宜興市蓮花蕩水系整治工程前后生態(tài)健康評(píng)價(jià)

李增輝，曲丹,*，孫德智，李本行

1. 北京市水體污染源控制技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100083 2. 北京林業(yè)大學(xué)環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院，北京 100083

太湖是我國(guó)重要的淡水湖之一，具有供水、調(diào)洪、航運(yùn)、水產(chǎn)養(yǎng)殖和生態(tài)休閑旅游等功能，在我國(guó)東部地區(qū)社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展中發(fā)揮著舉足輕重的作用[1]。近年來(lái)，隨著太湖流域經(jīng)濟(jì)日益發(fā)達(dá)，鄰近太湖平原水網(wǎng)區(qū)的人口密度、人類(lèi)活動(dòng)強(qiáng)度等總體較高，致使主要入湖河流水質(zhì)較差，15條河流的入湖污染物量約占入湖污染物總量的80%，是太湖富營(yíng)養(yǎng)化的主要原因[2-3]。

蓮花蕩位于江蘇省宜興市丁蜀鎮(zhèn)，與烏溪港連通，匯入太湖，是宜興市9條入太湖河道之一，蓮花蕩、烏溪河合稱(chēng)為蓮花蕩水系[4]。根據(jù)2014年監(jiān)測(cè)結(jié)果，蓮花蕩水系水質(zhì)僅為《地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》(GB3838—2002)Ⅳ～Ⅴ類(lèi)標(biāo)準(zhǔn)[5]，未達(dá)到江蘇省地表水(環(huán)境)功能區(qū)劃規(guī)定的地表III類(lèi)的要求。為了改善蓮花蕩水系的水環(huán)境質(zhì)量，削減入太湖污染負(fù)荷，2015年初在蓮花蕩水系陸續(xù)開(kāi)展了水環(huán)境整治工程[6-7]。為了全面了解蓮花蕩水系的健康狀況，考察蓮花蕩水系整治工程效果，為進(jìn)一步的生態(tài)修復(fù)工程提供科學(xué)依據(jù)，本研究對(duì)蓮花蕩水系進(jìn)行生態(tài)健康評(píng)價(jià)。

20世紀(jì)90年代，國(guó)際上相繼提出了河流生態(tài)健康評(píng)價(jià)方法，如美國(guó)的生物完整性指數(shù)(IBI)[8]、岸邊與河道環(huán)境細(xì)則(RCE)[9]；英國(guó)的河流無(wú)脊椎動(dòng)物預(yù)測(cè)和分類(lèi)計(jì)劃(RIVPACS)[10]；澳大利亞的河流評(píng)價(jià)計(jì)劃(AUSRIVAS)[11]、溪流健康指數(shù)(ISC)[12]等。就評(píng)價(jià)原理而言，生態(tài)健康評(píng)價(jià)方法可分為多指標(biāo)評(píng)價(jià)法和預(yù)測(cè)模型法[13]。由于多指標(biāo)評(píng)價(jià)法考慮的表征因子遠(yuǎn)多于預(yù)測(cè)模型法，能夠全面反映河流生態(tài)健康狀況，其結(jié)果更加客觀，我國(guó)的河流生態(tài)健康評(píng)價(jià)大多都采用該方法。唐濤等[14]首次總結(jié)了河流生態(tài)健康的涵義，提出我國(guó)河流健康評(píng)價(jià)方法的發(fā)展方向。王備新[15]采用底棲動(dòng)物完整性指數(shù)(I-IBI)評(píng)價(jià)了安徽黃山溪流健康狀況。吳阿娜等[16]從河流5個(gè)方面出發(fā)建立評(píng)價(jià)指標(biāo)體系，對(duì)上海市的河流進(jìn)行健康評(píng)價(jià)。國(guó)內(nèi)學(xué)者針對(duì)其他不同流域已進(jìn)行大量生態(tài)健康評(píng)價(jià)方面的研究[17-23]。

本研究結(jié)合2015年度蓮花蕩水系監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，采用多指標(biāo)評(píng)價(jià)法，結(jié)合隸屬度思想，從化學(xué)完整性和生物完整性兩方面對(duì)江蘇省宜興市蓮花蕩水系生態(tài)健康狀況進(jìn)行模糊綜合評(píng)價(jià)，全面了解蓮花蕩水系實(shí)施整治工程前后的生態(tài)健康狀況，識(shí)別出影響水生態(tài)健康的主要因子，為進(jìn)一步的水環(huán)境整治與水生態(tài)修復(fù)工程提供科學(xué)依據(jù)。

1 方法與數(shù)據(jù)(Methods and data)

1.1 研究區(qū)域概況

蓮花蕩水系位于江蘇省宜興市丁蜀鎮(zhèn)東部，北緯31°22′～31°25′，東經(jīng)119°86′～120°90′之間，屬于平原河網(wǎng)，河道比降十分平緩[24]，水域面積約為2 km2。蓮花蕩下接烏溪港，東入太湖，上與分洪河相連，是湖滏山區(qū)和丁蜀鎮(zhèn)區(qū)行洪下泄的主要通道。水系主河總長(zhǎng)5.1 km，年均徑流總量1.736億 m3，全部為宜興本地徑流。共有4條支浜，分別為烏溪河、西渡河、長(zhǎng)征河、東橫蕩河，支浜長(zhǎng)分別為2.3 km、1.8 km、1.2 km、7.8 km，總長(zhǎng)為13.1 km[25]。

1.2 評(píng)價(jià)方法

1.2.1 建立評(píng)價(jià)指標(biāo)體系

1.2.2 確定指標(biāo)等級(jí)標(biāo)準(zhǔn)

本研究將評(píng)價(jià)等級(jí)分為5級(jí)，分別為健康、亞健康、輕微病態(tài)、病態(tài)和嚴(yán)重病態(tài)(表2)。其中水質(zhì)指標(biāo)等級(jí)標(biāo)準(zhǔn)的確定參考《地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》(GB3838—2002)，將Ⅲ類(lèi)水設(shè)為健康，Ⅳ類(lèi)水設(shè)為輕微病態(tài)，Ⅴ類(lèi)標(biāo)準(zhǔn)為嚴(yán)重病態(tài)，將Ⅲ與Ⅳ水的中間值設(shè)為輕微病態(tài)、將Ⅳ與Ⅴ類(lèi)水的中間值設(shè)為病態(tài)[26]。浮游生物多樣性指標(biāo)及底棲動(dòng)物BI指數(shù)尚未統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)，具體劃分參考已報(bào)道的研究成果[15,27]。

1.2.3 確定層次結(jié)構(gòu)及指標(biāo)權(quán)重

本研究采用層次分析法確定指標(biāo)權(quán)重，具體步驟如下：1)建立層次結(jié)構(gòu)，以蓮花蕩水系生態(tài)健康狀況為目標(biāo)層，以蓮花蕩水系化學(xué)完整性、生物完整性為準(zhǔn)則層，以具體評(píng)價(jià)指標(biāo)為指標(biāo)層建立層次結(jié)構(gòu)。2)構(gòu)造判斷矩陣，邀請(qǐng)相關(guān)領(lǐng)域?qū)＜疫M(jìn)行指標(biāo)間兩兩重要性的判評(píng)，構(gòu)造判斷矩陣C。運(yùn)用Matlab計(jì)算出判斷矩陣C的最大特征值μmax與特征向量W，歸一化特征向量W=(ω1,ω2,…,ωm)的各個(gè)分量ωj，就是對(duì)應(yīng)的各評(píng)價(jià)因子的權(quán)重。3) 一致性檢驗(yàn),為了檢驗(yàn)判斷矩陣的一致性，還要計(jì)算出一致性指標(biāo)CI和隨機(jī)一致性比率。CI=(μmax-n)-(n-1)，CR=CI/RI，n為矩陣階數(shù)，RI為平均隨機(jī)一致性指標(biāo)，查表可得。當(dāng)CR<0.10時(shí)，認(rèn)為判斷矩陣具有滿意的一致性，否則就需要對(duì)判斷矩陣的元素取值進(jìn)行調(diào)整[28]。

表1 蓮花蕩水系生態(tài)健康評(píng)價(jià)指標(biāo)體系Table 1 Ecosystem health assessment indicators of Lianhuadang River System

表2 蓮花蕩水系生態(tài)健康評(píng)價(jià)指標(biāo)等級(jí)標(biāo)準(zhǔn)Table 2 The assessment standard for every index of river ecosystem health in Lianhuadang River System

1.2.4 生態(tài)健康綜合評(píng)價(jià)方法

如前所述，本研究指標(biāo)體系分為3個(gè)層次，因此采用二級(jí)模糊綜合評(píng)價(jià)，具體模糊綜合評(píng)價(jià)方法按以下的步驟進(jìn)行。

(1)根據(jù)評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)計(jì)算各評(píng)價(jià)指標(biāo)隸屬度矩陣：

(1)

式中，ri(j-1)為第j-1級(jí)健康隸屬度，sij，si(j-1)分別為第i個(gè)評(píng)價(jià)指標(biāo)j級(jí)與j-1級(jí)健康等級(jí)標(biāo)準(zhǔn)值，ci為實(shí)測(cè)值。

rij=1-ri(j-1)

(2)

式中，rij為第j級(jí)健康隸屬度。

(2)將指標(biāo)層的權(quán)重與隸屬度做模糊運(yùn)算，分別得到準(zhǔn)則層(化學(xué)完整性與生物完整性)的隸屬度矩陣：

(3)

式中WCi為指標(biāo)層權(quán)重，Ri為指標(biāo)層隸屬度矩陣，Bi為準(zhǔn)則層隸屬度矩陣，“○”為模糊計(jì)算子(·,+)即

(3)將準(zhǔn)則層的權(quán)重與隸屬度矩陣做模糊運(yùn)算得到生態(tài)健康狀況隸屬度。

(4)

式中WB為準(zhǔn)則層權(quán)重，S為蓮花蕩水系各健康等級(jí)的隸屬度。

圖1 蓮花蕩水系流域位置及采樣點(diǎn)布置圖Fig. 1 Location of Lianhuadang River System and layout of sampling points

表3 蓮花蕩水系監(jiān)測(cè)點(diǎn)布設(shè)Table 3 The monitoring spot location of Lianhuadang River System

1.3 數(shù)據(jù)來(lái)源

2 評(píng)價(jià)結(jié)果與討論(Results and discussion)

2.1 蓮花蕩水系生態(tài)健康綜合評(píng)價(jià)

2015年各季度水生態(tài)健康評(píng)價(jià)結(jié)果如圖2所示。根據(jù)最大隸屬度原則，9個(gè)樣點(diǎn)中，第1季度有6個(gè)樣點(diǎn)處于嚴(yán)重病態(tài)，第2季度有7個(gè)樣點(diǎn)處于嚴(yán)重病態(tài)，第3季度所有樣點(diǎn)均處于健康狀態(tài)，且平均健康隸屬度為0.585，第4季度有7個(gè)樣點(diǎn)處于健康狀態(tài)，健康平均隸屬度下降至0.531?？傮w來(lái)看，隨著季節(jié)的變化，蓮花蕩水系的生態(tài)健康狀況變化明顯。主要是由于2015年6月，蓮花蕩水系開(kāi)展生態(tài)清淤工程，水生生物生境受到暫時(shí)性破壞，底泥中污染物向上覆水體釋放，因此二季度多數(shù)樣點(diǎn)處于嚴(yán)重病態(tài)。清淤結(jié)束后，內(nèi)源污染得到有效清除，水質(zhì)及底質(zhì)生境逐漸恢復(fù)，各樣點(diǎn)生態(tài)健康狀況逐漸恢復(fù)，并在三季度達(dá)到最高值。冬季水溫降低，浮游生物的種類(lèi)、密度和生物量均有所降低，且冬季降雨較少，水質(zhì)指標(biāo)濃度有所提高[29]，因此第4季度平均健康隸屬度從第3季度的0.585降至0.465。

圖2 2015年蓮花蕩水系生態(tài)健康狀況Fig. 2 Ecological health status of Lianhuadang River System in 2015

除季節(jié)性差異外，蓮花蕩水系生態(tài)健康狀況存在空間上的差異性。第1季度，蓮花蕩75%的樣點(diǎn)處于嚴(yán)重病態(tài)，烏溪港60%的樣點(diǎn)處于嚴(yán)重狀態(tài)；第2季度，蓮花蕩所有樣點(diǎn)均為嚴(yán)重病態(tài)，烏溪港40%的樣點(diǎn)處于健康狀態(tài)；第3季度，蓮花蕩與烏溪港所有樣點(diǎn)均處于健康狀態(tài)，蓮花蕩健康隸屬度為0.504，烏溪港健康隸屬度為0.650；第4季度，蓮花蕩50%樣點(diǎn)處于健康狀態(tài)，烏溪港仍然是所有樣點(diǎn)處于健康狀態(tài)。總體來(lái)說(shuō)，蓮花蕩生態(tài)健康狀況劣于烏溪港，主要原因?yàn)樯徎ㄊ幘植繀^(qū)域?yàn)楹硡^(qū)，水動(dòng)力不暢，且周邊存在集約化畜禽、水產(chǎn)養(yǎng)殖廠，生態(tài)健康狀況受其污染影響較為明顯[6]。

2.2 蓮花蕩水系化學(xué)完整性評(píng)價(jià)

如前所述，蓮花蕩水系的化學(xué)完整性主要由水質(zhì)指標(biāo)反映。2015年各季度水質(zhì)健康評(píng)價(jià)結(jié)果如圖3所示，在第一、二季度，蓮花蕩水系水質(zhì)健康狀況較差，所有樣點(diǎn)均處于嚴(yán)重病態(tài)。第三、四季度健康狀況明顯改善，9個(gè)樣點(diǎn)均處于健康病態(tài)。

圖3 2015年蓮花蕩水系水質(zhì)健康狀況Fig. 3 Water quality health status of Lianhuadang River System in 2015

表4 各水質(zhì)指標(biāo)平均值及健康等級(jí)Table 4 Average value of water quality indicators and health grade

2.3 蓮花蕩水系生物完整性評(píng)價(jià)

蓮花蕩水系的生物完整性主要由浮游動(dòng)(植)物多樣性和底棲動(dòng)物耐污值反映。蓮花蕩水系共鑒定出浮游植物111種，隸屬7門(mén)，硅藻門(mén)(Bacillariophyta)出現(xiàn)種類(lèi)最多，為55種，占總種類(lèi)數(shù)量的50%，藍(lán)藻門(mén)(Cyanophyta)9種，隱藻門(mén)(Cryptophyta)4種，甲藻門(mén)(Dinohyta)3種，金藻門(mén)(Chrysophyta)3種，裸藻門(mén)(Euglenophyta)7種，綠藻門(mén)(Chlorophyta)30種；共鑒定出浮游動(dòng)物33屬53種，其中原生動(dòng)物(Protozoa)12屬15種，輪蟲(chóng)(Rotifer)15屬29種，枝角類(lèi)(Cladocera)1屬4種，橈足類(lèi)(Copepods)5屬5種。浮游生物多樣性指數(shù)評(píng)價(jià)結(jié)果如圖5所示，第2季度浮游生物多樣性明顯降低，其他3個(gè)季度Shannon-Wiener指數(shù)均在2.5以上，這是由于第2季度正值清淤工程開(kāi)展階段，水環(huán)境平衡狀態(tài)遭到干擾，影響了浮游生物生長(zhǎng)繁殖；共鑒定出底棲動(dòng)物20種，其中雙翅目搖蚊科(Chironomidae)9種，寡毛綱顫蚓科(Tubificidae)7種，腹足綱螺科(Hydrobiidae)3種，甲殼綱1種。底棲動(dòng)物BI指數(shù)評(píng)價(jià)結(jié)果如圖6所示，前3季度耐污值均在8以上，處于病態(tài)至嚴(yán)重病態(tài)的健康等級(jí)范圍內(nèi)，只有第4季度耐污值略有下降。并且監(jiān)測(cè)到的20種底棲動(dòng)物均屬于搖蚊科、顫蚓科、仙女蟲(chóng)科等耐污能力較強(qiáng)的物種，而未監(jiān)測(cè)到蜉蝣目、襀翅目和毛翅目等不耐污的物種。綜上，蓮花蕩水系浮游生物狀況較為健康，而底棲生物的完整性較差。初步認(rèn)為底棲動(dòng)物是影響蓮花蕩水系生物健康的因子。除受到水質(zhì)污染的影響外，底泥監(jiān)測(cè)結(jié)果表明，蓮花蕩水系的表層底泥為高氮磷高有機(jī)質(zhì)類(lèi)型[30]，底棲生物環(huán)境的惡化是底棲生物完整性受到影響的一個(gè)重要原因。

圖4 2015年蓮花蕩水系生物健康狀況Fig. 4 Biological health status of Lianhuadang River system in 2015

圖5 浮游生物多樣性評(píng)價(jià)結(jié)果Fig. 5 Assessment results of Plankton biodiversity

圖6 底棲動(dòng)物BI指數(shù)評(píng)價(jià)結(jié)果Fig. 6 Assessment results of benthic animal BI Index

生物完整性評(píng)價(jià)結(jié)果如圖4所示，第一、二季度較差，處于嚴(yán)重病態(tài)的樣點(diǎn)個(gè)數(shù)分別為5、7，第2季度比第1季度差的原因是第2季度浮游生物多樣性指數(shù)較低；第3季度，健康與嚴(yán)重病態(tài)的隸屬度均為0.500，這是由于浮游生物等級(jí)處于健康等級(jí)，而底棲動(dòng)物處于嚴(yán)重病態(tài)等級(jí)，兩者權(quán)重相同，評(píng)價(jià)結(jié)果就會(huì)出現(xiàn)這種對(duì)立現(xiàn)象；第4季度嚴(yán)重病態(tài)的樣點(diǎn)個(gè)數(shù)為3，是蓮花蕩水系生物健康狀況最優(yōu)的季度，而水質(zhì)狀態(tài)最優(yōu)時(shí)是第3季度，綜合比較4個(gè)季度水質(zhì)與生物健康狀況，發(fā)現(xiàn)生物健康狀態(tài)改善滯后于水質(zhì)狀態(tài)，水環(huán)境是水生物生活的基礎(chǔ)，水質(zhì)及底泥狀況改善后有助于生物的改善，另外清淤工程嚴(yán)重破壞了水生物環(huán)境，尤其是底棲動(dòng)物，恢復(fù)需要相對(duì)較長(zhǎng)，相關(guān)研究表明，清淤深度為20 cm時(shí)，清淤后60 d底棲生物才開(kāi)始恢復(fù)[31-32]，所以表現(xiàn)出生物健康狀況時(shí)間對(duì)水質(zhì)變化反映具有一定的滯后性[33]。

3 結(jié)論與建議(Conclusion and suggestions)

本研究運(yùn)用模糊綜合評(píng)價(jià)方法，從化學(xué)完整性與生物完整性2個(gè)方面評(píng)價(jià)了蓮花蕩水系的生態(tài)健康狀況。評(píng)價(jià)結(jié)果表明，蓮花蕩水系生態(tài)健康狀況存在時(shí)間及空間差異。第1、2季度生態(tài)健康狀況較差，分別有66.7%、77.8%的樣點(diǎn)處于嚴(yán)重病態(tài)；蓮花蕩水系清淤工程開(kāi)展及周邊集約化畜禽及水產(chǎn)養(yǎng)殖產(chǎn)業(yè)整治工程實(shí)施后，第3季度全部樣點(diǎn)處于健康狀態(tài)，受季節(jié)性變化的原因，第4季度蓮花蕩水系健康狀況略有下降?？臻g上，烏溪港生態(tài)健康狀況優(yōu)于蓮花蕩。影響蓮花蕩水系化學(xué)完整性的主要因子為T(mén)N、TP。治理工程開(kāi)展以后，營(yíng)養(yǎng)鹽濃度明顯下降，TN最大平均濃度由6.4 mg·L-1降至2.74 mg·L-1，且TP已達(dá)到地表水Ⅳ類(lèi)標(biāo)準(zhǔn)，但營(yíng)養(yǎng)鹽濃度仍然偏高。蓮花蕩水系浮游生物狀況較為健康，而底棲生物的完整性較差，本研究共監(jiān)測(cè)到浮游生物164種，隸屬7門(mén)，3個(gè)季度平均Shannon-Wiener指數(shù)在2.5以上；而底棲動(dòng)物僅20種，且大都屬于搖蚊科、顫蚓科、仙女蟲(chóng)科等耐污能力較強(qiáng)的物種，未監(jiān)測(cè)到蜉蝣目、襀翅目和毛翅目等敏感類(lèi)群物種。

2015年，蓮花蕩水系開(kāi)展了清淤工程及周邊集約化畜禽及水產(chǎn)養(yǎng)殖產(chǎn)業(yè)整改，累計(jì)清淤河道長(zhǎng)16 526 m，清淤量496 875 m3；拆除16家養(yǎng)殖場(chǎng)，COD、TN、TP累計(jì)削減量分別為43 943 t、1 712.56 t、43.79 t[6-7]。評(píng)價(jià)結(jié)果表明整治工程取得了一定效果，但蓮花蕩水系化學(xué)完整性與生物完整性仍處于較差狀態(tài)，為了進(jìn)一步改善蓮花蕩水系生態(tài)健康狀況，本研究提出以下修復(fù)建議：(1)實(shí)施農(nóng)村生活污水的截污及治理工程，根據(jù)蓮花蕩水系周邊丁蜀鎮(zhèn)現(xiàn)有市政污水管網(wǎng)及其近(遠(yuǎn))期的規(guī)劃市政管網(wǎng)，對(duì)臨近管網(wǎng)居民進(jìn)行納管處理， 對(duì)于無(wú)法直接納管的自然村污水收集后建立污水處理站進(jìn)行處理，確保生活污水不直接排入蓮花蕩水系。(2)農(nóng)業(yè)面源的生態(tài)攔阻，通過(guò)構(gòu)建生態(tài)溝渠、人工濕地等工程，有效實(shí)現(xiàn)N/P的攔阻，降低營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)進(jìn)入蓮花蕩水系的含量。(3)在有效控源的基礎(chǔ)上，開(kāi)展生態(tài)岸帶及湖濱帶建設(shè)，通過(guò)構(gòu)建植被緩沖帶及水生植物群落，進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)污染物的攔阻凈化，提升水體自凈效能。實(shí)現(xiàn)蓮花蕩水系的短期人為調(diào)控到長(zhǎng)期自然凈化的過(guò)程，全面保障蓮花蕩水系水質(zhì)及水生態(tài)健康，實(shí)現(xiàn)入太湖污染負(fù)荷的有效削減。