廣水河河流水質(zhì)調(diào)查及健康評(píng)價(jià)

陳蘭洲，陶可，趙劍，吳新國，張渝蕊，魏思潔，陶越

(武漢大學(xué) 資源與環(huán)境科學(xué)學(xué)院，湖北省環(huán)境修復(fù)技術(shù)研究中心，武漢430072)

隨著我國工農(nóng)業(yè)發(fā)展，河流水量不足、水體污染以及水體流失等環(huán)境問題日趨嚴(yán)重，部分河流的健康狀況在不斷惡化. 因此，掌握河流健康水平，從而發(fā)現(xiàn)問題，并采取有效措施對(duì)河流進(jìn)行保護(hù)和修復(fù)，已經(jīng)變得十分迫切和重要[1]. 整體來看，國內(nèi)關(guān)于河流健康評(píng)價(jià)已經(jīng)開展了很多研究，主要在水文、水質(zhì)、河岸帶結(jié)構(gòu)、河流形態(tài)、社會(huì)功能等方面，但是對(duì)于不同的河流，每個(gè)研究者的側(cè)重點(diǎn)不同，導(dǎo)致在評(píng)價(jià)指標(biāo)的選取和評(píng)價(jià)方法上存在較大的差異,在普適性上尚待進(jìn)一步研究總結(jié).

廣水河位于廣水市境東部，為澴水河中支河流, 長約62.6 km, 屬季節(jié)性河流. 廣水河作為廣水市東部的主要河流, 對(duì)于其流域內(nèi)的經(jīng)濟(jì)和社會(huì)發(fā)展起到了重要作用. 但是, 隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，工業(yè)廢水和生活污水不斷地排入河中，其水質(zhì)受到了一定程度的影響. 尤其是楊寨河段, 自20世紀(jì)七十年代開始的特種金屬冶煉及生產(chǎn), 對(duì)其下游河段的河水和底泥都造成了比較嚴(yán)重的重金屬污染. 本文針對(duì)廣水河的特點(diǎn)，選取合適并能反映廣水河實(shí)際現(xiàn)狀的評(píng)價(jià)指標(biāo)，以建立廣水河健康評(píng)價(jià)體系，并采用AHP-綜合指數(shù)法對(duì)廣水河健康狀況進(jìn)行評(píng)價(jià)，通過評(píng)價(jià)結(jié)果對(duì)廣水河的健康問題進(jìn)行分析，期望能找到造成廣水河健康問題的主要原因，以及綜合系統(tǒng)地處理河流治理、開發(fā)和保護(hù)之間關(guān)系的方法，促進(jìn)當(dāng)?shù)厣鐣?huì)、經(jīng)濟(jì)和生態(tài)環(huán)境的協(xié)調(diào)發(fā)展.

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況及采樣點(diǎn)布設(shè)

廣水河發(fā)源于廣水市光頭山南麓之寨溝，與應(yīng)山河(西支)在王店鎮(zhèn)合流后與大悟河在孝昌縣并流，經(jīng)孝感市臥龍鄉(xiāng)入府河，再經(jīng)涢水入漢江. 廣水河全長約62.6 km，流域面積502.6 km2，屬季節(jié)性河流，河床為沙礫質(zhì)河床，上游彎曲，中游和下游河道寬闊. 廣水河較大支流有武勝關(guān)河、金雞河、霞家河、長勝河和李店細(xì)河等. 2017年7月，在廣水河干流共設(shè)置6個(gè)采樣斷面，見圖1. 采樣斷面的設(shè)置主要依據(jù)國標(biāo)GB/T12997-1991. 6個(gè)采樣點(diǎn)分別分布在廣水市、楊寨鎮(zhèn)、王店鎮(zhèn)的上下游等地點(diǎn).

圖1 廣水河采樣點(diǎn)分布圖Fig.1 Location of sampling sites of Guangshui river

1.2 樣品采集及分析

水文參數(shù)調(diào)查參照《河流流量測(cè)量規(guī)范》(GB50179-1993)進(jìn)行，其中流速、流量等指標(biāo)采用流速儀現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)，濁度、水溫等指標(biāo)采用濁度儀、YSI多參數(shù)水質(zhì)測(cè)量儀等現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè).河流形態(tài)根據(jù)實(shí)際測(cè)量或目測(cè)法，記錄河岸侵蝕面積、人工渠化長度、護(hù)岸類型、邊灘植被蓋度等[2]. 河岸植被特征包括植被蓋度、植被結(jié)構(gòu)、植被優(yōu)勢(shì)種、緩沖帶植被生物量等[3].

分別在每個(gè)樣點(diǎn)用采水器采集表層、中層、底層的混合水樣1 L，按照《水和廢水監(jiān)測(cè)分析方法》(第四版)中水樣的保存方法保存后，送實(shí)驗(yàn)室分析測(cè)定. 浮游植物定性樣品采集采用25#浮游生物網(wǎng)劃“8”字軌跡網(wǎng)入水樣過濾，收集網(wǎng)內(nèi)濾液. 所有浮游生物定性樣品均放入終濃度4%的福爾馬林溶液中保存. 另采集1 L混合水樣裝入瓶中，加入15 mL魯戈氏液固定，靜置沉淀48 h后，濃縮定容至30 mL，獲得浮游植物定量樣品，保存待檢[4].

采用重金屬采泥器對(duì)河流底泥進(jìn)行分層采集，分別采集0～10 cm、10～20 cm、20～30 cm深的底泥，裝入塑料袋封存. 樣品經(jīng)干燥、研磨、過篩后，取過篩120目的樣品，微波消解處理. 底棲動(dòng)物樣品，經(jīng)剖解后取肌肉、內(nèi)臟等組織，同樣運(yùn)用微波消解法進(jìn)行消解處理. 運(yùn)用火焰原子吸收分光光度法，測(cè)定Fe、Mn、Zn、Cu、Cr、Cd、Pb、Ni的含量[5].

1.3 評(píng)價(jià)指標(biāo)體系構(gòu)建

1.3.1 評(píng)價(jià)指標(biāo)選取

以吳阿娜等[6]提出的河流健康概念為理論基礎(chǔ)，在遵循指標(biāo)體系選擇的科學(xué)性、易操作性和主導(dǎo)性原則的基礎(chǔ)上，參考河流健康評(píng)價(jià)的相關(guān)研究成果，從河流水文、河流形態(tài)、河岸帶狀況、水質(zhì)參數(shù)、河流生物5個(gè)方面選取評(píng)價(jià)指標(biāo)(表1).

表1 河流健康評(píng)價(jià)指標(biāo)表Tab.1 River health assessment indexes

將廣水河河流健康評(píng)價(jià)體系分為3個(gè)層次，分別為目標(biāo)層A、準(zhǔn)則層B和指標(biāo)層C. 其中最高級(jí)綜合指標(biāo)為河流健康綜合指數(shù)，用來反映河流健康狀況的總體特征，其下一級(jí)指標(biāo)分別反映河流健康的5個(gè)組成部分，包括水文狀況、河流形態(tài)、河岸帶狀況、水質(zhì)參數(shù)、水生生物.

1.3.2 指標(biāo)評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)確定

將河流健康評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)分為優(yōu)、良，中、較差、最差五個(gè)級(jí)別，采用五級(jí)分值評(píng)分. 在咨詢專家, 參考相關(guān)文獻(xiàn)與規(guī)范的基礎(chǔ)上，對(duì)每個(gè)指標(biāo)獨(dú)立確定標(biāo)準(zhǔn)特征值，見表2.

表2 指標(biāo)的評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)Tab. 2 The assessment standard of indexes

1.3.3 層次分析法確定評(píng)價(jià)指標(biāo)的權(quán)重

研究權(quán)重的確定采用了層次分析法(AHP)，此方法是一種定性和定量相結(jié)合、系統(tǒng)化、層次化的多因素決策分析方法，可較好地消除主觀判斷的不確定性[7].

層次分析法確定權(quán)重的基本步驟如下：

(1)建立遞階層次結(jié)構(gòu)模型

在應(yīng)用層次分析法之前，首先要建立相應(yīng)的評(píng)價(jià)指標(biāo)體系，即對(duì)評(píng)判對(duì)象進(jìn)行層次分析，確立清晰的分級(jí)指標(biāo)體系，給出評(píng)判對(duì)象的因素集和子因素集，按照評(píng)價(jià)指標(biāo)體系的基本關(guān)系構(gòu)建一個(gè)遞階層次結(jié)構(gòu)模型，以便對(duì)評(píng)判對(duì)象進(jìn)行層次分析.

(2)構(gòu)造判斷矩陣

由專家對(duì)同層次內(nèi)某兩個(gè)指標(biāo)進(jìn)行相互比較，采用定量的標(biāo)度，判斷兩個(gè)指標(biāo)之間的相對(duì)重要程度，采用1-9標(biāo)度表(表3).

表3 指標(biāo)重要性標(biāo)度表Tab.3 The importance of index

采用兩兩比較的方法，對(duì)相關(guān)指標(biāo)進(jìn)行相對(duì)重要性判斷，根據(jù)表3給出相應(yīng)分?jǐn)?shù)，對(duì)于不同層次的指標(biāo)，可得到若干個(gè)不同的判斷矩陣(表4).

表4 A-B判斷矩陣Tab.4 A-B judgement matrix

(3)層次單排序及其一致性檢驗(yàn)

每一層次對(duì)上一層次中某因素的判斷矩陣的最大特征值對(duì)應(yīng)的規(guī)一化特征向量的各個(gè)分量，就是本層次相應(yīng)因素對(duì)上層次某因素的相對(duì)重要性的排序權(quán)重值，即相應(yīng)指標(biāo)的單排序權(quán)重，計(jì)算過程借助于Yet Another AHP軟件.

(4)層次總排序及其一致性檢驗(yàn)

最后，逐層計(jì)算各層次中的諸因素關(guān)于總目標(biāo)層的相對(duì)重要性權(quán)值. 計(jì)算方法是將最后一層各元素的權(quán)數(shù)依次乘以上一層受控元素的相對(duì)權(quán)數(shù)，從而形成各元素對(duì)于總目標(biāo)的絕對(duì)權(quán)重.

按照層次分析法的步驟，根據(jù)專家意見和評(píng)價(jià)目標(biāo)，結(jié)合廣水河的現(xiàn)狀，計(jì)算出各下級(jí)評(píng)價(jià)指標(biāo)對(duì)于上級(jí)評(píng)價(jià)指標(biāo)層的權(quán)重系數(shù)，及指標(biāo)層權(quán)重排列次序，結(jié)果如表5所示.

表5 廣水河健康評(píng)價(jià)指標(biāo)權(quán)重Tab.5 Index weight in health assessment of Guangshui river

1.4 評(píng)價(jià)方法的確定

綜合指數(shù)評(píng)價(jià)法是常用的多指標(biāo)綜合評(píng)價(jià)法，通過不同的途徑獲得每個(gè)評(píng)價(jià)指標(biāo)的現(xiàn)狀值，并將各指標(biāo)的現(xiàn)狀值進(jìn)行量化，然后按一定的模型加權(quán)合成計(jì)算出評(píng)價(jià)綜合值, 即河流系統(tǒng)的綜合健康指數(shù)值，最后根據(jù)綜合健康指數(shù)的分級(jí)數(shù)值范圍，確定河流系統(tǒng)健康的等級(jí)[8].

具體步驟如下：①確定各個(gè)評(píng)價(jià)指標(biāo)的現(xiàn)狀值；②將各個(gè)評(píng)價(jià)指標(biāo)的現(xiàn)狀值無量綱化；③確定各個(gè)評(píng)價(jià)指標(biāo)的權(quán)重；④計(jì)算綜合健康指數(shù)值，

式中E為綜合健康指數(shù)，表征整個(gè)河流系統(tǒng)的健康狀況；n為評(píng)價(jià)指標(biāo)的個(gè)數(shù);λi為各個(gè)評(píng)價(jià)指標(biāo)的無量綱化值；Wi為各個(gè)評(píng)價(jià)指標(biāo)的權(quán)重.

2 結(jié)果與討論

2.1 AHP-綜合指數(shù)法對(duì)廣水河健康狀況的評(píng)價(jià)

根據(jù)對(duì)廣水河河流健康評(píng)價(jià)指標(biāo)現(xiàn)狀值的調(diào)查分析和度量得出單項(xiàng)指標(biāo)的評(píng)價(jià)結(jié)果，根據(jù)指標(biāo)現(xiàn)狀值評(píng)價(jià)結(jié)果和表3各指標(biāo)權(quán)重，分別計(jì)算出目標(biāo)層、準(zhǔn)則層和指標(biāo)層的評(píng)價(jià)指數(shù)，根據(jù)五級(jí)分值評(píng)分標(biāo)準(zhǔn)可得出準(zhǔn)則層和目標(biāo)層所處的健康水平.各層次的評(píng)價(jià)指數(shù)見表6.

表6 各層次評(píng)價(jià)指數(shù)Tab.6 Evaluation indexes at all levels

2.2 指標(biāo)權(quán)重分析

2.2.1 準(zhǔn)則層對(duì)于目標(biāo)層的權(quán)重分析

根據(jù)表3，準(zhǔn)則層5個(gè)指標(biāo)對(duì)于目標(biāo)層的權(quán)重如圖2所示.

圖2 準(zhǔn)則層B對(duì)于目標(biāo)層A的權(quán)重分布圖Fig.2 Comparison of indicator weight in B layer relative to A layer

由圖2可知，河流水文(B1)、河流水質(zhì)(B4)和河流生物(B5)所占權(quán)重較大，權(quán)重分別為0.2137、0.3396、0.3403，其中河流生物(B5)所占權(quán)重最大，即在準(zhǔn)則層5個(gè)指標(biāo)中，河流生物是影響廣水河河流健康狀況最重要因素；河岸帶狀況(B3)和河流形態(tài)(B2)依次次之，權(quán)重分別為0.0791、0.0486. 河流生物是判斷河水是否受到污染的有效參照物. 河水中不同化學(xué)物質(zhì)的分布和濃度，將決定河流生物的類型構(gòu)成.水生生物群落與水環(huán)境有著錯(cuò)綜復(fù)雜的相互關(guān)系，對(duì)水質(zhì)變化起著重要作用.水生生物的存亡標(biāo)志著水質(zhì)變化程度，通過水生生物的調(diào)查，可以評(píng)價(jià)水體被污染的狀況[9].

2.2.2 指標(biāo)層對(duì)于目標(biāo)層的權(quán)重分析

根據(jù)表3，指標(biāo)層15個(gè)指標(biāo)對(duì)于目標(biāo)層的權(quán)重分布如圖3所示. 由圖3可知，水質(zhì)類別(C41)所占權(quán)重最大，為0.1719，即在指標(biāo)層15個(gè)指標(biāo)中，水質(zhì)類別是影響廣水河河流健康最重要的因素，水質(zhì)的好壞不僅影響到河流中水生生物的生存和繁殖，還會(huì)對(duì)水體的使用價(jià)值及人們的生產(chǎn)生活造成一定程度的影響；魚類資源(C53)所占權(quán)重次之，為0.1655，魚類對(duì)河流生態(tài)系統(tǒng)非常重要，魚類作為河流中食物鏈的重要一環(huán)，以浮游生物為食，對(duì)于藻類大量繁殖有一定程度的抑制作用[10]，并且有些魚類對(duì)于水質(zhì)變化非常敏感，對(duì)水質(zhì)判別具有指示作用，同時(shí)魚類也是人類非常重要的食物來源；再次是河流水量(C11)，所占權(quán)重為0.1455，河流水量是河流保持動(dòng)力和活力的前提，充足的水量不僅可以保證河流生態(tài)系統(tǒng)的需求[11]，更能滿足人類工農(nóng)業(yè)及生活用水的需求.

圖3 指標(biāo)層C對(duì)于目標(biāo)層A的權(quán)重分布圖Fig.3 Comparison of indicator weight in C layer relative to A layer

2.3 評(píng)價(jià)結(jié)果分析

2.3.1 準(zhǔn)則層評(píng)價(jià)結(jié)果分析

在準(zhǔn)則層5個(gè)指標(biāo)中，水文狀況的評(píng)價(jià)指數(shù)為3.7481，水文狀況的健康水平處于亞健康-健康之間，且偏向于健康；河流形態(tài)的評(píng)價(jià)指數(shù)為3.3354，河流形態(tài)的健康狀況處于亞健康-健康之間，且偏向于亞健康；河岸帶狀況的評(píng)價(jià)指數(shù)為2.6993，河岸帶的健康狀況處于病態(tài)-亞健康之間，且偏向于亞健康；水質(zhì)狀況的評(píng)價(jià)指數(shù)為2.7031，水質(zhì)健康狀況處于病態(tài)-亞健康之間，主要原因是重金屬造成水體污染；河流生物的評(píng)價(jià)指數(shù)為3.2942，河流生物的健康狀況處于亞健康-健康之間，且偏向于亞健康，這是由于廣水河魚類資源在不斷地減少所致.

2.3.2 目標(biāo)層評(píng)價(jià)結(jié)果分析

廣水河河流健康狀況的綜合評(píng)價(jià)指數(shù)為3.2149，健康水平處于亞健康-健康之間，且偏向于亞健康.現(xiàn)階段廣水河的河流健康狀況主要存在以下問題：水量和水資源承載力不足；部分河岸坍塌；水體污染，部分河段呈輕度富營養(yǎng)化狀態(tài)；水土流失加劇，進(jìn)而導(dǎo)致河床淤積；水生生物減少等. 造成廣水河河流健康水平低下的原因有很多，主要體現(xiàn)在以下兩個(gè)方面：一是自然因素，廣水河為季節(jié)性河流，流域內(nèi)的降水量年內(nèi)分配不均勻，水量變化較大，從而導(dǎo)致水位、水質(zhì)和生態(tài)系統(tǒng)等多方面的不斷變化，同時(shí)也對(duì)供水和農(nóng)田灌溉產(chǎn)生一定影響；二是人為因素，河流采砂、畜牧業(yè)養(yǎng)殖、生活污水和工業(yè)廢水的排入，對(duì)河流的水質(zhì)和自然形態(tài)造成了一定程度的改變，此外，人類對(duì)水生資源的過度掠奪也導(dǎo)致了廣水河生態(tài)系統(tǒng)的退化，最終造成廣水河一系列的健康問題.

廣水河目前總體處于亞健康水平，必須采取必要的保護(hù)措施阻止其進(jìn)一步惡化，同時(shí)對(duì)受損的河段進(jìn)行修復(fù)，使廣水河能夠保持良性的、可持續(xù)的健康發(fā)展?fàn)顟B(tài). 根據(jù)對(duì)廣水河河流健康狀況的評(píng)價(jià)及分析，結(jié)合廣水河的實(shí)際情況，提出以下建議：加大廣水河河流自然形態(tài)保持和維護(hù)的力度；嚴(yán)格控制采砂活動(dòng)，從優(yōu)化河勢(shì)的角度規(guī)劃采砂[12]作業(yè)，避免采砂過度的狀況發(fā)生，這同時(shí)可以減少河床泥沙淤積的現(xiàn)象；對(duì)坍塌河岸進(jìn)行修復(fù)，盡可能以生態(tài)護(hù)岸或半生態(tài)護(hù)岸的形式進(jìn)行河岸建設(shè)，通過引入植被，在加固河岸，減少水土流失的同時(shí)，提高河岸的植被覆蓋率[13],加強(qiáng)防洪林建設(shè)，進(jìn)一步鞏固河岸.

3 結(jié)語

在借鑒國內(nèi)外相關(guān)研究成果的基礎(chǔ)上，結(jié)合廣水河的實(shí)際情況，總結(jié)出一套適合廣水河的健康評(píng)級(jí)體系與方法，運(yùn)用AHP-綜合指數(shù)法對(duì)廣水河健康狀況進(jìn)行了評(píng)價(jià)，評(píng)價(jià)結(jié)果表明廣水河健康綜合指數(shù)為3.2149，健康狀況總體處于亞健康水平.通過評(píng)價(jià)結(jié)果對(duì)廣水河的健康問題進(jìn)行分析，找到了廣水河健康問題的主要原因：水量和水資源承載力不足；部分河岸坍塌；水體污染，部分河段呈輕度富營養(yǎng)化狀態(tài)；水土流失加劇，導(dǎo)致河床淤積；水生生物減少，魚類減少. 結(jié)合這些問題，本文提出了相應(yīng)改善及修復(fù)的建議，對(duì)于探索合理處理河流治理、開放和保護(hù)之間的關(guān)系有一定的借鑒意義，同時(shí)可為促進(jìn)當(dāng)?shù)厣鐣?huì)、經(jīng)濟(jì)和生態(tài)環(huán)境的協(xié)調(diào)發(fā)展提供參考.