大汶河流域水生態系統健康評價研究

溫家華 徐征和 武瑋 祁澤慧

摘要：以大汶河流域為研究對象，基于2016年10月流域水生態調查數據，采用綜合污染指數法、魚類完整性指數法、層次分析法分別對水質、魚類、河岸帶進行健康評價，并在此基礎上采用層次分析法對大汶河流域水生態系統進行綜合評價。結果表明：大汶河流域水生態系統健康狀況整體較差，較差和極差狀態的點位分別占總采樣點的500%和417%，健康等級為一般的采樣點位僅占83%。從不同評價內容來看，該流域水質狀況較差，其中大汶河南支、瀛汶河南段和匯河支流水質最差，為劣Ⅴ類水；在魚類完整性評價中，24個采樣點中1個采樣點為健康，10個采樣點為亞健康，13個采樣點為一般，分別占總點位數的42%、426%和532%，沒有較差和極差的采樣點；河岸帶生境狀況評價結果整體較好，未出現河岸帶生境較差的采樣點。

關鍵詞：大汶河流域；水生態系統；水質；魚類；河岸帶

中圖分類號：X826文獻標志碼：A文章編號：16721683（2018）03011807

Study on water ecosystem evaluation in Dawen River Basin

WEN Jiahua，XU Zhenghe，WU Wei，QI Zehui

（School of Water Conservancy and Environmental Science，University of Jinan，Jinan 250022，China）

Abstract：In this paper，we investigated the water quality，fish，and riparian zone in Dawen River Basin in October 2016 using comprehensive contamination index method，index of biotic integrity for fish，and analytic hierarchy process in order to assess the river ecosystem health in the basin.The results indicated that the health status of the water ecosystem in Dawen River Basin was generally poor.The poor and very poor sites respectively accounted for 50% and 417% of the total sampling points，and the sampling points with medium health level only accounted for 83%.The water quality was the worst in the south tributary of Dawen River，the southern section of Yingwen River，and the tributaries of Hui River，belonging to the Class V bad water.In the evaluation of fish integrity，the results showed that 1 site was healthy，10 sites were subhealthy，and 13 sites were medium，which respectively accounted for 42%，426%，and 532% of the total sampling points.The riparian zone evaluation showed generally good results.

Key words：Dawen River Basin；water ecosystem；water quality；fish；riparian zone

近年來，隨著各地工業化、城鎮化進程的不斷加快，人類對河流水生態系統資源進行了掠奪式開發利用[1]，導致水生態系統受到了巨大的損害，主要表現為水文特征變化、水質惡化、生物多樣性退化等問題，目前生態系統健康評價和研究工作已成為當前研究的熱點問題[23]。從內容來看，水生態系統健康評價包括水質、水生生物、河岸邊帶、水文特征等幾個方面[47]。我國河流水生態健康評價起步較晚，目前有關水質評價方面的研究較多，但單純的水質評價結果較為單一，而生物完整性指標能夠反映多種生態脅迫對水環境造成的累積效應，可作為反映河流健康狀況的主要指標[8]。Karr[9]提出的基于魚類的生物完整性指數（index of biotic integrity，IBI）是生物學評價法的典型代表。與此同時，河岸帶作為水域與陸地交叉植被地帶其健康狀況也受到重視[10]，夏繼紅等[11]認為影響河岸帶生態系統的眾多因素具有明顯的層次性，并從定性的角度分析研究影響河岸帶的因素，建立河岸帶生態系統綜合評價指標體系。近年來，人們開始綜合使用河流水質、生物學和物理棲息地的參數，進一步發展出綜合評價法對河流健康進行評估。本文從水質、水生魚類和河岸帶三個方面分別對流域的水生態健康進行評價，并以此為基礎構建目標層、準則層和指標層三級組成的流域綜合評價體系，并采用層次分析法進行水生態系統綜合評價，能夠更加全面準確地指示河流水生態系統的健康狀況[12]，以期為大汶河流域水資源的保護和可持續利用提供參考依據，并為保護和恢復流域生態系統健康提供理論支持。

第16卷 總第96期·南水北調與水利科技·2018年6月溫家華等·大汶河流域水生態系統健康評價研究1研究區概況與采樣方法

1.1大汶河流域概況

大汶河又稱汶水，屬黃河流域，干流發源于泰萊山區，迂回西流，匯泰山、蒙山山脈支流諸水，于東平縣馬口注入東平湖，由東平湖清河門出湖閘泄入黃河。流域全長208 km，流域面積達9 069 km2。大汶河流域多年平均氣溫為12～14 ℃，流域內雨量豐沛，但降水相對集中于夏季，多年平均降水量為7279 mm。各季降水量相差懸殊，其中汛期6月-9月降水量5298 mm[13]，占全年降水量的73%，具有春旱、夏澇、晚秋又旱的特點。

大汶河水資源主要來源于大氣降水，由于大氣降水年際間、年內變化大，因而水資源量也有同樣的特點。隨著經濟社會的發展及城市化進程的加快，大汶河流域水資源短缺的問題日漸凸顯[14]，且流域內排污量較大，污染物質嚴重超標，河水中主要的污染物為BOD5、懸浮物、COD、石油類等有機物[15]，使得河道內魚類等水生生物銳減[16]，大汶河流域生態健康面臨嚴重的威脅。

1.2采樣方法

本研究于2016年10月對大汶河流域進行了水生態調查采樣，采樣點位共有24個，在主要支流匯入干流前后分別設置采樣點，以全面監測不同河流的水生態情況。采用GPS（MAGELLAN explorist200）現場測定采樣點的經緯度和海拔高度，點位分布見圖1，其中大汶河南支點位5個，瀛汶河點位4個，匯河點位3個，大汶河干流點位12個。

1.2.1水樣采集

采樣點選在流速平均的位置處，避開有聚集懸浮物、油脂等影響因素的地方?？紤]完成所有項目的分析需要，每個采樣點采集水樣5 L。為了保證檢測結果的準確性，水樣在0～4 ℃保溫箱中避光冷藏保存，并于24 h內帶回實驗室進行檢測。

1.2.2生物采集

充分考慮魚類樣品的代表性和技術操作上的可行性，選擇電魚器和刺網作為魚類采樣的方法，每個點上針對不同生境進行采樣，包括急流區域、緩流區域、不同底質、水草叢生地等。電魚器用于可涉水水域；不可涉水水域采用刺網和電魚器結合使用的方式，采樣的范圍為采樣點上、下游各300 m水域，采樣時間為30 min。

魚類采集后現場進行鑒定，魚類的鑒定主要參考《中國動物志：硬骨魚綱，鯉形目（中卷）》[17]，對流域內所有捕獲長度超過20 mm的魚類鑒定到種或亞種，同時觀察判斷是否有個體存在形體異常，如畸形、病變、腫瘤、鰭條侵蝕等；記錄捕獲的魚類體長、體重、個體數量以及健康狀況后放生；對于不能現場鑒定物種的魚類，采用5%的甲醛固定后帶回實驗室鑒別物種。

2研究方法

2.1水質綜合污染指數法

本次水質評價采用水質綜合污染指數法[18]，是當前我國環保部門普遍采用的水質評價方法，在此不做詳細介紹。

2.2魚類完整性指標體系

2.2.1參照點位的選擇

本研究參考相關文獻[19]選擇參照點與受損點，同時參考各樣點棲息地調查得分和該地區的魚類物種豐富度及漁獲量最終篩選出了w10、w12、w13、w19、w21、w23、w25、w26共計8個點位為參考點，其余16個點位為受損點。

2.2.2FIBI指標體系的構建

結合本次調查魚類的實際情況，從5個方面進行評價體系構建，選取了對環境變化較為敏感的15個指標為候選指標見表1，然后對此15個候選指標進行分布范圍、判別能力和相關性分析的篩選[20]。

所占比例營養方式反應生物耐污能力小生境質量魚類總分類單元數下降總漁獲量下降鳑鮍亞科下降鮈亞科上升鯉亞科上升鰍科下降鰕虎魚科下降經濟魚類下降肉食性魚類百分比下降植食性魚類百分比下降雜食性魚類的百分比上升耐污物種百分比上升底層魚類百分比上升冷水魚百分比無有護卵行為魚類數量上升應用箱線圖法[21]分析上述15個篩選指標后，給各指標賦予不同值。結果表明，魚類總分類單元數、總漁貨量、鯉亞科種類百分比、雜食性魚類百分比以及耐污物種百分比的IQ都大于或等于2，因此以上5個指標可以用于構建FIBI體系。然后進行Pearson相關分析[22]，以r的絕對值>09表示2個參數間高度相關。經檢驗，這5個生物指標中，雜食性魚類百分比與耐污物種百分比呈高度相關，其他4個生物指標間呈非高度相關，見表2。故經過相關性篩選，去掉雜食性魚類百分比指標，最終獲得4個指標。

百分比魚類總分類單元數1總漁獲量0.3871鯉亞科-0.2000.6161雜食性魚類百分比0.2400.4220.4881耐污物種百分比0.4260.3300.5240.99612.2.3FIBI指標的計算及評價標準

本文采用1，3，5賦值法[23]對大汶河流域魚類完整性的各個指標進行評分，見表3。以參照點位IBI值分布的25%分位數作為健康評價的標準，如果站點的IBI分值大于25%分位數值，則表示該站點受到的干擾很小，是健康的；對小于25%分位數值的分布范圍，進行4等分，分別代表不同的健康程度。將各指標的IBI分值進行加和，得到IBI的指數值，劃分出健康、亞健康、一般、較差、極差5個等級，劃分標準見表4。

等級健康亞健康一般較差極差IBI值20～1817～1514～1110～76～42.3層次分析法

層次分析法[24]的主要步驟如下。

（1）以河岸帶生境健康作為目標層，河岸帶評價方面的相關指標主要從影響河岸帶結構穩定性、功能完整性、健康性等因素考慮[25]，結合采樣點調查選取河流健康狀況、岸坡穩定性和岸邊植被情況三個方面選取指標分別作為準則層和指標層，見表5。

（2）構造判斷矩陣，判斷指標相對權重。對同一層次的各個元素關于上一層次中的某一準則的重要性進行兩兩比較，構造判斷矩陣P。

（3）計算一致性指標CI。由P矩陣可以先求出

比例（%）>75>50～7525～50<25植被覆蓋度（%）>85>55～8525～55<25遮陰率（%）>60>30～6010～30<10其最大特征值，然后再由最大特征值求出其所對應的單位特征向量。所求的單位特征向量的各個分量就是各個評價因素的重要性排序，也就是權數分配。

CI=λmaxn-1 （1）

式中：λmax為判斷矩陣的最大特征值。

（4）一致性比率CR檢驗。上面得到的單位特征向量即為所求權向量，但權數的分配是否合理還需要對判斷矩陣進行一致性檢驗，使用公式：

CR=CIRI （2）

其中，RI為判斷矩陣的平均隨機一致性指標，當CR<010時，說明各指標權重的分配是合理的，否則需要進一步調整判斷矩陣。

（5）確定相應的權重。利用綜合函數公式，便可得出因素集的評判集。綜合函數公式為：

Dis=WisoRis （3）

式中：s表示第s個因素集；i表示第s個因素集的i目標層；“o”為合成算子。

3結果與討論

3.1水質評價

在計算水質綜合污染指數的時候要充分考慮大汶河地區的地表水污染特點，選取具有代表性的污染物，將水樣檢測結果與《地表水環境質量標準》GB 3838-2002比較，檢測指標中，變化較大且對水質有較明顯影響的指標有溶解氧含量、高錳酸鹽指數（CODMn）、氨氮（NH3N）、總磷（TP）和總氮（TN）。依照綜合污染指數法的計算方法得到各檢測斷面污染程度見圖2。

由綜合評價的結果得出，大汶河采樣點的綜合污染指數都大于07，W15最高達到73，屬于嚴重污染水質。其中24個采樣點中8個點的水質為Ⅳ類水，7個點的水質為Ⅴ類水，9個點的水質為劣Ⅴ類水。大汶河流域水質整體水平較差，其中大汶河南支、瀛汶河南段和匯河支流水質最差，屬于嚴重水污染，主要超標污染物為總氮、總磷和氨氮。主要原因是肥城的工農業及生活污水主要排入大汶河下游的匯河，萊蕪市萊城區和泰安市岱岳區的污水主要排入大汶河的支流瀛汶河，新泰市的污水主要排入大汶河南支。

3.2魚類完整性評價

3.2.1魚類組成

通過調查，大汶河流域共鑒定出魚類18種，隸屬于3目13科，總樣本量為2 581尾，其中，鯉亞科、鲌亞科、花鰍亞科、鰟鲏亞科和鮈亞科4科魚類最多，共10種，占魚類物種總數的56%；其他8科各有1種，占44%，是大汶河流域魚類群落結構的主要組成。其中瀛汶河支流段魚類10種，大汶河南支流魚類14種，匯河支流魚類9種。

3.2.2FIBI評價結果

根據大汶河流域的健康評價標準，對全流域樣點進行健康評價，所得該流域FIBI指數魚類健康狀況分布見圖3。

在大汶河流域24個點位中1個為健康，10個為亞健康，13個為一般，分別占總點位數的42%、426%和532%，沒有較差和極差。大汶河源頭處和中下游魚類健康狀況大都為亞健康，中游段為一般狀態；瀛汶河段各采樣點基本為一般狀態；大汶河南支段大部分為亞健康狀態；匯河段主要為一般狀態。其原因主要是大汶河河道沿岸的造紙、化工等工廠向大汶河排放污水，魚類組成發生了顯著變化。有一些關于魚類完整性與廢水排放關系影響當地魚類的生存環境的研究，表明FIBI值較低與城市廢水排放情況緊密相關[26]。

3.3河岸帶評價

通過層次分析法將河岸帶調查數據進行分析計算，將最終得到的目標層綜合評價結果值按照評價等級表6確定各點的評價結果。所得大汶河流域河岸帶生境狀況空間分布見圖4。

4大汶河流域水生態系統綜合評價

依據對水質、魚類和河岸帶的健康評價，選取可以表征大汶河流域水環境質量、魚類生物質量和河岸生境質量的12個指標作為大汶河生態系統健康的綜合評價指標。其中，反映水環境質量的指標有5個，包括高錳酸鹽指數、五日生化需氧量、化學需氧量、氨氮、總磷和總氮，評價分級標準參考《地表水環境質量標準》GB 3838-2002確定；反映生物質量的指標4個：魚類總分類單元數、總漁獲量、鯉亞科種類百分比、耐污物種百分比，評價分級標準參考上述生物指標的賦分標準。反映河岸帶生境質量的指標3個，包括河流健康狀況、岸坡穩定性、河岸帶植被條件，評價分級標準參考河岸帶生境評價等級表6。對以上12個指標運用層次分析法，按照特征和評判能力進行分級，構建出遞階層次的綜合評價指標體系，見表7。

運用層次分析法計算指標的權重值，準則層三個方面對生態系統健康狀況有不同影響力。水環境質量影響力最大為0637，生物質量和河岸生境質量權重值分別為0258和0105。河岸帶屬于研究區的水體邊緣，其變化在一段時間內較小，所以對環境變化的反應敏感度較低。水環境的指標層權重選擇流域24采樣點的權重平均值，魚類生物質量指標層權重在生物完整性指數法中，將其看做權重均等，故在此為025，河岸生境質量的權重值采用河岸帶評價中的權重劃分方法。最終得到大汶河流域生態系統整體綜合評價結果，見圖5。

大汶河流域水生態系統健康狀況整體處于以較差和極差狀態，分別占總采樣點的500%和417%，只有兩個采樣點的健康等級為一般狀態，占總采樣點的83%。河岸生境質量等級普遍比其他兩項好，魚類生物質量等級稍差，但由于準則層的權重比重分配，水環境質量比重超過另兩項比重之和，故大汶河流域健康狀況要更接近水環境質量等級標準。從流域范圍來看，大汶河干流上與瀛汶河交匯處w10、w11、w12采樣點、匯河交匯處w25采樣點健康狀況最差為極差狀態，中游末段w21、w23采樣點處健康狀況最優為一般狀態。瀛汶河段整體表現為極差狀態。大汶河南支中段w15、w17采樣點健康狀況較差為極差狀態，其他三點為較差狀態。匯河段康王河支流w29采樣點健康狀況為極差狀態，其余兩點處為較差狀態。

5結論

本文以大汶河流域為研究對象，基于2016年10月流域水生態調查數據，采用綜合污染指數法、生物完整性指數、層次分析法分別對水質、魚類和河岸帶生境進行評價，同時構建大汶河流域水生態系統綜合評價指標體系，采用層次分析法綜合評價大汶河流域水生態系統健康狀況。主要得出以下結論。

（1）應用綜合污染指數法對水質進行分析，發現大汶河流域水質整體水平較差，其中大汶河南支、瀛汶河南段和匯河支流水質最差，屬于嚴重水污染，主要超標污染物為總氮、總磷和氨氮。

（2）應用FIBI指數法評價水生魚類的健康狀況，發現大汶河源頭處和中下游魚類健康狀況大都為亞健康，中游段為一般狀態；瀛汶河段各采樣點基本為一般狀態；大汶河南支段大部分為亞健康狀態；匯河段主要為一般狀態。

（3） 河岸帶植被緩沖帶應用層次分析法評價，得到大汶河流域總體評價結果良好的結論，河岸帶狀況整體較好，不存在河岸帶生境較差的采樣點。

（4） 應用層次分析法對水生態系統健康進行綜合評價，以水質、魚類和河岸帶生境作為目標層，分別構建三層指標體系，結果顯示大汶河流域內健康狀況整體較差，主要以較差和極差狀態為主，分別占總采樣點的500%和417%，僅有83%的采樣點的健康等級為一般狀態。

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