濟(jì)南流域水生態(tài)系統(tǒng)健康評價

商書芹 相華 曹龍智 劉鵬 孟云飛 李慶南 殷旭旺

摘?要：通過濟(jì)南流域水生態(tài)調(diào)查，對濟(jì)南全流域進(jìn)行水功能分區(qū)，在此基礎(chǔ)上利用層次分析熵值法分配水功能區(qū)權(quán)重，對濟(jì)南流域水生態(tài)健康狀況進(jìn)行評價。評價結(jié)果顯示，位于濟(jì)南南部山區(qū)森林水源水生態(tài)亞區(qū)水生態(tài)狀況優(yōu)良;濟(jì)南中心泉區(qū)水生態(tài)狀況優(yōu)良;位于東部平原農(nóng)業(yè)生態(tài)亞區(qū)和南部丘陵-平原農(nóng)業(yè)水生態(tài)亞區(qū)，主要受農(nóng)業(yè)面源污染影響，水生態(tài)狀況較差。

關(guān)鍵詞：濟(jì)南流域;水生態(tài)健康評價; 水功能分區(qū);層次分析熵值法

本文研究的水生態(tài)健康評價指標(biāo)體系，利用水生生物狀況、水環(huán)境狀況、棲息地狀況作為評價的核心指標(biāo)[1];而且在進(jìn)行水生態(tài)健康評價之前，首先需要對流域進(jìn)行水生態(tài)功能分區(qū)，水生態(tài)功能分區(qū)是開展河流健康評的基礎(chǔ)[2]，在水生態(tài)功能區(qū)的基礎(chǔ)上去研究水域生態(tài)健康狀況，更有利于保護(hù)、管理和開發(fā)不同的水生態(tài)功能區(qū);通過對濟(jì)南全流域進(jìn)行分區(qū)，利用層次分析熵值法，可以明確不同水生態(tài)區(qū)的水生生物狀況、水環(huán)境狀況、棲息地狀況的分配權(quán)重，從而能夠更加客觀、科學(xué)的對流域內(nèi)各水生態(tài)區(qū)域進(jìn)行水生態(tài)健康評價。

1?研究區(qū)域概況

1.1?調(diào)查區(qū)域和調(diào)查項(xiàng)目

山東省濟(jì)南市，以“泉城”著稱，位于中國東部，四季分明，景色宜人;其中具有特點(diǎn)的水體類型包括湖泊、水庫、泉水、濕地、河流、城市水控閘壩等，水生態(tài)系統(tǒng)類型多樣化，而且特殊的地貌類型不僅給濟(jì)南人民帶來了適宜的居住條件，而且推動濟(jì)南旅游業(yè)、輕工業(yè)的發(fā)展，濟(jì)南市水域生態(tài)建設(shè)不僅僅是生態(tài)環(huán)境的建設(shè)，更是濟(jì)南市社會發(fā)展的重中之重，也是廣大市民，乃至全國人民關(guān)注的焦點(diǎn)。根據(jù)建設(shè)水生態(tài)監(jiān)測體系的需要，濟(jì)南流域分別設(shè)定 51 個具有代表性的站位（圖1），在2014年5月份進(jìn)行了全流域的采樣調(diào)查，現(xiàn)場記錄采樣站位經(jīng)緯度、海拔高度，各采樣站位的環(huán)境因子：指標(biāo)水溫（Temp）、pH、電導(dǎo)率（Cond）、鹽度（Salinity）、溶解氧（DO）和濁度（SS），用水質(zhì)分析儀（YSI 85）現(xiàn)場測定;流速（Velo）和水深（Depth）用流速儀（FP-111）現(xiàn)場測定;在各樣點(diǎn)采集2 L兩個平行水樣，水樣置于低溫保溫箱中，水樣保證在48 h內(nèi)帶回實(shí)驗(yàn)室，根據(jù)國標(biāo)監(jiān)測標(biāo)準(zhǔn)（國家環(huán)境保護(hù)總局，2002）[3]在實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行測定，測定的水化學(xué)指標(biāo)有：總磷、總氮、高錳酸鉀鹽指、COD、BOD5以及汞、鋅、銅等金屬離子。

1.2?分析方法

1.2.1?水生生物指標(biāo)體系?水生態(tài)健康評價體系水生生物指標(biāo)體系主要綜合浮游動、植物健康指數(shù)、大型底棲動物健康指數(shù)（B-IBI）、魚類健康指數(shù)（F-IBI）構(gòu)建而成，首先對水生生物物種進(jìn)行鑒定，分析、整理數(shù)據(jù)，計(jì)算各生物類群生物健康指數(shù)，再對四個生物類群的健康指數(shù)進(jìn)行相關(guān)性分析（表1）;結(jié)果顯示，浮游植物與浮游動物類群之間具有相關(guān)性，底棲動物與魚類類群之間具有相關(guān)性;而從相關(guān)性r值來看，四個生物類群之間并無相關(guān)性;再把各生物類群的健康指數(shù)除以其95%分位數(shù)，之后再進(jìn)行相加求平均數(shù)，擴(kuò)大一百倍后構(gòu)建水生生物評價指標(biāo)體系。

1.2.2?水環(huán)境指標(biāo)體系?對濟(jì)南流域理化指標(biāo)進(jìn)行PCA分析，結(jié)果表明，濁度在濟(jì)南流域水化指標(biāo)中響應(yīng)最為明顯，并與其它環(huán)境因子呈現(xiàn)出負(fù)響應(yīng)的關(guān)系，根據(jù)相關(guān)性擬合，對所監(jiān)測的水化指標(biāo)進(jìn)行篩選（r>0.5），篩選出該流域主要的理化因子為電導(dǎo)率、濁度、氯離子、硫酸鹽、碳酸氫跟、堿度、硬度、氟化物（圖2），他們的貢獻(xiàn)率超過90%。依據(jù)主成分分析的結(jié)果，對以上8個環(huán)境理化因子進(jìn)行偏相關(guān)分析（表1），通過相關(guān)性分析可以發(fā)現(xiàn)于PCA結(jié)果相吻合，濁度與其它理化因子篇相關(guān)性最低;而其它七個理化因子相關(guān)性較高（r>0.5），經(jīng)過主成分分析和偏相關(guān)分析最終篩選得到濁度和電導(dǎo)率作為構(gòu)建濟(jì)南水環(huán)境指標(biāo)體系。通過對篩選得到的指標(biāo)濁度、電導(dǎo)率標(biāo)準(zhǔn)化和加權(quán)處理后，最終得到水體水化因子的完整性指標(biāo)體系，進(jìn)而用于生態(tài)健康評價。

1.2.3?棲息地指標(biāo)體系?參照河流快速生物監(jiān)測使用的棲息地評價指標(biāo)（Barbour，1999），根據(jù)水環(huán)境水文水資源狀況、水質(zhì)狀況、人為干擾程度、河道破壞程度等評價棲息地質(zhì)量，并結(jié)合濟(jì)南流域河流系統(tǒng)的獨(dú)有生態(tài)環(huán)境特征，最終我們選擇出十個棲息地生境指標(biāo)作為構(gòu)建濟(jì)南流域的生境棲息地指標(biāo)體系，然后經(jīng)過對實(shí)地深入的生態(tài)采樣調(diào)查，最終確定濟(jì)南棲息地指標(biāo)值。

1.2.4?濟(jì)南水生態(tài)功能分區(qū)?水生態(tài)功能區(qū)作為一個全新的生態(tài)學(xué)的概念被提出，很快被廣大生態(tài)保護(hù)工作廣泛運(yùn)用;基于水生態(tài)功能區(qū)的生態(tài)健康評價更能反映出生態(tài)環(huán)境的具體狀況，針對不同生態(tài)功能區(qū)的不同生態(tài)狀況，采用相應(yīng)的生態(tài)健康評價方法對水域生態(tài)環(huán)境進(jìn)行健康評價，并針對不同水生態(tài)功能區(qū)不同的環(huán)境狀況實(shí)施科學(xué)的、合理的生態(tài)修護(hù)、保護(hù)和管理策略，這樣能更好的保護(hù)和開發(fā)水生態(tài)資源。

根據(jù)濟(jì)南市水生態(tài)分布區(qū)域以及各區(qū)域水生態(tài)服務(wù)功能，結(jié)合土地利用類型、人口密度、人為干擾程度、生境質(zhì)量、水生生物群落結(jié)構(gòu)及其分布特征，采用“自上而下”的區(qū)劃方法，并參考濟(jì)南市縣區(qū)的行政劃區(qū)域，劃分得到濟(jì)南市水域生態(tài)功能分區(qū)（圖3）。

1.2.5?層次分析熵值法確定各水功能分區(qū)權(quán)重?濟(jì)南流域各水生態(tài)分區(qū)確定權(quán)重采用的是層次分析熵值法，首先通過層次分析法對濟(jì)南八個水生態(tài)分區(qū)的水生物狀況、水環(huán)境狀況、棲息地狀況進(jìn)行權(quán)重分配，再利用熵值法，對濟(jì)南流域水生物狀況、水環(huán)境狀況、棲息地狀況進(jìn)行計(jì)算，在層次分析法計(jì)算結(jié)果上，利用熵值結(jié)果進(jìn)行修正，最終確定各分區(qū)權(quán)重分配情況（圖4）。

2?結(jié)果與分析

從濟(jì)南市林地及人口密度分布狀況（圖5）可以看出，濟(jì)南林區(qū)主要集中在濟(jì)南南部山區(qū)，人口密度主要集中在濟(jì)南中部區(qū)域。結(jié)合水生態(tài)實(shí)地采樣數(shù)據(jù)，把林地和人口密度與水生態(tài)因子進(jìn)行相關(guān)分析，相關(guān)分析結(jié)果如表2所示。

根據(jù)土地利用類型因子和人口密度與水生態(tài)因子的相關(guān)性分析可知（表2），林地與底棲動物多樣性指數(shù)、化學(xué)完整性指數(shù)存在顯著相關(guān)性，而林地與浮游動物密度呈現(xiàn)出極顯著的相關(guān)性，可見土地利用類型對底棲動物群落結(jié)構(gòu)及其分布狀況影響較大;人口密度與魚類多樣性指數(shù)、浮游植物多樣性指數(shù)顯著相關(guān)，而人口密度與底棲動物密度、化學(xué)完整性指數(shù)存在極顯著的相關(guān)性，表明人口密度對水生生物的影響較大，對水體化學(xué)指標(biāo)的影響也是極其顯著的，人類生活嚴(yán)重影響河流生態(tài)環(huán)境;有相關(guān)性分析可知，林地和人口密度兩個因子對河流生態(tài)驅(qū)動影響較大，可作為評價濟(jì)南市水生態(tài)健康評價的指標(biāo)體系。

從濟(jì)南各區(qū)各分區(qū)指標(biāo)權(quán)重分配結(jié)果來看（表3），中部平原社會承載水生態(tài)亞區(qū)棲息地指標(biāo)權(quán)重分配較高，南部丘陵-平原農(nóng)業(yè)水生態(tài)亞區(qū)水環(huán)境指標(biāo)權(quán)重分配較高，南部山區(qū)森林水源水生態(tài)亞區(qū)水生生物分配權(quán)重較高。

濟(jì)南市水生態(tài)區(qū)分成8個水生態(tài)功能區(qū)（圖6），包括濟(jì)南北部農(nóng)業(yè)平原區(qū)（I-1）、濟(jì)南北部社會承載平原區(qū)（I-2）、濟(jì)南東部農(nóng)業(yè)平原區(qū)（Ⅱ-1）、濟(jì)南東部丘陵水源森林區(qū)（Ⅱ-2）、濟(jì)南中部社會承載平原區(qū)（Ⅱ-3）、南部濕地平原區(qū)（Ⅲ-1）、南部山地水源森林區(qū)（Ⅲ-2）、南部農(nóng)業(yè)平原區(qū)（Ⅲ-3），根據(jù)濟(jì)南市水生態(tài)功能分區(qū)和水生態(tài)健康評價狀況可知，濟(jì)南北部農(nóng)業(yè)平原區(qū)，屬于黃河沖積平原，包括商河縣和濟(jì)陽縣東北部，地勢開闊平坦，土地肥沃，適合農(nóng)作物生長，土地多以耕地為主，主要以農(nóng)業(yè)生產(chǎn)為主，農(nóng)業(yè)生產(chǎn)改變生態(tài)環(huán)境自然狀況，水土流失嚴(yán)重，堤岸穩(wěn)定性較低，河流底質(zhì)類型多以淤泥、雜物為主，水質(zhì)富營養(yǎng)化嚴(yán)重;濟(jì)南北部社會承載平原區(qū)，該區(qū)域主要為人類生活區(qū)域，人口密度大，土地多以耕地和建設(shè)用地為主，人為干擾程度較大，對水生態(tài)健康影響嚴(yán)重;濟(jì)南東部農(nóng)業(yè)平原區(qū)，主要包括濟(jì)陽縣，主要以農(nóng)業(yè)生產(chǎn)為主;濟(jì)南東部丘陵水源森林區(qū)，主要包括章丘市南部，土地利用多為山地森林，人類活動干擾程度較小，自然地貌類型保護(hù)較好，為小清河的源頭所在地，生態(tài)健康水平較高;濟(jì)南中部平原社會承載區(qū)，為濟(jì)南市主城區(qū)，人口密度較大，工業(yè)、服務(wù)業(yè)等第三產(chǎn)業(yè)發(fā)展較為集中，人為干擾程度較大，土地利用類型多為城市建設(shè)用地，對水生態(tài)健康影響較大，生態(tài)環(huán)境破壞嚴(yán)重，生物多樣性喪失;濟(jì)南南部濕地平原區(qū)，位于黃河沿岸帶，包括長清區(qū)和平陰縣，屬于平原耕地區(qū)域，經(jīng)濟(jì)魚類黃河鯉魚盛產(chǎn)于此，水生態(tài)健康一般;濟(jì)南南部山地水源森林區(qū)，海拔較高，植被覆蓋率較高，是濟(jì)南市水生態(tài)保護(hù)較好的區(qū)域，用于濟(jì)南市水源地，對于濟(jì)南市的發(fā)展具有舉足輕重的作用;濟(jì)南南部農(nóng)業(yè)平原區(qū)，包括平陰縣南部和東部區(qū)域，土地利用多為耕地類型，人為活動較大，人為干擾程度較高，水生態(tài)健康狀況一般。從濟(jì)南水生態(tài)綜合健康評價結(jié)果來看，全區(qū)域主要表現(xiàn)出兩大特征，位于濟(jì)南東部和南部山區(qū)森林水源水生態(tài)區(qū)，生態(tài)環(huán)境保護(hù)較好，水生生物多樣性較高、水生態(tài)健康狀況優(yōu)良;濟(jì)南北部、東部和南部農(nóng)業(yè)平原區(qū)，由于農(nóng)業(yè)生產(chǎn)和人類活動，對生態(tài)環(huán)境的影響較大，水生態(tài)健康狀況一般;濟(jì)南市主城區(qū)，人口相對比較集中，工業(yè)和服務(wù)業(yè)發(fā)展水平較高，對環(huán)境的破壞程度較大，而延伸擴(kuò)展到濟(jì)南中心泉區(qū)，水生態(tài)狀況優(yōu)良;東部平原農(nóng)業(yè)生態(tài)亞區(qū)和南部丘陵-平原農(nóng)業(yè)水生態(tài)亞區(qū)，主要受農(nóng)業(yè)面源污染影響，水生態(tài)狀況較差。

3?討論

近年來，國內(nèi)外對河流生態(tài)健康的評價越來越多，但是仍停留在以整個區(qū)域進(jìn)行評價[4-6]，這種評價方法不能很好地說明整個流域具體某一塊的問題，為后期生態(tài)環(huán)境的治理和保護(hù)帶來諸多不便，而針對不同的行政區(qū)域、水生態(tài)區(qū)、水生態(tài)功能服務(wù)區(qū)的評價還處于起步階段[7-8]，深入研究不同分區(qū)水生態(tài)健康評價體系，能更好的提高水生態(tài)對人類社會的服務(wù)功能以及科學(xué)的制定水域生態(tài)環(huán)境的保護(hù)和管理制度。

根據(jù)濟(jì)南流域水生態(tài)健康評價結(jié)果，建議有關(guān)部門加強(qiáng)對濟(jì)南區(qū)域點(diǎn)源和面源污染的防治。對于農(nóng)業(yè)生產(chǎn)區(qū)塊所涉及生態(tài)區(qū)，加大對污染源的治理，嚴(yán)格控制耕地面積，加強(qiáng)河流堤岸穩(wěn)定性的加強(qiáng)、合理使用氮、磷等肥料，同時農(nóng)業(yè)部門應(yīng)對該區(qū)域土壤、水質(zhì)建立長期多頻率的監(jiān)測機(jī)制;在大型工業(yè)區(qū)塊涉及生態(tài)區(qū)，制定嚴(yán)格的工業(yè)廢水排放標(biāo)準(zhǔn)，并建立單獨(dú)的工業(yè)廢水水處理系統(tǒng)，待其達(dá)標(biāo)后才能排入自然水環(huán)境;對于人類生活區(qū)域所涉及的生態(tài)區(qū)，組織開展保護(hù)環(huán)境的宣講會，提高人們對環(huán)境保護(hù)的意識，并在生活區(qū)建立同意的生活污水處理系統(tǒng)，并加強(qiáng)物業(yè)部門對生活垃圾的處理機(jī)制;對于水生態(tài)評價健康區(qū)塊涉及生態(tài)區(qū)，同樣不能放松警惕，要聯(lián)合各個部門制定長效保護(hù)機(jī)制，加大水環(huán)境保護(hù)宣傳，定期開展水生生物多樣性展示，加強(qiáng)水生態(tài)基礎(chǔ)理論培訓(xùn)，提高公眾對水生態(tài)的保護(hù)意識，樹立科學(xué)生態(tài)發(fā)展觀，積極創(chuàng)建濟(jì)南海綿城市。

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