水生態環境質量評價體系研究

陰 琨，王業耀

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

在目前社會和經濟快速發展形勢下，很多水環境問題都逐步暴露出來，主要反映在水質污染、水生生物受損及水生態環境破壞等不同層面。現階段，水生態環境的破壞也越來越受到關注，我國對于水污染的控制措施也由單純的水體化學污染控制逐步轉變為對水生態環境質量的保護[1]。

水生態環境質量的監測和評價是指通過對河流生態系統中不同水生態指標(非生物和生物)的監測，來反映河流生態系統完整性狀況。20世紀80年代，西方國家水環境管理的重點由水質保護拓展到了水生態環境系統的恢復方面[2]，而且已經將水生態環境質量評價工作及流域管理的理念深入到其法令法規以及國家范圍的監測計劃中，其中歐盟、美國、澳大利亞、英國和南非等已經建立了各自的評價體系和技術方法體系，各類評價體系在發展里程中表現出不同的特點和適用特性。目前，我國雖然借鑒并引入了生態完整性的概念，并在遼河、漓江、松花江、淮河等各流域開展了典型評價體系的案例研究，但尚缺乏對各體系結構特點和適用性的深入分析，難以為我國水生態環境質量評價體系提供有力的借鑒。

我國基于“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”的研究，初步構建了一套流域水生態環境監測和評價方法，包括水生態環境監測指標體系、監測技術方法體系、綜合性評價方法體系[3]。但現階段，我國對于水生態環境質量評價體系尚處于研究階段，很多技術內容有待明確和完善。本文在借鑒典型評價體系及現有研究基礎上，提出了生態環境質量評價技術體系框架，明確了參照位點的選擇原則，補充了評價方法的選擇方式，提出了增設和實施監測計劃的方案，進一步完善和規范了我國流域水生態環境質量評價體系，為推廣和開展水生態環境質量監測評價工作提供有效的技術支持。

1 典型水生態環境質量評價體系

在前期研究中已經著重對最典型的3類評價方法[生物完整性指數(IBI)法，預測模型法，歐盟水框架指令(WFD)]的應用案例進行了歸納概述[4]，尚未對其體系特點進行深入分析。本文將對評價體系的構成和特點、適用性進行補充分析，為我國構建水生態環境質量評價體系提供借鑒。

1.1 IBI評價體系

1.1.1 IBI評價體系的構成和特點

IBI評價體系(見圖1)的目的是保護水生生物的健康狀況，維持水體中生物生存的良好狀態[5-6]。監測要素由物理、生物和化學3個要素構成。其中，IBI評價體系的物理要素更關注與水生生物生境/棲息環境直接相關的物理生境參數，如底質類型、棲境復雜性、河岸穩定性等；與WFD體系不同的是，WFD更側重流量和水流動力學等流域的水文參數。其次，IBI評價體系中生物要素可為單類群或多類群組合，包含魚類、底棲動物、著生藻類、浮游動植物、大型植物等，監測類群的選擇更自由，對生物完整性的表征也更全面。IBI評價體系的特殊性在于，核心是評價生物群落的完整性，以生物的完整性表征水生態的完整性。物理生境要素和水質理化要素不參與水生態環境質量的評價，更多的是為維持和改善水體生物完整性提供其生存環境質量的信息和影響分析數據，用于分析該區域生存環境的質量是否對完整性造成影響和破壞。

圖1 IBI體系框架Fig.1 Framework of IBI system

1.1.2 借鑒意義

對美國、巴西、比利時、韓國、中國等各國開展IBI評價的案例數據(表1)分析結果表明，IBI可對不同的河流類型和不同尺度范圍的河流水生態環境開展評價。山區溪流、林區溪流、平原河流、可涉和大型不可涉河流等均可采用IBI評價體系進行評價；調查區域的尺度從河流、水系、流域到國家范圍；調查的流域范圍從幾百平方公里到幾十萬平方公里。開展IBI評價所需的工作量，主要取決于監測位點的數量及調查周期。確定參照狀態(獲得參照位點數據)是IBI評價的必要前提條件，所需的參照位點數量隨調查區域的大小和準確度有關，河流尺度的監測，參照位點設立幾個即可開展有效評價，但數量越多評價的準確度和代表性越好。此外，通常開展1～3 a調查，獲取的數據量即可完成評價。

表1 IBI評價體系應用案例分析

注：空表示無相關內容。下同。

IBI體系對于我國開展水生態評價體系的借鑒意義在于，可以從各級生物群落構成變化、污染耐受性的變化以及豐度的變化等方面提供生物完整性變化的全面信息。在不同類型和不同尺度評價時均可以應用，且調查區域可根據監測能力選擇生物類群，這對于類似我國地域廣闊、河流類型多樣、群落監測能力存在地區差異的國家非常值得借鑒；另一方面，借鑒IBI的前提是需要調查區域內存在滿足參照狀態的位點，所以對受損較重無法找到參照位點的河流或水域不適用。同時，由于IBI評價指標的開放性使得在全國范圍難以開展比較分析[16-17]，不適合在各流域間進行橫向比較。但對于各流域本身的縱向變化可以實施有效評價。

1.2 預測模型評價體系

1.2.1 預測模型評價體系的構成和特點

預測模型評價的目的是反映河流水生態環境質量和受干擾樣點生物多樣性喪失的程度[18]，基于環境變量和生物應變量的響應關系來預測生物多樣性的狀態(圖2)。這使得預測模型評價體系要素的信息量必須能提取足夠的環境變量信息，要素指標的構成較IBI體系更復雜，獲取難度也更大。目前，典型的預測模型體系，如澳大利亞AUSRIVAS模型、英國RIVPACS模型和加利福尼亞模型建立采用的預測變量來自多種要素指標，包括水體水文要素(如河流深度、長度和寬度)、氣候要素(年氣溫變化、平均氣溫)、地理要素(海拔、經緯度)、生境要素(卵石比例、河岸植被)和化學要素(排放物、電導率)。

另一方面，預測模型應變量必須基于大型底棲動物群落數據，且為獲得準確的應變量信息需要提供大量的底棲動物多樣性數據，這點與IBI相比，在評價生物類群的選擇上存在局限性，即此方法只通過單一底棲動物表征河流健康狀況,若河流健康狀況受到的破壞未能體現在該物種的變化上,則得不到真實的評價結果。此外，預測模型的建立和預測評價需運用聚類分析、辨別力函數分析等復雜的統計分析手段，對評價人員有更專業的要求，這也是模型在業務化應用上的另一個局限性。

圖2 預測模型評價體系Fig.2 Evaluation system of prediction models

1.2.2 借鑒意義

對澳大利亞、美國、英國等國家預測模型評價的案例分析(表2)結果表明，預測模型可直接用于流域面積相對較小的河流和溪流，但在不可涉大型河流或者區域范圍開展預測，需要基于生態功能分區數據。其次，用于建立模型的參照位點數量一般達到幾百個，遠遠高于IBI評價對參照位點數量的需求。而且，預測所需底棲動物多樣性數據必須系統完整，獲取這些數據需要至少3 a以上的調查數據，獲取生物數據的工作量非常大。

表2 預測模型評價體系應用案例分析

借鑒預測模型體系的意義在于可掌握河流生物多樣性和群落構成的變化程度，即掌握河流中底棲動物群落的構成偏離原始無污染狀態時的程度，此目的下預測模型是非常有利的評價工具。預測模型可以應用在溪流/河流的評價，也可以應用于具有生態功能分區數據基礎的流域/區域者尺度的評價。實施預測模型評價的前提是調查水域存在足夠數量滿足參照狀態的位點，具備系統完整的底棲動物群落構成的數據。

1.3 WFD評價體系

采用WFD開展評價的目的在于實現水資源可持續利用，要求流域水文、生物及化學3個要素的質量要同時達到良好狀態，才能實現其流域生態質量的良好狀態[25-26]。目前，丹麥、德國、芬蘭、瑞典等歐盟水框架指令各成員國均已按照WFD評價體系的要求開展了大量國家尺度的水生態環境質量評價[27]。由于WFD水生態環境保護高要求的管理目標、嚴格的評價標準和大量基礎數據的需求等，使得在這個體系實施過程中，一些歐洲國家還不能嚴格采納WFD方法開展河流生態評價，多數水體生態狀況評價結果也還達不到歐盟要求的目標[28]。

現階段，我國還不適合完全吸納WFD的評價模式，但WFD流域環境管理方面的很多先進經驗[29]非常值得我國借鑒。首先，WFD評價體系設置監督監測、運行監測和調查監測3個類型的監測計劃，以較少的工作量實現不同的評價需求(見圖3)。其次，借鑒WFD對流域水生態狀況評價的意義還在于，WFD要求說明水生生物與環境壓力間的關系，水文、形態、理化參數被評價體系列為非常重要的評價參數[30]，與以生物群落保護為目的的IBI體系和預測模型體系不同，WFD真正實現了從水生態完整性角度評價流域水生態環境質量。

圖3 WFD體系框架Fig.3 Framework of WFD system

2 我國水生態環境質量評價體系

水生態環境質量評價技術體系包括5項主體內容：評價目的、評價要素和指標、監測技術、監測計劃、評價方法(見圖4)。

2.1 評價目的

建立水生態環境質量評價體系的目的是了解我國流域的水生態環境質量狀況，掌握變化趨勢，找到環境壓力因素或人為干擾因素，通過評價的實施為流域環境管理提供基礎數據支持，協助管理者開展流域保護措施。

圖4 我國水生態環境質量評價技術體系框架Fig.4 Framework of assessment system of national water eco-environmental quality

2.2 要素和監測計劃

2.2.1 監測要素和方法

監測要素和指標、監測技術的內容，在文獻[3]中已經提出了基本要求。評價要素由生境、水質理化和生物3個要素構成；監測的頻次以年度或季度開展監測，監測時間一般選擇春季或者秋季；布點原則遵循延續性、代表性、一致性、豐富性等7項原則。

2.2.2 參照位點的選擇

按照以下原則確定參照位點：①生境狀況：區域內無明顯受人類活動干擾跡象；其上游無點源污染，河岸植被帶覆蓋狀況較好；且棲息地生境質量的評分標準中，人類活動和土地利用2項得分平均分大于13分。②生物狀態：有襀翅目等清潔水體指示性昆蟲存在。

2.2.3 監測計劃

借鑒WFD監測模式，基于不同子目的需求監測活動應分為3類監測計劃進行實施：調查性監測、監督性監測和分析性監測，以更為有效的方式達到保護和管理流域水生態環境的目的。

調查性監測：目的是監測流域水生態環境的長期變化和完整的質量狀況，監測內容為所有生物要素指標、所有生境參數、所有的水質理化指標，在全流域監測范圍開展監測，3 a開展1次。

監督性監測：目的是在調查性評價基礎上，在掌握流域水生態環境完整的質量狀況下，對流域部分區域可能發生的水生態環境質量變化進行評價，尋找流域內可能引起水生態環境質量發生變化的壓力因素和潛在威脅，監督流域水生態環境的變化情況。需要監測的目標是環境壓力因素，監測內容為所有生境參數、關鍵的水質理化指標，監測范圍為全流域范圍，在2次調查性評價期間開展，1 a監測1次。

分析性監測：目的是基于監督性評價結果，發現流域內存在明顯的人為活動的干擾(如排污、挖沙、筑壩等)時，分析干擾對流域水生態環境產生的影響，監測內容為所有生物要素指標、所有干擾影響的生境參數、相關的水質理化指標，監測范圍僅為流域內發生干擾的區域，監測評價要在干擾發現時及時開展。

2.3 評價方法

2.3.1 要素評價

水質理化指標按照《地表水環境質量標準》(GB 3838—2002)中不同水質類別標準限值進行單因子評價；生境按照棲息地生境質量中10個參數進行評分評價[3]。

生物指標評價方法有多種類型(主要有IBI法、預測模型法和生物指數法)，應基于研究區域特點選擇科學的評價方法(圖5)，根據參照位點、監測區域尺度、流域背景數據等條件情況來逐步確定合適的評價方法。

圖5 評價方法選擇的技術路線Fig.5 Technical route for evaluation methods selection

在幾類評價方法中，IBI和預測模型法均基于參照點位來建立，僅適用于存在參照狀態的河流。對于生態環境受損和干擾嚴重、已不存在滿足參照狀態位點的河流，可采用生物指數法進行評價，生物指數法選擇原則：指數評價結果與壓力干擾因素(生境和水質參數)存在顯著相關性；盡可能包含多樣性和耐污性2個方面的信息；評價結果能表現出與預期響應一致的趨勢(見表3)。

表3 生物指數的預期響應結果

注：“*”指當水生態環境受損時指數的響應趨勢，“↓”表示降低，“↑”表示升高。

2.3.2 綜合評價

從水生態完整性角度采用水生態環境質量綜合指數(WQI)進行綜合評價，可參考金小偉等[3]對生境、水質理化和生物要素賦分的推薦值(0.2、0.4、0.4)分配權重，也可根據不同流域對3個要素的保護力度的不同自行加減權重值，最終將3個要素加權求和后計算WQI總分值。

采用5級評價(表4)：優，表征水生態環境處于受干擾很小或未受干擾的最優狀態；良好，表征水生態環境受到有限干擾，處于相對良好的狀態；輕度污染，表征水生態環境受到一定程度的損傷和干擾，狀況一般；中度污染，表征水生態環境受到較大的損傷和干擾，狀況比較差；重度污染，表征水生態環境受損受到嚴重損傷和干擾，狀況很差。

表4 評價等級和描述

3 結論

基于完整性的流域水生態環境質量評價方法越來越受到重視，評價體系的建立和推廣可為流域環境管理提供重要的基礎數據，為管理者開展流域保護措施提供重要的技術支撐。本文有針對性地解決了現有評價體系中待明確和完善的技術內容，同時提出下一步待解決的關鍵問題：①參照位點確定原則的有效性。參照位點確定方法是否適用于我國不同類型的流域，有待在不同流域評價研究中進行有效性的分析和修正。②監測計劃的完善。如何在各監測計劃中科學地識別和監測環境壓力因子，需要明確關鍵指標的選擇原則和確定方法。③方法的可比性。在如何判定參照狀態的確定方法不同、各水體選取的評價方法不同、評價指標不盡一致等因素下，不同的流域或水體間評價結果的可比性。隨著今后我國評價體系的逐步成熟，相信流域水生態環境質量評價工作的完善性和可靠性也會隨之提高，我國對流域生態環境的監測和管理將會邁入基于流域生態質量和生態健康保護的新領域。

[1] 孟偉，張遠，鄭丙輝．水環境質量基準、標準與流域水污染物總量控制策略[J]．環境科學研究，2006，19(3)：1-6.

MENG Wei, ZHANG Yuan, ZHENG Binghui. The Quality Criteria, Standards of Water Environment and the Water Pollutant Control Strategy on Watershed[J]. Research of Environmental Sciences, 2006, 19(3): 1-6.

[2] 陰琨．松花江流域水生態環境質量評價研究[D]．北京：中國地質大學，2015.

[3] 金小偉，王業耀，王備新，等．我國流域水生態完整性評價方法構建[J]．中國環境監測，2017，33(1)：75-81.

JIN Xiaowei, WANG Yeyao, WANG Beixin, et al. Methods Development for Monitoring and Assessment of Ecological Integrity of Surface Waters in China[J]. Environmental Monitoring in China, 2017, 33(1): 75-81.

[4] 王業耀，陰琨，楊琦，等.河流水生態環境質量評價方法研究與應用進展[J]. 中國環境監測，2014, 30(4):1-9

WANG Yeyao, YIN Kun, YANG Qi, et al. Research and Application Progress of Assessment for River Water Ecosystem Quality[J]. Environmental Monitoring in China, 2014, 30(4): 1-9

[5] BARBOUR M T, GERRITSEN J, SNYDER B D, et al. Rapid Bio-Assessment Protocols for Use in Streams and Wadeable Rivers: Pe-Riphyton, Benthic Macroinvertebrates and Fish, Second Edition[M]. Washington DC: USEPA 841-B-99-002. Environment Protection Agency, 1999.

[6] KARR J R. Seven Foundations of Biological Monitoring and Assessment[J]. Biologia Ambientale, 2006, 20(2): 7-18.

[7] BRIAN M W，JEFFREY J D. Development, Validation, and Application of a Macroinvertebrate-Based Index of Biotic Integrity for Nonwadeable Rivers of Wisconsin[J]. J N Am Benthol Soc, 2011, 30 (3): 665-679.

[8] DARCILIO F B, DANIEL F B, MARIANA E, et al. A Multimetric Index Based on Benthic Macroinvertebrates for Evaluation of Atlantic Forest Streams at Rio de Janeiro State, Brazil[J]. Hydrobiologia, 2007, 575: 83-94.

[9] JAN B, ILSE S, PETER G, et al. A Fish-Based Index of Biotic Integrity for Upstream Brooks in Flanders (Belgium) [J]. Hydrobiologia, 2004, 522: 133-148.

[10] JUN Y C, WON D H, LEE S H, et al. A Multimetric Benthic Macroinvertebrate Index for the Assessment of Stream Biotic Integrity in Korea[J]. Int J Environ Res Public Health, 2012, 9: 3 599-3 628.

[11] 李國忱，汪星，劉錄三，等．基于硅藻完整性指數的遼河上游水質生物學評價[J]．環境科學研究，2012，25(8)：852-858.

LI Guozhen, WANG Xing, LIU Lusan, et al. Bioassessment of Water Quality Based on Diatom Index of Biotic Integrity in the Upstream of Liaohe River[J]. Research of Environmental Sciences, 2012, 25(8): 852-858.

[12] 張穎，胡金，萬云.基于底棲動物完整性指數B-IBI的淮河流域水系生態健康評價[J]. 生態與農村環境學報，2014，30(3)：300-305.

ZHANG Ying, HU Jin, WANG Yun, et al. Eco-Health Assessment of Huaihe River System Based on Benthic-Index of Biotic Integrity[J]. Journal of Ecology and Rural Environment, 2014, 30(3): 300-305.

[13] 曹艷霞，張杰，蔡德所，等．應用底棲無脊椎動物完整性指數評價漓江水系健康狀況[J]．水資源保護，2010，26(2)：13-17.

CAO Yanxia, ZHANG Jie, CAI Desuo, et al. Lijiang River Health Assessment Using a Benthos Index of Biotic Integrity for Invertebrate[J]. Water Resources Protection， 2010, 26(2): 13-17.

[14] 陰琨，李中宇，趙然，等．松花江流域水生態環境質量評價研究[J]．中國環境監測，2015，31(4)：26-34.

YIN Kun, LI Zhongyu, ZHAO Ran, et al. Study on Assessment of Water Ecosystem Quality in Songhua River Basin[J]. Environmental Monitoring in China, 2015, 31(4): 26-34.

[15] 陰琨，趙然，李中宇，等．松花江流域水生態環境中生物與生境、化學要素間的關聯性研究[J]．中國環境監測，2015，31(1)：17-23.

YIN Kun, ZHAO Ran, LI Zhongyu, et al. Study on the Correlation Between Biological and Habitat，Chemical Elements of Water Ecosystem Quality in Songhua River Basin[J]. Environmental Monitoring in China, 2015, 31(1): 17-23.

[16] MOYA N, HUGHES R M, DOMNGUEZ E, et al. Macroinvertebrate-Based Multimetric Predictive Models for Evaluating the Human Impact on Biotic Condition of Bolivian Streams[J]. Ecol Ind, 2011, 11: 840-847.

[17] PONT D, HUGHES R M, WHITTIER T R, et al. A Predictive Index of Biotic Integrity Model for Aquatic-Vertebrate Assemblages of Western US streams. Trans[J]. Am Fish Soc, 2009, 138: 292-305.

[18] HAWKINS C P. Quantifying Biological Integrity by Taxonomic Completeness: Its Utility in Regional and Global Assessments[J]. Ecological Applications, 2006, 16 (1): 277-294.

[19] University of Canberra. Biological Response to Flows Downstream of Corin, Bendora, Cotter, and Googong Dams-Autumn 2013[R]. Austrilia: University of Canberra,2013.

[20] 張杰，蔡德所，曹艷霞，等．評價漓江健康的RIVPACS預測模型研究[J]．湖泊科學，2011，23(1)：73-79.

ZHANG Jie, CAI Desuo, CAO Yanxia, et al. Health Assessment Based on a RIVPACS-Type Predictive Model in Lijiang River[J]. Journal of Lake Sciences, 2011, 23(1): 73-79.

[21] ERIC G H, JEREMY R Z, CHARLES P H. Development of a RIVPACS Model for Wadeable Streams of Wyoming[R]. WY: Wyoming Department of Environmental Quality-Water Quality Division, 2005.

[22] SMITH M J, KAY W R, EDWARD H D, et al. AusRivAS: Using Macroinvertebrates to Assess Ecological Condition of Rivers in Western Australia[J]. Freshwater Biology, 1999, 41: 269-282.

[23] WRIGHT J F, SUTCLIFFE D W, FURSE M T. Assessing the Biological Quality of Fresh Waters: RIVPACS and Other Techniques[M]. UK: Freshwater Biological Association Ambleside, 2000.

[24] MARCHANT R, HIRST A, NORRIS R H, et al. Classification of Macroinvertebrate Communities Across drainage Basins in Victoria: Consequences of Sampling on a Broad Spatial Scale for Predictive Modelling[J]. Freshwater Biology, 1999, 41(2): 253-268.

[25] MARTIN G．歐盟水框架指令手冊[M]．北京：中國水利水電出版社，2008．

[26] 陰琨，王業耀，許人驥，等．中國流域水環境生物監測體系構成和發展[J]．中國環境監測，2014，30(5)：114-120.

YIN Kun, WANG Yeyao, XU Renji, et al. Constitution and Development of National River Basin Water Environmental Biomonitoring System[J]. Environmental Monitoring in China, 2014, 30(5): 114-120.

[27] BERNET C. Bernet Catch Theme Report: How to dene, Assess and Monitor the Ecological Status of Rivers, Lakes and Coastal Waters. Regional Implementation of the EU Water Framework Directive in the Baltic Sea Catchment[R]. Denmark: BERNET CATCH, 2006.

[28] KOROL R, KOLANEK A. Trends in Water Quality Variations in the Odra River the Day Before Implementation of the Water Framework Directive[J]. Limnologieca, 2005, 35: 151-159.

[29] 劉琰，鄭丙輝．歐盟流域水環境監測與評價及對我國的啟示[J]．中國環境監測，2013，29(4)：162-168.

LIU Yan, ZHENG Binghui. Introduction and Illumination of EU Water Environmental Monitoring and Assessment[J]. Environmental Monitoring in China, 2013, 29(4): 162-168.

[30] HERING D, FELD C K, MOOG O, et al. Cook Book for the Development of a Multimetric Index for Biological Condition of Aquatic Ecosystems: Experiences from the European AQEM and STAR Projects and Related Initiatives[J]. Hydrobiologia, 2006, 566: 311-342.