(安徽省·水利部淮河水利委員會(huì)水利科學(xué)研究院 水利水資源安徽省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，安徽 蚌埠 233000)

河流水生態(tài)系統(tǒng)對(duì)人類社會(huì)的發(fā)展起著至關(guān)重要的作用，它不僅能為人類提供淡水資源以及生活、工農(nóng)業(yè)用水，而且還能提供諸如商業(yè)、景觀、休閑娛樂等諸多的服務(wù)功能[1]，在維系環(huán)境的水量平衡和能量平衡方面同樣具有非常重要的作用。但是，由于人類經(jīng)濟(jì)社會(huì)的快速發(fā)展，河流水生態(tài)系統(tǒng)已經(jīng)受到嚴(yán)重破壞，如果不對(duì)河流的水生態(tài)環(huán)境加以修復(fù)和保護(hù)，不久的將來，部分依賴河流發(fā)展的城市和地區(qū)將會(huì)面臨重大的發(fā)展危機(jī)[2]。

隨著人類對(duì)河流水生態(tài)認(rèn)識(shí)的逐漸加深，開始意識(shí)到保護(hù)河流水生態(tài)的重要性，特別是近年來，全世界范圍內(nèi)出現(xiàn)的水生態(tài)危機(jī)也引發(fā)了保護(hù)水生態(tài)健康的社會(huì)熱潮[3]。如何評(píng)價(jià)水生態(tài)現(xiàn)狀和修復(fù)受損的水生態(tài)系統(tǒng)，已成為促進(jìn)經(jīng)濟(jì)社會(huì)可持續(xù)發(fā)展需要解決的問題[4]。因此，水生態(tài)健康評(píng)價(jià)也越來越受到公眾重視。國外學(xué)者提出一系列水生態(tài)評(píng)價(jià)方法，包括生物完整性指數(shù)IBI(美國,1981年)、快速生物監(jiān)測協(xié)議RBPs(美國,1989年)、岸邊與河道環(huán)境細(xì)則RCE(瑞典,1992年)、河流健康計(jì)劃RHP(南非,1994年)、溪流狀態(tài)指數(shù)ISC(澳大利亞,1999年)等指標(biāo)體系法[5]，以及河流無脊椎動(dòng)物預(yù)測和分類計(jì)劃RIVPACS(英國,1984年)、河流評(píng)價(jià)計(jì)劃AUSRIVAS(澳大利亞,1994年)、水框架導(dǎo)則WFD(歐盟,2000年)等指示物種法[6]。國內(nèi)則有包括生物完整性指數(shù)IBI、Shannon-Wiener多樣性指數(shù)、BMWP計(jì)分系統(tǒng)、底棲動(dòng)物BI指數(shù)的指示物種法[7]和綜合健康指數(shù)評(píng)價(jià)法、模糊綜合評(píng)價(jià)法、灰色關(guān)聯(lián)評(píng)價(jià)法等指標(biāo)體系法[8]。然而，國內(nèi)基于上述方法的水生態(tài)健康評(píng)價(jià)往往有所側(cè)重，特別是河流水生態(tài)中針對(duì)生物的評(píng)價(jià)并未重點(diǎn)評(píng)價(jià)植物，而是側(cè)重評(píng)價(jià)動(dòng)物，不能較好地反映河流水生態(tài)環(huán)境生物健康狀況。

鑒于此，本文基于不同生物類型，對(duì)河流水生態(tài)健康評(píng)價(jià)的研究方法、評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)、指標(biāo)權(quán)重確定進(jìn)行綜合研究分析構(gòu)建了基于不同生物類型的河流水生態(tài)健康評(píng)價(jià)體系，以期為后期河流水生態(tài)健康評(píng)價(jià)提供科學(xué)依據(jù)，也為河流的水生態(tài)修復(fù)和保護(hù)提供技術(shù)支撐。

1 材料和方法

河流水生態(tài)調(diào)查應(yīng)對(duì)浮游植物、浮游動(dòng)物、大型底棲動(dòng)物和魚類進(jìn)行采集。采樣時(shí)間至少應(yīng)在評(píng)價(jià)年的春夏秋冬4季各采集一次，如有必要，可在各季節(jié)內(nèi)加采一次。采樣點(diǎn)的設(shè)置應(yīng)具有代表性、便利性?？筛鶕?jù)相關(guān)資料確定多個(gè)備選點(diǎn)位，再通過現(xiàn)場查勘，確定合適的采樣地點(diǎn)。

1.1 浮游植物

1.1.1 樣品的采集與鑒定

參照中國環(huán)境科學(xué)出版社出版的《水與廢水監(jiān)測分析方法(第四版)(增補(bǔ)版)》中第五篇第一章“水生生物群落的測定”以及《內(nèi)陸水域浮游植物監(jiān)測技術(shù)規(guī)程》(SL733-2016)中的方法。

(1)浮游植物定量樣品的采集。利用1L采水器采集水樣，在水體表面(水下 0.5 m)和水體底層(底層上 0.5 m)分層采集浮游植物定量樣品。

(2)浮游植物定性樣品的采集。利用25號(hào)浮游植物網(wǎng)(孔徑64 μm)在上層水體呈“∞”字形撈取3～5 min，并將濾取的樣品放入樣品瓶中，加入魯哥氏液進(jìn)行固定濃縮，帶回實(shí)驗(yàn)室在400～1 000倍顯微鏡下，鑒定浮游植物樣品的種類。

1.1.2 評(píng)價(jià)方法及評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)

(1)多樣性指數(shù)評(píng)價(jià)。根據(jù)河流的具體情況，采樣點(diǎn)選擇能反映河流基本生態(tài)功能的河段，原則上應(yīng)對(duì)評(píng)價(jià)河流設(shè)置至少5個(gè)采樣地點(diǎn)。如果評(píng)價(jià)河流較長，則采樣點(diǎn)間隔應(yīng)盡量不超過50 km，且需對(duì)特殊河段，如河流入?yún)R處、閘壩上下側(cè)一定范圍內(nèi)加密采樣。

多樣性指數(shù)評(píng)價(jià)的側(cè)重點(diǎn)在于評(píng)價(jià)生物群落的豐富度及穩(wěn)定性。利用Shannon-Wiener多樣性指數(shù)(H)和Pielou均勻度指數(shù)(J)分析浮游植物多樣性。浮游植物多樣性指標(biāo)賦分標(biāo)準(zhǔn)見表1。

表1 浮游植物多樣性指標(biāo)賦分標(biāo)準(zhǔn)

Shannon-Wiener多樣性指數(shù)計(jì)算公式為

(1)

(2)

式中，S為浮游植物種類總數(shù)；Pi為第i種的個(gè)體數(shù)與樣品中總個(gè)數(shù)的比值(Ni/N)。

(2)完整性指數(shù)評(píng)價(jià)。根據(jù)河流的具體情況，選擇合適的參考點(diǎn)和受損點(diǎn)，參考點(diǎn)應(yīng)是未受到人類干擾的，一定范圍內(nèi)沒有人類活動(dòng)及污染源的地方，受損點(diǎn)則是受到人類干擾比較明顯的地點(diǎn)。完整性指數(shù)評(píng)價(jià)的側(cè)重點(diǎn)在于評(píng)價(jià)生物群落的受損程度。浮游植物完整性指數(shù)的備選參數(shù)應(yīng)根據(jù)具體情況選擇，通常備選參數(shù)應(yīng)能反映生境生物的數(shù)量及質(zhì)量信息。

備選參數(shù)要進(jìn)行敏感性和冗余度分析，通過分析篩選并淘汰不能充分反映水生態(tài)系統(tǒng)受損情況的參數(shù)[9]。①敏感性分析。利用相關(guān)軟件繪制備選參數(shù)的箱線圖，分析比較參考點(diǎn)和受損點(diǎn)間的IQ(25%～75%分位數(shù))的重疊程度。若兩個(gè)箱體有部分重疊，但各自中位數(shù)都在對(duì)方箱體范圍之外的，以及兩個(gè)箱體沒有重疊的[10]，則應(yīng)保留此時(shí)的備選參數(shù)并做進(jìn)一步分析使用。②冗余度分析。對(duì)保留下來的備選參數(shù)進(jìn)行皮爾遜相關(guān)性計(jì)算，當(dāng)備選參數(shù)之間的相關(guān)系數(shù)︱r︱>0.8時(shí)，則表明兩個(gè)備選參數(shù)間有較高的相關(guān)性，只保留其中一個(gè)進(jìn)行分析即可，這樣可以最大程度地保證所選參數(shù)的獨(dú)立性較好。③評(píng)估參數(shù)分值計(jì)算。備選的各參數(shù)通常具有自身的計(jì)量單位，不便于整體進(jìn)行分析研究。為便于分析，對(duì)參數(shù)的評(píng)價(jià)采用計(jì)分評(píng)價(jià)，具體為：對(duì)于隨干擾增加而下降或減少的參數(shù)，以樣本從高到低排序的5%分位數(shù)值作為最佳期望值，該類參數(shù)的分值=參數(shù)實(shí)際值/最佳期望值；對(duì)于隨干擾增加而上升或增加的參數(shù)，則以95%的分位數(shù)值作為最佳期望值，該類參數(shù)的分值=(最大值-實(shí)際值)/(最大值-最佳期望值)[11]。

將浮游植物的評(píng)價(jià)參數(shù)的分值求和，得到浮游植物IBI指數(shù)值。以參照系樣本的IBI值從高低排序的25%分位數(shù)值作為最佳期望值，IBI指數(shù)賦分100分[12]。評(píng)價(jià)河段的浮游植物IBI賦分計(jì)算公式如下

(3)

式中，IBIr為評(píng)價(jià)河段浮游植物完整性指標(biāo)賦分；IBI為評(píng)價(jià)河段浮游植物完整性指標(biāo)值；IBIE為評(píng)價(jià)河段浮游植物完整性指標(biāo)最佳期望值。

浮游植物完整性指標(biāo)賦分標(biāo)準(zhǔn)見表2。

表2 浮游植物完整性指標(biāo)賦分標(biāo)準(zhǔn)

根據(jù)不同河流的具體情況，對(duì)多樣性指數(shù)評(píng)價(jià)和完整性指數(shù)評(píng)價(jià)的分值進(jìn)行權(quán)重分配，規(guī)定河流水生態(tài)健康評(píng)價(jià)浮游植物賦分滿分為100分。

1.2 浮游動(dòng)物

1.2.1 樣品的采集與鑒定

參照中國環(huán)境科學(xué)出版社出版的《水與廢水監(jiān)測分析方法(第四版)(增補(bǔ)版)》中第五篇第一章“水生生物群落的測定”以及《淡水浮游生物調(diào)查技術(shù)規(guī)范》(SC/T9402-2010)中的方法。根據(jù)該方法對(duì)浮游動(dòng)物進(jìn)行定量樣品和定性樣品采集。

1.2.2 評(píng)價(jià)方法及評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)

參考浮游植物評(píng)價(jià)方法及評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)。

1.3 大型底棲動(dòng)物

1.3.1 樣品的采集與鑒定

參照中國環(huán)境科學(xué)出版社出版的《水與廢水監(jiān)測分析方法(第四版)(增補(bǔ)版)》中第五篇第一章“水生生物群落的測定”中的方法。根據(jù)該方法對(duì)底棲動(dòng)物進(jìn)行定性樣品和定量樣品采集。

1.3.2 評(píng)價(jià)方法及評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)

(1)多樣性指數(shù)評(píng)價(jià)。利用Shannon-wiener多樣性指數(shù)和Margalef豐富度指數(shù)分析大型底棲動(dòng)物多樣性。計(jì)算公式為

(4)

d=(S-1)/lnN

(5)

式中，S為物種總數(shù)；Pi為第i種大型底棲動(dòng)物的個(gè)體數(shù)與樣品總個(gè)數(shù)的比值(Ni/N)。

大型底棲動(dòng)物多樣性指標(biāo)賦分標(biāo)準(zhǔn)見表3。

表3 大型底棲動(dòng)物多樣性指標(biāo)賦分標(biāo)準(zhǔn)

(2)完整性指數(shù)評(píng)價(jià)。參考浮游植物評(píng)價(jià)方法及評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)。

1.4 魚 類

1.4.1 樣品的采集與鑒定

參照中國環(huán)境科學(xué)出版社出版的《水與廢水監(jiān)測分析方法(第四版)(增補(bǔ)版)》中第五篇第一章“水生生物群落的測定”。根據(jù)該方法對(duì)魚類進(jìn)行樣品采集。

1.4.2 評(píng)價(jià)方法及評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)

(1)魚類損失指數(shù)。魚類損失指數(shù)指評(píng)價(jià)河段內(nèi)現(xiàn)狀魚類種數(shù)與歷史參考系魚類種數(shù)的差異程度[13]，調(diào)查魚類種類不包括外來物種。具體的指標(biāo)計(jì)算公式為

(6)

式中，F(xiàn)OE為魚類損失指數(shù)；FO為評(píng)價(jià)河段調(diào)查的魚類種類數(shù)量；FE為20世紀(jì)80年代前該評(píng)價(jià)河段的魚類種類數(shù)量。

魚類損失指數(shù)賦分標(biāo)準(zhǔn)見表4。

表4 魚類損失指數(shù)賦分標(biāo)準(zhǔn)

(2)完整性指數(shù)評(píng)價(jià)。參照Fausch等修訂的12個(gè)生物完整性指標(biāo)方法[14-15]，根據(jù)評(píng)價(jià)河流的實(shí)際情況，確定河流的魚類種類及優(yōu)勢魚種。用魚類IBI指數(shù)來表示，分為3個(gè)評(píng)分標(biāo)準(zhǔn)。魚類IBI指標(biāo)體系賦分標(biāo)準(zhǔn)具體見表5，魚類生物完整性指標(biāo)賦分標(biāo)準(zhǔn)見表6。

表5 魚類IBI指標(biāo)體系

注：其中種類結(jié)構(gòu)中2，3，4應(yīng)根據(jù)具體評(píng)價(jià)河流的優(yōu)勢魚類種類數(shù)確定該項(xiàng)的魚類科目。

表6 魚類生物完整性指標(biāo)賦分標(biāo)準(zhǔn)

根據(jù)不同河流的具體情況，對(duì)魚類生物損失指數(shù)和完整性指數(shù)的分值進(jìn)行權(quán)重分配，規(guī)定河流水生態(tài)健康評(píng)價(jià)魚類的賦分滿分為100分。

2 權(quán)重確定

權(quán)重分析采用層次分析法(AHP)。層次分析法的本質(zhì)上是一種“分解-判斷-綜合”的基本決策思維過程[17]，步驟如下。

2.1 構(gòu)造兩兩比較判斷矩陣

基于不同生物類型構(gòu)建河流水生態(tài)計(jì)算指標(biāo)權(quán)重，運(yùn)用“1～9”比較標(biāo)度法把各生物類型之間的相對(duì)重要性判斷結(jié)果用數(shù)值表示[18]。準(zhǔn)則層的浮游植物、浮游動(dòng)物、大型底棲動(dòng)物和魚類進(jìn)行兩兩比較，對(duì)重要性進(jìn)行賦值，據(jù)此構(gòu)建判斷矩陣。

2.2 層次單排序

計(jì)算構(gòu)建的判斷矩陣的最大特征根及對(duì)應(yīng)的特征向量，計(jì)算得出4種生物類型所占權(quán)重。層次單排序的兩個(gè)關(guān)鍵問題是對(duì)構(gòu)造的判斷矩陣進(jìn)行最大特征根和特征向量的計(jì)算，采用求和法。

將矩陣按列歸一化：

(7)

按行求和：

vij=∑bij

(8)

歸一化：

(9)

所得wi(i=1,2,3，….，n)即為相對(duì)權(quán)重值。

2.3 一致性檢驗(yàn)

權(quán)重分配計(jì)算是否合理，還需要通過一致性檢驗(yàn)確定。計(jì)算步驟如下。

(1)計(jì)算一致性指標(biāo)C.I.

(10)

式中,n為判斷矩陣的階數(shù)；λmax可由下式求出：

(11)

式中,W為權(quán)重向量矩陣，A為判斷矩陣。

(2)隨機(jī)一致性指標(biāo)C.R.

(12)

式中，R.I.為平均隨機(jī)一致性指標(biāo)，對(duì)于低階的平均隨機(jī)一致性指標(biāo)可以通過查表得出。2階以下的判斷矩陣，R.I.為0，上述計(jì)算公式無意義，此時(shí)規(guī)定C.R.為0，即表示判斷矩陣總是具有完全一致性。對(duì)于3階及3階以上的判斷矩陣，當(dāng)C.R.≤0.10時(shí)，認(rèn)為判斷矩陣的一致性令人滿意；當(dāng)C.R.>0.10時(shí)，則認(rèn)為判斷矩陣的一致性存在較大的偏差，需要重新調(diào)整之前構(gòu)建的判斷矩陣，直到最后的計(jì)算結(jié)果滿足C.R.≤0.10，表明此時(shí)建立的判斷矩陣一致性檢驗(yàn)合格，先前通過層次單排序分析得到的權(quán)重順序合理有效。

本次所構(gòu)建的判斷矩陣為4階矩陣，其R.I.為0.9，通過層析分析法對(duì)準(zhǔn)則層及各指標(biāo)層的權(quán)重進(jìn)行計(jì)算，具體權(quán)重分配見表7。

表7 權(quán)重分配表

通過MATLAB數(shù)學(xué)軟件計(jì)算得：判斷矩陣的λmax=4，C.I.=0，C.R.=0，判斷矩陣一致性檢驗(yàn)合格，λmax所對(duì)應(yīng)的特征向量進(jìn)行歸一化得到W=(0.125，0.125,0.25,0.5)T，W的各個(gè)分量值就是各評(píng)價(jià)提供一定參考。

3 健康評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)

根據(jù)不同生物類型計(jì)算的健康分值以及確定的權(quán)重，計(jì)算出整體的水生態(tài)健康分值，通過相應(yīng)的健康刻度(理想狀況：100分；健康：75分；亞健康：50分；不健康：25分；病態(tài)：0分)確定基于不同生物類型的河流水生態(tài)健康狀況。

4 結(jié) 語

本文基于不同生物類型，對(duì)河流水生態(tài)健康評(píng)價(jià)進(jìn)行綜合研究，給出水生態(tài)健康評(píng)價(jià)具體的研究方法、評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)、指標(biāo)權(quán)重分配。然而，河流水生態(tài)健康評(píng)價(jià)涉及的因素眾多，不只是評(píng)價(jià)河流的水生生物，還需考慮水資源、水環(huán)境狀況等，目前尚未有普遍適用的河流水生態(tài)健康評(píng)價(jià)方法標(biāo)準(zhǔn)。希望本文的分析研究能為更加科學(xué)準(zhǔn)確地進(jìn)行河流水生態(tài)健康評(píng)價(jià)提供一定參考。