太子河河流生态系统健康状况评价_张瑞阳.pdf

DOI:10 19807/j cnki DXS 2023 03 035太子河河流生态系统健康状况评价张瑞阳(辽宁省葫芦岛水文局，辽宁 葫芦岛 125000)摘要为科学评价太子河生态系统健康状况，结合 2020 年太子河流域 21 个样点的社会功能、水生生物、地貌形态和水文水质等指标调查数据，采用层次分析法计算评价河流健康状况。结果表明:参与调查的 21 个样点中达到健康、亚健康、脆弱、病态等级的样点占比依次为 19 05%、61 90%、14 29%和 4 76%，太子河河流生态系统整体处于亚健康状况，其中评分最高、最低的样点是 TZH12 的 4 14 分和 QH 的 1 97 分;上游和干流的生态系统健康状况总体上优于下游、支流，生态系统健康具有显著干支流差异性和空间差异性。关键词生态系统;健康评价;差异分析;太子河中图分类号X522文献标识码B文章编号1004 1184(2023)03 0105 02收稿日期2022 11 08作者简介张瑞阳(1988 )，男，河南洛阳人，工程师，主要从事水利水电工程、水土保持及水文水资源方面工作。0引言随着经济的发展和科技的进步，河流受人类活动的影响程度日趋加剧，河流的社会及生态功能逐渐丧失，水文水质不断恶化，严重威胁着水资源、生态环境和经济社会安全。因此，如何修复受损生态系统充分发挥和维持河流的生态服务功能，实现河流可持续发展逐渐成为水文领域研究的重要问题1。20 世纪 80 年代美国、瑞典、澳大利亚相继提出快速生物监测协议法(BP)、岸边与河道环境细则法(CE)、河流状况指数法(ISC)和河流形态结构框架法(GS)等，针对河流健康评价形成一系列评价指标体系和方法。20 世纪 90年代，河流生态健康问题逐渐引起我国学者的关注，近年来提出了适用于滦河、珠江、辽河、黄河、长江等河流的评价标准、方法及指标体系2 5。河流健康评价牵涉范围广，涉及因素多，不同河流特征具有一定差异，其评价标准和方法的使用条件也不尽相同。总体上，可以将现有方法划分成多指标评价法和模型预测法两大类型，其中应用较为广泛的是多指标综合评判法，许多学者将河流健康评价与各种数学方法相耦合组成了 BP 网络法、灰色关联法、层次分析法、模糊评判法等新的方法。例如，高玉婷等从多个方面建立河流健康评价体系，利用模糊矩阵法评价河流隶属度等级;李文君等以北运河为例，通过建立评价体系、等级标准、可变模糊集与集对分析模型评价河流生态健康状况;李瑶瑶等结合淮河流域河南段实际情况，从地貌特征、生物状况、水质条件、水文特征的角度合理选择能够反映河流生物学和生态学完整性的指标构建生态健康评价体系，但未考虑生态系统对人类的社会价值，即河流的社会服务功能。本文结合太子河流域特点和生态环境现状，选择水生生物、地貌形态、社会功能和水文水质等指标构建生态健康评价体系，采用层次分析法计算评价太子河河流生态健康状况，并进一步分析可能成因及其空间差异性，可以为城市水生态修复和流域水环境保护等提供决策依据。1评价方法1 1样点设置太子河是辽宁省较大河流之一，从东向西南主要流经抚顺、本溪、辽阳、沈阳、鞍山、丹东等地区，最后于海城市三岔河与浑河汇流成大辽河，全长 413 km，流域面积 13 883 km2。流域内主要有清河、小汤河、五道河、小夹河、卧龙河、南沙河、细河、三道河、北沙河等支流，河网水系如图 1。调查显示，太子河总体处于类或类水质，黑臭水体已基本消失，但部分支流水生生物多样性较少，局部河段还存在可亲水度小、水流状况差、河岸带侵蚀和渠系化等问题。图 1太子河流域水系图在 2020 年 4 月和 9 月采样调查太子河水系状况，结合流域实际情况布设 21 个采样点，其中太子河干流布设采样点12 个，编号 TZH1 12;支流清河、小汤河、五道河、小夹河、卧龙河、南沙河、细河、三道河、北沙河各布设 1 个采样点，编号 QH BSH。1 2样品采集本研究选取 DO(溶解氧)、CODMn(高锰酸盐指数)、NH3 N(氨氮)、TP(总磷)、pH 值作为水质监测指标，选择浮游植物和浮游动物作为水生生物指标，并选用社会功能、地貌形态和水文水质等其它指标。其中，各采样点浮游植物现场取样后，用鲁哥试剂固定并带回实验室，然后把 1L 水样沉淀浓缩到 50 ml 备用。对于浮游动物定性标本应先用 13#浮游生物网采集再过滤到聚乙烯瓶内，对于浮游动物定量标准先用 5L 采水器对表层水采集 4 次再过滤到 100 ml 聚乙烯并内，定性与定量标本均用福尔马林溶液保存。采用拍照对5012023 年 5 月第 45 卷第 3 期地下水Ground waterMay，2023Vol.45NO.3比、实地考察、专家咨询和文献资料等方法，通过现场评价对太子河流域其它指标进行打分。1 3计算分析现场采用 HydrolabDS5 多参仪测定 DO(溶解氧)和 pH值，参照文献中的方法采集和测定 CODMn(高锰酸盐指数)、NH3 N(氨氮)和 TP(总磷)浓度值，利用显微镜分类计数法鉴定水生生物物种，在实验室静置 48 h 后测定浮游动物样品虹吸浓度。水生生物多样性选用浮游植物和浮游动物的Shannon Wiener 指数 H 来衡量，其表达式如下:H=si=1pilnpi(1)式中:S、pi为样品分类单元总数和个体 i 占总样品的比例。采用 Arc GIS10 2、Origin8 0、Matlab 2016a、Excel 等软件进行得分结果差值、柱状图绘制、权重计算和评分统计分析。2生态系统健康评价2 1构建评价体系本文充分考虑太子河流域现状和河流功能特征，遵循实用性、系统性、数据可获取性和科学认知等原则，通过分析河流健康受各个因素的影响作用，从社会功能、水生生物、地貌形态、水文和水质五个方面选择 17 项代表性指标构建递阶层次结构评价体系，如表 1。表 1河流生态系统健康评价体系目标层准则层权重指标层权重太子河河流生态系统健康评价O水文子系统 P10 142 8水质子系统 P20 224 6地貌形态子系统 P30 357 7水生生物子系统 P40 165 4社会功能子系统 P50 109 5水流状况 S10 369 0水域面积 S20 452 2涉水工程影响程度 S30 178 8TP(总磷)S40 225 0NH3 N(氨氮)S50 225 0CODMn(高锰酸盐指数)S60 225 0DO(溶解氧)S70 225 0pH 值 S80 100 0河道内底质 S90 251 5弯曲程度 S100 116 0河道改造程度 S110 099 6河床稳定性 S120 345 8河岸带侵蚀度 S130 187 1浮游植物 Shannon Wiener 指数 S140 500 0浮游动物 Shannon Wiener 指数 S150 500 0河岸带植被多样性 S160 500 0可亲水度 S170 500 02 2权重计算根据生态环境领域专家意见、现场调研情况以及相关文献资料，利用层次分析法两两比较每一级指标的相对重要性，并结合分析结果给出标度值构造判断矩阵，经 Matlab2016a 软件处理进行层次单排序和总排序，经一致性检验符合 C 0 10 的要求，并确定河流生态系统健康评价指标层和准则层各因子权重，如表 1。结果表明，从小到大准则层各因子权重排序为社会功能 水文 水生生物 水质 地貌形态子系统;对于社会功能与水生生物子系统，其下一级各指标权重相等均为 0 500 0;对于水文子系统，其下一级各指标权重排序为涉水工程影响程度 水流状况 水域面积;对水质子系统，其下一级各指标权重排序为 pH 值 DO=CODMn=NH3 N=TP;对于地貌形态子系统，其下一级各指标权重排序为河道改造程度 弯曲程度 河岸带侵蚀度 河道内底质 河床稳定性。2 3等级划分结合太子河流域水环境治理目标，通过专家咨询、查阅文献和参考相关网站等方式建立评价标准。采用具体数据直接给出可量化指标的赋分范围或标准值，通过定性描述界定定性指标的赋分标准。对各项参评指标依据评分标准赋分，每项指标可以划分成 级，对应的赋分值依次为 5、4、3、2、1。河流社会服务功能越强、越接近自然状态及生境状况越高则该指标赋分越高，反之则越低。总体上，可以将河流生态系统健康评价分为 3 步:(1)指标层评分，对太子河各样点所有指标按照河流生态健康评价标准进行赋分，将各指标权重与对应评分结果相乘得到各指标层评分;(2)准则层评分，将同准则层下一级各指标评分求和后乘以相应准则层权重，从而计算各准则层评分;(3)综合评分，将准则层评分求和后可以确定各样点生态健康综合评分，最后将综合评分划分成(4，5、(3，4、(2，3、(1，2、(0，1五个等级，对应的河流生态系统处于健康、亚健康、脆弱、病态和恶劣状态。2 4单项指标健康评价为了进一步识别主导因素，采用单项差值法计算太子河河流生态系统健康评价各准则层评分，结果发现各指标评分分布表现出一定的空间差异性和干支流差异性。对于水文子系统，干流各样点间未呈现出明显差异，各支流样点间整体呈阶梯式变化特征，中游水文状况优于下游;对于水质子系统，总体表现出明显的空间差异性，上游水质明显优于下游;对于地貌形态子系统，其空间差异性与水文子系统相近，干流各样点间未呈现出明显差异，上游支流的地貌形态总体优于下游;对于水生生物子系统，干流各样点显著好于支流，中上游支流各样点间的水生生物多样性优于下游;对于社会功能子系统，干流各样点之间具有比较明显的空间差异性，上游的河流社会功能优于下游，各支流样点间差异不明显。太子河上游段 TZH11 和 TZH12 两个点位的水质及水文子系统评分接近满分，其社会功能和地貌形态子系统评分也较高，而下游支流的清河 QH 样点各指标评分最低。结合单项指标评分，对于地貌形态和水文子系统而言，一方面受径流冲刷侵蚀作用，太子河很难维持原有的河岸带及自然河流形态;另一方面，部分河段为防洪排涝功能要求被改造成硬化混凝土，严重破坏了河流生境。另外，拦河建闸阻断了干、支流之间的水体连通，加之清淤疏浚必须截流，这也是降低下游地貌形态和水文子系统评分的重要原因。对于水质子系统，从中上游流出的废污水汇集到下游地区，使得下游的水环境恶化。下游支流产业集中、人口密集，其较高的城市化水平显著影响着水环境质量。水生生物指标既受生存空间的制约又受水环境质量的影响，支流水域面积小、流速低、流量小等特点不利于水生生存的生存。另外，太子河上游段人口较少，其影响及改造河流周边环境与形态的程(下转第 126 页)601第 45 卷第 3 期地下水2023 年 5 月毛管持水量变化呈极显著相关性(P 0 01，F=9 970)。在不同深度上，刺槐林地的毛管 持 水 量 相 较 于 撂 荒 地 增 大5 9%、19 2%、11 6%、8 4%、10 6%、20 6%，这表明林木的根系作用能够在一定程度上增大土壤毛管持水量。(3)最小持水量。由表 3 可知，树龄 40 a、30 a、25 a、20a、15 a、10 a 年的土壤 最 小 持 水 量 平 均 值 依 次 为 132 02g/kg、130 51 g/kg、130 23 g/kg、127 44 g/kg、128 46 g/kg、129 98 g/kg，不同深度的最小持水量相差不大。经方差分析，树龄与最小持水量变化未达到显著相关性(P 0 05，F=0 175)，表明不同植被条件下即不同树龄的土壤最小持水量差异无明显规律性。10 cm、20 cm、40 cm、60 cm、80 cm、100cm 深度时的土壤最小持水量平均值依次为 126 86 g/kg、135 57 g/kg、129 89 g/kg、115 11 g/kg、120 81 g/kg、150 40 g/kg，不同深度的最小持水量相差明显。经方差分析，土壤深度与最小持水量变化呈极显著相关性(P 0 01，F=9 516)。在不同深度上，刺槐林地的最小持水量相较于撂荒地增大 19 2%、25 0%、25 8%、8 2%、21 6%、31 7%。3结语(1)随土壤深度和树龄变化刺槐林地土壤容重呈极显著相关性，树龄与土壤通气度、非毛管孔隙度、毛管孔隙度、总孔隙度之间均无明确的变化规律，而土壤深度与这些参数呈极显著差异性。通过土壤根系和凋落物作用刺槐林地能够在一定程度上改善土壤的孔隙状况，减小容重。(2)树龄与刺槐林地毛管持水量、最大和最小持水量未达到显著相关性，而深度与这些参数呈显著极显著相关性。通过土壤根系和凋落物作用刺槐林地在很大程度上增强了土壤的持水能力。参考文献 1赵世伟，刘娜娜，苏静，等 黄土高原水土保持措施对侵蚀土壤发育的效应J 中国水土保持科学 2006 4(6):5 2路炳军，王志强 北京西部山区径流小区产流产沙和土壤养分流失特征J 中国水土保持科学 2015 13(6):33 3金守哲 大凌河河谷地区土壤侵蚀时空变化特征分析J 水土保持应用技术 2022(01):12 15 4周志宇 侵蚀性降雨及不同植被类型对小流域产流产沙的影响分析 J 水土保持应用技术 2022(01):8 11 5张晓光 基于 In VEST 模型的小流域土地利用优化措施研究J 地下水 2021 43(03):224 225 6邱扬，傅伯杰，王军，等 土壤水分时空变异及其与环境因子的关系J 生态学杂志 2007 26(1):100 107 7闫胜军，郭青霞，闫瑞，等 不同土地利用类型下水土流失特征及雨强关系分析J 水土保持学报 2015 29(2):45 49(上接第 106 页)度较低，河流接近自然可以更好地保护河岸带植被多样性。2 5生态系统健康综合评价太子河河流生态健康综合评分如图 1，结果显示河流生态系统达到健康、亚健康、脆弱和病态的采样点依次为 4 个、13 个、3 个、1 个，所占比例分别为 19 05、61 90%、14 29%和 4 76%，太子河河流生态系统整体处于亚健康水平。对于所有采样点，评分最高、最低的是太子河 TZH12 的 4 14 分和清河 QH 的 1 97 分。在太子河干流 12 样点中，生态系统处于健康状态的有 4 个，处于亚健康状态的有 8 个;在清河、小汤河、五道河、小夹河、卧龙河、南沙河、细河、三道河、北沙河9 个支流样点中，生态系统处于亚健康状态的有 5 个，处于脆弱状态的有 3 个，处于病态的有 1 个。因此，太子河干流生态状况明显优于支流，干支流生态健康呈现出明显差异性。图 2河流生态健康综合评分从整个流域上，太子河河流生态系统健康表现出显著的空间差异性，上游段总体处于亚健康及以上水平，中、下游段稍差以亚健康和脆弱状态为主，只有个别河段处于病态，上游段生态系统普遍好于下游段。这是因为上游段河流受人类活动影响较弱，河道仍维持着原始形态，开发利用程度较低;另外，干流点位的流量较大，相比于支流其河道较宽，具有更强的污染物稀释和自净功能。3结语本文从社会功能、水生生物、地貌形态、水文和水质五个方面选择 17 项代表性指标构建递阶层次结构评价体系，利用层次分析法评价了太子河河流生态健康状况。结果表明，河流生态系统达到健康、亚健康、脆弱和病态的采样点依次为 4 个、13 个、3 个、1 个，所 占 比 例 分 别 为 19 05%、61 90%、14 29%和 4 76%，无生态恶劣样点，太子河河流生态系统整体处于亚健康水平。太子河河流生态系统健康表现出显著的干支流差异性和空间差异性，干流和上游普遍优于支流及下游，究其原因可能是上游河段受人类活动影响较弱，河道仍保留着原有自然形态;下游人口密集，经济发展活跃，污废水排放量较大，显著影响着河流水质;另外，受径流冲刷侵蚀作用无法保证河岸带状况，干流相比支流存在流量大、河道宽等特点，具有更强的污染物稀释和自净功能，故受不利影响作用较低。参考文献 1李凤清，蔡庆华，唐涛，等 基于河流环境生物与生物复合指标评价辽北地区 河 流 生 态 系 统 健 康J 应 用 与 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