滇池水環境質量綜合評價方法

劉麗萍，趙世民，張 宇，黃麗娟

1.昆明市環境監測中心，云南 昆明 650028 2.昆明綠島環境科技有限公司，云南 昆明 650028

自20世紀80年代初至今，滇池流域水環境及污染源監測均為濃度監測，監測指標主要為《地表水環境質量標準》(GB 3838—2002)中基本項目，評價指標與監測指標基本一致，評價方法主要有水污染指數法(WPI)[1]、富營養指數法[2]和綜合污染指數法(CWQI)[3]等。滇池現有水環境質量評價指標存在重點不突出、關鍵指標選擇不合理、重要指標缺漏、評價標準不科學、評價方法偏微觀和評價體系不合理等問題。要準確反映滇池水環境質量狀況及發展趨勢，有必要進行指標優選，建立科學合理的評價體系，構建符合滇池實際情況的評價標準。

該研究已經篩選出36個評價指標[4]，分別表征滇池水環境質量的物理、化學、生物、營養、重金屬、有機污染等特性，筆者直接引用評價指標篩選研究結果。現行的評價方法基本思路是將監測結果與指標對應標準值進行比較，以污染最嚴重指標對應的水質類型作為水體水質類別，可能掩蓋了其他重要指標的作用，也可能因該指標背景值高等原因，使水環境質量假惡化。筆者將滇池水環境質量放大到生態系統的宏觀角度進行評價，建立滇池生態系統的脅迫和響應機制，能快速、全面、準確、宏觀地反映滇池水環境質量、水生態系統質量，建立滇池水生態系統健康評價標準、評價體系，為宏觀、全面、準確掌握滇池水環境質量提供可靠的方法依據，為滇池流域水環境綜合管理提供堅實的技術支持，也為全國湖泊水環境質量綜合評價提供研究示范。

1 評價體系

1.1 構建評價體系

滇池屬高原缺水性湖泊，近30年來受生活污水、工業廢水和農業面源排水影響，水質不斷惡化、生態功能嚴重退化、富營養化問題十分突出，同時存在重金屬和有機污染潛在風險。經多年治理，滇池城鎮生活污水中污染物的輸入基本得到控制，工業污染和農業面源污染輸入基本穩定，將來的污染治理方向是滇池水體及底質中營養元素和有毒物質的去除。生態健康評價目標包含水環境和沉積物環境，其中水環境評價指標為營養物質、重金屬、生物、有機物、物理指標，沉積物評價指標為重金屬、生物及有機指標。該研究采用層次分析法[5]構建評價體系，詳見圖1。

建立指標篩選和評價體系的最終目的，是建立滇池水環境健康度(EHCI)評價體系，通過比較滇池監測點位的EHCI值，來判斷監測點位健康程度。

圖1 滇池水生態健康評價體系Fig.1 Diagram of water ecological health assessment system of the Dianchi Lake

1.2 準則層、方案層和指標層評價權重確定

對上述評價指標體系進行比較研究，根據優選的表征指標[4]，結合流域水環境狀況信息調查，采用主客觀賦權法相結合的組合權重賦值法[6-7]，專家根據滇池水環境質量影響因素的重要性進行賦值，確定準則層、方案層和指標層的權重。準則層和方案層權重值見表1，水環境指標權重見表2，沉積物環境指標權重見表3。

表1 準則層及方案層權重值Table 1 Weight values of criterion layer and scheme layer

表2 指標層權重值 (水環境質量)Table 2 Weight value of indicator layer (water environment quality)

表3 指標層權重值(沉積物環境質量)Table 3 Weight value of indicator layer (sediment environment quality)

1.3 評價指標權重確定

具體的評價指標權重與濃度、評價標準有關。研究采用主客觀賦權法相結合的組合權重賦值法[6-7]，偏重客觀因素賦權值。指標權重的劃分以《地表水環境質量標準》(GB 3838—2002)為基本判定標準，標準中劃分不明確或沒有的指標，采用國內外研究結果或已發表論文結論。由于多氯聯苯、有機磷、多環芳烴、有機氯農藥和藻毒素等指標目前難以確定評價標準(但這些指標對滇池水生態系統評價很重要)，因此僅列出指標名稱，待進一步研究中補充完善。

指標權重分5級，權重值分別為8、6、4、2、1，以《地表水環境質量標準》(GB 3838—2002)為基礎，優于Ⅰ類水賦值8，介于Ⅰ和Ⅱ類水之間賦值6，介于Ⅱ和Ⅲ類水之間賦值4，介于Ⅲ和Ⅳ類水之間賦值2，介于Ⅳ和Ⅴ類水之間賦值1，劣Ⅴ類賦值0，指標權重分值見表4。

表4 指標權重確定情況一覽表Table 4 List of indicators weight determination

注：“*”表示該數據為生態危害指數；“—”表示無相關數據；ND表示未檢出。

1.4 構建評價標準

美國水環境健康評價[9]設置了參照點，將參照點的相應指標監測結果作為水環境健康評價的標準，將龐雜的系統評價簡化為具體的指標，進而將生態健康標準與理化指標、生物指標等一并列入水環境質量標準中，使生態健康評價標準與理化指標、生物指標標準處于同等地位甚至高于理化指標和生物指標[10-14]的地位。利用參照點建立評價標準的意義還在于因充分考慮到不同水系、生態系統間的差異，所選擇的參照點能代表該水系或生態系統的最優狀態，是評價特定水系和生態系統最完備的標準體系。目前難以找到滇池水環境質量的理想參照點，暫時還不能利用參照點設置具體的評價標準，也不能將健康評價進一步與參照狀態進行直接比較。隨著監測技術不斷更新和滇池水環境質量研究方法的革新等，找到滇池水環境質量的理想參照狀態，或通過模型預測反推等方式模擬出滇池水環境質量參照狀態后，就可以參照美國水環境健康評價方法，建立滇池生態質量評價標準，利用監測值與參照狀態值的比值(即生態質量比值)，評價滇池水環境質量好壞，評價簡單，結果明了。

研究采用評價指標權重經評價體系計算結果作為評價標準，即將準則層、方案層、指標層權重及指標層具體指標權重輸入評價體系，即可得到對應的評價標準，分別代表水生態系統的健康程度，并用不同的顏色表征不同生態系統健康狀況，以便在圖上直觀表述評價結果：用藍色表征理想狀態，綠色表征健康狀態，黃色表征亞健康狀態，橙色表征不健康狀態，紅色表征病態。評價體系可以融入建設中的滇池流域水環境綜合管理平臺，在平臺上可以直接顯示滇池水環境健康狀態。

2 結果與討論

2.1 評價結果

將滇池23個監測點(網格布點法布點)監測數據(2011年1月)輸入評價系統，計算結果表明，23個監測點EHCI值均低于45，屬亞健康或不健康狀態，其中不健康狀態監測點占82.6%，亞健康狀態占17.4%，此結論與滇池屬中、重度富營養化狀態情況相符。處于亞健康狀態的4個監測點分別為3#、13#、16#和白魚口監測點。3#位于外海最北端，因草海與外海不連通，受外界排污影響相對小，該點位水生態環境屬亞健康狀態，與實際相符合；13#(呈貢附近)、16#(白魚口附近)點位位于滇池東部、東南部，人口密度相對較小，入湖河流少且水質相對較好，水生態環境質量也相對較好，因此13#、16#點位EHCI值與其生態環境質量現狀相符；白魚口監測點位于滇池西部，因附近人口相對較少，地形較陡峭，農業生產條件相對較差，生活污水、農業面源污染相對較輕，因此，白魚口監測點處于亞健康狀態符合實際情況。

滇池草海EHCI數值較低，其中斷橋結果最低，與草海屬重度富營養狀態情況相符；從各監測點EHCI數據差異來看，滇池外海東岸自北向南，EHCI值較低，外海中部和西部指數值相對較高，與滇池東岸受昆明城區排污影響較大情況相符，其中18#和海口監測斷面以南，EHCI值減少，與海口西設有工業、生活排污口情況相符。因此，研究采用的健康指數評價法能客觀、真實地反映滇池水環境質量狀況。

2.2 結果驗證

為驗證評價體系的合理性，將滇池監測點位的EHCI值與現行水污染指數法(WPI)、綜合污染指數法(CWQI)和富營養指數法進行比較。WPI、CWQI和富營養指數法屬越小越好型指標，EHCI屬越大越好型指標。

選擇斷橋、草海中心、白魚口和觀音山中監測點監測結果進行結果驗證。斷橋和草海中心監測點處于污染較重的草海，2011年以來各種工程措施相繼上馬，對草海水環境質量影響較大，作為草海驗證點位更有說服力；白魚口監測點位于滇池外海西部，受生活、農業、工業污染源影響小，屬水文情勢變化相對較小區域；觀音山中監測點位于滇池外海中部，水文情勢相對穩定，位于2013年后牛欄江調水工程影響范圍內，因此選擇白魚口和觀音山中作為外海驗證點位，較有代表性。將2011—2017年4個驗證點位數據輸入健康度評價體系，計算的EHCI值與現有評價結論進行比較驗證(圖2～圖5)。

圖2 斷橋監測點不同水環境質量評價方法評價結果比較Fig.2 Comparison diagram of evaluation results of different water environment quality assessment methods at Duanqiao monitoring site

圖3 草海中心監測點不同水環境質量評價方法評價結果比較Fig.3 Comparison diagram of evaluation results of different water environment quality assessment methods at Caohai Center monitoring site

圖4 白魚口監測點不同水環境質量評價方法評價結果比較Fig.4 Comparison of evaluation results of different water environment quality assessment methods at Baiyukou monitoring site

圖5 觀音山中監測點不同水環境質量評價方法評價結果比較Fig.5 Comparison of evaluation results of different water environment quality assessment methods at Guanyinshan East monitoring site

斷橋監測點EHCI值與WPI、CWQI、富營養指數變化趨勢基本一致，采用SPSS軟件計算4個評價方法相關性，WPI、CWQI和富營養指數Pearson相關性為顯著相關(置信度0.05，雙側)；EHCI與WPI和富營養指數Pearson相關系數為-0.700、-0.753；EHCI與CWQI Pearson相關系數為-0.532。相比之下，EHCI與WPI、富營養指數Pearson相關性更好。

2013年以后草海治理措施不斷上馬，措施效果不斷鞏固，2015年斷橋監測點透明度明顯增加，酸堿度明顯降低，藍藻暴發明顯緩解，排入草海碳、氮、磷量明顯減少，水質明顯好轉，但是斷橋底棲、浮游生物種類單一，且斷橋監測點受昆明城市污水處理廠排水影響較大，水質與污水廠處理效果和排污量密切相關，斷橋底質中重金屬和有機污染較嚴重，WPI、CWQI和富營養指數僅表征了斷橋水環境質量的變化，沒有反映斷橋底質中重金屬和有機污染較嚴重情況，也沒有將浮游生物、底棲等表征草海生態系統變化的指標納入評價體系，只有EHCI綜合了斷橋監測點水環境和沉積物評價指標。2011—2017年，斷橋現有的3種評價方法與EHCI法評價趨勢一致，但Pearson相關性相對較差，主要原因是斷橋底質中重金屬污染嚴重，水環境、底質環境生物多樣性較差因素在EHCI中有考量。隨著草海治理工作的推進、草海底質中營養元素及有毒物質的不斷去除以及草海生態系統不斷改善，EHCI評價法的優勢更加凸顯，能真實反映草海經過治理，斷橋水環境質量及其生態系統的真實變化。因此EHCI法評價結果更全面、更客觀。

草海中心監測點EHCI與WPI、CWQI、富營養指數變化趨勢基本一致，采用SPSS軟件計算4個評價方法相關性，富營養指數與WPI、CWQI Pearson相關性為顯著相關(置信度0.05，雙側)；WPI與CWQI評價方法Pearson相關性為顯著相關(置信度0.10，雙側)；EHCI與WPI、富營養指數Pearson相關系數為-0.660、-0.677，與CWQI Pearson相關系數為-0.522。相比之下，EHCI與WPI、富營養指數Pearson相關性更好。

草海中心監測點位于草海中部，水環境相對斷橋更穩定，受污水廠排水影響相對不明顯，7年間4種評價方法計算結果變化趨勢平穩,與草海治理措施效果初現相符合。2015年以后，草海藍藻暴發情況有所好轉，氮、磷等濃度穩中有降，透明度等物理指標逐漸好轉，但是底棲、浮游生物種群單一；草海中心監測點底質中重金屬、有機污染仍然較嚴重，因此EHCI的變化不明顯。2011—2017年，草海中心現有的3種評價方法與EHCI法評價趨勢一致，但Pearson相關性相對較差，主要原因是草海中心底質中重金屬污染嚴重，水環境、底質環境生物多樣性較差因素在EHCI法中有考量。隨著草海治理工作的推進、草海底質中營養元素及有毒物質的不斷去除和草海生態系統不斷改善，EHCI評價法的優勢更加凸顯。因此EHCI法評價結果更全面、更客觀。

白魚口監測點EHCI值與WPI、CWQI、富營養指數變化趨勢基本一致，采用SPSS軟件計算4個評價方法相關性，富營養指數、WPI、CWQI Pearson相關性為顯著相關(置信度0.05，雙側)；EHCI與CWQI評價方法Pearson相關性為顯著相關(置信度0.10，雙側)；EHCI與富營養指數Pearson相關性顯著相關(置信度0.05，雙側)；EHCI與CWQI Pearson相關性為顯著相關(置信度0.10，雙側)。EHCI與WPI Pearson相關系數為-0.749。

白魚口位于滇池外海西部，受生活、農業、工業污染影響小，為外海水環境質量相對較好區域。白魚口監測點水環境質量相對穩定，底質中有機物、重金屬等污染程度相對較輕，因此，EHCI、WPI、CWQI和富營養指數法評價結果基本一致，評價結果相關性顯著。隨著外海治理措施效果不斷顯現，白魚口水環境、沉積物環境質量不斷改善，EHCI評價法的優點也將隨之凸顯。

觀音山中監測點EHCI與WPI、CWQI、富營養指數變化趨勢基本一致，采用SPSS軟件計算4個評價方法相關性，富營養指數與WPI Pearson相關性為顯著相關(置信度0.05，雙側)；EHCI、富營養指數和CWQI評價方法Pearson相關性為顯著相關(置信度0.10，雙側)；EHCI與WPI Pearson相關性為顯著相關(置信度0.05，雙側)。

2013年后，滇池外海啟動牛欄江調水工程，經大量清潔水補充和置換后，滇池外海水生態環境逐步好轉，生物多樣性呈增加趨勢。觀音山中處于牛欄江調水工程影響范圍內，2013年后，EHCI值增加趨勢明顯，也證明生物多樣性變化對EHCI指標貢獻較大，客觀反映了滇池外海水環境質量的變化。隨著外海治理效果不斷顯現，觀音山中水環境和沉積物環境質量不斷改善，特別是生物多樣性繼續改善，EHCI評價法的優點也將明顯顯現。

綜上所述，2011—2017年，EHCI評價結果與現有評價方法評價結果變化趨勢基本相符。水環境相對穩定區域(如白魚口、觀音山中)，EHCI與WPI、CWQI、富營養指數Pearson相關性顯著，2013年后，牛欄江調水外海，觀音山中生物多樣性增加，EHCI指數增加顯著；水環境受外界影響較大區域(如斷橋、草海中心區域)，WPI、CWQI、富營養指數Pearson相關性顯著，與EHCI Pearson相關性不顯著，與斷橋和草海中心底質重金屬、有機污染嚴重，生物多樣性較差有關。EHCI綜合了水環境質量和沉積物環境質量，因此評價結果更全面、更客觀，說明優選的評價指標及建立的評價體系能滿足滇池水環境綜合評價要求。隨著滇池治理效果不斷顯現，滇池沉積物環境質量持續改善，生物多樣性增加，EHCI評價法的優勢也將逐步凸顯。

3 結論

研究根據滇池污染特點，將美國河湖健康評價體系與重金屬指標、有機指標相結合，形成新的河湖健康評價體系。評價遵循方法科學、可行、有代表性和與國際先進水平接軌原則，充分借鑒國內外研究成果，將滇池水環境綜合評價方法從單一因子評價提升到多因子評價，從常規營養度指數、CWQI、WPI等微觀評價上升到滇池水生態健康評價宏觀高度，用層次分析法(AHP)建立了一套完整的評價方法體系。

該評價體系將滇池水生態系統質量定為目標層，將滇池水環境質量和沉積物質量定為準則層，將方案層評價指標劃分為水環境指標(物理指標、營養指標、生物指標、重金屬指標、有機指標)和沉積物指標(營養指標、生物指標、重金屬指標、有機指標)，指標層為篩選出的具體指標。評價體系直觀、明了地反映了滇池水生態系統特點。綜合考慮了滇池水環境和沉積物環境對滇池水環境質量的影響，評價結論更全面、可信。

經EHCI計算驗證，EHCI評價結果與滇池污染現狀較好相符，與現有綜合評價方法評價結果變化趨勢基本相符，能很好地響應生物多樣性變化。EHCI綜合了水環境質量和沉積物環境質量，因此評價結果更全面、更客觀。優選的評價指標及體系能滿足滇池水環境質量綜合評價要求。未來滇池的污染治理方向是水體及底質中營養元素和有毒物質的去除，現有評價方法沒有將底質納入評價，因此EHCI評價法能更好地服務未來滇池的治理工作。