北京市水生態監測評價方法構建及應用

孫 峰,黃振芳,楊忠山,陶 亮

北京市水文總站，北京 100089

北京市水生態監測評價方法構建及應用

孫 峰,黃振芳,楊忠山,陶 亮

北京市水文總站，北京 100089

根據北京市多年水生態監測的經驗，確立了典型地表水體水生態監測的水文地貌、理化指標和生物要素。其中，生物要素評價因子主要包括浮游植物、浮游動物和底棲動物。并依據2014年監測結果進行了分析評價，將水生態狀態等級分為5級。評價結果表明：北京市典型地表水體水生態狀態綜合評價結果中處于“中等”級別的監測斷面數量為7個，占監測總數的41.2%，生物要素對最終評價結果影響略大。

水生態監測與評價；北京河湖；理化指標；生物要素；水文地貌

隨著經濟社會的發展，中國水生態問題愈來愈突出，如水體污染、湖泊面積減少、濕地退化、河道斷流、地下水位持續下降、入海水量減少等[1]。近10年來，湖泊富營養化發生的頻次越來越高，富營養化發生湖區面積越來越大。2001年夏季北京市城市河湖暴發了大面積的藍藻水華，2005年8月底至9月初, 昆明湖又出現了較嚴重的水華現象，營養級別為中度富營養, 葉綠素a含量高達70.8 mg/m3，浮游植物數量達4 108.28×104cells/L[2]。

針對中國水生態日趨嚴重等問題，水利部水文局自2008年以來多次召開會議要求各級水環境監測中心加強水生態監測，先后啟動了太湖、巢湖、滇池、洪澤湖等16個大型湖庫藻類監測試點工作，2009年擴大至33個區域。2012年2月，為了保護松花江流域水生態環境，哈爾濱市頒布實施了全國首部規范水生態行業的管理法規《哈爾濱市水生態監測條例》，該條例規定了水生態監測的內容包括水位、流速、泥沙含量等水文監測，魚類、底棲動物、浮游生物、水生植物等水生生物監測，以及水體理化指標等水質監測。2013年水利部水文局組織召開了水生態監測工作座談會，對水生態監測工作進行了部署，明確水生態監測是當前和今后一個時期水文部門必須深入推進的重點工作。北京市水文總站自2009年以來，對北京市重要的水源地與景觀水體進行水生態監測，一年分3次，分別于藻類生長的萌發期(5—6月)，繁盛期(9月)，衰亡期(11月)進行，并對各水體水生物多樣性狀況及其富營養化程度進行分析評價。

2000年10月23日，歐洲議會與歐盟理事會(2000/60/EC號令)通過了《歐盟水框架指令》(WFD)，該指令成為歐盟水領域的行動法令。WFD明確要求各成員國應用生物指標、物理化學指標以及水文地貌要素相結合的綜合評價方法對地表水水質進行分類。水質評價的生物指標包括浮游植物、水生植物和底棲植物(河道和湖庫)，被子植物和大型藻類(沿海水域和過渡性水域)以及底棲無脊椎動物和魚類[3]。由于歐洲大陸地理環境和水生境具有多樣性，WFD沒有規定統一的水生態評價方法。截至2010年2月28日，25個歐盟成員國共提交了231種水生態評價方法，其中79種方法用于河道水生態評價。大部分評價方法應用環波羅的海地區的生態數據進行了相互驗證。

根據WFD相關文件，地表水體水生態評價結果分為5類：好、較好、中等、差、較差。其中處于“中等”“差”和“較差”等級的水體需要采取治理措施。2010年德國環保署數據表明，德國僅10%的地表水體達到水生態“好”和“較好”的等級[4]。

由于中國幅員遼闊，水生態環境具有多樣性和復雜性，目前還沒有成熟和統一的水生態監測與評價相關的技術標準或規范。研究將根據北京市水文總站近幾年水生態監測的實踐經驗，就北京市水生態監測現狀與評價方法相關問題進行論述與探討。

1 實驗部分

1.1 采樣點布設

北京市地處華北平原的北部，屬海河流域，天然河道自西北向東南貫穿五大水系：拒馬河水系、永定河水系、北運河水系、潮白河水系和薊運河水系，城市中心區多為經過人工改造的河道。北京沒有天然湖泊，全市共有85座水庫，其中大型水庫有密云水庫、官廳水庫、懷柔水庫和海子水庫。通過對北京市五大水系分析，根據不同類型水體的代表性，選擇6個水庫、7個湖泊及4條河流，結合現有水質監測斷面進行布點，監測斷面位置如圖1所示。采樣點布設應在現場調查的基礎上，根據水體的水文和水環境特征進行選定，一般應在湖庫的出水口、進水口和中心區域等位置布設采樣點。樣點的多少可視水體大小和具體情況而定，精度應能夠全面反映水體的水生態狀況。研究中水庫多為北京市重要供水水源地，現有水質監測代表斷面以壩前出庫口或取水口為主，水生態監測斷面與水質監測斷面保持一致。對于大型水庫，在今后的監測工作中將增設水生態監測斷面以便全面反映整個水體的水生態狀況。

圖1 北京市水生態監測斷面示意圖Fig.1 The location of sample sections for ecological status assessment of surface water bodies in Beijing area

1.2 監測指標

鑒于生態系統的復雜性，生態監測指標的選擇往往是根據生態系統的類型進行選擇，具體涉及到水文地貌、動植物、水質、土地利用等多個方面。

在評價河流、湖泊、地下水等水資源質量時，理化指標目前是應用最為廣泛的指標類型，很早就被作為管理工具用于水資源保護工作。這些水質理化指標主要包括水體中各種陰陽離子濃度、溶解性氣體、有機污染物、營養物質以及濁度、透光率等。 《地表水環境質量標準》(GB 3838—2002)，《生活飲用水衛生標準》(GB 5749—2006)和《地下水質量標準》(GB/T 14848—1993)具體對不同水體的水質指標在使用時應滿足的濃度標準進行了分類規定。

但基于理化分析的水質監測評價并不能有效反映生態系統狀態，滿足水質標準的水體并不意味著生態系統處于良好的狀態。而基于生物的基因、個體、種群等屬性的生物因素指標與水質指標相比，能夠提供一種生物或生態學上的評估，從而使評價結果更容易解釋; 生物因素對整個生態系統功能的退化更為敏感，容易反映出生態系統遇到的長期的、累積性的影響。因此，基于生物屬性的相關指標迅速發展起來[5]。美國環保局、WFD以及國內水生態監測的先行示范區大多將魚類、大型底棲無脊椎動物、維管束植物和浮游植物作為水生態監測的主要生物因素。

除了水生態系統的理化指標和生物因素，水文地貌的狀態作為非生物因素，在水生態系統中能夠更容易反映人類活動對其干擾和破壞作用。WFD直接將受人類活動影響較大的河流(如航道、運河等水體)單獨進行水生態評價。河流水文地貌的評價因子主要包括幾何形態、河床底質、植被、水文、河流連續性、河岸改造、河灘利用等因素。

基于以上對水生態系統監測指標的分析和北京市河湖的具體情況，表1列出了3類監測要素和相關監測指標。

表1 北京市河湖水生態監測指標Table 1 Monitoring parameters for riviers and lakes ecological status assessment in Beijing area

注：“—”表示北京市河流通常不監測透明度。

1.3 評價方法

目前，美國和歐盟的湖庫生態系統健康評價多采用生物學評價方法，即通過選擇本地區未受人類活動影響的天然水體作為參照湖庫，利用被評價水體的水生生物(如浮游動物、浮游植物、底棲動物、魚類等)，理化指標以及水文地貌等要素與參照湖庫的偏離程度對湖庫生態系統的整體健康狀況和等級進行分析和評價[6]。就北京地區而言，社會經濟的發展導致水資源開發利用程度較高，很難找到一個未受到人類活動干擾的天然水體。為了解湖庫水生態系統的健康狀況，北京市水文總站聯合首都師范大學以及中國環境科學研究院，于2009—2014年通過對北京市17個水生態監測站點的監測結果分析，初步建立起一套北京市湖庫水生態評價指標體系和評價方法。

1.3.1 評價等級

根據2009—2014年北京市水生態監測成果和目前北京市各湖庫水生態現狀，北京地區湖庫水生態系統健康評價等級分為5級，其基本特征見表2。

1.3.2 單項指標分類評價

對三大水生態監測要素的各項因子單獨進行評價分類，按照“從劣不從優”的原則確定最終水生態健康狀態。各單項指標評價方法如下：

1.3.2.1 水文地貌

參照北京市《山區河流水文地貌評價導則》(DB11/T 1173—2015)，根據河床幾何形狀、河床底質人工化狀況、植被自然多樣性、河流連續性、水利工程以及人類活動影響程度等將地表水體的河流水文地貌分為5級，分級標準詳見表3[7]。

湖庫的水文地貌評價要素在河流水文地貌分級標準的基礎上增加了庫濱帶植被覆蓋度、水體更新周期、水面面積和平均水深等評價因子，分級標準詳見表4。

1.3.2.2 理化指標

水體物理、化學指標能準確地反映水體中污染物的種類、濃度和水環境狀況，是水生態監測評估的必選項目，分水體水質類別評價與富營養化評價。

1)水質類別評價

表2 河湖水生態系統健康評價等級與基本特征Table 2 Grades and descriptions of ecological status assessment for rivers and lakes

表3 河流水文地貌分級標準Table 3 Classification standard for hydromorphological features of streams

表4 湖庫水文地貌分級標準Table 4 Classification standard for hydromorphological features of lakes and reservoirs

2)富營養化評價

根據湖庫水體5項理化指標[透明度(SD)、葉綠素a (Chla)、TN、TP、CODMn]的監測數據，參照修正的營養狀態指數(TSIM)法，對湖庫進行富營養化評價，評價等級分為：貧營養，中營養，富營養(輕度、中度、重度)。根據水體富營養程度評分對應生態系統健康狀況：貧營養對應“優”(I級)，中營養對應“良”(II級)，輕度富營養對應“中”(III級)，中度富營養對應“差”(IV級)，重度富營養對應“劣”(V級)。

1.3.2.3 生物要素

生物要素評價因子主要包括浮游植物、浮游動物和底棲動物。對于維管束植物、鳥類、兩棲類和魚類由于調查條件的限制只進行定性分析。

通常情況下，生物群落的種類多樣性指數越高，其群落結構越復雜，穩定性越高，水質越好；而當水體受污染時，多樣性指數降低，生物種類趨于單一，群落結構趨于簡單，穩定性變差，水質下降。研究分別采用浮游植物密度(Q1)、浮游動物密度(Q2)、浮游植物Shannon-Wiener多樣性指數(H1)、浮游動物Margalef豐度指數(M)、底棲動物Shannon-Wiener多樣性指數(H2)和底棲動物BI指數進行評估，具體分級標準見表5[8]。

表5 生物要素分級標準Table 5 Classification standard for biological parameters

2 結果分析

3個定量監測生物指標，即：浮游植物、小型浮游動物和底棲無脊椎動物。由于北京市平原區地表水水體受人類活動影響較大，多數河道進行了人工護坡、河床襯砌或建有人工閘壩等水工建筑物，因此評價中沒有考慮水文地貌因素。

表6列出了2014年北京市17個典型地表水水體監測斷面生物指標和理化指標監測值及評價結果。圖2為水生態評價結果統計。

表6 2014年北京市典型地表水體理化指標與生物指標監測評價結果Table 6 The assessment results of physico-chemical and biological parameters for typical surface water bodies in Beijing area in 2014

注：“—”為受高水溫影響，未采集到底棲動物。

圖2 北京市典型地表水體水生態評價結果統計Fig.2 The results of ecological status assessment for typical surface water bodies in Beijing area

從表6和圖2可以看出，北京市典型地表水體水生態狀態綜合評價結果中處于“中等”級別的監測斷面數量為7個，占監測斷面總數的41.2%；其中理化指標處于“良”等級的監測斷面數量為4，但由于水生物指標評價結果顯示沒有處于這個等級的斷面，基于“從劣不從優”的評價原則，因此綜合評價結果也沒有斷面達到“良”的等級。

研究中構建的北京市地表水體水生態監測多要素評價方法，是基于目前應用比較廣泛的生物多樣性指數計算方法進行水體生物要素的分級，參照國家《地表水環境質量標準》(GB 3838—2002)對水體理化指標進行分類與評價，并根據北京市地方標準對水體水文地貌進行分級，最終對三大要素的分級結果依照“從劣不從優”的評價原則，給出綜合評價結果。從2014年評價結果來看，評價等級基本符合河湖水生態系統健康基本特征(表2)。但由于目前還沒有其他廣泛應用的系統性多要素綜合水生態評價方法見諸文獻，因此還無法將該評價結果與其他方法的結果進行對比。當然該評價方法的準確性也會受基礎數據、取樣點位以及取樣時間的影響，尤其是生物要素的監測結果。該評價方法的客觀性和有效性還需要長期連續監測數據進行驗證，但初步的評價結果仍可以幫助發現水生態系統中哪個要素影響了水生態質量，為指導后期水資源管理和生態修復提供重要的建議。

3 結語

目前，中國還沒有成熟的水生態監測與評價的相關技術標準或規范。根據北京市多年水生態監測工作的經驗，確立了水生態監測的水文地貌、理化指標和生物要素，并提出三大要素所包含的各單項指標分級標準。依據2014年監測結果進行評價，評價結果表明：6個水庫型水體均為“中等”級別；7個城市景觀湖泊僅有1個為“中等”級別，2個為“劣”級別，其余4個處于“差”的等級；4個河道型監測斷面均處于“劣”的等級。

研究重點監測的是北京市廣受關注的6大水庫和平原區景觀湖泊及部分河道。對山區河流等水體由于受監測條件限制，該次評價沒有涉及。在生物要素評價中魚類和鳥類等大型生物還未納入，因此對于水生態監測要素和評價指標體系將在此研究基礎上進一步完善。

[1] 林祚頂. 水生態監測探析 [J]. 水利水文自動化,2008,4:1-4.

LIN Z D. Discussion and analysis on water ecology monitoring [J]. Automation in Water Resources and Hydrology,2008,4:1-4.

[2] 荊紅衛, 華蕾, 孫成華，等. 北京城市湖泊富營養化評價與分析 [J].湖泊科學,2008,20(3):357-363.

JING H W,HUA L,SUN C H,et al.Analysis on urban lakes’ eutrophication status in Beijing [J].Journal of Lake Science,2008,20(3):357-363.

[3] BIRK S, BONNE W, BORJA A, et al. Three hundred ways to assess Europe’s surface waters: an almost complete overview of biological methods to implement the Water Framework Directive [J]. Ecological Indicators,2012,18:31-41.

[4] RICHTER S, LKER V J. Water Framework Directive: The Way Towards Healthy Waters; Results of the German River Basin Management Plans 2009 [M].Berlin:BMU, Publ.Relations Division,2010.

[5] 胡俊,沈強,陳明秀,等.生態監測指標選擇的探討 [J].中國環境監測,2014,30(4):166-170.

HU J,SHEN Q,CHEN M X,et al.Discussion a selection of ecological monitoring indicator [J]. Environmental Mornitoring in China,2014,30(4):166-170.

[6] CARONI R, BUND V W.Review of approaches for combining BQEs in WFD assessment. WISER Deliverable 6.2-1[M].EU：WISER Project,2010.

[7] 吳敬東,段淑懷,葉芝菡.北京市山區小流域主溝道水文地貌調查與分級 [J].中國水土保持科學,2013,11(6):33-38.

WU J D,DUAN S H,YE Z H.Hydromorphological investigation and classificaiton of streams in mountainous areas of Beijing [J]. Science of Soil and Water Conservation,2013,11(6):33-38.

[8] 況琪軍,馬沛明,胡征宇,等.湖泊富營養化的藻類生物學評價與治理研究進展 [J]. 安全與環境學報,2005,5(2):87-91.

KUANG Q J,MA P M,HU Z Y,et al.Study on the evaluation and treatment of lake eutrophication by means of algae biology [J].Journal of Safety and Environment,2005,5(2):87-91.

Assessment of Ecological Status for Surface Water Bodies in Beijing Area

SUN Feng,HUANG Zhenfang,YANG Zhongshan,TAO Liang

Beijing Hydrological Centre,Beijing 100089,China

The biological as well as supporting hydromorphological and physico-chemical quality elements are used in assessment of the ecological status for surface water bodies in Beijing area based on practices in the last five years. The biological quality elements include phyto-plankton, zooplankton and benthic invertebrates in quantities. The ecological status is classified into 5 levels based on the monitoring data in 2014.The results show that 7 water bodies were classified as moderate status, accounting for 41.2% in total. The biological quality elements weight a bit more than physic-chemical parameters to the final classification by the principal of one-out, all-out rule.

assessment of ecological status;lakes and rivers in Beijing；physical and chemical parameters;biological quality elements;hydromorphogy

2016-02-26;

2016-06-13

孫 峰(1977-)，女，山東煙臺人，博士，高級工程師。

X826

A

1002-6002(2017)02- 0082- 06

10.19316/j.issn.1002-6002.2017.02.13