河流水生态环境质量评价方法研究与应用进展

王业耀，阴 琨，杨 琦，许人骥，金小伟，吕怡兵，腾恩江

1.中国地质大学(北京)，北京 100083 2.中国环境监测总站，国家环境保护环境监测质量控制重点实验室，北京 100012

河流是一类非常重要的自然生态系统，河流生态系统具有自我维持和调控的功能，很多营养盐及污染物在河流中得以迁移、稀释和降解，使污染水体得到净化[1]。河流水质遭受污染或者水利工程的影响，会使自然状态的河流结构受到不同程度的破坏，生物多样性丧失，诸多生态功能也因此而减弱或丧失[2]。随着水资源的利用与保护的矛盾不断突出，针对河流的生态质量评价或河流健康评价的研究逐渐兴起。20世纪70—80年代，人们对河流的关注由单一的水质保护转移到整个河流生态系统，评价内容也开始转向对河流生态及环境质量的评价，河流健康的内涵更为丰富，出现了多种评价方法[3]。诸多国家已经将评价河流生态系统质量状况的工作作为其环境管理的重要目标。美国、澳大利亚、英国和南非在评价河流生态质量方面开展了大量的工作，其中具有代表性的评价方法有基于生物完整性指数(IBI)的美国快速生物评价方案(RBPs)[4-5]、欧盟水框架指令(WFD)[6]、多指标评价方法(MMIs)[7]、澳大利亚的溪流状况指数(ISC)、澳大利亚河流评价计划(Aus Riv AS)[8-11]、英国的河流无脊椎动物预测、分类系统(RIVPACS)[12]和南非的河流健康计划(RHP)[13-14]等。评价的要素主要涵盖河流生境(或称栖息地)、生物要素、水质物理化学要素。各个国家对河流健康的保护目的不尽相同，选择的评价指标和方法也不同。目前，我国河流生态质量评价体系是基于水生态系统完整性的角度，重点关注河流中水生生物状况以及支撑水生生物生存生长的栖息地生境指标和水体物理化学指标。该文介绍了国外评价体系产生的背景和研究基础，分析了广泛应用的几类评价方法的特点和在不同国家、流域的应用情况以及各方法的应用前景，分析了国内开展河流生态质量评价研究的发展过程、阶段性研究进展和应用案例，并根据目前研究基础评述了我国评价体系现存问题及应用前景，为河流生态质量评价体系的建立及发展方向提供建议和参考。

1 国外研究与应用进展

河流生态健康评价的发展集中在评价指标、评价方法以及尺度范围3个方面。评价指标从最早的水质物理化学指标、简单的生物指数指标，逐步拓展到涵盖物理生境、水质理化、生物、水文等多指标体系。评价方法从最初的生物指数法、指示生物法发展到预测模型法[11，15]、生物完整性指数[4，16-18]、多要素综合评价等评价方法。研究水体的空间尺度也在逐步扩大，从局部的河段[19]、支流或单条河流[20]到整个流域范围[21-22]和整个国家的尺度[23]。

20 世纪70—80 年代，欧洲和北美开始了监测河流生态状况的研究活动。1977年英国有学者开展利用大型底栖动物对监测河流生物质量和利用理化指标预测生物种群的研究，在积累大量数据和经验的基础上，创建了RIVPACS预测模型评价方法[9]。随后，澳大利亚在RIVPACS基础上开发出Aus Riv AS方法[24]。1994—1997年英国和爱尔兰开展了河流生境状况的调查研究，南非于1994年实施了“河流健康计划”，开展了河流健康监测的相关技术研究[25]，在这些早期的研究中，积累了大量的经验和生物、生境、水文的数据，并开发形成一些技术方法，为后期WFD的推行奠定了技术基础。随着水生态质量调查研究的进行，各成员国对于用水、水污染和水资源退化所引发的分歧和争议成为欧盟关注的重点，最终促使欧盟颁布了WFD法令。美国Karr[5]于1981年研究提出了基于河流鱼类完整性指数(F-IBI)的评价方法，并相继发展出底栖生物完整性指数(B-IBI)[26]、藻类完整性指数(D-IBI)[27]。基于IBI方法的发展，美国环保局在1999年推出RBPs评价方法，IBI作为河流生态状况监测的基础得到广泛应用。目前，IBI已经发展出多类群生物组合，如浮游动物和浮游植物[28]、大型底栖生物、鱼类和藻类[29]。

1.1 欧盟水框架指令

WFD中提出了以流域综合管理为核心，以维持生态系统良好状态、实现水资源可持续利用为目标的多要素综合评价方法，并以生态监测结果作为水资源管理策略是否有效的评价标准[7]。WFD对生态质量状况评价的特点在于，体现了多要素综合评价的意义，强调了流域尺度综合管理，遵循多要素最低评价原则。这种评价体系以一种更为严格的方式处理了理化评价结果和生物评价结果的关系。WFD在支持流域综合管理和发展多要素综合评价方面都非常有意义。

在WFD发布后，欧洲国家根据框架的要求开展各自的方法研究。诸多学者的研究中发现了多要素综合评价的优势和缺陷；同时，也有学者开展了新方法的研究，推进了WFD的应用。首先，多要素评价方法可以帮助发现水生态系统中究竟是哪个要素受到了干扰，并影响了水体生态质量；评价结果可以有效支持后期的水资源和水生态修复和管理。多个国家的应用研究已经表明多要素评价在这方面的应用价值。丹麦[30]的研究发现，Odense流域大多数河流生物要素基本可以达到良好的状态，水质清洁，但由于部分河流的物理生境条件不足，直接造成河流生态状况无法达到优良。研究表明，物理生境可能对生物质量形成潜在的威胁，为下一步对Odense流域管理和修复提出了方向。瑞典[30]在对Stensån河的研究中发现，在某些生物指标和水质化学指标相对良好的水域，水文质量较差，成为直接影响流域生态质量的因素。研究结果为管理部门对Stensån河的修复和治理提供了重要数据。对WFD方法的应用结果显示，以最低评价原则评价后瑞典大量的湖泊和水体都未达到优的状态，某些生物指标显示出优良状态的区域，由于水文条件的影响，使得其生态状况无法实现优的目标。芬兰[30-31]通过多要素评价，发现河流水文和地貌要素的变化程度比生物和水质要素更严重，从而决定从加强水文地貌的管理和采取必要的修复措施等方面来改善目前国内的河流生态质量。德国[30-32]利用多要素综合评价，根据各要素评价的质量状况，将水体划分为不同的类型(如河流形态退化、生物退化、生物状态良好等)，为后期确定不同类型受干扰水体的修复和治理措施及目标。应用研究结果表明，虽然德国现在已经开展了三要素的评价体系的应用，但德国目前开展的WFD评价方法仍然是试验性应用[30]。这些研究表明，多要素评价为国家流域生态质量的管理和修复提供了非常有价值的信息，另一方面，WFD方法也存在一些缺陷，其评价的准确性受基础数据量和参照条件的确定的影响。如芬兰在河流生态质量状况的评价中采用专家判定的方法来确定参照位点[30]，结果发现，专家确定生物参照位点存在不合适的情况，使得研究对河流实际生态质量状况产生了过高评价，影响了评价的准确性。WFD提出的这种方法虽然被证实在参考样点缺乏的区域是有效的，但是此方法同时存在主观性强和缺乏定量判定措施等缺点[33]。德国的研究指出[30]，由于生物监测数据的缺乏，无法完全采用多要素评价方法来准确评价河流生态状况。丹麦学者的研究也发现，由于缺乏参照位点的数据信息、缺乏水质分级的足够数据和生物指标指示性的研究数据，导致在丹麦河流的研究中，在欧洲和北美广泛应用的大型植物或鱼类完整性指数还无法采用[34]，只采用单要素和两要素评价[35-36]。有学者为促进欧盟推出统一的、可比的分类方法，开展了“相互校准”方法的研究[37]，这种方法可以实现将各类用于生物质量要素评价分类系统工具统一成可互相比较的良好状况等级界限，相互校准的结果应用在流入管理规划中，可以帮助完成各国评估结果的相互比较和校准，更好地实现流域的管理和评价[33]。

WFD评价方案是一项长期的监测方案，虽然WFD存在一些缺陷，在跨界河流的评价与管理中也存在很多突出的矛盾情况[38]，但WFD采用的多要素评价方法可以为水资源和水生态修复和管理提供有利的支持(如参照状态的确定)，推动了水生态质量监测评价向综合评价体系的转变，是流域水环境监测评价发展的方向[39]。 对我国河流生态质量评价体系的意义在于，WFD在流域尺度的评价和水生态系统中受干扰因素的确定等方面为我国提供了很重要的参考。

1.2 美国快速生物评价方案和生物完整性指数

美国RBPs[4]河流生物快速评价方案是基于生物完整性指数IBI来进行监测和评价的，IBI指标体系包涵了着生藻类、底栖动物和鱼类3个生物类群。RBPs整个调查内容包括11项生境指标、45项候选生物指标、多项化学指标。IBI可弥补单指标生物评价通常具有高的可变性的缺点，具有比较高的稳定性[40]，同时，采用多类群组合，IBI可以提供不同压力综合影响的结果。其限制因素是评价的准确度依赖参照状态的确定[41]。

随着IBI研究的深入，在评价体系方面， IBI由最初鱼类完整性指数[5]发展到不同生物类群的完整性指数，由单类群发展到多类群组合，如大型底栖动物[26]，硅藻[27]，大型底栖动物和鱼类，水生大型植物[42]，浮游动物和浮游植物[28]，大型底栖动物、鱼类和藻类[29]。在适用性研究方面，开展了IBI在可涉类河流、不可涉类大型河流及不同尺度范围的适用性研究。美国学者在国家可涉河流评估行动中[43]成功应用大型无脊椎动物完整性指数(M-IBI)对国内总长1.08×106km的可涉类河流进行了评价，证明了M-IBI在可涉类河流中的适用性，研究结果为评价清洁水法案目标的完成情况和判定其他国家政策的有效性提供了重要的数据和信息。巴西学者利用大型底栖生物完整性指数(B-IBI)对森林覆盖区的溪流进行了生物评价，在Guapimirim、Macae′和Grande 3个流域内研究结果表明，B-IBI对于溪流类河流的生物质量评价是有效的，方法有效区分出不同程度的干扰位点[44]，对于后期河流的管理和修复提供了河流生态受损位点和程度的重要信息。对溪流上游河段的研究，比利时学者Jan Breine等[45]采用鱼类完整性指数(F-IBI)研究分析了生境质量与生物指数间的相关性，验证了评价体系的有效性，表明F-IBI可以有效区分优良位点及不同程度的受损位点，认为IBI评价方法是对生态评价的一个重要的方法补充，且不仅适用于溪流下游河段，也同样适用于对溪流上游区域生态质量的评价。针对不可涉大型河流的评价，Brand M W等[46]在美国威斯康辛州的研究证明了M-IBI评价方法在不可涉类大型河流生态质量监测评价中的有效性和适用性。研究为IBI方法在大型河流监测计划中的应用提供了非常重要的参考，同时也为IBI在大型河流环境管理和成效评估提供了重要的方法。除了在河流尺度的研究，韩国有学者开展了国家尺度河流健康监测评价研究，涉及全国范围多个水系388条溪流。研究在敏感性和有效性方面成功验证了M-IBI在国家范围溪流类河流评价中的适用性，表明M-IBI是一个非常有效的评价方法，适用于国家范围的长期监测计划[23]，在更多河流中可开展更广泛的应用[47]。

在IBI适用性研究中，很多学者也分析了阻碍IBI发展和应用的一些因素：缺少标准来定义和确定参照状态；缺少对流域中各参数敏感性和冗余度的信息资料和统计分析；缺乏对参照条件自然变化的评估分析；生物采样的方法缺乏标准化和规范化；基于IBI的研究很多是根据研究区域的特点采用了各自的指标参数用于评价，不同的指标体系使得在全球范围很难对评价结果进行比较分析[48-49]。这些因素都阻碍和制约了多指标评价方法在河流生物监测和生物评价中的发展和应用。

1.3 预测模型评价方法

英国RIVPACS与澳大利亚Aus Riv AS是预测模型评价方法的代表。RIVPACS是由英国淡水生态研究所提出和建立的[43]，Aus Riv AS是在RIVPACS基础上发展起来的、更适应澳大利亚河流特点的评价方法。预测模型方法在澳大利亚和英国得到了广泛的应用[45]，但仍具有一定的局限性。模型利用单一物种(底栖无脊椎动物)对河流健康状况进行评价，如果这类生物对河流的变化没有敏感的响应时，这类方法就无法反映河流真实状况，这是评价预测模型法的一大缺陷[46-47]。

RIVPACS和Aus Riv AS方法已经越来越多地被应用到生物监测计划中，英国、澳大利亚及美国都开展了应用[50]，涉及的变量也各不相同[9，51-52]，使得方法更适用于各自的河流特点。在可涉河流的研究中，一些学者基于大量的生物数据和大量的位点资料开发了预测模型方法，远不是单次的调查数据。调查分析了9年间来自925个监测位点的积累数据[53]。为确保模型的准确性，研究还采集了大量数据用于模型的校准、模型的验证及对参考位点O/E值变化的检查。研究结果表明，方法在空间和时间上都可以准确、精确地检测到干扰和压力的影响，可以在较广阔和生态多样性区域进行有效评估，证明了模型方法的有效性和适用的广泛性。澳大利亚威廉姆斯河及阿莱恩河的评价研究也显示，Aus Riv AS方法在监测河流干扰影响、帮助制定河流管理目标中是非常有用的，在评价河流健康方面是一种非常有效的定量评价方法。虽然一些学者的研究表明了预测模型方法在河流生态质量评价以及河流管理中的重要作用，但也有另一些学者的研究发现了方法的一些缺陷。如有学者在维多利亚境内河流的研究发现，预测模型的建立受到空间尺度和环境梯度的影响，所以一个预测模型仅适用于特定的空间区域，不能外推到不同空间尺度[54]，而且预测模型方法非常依赖环境类型和大型无脊椎动物组成间的关系[55]，表明不同类型的环境区域需要建立不同的模型，在流域和国家尺度范围用同样的方法进行河流监测会存在适用性差的问题。其次，模型建立需要连续多年的数据资料的积累才能实现方法评价的敏感性和准确性，若缺乏足够的环境数据和生物数据，如只有一年监测数据或单次监测数据，则模型预测方法不能准确判定干扰范围，评价的敏感性也不够[56]。葡萄牙学者的研究也发现了类似的问题，在蒙德古河(Mondego)流域开展的研究发现，由于缺乏参照位点的数据，模型在流域下游地区的评价效果不佳，未能很好地判别出干扰位点[57]。

预测模型方法可以对一个特定环境类型进行准确的评价，也可以用于长期的监测评价，但是需要长期全面的生物监测数据作基础[56]。在缺少数据基础和背景信息区域以及在流域和国家尺度范围开展河流监测评价方法仍存在一定的缺陷。

2 国内研究与应用进展

国内近几年才逐渐开展从河流健康角度评价河流生态系统的研究，主要在河流生态健康基础理论、河流生态健康评价体系的建立方法及评价方法的应用3个方面开展了工作。2003—2006年，国内研究集中在总结和探讨国外有关河流生态健康和河流生态完整性概念的提出和发展以及对河流健康内涵的多种定义和理解等方面[58-61]，汇总了现有研究对河流生态健康的不同理解，但对其内涵主要还是定义为生物完整性和可持续性[62]，与未受人为干扰河流的相似度[59]，以及生态中的生物完整性、生境状况和化学参数质量状况[60]，也提出明确河流健康概念及内涵，对于促进我国河流生态健康研究、指导河流保护有重要的现实意义。其次，在河流生态健康评价体系的构建方面，吴阿娜等[63-65]对河流生态系统健康评价方法进行了探讨，研究内容包含河流健康的评估原则，主要的表征因子和评价指标的选取，评价方法和评价标准的确定，以及整个评价指标体系的建立等理论研究。其中，冯彦等[65]分析了近40年国内外相关研究中对评价体系指标的使用率，从中筛选出使用率高的8个指标作为河流健康的评价指标(河岸植被覆盖率、河流连通性、水质达标率、鱼类生物完整性指数等)，为我国建立评价体系提供了有价值的参考。刘晓燕[64]研究建立了黄河健康的评价框架和指标体系，理论研究中兼顾了河源、上游、中游、下游及河口段的不同指示指标，但研究中没有利用黄河数据对评价框架的有效性进行应用分析，体系的适用性和准确性都需要在长期的应用中验证。

近年来，我国河流生态健康的研究集中在对评价方法在具体研究区域的实践应用的探索。在国内漓江、辽河流域、袁河、嘉陵江、珠江流域、长江[15-16,19,21-22,66-69]等多条河流开展了现场生物群落调查，涉及生物完整性指数(IBI)、RIVPACS预测模型、生境质量指数(HQI)、对指标综合评价等多种评价方法的应用，探讨了不同的方法对我国河流生态健康监测的适用性。IBI方法的应用研究中，有学者在东江[20]和辽河流域[68]建立了F-IBI和硅藻完整性指数(D-IBI)并开展了适用性研究，表明IBI方法可以准确测量河流状态，是监测河流状态的有效的评价方法。虽然目前这些方法只在特定的研究区得到应用和验证，但是仍然对相似类型河流的评价和河流的管理有重要的指导意义。除了IBI方法的应用，国内很多学者探索了多指标综合评价方法在我国的适用性，研究涉及不同类型的河流和不同尺度的评价，采用的指标综合的方法也不尽相同[16，19，22，66-67，69]。虽然目前对综合评价方法的案例应用仍处于早期发展的探索阶段，评价系统的有效性还需要长时间连续监测数据的验证，但初步的评价结果仍可以为指导后期河流生态环境的恢复提供重要的建议。如有学者对河口区域水体进行了评价研究，表明长江河口生态系统目前处在亚健康状态，进一步提出河流的修复需要进行更多、更长时间的人工干预[66]。有学者在城市水源地上游河流开展了综合评价的研究，研究探讨了基于模糊概率法的多指标综合评价方法在河流评价中的优点，为综合评价方法的研究提供了一个尝试性的方法[66]。也有学者利用加权综合评价[16，19]、灰色关联度综合评价[22]等不同的方法在辽河流域[22]、嘉陵江[19]、鄱阳湖水系[69]等开展了方法的开发和应用研究，以上这些研究的目的都是探索不同的综合方法在我国河流生态质量评价中的准确性和适用性，以及对于评估人类开发活动影响的效果。基于这样的目的，研究也发现综合评价方法存在的一些问题：综合评价法的多指标的选择中，一些指标对干扰的响应的敏感性及其稳定性尚需验证；由于河流不同区段水生生物群落结构存在较大差异，难以采用同一套评价指标和标准；参数的参照值筛选和确定是研究中的难点。评价方法的准确性和适用范围等问题，在目前的研究中还没有得到解决，仍然需要在后续的研究中通过更多的应用研究数据来进一步完善，但多指标综合评价仍是国内外河流生态系统健康评价的发展趋势。除了IBI和多指标综合评价方法的研究，有学者探讨了预测模型评价方法的应用效果。在漓江流域[15]的案例研究表明，RIVPACS预测模型适用于我国的河流评价，但需要根据我国具体河流类型来建立特定的模型。对于国家范围的评价，我国目前还无法避免预测模型在不同环境类型中应用的缺陷。

在国家层面，也开展了一些重要的项目研究。2009年中国水利部和环境保护部共同实施的中澳合作研究项目——中国河流健康与环境流量项目(2009—2012)[70]，目的是通过开展河流监测、环境流量需求评价以及政策响应制定来改善国家对河流状况的管理方法。项目开展了对珠江(桂江流域)、黄河(小浪底下游区域)与辽河(太子河流域)3个流域的河流健康评估研究。这项研究的意义在于，在流域尺度开展了评价研究，探索了适用于中国的河流健康指标，分析了方法在我国的适用性，探讨了我国开展河流生态健康监测的难点和重点方向[70-71]。

3 存在问题

目前国内的研究多利用水质理化数据和部分生物数据评估河流的水质状况，缺乏从系统性和整体性角度进行分析，为全国河流生态监测的运行和河流系统管理所提供的支撑也相对有限。现有研究的评价体系主要存在以下几方面问题：①仍主要依赖水质物理化学指标结合单一生物类群来评价河流生态状况，或单独利用生物群落指标进行评价，指标不够全面。②生境和水质指标虽有监测，但大多未形成评价指标，主要用于辅助分析。③在河流生态评价中利用水质化学、生物、生境等多要素综合评价的研究还很有限，仍停留在方法探索阶段。④指标评价体系的构建缺乏水质理化要素、生物要素和生境要素间关联性的深入分析，对于具有指示性的水质理化和生境评价指标尚不明确。⑤评价数据多采用单次或短期监测数据，缺少长期监测研究的经验和数据积累。⑥应用研究多以借鉴国外现有评价体系为主，开发建立新评价系统的研究还很少。这些指明了今后评价研究的努力方向和需要解决或完善的方面。

4 应用前景与展望

随着对我国河流生态质量的关注不断深入，从水生态系统完整性角度对河流状况进行监测和评价的优势和其必要性就充分显示出来。水生态系统完整性评价法能有效地评价自然生态系统维持自然状态和稳定性的程度及变化趋势，是资源管理和环境保护中一个重要的概念。目前我国面临着河流污染和破坏日趋加重的局面，如何让“河流休养生息”，如何保护河流生态质量的良好状态，如何让受干扰的河流得到恢复，环境保护和治理的巨大需求为现阶段我们的水环境质量监测评价提出了更高的要求。我国的河流监测与评价必将从单纯的物理化学指标监测和限值达标的评价体系，向基于保护河流水生态完整性为目标的多要素多指标的综合监测评价体系发展，这已经成为发展的必然趋势。为满足环境管理的新需求，我国必须在现阶段在全国范围开展基于生态系统完整性的综合监测评价研究。目前我国已引入河流生态完整性的理论，并开展了一些案例应用研究和探索性的方法研究，从中积累的经验和数据基础都将成为有利的推动力。

对我国河流生态质量评价的发展提出以下几点建议：生物类群选择上，可以先开展单生物类群(底栖动物或藻类)的评价，逐步扩展到多生物类群(底栖、藻类和鱼类)。指标选择上，先选用一些适用性广、容易获得的指标(如生物指数、多样性指数)，然后逐步构建“一河一测”有针对性的指标体系(如构建各自的IBI指标)。相信随着河流生态健康研究的深入和研究数据的积累，河流生态质量评价的完善性和可靠性也会随之提高，我国对河流环境的监测和管理将进入基于流域生态质量和生态健康保护的新领域。

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