CN107436346A - 一种河流水生态健康评估技术方法 - Google Patents
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Abstract
一种河流水生态健康评估技术方法，属于生态环境保护技术领域。该方法首先测定河流水质指标并进行主要污染指标筛选、大型底栖无脊椎动物指标，然后计算河流综合水质指数、大型底栖无脊椎动物指数并进行归一化处理、计算水生态健康指数，最后，根据划分的水生态健康指数分级标准评估河流的水生态健康状况。本发明的水生态健康指数组成相对独立，通过赋予不同的权重，确定河流综合水质指数、大型底栖无脊椎动物指数在水生态健康指数中的重要程度。本发明采用的指标数量少，指标包含的信息量大，采用的指标尤其是生物指标获取难度低、对专业知识要求低，方便大范围实施应用。应用本发明可从水质、生物角度实现河流水生态健康综合评估。
Description
技术领域
本发明属于生态环境保护技术领域，具体涉及一种河流水生态系统健康评估技术方法。
背景技术
水生态修复是水环境质量得到一定改善后需要开展的更高层次的水生态保护措施。水生态健康评估是水生态修复策略制定的前置条件，也是考量水生态修复成效的必需手段。
水以及生活在其中的水生生物是水生态系统的重要组成，二者之间存在明显的双向交互影响。当前的水生态评价，多以水质或某一类生物指标，比如大型底栖无脊椎动物、浮游藻类、浮游动物、鱼类等开展。因此，这一类评价实质上属于水质评价或者水生生物评价，评价结果往往偏向某一个方面，而脱离了水生态系统综合性的本质。现行的水生生物评价，多选用专业化程度较高的分类指标作为候选参数。由于专业化程度高，对指标分析人员的专业化要求严格，导致这一类方法仅在专业知识积累深厚的单位得以采用，严重限制了水生态健康评估在更大范围内的业务化开展。这背离了当前在大范围内开展水生态健康评估的大趋势。
当前，我国河流受人类活动的影响较为明显，水生态恢复面临的额问题也较多。建立综合性的指标专业化程度低、水生态信息丰富、数量少的河流水生态健康评估方法，为河流水生态健康评估工作提供科学依据和技术支撑，理论意义和现实意义均很强。
发明内容
本发明的目的在于提供一种综合性的，指标数量少、专业化程度低、水生态信息丰富的河流水生态健康评估方法。为了实现该目的具体技术方案为：
一种河流水生态健康评估技术方法，该方法包括以下步骤：
(1)水质指标测定与筛选
在河流设置若干测点，依据《地表水环境质量标准》(GB3838-2002)测定各测点的水质指标并对主要污染指标进行筛选，或先通过历史水质监测数据筛选，确认主要污染指标后再进行主要污染指标监测；
(2)大型底栖无脊椎动物指标测定
测定步骤(1)各测点的软体动物分类单元数(BN)、大型底栖无脊椎动物第1优势种优势度(BDF)、大型底栖无脊椎动物BMWP指数(BMWP)3项指标，本发明采用的单项指标均为本领域专业人员所公知；
(3)指数计算与归一化
采用步骤(1)中的筛选出的主要污染指标计算测点综合水质指数(WQI)，并进行归一化处理获得归一化结果ZWQI；
采用步骤(2)中的软体动物分类单元数、大型底栖无脊椎动物第1优势种优势度、大型底栖无脊椎动物BMWP指数3项指标计算测点大型底栖无脊椎动物指数(BI)，并进行归一化处理获得归一化结果ZBI；
采用上述ZWQI、ZBI计算测点水生态健康指数(WEHI)；
(4)评估等级划分。
优选的，上述步骤(1)中，主要污染指标的筛选步骤具体为：
(1)依据《地表水环境质量评价办法(试行)》，筛选监测值超过《地表水环境质量标准》(GB3838-2002)Ⅲ类水质标准的指标
(2)步骤(1)所筛选出的指标，剔除《地表水环境质量标准》(GB3838-2002)中不同水质类别对应的水质标准相同的指标
(3)步骤(2)所筛选出的指标，剔除分析周期长、分析方法简单繁琐、自动化监测程度低的指标
(4)步骤(3)所筛选出的指标中增加区域内重要水体水质的控制指标，获得最终的水质筛选指标。
优选的，上述步骤(3)中测点WQI的计算方法与归一化方法具体为：
(1)单项指标水质指数计算
其中，WQIi为i指标的水质指数，Ci为i指标的监测值，Cis为i指标的目标值。
若上述i指标为溶解氧，则其单项指标水质指数的计算方法具体为：
其中，WQIi为溶解氧指标的水质指数，Ci为溶解氧指标的监测值；
若上述i指标为pH，则其单项指标水质指数的计算方法具体为：
其中，WQIi为pH指标的水质指数，Ci为pH指标的监测值，pHsd、pHsu分别为《地表水环境质量标准》(GB3838-2002)中pH标准值的下限值和上限值。
(2)测点综合水质指数计算
其中，WQI为测点综合水质指数，WQIi为测点i指标的水质指数。
(3)测点综合水质指数归一化方法
其中，ZWQI为测点综合水质指数的归一化结果，WQIV为筛选出的所有单项指标取现行《地表水环境质量标准》(GB3838-2002)中V类水的标准值计算所得的综合水质指数，WQI为测点综合水质指数。
优选的，上述步骤(3)中测点BI的计算方法与归一化方法具体如下：
(1)测点BI计算方法
BI＝SBN+SBDF+SBMWP
其中，BI为测点大型底栖无脊椎动物指数；SBN为测点的软体动物分类单元数得分；SBDF为测点大型底栖无脊椎动物第1优势种优势度得分；SBMWP为测点大型底栖无脊椎动物BMWP指数得分；BN为测点的软体动物分类单元数；E(BN)为软体动物分类单元数的最佳期望值；BDF为测点大型底栖无脊椎动物第1优势种优势度；E(BDF)为大型底栖无脊椎动物第1优势种优势度的最佳期望值；BMWP为测点大型底栖无脊椎动物BMWP指数；E(BMWP)为大型底栖无脊椎动物BMWP指数的最佳期望值。
(2)测点BI归一化方法
其中，ZBI为测点大型底栖无脊椎动物指数的归一化结果；BI为测点的大型底栖无脊椎动物指数；E(BI)为BI的最佳期望值。
优选的，上述E(BN)、E(BDF)、E(BMWP)、E(BI)的计算方法具体为：BN、BMWP、BI这类数值越大表示状态越好的指数，取样本值的95％分位数作为最佳期望值，BDF这类数值越大表示状态越差的指数，取样本值的5％分位数作为最佳期望值。
优选的，上述ZWQI、ZBI、SBN、SBDF、SBMWP、的取值区间为[0,1]，结果小于0时取为0，大于1时取为1。
优选的，上述步骤(3)中WEHI的计算方法具体为：
(1)单个测点WEHI计算
WEHI＝a*ZWQI+b*ZBI
其中，a、b分别为ZTLI、ZBI的权重；
(2)区域WEHI计算
若所述步骤(1)中的若干测点分属于x个区域，在需要通过某区域内m个测点的平均值评估该区域水生态健康状况的情况下，首先计算区域内每个测点的WEHIj，然后取m个测点WEHIj的算术平均值作为区域的水生态健康指数，具体为：
其中，测点编号j＝1，······，m；WEHI区域为区域水生态健康指数；WEHIj为区域内j测点的水生态健康指数；
(3)多次监测WEHI计算
若对所述步骤(1)中的若干测点开展了l次监测，在需要通过单个测点l次监测的平均值评估测点水生态健康状况的情况下，首先基于第k次监测结果计算单个测点WEHIk，然后取l次WEHI的算术平均值作为单个测点的水生态健康指数，具体为：
其中，监测次数编号k＝1，……，l；WEHI平均为测点多次监测水生态健康指数算术平均值；WEHIk为由单个测点第k次监测结果计算得到的水生态健康指数；
进一步地，可以计算区域的多次监测WEHI，具体为：
其中，测点编号j＝1，……，m；监测次数编号k＝1，……，l；WEHI区域平均为区域多次监测水生态健康指数平均值；WEHIk为由单个测点第k次监测结果计算得到的水生态健康指数。
优选的，上述步骤(4)中，评估等级划分的具体方法为：
取ZWQI[0,1]区间的90％分位数作为优等级的界限，对剩余区间采用四等分法进行划分获得WQI的分级标准，具体为：优[0.90,1]，良[0.68,0.90)，中[0.45,0.68)，一般[0.23,0.45)，差[0,0.23)；
取ZBI[0,1]区间的95％分位数作为优等级的界限，对剩余区间采用四等分法进行划分获得BI的分级标准，具体为：优[0.95,1]，良[0.71,0.95)，中[0.48,0.71)，一般[0.24,0.48)，差[0,0.24)；
依据WQI、BI评估等级划分区间，采用权重a、b进行加权叠加，确定WEHI的评估等级划分区间具体为：
优[a*0.90+b*0.95,a*1+b*1]、
良[a*0.68+b*0.71,a*0.90+b*0.95)、
中[a*0.45+b*0.48,a*0.68+b*0.71)、
一般[a*0.23+b*0.24,a*0.45+b*0.48)、
差[a*0+b*0,a*0.23+b*0.24)。
优选的，上述权重的确定方法采用本领域常规的打分方法，优先使用专家打分法、熵权法、层次分析法。
本发明综合考虑水质、生物因数，从水生态系统完整的角度出发，提出了河流水生态健康评估方法。本发明采用的指标数量少，指标包含的信息量大；本发明采用的指标尤其是生物指标获取难度低、对专业知识要求低。以上技术优势有利于本发明提出的技术方法在大范围内开展应用。应用本发明建立的水生态健康评估技术方法，可对河流水生态健康进行科学评估，客观反映湖泊、水库水生态健康状况。
附图说明
图1为太湖流域河流超Ⅲ标准水质指标及其频率。
具体实施方式
下面列举实施例对本发明进一步说明，但不因此限制本发明的内容。
实施例1
本实施例为考虑综合水质指数、大型底栖无脊椎动物指数情况下太湖流域部分河流测点冬春季、夏秋季单次监测的水生态健康评估。具体过程如下：
(1)水质指标测定与筛选
由于太湖流域具有历史监测数据，本实施例首先对水质主要污染指标进行筛选。
根据地表水Ⅲ类标准，首先筛选出太湖流域所有河流测点超过地表水Ⅲ类标准的水质指标，超标频次由高到低分别为氨氮、化学需氧量、五日生化需氧量、石油类、总磷、溶解氧、高锰酸盐指数、挥发酚、阴离子表面活性剂和硫化物。具体如图1所示。
由于挥发酚、阴离子表面活性剂和硫化物的超标频次相对较低，石油类Ⅰ～Ⅲ标准值相同，水质类别区分度不大，故剔除，进一步筛选出太湖流域对河流水质类别影响较大的水质指标主要有氨氮、化学需氧量、五日生化需氧量、总磷、溶解氧、高锰酸盐指数。
考虑到化学需氧量、五日生化需氧量与高锰酸盐指数同属有机污染综合表征指标，化需需氧量普遍用于污废水的评价，在地表水中多以高锰酸盐指数评价，五日生化需氧量指标分析周期长、自动化监测程度低，高锰酸盐指数已实现自动化监测，故剔除化学需氧量和五日生化需氧量，进一步筛选保留太湖流域对河流水质类别影响较大的水质指标主要有氨氮、总磷、溶解氧、高锰酸盐指数。
太湖是太湖流域的核心水体，总氮是影响太湖水质的重要因子，国家对太湖湖体和主要入湖河流均制定了总氮的考核目标，故增加总氮作为太湖流域河流的主要污染指标。
据此，最终确定太湖流域对河流水质类别影响较大的水质指标主要有氨氮、总磷、溶解氧、高锰酸盐指数和总氮。
(2)指标测定
在河流设置若干测点，测定各测点的氨氮、总磷、溶解氧、高锰酸盐指数和总氮5项水质指标，测定各采样点的软体动物分类单元数(BN)、大型底栖无脊椎动物第1优势种优势度(BDF)、大型底栖无脊椎动物BMWP指数(BMWP)3项大型底栖无脊椎动物指标。
(3)指数计算与归一化
根据《地表水环境质量标准》(GB3838-2002)中氨氮和高锰酸盐指数的Ⅲ类标准，总磷的Ⅲ类水河流标准为目标值，总氮统一采用太湖湖体2020年2.0mg/L的控制目标为目标值。
根据《地表水环境质量标准》(GB3838-2002)中氨氮、总磷、溶解氧、高锰酸盐指数和总氮Ⅴ类标准，计算出WQIV为10.5。
将各测点冬春季和夏秋季的监测数据带入上述综合水质指数计算与归一化公式，得到各测点冬春季和夏秋季的综合水质指数计算结果如表1和表2所示。
根据上述大型底栖无脊椎动物指数计算方法计算各测点大型底栖无脊椎动物指数并进行归一化处理，得到各测点冬春季和夏秋季的大型底栖无脊椎动物指数计算结果如表1和表2所示。其中，根据多年监测数据，太湖流域河流的软体动物分类单元数、大型底栖无脊椎动物第1优势种优势度和大型底栖无脊椎动物BMWP指数最佳期望值计算结果分别为8.0、0.308和69。
根据河流水生态健康指数计算公式，采用专家打分法赋予太湖流域河流综合水质指数、大型底栖无脊椎动物指数的权重分别为0.50和0.50，计算各测点冬春季和夏秋季的水生态健康指数，结果分别如表1和表2所示。
(4)确定分级标准
取综合水质指数归一化[0,1]区间的90％分位数作为优等级的界限，对剩余区间采用四等分法进行划分，得到太湖流域河流综合水质指数分级标准如表3。
取大型底栖无脊椎动物归一化[0,1]区间的95％分位数作为优等级的界限，对剩余区间采用四等分法进行划分，得到太湖流域河流大型底栖无脊椎动物指数分级标准，具体如表4所示。
根据河流水生态健康指数计算公式，采用专家打分法赋予太湖流域河流综合水质指数、大型底栖无脊椎动物指数的权重分别为0.50和0.50。以加权叠加法获得太湖流域河流水生态健康指数分级标准如表5所示。
表1冬春季各测点水生态健康指数计算结果
表2夏秋季各测点水生态健康指数计算结果
表3太湖流域河流综合水质指数分级标准
表4太湖流域河流大型底栖无脊椎动物指数分级标准
表5太湖流域河流水生态健康指数分级标准
(3)水生态健康评价结果
根据表1和表5的计算结果，评价各测点的水生态健康状况。结果显示，冬春季的这次监测，太湖流域河流测点水生态健康状况以中和一般等级为主，共占到所有测点的60.0％，另外，还有16.0％和24.0％的测点分别处于良和差等级。此次监测，未发现处于优等级的河流水生态测点。
根据表2和表5的计算结果，评价各测点的水生态健康状况。结果显示，夏秋季的这次监测，太湖流域河流测点水生态健康状况以中等为主，占到所有测点的60.0％，另外，有32.0％的测点的水生态健康状况处于一般等级，等级良和差的水生态测点各占4.0％。此次监测，同样未发现处于优等级的河流水生态测点。
对比表1和表2的结果，林家闸、潘家坝、横洛间、为民桥、湖山桥、泗河桥、金潼桥、毛娄和娄陆大桥等9个测点夏秋季的水生态健康状况较冬春季改善1个级别，辛丰镇、旧县、周归大桥、界标、浔溪大桥和航管站等6个测点夏秋季的水生态健康状况较冬春季下降1个级别，其余测点水生态健康状况未发生等级变化。
实施例2
本实施例基于实施例1的计算结果，进一步说明多次监测情况下，测点水生态健康指数的计算。具体过程如下：
上述实施例1中的表1和表2分别给出了冬春季和夏秋季太湖流域部分河流测点的水生态健康指数，即监测2次情况下，各测点基于每次监测结果计算获得的水生态健康指数。以这2次监测结果代表各测点水生态健康指数的年内变化情况，则各测点水生态健康指数的年均值为其冬春季水生态健康指数和夏秋季水生态健康指数的算术平均值。以辛丰镇测点为例，取其冬春季水生态健康指数0.576和夏秋季水生态健康指数0.381的算术平均值0.479，即为该测点的年度水生态健康指数。全部测点年度水生态健康指数计算结果如表6所示。结果显示，太湖流域河流的水生态健康状况，全年均以中和一般等级为主，分别占全部测点的48.0％和28.0％，另外，各有12.0％的测点处于良和差等级，无等级为优水生态健康评估测点。
表6各测点年度水生态健康指数计算与评估结果
实施例3
本实施例基于实施例1和实施例2的计算结果，进一步说明区域水生态健康指数的计算，更进一步说明多次监测情况下区域水生态健康指数的计算。具体过程如下：
上述实施例1的25个测点中，辛丰镇、旧县、黄埝桥和林家闸属于上游区。取冬春季辛丰镇水生态健康指数0.576、旧县水生态健康指数0.813、黄埝桥水生态健康指数0.395和林家闸水生态健康指数0.396的算术平均值，即获得上游区冬春季的水生态健康指数0.545，同理获得上游区夏秋季的水生态健康指数0.468。更进一步，取长荡湖区域冬春季水生态健康指数0.545和夏秋季水生态健康指数0.468的算术平均值，即获得长荡湖区域年度水生态健康指数为0.507。
Claims (9)
1.一种河流水生态健康评估技术方法，其特征在于，包括以下步骤：
(1)水质指标测定与筛选
在河流设置若干测点，依据《地表水环境质量标准》(GB3838-2002)测定各测点的水质指标并对主要污染指标进行筛选，或先通过历史水质监测数据筛选确认出主要污染指标后再对主要污染指标进行监测；
(2)大型底栖无脊椎动物指标测定
测定步骤(1)各测点的软体动物分类单元数(BN)、大型底栖无脊椎动物第1优势种优势度(BDF)、大型底栖无脊椎动物BMWP指数(BMWP)3项指标；
(3)指数计算与归一化
采用步骤(1)中筛选出的主要污染指标计算测点综合水质指数(WQI)，并进行归一化处理获得归一化结果ZWQI；
采用步骤(2)中的软体动物分类单元数、大型底栖无脊椎动物第1优势种优势度、大型底栖无脊椎动物BMWP指数3项指标计算测点大型底栖无脊椎动物指数(BI)，并进行归一化处理获得归一化结果ZBI；
采用上述ZWQI、ZBI计算测点水生态健康指数(WEHI)；
(4)评估等级划分。
2.如权利要求书1所述的方法，其特征在于，所述步骤(1)中，主要污染指标的筛选步骤具体为：
(1)依据《地表水环境质量评价办法(试行)》，筛选监测值超过《地表水环境质量标准》(GB3838-2002)Ⅲ类水质标准的指标；
(2)步骤(1)所筛选出的指标，剔除《地表水环境质量标准》(GB3838-2002)中不同水质类别对应的水质标准相同的指标；
(3)步骤(2)所筛选出的指标，剔除分析周期长、分析方法简单繁琐、自动化监测程度低的指标；
(4)步骤(3)所筛选出的指标中增加区域内重要水体水质的控制指标，获得最终的水质筛选指标。
3.如权利要求书1所述的方法，其特征在于，所述步骤(3)中测点WQI的计算方法与归一化方法具体为：
(1)单项指标水质指数计算
其中，WQIi为i指标的水质指数，Ci为i指标的监测值，Cis为i指标的目标值；
若上述i指标为溶解氧，则其单项指标水质指数的计算方法具体为：
若上述i指标为pH，则其单项指标水质指数的计算方法具体为：
其中pHsd、pHsu分别为《地表水环境质量标准》(GB3838-2002)中pH标准值的下限值和上限值；
(2)测点综合水质指数计算
其中，WQI为测点综合水质指数；
(3)测点综合水质指数归一化方法
其中，ZWQI为测点综合水质指数的归一化结果，WQIV为筛选出的所有单项指标取现行《地表水环境质量标准》(GB3838-2002)中V类水的标准值计算所得的综合水质指数。
4.如权利要求书1所述的方法，其特征在于，所述步骤(3)中测点BI的计算方法与归一化方法具体为：
(1)测点BI计算方法
BI＝SBN+SBDF+SBMWP
其中，BI为测点大型底栖无脊椎动物指数；SBN为测点的软体动物分类单元数得分；SBDF为测点大型底栖无脊椎动物第1优势种优势度得分；SBMWP为测点大型底栖无脊椎动物BMWP指数得分；BN为测点的软体动物分类单元数；E(BN)为软体动物分类单元数的最佳期望值；BDF为测点大型底栖无脊椎动物第1优势种优势度；E(BDF)为大型底栖无脊椎动物第1优势种优势度的最佳期望值；BMWP为测点大型底栖无脊椎动物BMWP指数；E(BMWP)为大型底栖无脊椎动物BMWP指数的最佳期望值；
(2)测点BI归一化方法
其中，ZBI为测点大型底栖无脊椎动物指数的归一化结果；BI为测点的大型底栖无脊椎动物指数；E(BI)为BI的最佳期望值。
5.如权利要求书4所述的方法，其特征在于，所述E(BN)、E(BDF)、E(BMWP)、E(BI)的计算方法具体为：BN、BMWP、BI这类数值越大表示状态越好的指数，取样本值的95％分位数作为最佳期望值，BDF这类数值越大表示状态越差的指数，取样本值的5％分位数作为最佳期望值。
6.如权利要求书1-4任一项所述的方法，其特征在于，所述ZWQI、ZBI、SBN、SBDF、SBMWP、的取值区间为[0,1]，结果小于0时取为0，大于1时取为1。
7.如权利要求书6所述的方法，其特征在于，所述步骤(3)中WEHI的计算方法具体为：
(1)单个测点WEHI计算
WEHI＝a*ZWQI+b*ZBI
其中，a、b分别为ZTLI、ZBI的权重；
(2)区域WEHI计算
若所述步骤(1)中的若干测点分属于x个区域，在需要通过某区域内m个测点的平均值评估该区域水生态健康状况的情况下，首先计算区域内每个测点的WEHIj，然后取m个测点WEHIj的算术平均值作为区域的水生态健康指数，具体为：
其中，测点编号j＝1，······，m；WEHI区域为区域水生态健康指数；WEHIj为区域内j测点的水生态健康指数；
(3)多次监测WEHI计算
若对所述步骤(1)中的若干测点开展了l次监测，在需要通过单个测点l次监测的平均值评估测点水生态健康状况的情况下，首先基于第k次监测结果计算单个测点WEHIk，然后取l次WEHI的算术平均值作为单个测点的水生态健康指数，具体为：
其中，监测次数编号k＝1，······，l；WEHI平均为测点多次监测水生态健康指数算术平均值；WEHIk为由单个测点第k次监测结果计算得到的水生态健康指数；
进一步地，可以计算区域的多次监测WEHI，具体为：
其中，测点编号j＝1，······，m；监测次数编号k＝1，······，l；WEHI区域平均为区域多次监测水生态健康指数平均值；WEHIk为由单个测点第k次监测结果计算得到的水生态健康指数。
8.如权利要求书7所述的方法，其特征在于，所述步骤(4)中，评估等级划分的具体方法为：
取ZWQI[0,1]区间的90％分位数作为优等级的界限，对剩余区间采用四等分法进行划分获得WQI的分级标准，具体为：优[0.90,1]，良[0.68,0.90)，中[0.45,0.68)，一般[0.23,0.45)，差[0,0.23)；
取ZBI[0,1]区间的95％分位数作为优等级的界限，对剩余区间采用四等分法进行划分获得BI的分级标准，具体为：优[0.95,1]，良[0.71,0.95)，中[0.48,0.71)，一般[0.24,0.48)，差[0,0.24)；
依据WQI、BI评估等级划分区间，采用权重a、b进行加权叠加，确定WEHI的评估等级划分区间具体为：
优[a*0.90+b*0.95,a*1+b*1]、
良[a*0.68+b*0.71,a*0.90+b*0.95)、
中[a*0.45+b*0.48,a*0.68+b*0.71)、
一般[a*0.23+b*0.24,a*0.45+b*0.48)、
差[a*0+b*0,a*0.23+b*0.24)。
9.如权利要求书7和8所述的方法，其特征在于，所述权重的确定依据本领域的专家打分法、熵权法、层次分析法。
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