汾河上中游流域生態(tài)系統(tǒng)健康評價

劉 娟， 王 飛， 韓文輝， 趙 穎

(1.山西省環(huán)境科學研究院， 山西 太原 030027； 2.山西大學 生命科學學院， 山西 太原 030006；3.山西大學 體育科學研究所， 山西 太原 030006)

1 研究背景

流域生態(tài)系統(tǒng)是一個集合社會、經(jīng)濟和自然3個方面的復合生態(tài)系統(tǒng)。系統(tǒng)自身具有很強的環(huán)境適應(yīng)能力和生態(tài)調(diào)節(jié)能力，然而近年來，由于人類活動的加劇對流域資源的過度開發(fā)和利用，超過了其本身的適應(yīng)能力，流域生態(tài)環(huán)境遭到了嚴重的破壞，流域水體污染愈發(fā)嚴重，流域生態(tài)系統(tǒng)健康受到嚴重影響，并危及流域生態(tài)安全。

生態(tài)系統(tǒng)健康的概念起始于20世紀70年代，Schaseffer等[1]于1988年提出并探討了定義生態(tài)系統(tǒng)健康需要發(fā)展生態(tài)系統(tǒng)的診斷方法和具體的參數(shù)及標準。Rapport[2]于1989年論述了生態(tài)系統(tǒng)健康的內(nèi)涵，認為生態(tài)系統(tǒng)健康是指生態(tài)系統(tǒng)具有穩(wěn)定性和多樣性或復雜性，具有平衡系統(tǒng)組成要素的能力，并擁有活力或增長的空間，能夠?qū)ν饨绛h(huán)境改變進行自我調(diào)節(jié)，具有對脅迫的恢復能力。由此，對生態(tài)系統(tǒng)健康的廣泛研究得到人們關(guān)注，并應(yīng)用于河流流域評價方向，通過流域生態(tài)健康評價，從生態(tài)系統(tǒng)健康的角度對流域環(huán)境進行綜合整治。

國外較早開展流域生態(tài)健康評價的相關(guān)研究。Carles Ibáez等[3]主要研究河流生態(tài)系統(tǒng)健康評價的生態(tài)學指標，其重點在于單一性生物性指標的分析。Young等[4]除分析水質(zhì)及水生生物的分類組成外，還重點分析了有機質(zhì)分解與生態(tài)系統(tǒng)代謝等指標的影響，對今后的河流生態(tài)系統(tǒng)健康評價有重要的參考意義。Heng等[5]研究了污水排放影響下河流生態(tài)系統(tǒng)健康情況，主要對水體理化性質(zhì)指標作了深入分析。而在我國，對生態(tài)系統(tǒng)健康的研究主要針對森林、農(nóng)田、濕地、湖泊、河流等單個生態(tài)系統(tǒng)的健康狀況研究較多[6-11]，對流域尺度的生態(tài)健康評價研究及實踐尚不多見，也未形成具有普適性的流域生態(tài)健康評價體系[12]。大多數(shù)研究是采用單指標分數(shù)加和的方法進行綜合評價，對指標間相互關(guān)系的深入分析及科學的指標篩選過程都較為缺乏，多指標的綜合評價方法也缺乏深入性研究。張楠等[13]從指標篩選及指標關(guān)系等角度構(gòu)建了流域生態(tài)系統(tǒng)的多指標評價體系，在國內(nèi)流域生態(tài)系統(tǒng)健康方面具有一定的指導意義。

目前，對汾河流域的研究主要集中于土地利用變化、濕地退化及恢復、生態(tài)環(huán)境動態(tài)監(jiān)測、生態(tài)補償機制以及水文水資源效應(yīng)等方向，對汾河流域生態(tài)系統(tǒng)健康的綜合評價暫無系統(tǒng)性研究。因此，本文選取汾河上中游流域為研究對象，借鑒張楠等[13]提出的流域生態(tài)系統(tǒng)健康的多指標評價體系，應(yīng)用統(tǒng)計學基礎(chǔ)分析，研究河流生態(tài)系統(tǒng)健康評價多指標的篩選方法，并采用改進的灰色關(guān)聯(lián)度方法對河流生態(tài)系統(tǒng)健康進行綜合評價，以期為汾河流域河流的生態(tài)管理提供技術(shù)支持和科學依據(jù)。

2 材料與方法

2.1 研究區(qū)概況

汾河流域位于山西省中部，地理坐標110°～113°E，35°～39°N，流經(jīng)忻州、太原、呂梁、臨汾、晉中和運城等6個地級市40個縣，整體流域面積大約為39 844 km2，占山西省面積的四分之一。流域氣候類型屬于大陸性半干旱季風氣候，年均降水量約為489 mm，年均氣溫約為6～13℃，春冬雨雪稀少，夏季炎熱多雨。汾河干流縱向穿行于呂梁、太行與太岳山之間，主要支流有洪河、鳴河、東碾河、嵐河和澗河。汾河流域集中了山西全省近一半人口以及豐富的煤礦資源，工業(yè)產(chǎn)值和農(nóng)業(yè)產(chǎn)值占山西省突出位置，是山西省工、農(nóng)業(yè)最為集中的地區(qū)[14]。

2.2 試驗方法

研究區(qū)內(nèi)共設(shè)置37個采樣點，采樣點布設(shè)位置見圖1，采樣時間為2016年5月?，F(xiàn)場采集約1 L水樣進行水體理化指標監(jiān)測，分析指標包括下列兩類：

采樣點編號、名稱及所屬類型詳見表1。

編號斷面名稱編號斷面名稱編號 斷面名稱 S1雷鳴寺S14寨上S27尹回水庫S2頭馬營匯口下游S15陽曲上游S28文峪河上游S3洪河匯流下游S16柴村橋S29文水上游S4鳴水河上游S17蕭河上游S30文水下游S5鳴水河污染源S18小店橋S31汾陽上游S6東碾河上游S19晉陽湖S32汾陽下游S7靜樂監(jiān)控點S20蔡莊水庫S33孝義下游S8河岔S21晉中上游S34義棠S9嵐河上游S22溫南社S35靈石下游S10曲立S23龐莊水庫S36段純河上游S11澗河上游S24子洪水庫S37南關(guān)S12澗河大橋S25祁縣下游S13古交上游S26平遙鐵橋

理化性質(zhì)的指標包括五日生化需氧(BOD5)、化學需氧量(CODcr)、總氮(TN)、總磷(TP)、氨氮(NH3—N)、硝態(tài)氮(NO3—N)、亞硝態(tài)氮(NO2—N)、石油類、六價鉻、砷(As)、鋅(Zn)、鉻(Cr)、鎘(Cd)、銅(Cu)、鎳(Ni)、汞(Hg)、鉛(Pb)。以上參照《水和廢水監(jiān)測分析方法》進行現(xiàn)場采集和實驗室內(nèi)分析。

多環(huán)芳烴采用液液萃取和固相萃取高效液相色譜法[15]測定，氰化物采用容量法和分光光度法[16]測定，氟化物采用茜素磺酸鋯目視比色法[17]測定，氧化還原電位采用電位測定法[18]測定，陰離子表面活性劑采用亞甲藍分光光度法[19]測定。pH、電導率和溶解氧(DO)采用便攜式水質(zhì)儀進行現(xiàn)場測定。

反映河流生態(tài)系統(tǒng)狀況的指標包括底棲動物多樣性綜合指數(shù)和魚類多樣性綜合指數(shù)，其中生物的采集測定方法參照《流域生態(tài)健康評估技術(shù)指南》[20]。

2.3 研究方法

2.3.1 候選指標的確定 從水體理化特征和河流生態(tài)系統(tǒng)狀況等兩個方面選取了27個反映河流特征的狀態(tài)指標作為河流健康評價的候選指標。其中，反映水體物理化學性質(zhì)的指標共有25個，包括電導率、pH、 DO、氧化還原電位、BOD5、石油類、氟化物、氰化物、六價鉻、總磷、氨氮、全氮、亞硝態(tài)氮、硝態(tài)氮、陰離子表面活性劑、PAHs、CODcr、汞、砷、鋅、鉻、鎘、鉛、銅、鎳；反映河流生態(tài)系統(tǒng)狀況的指標有2個：底棲動物多樣性綜合指數(shù)和魚類多樣性綜合指數(shù)。

候選指標中，底棲動物多樣性綜合指數(shù)和魚類多樣性綜合指數(shù)需要通過計算獲得，具體計算方法參見指南[20]。

2.3.2 指標篩選方法 具體篩選過程如下：(1)分析指標對河流健康等級判別的能力，將不敏感或有歧義的指標刪除掉。(2)分析指標對河流生態(tài)系統(tǒng)的特征貢獻率。利用PCA法對27項指標進行統(tǒng)計分析，按照累計方差超過70%的原則提取主成分，通過最大方差旋轉(zhuǎn)法(Varimax)選擇載荷值大于0.6的指標進入下一輪篩選。(3)分析指標的獨立性。首先對余下的候選指標進行正態(tài)分布檢驗，然后分別采用Pearson相關(guān)性分析及Spearman秩相關(guān)性分析符合與不符合正態(tài)分布的候選指標，依據(jù)顯著性水平來確定各指標間信息重疊程度。最后結(jié)合專家以及實際經(jīng)驗，選取其中相對獨立且重要的指標作為評價指標。在SPSS 19.0統(tǒng)計軟件中完成上述全部分析過程。

2.3.3 多指標綜合評價方法 河流健康綜合評價使用改進的灰色關(guān)聯(lián)度方法?；疑P(guān)聯(lián)度方法是一種多指標分析方法，關(guān)聯(lián)度越大，說明樣本越接近所表征的健康狀態(tài)，反之亦然[21]。鑒于河流健康評價中評價標準不是一個具體數(shù)值，而是一個區(qū)間，因此本次評價采用文獻[22]提出的基于點到區(qū)間距離關(guān)聯(lián)系數(shù)公式的灰色關(guān)聯(lián)度方法。

計算過程中，將河流健康具體分為5個等級：健康、亞健康、一般、較差和極差。將各采樣點標準化后的實測數(shù)據(jù)作為參考數(shù)列，評價標準值作為比較區(qū)間，利用灰色關(guān)聯(lián)度方法分別計算各采樣點與5個健康等級標準間的灰色關(guān)聯(lián)度值，依據(jù)最大隸屬度的原則選擇最大關(guān)聯(lián)度值所屬健康等級，便可確定所評價采樣點的河流流域生態(tài)系統(tǒng)健康綜合狀況。

3 結(jié)果與討論

3.1 基本數(shù)據(jù)

汾河上中游流域下游表現(xiàn)出典型的有機污染和營養(yǎng)物超標，主要污染物為硝態(tài)氮，亞硝態(tài)氮，BOD5，CODcr，陰離子表面活性劑，總氮和總磷等，這些指標的最大值均以屬于劣V類水質(zhì)，詳見表2。

3.2 評價指標篩選

由于氰化物和六價鉻含量在所有采樣點中的變化范圍較小，河流健康狀況較難直接反映，故判定其不具備對河流健康狀況的響應(yīng)能力，將其從候選指標中刪除。

采用PCA法分析余下25個指標，按照特征值大于1且累計方差大于70%的原則，提取到6個主成分(見表3)。

根據(jù)上述分析，篩選出了共計23個指標，包括底棲多樣性綜合指數(shù)、氨氮、陰離子表面活性劑、總磷、總氮、砷、電導率、硝態(tài)氮、亞硝態(tài)氮、氟化物、鉻、銅、CODcr、BOD5、汞、鋅、鎘、鉛、PAHs、鎳、DO、石油類、pH。這些指標都是對河流生態(tài)特征貢獻率較大的指標。魚類多樣性綜合指數(shù)載荷值較低，但是考慮到魚類是汾河流域生態(tài)系統(tǒng)重要組成，同時也是國內(nèi)外河流健康評價的常用指標，因此保留該指標，并與上述23個指標一并進入下一步篩選過程。

表2 候選指標信息表

對余下的24個指標進行正態(tài)分布檢驗，結(jié)果表明，魚類多樣性綜合指數(shù)、亞硝態(tài)氮、氨氮、總磷、鉻、銅、鋅、砷、鎘、鉛、pH符合正態(tài)分布(P<0.05)，其余指標均不符合。分別采用Pearson相關(guān)和Spearman秩相關(guān)檢驗，分析指標的相關(guān)性見表4。結(jié)果表明，魚類多樣性指數(shù)、石油類和鋅與其他指標間的相關(guān)性較差，說明這3類指標相對獨立，可以保留。底棲動物多樣性綜合指數(shù)屬于能夠反映河流生態(tài)系統(tǒng)特征的極為重要的指標，因此也予以保留。在水體物理指標中，溶解氧與底棲動物多樣性綜合指數(shù)，BOD5等顯著相關(guān)，保留該指標。在水體化學指標中，總氮與氨氮，BOD5等顯著相關(guān)；硝態(tài)氮與亞硝態(tài)氮、鉻等顯著相關(guān)，CODcr與總磷、電導率等顯著相關(guān)。鑒于總氮、總磷、硝態(tài)氮、CODcr、BOD5能夠較為全面地反映有機污染和營養(yǎng)物方面的特征，因此保留這些指標進入綜合評價。陰離子表面活性劑與氨氮、總磷等顯著相關(guān)，氟化物與亞硝態(tài)氮，汞等顯著相關(guān)，主要反映生活污染的特征。此外，污染指標中重金屬鉻，銅，鎘與其他重金屬之間的相關(guān)性較高，保留這些指標參與下一步綜合評價。根據(jù)上述篩選過程，得到底棲動物多樣性指數(shù)、魚類多樣性指數(shù)、石油類、溶解氧、硝態(tài)氮、CODcr、BOD5、總氮、總磷、氟化物、陰離子表面活性劑、鋅、鉻、銅、鎘這15個指標進入河流健康綜合評價。

表3 候選指標主成分分析結(jié)果

3.3 河流健康綜合評價

按照熵值賦權(quán)法確定評價體系各指標權(quán)重，結(jié)果見表5。

確定各指標的健康等級標準：依據(jù)《地表水環(huán)境質(zhì)量標準》(GB3838-2002)[23]確定水體理化指標，依據(jù)《流域生態(tài)健康評估技術(shù)指南》[20]中的分級標準確定底棲動物多樣性綜合指數(shù)和魚類多樣性綜合指數(shù)，根據(jù)灰色關(guān)聯(lián)分析法進行河流健康綜合評價。在評價過程中，灰色關(guān)聯(lián)評價結(jié)果受分辨系數(shù)高低的影響，分辨系數(shù)高對應(yīng)分辨率便低，本次計算分辨系數(shù)取0.05，計算取得各采樣點相對于5個健康等級的關(guān)聯(lián)度矩陣，按照最大隸屬度原則確定各采樣點河流健康評價等級。如表6所示，汾河上中游流域“健康”與“亞健康”等級采樣點為13個，占35%，“一般”等級采樣點為7個，占19%，“較差”和“極差”等級采樣點為17個，占46%。

表4 Pearson相關(guān)和 Spearman秩相關(guān)分析分析結(jié)果

注：**P<0.01；*P<0.05；a表示Pearson相關(guān)分析，其余為Spearman秩相關(guān)分析。

3.4 汾河流域河流健康狀況分析

多指標評價結(jié)果中，“健康”和“亞健康”等級的采樣點均位于汾河支流上游地區(qū)，這些區(qū)域離城市地區(qū)較遠且處于城市上游，人類活動較弱，河流本身受工業(yè)和生活污水排放影響較小，但是表現(xiàn)出受到農(nóng)業(yè)非點源污染的潛在威脅，表現(xiàn)為總氮類營養(yǎng)物含量較高，但從整體上看河流生態(tài)系統(tǒng)完整性較好，水體自凈能力較強，健康狀況良好。

在“較差”和“極差”等級采樣點中，大部分采樣點都位于汾河流域水系的支流上，受附近的工業(yè)企業(yè)排污影響較大，其中位于祁縣、孝義、平遙、介休、義棠和靈石附近的S25、S26、S27、S32、S33、S34、S35、S37采樣點污染最重，上游污染源的不斷匯入造成污染物逐漸累積，入河排污口的散亂分布加之養(yǎng)殖廠、造紙廠、化肥廠及焦化廠等養(yǎng)殖及工業(yè)企業(yè)廢水的多廠及生活污水混合排污的集中分布，導致汾河上中游地區(qū)的南部污染嚴重。

而S8雖位于汾河上游區(qū)，受人類活動影響相對較少，但該地區(qū)的水體有機污染嚴重，導致水中COD值很高，高COD值引起水體中溶解氧含量降低，繼而導致水生生物缺氧以至死亡，水質(zhì)腐敗變臭，水體生物的生存環(huán)境和食物來源受到嚴重影響，河流健康狀況極差。與此同時，S15、S17、S25、S26四處采樣點也呈現(xiàn)出不同程度的水體富營養(yǎng)化趨勢，總氮和總磷含量均偏高，造成營養(yǎng)鹽富集的因素有很多，包括自然環(huán)境、工礦業(yè)及農(nóng)業(yè)的影響，治理時需要分區(qū)域?qū)Υ⒋罅Χ糁茽I養(yǎng)鹽排放。

3.5 汾河流域生態(tài)系統(tǒng)健康評價的不確定性

河流生態(tài)系統(tǒng)是一個不斷變化的動態(tài)系統(tǒng)，所涉及的多種不確定性因素都會直接影響最終的評價結(jié)果，生態(tài)系統(tǒng)的動態(tài)性特征和生物多樣性帶來了生態(tài)系統(tǒng)評價中的不確定性[24]。評價過程中，監(jiān)制定測方案、篩選指標、選擇評價方法及評價標準等，也都會對評價結(jié)果的準確性造成影響。

汾河流域中上游生態(tài)系統(tǒng)健康評價結(jié)果的不確定性主要來源于兩個方面：即指標的篩選和評價標準的選擇。在評價指標篩選過程中，魚類多樣性綜合指數(shù)這個比較重要的指標會因為載荷較小而被排除掉。這說明單純使用統(tǒng)計學方法進行指標篩選可能會缺失某些重要的指標信息，而導致最終的評價結(jié)果存在不確定性，雖然可以加之專家經(jīng)驗來輔助指標篩選，盡量減少這種不確定性，但無法完全避免。

表5 汾河上中游流域生態(tài)系統(tǒng)健康評價標準體系及各指標權(quán)重 mg/L

表6 汾河上中游流域生態(tài)系統(tǒng)健康綜合評價結(jié)果

評價指標的健康等級沿用了現(xiàn)有的地表水環(huán)境質(zhì)量標準以及相關(guān)科技文獻中已有的評價標準，具有一定的局限性。河流的區(qū)域性特點、河流所屬類型以及人類對河流的社會期望等多個角度均需綜合考慮，單純采用現(xiàn)行標準或其他文獻中提供的標準雖具較強的可操作性，但無法綜合并客觀的反映河流生態(tài)系統(tǒng)實際健康狀況，這也會導致河流健康評價結(jié)果的不確定性。加之基礎(chǔ)數(shù)據(jù)的采集只涉及某一個時期，無法對河流的長期變化做出準確的判斷，因此綜合評價仍需進行長期的觀測及研究。

4 結(jié) 論

通過主成分分析法及相關(guān)性分析方法，從25個候選指標中篩選出15個指標進行汾河上中游流域生態(tài)系統(tǒng)健康的多指標評價研究?；谠摲椒ㄋ⒌木C合評價指標體系能夠從水體物理、化學、生態(tài)系統(tǒng)、水生生物生存環(huán)境等方面整體反映汾河流域生態(tài)系統(tǒng)的自然屬性。利用灰色關(guān)聯(lián)度方法構(gòu)建河流健康評估系統(tǒng)，將采樣點分為5個等級。評價結(jié)果顯示：

(1)汾河上中游流域北部采樣點屬于“健康”和“亞健康”等級，這些區(qū)域離城區(qū)較遠且處于城市上游，人類活動較弱，河流本身受工業(yè)和生活污水排放影響相對較小，除總氮類營養(yǎng)物含量稍高外，整體上河流生態(tài)系統(tǒng)較好健康狀況良好。

(2)汾河上中游流域南部呈現(xiàn)不同程度的水體富營養(yǎng)化趨勢，總氮和總磷含量均偏高，造成營養(yǎng)鹽富集的因素有很多，包括自然環(huán)境、工礦業(yè)及農(nóng)業(yè)的影響，治理時需要分區(qū)域?qū)Υ?，大力遏制營養(yǎng)鹽排放。

(3)整體來看，汾河上中游流域生態(tài)系統(tǒng)總體狀況較差，大多數(shù)采樣點都屬于“一般”、“較差”和“極差”等級，尤其是各支流顯示水體污染嚴重，集中分布的養(yǎng)殖廠、造紙廠、化肥廠及焦化廠等養(yǎng)殖及工業(yè)企業(yè)的多廠及生活混合排污，是導致汾河上中游地區(qū)生態(tài)健康退化的主要原因，建議對其周邊污染負荷排放的控制予以關(guān)注和重視，從生態(tài)系統(tǒng)健康的角度對流域環(huán)境進行綜合整治，以實現(xiàn)流域健康狀況的改善。