宜興市蓮花蕩水系整治工程前后生態健康評價

李增輝，曲丹,*，孫德智，李本行

1. 北京市水體污染源控制技術重點實驗室，北京 100083 2. 北京林業大學環境科學與工程學院，北京 100083

太湖是我國重要的淡水湖之一，具有供水、調洪、航運、水產養殖和生態休閑旅游等功能，在我國東部地區社會經濟發展中發揮著舉足輕重的作用[1]。近年來，隨著太湖流域經濟日益發達，鄰近太湖平原水網區的人口密度、人類活動強度等總體較高，致使主要入湖河流水質較差，15條河流的入湖污染物量約占入湖污染物總量的80%，是太湖富營養化的主要原因[2-3]。

蓮花蕩位于江蘇省宜興市丁蜀鎮，與烏溪港連通，匯入太湖，是宜興市9條入太湖河道之一，蓮花蕩、烏溪河合稱為蓮花蕩水系[4]。根據2014年監測結果，蓮花蕩水系水質僅為《地表水環境質量標準》(GB3838—2002)Ⅳ～Ⅴ類標準[5]，未達到江蘇省地表水(環境)功能區劃規定的地表III類的要求。為了改善蓮花蕩水系的水環境質量，削減入太湖污染負荷，2015年初在蓮花蕩水系陸續開展了水環境整治工程[6-7]。為了全面了解蓮花蕩水系的健康狀況，考察蓮花蕩水系整治工程效果，為進一步的生態修復工程提供科學依據，本研究對蓮花蕩水系進行生態健康評價。

20世紀90年代，國際上相繼提出了河流生態健康評價方法，如美國的生物完整性指數(IBI)[8]、岸邊與河道環境細則(RCE)[9]；英國的河流無脊椎動物預測和分類計劃(RIVPACS)[10]；澳大利亞的河流評價計劃(AUSRIVAS)[11]、溪流健康指數(ISC)[12]等。就評價原理而言，生態健康評價方法可分為多指標評價法和預測模型法[13]。由于多指標評價法考慮的表征因子遠多于預測模型法，能夠全面反映河流生態健康狀況，其結果更加客觀，我國的河流生態健康評價大多都采用該方法。唐濤等[14]首次總結了河流生態健康的涵義，提出我國河流健康評價方法的發展方向。王備新[15]采用底棲動物完整性指數(I-IBI)評價了安徽黃山溪流健康狀況。吳阿娜等[16]從河流5個方面出發建立評價指標體系，對上海市的河流進行健康評價。國內學者針對其他不同流域已進行大量生態健康評價方面的研究[17-23]。

本研究結合2015年度蓮花蕩水系監測數據，采用多指標評價法，結合隸屬度思想，從化學完整性和生物完整性兩方面對江蘇省宜興市蓮花蕩水系生態健康狀況進行模糊綜合評價，全面了解蓮花蕩水系實施整治工程前后的生態健康狀況，識別出影響水生態健康的主要因子，為進一步的水環境整治與水生態修復工程提供科學依據。

1 方法與數據(Methods and data)

1.1 研究區域概況

蓮花蕩水系位于江蘇省宜興市丁蜀鎮東部，北緯31°22′～31°25′，東經119°86′～120°90′之間，屬于平原河網，河道比降十分平緩[24]，水域面積約為2 km2。蓮花蕩下接烏溪港，東入太湖，上與分洪河相連，是湖滏山區和丁蜀鎮區行洪下泄的主要通道。水系主河總長5.1 km，年均徑流總量1.736億 m3，全部為宜興本地徑流。共有4條支浜，分別為烏溪河、西渡河、長征河、東橫蕩河，支浜長分別為2.3 km、1.8 km、1.2 km、7.8 km，總長為13.1 km[25]。

1.2 評價方法

1.2.1 建立評價指標體系

1.2.2 確定指標等級標準

本研究將評價等級分為5級，分別為健康、亞健康、輕微病態、病態和嚴重病態(表2)。其中水質指標等級標準的確定參考《地表水環境質量標準》(GB3838—2002)，將Ⅲ類水設為健康，Ⅳ類水設為輕微病態，Ⅴ類標準為嚴重病態，將Ⅲ與Ⅳ水的中間值設為輕微病態、將Ⅳ與Ⅴ類水的中間值設為病態[26]。浮游生物多樣性指標及底棲動物BI指數尚未統一標準，具體劃分參考已報道的研究成果[15,27]。

1.2.3 確定層次結構及指標權重

本研究采用層次分析法確定指標權重，具體步驟如下：1)建立層次結構，以蓮花蕩水系生態健康狀況為目標層，以蓮花蕩水系化學完整性、生物完整性為準則層，以具體評價指標為指標層建立層次結構。2)構造判斷矩陣，邀請相關領域專家進行指標間兩兩重要性的判評，構造判斷矩陣C。運用Matlab計算出判斷矩陣C的最大特征值μmax與特征向量W，歸一化特征向量W=(ω1,ω2,…,ωm)的各個分量ωj，就是對應的各評價因子的權重。3) 一致性檢驗,為了檢驗判斷矩陣的一致性，還要計算出一致性指標CI和隨機一致性比率。CI=(μmax-n)-(n-1)，CR=CI/RI，n為矩陣階數，RI為平均隨機一致性指標，查表可得。當CR<0.10時，認為判斷矩陣具有滿意的一致性，否則就需要對判斷矩陣的元素取值進行調整[28]。

表1 蓮花蕩水系生態健康評價指標體系Table 1 Ecosystem health assessment indicators of Lianhuadang River System

表2 蓮花蕩水系生態健康評價指標等級標準Table 2 The assessment standard for every index of river ecosystem health in Lianhuadang River System

1.2.4 生態健康綜合評價方法

如前所述，本研究指標體系分為3個層次，因此采用二級模糊綜合評價，具體模糊綜合評價方法按以下的步驟進行。

(1)根據評價標準計算各評價指標隸屬度矩陣：

(1)

式中，ri(j-1)為第j-1級健康隸屬度，sij，si(j-1)分別為第i個評價指標j級與j-1級健康等級標準值，ci為實測值。

rij=1-ri(j-1)

(2)

式中，rij為第j級健康隸屬度。

(2)將指標層的權重與隸屬度做模糊運算，分別得到準則層(化學完整性與生物完整性)的隸屬度矩陣：

(3)

式中WCi為指標層權重，Ri為指標層隸屬度矩陣，Bi為準則層隸屬度矩陣，“○”為模糊計算子(·,+)即

(3)將準則層的權重與隸屬度矩陣做模糊運算得到生態健康狀況隸屬度。

(4)

式中WB為準則層權重，S為蓮花蕩水系各健康等級的隸屬度。

圖1 蓮花蕩水系流域位置及采樣點布置圖Fig. 1 Location of Lianhuadang River System and layout of sampling points

表3 蓮花蕩水系監測點布設Table 3 The monitoring spot location of Lianhuadang River System

1.3 數據來源

2 評價結果與討論(Results and discussion)

2.1 蓮花蕩水系生態健康綜合評價

2015年各季度水生態健康評價結果如圖2所示。根據最大隸屬度原則，9個樣點中，第1季度有6個樣點處于嚴重病態，第2季度有7個樣點處于嚴重病態，第3季度所有樣點均處于健康狀態，且平均健康隸屬度為0.585，第4季度有7個樣點處于健康狀態，健康平均隸屬度下降至0.531。總體來看，隨著季節的變化，蓮花蕩水系的生態健康狀況變化明顯。主要是由于2015年6月，蓮花蕩水系開展生態清淤工程，水生生物生境受到暫時性破壞，底泥中污染物向上覆水體釋放，因此二季度多數樣點處于嚴重病態。清淤結束后，內源污染得到有效清除，水質及底質生境逐漸恢復，各樣點生態健康狀況逐漸恢復，并在三季度達到最高值。冬季水溫降低，浮游生物的種類、密度和生物量均有所降低，且冬季降雨較少，水質指標濃度有所提高[29]，因此第4季度平均健康隸屬度從第3季度的0.585降至0.465。

圖2 2015年蓮花蕩水系生態健康狀況Fig. 2 Ecological health status of Lianhuadang River System in 2015

除季節性差異外，蓮花蕩水系生態健康狀況存在空間上的差異性。第1季度，蓮花蕩75%的樣點處于嚴重病態，烏溪港60%的樣點處于嚴重狀態；第2季度，蓮花蕩所有樣點均為嚴重病態，烏溪港40%的樣點處于健康狀態；第3季度，蓮花蕩與烏溪港所有樣點均處于健康狀態，蓮花蕩健康隸屬度為0.504，烏溪港健康隸屬度為0.650；第4季度，蓮花蕩50%樣點處于健康狀態，烏溪港仍然是所有樣點處于健康狀態。總體來說，蓮花蕩生態健康狀況劣于烏溪港，主要原因為蓮花蕩局部區域為湖灣區，水動力不暢，且周邊存在集約化畜禽、水產養殖廠，生態健康狀況受其污染影響較為明顯[6]。

2.2 蓮花蕩水系化學完整性評價

如前所述，蓮花蕩水系的化學完整性主要由水質指標反映。2015年各季度水質健康評價結果如圖3所示，在第一、二季度，蓮花蕩水系水質健康狀況較差，所有樣點均處于嚴重病態。第三、四季度健康狀況明顯改善，9個樣點均處于健康病態。

圖3 2015年蓮花蕩水系水質健康狀況Fig. 3 Water quality health status of Lianhuadang River System in 2015

表4 各水質指標平均值及健康等級Table 4 Average value of water quality indicators and health grade

2.3 蓮花蕩水系生物完整性評價

蓮花蕩水系的生物完整性主要由浮游動(植)物多樣性和底棲動物耐污值反映。蓮花蕩水系共鑒定出浮游植物111種，隸屬7門，硅藻門(Bacillariophyta)出現種類最多，為55種，占總種類數量的50%，藍藻門(Cyanophyta)9種，隱藻門(Cryptophyta)4種，甲藻門(Dinohyta)3種，金藻門(Chrysophyta)3種，裸藻門(Euglenophyta)7種，綠藻門(Chlorophyta)30種；共鑒定出浮游動物33屬53種，其中原生動物(Protozoa)12屬15種，輪蟲(Rotifer)15屬29種，枝角類(Cladocera)1屬4種，橈足類(Copepods)5屬5種。浮游生物多樣性指數評價結果如圖5所示，第2季度浮游生物多樣性明顯降低，其他3個季度Shannon-Wiener指數均在2.5以上，這是由于第2季度正值清淤工程開展階段，水環境平衡狀態遭到干擾，影響了浮游生物生長繁殖；共鑒定出底棲動物20種，其中雙翅目搖蚊科(Chironomidae)9種，寡毛綱顫蚓科(Tubificidae)7種，腹足綱螺科(Hydrobiidae)3種，甲殼綱1種。底棲動物BI指數評價結果如圖6所示，前3季度耐污值均在8以上，處于病態至嚴重病態的健康等級范圍內，只有第4季度耐污值略有下降。并且監測到的20種底棲動物均屬于搖蚊科、顫蚓科、仙女蟲科等耐污能力較強的物種，而未監測到蜉蝣目、襀翅目和毛翅目等不耐污的物種。綜上，蓮花蕩水系浮游生物狀況較為健康，而底棲生物的完整性較差。初步認為底棲動物是影響蓮花蕩水系生物健康的因子。除受到水質污染的影響外，底泥監測結果表明，蓮花蕩水系的表層底泥為高氮磷高有機質類型[30]，底棲生物環境的惡化是底棲生物完整性受到影響的一個重要原因。

圖4 2015年蓮花蕩水系生物健康狀況Fig. 4 Biological health status of Lianhuadang River system in 2015

圖5 浮游生物多樣性評價結果Fig. 5 Assessment results of Plankton biodiversity

圖6 底棲動物BI指數評價結果Fig. 6 Assessment results of benthic animal BI Index

生物完整性評價結果如圖4所示，第一、二季度較差，處于嚴重病態的樣點個數分別為5、7，第2季度比第1季度差的原因是第2季度浮游生物多樣性指數較低；第3季度，健康與嚴重病態的隸屬度均為0.500，這是由于浮游生物等級處于健康等級，而底棲動物處于嚴重病態等級，兩者權重相同，評價結果就會出現這種對立現象；第4季度嚴重病態的樣點個數為3，是蓮花蕩水系生物健康狀況最優的季度，而水質狀態最優時是第3季度，綜合比較4個季度水質與生物健康狀況，發現生物健康狀態改善滯后于水質狀態，水環境是水生物生活的基礎，水質及底泥狀況改善后有助于生物的改善，另外清淤工程嚴重破壞了水生物環境，尤其是底棲動物，恢復需要相對較長，相關研究表明，清淤深度為20 cm時，清淤后60 d底棲生物才開始恢復[31-32]，所以表現出生物健康狀況時間對水質變化反映具有一定的滯后性[33]。

3 結論與建議(Conclusion and suggestions)

本研究運用模糊綜合評價方法，從化學完整性與生物完整性2個方面評價了蓮花蕩水系的生態健康狀況。評價結果表明，蓮花蕩水系生態健康狀況存在時間及空間差異。第1、2季度生態健康狀況較差，分別有66.7%、77.8%的樣點處于嚴重病態；蓮花蕩水系清淤工程開展及周邊集約化畜禽及水產養殖產業整治工程實施后，第3季度全部樣點處于健康狀態，受季節性變化的原因，第4季度蓮花蕩水系健康狀況略有下降。空間上，烏溪港生態健康狀況優于蓮花蕩。影響蓮花蕩水系化學完整性的主要因子為TN、TP。治理工程開展以后，營養鹽濃度明顯下降，TN最大平均濃度由6.4 mg·L-1降至2.74 mg·L-1，且TP已達到地表水Ⅳ類標準，但營養鹽濃度仍然偏高。蓮花蕩水系浮游生物狀況較為健康，而底棲生物的完整性較差，本研究共監測到浮游生物164種，隸屬7門，3個季度平均Shannon-Wiener指數在2.5以上；而底棲動物僅20種，且大都屬于搖蚊科、顫蚓科、仙女蟲科等耐污能力較強的物種，未監測到蜉蝣目、襀翅目和毛翅目等敏感類群物種。

2015年，蓮花蕩水系開展了清淤工程及周邊集約化畜禽及水產養殖產業整改，累計清淤河道長16 526 m，清淤量496 875 m3；拆除16家養殖場，COD、TN、TP累計削減量分別為43 943 t、1 712.56 t、43.79 t[6-7]。評價結果表明整治工程取得了一定效果，但蓮花蕩水系化學完整性與生物完整性仍處于較差狀態，為了進一步改善蓮花蕩水系生態健康狀況，本研究提出以下修復建議：(1)實施農村生活污水的截污及治理工程，根據蓮花蕩水系周邊丁蜀鎮現有市政污水管網及其近(遠)期的規劃市政管網，對臨近管網居民進行納管處理， 對于無法直接納管的自然村污水收集后建立污水處理站進行處理，確保生活污水不直接排入蓮花蕩水系。(2)農業面源的生態攔阻，通過構建生態溝渠、人工濕地等工程，有效實現N/P的攔阻，降低營養物質進入蓮花蕩水系的含量。(3)在有效控源的基礎上，開展生態岸帶及湖濱帶建設，通過構建植被緩沖帶及水生植物群落，進一步實現污染物的攔阻凈化，提升水體自凈效能。實現蓮花蕩水系的短期人為調控到長期自然凈化的過程，全面保障蓮花蕩水系水質及水生態健康，實現入太湖污染負荷的有效削減。