黃昌碩， 蓋永偉， 吳 京

(1.南京水利科學(xué)研究院 水文水資源與水利工程科學(xué)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 江蘇 南京 210029； 2.江蘇省水資源服務(wù)中心， 江蘇 南京 210029)

1 研究背景

目前，國內(nèi)現(xiàn)有的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)、規(guī)范和導(dǎo)則中，涉及到水生態(tài)監(jiān)測與安全評估的內(nèi)容遠(yuǎn)不能滿足生態(tài)文明城市建設(shè)的需求，相關(guān)指標(biāo)應(yīng)用并未廣泛普及，尚未建立常規(guī)性的動態(tài)監(jiān)測體系[1]。

近年來，南京市江寧區(qū)河流生態(tài)狀況受經(jīng)濟(jì)社會高速發(fā)展的影響，個別時段部分河段水質(zhì)狀況較差，不能滿足群眾對美好生態(tài)環(huán)境的需求。因此，開展河流水生態(tài)監(jiān)測與安全評估研究，有助于摸清河流水生態(tài)系統(tǒng)狀況，為生態(tài)系統(tǒng)保護(hù)與科學(xué)恢復(fù)提供基礎(chǔ)支撐，也有助于提高周邊群眾的生活滿意度。

本次研究以南京市江寧區(qū)牛首山河為例，對河流水生態(tài)狀況進(jìn)行監(jiān)測和安全評估，為促進(jìn)河流生態(tài)系統(tǒng)的整體恢復(fù)提供技術(shù)支撐。

2 研究區(qū)概況

江寧區(qū)位于南京市南部，長江下游南岸，區(qū)域總面積1 558 km2，水域面積186 km2(不含長江)，處秦淮河流域中游、鄰近長江，過境水資源量豐富，降水充沛。牛首山河系外秦淮河支流，西起洋山、東至外秦淮河干河，屬太湖流域。河道由人工納污渠(沿隱龍路及沿康平街)、硬化岸堤河道段、自然岸堤河道段等組成，全長約8.0 km，流域面積約46.4 km2，沿河設(shè)有何魏泵站、長山泵站、江南青年城處理站、水閣路橋等污水提升或處理設(shè)施。牛首山河作為江寧城區(qū)的主要支流之一，是城市生態(tài)系統(tǒng)的重要組成部分，近年來受到人類活動的劇烈干擾，其水質(zhì)逐步出現(xiàn)惡化狀態(tài)，河流生態(tài)系統(tǒng)受到嚴(yán)重破壞。這幾年，通過實(shí)施截污治污、生態(tài)修復(fù)等一系列工程措施，其生態(tài)環(huán)境狀況已有明顯好轉(zhuǎn)，但依舊不能滿足周邊群眾對生態(tài)環(huán)境日益增長的高需求。牛首山河具體位置見圖1。

圖1 南京市江寧區(qū)水系及牛首山河位置和監(jiān)測點(diǎn)布置圖

3 研究方法

本次研究通過在牛首山河上布設(shè)監(jiān)測站點(diǎn)和現(xiàn)場采樣調(diào)查等手段[2]，構(gòu)建牛首山河水生態(tài)安全評估指標(biāo)體系，選擇基于熵值法-物元可拓模型綜合評估其水生態(tài)安全狀況[3]，為牛首山河生態(tài)治理與修復(fù)提供科學(xué)依據(jù)。

3.1 水生態(tài)監(jiān)測點(diǎn)布設(shè)方案

根據(jù)牛首山河的河流長度、形態(tài)特征、水文條件和評估需要，設(shè)置3個河岸帶現(xiàn)場調(diào)查點(diǎn)與水質(zhì)監(jiān)測點(diǎn)，牛首山河1監(jiān)測點(diǎn)處于河流下游，牛首山河3監(jiān)測點(diǎn)處于河流上游。調(diào)查時間為2016年8月和2016年11月，分兩次對牛首山河開展了浮游植物和底棲動物現(xiàn)場監(jiān)測與調(diào)查。水質(zhì)監(jiān)測選擇的兩個季節(jié)為夏季和秋季，是浮游植物生長的盛期，也是水質(zhì)的敏感時期，能較好地反映河流生態(tài)系統(tǒng)的健康狀況[4-6]?，F(xiàn)場河岸帶調(diào)查于2016年8月進(jìn)行，表1給出了牛首山河的3個監(jiān)測點(diǎn)位坐標(biāo)，監(jiān)測點(diǎn)位置如圖1所示。

表1 牛首山河水生態(tài)監(jiān)測點(diǎn)經(jīng)緯度

3.2 水生態(tài)安全評估指標(biāo)與評估指標(biāo)

3.2.1 評估指標(biāo)的選取 牛首山河附近很多小區(qū)并未建立完善的污水處理設(shè)施，生活污水直接排入九龍湖，然后經(jīng)過泵站進(jìn)入河道。因此，在充分考慮到牛首山河自身資料條件和監(jiān)測采樣難度及成本，同時結(jié)合實(shí)際情況，依據(jù)科學(xué)性、完整性、實(shí)用性、可評價性的原則，牛首山河水生態(tài)安全評估指標(biāo)選取了水質(zhì)(RC1)、藻類密度(RC2)、大型底棲動物生物多樣性指數(shù)(RC3)、重金屬污染狀況(RC4)、天然濕地保留率(RC5)、河流形態(tài)結(jié)構(gòu)(RC6)、水資源開發(fā)利用指數(shù)(RC7)、最低生態(tài)水位滿足程度(RC8)、河流連通阻隔狀況(RC9)、水功能區(qū)水質(zhì)達(dá)標(biāo)率(RC10)、防洪達(dá)標(biāo)率(RC11)等11個指標(biāo)[7]，詳見表2。牛首山河現(xiàn)場采樣調(diào)查主要監(jiān)測指標(biāo)包括水質(zhì)、浮游植物、底棲動物、重金屬等指標(biāo)，其中水質(zhì)監(jiān)測數(shù)據(jù)見表3，夏季和秋季浮游植物優(yōu)勢種見表4，夏季和秋季各監(jiān)測點(diǎn)浮游植物多樣性指數(shù)見表5，夏季和秋季底棲動物各物種密度和生物量見表6，夏季和秋季各監(jiān)測點(diǎn)底棲動物多樣性見表7，夏季和秋季各監(jiān)測點(diǎn)沉積物重金屬含量均值見表8。其余指標(biāo)主要根據(jù)《江蘇省水資源公報》《江蘇省統(tǒng)計年鑒》和江寧區(qū)水務(wù)局提供的水位流量數(shù)據(jù)等計算得到。

3.2.2 評估標(biāo)準(zhǔn)的確定 本文研究的河流水生態(tài)安全狀況評估等級劃分為非常安全(Ⅰ級)、較安全(Ⅱ級)、基本安全(Ⅲ級)、不安全(Ⅳ級)、極不安全(Ⅴ級)5個等級[9]，其中各等級的臨界值都采用目前已有的規(guī)范、標(biāo)準(zhǔn)和研究成果中的指標(biāo)臨界值，

表2 牛首山河安全評估指標(biāo)-監(jiān)測指標(biāo)

注：表中“*”表示數(shù)值為優(yōu)勢度。

表3 牛首山河水質(zhì)監(jiān)測數(shù)據(jù) mg/L

如水質(zhì)監(jiān)測指標(biāo)臨界值選用地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)(GB 3838-2002)中的基本指標(biāo)標(biāo)準(zhǔn)限值，河流連通阻隔狀況、天然濕地保留率、大型底棲動物生物多樣性、重金屬污染狀況、水資源開發(fā)利用率等5個指標(biāo)參考《河流健康評估指標(biāo)、標(biāo)準(zhǔn)與方法(試點(diǎn)工作用)》(辦資源[2010]484號)中指標(biāo)的臨界值，最低生態(tài)水位保障程度、水功能區(qū)水質(zhì)達(dá)標(biāo)率、防洪指標(biāo)等3個指標(biāo)參考江蘇省水利廳發(fā)布的《江蘇省主要河流健康狀況報告》中指標(biāo)的臨界值，河流形態(tài)結(jié)構(gòu)、藻類密度等2個指標(biāo)參考國內(nèi)外水生態(tài)安全評估指標(biāo)相關(guān)研究成果以及專家建議等確定評定等級臨界點(diǎn)[10-12]。表9給出了河流水生態(tài)安全狀況總體評估標(biāo)準(zhǔn)分級。

表4 牛首山河夏季和秋季浮游植物優(yōu)勢種

注：表中數(shù)值為優(yōu)勢度。

表5 牛首山河夏季和秋季各監(jiān)測點(diǎn)浮游植物多樣性指數(shù)

表6 牛首山河夏季和秋季底棲動物各物種密度和生物量

表7 牛首山河夏季和秋季各監(jiān)測點(diǎn)底棲動物多樣性

表8 牛首山河夏季和秋季各監(jiān)測點(diǎn)沉積物重金屬含量均值 mg/kg

3.3 水生態(tài)安全評估方法

目前，國內(nèi)外學(xué)者在水生態(tài)安全評估工作中大量應(yīng)用了灰色聚類法、模糊綜合評估法、人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)法、模糊物元分析法等，在眾多評估方法中，由于物元可拓模型是直接面向問題而不是面向數(shù)據(jù)或空間形式的處理方法，因此本文選取能夠更好地反映水體實(shí)際情況的物元可拓模型方法對河流水生態(tài)安全狀況進(jìn)行評估，同時針對物元可拓模型中存在的指標(biāo)權(quán)重確定不太理想這一問題，采用熵值法對其進(jìn)行改進(jìn)[13-16]。

熵值法是一種客觀賦權(quán)法，在信息論中，熵值反映了信息無序化的程度，熵越大，有序程度就越低，不確定性越大；反之，熵越小，其有序程度越高，不確定性越小。熵值法計算步驟包括數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)、計算參評對象指標(biāo)值的比重、計算指標(biāo)信息熵值和信息效用值、計算指標(biāo)權(quán)重。熵值法確定指標(biāo)權(quán)重的本質(zhì)主要是利用了指標(biāo)信息的價值系數(shù)來計算，其價值系數(shù)越高，權(quán)重就越大，對評估結(jié)果的貢獻(xiàn)程度就越大。在指標(biāo)權(quán)重確定的過程中不需要加入任何人為主觀信息，極大程度上削弱了極端值對綜合評估的影響。

物元可拓模型通過評估級別和實(shí)測數(shù)據(jù)，得到模型的經(jīng)典域、節(jié)域及關(guān)聯(lián)度，從而建立定量綜合評估模型。物元可拓評估的具體計算步驟包括確定經(jīng)典域、確定節(jié)域、確定關(guān)聯(lián)函數(shù)、計算待評估物元同評估等級間的綜合關(guān)聯(lián)度、評定等級、計算物元隸屬程度等。熵值法和物元可拓模型的具體原理和計算過程本文不再冗述。

表9 江寧區(qū)河流水生態(tài)安全綜合評估等級劃分

本次研究選擇的熵值法-物元可拓綜合評價模型可以處理各評價等級間的過渡問題，并且很好地降低了人為對權(quán)重的干擾程度，能夠有效地反映出河流水生態(tài)安全狀況。

4 河流水生態(tài)安全綜合評估

4.1 構(gòu)建經(jīng)典域和節(jié)域

由于所選擇的指標(biāo)中既有正向指標(biāo)(越大越優(yōu))，又有逆向指標(biāo)(越小越優(yōu))，且量綱和尺度不同，因此，需要對指標(biāo)數(shù)據(jù)進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化，處理后每個指標(biāo)的取值范圍為[0，1]，將正、逆向指標(biāo)均化為正向指標(biāo)，最優(yōu)值為1，最劣值為0，得到牛首山河水生態(tài)安全評估指標(biāo)規(guī)范值。牛首山河水生態(tài)安全評估指標(biāo)值及標(biāo)準(zhǔn)化值見表10。

表10 牛首山河水生態(tài)安全評估指標(biāo)值及標(biāo)準(zhǔn)化值

構(gòu)建物元可拓評估模型的經(jīng)典域矩陣R0j：

構(gòu)造值域 ：

4.2 確定權(quán)重系數(shù)

依據(jù)上文介紹的熵值法計算各個指標(biāo)權(quán)重系數(shù)，ωj=(0.0341，0.3208，0.2766，0.0039，0.0051，0.0712，0.0277，0.1584，0.0225，0.0733，0.0063)。

4.3 確定關(guān)聯(lián)函數(shù)

結(jié)合熵值法計算得到的各指標(biāo)權(quán)重，利用可拓距和位置的定義，在將各個評估指標(biāo)值和各分級標(biāo)準(zhǔn)全部規(guī)范化的基礎(chǔ)上，計算牛首山河水生態(tài)安全評估指標(biāo)關(guān)于評估等級的關(guān)聯(lián)函數(shù)，按照最大值原則確定牛首山河水生態(tài)安全狀況的評估結(jié)果，評估結(jié)果見表11。

4.4 評定等級

表11 牛首山河水生態(tài)安全評估指標(biāo)關(guān)于不同等級的關(guān)聯(lián)度及評估結(jié)果

5 結(jié) 論

(1)本文通過布設(shè)監(jiān)測站點(diǎn)對南京市江寧區(qū)牛首山河水生態(tài)狀況進(jìn)行監(jiān)測，監(jiān)測數(shù)據(jù)顯示，該河水質(zhì)狀況中等，藻類密度遠(yuǎn)超標(biāo)準(zhǔn)限值，生物多樣性較差，存在一定的水生態(tài)安全風(fēng)險隱患；根據(jù)淡水沉積物質(zhì)量基準(zhǔn)，牛首山河表層沉積物重金屬生態(tài)毒性風(fēng)險較低。同時，采用基于熵值法-物元可拓評估模型對江寧區(qū)牛首山河水生態(tài)安全狀況進(jìn)行綜合評估，評估結(jié)果顯示牛首山河水生態(tài)安全狀況評估等級在Ⅳ～Ⅴ級之間，且更偏重Ⅳ級，水生態(tài)安全狀況較差。

(2)本文在河流水生態(tài)狀況監(jiān)測的基礎(chǔ)上，選取了11項(xiàng)評估指標(biāo)，對河流水生態(tài)安全狀況進(jìn)行評估，評估結(jié)果能夠較好地反映出一條河流的生態(tài)安全狀況。未來，不同區(qū)域可根據(jù)自身河流水系特點(diǎn)及經(jīng)濟(jì)發(fā)展?fàn)顩r，選擇不同的評估指標(biāo)，對河流水生態(tài)安全狀況進(jìn)行綜合評估，可為河流生態(tài)系統(tǒng)保護(hù)和治理提供基礎(chǔ)支撐。