我國流域水生態完整性評價方法構建

金小偉，王業耀，王備新，許人驥，陰 琨，劉 娜，呂怡兵，劉廷良

1.中國環境監測總站，國家環境保護環境監測質量控制重點實驗室，北京 100012 2.南京農業大學昆蟲系，江蘇 南京 210095 3.中國地質大學(北京)水資源與環境學院，北京 100083

我國流域水生態完整性評價方法構建

金小偉1，王業耀1，王備新2，許人驥1，陰 琨1，劉 娜3，呂怡兵1，劉廷良1

1.中國環境監測總站，國家環境保護環境監測質量控制重點實驗室，北京 100012 2.南京農業大學昆蟲系，江蘇 南京 210095 3.中國地質大學(北京)水資源與環境學院，北京 100083

流域水生態完整性評價是指通過對水生態系統中不同水生態指標(生物和非生物)的監測以及由數學方法綜合形成的綜合評價指數，來反映水生態系統完整性狀況。近年來，世界各國水環境管理政策發生了變化，開始強調生態保護，重視水體的生態質量。中國現行的常規理化監測指標(如COD、氨氮、BOD5)很難滿足水環境管理的需求，難以全面準確地反映水環境質量變化的趨勢。因此，在借鑒歐美發達國家流域水生態完整性評價方法的基礎上，結合中國目前監測現狀以及流域水環境管理需求，構建了包括物理生境指標、理化指標、水生生物指標在內的流域水生態完整性監測與評價方法，以期為中國流域水質目標管理技術體系的業務化運行提供可資借鑒的技術支撐，實現從單一的化學指標監測轉向綜合的水生態系統監測，實現流域水生態完整性的監測與評價。

生物監測；生態完整性評價；流域管理；水生態環境

水環境質量監測和評價是進行水環境管理和保證水環境健康的重要手段。 20世紀80年代開始，國外水資源政策開始強調生態保護，重視流域水環境的生態質量[1]。1980年后, 美國進入流域水環境綜合管理階段，提出水環境質量必須和水環境的功能相聯系，不僅要考慮化學指標，更重要的是考慮生態指標、棲息地生境質量、生物多樣性以及生態完整性。20世紀90年代，先后有許多國家開展了河流健康監測與評價研究計劃。美國環保局(USEPA)在1990年啟動環境監測與評價研究計劃(EMAP)， 目的在于監測和評價美國的河流和湖泊的生態環境質量狀況和變化趨勢[2]；此外，美國地質調查局(USGS)在1994年開展了一項美國全國范圍的水質評價計劃(NAWQA)，對全美的水環境質量狀況和趨勢進行評價，并找出影響水質的重要環境因素[3]；2001年開始，EMAP開始了第2個10年研究計劃，主要目標是進一步明確影響水環境質量狀況的主要因素，以便建立起污染源、污染物的遷移和傳輸、污染物對河流水生態系統和飲用水健康的影響三者之間關系，同時啟動對各研究流域的長期監測計劃[4]。1992年和1994年澳大利亞和南非相繼開展了國家河流健康監測與評價計劃[5-6]。2000年12月22日，歐盟成員國開始實施“水框架指令”(WFD)[7]，主要目標是到2015年，使各種水環境(河流、湖泊、地下水和近岸海域)處于良好狀態； “水框架指令”要求各成員國評價水體的生態環境質量。水生態環境質量主要基于生物、水文地貌和物理化學質量，其中生物質量尤其重要[8-9]。

我國的生物監測工作與我國的環境監測事業幾乎同時起步，始于20世紀70年代的環境污染調查。1984年，原國家環境保護局召開了第一次環境生物監測工作會議，之后于1986年出版了《生物監測技術規范(水環境部分)》；1989年組織編寫了《水和廢水監測分析方法》中的“水生生物檢測分析方法”，1993年編寫出版《水生生物監測手冊》，并在這個時期初次建立起國家水生生物監測網，開始在全國范圍開展生物監測例行工作[10-11]。20世紀90年代由于我國大力發展鄉鎮企業，水體污染急劇加重，導致部分水體中魚蝦絕跡，與此同時理化監測技術體系的快速發展以及理化監測任務的加重使我國環境監測工作重點基本集中到理化方面[12]，生物監測工作陷入了可有可無的尷尬境地，很多80年代中后期開展生物監測的監測站也取消了這方面的工作，僅保留細菌學方面的例行監測項目。進入21世紀以后，由于國家水環境管理不斷加強，水污染治理投入逐年增加，使得流域水環境質量開始改善，生態系統逐漸得到恢復[13-14]。而常規的理化監測指標(如COD、氨氮、BOD5)很難滿足水環境管理的需求，不能準確反映復雜水環境健康的變化趨勢，需要建立一套包括物理生境、生物、水體理化等指標的綜合監測與評價體系，準確評價我國水環境質量現狀和預測變化趨勢[15-17]。

流域水生態完整性評價是指通過對水生態系統中不同生態組分(非生物和生物)的監測，并通過數學方法計算形成綜合評價指數，來反映水生態系統的完整性狀況，即水生態健康。流域水生態健康評價是實施水生態功能分區管理的重要基礎[18-19]。 “十二五”國家水體污染控制與治理科技重大專項“流域水生態環境質量監測與評價研究”建立了一套流域水生態環境監測和評價方法，包括基于生態完整性的流域水生態環境監測指標體系、水生態環境監測技術方法體系、綜合性的流域水生態質量評價方法體系和流域水生態環境質量監測業務化運行體系。本文構建了我國開展流域水生態完整性評價監測體系與評價方法體系，希望它的推廣使用可為水生態環境質量監測和評價提供綜合、有效的監測技術規范和方法，為流域水質目標管理技術體系的業務化運行提供有效的技術支撐，實現從單一的化學指標監測轉向綜合的水生態系統監測，實現了流域水生態完整性的監測與評價。

1 我國流域水生態完整性評價監測體系構建

1.1 監測要素

在流域水生態完整性評價中，可以采用的指標不勝枚舉，在業務監測實踐中，不可能也不必要測定所有評價指標，僅需要根據生態區域和特定流域的實際狀況，因地制宜地選擇合適的指標集。選擇評價指標時，通常應該遵循以下標準：①指標本身具有明確意義，且能夠直接與特定的生態功能相聯系；②指標能夠靈敏反映流域內的生態質量變化趨勢和污染過程，可用于確定主要生態脅迫因子；③指標相對容易測定，盡可能選擇相對經濟合算的指標；④指標應該具有良好的重現性，存在統一的監測標準或規范[20]。

常見的水生態完整性監測指標大致可分為物理生境指標、水質理化指標和生物類群指標3類(表1)。其中生物類群指標主要包括著生藻類、浮游植物、浮游動物、大型底棲動物。應當根據特定的監測目的，充分考慮每個類群的特點、優勢、生命周期，結合區域的環境特點選擇適合的水生生物類群。比如，較為短期的環境監測可選用浮游植物、浮游動物，較為長期的環境監測可選用大型底棲動物；監測化學水質變化(尤其富營養化)可選用浮游植物、浮游動物，評價物理生境退化則可選用大型底棲動物。結合不同生物類群的監測結果，可以綜合、全面地反映環境狀態，但是考慮到現場的實際采樣條件以及人員、儀器的配備情況，可以在充分達到既定監測目的的前提下對監測類群酌情增減。

表1 目前正在開展的流域水生生物監測項目及監測水體

1.2 監測頻次與時間

1.2.1 監測頻次

充分考慮水域環境條件、生物類群的時間變化特點、調查目的及人力、費用投入，確定調查頻次和調查時間。至少每年監測1次；受季節性影響顯著水體的變化趨勢評價，應按季度監測，至少每個季度監測1次；事故性污染物的監測頻率必須考慮污染物效力的嚴重程度及持續時間，各種監測類群的生命周期及經過采樣后的恢復能力也必須予以考慮。

1.2.2 監測時間

按年度監測，一般選擇春季或秋季；按季節監測，一般選擇春、夏、秋3個季節。監測時間的確定，既要考慮各項監測指標的變化規律，又要兼顧實際情況。需要注意的是，若進行逐季監測，各季或各月監測的時間間隔應基本相同；同一河流中應力求水質同步采樣；生境監測建議在夏季進行，保證觀測到河岸植被的覆蓋情況。

1.3 點位布設

監測點位的布設，取決于水體和周圍環境的自然生態類型、人類干擾強度，以及所用生物監測技術的特殊要求，以滿足監測及評價目的為宗旨，需遵從以下原則：①盡可能沿用歷史觀測點位；②在監測點位采集的樣品，需對研究水域的單項或多項指標具有較好的代表性；③生物監測點位應與水文測量、水質理化指標監測站位相同，盡可能獲取足夠信息，用于解釋觀測到的生態效應；④生物監測點位盡量涵蓋到不同的生境類型；⑤在保證達到必要的精度和樣本量的前提下，監測點位應盡量少，要兼顧技術指標和費用投入；⑥生境監測點位與生物監測點位保持一致；⑦如果監測的目的是建立大范圍、全面的流域生物數據網絡，點位需覆蓋整個流域范圍；如果監測目的是客觀評估點源污染的影響，則需在一定范圍內進行加密監測。

布設監測點位時需要注意：①局部經過人為改變的區域，如小型水壩及橋梁區，除非需要評估其影響，應避免在區域內設置點位。②避免在支流河口附近設置點位。③河流或流域范圍的監測，不應當由于棲息地退化或該物理特征已有充分代表而舍棄采樣點位。④事故性污染物的監測點位應當全面覆蓋可能的污染混合帶，如在排污口下游間隔布設監測點位。

1.4 野外質量保證與控制

1.4.1 樣品的采集

1)保證所有野外設備處于良好的運行狀態，需制定一項常規檢查、維護或校準的計劃，以確保野外數據的異質性和質量。野外數據必須完整、規范、清晰。

2)合理安排各類生物樣品采集順序，盡量避免生物類群在采集前受到較大擾動。

3)定量采樣應在定性采樣前進行。

4)正確填寫樣品標簽，包括樣品編號、日期、水體名稱、采樣位置以及采集人姓名。樣品記錄表包含的信息必須與樣品瓶標簽相同。

5)及時清洗所有接觸過樣品的采樣設備，并仔細檢查，防止采樣污染。

6)及時在現場處理樣品。受生物活動影響，隨時間變化明顯的項目應在規定時間內測定。

1.4.2 樣品的保存

按照要求分別保存各類樣品，保存時，每隔幾周檢查固定液，必要時進行添加。

1.4.3 樣品的運輸

1)必須根據采樣記錄或登記表核對清點樣品，以免有誤或丟失。

2)樣品運輸中貯存溫度不超過采樣時的溫度，必要時需準備冷藏設備。

3)運輸中應仔細保管樣品，以確保樣品無破損、無污染。應避免強光照射及強烈震動。

1.4.4 采樣記錄

除了樣品相關信息，采樣時間、地點、水溫、氣溫、水文、植被等也應有詳細記錄，確保采樣現場數據的完整性。

1.4.5 準確度和精確度

關上了房門后，高河環視這間屋子，屋子里布置得很溫馨。高河想起了小表姐，聰明活潑，而且又倔強的性格，雖然她的相貌高河已經有些淡忘，但那蹦蹦跳跳的身姿還印在他的腦海中，她喜歡野花野草，喜歡小狗小貓，喜歡任何可愛的東西。但是，她不喜歡娟兒。

1)采集現場要設負責人，對采樣點位、樣方采集數量、采集的效果進行評估。

2)底棲動物采集揀選的每個樣品，要經采集團隊的另一人對揀選樣品進行檢查，確保無生物遺漏現象發生。

3)藻類等采集的樣品，要由指定人員檢查樣品采集過程是否符合采集要求，保存方法是否符合規范。

4)生境調查至少應有2人同時完成記錄和評價；不同時間周期下同一河流或河段的生境調查建議由同批人員完成。

1.5 實驗室質量保證與控制

1.5.1 樣品的交接與記錄

1)樣品交接時，應辦理正式交接手續，由接收樣品的工作人員記錄其狀態，檢查是否異常或是否與相應檢驗方法中描述的標準狀態有所偏離。

1.5.2 種類鑒定、計數

1)新種、新記錄種必須留出標本完整、鑒別特征典型的樣品制作標本，永久保存，并請分類學專家進行確認。

2)有疑問不確定的物種，需要請分類學專家對物種進行確認。

3)樣品鑒定完畢后，需請1位相關專業人員對樣品進行抽檢，抽檢比例為10%，以確保分類鑒定的準確性，并記錄鑒定的偏差情況。

4)實驗室應當保存并更新相關的分類學文獻。

5)樣品需由2名工作人員重復計數。

1.5.3 數據記錄

記錄實驗室分析過程中所取得的相應數據，分析測試項目還應記錄下測試條件、測試方法、QC報告(空白、重復、標樣、校正)，并描述如何從原始數據到最終結果報告的過程、數據轉換步驟。數據記錄表必須有記錄人、校對人簽字。

1.5.4 樣品的保存

保存所有樣品的模式標本及其記錄，必須準確、標記完整、防腐，并保存于實驗室，以便將來作為參考。現場分析剩余樣品不保存；實驗室分析剩余的生物樣品至少保留4個月以上，有條件的實驗室可長期保存。

1.5.5 準確度和精確度

1)建議重復抽樣樣品應當由另一位專業人員計數，以便評估分類精確性及偏差。

2)建議定期邀請專業分類學者進行抽查，對錯鑒的物種在記錄表上進行更正，并記錄鑒定的偏差情況。

3)建議開展專業技術培訓提高人員鑒定水平。

1.5.6 資料保存

基礎分類學參考文獻文庫是藻類、大型底棲動物鑒定中必不可少的輔助工具，應按實驗室需求購買、收集和保存。

2 我國流域水生態完整性評價方法構建

對水環境生態狀態的評價按照所選指標的不同，可分為指示物種法和基于河流棲息地特征的綜合評價法2種。指示物種法主要依據水環境某些物種的數量、生物量、生產力、結構指標、功能指標和一些生理生態指標來描述河流生態系統的健康狀態。常用的指示生物包括魚類、底棲無脊椎動物和著生藻類等[21]。指示物種法雖然是評價水環境健康狀態的常用方法之一，但這種方法也有其不足之處。很多指示物種具有很強的移動能力，對脅迫的耐受程度較低，與生態系統變化的相關性較弱，指示物種的監測參數選擇不當會給生態系統健康評價帶來偏差[22]。綜合評價法在一定程度上可彌補指示物種法的不足，更好地評價河流的健康狀況，因為在這一類指標體系中包含反映水環境健康不同信息的指標，能反映復雜水生態系統的多尺度、多壓力的特征，有利于全方位揭示水環境存在的問題。綜合評價方法也存在一些問題：綜合評價中指標的選擇及評價模型的構建尚不完善；由于不同地理區域河流及河流不同區段水生生物群落結構差異較大，很難采用同一套評價指標和方法；評價方法的準確性和適用范圍等問題在目前的研究中還沒有得到完全解決，需要在后續的研究中進一步完善。但多指標綜合評價仍是國內外河流生態完整性評價的發展趨勢[18]。因此，在借鑒歐美發達國家流域生態完整性評價方法的基礎上，結合我國目前的監測現狀以及流域水環境管理需求，構建適合我國現狀的流域生態完整性評價方法。

2.1 參照狀態的確定方法

參照狀態的確定是用于比較并檢測環境損傷的基準，是進行生態評價的必要前提。根據評價的目的，可以分別采用特定參照位點和區域參照位點。

1)特定參照位點。是指將點源排放的上游1個或數個位點作為參照狀態。該類型參照狀態減少了源于生境差異的復雜情況，排除其他點源和非點源污染造成的損害，可有助于診斷特定排放與損害之間的因果關系，并提高精確度。但是，該類型參照狀態的有效性較為有限，不適合廣域(流域及其以上范圍)的監測或評價。

2)區域參照位點。通常是以自然環境梯度來劃分的區域內未受干擾(接近自然狀態)或干擾最小的一系列位點作為該區域內的參照位點，其所代表的生物群落、生境和水化特征作為該區域的參照狀態。更適合于建立水域或流域尺度的生態健康基準，用于評價資源利用損害或影響，并制定相應的水質標準及監測網絡。

但是在人類活動比較頻繁的地區，很難找到沒有受到干擾的位點，尤其是受到較大人為改變的系統，通常找不到合適的參照狀態[23]。這些情況下，可以借助歷史數據或簡單的生態模型確立參照狀態，也可以根據現有的最佳狀態以及環境治理目標作為參照狀態。

2.2 評價方法

水生態完整性評價根據監測要素包括水質理化參數、物理生境和水生生物3個對象。現階段可采用以下方法開展流域生態完整性評價。

2.2.1 水質理化參數評價

參照《地表水環境質量標準》(GB 3838—2002)基本項目標準限值，水質指標的評價根據不同功能分區水質類別的標準限值，進行單因子評價(其中水溫和pH不作為評價指標)。最后根據水質類別等級進行賦分，賦分標準：Ⅰ類5分；Ⅱ類4分；Ⅲ類3分；Ⅳ類2分；Ⅴ類及以下1分。

2.2.2 物理生境評價

按照《流域水生態環境質量監測技術規范》中生境調查方法中的“棲息地生境評價計分表”，野外評測10個生境參數并定性打分。每個參數分值范圍為0～20，劃分為4個評價等級。每個監測斷面生境總分由10項參數分值累加計算，分級評價標準見表2。

表2 河流棲息地生境質量(H)的分級評價標準

2.2.3 水生生物評價

按照《流域水生態環境質量監測技術規范》要求進行大型底棲動物、藻類的定性(或定量)采集和鑒定分析，記錄定性定量分析數據進行評價賦分(表3)。可選擇其中一種或幾種評價方法對監測河流進行評價(如在監測實踐中已有比較成熟的方法，也可以繼續沿用)[24-25]。

表3 水生生物指標評價等級及賦分

2.3 水生態環境質量的綜合評價

采用水生態環境質量綜合指數來全面評價水生態環境質量。這個綜合指數包括了物理生境、水質理化參數和水生生物3個方面的多個評價參數。

2.3.1 水生態環境質量綜合指數

通過水化學指標和水生生物指標加權求和，構建水生態環境質量綜合指數(WQI)，該指數表示各評估單元和水環境整體的質量狀況。

式中：xi指評價指標分值；wi指評價指標權重。

結合我國目前生物評價發展水平，暫時考慮水質理化參數指標、物理生境指標和水生生物指標，其分值及權重如表4所示。

表4 水生態環境質量綜合指數計算說明

注：“建議權重”根據專家打分法確定。

2.3.2 標準與分級

根據WQI分值大小，將水生態環境質量狀況等級分為五級，分別為優秀、良好、輕度污染、中度污染和重度污染，具體指數分值和質量狀況分級詳見表5。

表5 水生態環境質量狀況分級標準

3 結論

隨著我國對河流生態質量的關注不斷深入，從水生態系統完整性角度對河流狀況進行監測和評價的優勢和必要性就充分顯示出來。水生態系統完整性評價法能有效地評價自然生態系統維持自然狀態和穩定性的程度及變化趨勢，是資源管理和環境保護中的一個重要概念。雖然我國引入了水生態完整性的概念，但現有水生態系統評價體系距離發達國家現有技術水平、實現流域水環境科學管理仍有一定的距離。本文在借鑒歐美發達國家流域水生態完整性評價方法和業務化監測思路的基礎上，結合我國目前監測現狀以及流域水環境管理需求，構建了包括物理完整性、化學完整性以及生物完整性在內的流域生態完整性綜合監測與評價方法，以期為我國流域水質目標管理技術體系的業務化運行提供可資借鑒的理論依據和技術支撐。

由于流域水生態系統組成復雜,涉及因素眾多, 對其內部的作用機理了解得也不很透徹，這些給確定流域生態完整性評價標準、選取指標及量化指標帶來了一定的影響，流域生態完整性評價還需從以下幾個方面做進一步的研究：①評價指標的選擇，流域水生態系統的組成復雜，涉及的關鍵影響因素眾多，指標的選擇決定水生態環境受污染的真實程度，如何選取具有代表性的指標去指示水生態系統的完整性需要科學合理的數據支撐。②評價標準，即參照狀態的選擇。現有的評價方法多數以河流原始的生態狀況或未受人類干擾的狀態作為參考狀態，然而，不受人類干擾的狀態是否就是健康狀態仍然存在一定的爭議。況且在實際的研究中這種未受人類活動干擾的生態環境很少存在， 根據歷史資料確定也存在一定的難度和不確定性。另外，自然界本身也存在動態的演變過程，在現有的外界環境影響下能否保持原始的健康狀態也存在不確定性。③水生態監測技術體系的完善，配合我國流域水生態環境監測體系的研究，需要一套獲取科學有代表性的監測數據的監測方法技術體系，包括生物群落的監測、物理生境的監測、水生生物指示物的監測方法等多個方面的監測技術，以及制定流域水生生物監測點位設置方法、水生生物群落監測技術規范和質量控制規范。④業務化運行體系的完善，針對我國流域水環境監測分工不明確、統一監管力度不足、重復交叉情況嚴重的現狀,以整體提升國家生物監測能力、實現監測技術資源和監測信息共享,以流域尺度進行水生態環境綜合監測與評價,形成國家、省、市、縣4級水環境監控網絡體系，建立保障監控網絡持續運行的管理體制和協調機制。搭建起我國流域水生態環境監測與評價技術體系的設計原則、設計思路及組織構成方式和運行方式等技術路線框架內容, 以期為我國的流域水環境質量管理提供技術支持。

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Methods Development for Monitoring and Assessment of Ecological integrity of Surface Waters in China

JIN Xiaowei1, WANG Yeyao1, WANG Beixin2, XU Renji1, YIN Kun1, LIU Na3, LYU Yibing1, LIU Tingliang1

1.State Environmental Protection Key Laboratory of Quality Control in Environmental Monitoring，China National Environmental Monitoring Centre, Beijing 100012, China 2.Laboratory of Aquatic Insects and Stream Ecology, Department of Entomology, Nanjing Agricultural University，Nanjing 210095,China 3.School of Water Resources and Environment, China University of Geosciences (Beijing), Beijing 100083, China

Monitoring of status and trends of surface waters quality is an important method to assure sustainability of desired characteristics of aquatic environments. The monitoring and assessment of ecological integrity surveys have demonstrated the value of probability-based sampling designs, quantitative assessments of multiple biological assemblages, a suite of qualitative habitat indicators and the use of historical information. Recently, several sets of legislation worldwide have been developed, that consider water bodies as ecological systems, in order to address ecological quality or integrity of watersheds. Current monitoring and assessment of water quality in China, which is still based on amounts of chemical pollutants, such as COD, ammonia and BOD5, has been deemed to be insufficient to adequately asses the quality of aquatic environments. Responding to this challenge, a new monitoring and assessment system is required based on ecological methodologies, which accurately represents status and trends in quality of aquatic environments. The components used in this monitoring and assessment system include hydrology, river morphology, physico-chemical parameters, ecotoxicological aspects, types and numbers of biota. Based on the results of the pilot scheme an ecological integrity index for surface waters will be established. A national coordination and management system, including methods for comprehensive monitoring of ecological integrity of surface waters in China will be initiated. The system should accurately reflect the effectiveness of governance and protection of major watersheds.

biological monitoring; ecological integrity assessment; watersheds management; aquatic ecological environment

2016-09-01;

2016-09-28

國家水體污染控制與治理科技重大專項(2013ZX07502001)；國家自然科學基金資助項目(21307165)；(美國)國家地理空氣與水保護基金項目(GEFC28-15)

金小偉 (1985-)，男，甘肅蘭州人，博士，高級工程師。

王業耀

X826

A

1002-6002(2017)01- 0075- 07

10.19316/j.issn.1002-6002.2017.01.12