基于熵值法的合肥市飲用水水源地水生態系統健康評價

摘要：隨著經濟社會的發展，水源地水生態系統健康狀況越來越受到重視。以合肥市重要飲用水水源地——董鋪水庫和大房郢水庫為例，于 2016 年7 月、9月和2017年5月、8月、10月對16個點位（董鋪水庫9個，大房郢水庫7個）開展了調查監測工作，采集了水質、水生生物和沉積物三大類指標數據。選取其中17項候選參數來構建評價指標體系，采用主成分分析和相關分析對候選參數進行篩選，并使用熵值法確定各評價指標的權重，構建了合肥市飲用水水源地水生態系統健康評價體系，對其中董鋪水庫和大房郢水庫的健康狀況進行了評價。結果表明：董鋪水庫和大房郢水庫水生態系統整體均處于亞健康狀態。單項指標評價顯示，董鋪水庫和大房郢水庫水質狀況優良，均處于“健康—亞健康”狀態；董鋪水庫與大房郢水庫的富營養狀況尚可，其中董鋪水庫均處于“亞健康”狀態，大房郢水庫處于“亞健康—一般”狀態；董鋪水庫和大房郢水庫水質指標和富營養指標空間分布大體上呈現北高南低、西高東低的趨勢；董鋪水庫和大房郢水庫生物多樣性狀況尚可，處于“健康—一般”狀態；董鋪水庫與大房郢水庫的沉積物狀況較差，從沉積物健康狀況空間差異性來看，董鋪水庫與大房郢水庫南部水域的沉積物狀況與其他水域相比較差，需重點關注兩水庫沉積物中鎘與汞的污染。

關鍵詞：水生態系統； 健康評價； 熵值法； 董鋪水庫； 大房郢水庫； 合肥市

中圖法分類號：X171.1

文獻標志碼：A

DOI：10.15974/j.cnki.slsdkb.2024.12.020

文章編號：1006-0081（2024）12-0120-10

0 引 言

隨著社會經濟的發展，人類對河湖（庫）生態環境的干擾越來越頻繁，水體污染嚴重，生物多樣性逐漸降低［1］，這與人類對高質量生存環境的向往背道而馳。因此，河湖（庫）水生態系統健康問題已被廣泛重視［2］。從20世紀70年代開始，國外學者陸續開展河流生態系統健康評估研究，重點集中在評價方法、指標體系構建等方面［3-6］。中國從20世紀90年代才開始關注河流生態系統健康狀況［7-12］。

目前，研究生態系統健康評估的方法很多，且都致力于通過數學模型將健康狀況具體化和定量化［13］。從評價方法的指標體系來劃分，主要分為單因子指標和綜合性指標兩類［14-15］，單因子評價方法中最早常用的是指示物種法，多選用生物多樣性指數、生物完整性指數、生態緩沖能等指標［16］。指示物種法操作簡單，但定量精度需求較高，難以全面反映生態系統的復雜狀況［17-18］。因此，為提高水生態系統健康評估的準確度，提出了包含水文、生態、生物多樣性、社會經濟等方面的綜合指標體系法，從多角度、多尺度來描述水生態系統健康，成為目前河湖生態系統健康評價常用的方法［16，19-21］。綜合指標體系法的常用方法有模糊綜合評價法、綜合健康指數法、PSR模型等，基于熵值法來對各指標進行權重計算，然后通過權重確定多個指標的排序，進而對水生態系統進行全面而客觀的評估［22-25］。

董鋪水庫與大房郢水庫是國家重要飲用水水源地，也是合肥人民的“大水缸”，其水質、水生態狀況的好壞直接關系到合肥人民的飲用水安全［26］。為評估董鋪水庫和大房郢水庫水生態系統健康狀況，在2016～2017年期間，連續2 a圍繞董鋪水庫和大房郢水庫水質、水生生物、沉積物等情況開展了調查監測。本研究以此次調查結果為基礎，篩選評價指標，利用熵值法確定指標權重，構建以董鋪水庫與大房郢水庫為代表的合肥市飲用水水源地水生態系統健康評價指標體系，并對其進行評估，以期為飲用水水源型水庫的保護與修復提供科學依據。

1 材料與方法

1.1 研究區域

董鋪水庫（31°51′40″N～31°55′06″N，117°5′48″E～117°12′24″E）位于巢湖水系南淝河正源上游，流域面積 207.5 km2，水面面積 21.72 km2，設計總庫容 2.49億m3，年供水量3.2億m3。大房郢水庫（31°54′30″N～31°58′12″N，117°12′15″E～117°14′51″E）位于南淝河支流四里河下游，董鋪水庫的東北方向，流域面積184 km2，水面面積 14.5 km2，設計總庫容1.84億m3，年供水量1.17億m3。董鋪水庫與大房郢水庫之間以隧洞相連通，隧洞長1 210.3 m，平均引水流量7.6 m3/s，隧洞兩頭均有閘門控制［27-29］。

1.2 樣品采集與分析

1.2.1 監測點位布設

基于水庫水體環境特征及點位均勻性，分別在董鋪水庫的主要河流入庫口、庫心、出庫口及飲用水水源取水口附近水域布設9個監測站點，同樣在大房郢水庫庫區布設7個監測站點開展調查監測工作（圖1）。

1.2.2 調查監測參數

調查監測參數包括水質、水生生物與沉積物3方面。水質參數包括水溫（T）、pH、透明度（SD）、溶解氧（DO）、高錳酸鹽指數（CODMn）、氨氮（NH+4-N）、總磷（TP）、總氮（TN）、可溶性磷（SP）、葉綠素a（Chl-a）。水生生物參數包括浮游植物、浮游動物。沉積物參數包括有機質（SOM）、總氮（STN）、總磷（STP）、銅（Cu）、鉛（Pb）、鎘（Cd）、砷（As）、汞（Hg）。其中，水質、浮游動物、浮游植物分別在2016年7月、9月和2017年5月、8月、10月各調查監測一次。沉積物分別在2016年7月與2017年8月各調查監測1次。

1.2.3 水質樣品采集與分析

使用5 L有機玻璃采水器采集表層水面下0.5 m處水樣，加入相應固定劑進行固定，低溫保存運回實驗室進行下一步分析。其中，T、pH使用便攜式pH測定儀（pH100，YSI維賽，美國）現場測定，SD用定制塞氏盤現場測定，DO、CODMn、NH+4-N、TP、TN、SP、Chl-a等指標在實驗室測定，測定方法參照相關標準規范進行。

1.2.4 沉積物樣品采集與分析

使用彼得森采泥器（1/16 m2）采集沉積物樣品，封口袋編號封裝，低溫保存運回實驗室進一步處理。其中，SOM與STN參照相關標準規范使用滴定法測定，STP使用紫外分光光度法測定，砷與汞使用原子熒光法測定，銅、鉛、鎘使用電感耦合等離子發射質譜儀ICP-MS（Thermo Fisher賽默飛，美國）測定。

1.2.5 水生生物樣品采集與分析

浮游植物、浮游動物定性樣品使用浮游生物網（25號），在樣點處以“∞”拖拽2～3 min，過濾后的樣品注入100 mL聚乙烯瓶中保存，然后按水樣體積的1.0%～1.5%加入魯哥溶液固定備用。

浮游植物定量樣品使用1.0 L的聚乙烯瓶，在水面下0.2 m處灌取水樣，然后按水樣體積的1.0%～1.5%加魯哥溶液進行固定，帶回實驗室經沉淀濃縮處理后備用。浮游動物定量樣品的采集、收集用25號浮游生物網過濾30 L水樣后的樣品，用5%甲醛溶液固定備用。后續浮游動植物的樣品鑒定參照相關文獻進行［16，30-31］。

1.3 分析評價方法

1.3.1 水體富營養化評價

參照中國環境監測總站發布的《湖泊（水庫）富營養化評價方法及分級技術規定》，采用綜合營養狀態指數法（TLI）評價董鋪水庫和大房郢水庫富營養化狀態，評價因子包括Chl-a、TP、TN、SD和CODMn。

1.3.2 沉積物污染評價

運用潛在生態風險指數法（RI）評價董鋪水庫和大房郢水庫沉積物中重金屬的污染強度，該方法是由瑞典科學家Hakanson提出，不僅可以評價單個重金屬的污染程度，也能綜合評價多種重金屬的生態風險潛力［32-34］。

1.3.3 水生生物多樣性評價

采用香農威納（Shannon-Wiener）多樣性指數（H′）來計算董鋪水庫和大房郢水庫浮游植物多樣性指數（P-diversity）和浮游動物多樣性指數（Z-diversity）［16］。

1.3.4 水生態系統健康評價

1.3.4.1 評價指標體系構建

根據水庫特征與調查監測情況，參照相關研究結果［6，16，21］，選取其中17項參數來構建候選評價指標體系（表1）。對17項候選評價指標進行篩選，所選評價指標間要相互獨立，對生態系統變化有明顯響應，能全面綜合地反映生態系統的不同屬性［21］。

在篩選過程中，首先通過判別能力分析剔除對生態系統變化不敏感的指標；然后通過主成分分析（PCA）剔除對系統特征貢獻率較低的指標（按70%的累積方差貢獻率篩選）；最后對剩余指標進行獨立性分析，包括對余下的指標進行正態分布檢驗（Kolmogorov-Smimov方法），采用相關分析（對符合正態分布的指標進行Pearson相關分析，不符合正態分布的指標進行Spearman相關分析）篩選獨立性較好的指標，剔除信息重疊的指標［21］。使用SPSS-19.0和R-4.1.1軟件進行分析。

1.3.4.2 指標權重的計算

在應用多個指標對某事物進行綜合評價時，如何比較客觀、準確地確定各指標權重顯得至關重要，權重的確定將會直接影響評價的結果［35］。為避免受人為主觀意識的影響，選用熵值法對各評價指標權重進行計算，具體計算過程如下。

（1） 數據矩陣標準化。構建m個評價指標，n個評估對象得到原始數據矩陣X：

對該矩陣標準化得到矩陣R為

R=（rij）m×n

式中：rij為對應初始矩陣X中xij的標準化值，0≤rij≤1。

在實際計算決策過程中，評價指標通常分為越大越優型（如DO，SD等指標）和越小越優型（如COD，TN，TP等指標）［35］。因此，這兩類指標的標準化計算公式為

式中：Xmax和Xmin分別為同指標在不同樣本中的最大值和最小值。

（2） 熵值的定義。第i個評價指標的熵Hi的定義為

式中：fij為矩陣R中對應的標準化值占該評價指標標準值總和的比重，為使 lnfij有意義，當fij=0時，fijlnfij=0。

（3） 熵值的計算。第i個評價指標的熵值wi定義為

1.3.4.3 評價方法與評價標準

董鋪水庫和大房郢水庫生態系統健康綜合指數計算公式：

式中：H為水庫生態健康綜合指數值，其值大小為0～1；Wi為評價指標權重;Ii為評價指標的標準化值。

將所有點位生態健康評價綜合指數值的95%分位數定義為健康標準，將小于該值的范圍進行四等分，確定健康、亞健康、一般、差和極差這5個評價等級［6］。

2 結果與討論

2.1 評價指標的篩選結果

對候選評價指標的結果進行初步統計可看出，可溶性磷（SP）在董鋪水庫和大房郢水庫的監測點位中的變化較小（標準差lt;0.01），說明其對生態系統變化的響應不夠敏感，因此在后續分析中剔除這個指標（表1和表2）。

對余下候選評價指標進行獨立性分析，首先對指標進行標準化，用標準化值再進行PCA分析。其中，董鋪水庫候選指標體系的Kaiser-Meyer-Olkin檢驗統計（KMO）值為0.550，Bartlett球度檢驗值為596.544，相伴概率為0，說明剩余16個指標構成的評價指標體系適合于進行PCA分析，按照70%的累積方差貢獻率提取出3個主成分，如表3所示。大房郢水庫候選指標體系的Kaiser-Meyer-Olkin檢驗統計（KMO）值為0.600，Bartlett球度檢驗值為463.542，相伴概率也為0，按照70%的累積方差貢獻率提取出3個主成分，如表4所示。

繼續以載荷值大于0.6作為標準進行候選指標篩選，董鋪水庫的第1主成分包括T、DO、pH、TP、CODMn、NH+4-N、Chl-a、TLI和P-diversity，主要描述了水體理化、營養物質和生物因素的影響；第2主成分包括SD和TN，主要描述了透明度和營養鹽的影響；第3主成分包括Z-diversity和STP，主要描述了生物因素和沉積物的影響，由此董鋪水庫篩選出13個評價指標，這些指標對董鋪水庫生態系統健康狀況的貢獻均較大，剔除STN、SOM 和RI。大房郢水庫的第1主成分包括T、pH、TN、TP、CODMn、Chl-a、TLI和P-diversity，主要描述水體理化、營養物質和生物因素的影響；第2主成分包括SD、STN、SOM和RI，主要描述了透明度和沉積物的影響；第3主成分沒有載荷值大于0.6的指標，由此大房郢水庫篩選出12個評價指標，剔除DO、NH+4-N、Z-diversity和STP。

相關性分析結果表明，董鋪水庫水體的DO、pH、Chl-a、TN、P-diversity、Z-diversity、STP與其他指標間的相關性不顯著，相對獨立，因此這7個指標可以保留（表5）。大房郢水庫水體的T、Chl-a、TN、P-diversity、沉積物中的STN、SOM和RI指數與其他指標間的相關性不顯著，相對獨立，這7個指標可以保留（表6）。

綜合上述候選指標間相關性分析結果，同時考慮到CODMn為指示有機污染的指標，TLI指標對反映水體富營養化狀況具有代表性，這兩個指標也予以保留。因此，合肥市飲用水水源地評價指標體系由11個指標組成，其中水質包含4個指標，富營養化包含2個指標，沉積物包含4個指標，生物多樣性包含1個指標（表7）。

2.2 評價指標權重

根據熵值的定義和計算方法，得出合肥市飲用水水源地生態系統健康評價指標體系的熵值與熵的權重（表7）。其中，董鋪水庫和大房郢水庫的沉積物類型指標的權重最大，說明其對這兩個水庫生態系統健康的影響也是最大的。水質指標、富營養化指標和生物多樣性指標的權重大小相當，說明其對整個生態系統健康的貢獻相當。董鋪水庫的水質指標權重由大到小依次為T、TN、DO、CODMn；富營養指標權重由大到小依次為Chl-a、TLI；沉積物指標權重由大到小依次為RI、STN、SOM、STP。大房郢水庫的水質指標權重由大到小依次為T、CODMn、DO、TN；富營養指標權重由大到小依次為TLI、Chl-a；沉積物指標權重由大到小依次為RI、STP、STN、SOM。

2.3 生態系統綜合評價

基于合肥市飲用水水源地生態系統健康評價指標體系，計算生態系統健康綜合指數，其中最小值為0.334 4，最大值為0.755 0，95%分位數為0.538 4，健康評價標準如表8所示。

董鋪水庫和大房郢水庫生態系統健康評價結果如圖2所示。董鋪水庫和大房郢水庫整體均處于亞健康狀態，得分平均值分別為0.492 2和0.481 3。從各監測點位的分析來看，董鋪水庫處于健康狀態的點位為3個，占比33.33%，亞健康有4個，占比44.44%，一般狀態有2個，占比22.22%，無差與極差狀態的點位。大房郢水庫處于健康狀態的點位為1個，占比14.29%，亞健康有5個，占比71.42%，一般狀態有1個，占比14.29%，同樣無差與極差狀態的點位。從空間分布來看，董鋪水庫除中部和南部的4號和5號點位健康狀況較差外，其余區域的健康狀況均較好，這可能因為4號和5號點位靠近合肥植物園，水體受人為干擾較其他區域重。同樣，大房郢水庫除南部的1號和2號點位健康狀況較差外，其余區域的健康狀況較好。

2.4 生態系統單項指標評價結果

2.4.1 水質指標

董鋪水庫和大房郢水庫生態系統單項指標評價結果如圖3所示。董鋪水庫水質指標處于健康狀態的點位有6個，占比66.67%，剩余3個點位均為亞健康狀態，占比33.33%；大房郢水庫水質指標處于健康狀態的點位有6個，占比85.71%，剩余1個點位為亞健康狀態，占比14.29%，這表明董鋪水庫與大房郢水庫的水質狀況優良。從水質健康狀況空間差異來看，董鋪水庫西部水域的水質狀況與東部水域的相比較差，這可能與該水庫的西部為南淝河來水有關。大房郢水庫西北部水域的水質狀況與其他水域的相比較差，可能原因與董鋪水庫一致。楊帆［36］研究結果也表明，董鋪水庫、大房郢水庫污染物空間分布大體上呈現北高南低、西高東低的趨勢，這與北部與西部區域是兩水庫的河流入庫口有關，入庫河流由于受人類活動干擾頻繁，導致污染濃度一直居高不下。

2.4.2 富營養指標

董鋪水庫9個點位的富營養指標均處于亞健康狀態。大房郢水庫富營養指標處于亞健康狀態的點位有4個，占比57.14%，剩余3個點位為一般狀態，占比42.86%，這表明董鋪水庫與大房郢水庫的富營養狀況尚可，董鋪水庫整體比大房郢水庫的富營養化程度低。從富營養健康狀況空間差異性來看，董鋪水庫西部水域的富營養程度較其他水域偏高，這與水質健康狀況的空間分布結果相似。大房郢水庫西北部水域的富營養化程度與其他水域的相比較高，說明該水域水質相對較差，同樣與水質健康狀況的空間分布結果相似。

2.4.3 沉積物指標

董鋪水庫沉積物指標處于健康狀態的點位有4個，占比44.44%，亞健康狀態的點位有3個，占比33.33%，一般狀態點位與差狀態點位分別為1個，各占11.11%。大房郢水庫沉積物指標處于健康狀態的點位有1個，占比14.29%，亞健康狀態點位有2個，占比28.57%，一般狀態點位有3個，占比42.86%，差狀態點位有1個，占比14.29%，這表明董鋪水庫與大房郢水庫的沉積物狀況較差。從沉積物健康狀況空間差異來看，董鋪水庫與大房郢水庫南部水域的沉積物狀況與其他水域相比較差，這可能與合肥發電廠毗鄰大房郢水庫（東南方向500 m左右）有關，王厚云［28］研究表明董鋪水庫與大房郢水庫水體中的鉛主要來源于電廠廢氣沉降。

將董鋪水庫和大房郢水庫與國內其他水體的沉積物相關指標進行對比顯示（表9），董鋪水庫和大房郢水庫沉積物中的總氮、總磷含量處于中間水平，董鋪水庫含量高于大房郢水庫。有機質含量也處于中間水平，大房郢水庫的含量高于董鋪水庫。將兩個水庫的沉積物重金屬與合肥市土壤背景值相比，董鋪水庫除銅外，其他重金屬的含量均大于背景值，其中鎘的含量是背景值的3.17倍，汞的含量是背景值的3.00倍。大房郢水庫除銅、鉛、砷外，鎘和汞的含量大于背景值，其中鎘的含量是背景值的3.17倍，汞的含量是背景值的5.00倍。王清泉等［47］研究發現，董鋪水庫和大房郢水庫的3條主要匯水河流（南淝河、泗水河、四里河）鎘、砷、汞的含量較高，對下游水庫有潛在影響。總體而言，與其他水體的沉積物重金屬含量相比，董鋪水庫與大房郢水庫的重金屬含量均處于較低水平，除董鋪水庫的砷外，其余重金屬的含量均在土壤環境一級標準限值內［48］。董鋪水庫受污染程度高于大房郢水庫，這可能是因為董鋪水庫建成使用時間較大房郢水庫更長，兩個水庫需重點關注沉積物中鎘與汞的污染。

2.4.4 生物多樣性指標

董鋪水庫生物多樣性指標處于健康狀態的點位有1個，占比11.11%，亞健康狀態點位有2個，占比22.22%，剩余6個點位均處于一般狀態，占比66.67%。大房郢水庫生物多樣性指標處于健康狀態的點位有1個，占比14.29%，亞健康狀態點位有5個，占比71.43%，處于一般狀態的點位有1個，占比14.29%。從生物多樣性狀況空間差異來看，董鋪水庫西部水域的生物多樣性狀況較其他區域的高，大房郢水庫北部和中部水域的生物多樣性狀況較南部水域的高，大房郢水庫的生物多樣性狀況整體高于董鋪水庫，這也與王厚云［28］對董鋪水庫與大房郢水庫的調查結果相似。

3 結 論

本文基于熵值法對合肥市重要飲用水水源地董鋪水庫和大房郢水庫開展了水生態系統健康狀況評價，評價結果如下。

（1） 合肥市飲用水水源地水生態健康評價指標體系包括水溫、總氮、溶解氧、高錳酸鹽指數、Chl-a、TLI、沉積物RI指數、總氮、有機質、總磷和浮游植物多樣性指數共4類11項指標。董鋪水庫和大房郢水庫4類評價指標的權重大小均依次為沉積物＞水質＞富營養＞生物多樣性，沉積物指標是水庫生態系統健康評價的必選指標類型。

（2） 董鋪水庫和大房郢水庫整體均處于亞健康狀態。從各監測點位的分析來看，董鋪水庫處于健康狀態的點位為3個，亞健康有4個，一般狀態有2個;大房郢水庫處于健康狀態的點位為1個，亞健康有5個，一般狀態有1個，兩座水庫均無差與極差狀態的點位。從空間分布來看，兩水庫的生態系統健康狀況呈現出較強的空間異質性。

（3） 單項指標評價顯示，董鋪水庫和大房郢水庫水質狀況優良，均處于“健康-亞健康”狀態；董鋪水庫與大房郢水庫的富營養狀況尚可，其中董鋪水庫均處于“亞健康”狀態，大房郢水庫處于“亞健康-一般”狀態；董鋪水庫和大房郢水庫水質指標和富營養指標空間分布大體上呈現北高南低、西高東低的趨勢；董鋪水庫和大房郢水庫生物多樣性狀況尚可，處于“健康-一般”狀態，大房郢水庫的生物多樣性狀況整體高于董鋪水庫；董鋪水庫與大房郢水庫的沉積物狀況較差，從沉積物健康狀況空間差異來看，董鋪水庫與大房郢水庫南部水域的沉積物狀況與其他水域相比較差，需重點關注兩水庫沉積物中鎘與汞的污染。

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Health evaluation of water ecosystem of drinking water sources in Hefei City based on entropy method

Abstract：

With the continuous development of the economy and society，the health status of the water ecosystem of water sources has drawn an increasing attention.Taking Dongpu Reservoir and Dafangying Reservoir，the important drinking water sources in Hefei City，as examples，investigation and monitoring work were carried out at 16 sites （9 in Dongpu Reservoir and 7 in Dafangying Reservoir） in July and September 2016，and in May，August and October 2017.Data on three major categories of indicators，namely water quality，aquatic organisms and sediments were collected.Seventeen candidate parameters were selected to construct an evaluation index system.Principal component analysis and correlation analysis were employed to screen the candidate parameters，and the entropy method was adopted to determine the weights of each evaluation index.Subsequently，a health evaluation system for the water ecosystem of drinking water sources in Hefei City was established，and the health status of Dongpu Reservoir and Dafangying Reservoir were evaluated.The results indicated that the overall water ecosystems of Dongpu Reservoir and Dafangying Reservoir were both in a sub-healthy state.The evaluation of individual indicators revealed that the water quality of Dongpu Reservoir and Dafangying Reservoir was excellent，both in a healthy to sub-healthy state.The eutrophication status of Dongpu Reservoir and Dafangying Reservoir is acceptable，with Dongpu Reservoir in a sub-healthy state and Dafangying Reservoir in a sub-healthy to general state.The spatial distribution of water quality indicators and eutrophication indicators in Dongpu Reservoir and Dafangying Reservoir generally presented a trend of being higher in the north and lower in the south，as well as higher in the west and lower in the east.The biodiversity status of Dongpu Reservoir and Dafangying Reservoir was acceptable in a healthy to general state.The sediment status of Dongpu Reservoir and Dafangying Reservoir was relatively poor.From the perspective of the spatial differences in sediment health status，the sediment status of the southern waters of Dongpu Reservoir and Dafangying Reservoir were poorer compared to other waters，and special attention should be paid to the pollution of cadmium and mercury in the sediments of the two reservoirs.

Key words：

water ecosystem； health evaluation； entropy method； Dongpu Reservoir； Dafangying Reservoir； Hefei City