River. The results indicated that the health condition of river aquatic ecosystem in the Daning River was classified as sub-healthy state, with the proportion of monitoring samples with sub-healthy state accounting for 50.89% of the total samples. The health status in the dry season was better than that in the wet season. The seasonal variation results indicated that CHI values for different sampling sites in the wet season were lower than those in the dry season. The interannual variation of CHI values results showed a rising trend first and then decreasing during 2011 to 2015, and the health condition of the river aquatic ecosystem in the Daning River showed an improvement first and then declining trend. The water body of the Daning River showed significant eutrophication trend. The spatial variation results showed the lowest CHI values in the wet and dry seasons at the Baishuihe, Longmen and Caiziba sites. We also found that water quality in the Daning River was closely related to human activities. The indicators such as TN, TP and CODMnwere the key factors that affected the aquatic ecosystem health in the Daning River.

Keywords： Daning River; aquatic ecosystem; CHI; health assessment

河流生態(tài)系統(tǒng)通常由陸地河岸生態(tài)系統(tǒng)、水生態(tài)系統(tǒng)、相關(guān)濕地及沼澤生態(tài)系統(tǒng)等一系列子系統(tǒng)構(gòu)成，具有典型的結(jié)構(gòu)特征和服務(wù)功能[1]. 河流生態(tài)系統(tǒng)作為生物圈物質(zhì)循環(huán)的重要通道，具有調(diào)節(jié)氣候、改善生態(tài)環(huán)境以及維護(hù)生物多樣性等眾多功能[2]. 一般認(rèn)為，健康的河流生態(tài)系統(tǒng)應(yīng)具有結(jié)構(gòu)完整性(即化學(xué)、物理、生物三方面的完整性)和功能完整性(生態(tài)學(xué)進(jìn)程)[3]. 但是隨著人口增長(zhǎng)及社會(huì)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，人類大量消耗水資源，并排放污染物進(jìn)入水體，使河流水生態(tài)系統(tǒng)自然功能和經(jīng)濟(jì)功能降低或喪失，河流水生態(tài)系統(tǒng)健康受到嚴(yán)重威脅[4].

隨著河流水生態(tài)系統(tǒng)不斷受到人類活動(dòng)的干擾和損害，科學(xué)有效地評(píng)價(jià)、恢復(fù)和維持一個(gè)健康的河流水生態(tài)系統(tǒng)已經(jīng)成為近年來流域管理的重要目標(biāo)[5]. 美國(guó)1972年頒布的“清潔水法令”認(rèn)為，維持河流水生態(tài)系統(tǒng)自然結(jié)構(gòu)和功能的物理、化學(xué)和生物的完整性狀態(tài)是河流健康評(píng)價(jià)的重要原則[6]. 我國(guó)河流生態(tài)系統(tǒng)健康評(píng)價(jià)起步較晚，最早始于1992年楊蓮芳等[7]利用EPT〔Ephemeroptera(蜉蝣目)、Plecoptera(襀翅目)和Trichoptera(毛翅目)〕分類單元數(shù)和科級(jí)水平生物指數(shù)(family biotic index，F(xiàn)BI)評(píng)價(jià)安徽九華河的水質(zhì)狀況. 近年來，我國(guó)有關(guān)河流水生態(tài)系統(tǒng)健康評(píng)價(jià)的研究已有較多工作. 趙義等[8]基于層次分析法構(gòu)建了基礎(chǔ)的流域水系統(tǒng)健康評(píng)價(jià)體系；郝利霞等[4]以海河流域?yàn)檠芯繉?duì)象，采用指標(biāo)體系法評(píng)價(jià)了流域內(nèi)河流生態(tài)系統(tǒng)健康；張楠等[9]根據(jù)遼河流域2005年水生態(tài)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，構(gòu)建了健康候選指標(biāo)體系. 在評(píng)價(jià)方法方面，國(guó)內(nèi)學(xué)者主要采用水質(zhì)理化指標(biāo)及部分生物指標(biāo)，多以多指標(biāo)評(píng)價(jià)法對(duì)河流水生態(tài)系統(tǒng)健康狀況進(jìn)行評(píng)價(jià)[2]. 多指標(biāo)法采用的具體模型包括綜合指數(shù)評(píng)價(jià)法和模糊綜合評(píng)價(jià)法兩類. 比較而言，綜合指數(shù)法的優(yōu)點(diǎn)在于能較好的體現(xiàn)生態(tài)系統(tǒng)健康評(píng)價(jià)的整體性和綜合性，評(píng)價(jià)過程簡(jiǎn)單，評(píng)價(jià)結(jié)果明確，易于公眾感知，而模糊綜合評(píng)價(jià)法則能避免主觀判斷生態(tài)系統(tǒng)健康標(biāo)準(zhǔn)的不確定性[10]. 基于層次分析法的綜合評(píng)價(jià)方法在已有的生態(tài)系統(tǒng)健康評(píng)價(jià)中得到了更廣泛的應(yīng)用，模糊綜合評(píng)價(jià)法的應(yīng)用相對(duì)較少[8-10].

富營(yíng)養(yǎng)化是三峽水庫(kù)當(dāng)前亟待解決的問題之一[11-12]. 大寧河位于三峽庫(kù)區(qū)的腹心地帶，自蓄水后多次暴發(fā)藻類水華，是庫(kù)區(qū)典型的富營(yíng)養(yǎng)化支流[13-15]. 對(duì)于三峽水庫(kù)研究目前一般主要關(guān)注水質(zhì)的研究較多，但是關(guān)注水質(zhì)與水生態(tài)耦合的研究比較少. 該研究主要以三峽水庫(kù)富營(yíng)養(yǎng)化典型支流——大寧河為研究對(duì)象，耦合水質(zhì)〔水溫、pH、SD(透明度)、ρ(DO)、ρ(CODMn)、ρ(TN)、ρ(TP)〕與水生態(tài)〔藻密度、ρ(Chla)〕多重指標(biāo)，構(gòu)建了大寧河水生態(tài)系統(tǒng)健康評(píng)價(jià)指標(biāo)體系，基于熵值法建立了綜合健康指數(shù)法對(duì)其水體生態(tài)系統(tǒng)健康狀況進(jìn)行定性定量評(píng)價(jià)，以期為大寧河的水生態(tài)保護(hù)和富營(yíng)養(yǎng)化防治提供理論依據(jù).

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)域概況

大寧河(108°44′E～110°11′E、31°04′N～31°44′N)是三峽庫(kù)區(qū)一條典型的一級(jí)支流，流域面積 4 045 km2，三峽庫(kù)區(qū)屬于濕潤(rùn)的亞熱帶季風(fēng)氣候，具有四季分明、冬暖春早、夏熱伏旱、秋雨多、濕度大、云霧多和風(fēng)力小等特征. 該地區(qū)年均溫度為16.6 ℃，年均降水量為1 124.5 mm. 水庫(kù)支流自三峽庫(kù)區(qū)139 m蓄水后，大寧河于2003年6月在雙龍(108°44′E～110°11′E、31°04′N～31°44′N)首次爆發(fā)藍(lán)綠藻水華，之后歷年在大寧河回水區(qū)水華頻發(fā)[16]. 大寧河流域?yàn)樯絽^(qū)，受人為影響較小，植被覆蓋率高，水體透明度顯著高于其他支流. 但由于長(zhǎng)期以來對(duì)環(huán)境資源不合理的開發(fā)利用，大寧河生態(tài)環(huán)境已經(jīng)非常脆弱[17-18].

1.2 斷面設(shè)置

結(jié)合三峽庫(kù)區(qū)環(huán)境監(jiān)測(cè)需求(水質(zhì)問題和水華問題)和大寧河的水生態(tài)系統(tǒng)特點(diǎn)，2011—2015年，從大寧河上游至下游出河口(長(zhǎng)江)水華易發(fā)河段分別設(shè)置大昌斷面(上游區(qū))、雙龍斷面(回水區(qū))、白水河斷面(白水河入大寧河處)、龍門斷面(龍門峽內(nèi))和菜子壩斷面(河口區(qū)，巫山縣城易污染區(qū))，每個(gè)采樣斷面分左、中、右3個(gè)采樣點(diǎn)，每月采樣監(jiān)測(cè)1次. 其中，豐水期是指5—10月，其余月份為枯水期. 考慮大寧河實(shí)際情況兼顧采集難度等原因，部分月份的部分采樣斷面未采集，采集信息及采樣斷面位置見表1和圖1.

1.3 樣品采集及處理

用采水器采得水樣，分裝于500 mL的塑料瓶中冷藏保存. 監(jiān)測(cè)指標(biāo)包括水溫、pH、電導(dǎo)率、SD、ρ(DO)、ρ(CODMn)、ρ(TN)、ρ(TP)、藻密度、ρ(Chla). 其中，2013年未取得藻密度指標(biāo)數(shù)據(jù). SD用賽氏盤測(cè)定. 水溫、pH、ρ(DO)、電導(dǎo)率等參數(shù)由Hydro lab DS5X型多參儀(美國(guó)哈希)現(xiàn)場(chǎng)測(cè)定.ρ(CODMn)、ρ(TN)、ρ(TP)、藻密度、ρ(Chla)的采樣及測(cè)定方法均按照《水和廢水監(jiān)測(cè)分析方法》[19]進(jìn)行.

表1 大寧河采樣信息表

圖1 大寧河采樣斷面分布示意Fig.1 Sampling sites of the Daning River, China

1.4 水生態(tài)系統(tǒng)健康評(píng)價(jià)指標(biāo)的選取

健康的河流生態(tài)系統(tǒng)應(yīng)具有物理、化學(xué)、生物三方面的結(jié)構(gòu)完整性，即河流健康的指標(biāo)包括：物理指標(biāo)、化學(xué)指標(biāo)、生物指標(biāo)[3-4]. 但由于河流水生態(tài)系統(tǒng)非常復(fù)雜，不可能對(duì)所有表征其生態(tài)系統(tǒng)健康狀況的指標(biāo)都進(jìn)行評(píng)價(jià)，因此在對(duì)大寧河水生態(tài)系統(tǒng)健康狀況評(píng)價(jià)指標(biāo)進(jìn)行選擇時(shí)，必須根據(jù)其本身的特點(diǎn)選擇適宜的指標(biāo).

在對(duì)大寧河水生態(tài)環(huán)境健康狀況進(jìn)行深入調(diào)查研究的基礎(chǔ)上，依據(jù)指標(biāo)選取的代表性、綜合性、方便性和適用性原則，選取能反映水體物理化學(xué)、水生生物等河流特征的10個(gè)狀態(tài)指標(biāo)作為河流健康評(píng)價(jià)的候選指標(biāo)[20]. 其中，反映河流理化性質(zhì)的指標(biāo)包括水溫、pH、電導(dǎo)率、ρ(DO)、ρ(CODMn)、SD、ρ(TN)、ρ(TP)；反映河流生物狀況的指標(biāo)包括藻密度和ρ(Chla). 對(duì)10個(gè)指標(biāo)采用Pearson相關(guān)檢驗(yàn)，分析指標(biāo)的相關(guān)性(見表2)，結(jié)果表明，藻密度和ρ(Chla) 與其他指標(biāo)相關(guān)性較好，而且考慮到藻密度和ρ(Chla) 屬于能夠反映水生態(tài)系統(tǒng)特征的兩個(gè)極為重要的生物指標(biāo)，因此都予以保留. 水質(zhì)指標(biāo)中電導(dǎo)率與其他指標(biāo)相關(guān)性較差，因此將其剔除. 水溫、pH和SD與其他指標(biāo)相關(guān)性較好，尤其是與生物指標(biāo)相關(guān)性密切，因而將其保留. 鑒于ρ(TN)、ρ(TP)、ρ(CODMn) 和ρ(DO)相互之間相關(guān)性較好，能夠較為全面地反映大寧河營(yíng)養(yǎng)鹽和有機(jī)污染方面的特征，因此保留這些指標(biāo)進(jìn)入綜合評(píng)價(jià). 大寧河水生態(tài)系統(tǒng)健康評(píng)價(jià)指標(biāo)體系詳見表3.

表2 Pearson相關(guān)性分析結(jié)果

注： *代表顯著相關(guān)，P<0.05；**代表極顯著相關(guān)，P<0.01.

表3 大寧河水生態(tài)系統(tǒng)健康評(píng)價(jià)指標(biāo)[4]

1.5 水生態(tài)系統(tǒng)健康評(píng)價(jià)方法

綜合健康指數(shù)法能定量地評(píng)價(jià)河流水生態(tài)系統(tǒng)的健康狀態(tài)[21-23]，該研究采用綜合健康指數(shù)法對(duì)大寧河河流水生態(tài)系統(tǒng)健康狀況進(jìn)行綜合評(píng)價(jià).

CHI(綜合健康指數(shù))的計(jì)算公式：

式中，m為評(píng)價(jià)指標(biāo)的個(gè)數(shù)，wi為指標(biāo)i的權(quán)重，bi為指標(biāo)i的歸一化值.

對(duì)于所討論的n個(gè)樣本m個(gè)評(píng)價(jià)指標(biāo)的初始矩陣，利用熵值法計(jì)算各指標(biāo)的權(quán)重，其本質(zhì)就是利用該指標(biāo)信息的效用值來計(jì)算的，效用值越高，其對(duì)評(píng)價(jià)的重要性越大. 其計(jì)算步驟如下：

首先構(gòu)建n個(gè)樣本m個(gè)評(píng)價(jià)指標(biāo)的判斷矩陣

將判斷矩陣歸一化處理，得到歸一化判斷矩陣B，B中元素的表達(dá)式為

評(píng)價(jià)指標(biāo)通常分為越大越優(yōu)、越小越優(yōu)兩類，各類指標(biāo)相對(duì)于優(yōu)隸屬度的計(jì)算公式分別為

越大優(yōu)型指標(biāo)：

越小優(yōu)型指標(biāo)：

式中，xmax、xmin分別為同指標(biāo)下不同樣本中最滿意值和最不滿意值.

根據(jù)熵的定義，n個(gè)樣本m個(gè)評(píng)價(jià)指標(biāo)，可確定評(píng)價(jià)指標(biāo)的熵為

為使lnfji有意義，當(dāng)fji=0時(shí)，根據(jù)水質(zhì)評(píng)價(jià)的實(shí)際意義，可以理解lnfji為一較大的數(shù)值，與fji相乘趨于0，故可認(rèn)為fjilnfji也等于0. 但當(dāng)fji=1，fjilnfji也等于0，這顯然與熵所反映的信息無(wú)序化程度相悖，不切合實(shí)際，故需對(duì)fji進(jìn)行修正，將其定義為：

評(píng)價(jià)指標(biāo)的熵權(quán)W的計(jì)算：

并且滿足：

1.6 健康等級(jí)劃分

基于國(guó)內(nèi)外研究成果[24-28]及專家咨詢，在該范圍內(nèi)確定健康評(píng)價(jià)等級(jí)劃分標(biāo)準(zhǔn)，將CHI值劃分為5個(gè)區(qū)間，分別對(duì)應(yīng)5個(gè)健康等級(jí)，具體見表4.

1.7 數(shù)據(jù)分析

采用SPSS 13.0統(tǒng)計(jì)軟件對(duì)所有指標(biāo)參數(shù)利用Pearson進(jìn)行相關(guān)性分析.

表4 河流水生態(tài)系統(tǒng)健康等級(jí)劃分

2 結(jié)果與討論

2.1 評(píng)價(jià)指標(biāo)基礎(chǔ)數(shù)據(jù)分析

表5為2011—2015年大寧河各評(píng)價(jià)指標(biāo)監(jiān)測(cè)結(jié)果. 從表5可以看出，2011—2015年大寧河水體9個(gè)評(píng)價(jià)指標(biāo)中ρ(TN)和ρ(TP)均較高，其他指標(biāo)監(jiān)測(cè)結(jié)果相對(duì)較低. 其中，ρ(TN)在0.07～2.67 mg/L之間，平均值為1.52 mg/L，最大值超過GB 3838—2002《地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》三類的1.67倍，并且遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過國(guó)際公認(rèn)的發(fā)生富營(yíng)養(yǎng)化的水平(0.2 mg/L)[29]；ρ(TP) 在0.01～0.93 mg/L之間，平均值為0.10 mg/L，最大值超過GB 3838—2002三類的3.65倍，并且超過國(guó)際公認(rèn)發(fā)生富營(yíng)養(yǎng)化的濃度水平(0.02 mg/L)[29]；ρ(CODMn) 雖然平均值(1.85 mg/L)較小，但其最大值也已超過有機(jī)物污染水平(4 mg/L)[30]. 可見，大寧河水體雖未完全受到有機(jī)污染影響，但已具備一定的發(fā)生富營(yíng)養(yǎng)化的營(yíng)養(yǎng)鹽條件.

表5 大寧河2011—2015年評(píng)價(jià)指標(biāo)監(jiān)測(cè)結(jié)果統(tǒng)計(jì)

注：—表示數(shù)據(jù)缺失.

2.2 水生態(tài)系統(tǒng)健康評(píng)價(jià)結(jié)果分析

根據(jù)建立的評(píng)價(jià)指標(biāo)體系，利用綜合健康指數(shù)法對(duì)2011—2015年大寧河各監(jiān)測(cè)斷面逐月進(jìn)行水生態(tài)系統(tǒng)健康評(píng)價(jià)，計(jì)算得到相應(yīng)的CHI值，并結(jié)合水生態(tài)健康等級(jí)劃分(見表4)，判定大寧河2011—2015年各監(jiān)測(cè)斷面每月水生態(tài)系統(tǒng)健康狀態(tài)，進(jìn)而分析確定大寧河豐水期和枯水期各監(jiān)測(cè)樣本不同健康等級(jí)百分比分布，結(jié)果如圖2所示.

圖2 2011—2015年大寧河各健康等級(jí)所占比例Fig.2 The percentage distribution of different healthy status in the Daning River in 2011-2015

經(jīng)計(jì)算，大寧河豐水期有87個(gè)監(jiān)測(cè)樣本，其中49個(gè)監(jiān)測(cè)樣本的CHI值在0.4～0.6之間，即56.32%的監(jiān)測(cè)樣本處于亞健康狀態(tài)，從圖2亦可見，豐水期大寧河水生態(tài)系統(tǒng)健康狀況以亞健康狀態(tài)為主，并且除2013年外均有不同程度分布；其次是24.14%的監(jiān)測(cè)樣本處于健康狀態(tài)，主要分布在2011—2015年；16.09%的監(jiān)測(cè)樣本處于一般病態(tài)狀態(tài)，與健康狀態(tài)分布相似；僅有3.45%的監(jiān)測(cè)樣本處于很健康狀態(tài)，主要分布在2011年和2014年. 枯水期有80個(gè)監(jiān)測(cè)樣本，其中健康和亞健康狀態(tài)的監(jiān)測(cè)樣本分別有37個(gè)和36個(gè)，即46.25%和45.00%的監(jiān)測(cè)樣本分別處于健康和亞健康狀態(tài)，健康和亞健康狀態(tài)分布趨勢(shì)相似，其在2011—2015年均有不同程度分布；7.50%的監(jiān)測(cè)樣本處于一般病態(tài)狀態(tài)，主要分布在2012—2014年；僅有1.25%的監(jiān)測(cè)樣本處于很健康狀態(tài)，分布在2014年. 總體上，2011—2015年大寧河共監(jiān)測(cè)樣本167個(gè)，87個(gè)樣本處于亞健康狀態(tài)， 即50.89%的監(jiān)測(cè)樣本處于亞健康狀態(tài)，其次是37.13%的監(jiān)測(cè)樣本處于健康及以上狀態(tài). 由此可見，2011—2015年大寧河水生態(tài)系統(tǒng)健康狀況整體呈亞健康狀態(tài)，豐水期和枯水期各健康等級(jí)分布趨勢(shì)較為相似，整體上枯水期健康狀態(tài)好于豐水期.

2.3 水生態(tài)系統(tǒng)健康狀況時(shí)間變化特征

圖3 大寧河各監(jiān)測(cè)斷面CHI值沿程分布Fig.3 Spatial variations of CHI values for different sampling sites in the Daning River

圖3為大寧河各監(jiān)測(cè)斷面水生態(tài)系統(tǒng)健康狀況分布. 從圖3可見，2011年、2014—2015年各斷面CHI值在豐水期和枯水期的變化趨勢(shì)相反；2012—2013年各斷面CHI值在豐水期變化趨勢(shì)表現(xiàn)一致，均呈先升后降的變化趨勢(shì)，枯水期的變化趨勢(shì)相反，分別呈下降和上升的變化趨勢(shì). 從整體看，2011—2015年大寧河各監(jiān)測(cè)斷面CHI值季節(jié)變化表現(xiàn)出相似的規(guī)律性，即豐水期低于枯水期，并且CHI最高值主要出現(xiàn)在枯水期. 大寧河庫(kù)灣屬亞熱帶濕潤(rùn)季風(fēng)區(qū)，其主要的水體理化因子均不同程度的受季節(jié)性變化影響[31]. 豐水期、枯水期CHI值的差異從某一側(cè)面反映了影響大寧河水生態(tài)系統(tǒng)健康狀況的主要指標(biāo)營(yíng)養(yǎng)鹽和有機(jī)物的污染來源，豐水期CHI值低，營(yíng)養(yǎng)狀態(tài)較差，可能與豐水期雨水徑流及農(nóng)業(yè)面源污染對(duì)水質(zhì)的影響較大有關(guān)，豐水期受降雨等條件的影響，農(nóng)田徑流量加大，從而可能把地表和大氣中的污染物帶入水體引起營(yíng)養(yǎng)鹽和有機(jī)物含量增大. 已有研究表明三峽庫(kù)區(qū)各支流由農(nóng)業(yè)規(guī)模種養(yǎng)殖帶來的畜禽養(yǎng)殖和農(nóng)業(yè)面源污染是造成水體污染的重要原因，農(nóng)業(yè)面源排放的CODCr、TN、TP已占入庫(kù)污染負(fù)荷的70%～80%[32].

圖4 大寧河各監(jiān)測(cè)斷面CHI值年際變化Fig.4 Annual variations of CHI values for different sampling sites in the Daning River

圖4為大寧河水生態(tài)系統(tǒng)CHI值年際變化. 從圖4可見，大寧河大昌、雙龍斷面CHI值在2011—2015年基本呈先降后升的趨勢(shì)；白水河斷面在2013—2015年豐水期呈先升后降的趨勢(shì)，枯水期則呈先降后升的趨勢(shì)；龍門斷面在2011—2014年豐水期呈先降后升的趨勢(shì)，枯水期則呈下降趨勢(shì)；菜子壩斷面在2013—2015年豐水期呈上升趨勢(shì)，枯水期則呈先降后升的趨勢(shì). 從整體看，2011—2015年大寧河CHI值年際變化表現(xiàn)出較為相似的規(guī)律性，即從2011—2014年整體呈上升趨勢(shì)，2014—2015年呈下降的趨勢(shì)，健康狀態(tài)呈先轉(zhuǎn)好后轉(zhuǎn)差的變化趨勢(shì). 究其原因，可能主要是由于“十二五”以來，經(jīng)過多年的三峽庫(kù)區(qū)及大寧河水環(huán)境綜合治理，水質(zhì)得到了一定程度的改善[33]，但并未完全解決大寧河水體富營(yíng)養(yǎng)化的趨勢(shì)，從該研究的健康評(píng)價(jià)指標(biāo)變化趨勢(shì)分析亦發(fā)現(xiàn)：大寧河水體ρ(CODMn)、ρ(TN)和ρ(TP)2011—2014年基本呈下降趨勢(shì)，2014—2015年則呈略微上升的變化趨勢(shì)(見表5)，這些都可能是影響大寧河水生態(tài)系統(tǒng)健康狀態(tài)變化的原因，說明控制營(yíng)養(yǎng)鹽和有機(jī)污染可能是維持大寧河水生態(tài)系統(tǒng)健康的一種有效手段.

2.4 水生態(tài)系統(tǒng)健康狀況空間變化特征

從空間變化(見圖3)看，大寧河各監(jiān)測(cè)斷面CHI值沿程變化均呈一定的規(guī)律，即2011年(豐水期)和2012年CHI值從雙龍到龍門斷面均呈下降趨勢(shì). 2013年(豐水期)和2014年(豐水期)CHI值沿程變化基本相似，從大昌到菜子壩斷面均呈先升后降的趨勢(shì). 2015年CHI值沿程變化表現(xiàn)為從大昌到白水河斷面呈先升后降的趨勢(shì)，從白水河斷面開始，隨著水體流向，豐水期和枯水期的CHI值不斷變化，直到在菜子壩斷面分別出現(xiàn)高值和低值. 從整體看，2011—2015年大寧河CHI最低值主要出現(xiàn)在中下游的白水河、龍門和菜子壩斷面. 白水河農(nóng)業(yè)地表徑流和網(wǎng)箱養(yǎng)魚污染嚴(yán)重[34-35]，營(yíng)養(yǎng)鹽含量也隨之升高，下游龍門和菜子壩斷面CHI值較低，可能是受巫山縣城的城鎮(zhèn)污染和周邊農(nóng)村農(nóng)業(yè)地表徑流污染所致[36-38].

3 結(jié)論

a) 采用基于熵值法的綜合健康指數(shù)法對(duì)大寧河水生態(tài)系統(tǒng)健康狀況進(jìn)行綜合評(píng)價(jià). 結(jié)果表明，2011—2015年大寧河水生態(tài)系統(tǒng)健康狀況整體呈亞健康狀態(tài)，50.89%的監(jiān)測(cè)樣本處于亞健康狀態(tài)，豐水期和枯水期各健康等級(jí)分布趨勢(shì)較為相似，并且整體上枯水期健康狀態(tài)好于豐水期.

b) 從季節(jié)變化看，大寧河各監(jiān)測(cè)斷面CHI值季節(jié)變化表現(xiàn)為豐水期CHI值低于枯水期，CHI最高值主要出現(xiàn)在枯水期. 從年際變化看，大寧河CHI值年際變化表現(xiàn)為從2011—2015年整體呈現(xiàn)先升后降的變化趨勢(shì)，健康狀態(tài)呈先轉(zhuǎn)好后轉(zhuǎn)差的變化趨勢(shì). 從空間變化看，大寧河各監(jiān)測(cè)斷面豐水期和枯水期CHI最低值主要出現(xiàn)在中下游的白水河、龍門和菜子壩斷面.

c) 農(nóng)業(yè)面源污染及城鎮(zhèn)生活排污等可能是造成大寧河水生態(tài)系統(tǒng)健康受損的主要因素. 營(yíng)養(yǎng)鹽指標(biāo)和有機(jī)物指標(biāo)在河流健康評(píng)價(jià)體系中有重要的作用，需從上述指標(biāo)入手治理大寧河河流污染，以恢復(fù)其健康狀態(tài).

[1] 崔保山,楊志峰.濕地生態(tài)系統(tǒng)健康研究進(jìn)展[J].生態(tài)學(xué)雜志,2001,20(3):31- 36. CUI Baoshan,YANG Zhifeng.Research review on wetland ecosystem health[J].Chinese Journal of Ecology,2001,20(3):31- 36.

[2] 于寧,馬錫銘,趙洪波,等.河流水生態(tài)系統(tǒng)健康評(píng)價(jià)研究進(jìn)展[J].環(huán)境保護(hù)與循環(huán)經(jīng)濟(jì),2014,34(1):49- 51. YU Ning,MA Ximing,ZHAO Hongbo,etal.Progress of the research on river water ecosystem health evaluation[J].Environmental Protection and Circular Economy,2014,34(1):49- 51.

[3] BUTCHER J T,STEWART P M,SIMON T P.A benthic community index for streams in the northern lakes and forests ecoregion[J].Ecological Indicators,2003,3(3):181- 193.

[4] 郝利霞,孫然好,陳利頂.海河流域河流生態(tài)系統(tǒng)健康評(píng)價(jià)[J].環(huán)境科學(xué),2014,35(10):3692- 3701. HAO Lixia,SUN Ranhao,CHEN Liding.Health assessment of river ecosystem in Haihe River Basin,China[J].Environmental Science,2014,35(10):3692- 3701.

[5] 吳阿娜,楊凱,車越,等.河流健康狀況的表征及其評(píng)價(jià)[J].水科學(xué)進(jìn)展,2005,16(4):602- 608. WU Enuo,YANG Kai,CHE Yue,etal.Characterization of rivers health status and its assessment[J].Advances in Water Science,2005,16(4):602- 608.

[6] 楊文慧,嚴(yán)忠民,吳建華.河流健康評(píng)價(jià)的研究進(jìn)展[J].河海大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版),2005,33(6):607- 610. YANG Wenhui,YAN Zhongmin,WU Jianhua.Research advances of the river health assessment[J].Journal of Hehai University (Natural Sciences),2005,33(6):607- 610.

[7] 楊蓮芳,李佑文,戚道光,等.九華河水生昆蟲群落結(jié)構(gòu)和水質(zhì)生物評(píng)價(jià)[J].生態(tài)學(xué)報(bào),1992,12(1):8- 15. YANG Lianfang,LI Youwen,QI Daoguang,etal.Community structure of aquatic insect and biomonitoring of water quality in Jiuhuahe River[J].Acta Ecologica Sinica,1992,12(1):8- 15.

[8] 趙義,曹娜,王園園,等.基于層次分析法的中原經(jīng)濟(jì)區(qū)流域水系統(tǒng)健康評(píng)價(jià)[J].環(huán)境科學(xué)研究,2016,29(6):936- 944. ZHAO Yi,CAO Na,WANG Yuanyuan,etal.Evaluating the health condition of the river basin water system in China′s central plains economic region using an analytic hierarchy process[J].Research of Environmental Sciences,2016,29(6):936- 944.

[9] 張楠,孟偉,張遠(yuǎn),等.遼河流域河流生態(tài)系統(tǒng)健康的多指標(biāo)評(píng)價(jià)方法[J].環(huán)境科學(xué)研究,2009,22(2):162- 170. ZHANG Nan,MENG Wei,ZHANG Yuan,etal.Multi-variable assessment of river ecosystem health in Liao River Basin[J].Research of Environmental Sciences,2009,22(2):162- 170.

[10] 周文華,王如松.基于熵權(quán)的北京城市生態(tài)系統(tǒng)健康模糊綜合評(píng)價(jià)[J].生態(tài)學(xué)報(bào),2005,25(12):3244- 3251. ZHOU Wenhua,WANG Rusong.An entropy weight approach on the fuzzy synthetic assessment of Beijing urban ecosystem health,China[J].Acta Ecologica Sinica,2005,25(12):3244- 3251.

[11] SHEN Zhiliang,LIU Qun.Nutrients in the Changjiang River[J].Environmental Monitoring and Assessment,2009,153:27- 44.

[12] DAI Huichao,ZHENG Tiegang,LIU Defu.Effects of reservoir impounding on key ecological factors in the Three Gorges region[J].Procedia Environmental Sciences,2010,2:15- 24.

[13] 鄭丙輝,曹承進(jìn),秦延文,等.三峽水庫(kù)主要入庫(kù)河流氮營(yíng)養(yǎng)鹽特征及其來源分析[J].環(huán)境科學(xué),2008,29(1):1- 6. ZHENG Binghui,CAO Chengjin,QIN Yanwen,etal.Analysis of nitrogen distribution characters and their sources of the major input rivers of Three Gorges Reservoir[J].Environmental Science,2008,29(1):1- 6.

[14] 曹承進(jìn),鄭丙輝,張佳磊,等.三峽水庫(kù)支流大寧河冬、春季水華調(diào)查研究[J].環(huán)境科學(xué),2009,30(12):3471- 3480. CAO Chengjin,ZHENG Binghui,ZHANG Jialei,etal.Systematic investigation into winter and spring algal blooms in Daning River of Three Gorges Reservoir[J].Environmental Science,2009,30(12):3471- 3480.

[15] ZHANG Jialei,ZHENG Binghui,LIU Lusan,etal.Seasonal variation of phytoplankton in the Daning River and its relationships with environmental factors after impounding of the Three Gorges Reservoir:a four-year study[J].Procedia Environmental Sciences,2010,2:1479- 1490.

[16] 鄭丙輝.三峽水庫(kù)庫(kù)區(qū)大寧河富營(yíng)養(yǎng)化成因及控制對(duì)策研究[R].北京:中國(guó)環(huán)境科學(xué)研究院,2007:53- 54.

[17] 張晟,宋丹,張可,等.三峽水庫(kù)典型支流上游區(qū)和回水區(qū)營(yíng)養(yǎng)狀態(tài)分析[J].湖泊科學(xué),2010,22(2):201- 207. ZHANG Sheng,SONG Dan,ZHANG Ke,etal.Trophic status analysis of the upper stream and backwater area in typical tributaries,Three Gorges Reservoir[J].Journal of Lake Sciences,2010,22(2):201- 207.

[18] 劉瑞民,沈珍瑤.大寧河流域生態(tài)環(huán)境綜合評(píng)價(jià)及其演變[J].北京師范大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版),2006,42(2):200- 203. LIU Ruimin,SHEN Zhenyao.Integrated assessment and changes of ecological environment in daning river watershed[J].Journal of Beijing Normal University(Natural Science),2006,42(2):200- 203.

[19] 國(guó)家環(huán)境保護(hù)總局.《水和廢水監(jiān)測(cè)分析方法》[M].4版.北京:中國(guó)環(huán)境科學(xué)出版社,2002.

[20] 邵田,張浩,鄔錦明,等.三峽庫(kù)區(qū)(重慶段)生態(tài)系統(tǒng)健康評(píng)價(jià)[J].環(huán)境科學(xué)研究,2008,21(2):99- 104. SHAO Tian,ZHANG Hao,WU Jinming,etal.The ecosystem health assessment of the Three Gorges Reservoir area(Chongqing Section)[J].Research of Environmental Sciences,2008,21(2):99- 104.

[21] 許文杰,曹升樂.基于PSR-熵權(quán)綜合健康指數(shù)法的城市湖泊生態(tài)系統(tǒng)健康評(píng)價(jià)[J].水文,2010,30(5):64- 68. XU Wenjie,CAO Shengle.Health assessment of urban lake ecosystem based on PSR-entropy weight comprehensive health index method[J].Journal of China Hydrology,2010,30(5):64- 68.

[22] 閆文周,顧連勝.熵權(quán)決策法在工程評(píng)標(biāo)中的應(yīng)用[J].西安建筑科技大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版),2004,36(1):98- 100. YAN Wenzhou,GU Liansheng.Application of the method of entropy proportion in the engineering mark[J].Xi′an University of Architecture & Technology(Natural Science),2004,36(1):98- 100.

[23] 楊林,萬(wàn)曉安,魏小熙.熵權(quán)綜合健康指數(shù)法在魯湖健康評(píng)價(jià)中的應(yīng)用[J].廣州化工,2016,44(8):143- 200. YANG Lin,WAN Xiaoan,WEI Xiaoxi.Health assessment of Lu Lake ecosystem based on entropy weight comprehensive health index method[J].Guangzhou Chemical Industry,2016,44(8):143- 200.

[24] LENAT D R.Water quality assessment of streams using a qualitative collection method for benthic macroinvertebrates[J].Journal of the North American Benthological Society,1988,7(3):222- 233.

[25] HELLAWELL J M.Biological Indicators of freshwater pollution and environmental management[M].London:Elsevier Applied Science Publishers,1986.

[26] PENROSE D.An introduction to North Carolina′s biomonitoring program:benthic macroinvertebrates[C]//Proceedings,State EPA Region VI Water Quality Data Assessment Seminar Workshop.Dallas,1985.

[27] BONG N R,LIU W,WENG S C,etal.Assessment of river health in the Pearl River Basin (Gui sub-catchment).River Health and Environmental Flow in China Project[C].Pearl River Water Resources Commission and International Water Centre,Brisbane,2011.

[28] Australia-China Environment Development Partnership (ACEDP).Taizi River health report card[R].Beijing:Chinese Research Academy of Environmental Sciences,2012.

[29] 金相燦,劉淑坤,張宗涉.中國(guó)湖泊環(huán)境[M].北京:海洋出版社,1995．

[30] 劉健康.東湖生態(tài)學(xué)研究[M].北京:科學(xué)出版社,1990:63- 226.

[31] 張述太,薛俊增,姚建良,等.三峽水庫(kù)大寧河庫(kù)灣水環(huán)境的時(shí)空變化特征[J].水生態(tài)學(xué)雜志,2010,3(2):1- 8. ZHANG Shutai,XUE Junzeng,YAO Jianliang,etal.Temporal and spatial variation of water environment in Daning Bay of the Three Gorges Reservoir[J].Journal of Hydroecology,2010,3(2):1- 8.

[32] 方濤,付長(zhǎng)營(yíng),敖鴻毅,等.三峽水庫(kù)蓄水前后香溪河氮磷污染狀況研究[J].水生生物學(xué)報(bào),2006,30(1):26- 30. FANG Tao,FU Changying,AO Hongyi,etal.The comparison of phosphorus and nitrogen pollution status of the Xiangxi Bay before and after the impoundment of the Three Gorges Reservoir[J].Acta Hydrobiologica Sinica,2006,30(1):26- 30.

[33] 唐楓.重慶”十二五”投入1411億于環(huán)保庫(kù)區(qū)水污染治理顯成效[N/OL].北京:中國(guó)新聞網(wǎng),2016[2016- 01- 26].http://www.chinanews.com/sh/2016/01- 26/7733604.shtml.

[34] 張晟,李崇明,付川永,等.三峽水庫(kù)成庫(kù)后支流庫(kù)灣營(yíng)養(yǎng)狀態(tài)及營(yíng)養(yǎng)鹽輸出[J].環(huán)境科學(xué),2008,29(1):7- 12. ZHANG Sheng,LI Chongming,FU Chuanyong,etal.Trophic states and nutrient output of tributaries bay in Three Gorges Reservoir after impoundment[J].Environmental Science,2008,29(1):7- 12.

[35] 李崇明,黃真理,常劍波,等.三峽水庫(kù)網(wǎng)箱養(yǎng)殖利弊分析[J].中國(guó)三峽建設(shè),2005,4:49- 52. LI Chongming,HUANG Zhenli,CHANG Jianbo,etal.Analysis of advantages and disadvantages of the Three Gorges Reservoir aquaculture[J].China Three Gorges,2005,4:49- 52.

[36] 國(guó)家環(huán)境保護(hù)總局.2007長(zhǎng)江三峽工程生態(tài)與環(huán)境監(jiān)測(cè)公報(bào)[R].北京:國(guó)家環(huán)境保護(hù)總局,2007.

[37] 周建軍,林秉南,李玉樑.關(guān)于三峽水庫(kù)內(nèi)源污染控制的研究[J].科技導(dǎo)報(bào)(北京),2006,24(10):5- 10. ZHOU Jianjun,LIN Bingnan,LI Yuliang.On the control of internal source of pollution for the Three Gorges Reservoir[J].Science & Technology Review(Beijing),2006,24(10):5- 10.

[38] 梁常德,龍?zhí)煊?李繼承,等.三峽庫(kù)區(qū)非點(diǎn)源氮磷負(fù)荷研究[J].長(zhǎng)江流域資源與環(huán)境,2007,16(1):26- 30. LIANG Changde,LONG Tianyu,LI Jicheng,etal.Importation loads of non point source nitrogen and phosphorus in the Three Gorges Reservoir[J].Resources and Environment in the Yangtze Basin,2007,16(1):26- 30.

Health Assessment of Aquatic Ecosystem in the Daning River, China

ZHANG Lei1,2, SHI Yao1,2, ZHANG Jialei3, LIU Zhichao1,2, QIN Yanwen1,2*, CHI Minghui1,2

1.State Key Laboratory of Environmental Criteria and Risk Assessment, Chinese Research Academy of Environmental Sciences, Beijing 100012, China 2.State Environmental Protection Key Laboratory of Estuarine and Coastal Environment, Water Research Institute, Chinese Research Academy of Environmental Sciences, Beijing 100012, China 3.School of Resources and Environmental Engineering, Hubei University of Technology, Wuhan 430068, China

2016-06-16

2017-03-10

國(guó)家水體污染控制與治理科技重大專項(xiàng)(2014ZX07104-006-001)

張雷(1975-)，男，北京人，高級(jí)工程師，主要從事環(huán)境工程、環(huán)境化學(xué)研究，zhang_lei@craes.org.cn.

*責(zé)任作者，秦延文(1973-)，女，山東青島人，研究員，博士，主要從事河口污染物生物地球化學(xué)循環(huán)研究，qinyw@craes.org.cn

X82

1001- 6929(2017)07- 1041- 09

A

10.13198/j.issn.1001- 6929.2017.02.30

張雷,時(shí)瑤,張佳磊,等.大寧河水生態(tài)系統(tǒng)健康評(píng)價(jià)[J].環(huán)境科學(xué)研究,2017,30(7):1041- 1049.

ZHANG Lei,SHI Yao,ZHANG Jialei,etal.Health assessment of aquatic ecosystem in the Daning River, China[J].Research of Environmental Sciences,2017,30(7):1041- 1049.