基于水環境監測的河流健康評估單元劃分方法及其應用研究

劉聚濤,溫春云,胡 芳,樓 倩,楊 平,戴國飛,王法磊

江西省水利科學研究院,江西省鄱陽湖水資源與環境重點實驗室,江西 南昌 330029

明確河流健康狀態是開展河流水生態系統保護與管理的重要基礎。 河流水生態系統主要由水生生物群落與水環境共同組成,并且其結構和功能存在空間分異現象[1]。 其中,水環境因子是影響水生生物組成、生物量及多樣性的重要因素[2-3],水環境因子的變化直接影響著河流健康狀態。

河流健康評估單元劃分是開展河流健康評估和生態系統保護的重要基礎,可以揭示河流生態系統健康狀況的空間特征差異,為水生態健康評估及保護措施的制定提供科學依據[2]。 目前,河流健康評估單元多集中于區域或流域尺度[4],通常以監測點為基礎,結合上中下游河段、區域或流域,開展監測點-上中下游河段[5-7]、監測點-區域[7]、監測點-流域[8-10]、流域[11-12]等評估單元的河流健康狀態評估研究。 其中,以流域為評估單元的研究多基于流域數字高程模型,采用ArcGIS軟件中的水文分析模塊進行小流域劃分并作為評估單元[13];少量研究依托河流水文和水環境監測點的分布情況,對河流進行上中下游定性分段,作為健康評估單元。 由于河流水生態系統具有連續性,依托地理、水文特征和行政單元劃分的健康評估單元忽略了監測點的代表性和河流水環境與生態系統的連續性,具有一定的局限性。 因此,有必要以水環境監測數據為依托,科學劃分河流健康評估單元,使河流健康評估單元內的水生態環境具有一致性和連續性,不同評估單元之間具有空間差異性,同時為進一步明確不同評估單元在河流健康評估中的權重提供量化依據。

撫河是鄱陽湖水系第二大河流。 為改善流域水生態環境,以撫河全流域為單元,先后實施了水資源保護工程、污染治理工程、水土保持工程、生態保護和修復工程、環境監測平臺建設工程等流域生態保護與綜合治理項目,產生了顯著的生態和環境效益。 本文以撫河為研究對象,基于水環境監測點的布局及其優化方法,科學布設河流水環境監測點,結合水環境監測數據,甄別河流健康評估單元劃分指標,構建河流健康評估單元劃分方法,科學劃定河流健康評估單元,并量化各評估單元所占比重,以期為撫河健康評估、生態保護與綜合管理提供參考。

1 區域概況

撫河(圖1) 位于江西省東部(26°30′N—28°50′N, 115° 35′ E—117° 09′ E), 主 河 道 長348 km,流域面積15 717 km2。 其中,源頭至南城為上游,長約158 km,河寬200 ～400 m;南城至臨水匯合口為中游,長約77.4 km,河寬400 ～600 m;臨川以下為下游,河寬400 ～1 000 m。 此外,以李家渡水文站為撫河控制站點。

圖1 撫河概化及水環境監測點布設Fig.1 Generalization and layout of water environmental monitoring points of Fuhe River

2 材料與方法

2.1 監測點布設方法

撫河水環境監測點初始布設情況如圖1 所示。 結合上中下游、干支流、重大水利工程和城市節點分布特征,采用網格法對撫河水環境監測點進行布設。 其中,干流以10 km×10 km 格網為基礎,每個網格布設1 個監測點;支流以20 km×20 km 格網為基礎,每兩個網格布設1 個監測點。

2.2 水環境監測指標與方法

本研究分別于2017 年8 月(豐水期)、2017年12 月(枯水期)和2018 年5 月(平水期)開展野外取樣和室內檢測分析,檢測指標包括總氮(TN)、總磷(TP)、氨氮(NH3-N)、高錳酸鹽指數(CODMn)、五日生化需氧量(BOD5)和葉綠素a(Chl-a)等6 項,檢測方法參考《地表水和污水監測技術規范》(HJ/T 91—2002)[14]。

2.3 監測點分類及布局優化方法

1) 監 測 點 分 類 方 法。 以 水 環 境TN、TP、NH3-N、CODMn、BOD5和Chl-a 等6 項指標在豐水期、平水期、枯水期的平均值為樣本,采用SPSS 16.0 統計軟件中的樣本聚類分析方法對監測點進行初始分類。

2)監測點布局優化方法。 在初始分類中,選擇與各類樣本平均值擬合程度最高的點作為優化布局點。 不同類別的監測點中,統籌考慮監測點的空間布局確定優化布局點。

2.4 健康評估單元劃分指標確定方法

以水環境監測指標為基礎,結合監測點的分類結果,采用Pearson 相關系數分析水環境監測指標之間及其與監測點分類結果之間的相關關系,選擇具有顯著相關性的指標作為關鍵指標。在此基礎上,選擇與監測點分類結果相關系數最大且相關水平最為顯著的指標,作為河流健康評估單元劃分的分區指標(圖2)。

圖2 河流健康評估分區指標篩選概念圖Fig.2 Conceptual map for screening division index of river health assessment

2.5 河流健康評估單元劃分方法

1)評估單元劃分標準的確定方法。 假設因子I 共m 個監測數據,分為n 類,Si表示第i 類監測數據。 各類別的最大值和最小值采用取整計算(INT 為取整函數), 則第 i 類的最大值為INT(Si,max)+1,最小值為INT(Si,min)。 計算第j類和第j+1 類的劃分標準時,分別計算第j 類的最大值Sj,max和第j+1 類的最小值Sj+1,min,然后進行取整,取[INT(Sj,max)+1]+INT({INT(Sj+1,min)-[INT(Sj,max)+1]}/2)作為第j 類和第j+1 類的劃分標 準。 第1 類的 INT (S1,min) 和 第 n 類 的INT(Sn,max)+1 按照實際指標值進行劃分。

2)評估單元劃分原則。 ①每個評估單元必須包含至少1 個監測點;②支流以匯入干流的節點為控制點劃分評估單元;③源頭區按照空間分區邊界進行劃分;④將具有差異的監測點劃分為不同的評估單元。

3)評估單元劃分方法。 采用ArcGIS 10.2 軟件對分區指標進行空間插值,以標準值為邊界,結合河流形態和空間插值范圍,綜合劃分河流健康評估單元。

3 結果與分析

3.1 水環境監測點布局優化分析

根據水環境監測點分類方法,對撫河水環境監測點進行聚類分析,結果如表1 所示。 表1 顯示,撫河水環境監測點共分為7 類。 其中,第一類包含13 個監測點,第二類包含11 個監測點,第三類包含8 個監測點,第四類包含4 個監測點,第五類包含2 個監測點,第六類和第七類各包含1 個監測點。

根據水環境監測點布局優化方法,確定優化后的撫河水環境監測點,結果如表1 所示。 布局優化后,共包括了16 個監測點,占初始布局點位數量的40%。 其中,第一類監測點包含5 個,第二類監測點包含4 個,第三類監測點包含2 個,第四類監測點包含2 個,第五至七類各包含1 個。

表1 撫河水環境監測點空間布局優化結果Table 1 Results of spatial layout optimization for water environment monitoring points in Fuhe River

3.2 河流健康評估單元劃分指標識別

以撫河6 項水環境監測指標和分類結果為基礎進行相關性分析,結果如表2 所示。 在0.01 水平上,TN 與NH3-N 呈顯著相關,Chl-a 分別與BOD5、分類結果呈顯著相關;在0.05 水平上,TN與CODMn呈顯著相關,BOD5與分類結果呈顯著相關。

根據各水環境監測指標與分類結果之間的相關性分析結果,Chl-a、BOD5兩項指標均與分類結果之間存在顯著相關關系,確定Chl-a 和BOD5為河流健康評估單元劃分的關鍵指標。 同時,由于Chl-a 與分類結果在0.01 水平上顯著相關,且相關系數為0.944,選擇Chl-a 作為撫河健康評估單元劃分的分區指標。

表2 撫河水環境監測指標與分類結果的相關性分析Table 2 Correlation analysis between the water environment monitoring index and classification result in Fuhe River

3.3 河流健康評估分區標準

撫河健康評估分區指標Chl-a 的濃度值如表3 所示。 根據評估單元劃分標準確定方法,第一類的最大和最小劃分標準為5 和1,第二類的最大和最小劃分標準為8 和5,由此確定第一類和第二類的劃分標準為5;第三類的最大和最小劃分標準為11 和8,由此確定第二類和第三類的劃分標準為8;第四類的最大和最小劃分標準為14 和11,由此確定第三和第四類的劃分標準為11;第五類的最大和最小劃分標準為16 和15,則通過計算得到第四類和第五類的劃分標準,[INT(S4,max)+1]+INT({INT(S5,min)-[INT(S4,max)+1]}/2)= 14+INT({15-14}/2)= 14,由此確定第四類和第五類點的劃分標準為14;第六類的最大和最小劃分標準為21 和20,則通過計算得到第五類和第六類的劃分標準,[INT(S5,max)+1] +INT({INT(S6,min)-[INT(S5,max)+1]}/2)= 16+INT({20-16}/2)= 18,由此確定第五類和第六類的劃分標準為18;第七類的最大和最小劃分標準為28 和27,則通過計算得到第六類和第七類 的 劃 分 標 準, [INT ( S6,max) + 1] +INT({INT(S7,min)-[INT(S6,max)+1]}/2)= 21+INT({27-21}/2)= 24,由此確定第六類和第七類的劃分標準為24。

根據撫河健康評估單元劃分標準計算結果,第一類至第七類的分區指標Chl-a 濃度(mg/m3)的分區標準分別為(0,5)、[5,8)、[8,11)、[11,14)、[14,18)、[18,24)、[24,+∞)。

表3 撫河健康評估分區指標值及分區標準Table 3 Division index values and criteria for river health assessment in Fuhe River mg/m3

3.4 河流健康評估分區劃分

根據撫河水環境監測點布局優化結果,采用反距離加權法(Inverse Distance Weighted)進行空間插值(圖3)。 結合河流健康評估分區標準,確定撫河健康評估單元,共劃分為16 個(圖4),各評估單元特征如表4 所示。

圖3 撫河健康評估分區指標空間插值Fig.3 Spatial interpolation of division index for river health assessment in Fuhe River

根據撫河健康評估單元劃分結果,盱江劃分為盱江上游、盱江中游和盱江下游3 個評估單元;撫河干流劃分為撫河干流上游、撫河干流中游、撫河干流撫州段3 個評估單元;黎灘河劃分為黎灘河源頭區和黎灘河下游2 個評估單元;宜黃水劃分為宜黃水源頭區和宜黃水下游2 個評估單元;相水劃分為相水源頭區和相水干流2 個評估單元;寶塘水劃分為寶塘水源頭區和寶塘水-崇仁河2 個評估單元;東鄉水為1 個評估單元;撫河下游為1 個評估單元。

圖4 撫河健康評估分區Fig.4 Zoning map of river health assessment in Fuhe River

表4 撫河健康評估單元特征及所占比重Table 4 Characteristics and proportion of river health assessment units in Fuhe River

4 討論與結論

經優化后,撫河水環境監測布局共包含16 個監測點。 根據撫河健康評估單元劃分結果,每個監測點代表1 個評估單元。 其中,主支干流包含上游、中游、下游3 個評估河段,其他支流一般分為源頭區和下游2 個河段,較小的支流和流域下游單獨劃分為1 個評估單元。

根據撫河健康評估單元水環境特征及分類結果可知,相鄰評估單元所包含的水環境監測點基本屬于不同分類,表明相鄰評估單元存在一定的差異。 撫河各評估單元中,相水源頭區和相水干流被劃分為兩個評估單元,但其所包含的水環境監測點屬于同一分類,可能是由于該評估單元多個監測點的指標值經平均后,縮小了兩個評估單元之間的差異。 相水源頭區評估單元包含1 個監測點(32 號),該監測點的Chl-a 濃度為3.122 mg/m3,屬于評估單元劃分的第一類。 相水干流評估單元包含兩個監測點(33 號、34 號),Chl-a 濃度分別為1.380、5.828 mg/m3,分別屬于評估單元劃分的第一類、第二類,但整個評估單元Chl-a 濃度的平均值為3.604 mg/m3,屬于評估單元劃分的第一類。 顯然,平均值縮小了兩個評估單元之間的差異。

根據撫河健康評估單元劃分結果,16 個評估單元所代表的河段長度不同,在河流健康評估中所占的比重也不同。 已往的河流健康評估通常利用各監測點特征值的算數平均值進行綜合評估[7-10],但根據本研究結果,各監測點所代表評估單元的比重介于0.025 ～0.192,表明各評估單元所占比重存在較大差異。 因此,采用河流健康評估單元所占比重開展河流健康綜合評估,考慮了各評估單元健康狀況的差異性,評估結果更加符合實際情況。

本文構建了河流健康評估單元的劃分指標、標準和方法,并以撫河為研究對象驗證了其適用性。 以水環境監測數據為基礎,通過河流健康評估單元劃分指標識別方法,確定Chl-a 為撫河健康評估單元劃分的分區指標,按濃度由低到高分為7 類。 按照河流健康評估單元劃分方法,撫河共劃分為16 個河流健康評估單元,其中,僅相水源頭區和相水干流兩個相鄰評估單元屬于同一類別,其他各相鄰評估單元均屬于不同分類,表明本研究構建的河流健康評估單元劃分方法具有一定的適用性,可為進一步科學開展河流健康綜合評估提供參考。