CN116660486A - 一种基于大型底栖动物bi指数的水质评价标准确定方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种基于大型底栖动物BI指数的水质评价标准确定方法，属于环境保护技术领域。本发明以关键水质因子q为自变量，采样点BI指数值为因变量，建立BI指数与关键水质指标的定量响应关系f(q)；基于BI指数与关键水质指标的定量响应关系f(q)，确定研究区域基于大型底栖动物BI指数的水质评价标准。本发明的水质评价标准确定方法可综合反映河流的物理、化学和生态多方面的健康状况，适应我国当前的环境状态，为对我国现有的水质评价标准的修订提供参考，进而有效提升我国河流水质污染治理效果。
Description
技术领域
本发明涉及环境保护技术领域，特别涉及一种基于大型底栖动物BI指数的水质评价标准确定方法。
背景技术
水资源是一切生命过程中不可替代的基本要素，不仅为水生生物提供栖息生活的基础，同时为人类生存和社会发展提供了重要的生态服务功能。然而由于近几十年来人类活动的影响，全球水资源的质量迅速下降，水质污染已成为世界许多地区特别是发展中国家的一个突出的环境问题。为有效保护和修复水资源，水质评价已然成为水环境保护和治理的一项重要工作。水质评价标准是水质评价的基础，对水环境管控具有重要作用。随着水环境领域科技的发展，人们逐渐认识到水质指标应当综合考虑河流物理、化学和生态等方面来表征河流水环境的健康状态。但目前的水质评价标准是很难满足生态保护目标。许多发达国家已经开始结合水生态需求修订水质评价标准，如荷兰、加拿大、欧盟及美国等。我国现行的水质评价标准于上世纪80年代在参考其他国家环境评价标准和经验的基础上制定的，并在过去几十年里进行了修订。因此，我国目前的水质评价标准很难适应我国当前的环境状态，需要进一步研究。
发明内容
有鉴于此，本发明目的在于提供一种基于大型底栖动物BI指数的水质评价标准确定方法，本发明提供的水质评价标准确定方法可适应我国当前的环境状态，有效提升我国河流水质污染治理效果。
为了实现上述目的，本发明提供以下技术方案：
一种基于大型底栖动物BI指数的水质评价标准确定方法，包括以下步骤：
S1、采集河流水质样品，检测水质物理化学指标；
S2、采集大型底栖动物样品，鉴定、计数，计算大型底栖动物BI指数，BI指数的计算公式如下：
式中，n为分类单元个数；ni为i个分类单元的个体数；N为样本总个体数；ti为第i分类单元的质量值，即耐污值；
S3、采用典型相关分析筛选影响水生生物分布的关键水质因子；
S4、根据S3中筛选得到的关键水质因子提取各采样点的关键水质因子监测数据及大型底栖动物的BI指数值，以关键水质因子q为自变量，采样点BI指数值为因变量，建立BI指数与关键水质指标的定量响应关系f(q)；
S5、基于BI指数与关键水质指标的定量响应关系f(q)，确定研究区域基于大型底栖动物BI指数的水质评价标准：
0～BI5％，最清洁；BI5％～BI25％，清洁；BI25％～BI50％，轻污染；BI50％～BI75％，中污染；BI75％～BImax，重污染。
优选地，所述S1中的水质物理化学指标包括：水温WT、酸碱度pH、溶解氧DO、电导率EC、可悬浮颗粒物SS、总氮TN、总磷TP、氨氮NH4-N、硝态氮NO3-N、亚硝氮NO2-N、磷酸根盐PO4 3--P、高锰酸盐指数CODMn、化学需氧量CODCr。
优选地，所述S2中的大型底栖动物样品的采集方法为：利用直径30cm、60目孔径尼龙纱D型网在河岸区用扫网法采集大型底栖动物样品。
优选地，所述采集的样点选取研究河段支流入汇口或者典型河段，每个样点采样总面积为0.6m2～1m2。
优选地，所述S2中的鉴定、计数为在实验室使用体式镜鉴定和计数；所述鉴定为将所有生物个体鉴定到可行的最低分类单元，其中，软体动物鉴定至种，寡毛类鉴定至纲，甲壳纲鉴定到科或者属。
优选地，所述S3中筛选的具体方法为：
SS1、采用典范对应分析对水质因子与大型底栖动物分布关系进行排序，以找出影响物种分布的关键水质因子；进行排序分析时，所有种类密度和水质因子均进行lg(x+1)标准转换；
SS2、通过排序轴长度梯度值的大小选择适合的模型：若第一轴长度值大于4，则选择单峰模型；若第一轴长度值小于3，则选择线性模型；若第一轴长度值介于3～4之间，则选择单峰模型或线性模型；
SS3、根据蒙特卡洛检验及各因素相关性系数及解释率判定影响大型底栖动物群落空间分布的主要水质因子。
优选地，所述SS2中的单峰模型为典范对应分析CCA，双峰模型为主成分分析PCA或冗余分析RDA。
优选地，所述S4中建立BI指数与关键水质指标的定量响应关系f(q)的方法为以关键水质因子q为自变量，采样点BI指数为因变量，绘制大型底栖动物BI指数与关键水质指标的散点图，采用线性回归的方法拟合大型底栖动物BI指数对关键水质指标的定量响应关系函数f(q)。
优选地，所述S5中确定研究区域基于大型底栖动物BI指数的水质评价标准的参考标准根据gb3838-2022的方法，基于生物数据与水质胁迫因子之间的关系来确定。
本发明还提供一种基于BI指数的关键水质因子的评价标准确定方法，根据权利要求1所述BI指数与关键水质指标的定量响应关系f(q)反算求解，具体计算公式为：
qi＝f-1(BIj)
式中，qi表示关键水质因子，i分别为水质评价Ⅰ类标准，Ⅱ类标准，Ⅲ类标准，Ⅳ类标准和Ⅴ类标准；BIj分别对应BI指数最清洁标准，清洁标准，轻污染标准，中污染标准和重污染标准。
有益技术效果：本发明提供了一种基于大型底栖动物BI指数的水质评价标准确定方法，本发明以关键水质因子q为自变量，采样点BI指数值为因变量，建立BI指数与关键水质指标的定量响应关系f(q)；基于BI指数与关键水质指标的定量响应关系f(q)，确定研究区域基于大型底栖动物BI指数的水质评价标准。本发明的水质评价标准确定方法可综合反映河流的物理、化学和生态多方面的健康状况，适应我国当前的环境状态，为对我国现有的水质评价标准的修订提供参考，进而有效提升我国河流水质污染治理效果。
附图说明
图1为实施例1的流程示意图；
图2为长三角某城市河流BI指数分布图示意图；
图3为影响水生生物分布的关键水质因子筛选结果图；
图4是大型底栖动物BI指数对关键水质因子的相应关系示意图，其中，左图为BI指数-氨氮累积曲线f(NH4-H)，右图为BI指数-溶解氧累积曲线f(COD)。
具体实施方式
本发明提供了一种基于大型底栖动物BI指数的水质评价标准确定方法，包括以下步骤：
S1、采集河流水质样品，检测水质物理化学指标；
S2、采集大型底栖动物样品，鉴定、计数，计算大型底栖动物BI指数，BI指数的计算公式如下：
式中，n为分类单元个数；ni为i个分类单元的个体数；N为样本总个体数；ti为第i分类单元的质量值，即耐污值；
S3、采用典型相关分析筛选影响水生生物分布的关键水质因子；
S4、根据S3中筛选得到的关键水质因子提取各采样点的关键水质因子监测数据及大型底栖动物的BI指数值，以关键水质因子q为自变量，采样点BI指数值为因变量，建立BI指数与关键水质指标的定量响应关系f(q)；
S5、基于BI指数与关键水质指标的定量响应关系f(q)，确定研究区域基于大型底栖动物BI指数的水质评价标准：
0～BI5％，最清洁；BI5％～BI25％，清洁；BI25％～BI50％，轻污染；BI50％～BI75％，中污染；BI75％～BImax，重污染。
本发明采集河流水质样品，检测水质物理化学指标。
在本发明中，所述水质物理化学指标优选包括：水温WT、酸碱度pH、溶解氧DO、电导率EC、可悬浮颗粒物SS、总氮TN、总磷TP、氨氮NH4-N、硝态氮NO3-N、亚硝氮NO2-N、磷酸根盐PO4 3--P、高锰酸盐指数CODMn、化学需氧量CODCr。其中，水温WT、酸碱度pH、溶解氧DO、电导率EC、可悬浮颗粒物SS采用多参数水质分析仪(DS5，HYDROLAB,USA)现场测得，总氮TN采用钼酸铵分光光度法，总磷TP采用钼酸铵分光光度法，氨氮NH4-N采用纳氏试剂分光光度法，硝态氮NO3-N采用紫外分光光度法，亚硝氮NO2-N采用萘乙二胺分光光度法，磷酸根盐PO43--P采用磷钼蓝法，高锰酸盐指数CODMn采用高碘酸钾分光光度计法，化学需氧量CODCr采用重铬酸盐法。
本发明采集大型底栖动物样品，鉴定、计数，计算大型底栖动物BI指数。
在本发明中，所述大型底栖动物样品的采集方法优选为：利用直径30cm、60目孔径尼龙纱D型网在河岸区用扫网法采集大型底栖动物样品；所述采集的样点选取研究河段支流入汇口或者典型河段，每个样点采样总面积优选为0.6m2～1m2。
在本发明中，所述鉴定、计数优选为在实验室使用体式镜鉴定和计数；所述鉴定优选为将所有生物个体鉴定到可行的最低分类单元，其中，软体动物鉴定至种，寡毛类鉴定至纲，甲壳纲鉴定到科或者属。
在本发明中，所述耐污值(TV,Tolerance value)是指生物对污染因子的忍耐力，一般以0-10表示，耐污值越高，表明生物的耐污能力越强；越低，则越敏感。耐污值的高低，反映了生物对水污染的敏感性。根据底栖动物耐污值的高低，将底栖动物分为3类：TV≤3，敏感类群(intolerant group)；3-7，中间类群(intermediate)；TV≥7，耐污类群(tolerantgroup)。
本发明采用典型相关分析筛选影响水生生物分布的关键水质因子。
在本发明中，所述筛选的具体方法优选为：
SS1、采用典范对应分析对水质因子与大型底栖动物分布关系进行排序，以找出影响物种分布的关键水质因子；进行排序分析时，所有种类密度和水质因子均进行lg(x+1)标准转换；
SS2、通过排序轴长度梯度值的大小选择适合的模型：若第一轴长度值大于4，则选择单峰模型；若第一轴长度值小于3，则选择线性模型；若第一轴长度值介于3～4之间，则选择单峰模型或线性模型；
SS3、根据蒙特卡洛检验及各因素相关性系数及解释率判定影响大型底栖动物群落空间分布的主要水质因子。
在本发明中，所述排序轴长度梯度值通过Canoco5软件进行计算。
在本发明中，所述单峰模型优选为典范对应分析CCA，双峰模型为主成分分析PCA或冗余分析RDA。
本发明根据上述筛选得到的关键水质因子提取各采样点的关键水质因子监测数据及大型底栖动物的BI指数值，以关键水质因子q为自变量，采样点BI指数值为因变量，建立BI指数与关键水质指标的定量响应关系f(q)。
在本发明中，所述建立BI指数与关键水质指标的定量响应关系f(q)的方法为以关键水质因子q为自变量，采样点BI指数为因变量，绘制大型底栖动物BI指数与关键水质指标的散点图，采用线性回归的方法拟合大型底栖动物BI指数对关键水质指标的定量响应关系函数f(q)。
本发明基于BI指数与关键水质指标的定量响应关系f(q)，确定研究区域基于大型底栖动物BI指数的水质评价标准。
在本发明中，所述确定研究区域基于大型底栖动物BI指数的水质评价标准的参考标准根据gb3838-2022的方法，基于生物数据与水质胁迫因子之间的关系来确定。
本发明还提供一种基于BI指数的关键水质因子的评价标准确定方法，根据权利要求1所述BI指数与关键水质指标的定量响应关系f(q)反算求解，具体计算公式为：
qi＝f-1(BIj)
式中，qi表示关键水质因子，i分别为水质评价Ⅰ类标准，Ⅱ类标准，Ⅲ类标准，Ⅳ类标准和Ⅴ类标准；BIj分别对应BI指数最清洁标准，清洁标准，轻污染标准，中污染标准和重污染标准。
在本发明中，所述水质评价Ⅰ类标准，Ⅱ类标准，Ⅲ类标准，Ⅳ类标准和Ⅴ类标准为本领域行业评价标准。通过基于BI指数的关键水质因子的评价标准确定方法，可以确定不同水质评价标准的关键水质因子的阈值范围，进而根据关键水质因子快速确定水质标准。
为了更好地理解本发明，下面结合实施例进一步阐明本发明的内容，但本发明的内容不仅仅局限于下面的实施例。本发明实施例及试验例中所用的材料、试剂等，如无特殊说明，均可从商业途径获得；本发明实施例及试验例中所用的方法，如无特殊说明，均为常规方法。
实施例1
选取我国长三角某城市开展水环境及水生态调查，基于大型底栖动物BI指数的水质评价标准确定方法确定该城市的水质评价标准，具体流程如图1所示。
(1)采样方法参照地表水环境质量标准gb3838-2022，检测样品中水质物理化学指标，包括：水温(WT)、酸碱度(pH)、溶解氧(DO)、电导率(EC)、可悬浮颗粒物(SS)、总氮(TN)、总磷(TP)、氨氮(NH4-N)、硝态氮(NO3-N)、亚硝氮(NO2-N)、磷酸根盐(PO4 3--P)、高锰酸盐指数(CODMn)、化学需氧量(CODCr)。具体结果如表1。
表1水样的物理化学指标结果
(2)利用直径30cm、60目孔径尼龙纱D型网在小于1.5m深的河岸区用扫网法采集半定量和半定性底栖动物样品，采集时每个样点在100m长的河段范围内，按照不同生境出现的比例采集，采样采样总面积介于0.3m2～3m2。样本在野外用60目分样筛筛选洗净后放入封口袋，加入75％的乙醇溶液固定，有寡毛类存在的点位利用7％甲醛缓冲液固定。实验室内在体式镜下进行分类鉴定和计数；鉴定时，所有生物个体均被鉴定到可行的最低分类单元，通常为属级；其中软体动物鉴定至种，寡毛类鉴定至纲，甲壳纲鉴定到科或者属。
大型底栖动物的数目及鉴定结果显示，夏季共获得底栖动物分类单元26个，冬季共获得底栖动物分类单元47个(表2)。依据我国东部底栖无脊准动物主要分类单元耐污值，可以得出我国长三角地区某城市河流夏季和冬季各采样点BI指数值，如图2所示。
表2大型底栖动物的数目及鉴定结果
(3)采用典范对应分析(CCA)对水质因子与大型底栖动物分布关系进行排序，筛选影响水生生物分布的关键水质因子。
将我国长三角地区冬季和夏季底栖动物丰度值进行lg(x+1)标准转换，排序轴长度梯度值在3～4之间，采用CCA筛选影响水生生物分布的关键水质因子，结果如图3所示。根据CCA结果可以看出影响底栖动物群落分布的环境因子有COD和氨氮。说明随着城区经济快速发展、人类活动增强，生活污水大量排放加剧了河网水质恶化和生境退化，对河网中底栖生物群落结构造成显著影响。
(4)分别建立关键水质因子COD和氨氮与底栖动物BI指数累积曲线，累积曲线如图4所示。由图4的右图可以看出，BI指数-溶解氧累积曲线f(COD)随着溶解氧的增加，BI指数呈下降趋势。由图4的左图可以看出，BI指数-氨氮累积曲线f(NH4-H)，可以看出随着氨氮的增加，BI指数呈上升趋势。
(5)基于BI指数的水质评价标准：BI指数水质分级的参考标准可以分为五个等级，分别为最清洁(0～BI5％)、清洁(BI5％～BI25％)、轻污染(BI25％～BI50％)、中污染(BI50％～BI75％)和重污染(BI75％～BImax)，确定我国长三角某城市河流COD和氨氮水质评价标准，具体如表3所示。
表3我国长三角某城市河流COD和氨氮水质评价标准
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。
Claims (10)
1.一种基于大型底栖动物BI指数的水质评价标准确定方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1、采集河流水质样品，检测水质物理化学指标；
S2、采集大型底栖动物样品，鉴定、计数，计算大型底栖动物BI指数，BI指数的计算公式如下：
式中，n为分类单元个数；ni为i个分类单元的个体数；N为样本总个体数；ti为第i分类单元的质量值，即耐污值；
S3、采用典型相关分析筛选影响水生生物分布的关键水质因子；
S4、根据S3中筛选得到的关键水质因子提取各采样点的关键水质因子监测数据及大型底栖动物的BI指数值，以关键水质因子q为自变量，采样点BI指数值为因变量，建立BI指数与关键水质指标的定量响应关系f(q)；
S5、基于BI指数与关键水质指标的定量响应关系f(q)，确定研究区域基于大型底栖动物BI指数的水质评价标准：
0～BI5％，最清洁；BI5％～BI25％，清洁；BI25％～BI50％，轻污染；BI50％～BI75％，中污染；BI75％～BImax，重污染。
2.根据权利要求1所述基于大型底栖动物BI指数的水质评价标准确定方法，其特征在于，所述S1中的水质物理化学指标包括：水温WT、酸碱度pH、溶解氧DO、电导率EC、可悬浮颗粒物SS、总氮TN、总磷TP、氨氮NH4-N、硝态氮NO3-N、亚硝氮NO2-N、磷酸根盐PO4 3--P、高锰酸盐指数CODMn、化学需氧量CODCr。
3.根据权利要求1所述基于大型底栖动物BI指数的水质评价标准确定方法，其特征在于，所述S2中的大型底栖动物样品的采集方法为：利用直径30cm、60目孔径尼龙纱D型网在河岸区用扫网法采集大型底栖动物样品。
4.根据权利要求3所述基于大型底栖动物BI指数的水质评价标准确定方法，其特征在于，所述采集的样点范围为100m长的河段，每个样点采样总面积为0.6m2～1m2。
5.根据权利要求1所述基于大型底栖动物BI指数的水质评价标准确定方法，其特征在于，所述S2中的鉴定、计数为在实验室使用体式镜鉴定和计数；所述鉴定为将所有生物个体鉴定到可行的最低分类单元，其中，软体动物鉴定至种，寡毛类鉴定至纲，甲壳纲鉴定到科或者属。
6.根据权利要求1所述基于大型底栖动物BI指数的水质评价标准确定方法，其特征在于，所述S3中筛选的具体方法为：
SS1、采用典范对应分析对水质因子与大型底栖动物分布关系进行排序，以找出影响物种分布的关键水质因子；进行排序分析时，所有种类密度和水质因子均进行lg(x+1)标准转换；
SS2、通过排序轴长度梯度值的大小选择适合的模型：若第一轴长度值大于4，则选择单峰模型；若第一轴长度值小于3，则选择线性模型；若第一轴长度值介于3～4之间，则选择单峰模型或线性模型；
SS3、根据蒙特卡洛检验及各因素相关性系数及解释率判定影响大型底栖动物群落空间分布的主要水质因子。
7.根据权利要求6所述基于大型底栖动物BI指数的水质评价标准确定方法，其特征在于，所述SS2中的单峰模型为典范对应分析CCA，双峰模型为主成分分析PCA或冗余分析RDA。
8.根据权利要求1所述基于大型底栖动物BI指数的水质评价标准确定方法，其特征在于，所述S4中建立BI指数与关键水质指标的定量响应关系f(q)的方法为以关键水质因子q为自变量，采样点BI指数为因变量，绘制大型底栖动物BI指数与关键水质指标的散点图，采用线性回归的方法拟合大型底栖动物BI指数对关键水质指标的定量响应关系函数f(q)。
9.根据权利要求1所述基于大型底栖动物BI指数的水质评价标准确定方法，其特征在于，所述S5中确定研究区域基于大型底栖动物BI指数的水质评价标准的参考标准根据gb3838-2022的方法，基于生物数据与水质胁迫因子之间的关系来确定。
10.一种基于BI指数的关键水质因子的评价标准确定方法，其特征在于，根据权利要求1所述BI指数与关键水质指标的定量响应关系f(q)反算求解，具体计算公式为：
qi＝f-1(BIj)
式中，qi表示关键水质因子，i分别为水质评价Ⅰ类标准，Ⅱ类标准，Ⅲ类标准，Ⅳ类标准和Ⅴ类标准；BIj分别对应BI指数最清洁标准，清洁标准，轻污染标准，中污染标准和重污染标准。
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|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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| CB03 | Change of inventor or designer information | ||
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Inventor after: Wang Li Inventor after: Yang Shengfa Inventor after: Yang Jin Inventor after: Xie Qingrong Inventor after: Li Ruijiao Inventor before: Wang Li Inventor before: Yang Shengfa Inventor before: Yang Jin Inventor before: Xie Qingrong Inventor before: Li Ruijiao |