遼河干流河流化學(xué)完整性評價方法對比研究

王迪, 劉智, 劉冬冬, 薛晨陽, 高英美, 周斌, 曲波

遼河干流河流化學(xué)完整性評價方法對比研究

王迪1, 劉智1, 劉冬冬2, 薛晨陽1, 高英美1, 周斌3, 曲波4,5,*

1. 沈陽環(huán)境科學(xué)研究院, 遼寧省城市生態(tài)重點實驗室, 沈陽 110167 2. 北京指南針科技發(fā)展股份有限公司, 北京 100102 3. 遼寧省生態(tài)氣象和衛(wèi)星遙感中心, 沈陽 110866 4. 沈陽農(nóng)業(yè)大學(xué), 生物科學(xué)技術(shù)學(xué)院, 沈陽 110866 5. 遼寧盤錦濕地生態(tài)系統(tǒng)國家野外科學(xué)觀測研究站, 沈陽 110866

基于河流水環(huán)境和河岸帶生境狀況進行河流化學(xué)完整性評價, 可以全面綜合的判斷河流水體及河岸帶化學(xué)污染情況, 對有效控制水體污染, 科學(xué)制定整治計劃, 恢復(fù)河流自身的環(huán)境承載力及生態(tài)系統(tǒng)功能以及對河流生態(tài)系統(tǒng)的修復(fù)都具有重要意義。以遼河干流為研究對象, 探討了化學(xué)完整性的概念、評價指標、評價標準及評價方法, 從河流水環(huán)境和河岸棲息地環(huán)境兩方面選取了19個指標, 構(gòu)建了河流化學(xué)完整性評價指標體系。同時采用模糊綜合評價法、貼近度法和綜合指數(shù)法分別對遼河干流化學(xué)完整性進行評價, 最終篩選并確定綜合指數(shù)法更適合河流化學(xué)完整性評價。綜合指數(shù)法評價結(jié)果表明, 遼河干流化學(xué)完整性評價結(jié)果總體表現(xiàn)為“一般”, 河流水環(huán)境總體評價為“一般”, 哈大高鐵、達牛和盤山閘評價為“差”。其中哈大高鐵和達牛地處交通節(jié)點, 受人為干擾較大。另外盤山閘長期處于施工狀態(tài)且靠近市區(qū), 施工廢料與城市污水污染不斷。評價結(jié)果為研究者及管理者開展遼河干流生態(tài)修復(fù)與后評估等工作提供指標與方法參考。

遼河干流; 化學(xué)完整性; 評估方法篩選; 河流水環(huán)境; 河岸帶生境狀況

0 前言

我國最早被選取進行河流健康評價的河流水環(huán)境指標為水質(zhì)[1], 通常用于將河流水質(zhì)狀況指標與《地表水環(huán)境質(zhì)量標準》進行比對。涂敏利用水功能區(qū)水質(zhì)的達標率對長江干流進行河流健康評價[2]; 董桂華利用單因子評價方法對阜新境內(nèi) 6條河流進行水質(zhì)監(jiān)測[3]; 段少杰等利用模糊綜合評價法和加權(quán)歐氏距離法對陽泉市主要河流進行水質(zhì)評價[4]。

近年來, 越來越多的研究將水質(zhì)狀況等化學(xué)指標與生物(魚類、底棲生物、著生藻類等)、物理(河岸帶寬度、坡度、河流蜿蜒度等)完整性評價指標整合篩選, 構(gòu)建生態(tài)系統(tǒng)完整性評價指標體系, 對河流進行生態(tài)系統(tǒng)完整性評價[1,5]。生態(tài)系統(tǒng)的完整性主要包括物理、化學(xué)和生物三個方面的完整性[6], 是生態(tài)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和功能的完整性, 是生態(tài)系統(tǒng)維持各生態(tài)因子相互關(guān)系并達到最佳狀態(tài)的自然特性。宋蒙蒙等選取水文等7個物理完整性指標、電導(dǎo)率等5個化學(xué)完整性指標、硅藻屬總數(shù)等4個著生藻類生物完整性指標對渭河進行生態(tài)系統(tǒng)完整性評價[7]; 張杰等選取魚類總分類單元等20個魚類生物完整性指標、水溫等8個物理完整性指標和化學(xué)需氧量等17個化學(xué)完整性指標對渾太河河流生態(tài)系統(tǒng)完整性進行評價[5]。部分學(xué)者從景觀生態(tài)學(xué)角度選取評價指標, 構(gòu)建河流生態(tài)系統(tǒng)完整性評價指標體系。李宏偉等從自然植被凈第一生產(chǎn)力、自然系統(tǒng)穩(wěn)定性、景觀優(yōu)勢度及景觀多樣性等方面選取指標, 對拉林河流域進行生態(tài)系統(tǒng)完整性評價[8]; 余建平等從反應(yīng)景觀格局指數(shù)的斑塊面積、斑塊破碎度、斑塊性狀特征、斑塊聚集程度三個方面選取指標, 對錢江源國家公園進行生態(tài)系統(tǒng)完整性評價[9]。

美國EPA和加拿大環(huán)境部于2005年的湖泊生態(tài)系統(tǒng)狀況會議(The state of the Lakes Ecosystem Conferences, SOLEC)中首次提出化學(xué)完整性的定義, 即化學(xué)完整性指的是維持一個平衡、完整、適應(yīng)性的生態(tài)系統(tǒng)的能力, 該生物系統(tǒng)具有一個地區(qū)自然棲息地所期望的全部要素和過程[10-11]。此外, 同年中Dcpinto等也提出“湖泊的化學(xué)完整性指的是湖泊生態(tài)系統(tǒng)中的化學(xué)物質(zhì)組成可以為系統(tǒng)提供必要的需求以滿足生態(tài)系統(tǒng)完整性, 而這些化學(xué)物質(zhì)的含量是有限的, 對維持生態(tài)系統(tǒng)的需求和完整性來說不能太高或太低”[12]。由此可見, 化學(xué)完整性作為生態(tài)系統(tǒng)完整性中的一個重要組成成分, 是生物生存條件的體現(xiàn), 是對水生態(tài)安全的一種檢驗, 是對生物生存的理化環(huán)境質(zhì)量的一種反映。目前, 關(guān)于化學(xué)完整性系統(tǒng)評估的案例較少, 且大多數(shù)學(xué)者以《河流健康評價指標方法與標準》為評估結(jié)果分級賦分依據(jù), 利用水質(zhì)狀況、耗氧有機污染狀況、重金屬污染狀況、富營養(yǎng)狀況等指標構(gòu)建指標體系, 對河流、湖庫等進行化學(xué)完整性評價, 評價區(qū)域包括大凌河[13]、渾河[14]、青戈江[15]、遼河干流上游石佛寺水庫[16]、復(fù)州河[17], 程佩瑄利用pH、電導(dǎo)率、溶解氧、化學(xué)需氧量等水質(zhì)指標構(gòu)建水化學(xué)完整性評價指標體系對松花江水化學(xué)完整性進行評價[11], 綜合考慮河岸帶土壤化學(xué)特性的研究尚未發(fā)現(xiàn)。河流生態(tài)系統(tǒng)主要包括河流水體、水岸交換區(qū)和河岸帶棲息地三個部分, 河流水體中化學(xué)指標是否達標決定了水生生物生存條件及物種多樣性, 河岸帶土壤環(huán)境決定了河岸帶植被生長速率及生存條件[18]。

模糊綜合評價法主要應(yīng)用在河流完整性[19-20]、水質(zhì)評價[21-22]與河流健康評價中[23]。郭維東等評價結(jié)果表明, 模糊評價法適用于多沙河流水庫物理完整性, 評價結(jié)果與實際情況相符[19-20]; 孫雷認為模糊評價法采用取大取小的運算法則對河流湖庫進行水質(zhì)評價, 容易造成數(shù)據(jù)信息丟失, 影響評價結(jié)果[24], 而黃瑞等研究結(jié)果表明模糊評價法適用于水質(zhì)評價, 評價結(jié)果與實際相符[25]; 劉營和趙夢嫻等認為, 模糊評價法可以客觀地反映出河流體系的模糊性與連續(xù)性, 減輕了不確定性因素對評價結(jié)果的影響, 適用于河流健康評價[23,26]。模糊貼近度法主要應(yīng)用在水質(zhì)評價, 林和振[27]、張文鴿等[28]和關(guān)全成等[29]研究結(jié)果表明, 基于模糊貼近度法進行水質(zhì)評價原理明確, 計算簡便, 且能夠完整地反應(yīng)水環(huán)境質(zhì)量的污染程度。綜合指數(shù)法主要應(yīng)用在完整性評估[5,30-31]、生態(tài)環(huán)境狀況評價[32]和水質(zhì)分析[22]中。王迪等和楊薇等利用綜合指數(shù)法分別對遼河干流和白洋淀進行生物完整性評價, 認為綜合指數(shù)法可以相對準確的用于河流生物完整性的評價[30]; 張杰等[5]和徐香勤等[33]利用綜合指數(shù)法分別對渾太河流域和天津市河流進行生態(tài)系統(tǒng)完整性評價。朱國宇等[30]、彭翠華等[34]和李朝等[35]基于綜合指數(shù)法對河流水生態(tài)系統(tǒng)生態(tài)環(huán)境質(zhì)量進行健康評價, 結(jié)果表明綜合指數(shù)法適用于生態(tài)環(huán)境健康評價; 趙江輝等[22]和薛鵬飛[36]評價結(jié)果表明綜合指數(shù)法對河流水質(zhì)進行評估, 評價結(jié)果與實際情況基本相符, 但在水質(zhì)級別的劃分人為因素較大, 評分結(jié)果的表達無法與國家標準的級別嚴格對應(yīng)。

河流生態(tài)系統(tǒng)的化學(xué)完整性評估對象不應(yīng)僅包含河流水環(huán)境的化學(xué)性質(zhì)特征, 與河流緊密連接的河岸帶土壤的化學(xué)性質(zhì)也同樣重要[37]。因此, 本研究基于河流水體理化特性和河岸土壤理化特征兩個方面指標, 構(gòu)建河流化學(xué)完整性評價指標體系, 對遼河干流進行化學(xué)完整性評價。該研究結(jié)果為河流水體的綜合治理、河流生態(tài)系統(tǒng)保護成效評估與可持續(xù)發(fā)展提供方法體系參考。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)域

遼河是我國東北地區(qū)南部最大的河流, 是中國七大河流之一。遼河起源于我國河北省平泉縣七老圖山脈的光頭山, 沿途流經(jīng)內(nèi)蒙古自治區(qū)、吉林省, 最終在遼寧省盤錦市盤山縣注入渤海。本試驗研究區(qū)域為遼河干流1050線區(qū)域內(nèi), 該區(qū)域自2012年起被圍封管理, 禁止一切破壞性人類活動[38](圖1)。遼河干流始于東西遼河交匯處的鐵嶺福德店, 流經(jīng)鐵嶺、沈陽、鞍山和盤錦四市(圖2), 16個縣, 68個鄉(xiāng)[39], 全長約538 km, 平均寬度約3.5 km。地理位置為東經(jīng)123°55′ - 121°41′, 北緯43°02′—40°47′之間, 總面積達到1869.2 km2[40]。本研究沿遼河干流設(shè)置17個長期監(jiān)測點位, 以保證調(diào)查和監(jiān)測數(shù)據(jù)獲取位置的一致性。

1.2 研究方法

1.2.1 評價指標數(shù)據(jù)獲取

遼河干流于2012年開始圍欄封育, 本研究化學(xué)完整性評估指標體系與評估方法的驗證數(shù)據(jù)的取樣時間為2013年。圍封初期, 各河段在河流水體及河岸帶土壤化學(xué)特征方面表現(xiàn)出不同的問題, 便于三種評估方法評估結(jié)果準確性的對比。

1.2.1.1 河流水體理化特性指標數(shù)據(jù)獲取方法

(1)水樣獲取

水樣采集區(qū)域為遼河干流主河道17個長期監(jiān)測點位水面區(qū)域, 取樣時間為2013年的8月(豐水期)、11月(平水期)和2014年3月(枯水期)。水體理化指標的監(jiān)測應(yīng)嚴格遵守《水和廢水監(jiān)測技術(shù)方法(第四版)》中規(guī)定的技術(shù)方法[41]。

圖1 河岸帶圍封示意圖(a, 圍封前; b, 圍封后)

Figure 1 Schematic diagram of riparian zone enclosure (a, before enclosure; b, after enclosure)

圖2 研究點位分布圖

Figure 2 The position of survey sites in the main stream of the Liaohe River

(2)水體理化特征指標測定

本研究采用手持式pH計進行現(xiàn)場測定, 水體電導(dǎo)率和溶解氧分別選用電導(dǎo)率儀和便攜式快速溶解氧分析儀進行現(xiàn)場測定, 化學(xué)需氧量(COD)選用快速密閉催化消解方法進行測定, 生化需氧量(BOD)采

用稀釋接種法進行測定, 氨氮(以NH3-N計)測定采用蒸餾酸滴定法進行測定, 總磷(TP)含量采用過硫酸消解法進行測定, 重金屬含量采用直接吸入火焰原子吸收法測定, 揮發(fā)性酚含量采用溴化滴定法測定[42-43]。

1.2.1.2 土壤理化特性指標數(shù)據(jù)獲取方法

(1)土壤樣品取樣

土壤樣品取樣時間為2013年7—8月, 取樣方法為環(huán)刀取樣法, 沿河流河岸帶每個觀測點位獲取3—5個土壤樣品, 土層厚度為0 cm—20 cm。

(2)土壤樣品處理

土壤樣品帶回實驗室進行風(fēng)干處理[44], 風(fēng)干后的土壤樣品進行研磨、過篩, 20目、60目和100目分別準備100 g、50 g和50 g備用。

(3)土壤養(yǎng)分含量測定

土壤養(yǎng)分指標的測定方法參考魯如坤(1999)《土壤農(nóng)業(yè)化學(xué)分析方法》中土壤有機質(zhì)、有效氮、有效磷、有效鉀、全氮、全磷、全鉀(魯如坤, 1999)[45]。其中土壤有機質(zhì)()采用重鉻酸鉀稀釋熱法, 土壤全氮()采用半微量開氏法, 土壤全磷()采用氫氧化鈉熔融鉬銻抗比色法, 土壤有效氮()采用堿解擴散法, 土壤有效磷()采用碳酸氫鈉浸提, 鉬銻抗比色法, 土壤全鉀()采用堿熔—火焰光度法測定, 土壤有效鉀()采用乙酸銨浸提—火焰光度計法。

1.2.2 化學(xué)完整性評價指標體系構(gòu)建方法

1.2.2.1 評價指標篩選

通過運用文獻收集和統(tǒng)計分析(檢驗)相結(jié)合的方式來篩選合適的評價指標, 并結(jié)合遼河的具體情況確定最終的評價指標[30]。

1.2.2.2 確定評價標準

本研究根據(jù)《國家地表水環(huán)境質(zhì)量標準》、《國家地表水資源質(zhì)量標準》和《國家土壤環(huán)境質(zhì)量標準》的規(guī)定[43,46-47], 并參考相關(guān)研究文獻以及遼河干流自身特點, 將化學(xué)完整性指標的評價標準分為“優(yōu)(I)、良(II)、一般(III)、差(IV)、極差(V)”5個級別, 具體標準詳見下表1。

1.2.2.3 層次分析法計算權(quán)重

本研究選取層次分析法對遼河干流化學(xué)完整性評價指標進行權(quán)重確定, 權(quán)重分配過程如下。

①構(gòu)造各準則相對于總目標的—B判斷矩陣。對河流水環(huán)境狀態(tài)和河岸棲息地環(huán)境狀態(tài)進行比較, 認為河流水環(huán)境狀態(tài)比河岸棲息地環(huán)境狀態(tài)稍重要, 由此根據(jù)分級比例標度參考表得出單個指標的相對重要性值, 并構(gòu)建判斷矩陣, 如表2。

②對表征河流水環(huán)境狀態(tài)的9個評價指標進行兩兩比較, 認為水體pH與水體電導(dǎo)率是同等重要的; 溶解氧含量比水體pH和電導(dǎo)率稍重要; 化學(xué)需氧量、氨氮要比pH、電導(dǎo)率、溶解氧含量明顯重要, 比總磷、重金屬和揮發(fā)性酚稍重要, 由此構(gòu)造判斷矩陣B—, 見表3。

表1 遼河干流化學(xué)完整性評價標準

表2 判斷矩陣A—B

③對河岸棲息地環(huán)境狀態(tài)中的10個指標分別進行兩兩比較, 認為土壤有機質(zhì)含量比土壤全氮、全磷、全鉀含量稍重要, 與有效氮、磷、鉀同等重要; 土壤有效氮、磷、鉀比土壤氨氮、磷、鉀稍重要; 土壤重金屬含量、六六六、滴滴涕與有機質(zhì)和有效氮、磷、鉀同等重要, 比土壤全氮、磷、鉀稍重要, 由此構(gòu)造判斷矩陣B—, 見表4、表5。

1.2.3 化學(xué)完整性評價方法

本研究通過文獻資料搜集, 選取應(yīng)用較廣泛、成熟的模糊綜合評價法、貼近度法和綜合指數(shù)法作為河流化學(xué)完整性評價的候選方法, 并通過將三種方法評價結(jié)果與實際現(xiàn)狀進行對比分析, 確定最適宜遼河干流化學(xué)完整性評價的方法。

1.2.3.1 模糊綜合評價法

模糊綜合評價法是根據(jù)評測數(shù)據(jù)計算出每個指標對各個等級標準的隸屬度集, 形成模糊關(guān)系矩陣, 再將權(quán)重集與模糊關(guān)系矩陣進行合成運算, 獲得綜合評價集, 最后根據(jù)最大隸屬度原則, 得出現(xiàn)狀等級標準, 具體過程如下。

表3 判斷矩陣B1 —C

表4 判斷矩陣B2 —C

(1)確定評價對象的因數(shù)論域

若個評價指標

式中:為指標評價集;U為指標評價類。每類指標中的分項指標表示為指標集U,

(2)確定評價等級論域

其中1- 5分別表示5個評價等級, 即“優(yōu)”、“良”、“一般”、“差”、“極差”。

(3)建立指標類權(quán)重集

(4)建立模糊關(guān)系矩陣

綜合比較, 本文選用的隸屬函數(shù)為柯西分布函數(shù), 公式為:

式中:為隸屬度函數(shù);為指標值;為函數(shù)參數(shù), 取值見公式2-2、2-3和2-4。

當指標值位于Ⅱ類、Ⅲ類、Ⅳ類的中點時,= 1; 當指標值位于Ⅱ類、Ⅲ類、Ⅳ類的臨界點時,= 0.5; 當指標值位于Ⅰ類的左端點、Ⅴ類的右端點時,= 1。

指標處于評價標準的第Ⅱ類、Ⅲ類、Ⅳ類時:

指標處于評價標準的第Ⅰ類時:

指標處于評價標準的第Ⅴ類時:

式中:x、x為對應(yīng)級別相應(yīng)參數(shù)的上下邊界值。對于定性指標, 根據(jù)實際調(diào)查情況, 對照評價標準, 在相應(yīng)的所屬類別中選取計算公式。

(5)一級模糊綜合評價

式中:B為一級評價集;A為指標權(quán)重集;R為一級模糊關(guān)系矩陣; 計算方法采用普通矩陣算法。

表5 T檢驗結(jié)果

(6)二級模糊綜合評價

由一級模糊綜合評價結(jié)果, 得到二級模糊綜合評價集。

最后根據(jù)最大隸屬度原則, 將中最大數(shù)值所對應(yīng)的等級類別作為最終評價結(jié)果。

1.2.3.2 綜合指數(shù)法

綜合指數(shù)評價法是指運用多個指標對多個參評單位進行評價的方法, 稱為多變量綜合評價方法。對遼河干流化學(xué)完整性進行評價。計算公式如下:

式中:—化學(xué)完整性綜合評價指數(shù), 其值的大小在0—1之間;

W—表示評估指標在綜合評估指標體系中的權(quán)重值, 其值的大小在0—1之間;

I—評估指標的歸一化值, 其值大小在0—1之間。

根據(jù)指數(shù)大小, 將遼河干流化學(xué)完整性評價結(jié)果分為優(yōu)、良、一般、差和極差5級, “優(yōu)”分值范圍為80 << 100, “良”為60≤< 80, “一般”為40≤< 60, “差”為20 ≤< 40, “極差”為0≤< 20。

1.2.3.3 貼近度法

(1)單項指標隸屬函數(shù)的建立

設(shè)每個采樣點含有個評價的單項因素(指標), 每個因素(指標)分為個不同等級, 各等級項因素(指標)標準限值矩陣表示為, 待評價的每個采樣點各項實測指標值矩陣表示為。取各評價因素的第一級(起始等級)或最末等級的標準限值為評價標準, 建立各單項指標的隸屬函數(shù), 其公式和圖形如下所示:

對于數(shù)值愈大污染愈重的指標(如揮發(fā)性酚), 隸屬函數(shù)采用降半正態(tài)分布, 公式如下:

對于數(shù)值愈大污染愈輕的指標(如溶解氧), 隸屬函數(shù)采用升半正態(tài)分布, 公式如下:

(2)確定分項隸屬度

由單項指標隸屬函數(shù)公式分別計算出第(=1, 2, …,)采樣點分項指標隸屬度, 記為(C,C,,C), 其中C= (C,C,,C)T,(=1, 2,,),(=1, 2,,)個等級標準作為特殊采樣點計算其分項指標隸屬度, 記為=(D, D2,,D)其中D=(d,d,,d)T(=1, 2,,)。

(3)確定指標的權(quán)重值

由于各采樣點評價指標共有個, 每個指標的重要性可能相同, 也可能不相同。因此, 需要考慮評價指標權(quán)重,w,w,,w。本研究采用層次分析法計算得出各評價指標的權(quán)重值。

(4)計算模糊貼近度

貼近度有多種計算方法, 本研究采用應(yīng)用最為廣泛的貼近度公式, 計算公式如下:

(5)確定評價等級

1.2.4 化學(xué)完整性評價指標的確定

化學(xué)完整性指標選取應(yīng)以化學(xué)完整性內(nèi)涵為基礎(chǔ), 以所選指標對人類活動干擾具有明顯的響應(yīng)關(guān)系、指標間相互獨立、不存在重復(fù)信息、能夠較全面反映河流化學(xué)完整的不同特征屬性為原則, 以河流生態(tài)系統(tǒng)現(xiàn)狀問題為導(dǎo)向, 選取并確定化學(xué)完整性評價指標體系。

河流的水質(zhì)狀況是評價河流健康狀況的重要因素之一, 直接反映了河流物理、化學(xué)指標狀況, 表征河流水體質(zhì)量優(yōu)劣, 影響河流生物群落組成, 關(guān)系到人類生命健康和社會經(jīng)濟發(fā)展。遼河干流沿岸村屯和

工廠較多, 受工業(yè)廢水、農(nóng)業(yè)灌溉和生活污水影響較大, 故水體化學(xué)指標選取時應(yīng)多考慮有機污染物和無機鹽等指標。土壤是環(huán)境組成的重要部分, 是植物生長的基地, 也是人類生存的基礎(chǔ)和活動的場所。遼河干流圍封前受到過度開墾、放牧等因素的影響, 土壤環(huán)境面臨肥力下降、農(nóng)藥殘留、重金屬污染等威脅, 因此土壤環(huán)境指標選取時應(yīng)傾向于土壤有機質(zhì)含量、土壤有機氯含量、土壤重金屬含量等指標。

根據(jù)以上化學(xué)完整性指標篩選方法及原則確定遼河干流化學(xué)完整性評價指標。依據(jù)檢驗結(jié)果刪除均值相對較小或標準差相對較大的指標, 另由于研究區(qū)域河岸帶恢復(fù)前為農(nóng)田撂荒地, 因此有機氯農(nóng)藥指標予以保留, 共保留19個指標。通過分析最終確定化學(xué)完整性評價指標體系包含目標層、準則層和指標層, 各層包含指標如表6。

表6 化學(xué)完整性評價體系

1.2.5 化學(xué)完整性評價指標權(quán)重確定

采用層次分析法對遼河干流化學(xué)完整性評價指標進行權(quán)重賦值, 由表7可知, 河流水環(huán)境狀態(tài)(B)權(quán)重高于河岸棲息地環(huán)境狀態(tài)(B), 分別為0.75和0.25。主要原因為河流的水體理化性質(zhì)對環(huán)境污染的響應(yīng)速率較土壤更快, 且河流水體對水生生物和人類生產(chǎn)生活的影響更直接。河流水環(huán)境狀態(tài)(B)中的化學(xué)需氧量(C)和水體氨氮含量(C)權(quán)重相對較高, 均為0.234; 其次為揮發(fā)性酚類(C)和水體總磷含量(C), 分別為0.136和0.112, 其余指標權(quán)重均小于0.1。河岸棲息地環(huán)境狀態(tài)(B)中的土壤重金屬(C)、六六六(C)和滴滴涕(C)權(quán)重相對較大, 均為0.158, 其余指標權(quán)重均小于0.1。主要原因為遼河干流河岸帶圍封前多為農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng), 農(nóng)作物的耕種增加了農(nóng)田肥料的投入, 易引起土壤重金屬和有機氯等指標超標, 土壤中污染物的長期富集和河水沖刷會對河流水體造成二次污染。

表7 化學(xué)完整性評價指標權(quán)重賦值表

2 結(jié)果與分析

2.1 模糊綜合評價結(jié)果

通過模糊綜合評價法對遼河干流化學(xué)完整性進行評價, 結(jié)果表明2013年遼河干流化學(xué)完整性評價結(jié)果“優(yōu)”的隸屬度最高, 其中河流水環(huán)境評價結(jié)果“優(yōu)”的隸屬度最高, 河岸棲息地環(huán)境評價結(jié)果“一般”的隸屬度最高(表8)。各監(jiān)測點中, 評價結(jié)果為“優(yōu)”的監(jiān)測點包括哈大高鐵、雙安橋、馬虎山、毓寶臺和達牛; 評價結(jié)果為“一般”的監(jiān)測點包括福德店、三河下拉、通江口、汎河、紅廟子和盤山閘; 評價結(jié)果為“差”的監(jiān)測點包括大張; 評價結(jié)果為“極差”的監(jiān)測點包括蔡牛、魯家大橋、巨流河、滿都戶和曙光大橋。

利用模糊評價法對遼河干流進行化學(xué)完整性評價, 結(jié)果顯示同一監(jiān)測點位的一級和二級評價結(jié)果中均會出現(xiàn)對于不同評價等級隸屬度相同的現(xiàn)象, 則無法依據(jù)隸屬度準確確定各點位評價等級。如雙安橋一級評價結(jié)果中河流水環(huán)境對于“優(yōu)”和“極差”的隸屬度均為0.35; 魯家大橋二級評價結(jié)果中“一般”和“極差”的隸屬度一致, 均為0.24; 紅廟子一級評價結(jié)果中河流水環(huán)境對于“優(yōu)”、“一般”和“極差”的隸屬度一致, 均為0.32; 大張二級評價結(jié)果“差”和“極差”隸屬度一致, 均為0.31; 盤山閘一級評價結(jié)果中河流水環(huán)境對于“一般”和“極差”的隸屬度一致, 均為0.45; 曙光大橋一級評價結(jié)果中河岸棲息地環(huán)境對于“一般”和“差”的隸屬度一致, 均為0.26。

2.2 貼近度法評價結(jié)果

本研究從17個監(jiān)測點中選取福德店、哈大高鐵、蔡牛、馬虎山、達牛和曙光大橋5個點位進行化學(xué)完整性貼近度評價法評價, 評價點位涵蓋鐵嶺、沈陽市、鞍山和盤錦各河段。評價結(jié)果表明, 除福德店評價結(jié)果為“差”外, 其他五個監(jiān)測點化學(xué)完整性評價結(jié)果均為“一般”及以上(表9)。

利用貼近度法對遼河干流進行化學(xué)完整性評價, 結(jié)果顯示同一監(jiān)測點位的同一指標對于不同評價等級的隸屬度會出現(xiàn)相同的結(jié)果, 因此無法依據(jù)指標的隸屬度來準確的確定各點位各指標的評價等級, 如福德店的電導(dǎo)率指標對于“優(yōu)”和“一般”的隸屬度一樣, 均為1.0。此外, 各樣點對各評價等級的隸屬度結(jié)果相近, 數(shù)值相差較小, 如福德店對“差”和“極差”的隸屬度結(jié)果相差僅為0.0001, 故評價結(jié)果存在一定的不確定性。

2.3 綜合指數(shù)法評價結(jié)果

通過綜合指數(shù)法對遼河干流化學(xué)完整性進行評價, 結(jié)果表明遼河干流化學(xué)完整性評價結(jié)果總體表現(xiàn)為“一般”。各監(jiān)測點中評價結(jié)果為“一般”的點位包括福德店、三河下拉、通江口、蔡牛、汎河、魯家大橋、馬虎山大橋、巨流河、紅廟子和曙光大橋, 評價結(jié)果為“差”的包括哈大高鐵、雙安橋、毓寶臺、滿都戶、達牛、大張、盤山閘。

表8 遼河干流各點位指標貼近度隸屬度評價結(jié)果

Table 10 Membership results of survey points by Hamming osculating method

表9 遼河干流化學(xué)完整性貼近度法評價結(jié)果

Table 11 Chemical integrity evaluation results of Hamming osculating method

3 討論

本研究對比分析了模糊評價法、貼近度法和綜合指數(shù)法三種方法對遼河干流化學(xué)完整性評價的適宜性, 結(jié)果表明綜合指數(shù)法評價結(jié)果更接近遼河干流化學(xué)完整性實際狀況。模糊評價法對遼河干流化學(xué)完整性評價不適宜性主要體現(xiàn)在兩個方面。其一, 化學(xué)完整性評價體系中指標數(shù)量較多, 然而當模糊綜合評價法指標集U較大, 即指標集個數(shù)較多時, 在權(quán)矢量和為1的條件約束下, 相對隸屬度權(quán)系數(shù)往往偏小, 權(quán)矢量與模糊矩陣R不匹配, 結(jié)果會出現(xiàn)超模糊現(xiàn)象, 分辨率很差, 無法區(qū)分哪個結(jié)果隸屬度更高, 甚至造成評判失敗; 其二, 模糊綜合評價法結(jié)果由各等級結(jié)果隸屬度高低決定, 而三河下拉、汎河、雙安橋、魯家大橋等地存在隸屬度最高與隸屬度第二高的數(shù)值非常接近的情況, 評價結(jié)果卻只考慮了最高隸屬度的等級, 結(jié)果不夠全面和準確。孫雷[21]對比分析了主成分分析法和模糊評價法對水質(zhì)評價的差異, 得出模糊評價法采用取大取小的運算法則, 容易造成數(shù)據(jù)信息丟失, 影響最終的評價結(jié)果, 與本研究結(jié)果一致。薛鵬飛[22]比較了綜合指數(shù)法和模糊評價法在水質(zhì)評價中的利弊, 結(jié)果表明綜合指數(shù)法評價結(jié)果較準確的反應(yīng)水質(zhì)的真實情況, 模糊評價法則在隸屬度和權(quán)重選擇方面存在不足, 需進一步完善。郭維東等利用模糊評價法對遼河物理完整性進行評價, 認為評價結(jié)果較好的符合遼河干流物理完整性的實際情況, 與本研究結(jié)果不一致。其原因可能為物理完整性評價指標多為多年平均數(shù)據(jù), 且部分指標分級標準為主觀判定, 各河段之間易產(chǎn)生較大差別。而化學(xué)完整性評價指標均為定量指標, 且具有明確的國家分級標準, 各等級間差別較小, 評估結(jié)果十分接近, 因此需要更精確的評估方法[19]。貼近度法同樣基于模糊理論, 評價結(jié)果偏于樂觀。其一, 對比貼近度法評價結(jié)果與遼河干流實際情況, 福德店水環(huán)境及河岸帶調(diào)查結(jié)果好于其他監(jiān)測點位, 而評價結(jié)果與實際相反; 其二, 哈大高鐵、達牛為遼河干流重要交通節(jié)點, 來往車輛較多, 來自于社會干擾因子較多, 且達牛所在地區(qū)以沙土為主, 植被類型單一, 空氣質(zhì)量較差, 與評價結(jié)果“優(yōu)”不符; 其三, 貼近度法和模糊評價法存在共同的弊端, 當隸屬度最高和隸屬度第二高之間的數(shù)值比較接近時, 以隸屬度最高的等級作為評價結(jié)果, 不能綜合考慮其他評價結(jié)果而導(dǎo)致評價結(jié)果不準確。綜合指數(shù)法屬于加乘混合評估模型, 兼有加法評估模型和乘法評估模型的特點。在評估指標體系中, 不同類別指標間關(guān)聯(lián)性往往較小, 同類別的指標間聯(lián)系較大, 因此可以對類內(nèi)指標采用乘法模型, 而對類之間指標采用加法模型的混合形式, 適合于化學(xué)完整性評價。朱國宇等[32]對模糊評價法和綜合指數(shù)法在生態(tài)影響后評價適用性進行比較, 發(fā)現(xiàn)綜合指數(shù)法更能客觀、真實地反應(yīng)區(qū)域生態(tài)環(huán)境狀況。董珺璞等[13]利用綜合評估法對大凌河化學(xué)完整性進行評價, 認為排污口污染物的排放是影響大凌河化學(xué)完整性的主要因素, 但該研究只考慮了溶解氧、化學(xué)需氧量、五日生化需氧量等水質(zhì)指標, 沒有考慮河岸帶土壤的化學(xué)污染風(fēng)險。

綜合指數(shù)法評價結(jié)果表明河流水環(huán)境評價結(jié)果總體表現(xiàn)為“一般”, 哈大高鐵、達牛、盤山閘表現(xiàn)為“差”。達牛位于大萬渡口附近, 交通樞紐帶來便利的同時也帶來了一定的污染, 渡口附近捕魚現(xiàn)象嚴重。另外, 河岸帶土壤主要以沙地為主, 河床受水流沖刷導(dǎo)致河底淤沙嚴重。盤山閘監(jiān)測點位于盤錦市區(qū)內(nèi), 由于受人為因素的影響, 市區(qū)內(nèi)大量的生活污水及工業(yè)、農(nóng)業(yè)廢水未經(jīng)處理直接排放到河流中, 使得此監(jiān)測點的水質(zhì)污染較為嚴重[48]。宗福哲等[49-50]利用綜合指數(shù)法對遼河流域水生態(tài)健康進行評估, 其中遼河干流包括27個監(jiān)測斷面, 其中盤錦興安斷面的總氮含量超出V類水的0.2倍, 證實了本研究的結(jié)果, 評估結(jié)果較好的反應(yīng)了遼河干流水生態(tài)健康實際情況。另外, 雖然各監(jiān)測點的河流水環(huán)境處于“一般”的狀態(tài), 但在評價過程中可以發(fā)現(xiàn), 大部分點位的河流水體的氨氮、總磷和揮發(fā)性酚的含量相對較高, 可能與遼河干流流經(jīng)遼寧省內(nèi)四市, 難免收納周邊城市的生活污水、畜牧及養(yǎng)殖業(yè)廢水、農(nóng)業(yè)生產(chǎn)廢水以及工業(yè)廢水。上述生活污水和工業(yè)廢水本身含有大量的氮、磷污染物, 排入到河流中后, 對河流造成污染, 形成了大量的富營養(yǎng)化因子污染物和有毒有機污染物, 從而造成河流的總磷、氨氮、揮發(fā)性酚的含量較高。研究表明, 氨氮、、揮發(fā)性酚等是遼河流域的主要污染物。因此, 還應(yīng)繼續(xù)加強對遼河干流水污染的治理, 將生活污水處理同工業(yè)廢水治理結(jié)合起來, 以求更有效地改變遼河干流的水質(zhì)情況。河岸帶棲息地環(huán)境總體表現(xiàn)為“極差”, 原因主要包括以下兩點, 其一為主觀原因, 由于化學(xué)完整性更加側(cè)重于水環(huán)境的評價, 河岸帶棲息地環(huán)境的權(quán)重相對較小, 導(dǎo)致評價結(jié)果偏低; 其二為客觀原因, 土壤修復(fù)周期較長, 遼河干流圍封時間較短, 歷史上過度開墾、施肥帶來的污染仍存在, 導(dǎo)致各項指標數(shù)據(jù)未能達到理想狀態(tài), 評價結(jié)果顯示河岸帶環(huán)境“較差”[18,51-52]。

4 結(jié)論

通過對比模糊評價法、貼近度法和綜合指數(shù)法的評價結(jié)果發(fā)現(xiàn), 綜合指數(shù)法更適合遼河干流化學(xué)完整性評價, 模糊評價法和貼近度法均存在超模糊現(xiàn)象, 分辨率較低。另外, 遼河干流化學(xué)完整性受生活和生產(chǎn)污水的影響較大, 遼河干流沿岸的點源與面源污染問題仍需要持續(xù)重視與治理。

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Comparison of river chemical integrity evaluation methods in Liaohe River Main Stream

WANG Di1, LIU Zhi1, LIU Dongdong2, XUE Chenyang1, GAO Yingmei1, ZHOU Bin3, QU Bo4,5,*

1. Shenyang Academy of Environmental Science,Liaoning Provincial Key Laboratory for Urban Ecology, Shenyang110161,China 2. Beijing Compass Technology Development Company, Beijing 100102, China 3. Liaoning Ecological meteorological and Satellite Remote Sensing Center, Shenyang 110866, China 4. College of Bio-science and Technology,Shenyang Agricultural University,Shenyang 110866, China 5. Liaoning Panjin Wetland Ecosystem National Observation and Research Station, Shenyang 110866, China

Chemical integrity evaluation which based on water environment quality of river and riparian habitat status was considered as an effect method for assessing the water chemical pollution, controlling water pollution and making a restoration planning scientifically. It is meaningful for degraded river ecosystem to recover its ecological carrying capacity and ecological function. Liaohe River main stream was selected as the research area of chemical integrity evaluation study for exploring the concept, evaluation index, evaluation standard and evaluation method; the nineteen indices were selected from water environment quality and riparian habitat quality for establishing an evaluation index system. The comprehensive index method was the most suitable method for river chemical integrity evaluation than fuzzy comprehensive evaluation method and Hamming osculating method. The result of comprehensive index method showed that the chemical integrity in Liaohe River main stream was "general". Hadagaotie, Daniu and Panshanzha were evaluated as "bad" in water environment, because they were located in the traffic node with lots of anthropogenic disturbances. In addition, Panshanzha was under construction for a long time and close to the urban area, so it was seriously affected by construction waste and urban sewage. The study results could be referred for researchers and managers to identify the chemical integrity status and carry out ecological restoration work.

Main stream of Liaohe River; chemical integrity; selection of evaluation methods; river environment; habitat quality of riparian corridors

10.14108/j.cnki.1008-8873.2022.04.016

S157.2

A

1008-8873(2022)04-129-13

2020-08-01;

2020-10-17

遼寧省科技廳農(nóng)業(yè)攻關(guān)及產(chǎn)業(yè)化指導(dǎo)計劃(2019JH8/10200017); 國家自然科學(xué)基金(31901209); 中國博士后科學(xué)基金(2018M641492); 遼寧省自然科學(xué)基金(20180551024)

王迪(1990—), 女, 遼寧沈陽人, 博士, 主要從事生態(tài)環(huán)境修復(fù)與生物多樣性研究, E-mail: ecology_wd@163.com

通信作者:曲波, 女, 博士后, 教授, 主要從事生物多樣性與生物入侵機理研究, E-mail: syau_qb@163.com

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