我国流域水生态完整性评价方法构建

金小伟，王业耀，王备新，许人骥，阴 琨，刘 娜，吕怡兵，刘廷良

1.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 2.南京农业大学昆虫系，江苏 南京 210095 3.中国地质大学(北京)水资源与环境学院，北京 100083

我国流域水生态完整性评价方法构建

金小伟1，王业耀1，王备新2，许人骥1，阴 琨1，刘 娜3，吕怡兵1，刘廷良1

1.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 2.南京农业大学昆虫系，江苏 南京 210095 3.中国地质大学(北京)水资源与环境学院，北京 100083

流域水生态完整性评价是指通过对水生态系统中不同水生态指标(生物和非生物)的监测以及由数学方法综合形成的综合评价指数，来反映水生态系统完整性状况。近年来，世界各国水环境管理政策发生了变化，开始强调生态保护，重视水体的生态质量。中国现行的常规理化监测指标(如COD、氨氮、BOD5)很难满足水环境管理的需求，难以全面准确地反映水环境质量变化的趋势。因此，在借鉴欧美发达国家流域水生态完整性评价方法的基础上，结合中国目前监测现状以及流域水环境管理需求，构建了包括物理生境指标、理化指标、水生生物指标在内的流域水生态完整性监测与评价方法，以期为中国流域水质目标管理技术体系的业务化运行提供可资借鉴的技术支撑，实现从单一的化学指标监测转向综合的水生态系统监测，实现流域水生态完整性的监测与评价。

生物监测；生态完整性评价；流域管理；水生态环境

水环境质量监测和评价是进行水环境管理和保证水环境健康的重要手段。 20世纪80年代开始，国外水资源政策开始强调生态保护，重视流域水环境的生态质量[1]。1980年后, 美国进入流域水环境综合管理阶段，提出水环境质量必须和水环境的功能相联系，不仅要考虑化学指标，更重要的是考虑生态指标、栖息地生境质量、生物多样性以及生态完整性。20世纪90年代，先后有许多国家开展了河流健康监测与评价研究计划。美国环保局(USEPA)在1990年启动环境监测与评价研究计划(EMAP)， 目的在于监测和评价美国的河流和湖泊的生态环境质量状况和变化趋势[2]；此外，美国地质调查局(USGS)在1994年开展了一项美国全国范围的水质评价计划(NAWQA)，对全美的水环境质量状况和趋势进行评价，并找出影响水质的重要环境因素[3]；2001年开始，EMAP开始了第2个10年研究计划，主要目标是进一步明确影响水环境质量状况的主要因素，以便建立起污染源、污染物的迁移和传输、污染物对河流水生态系统和饮用水健康的影响三者之间关系，同时启动对各研究流域的长期监测计划[4]。1992年和1994年澳大利亚和南非相继开展了国家河流健康监测与评价计划[5-6]。2000年12月22日，欧盟成员国开始实施“水框架指令”(WFD)[7]，主要目标是到2015年，使各种水环境(河流、湖泊、地下水和近岸海域)处于良好状态； “水框架指令”要求各成员国评价水体的生态环境质量。水生态环境质量主要基于生物、水文地貌和物理化学质量，其中生物质量尤其重要[8-9]。

我国的生物监测工作与我国的环境监测事业几乎同时起步，始于20世纪70年代的环境污染调查。1984年，原国家环境保护局召开了第一次环境生物监测工作会议，之后于1986年出版了《生物监测技术规范(水环境部分)》；1989年组织编写了《水和废水监测分析方法》中的“水生生物检测分析方法”，1993年编写出版《水生生物监测手册》，并在这个时期初次建立起国家水生生物监测网，开始在全国范围开展生物监测例行工作[10-11]。20世纪90年代由于我国大力发展乡镇企业，水体污染急剧加重，导致部分水体中鱼虾绝迹，与此同时理化监测技术体系的快速发展以及理化监测任务的加重使我国环境监测工作重点基本集中到理化方面[12]，生物监测工作陷入了可有可无的尴尬境地，很多80年代中后期开展生物监测的监测站也取消了这方面的工作，仅保留细菌学方面的例行监测项目。进入21世纪以后，由于国家水环境管理不断加强，水污染治理投入逐年增加，使得流域水环境质量开始改善，生态系统逐渐得到恢复[13-14]。而常规的理化监测指标(如COD、氨氮、BOD5)很难满足水环境管理的需求，不能准确反映复杂水环境健康的变化趋势，需要建立一套包括物理生境、生物、水体理化等指标的综合监测与评价体系，准确评价我国水环境质量现状和预测变化趋势[15-17]。

流域水生态完整性评价是指通过对水生态系统中不同生态组分(非生物和生物)的监测，并通过数学方法计算形成综合评价指数，来反映水生态系统的完整性状况，即水生态健康。流域水生态健康评价是实施水生态功能分区管理的重要基础[18-19]。 “十二五”国家水体污染控制与治理科技重大专项“流域水生态环境质量监测与评价研究”建立了一套流域水生态环境监测和评价方法，包括基于生态完整性的流域水生态环境监测指标体系、水生态环境监测技术方法体系、综合性的流域水生态质量评价方法体系和流域水生态环境质量监测业务化运行体系。本文构建了我国开展流域水生态完整性评价监测体系与评价方法体系，希望它的推广使用可为水生态环境质量监测和评价提供综合、有效的监测技术规范和方法，为流域水质目标管理技术体系的业务化运行提供有效的技术支撑，实现从单一的化学指标监测转向综合的水生态系统监测，实现了流域水生态完整性的监测与评价。

1 我国流域水生态完整性评价监测体系构建

1.1 监测要素

在流域水生态完整性评价中，可以采用的指标不胜枚举，在业务监测实践中，不可能也不必要测定所有评价指标，仅需要根据生态区域和特定流域的实际状况，因地制宜地选择合适的指标集。选择评价指标时，通常应该遵循以下标准：①指标本身具有明确意义，且能够直接与特定的生态功能相联系；②指标能够灵敏反映流域内的生态质量变化趋势和污染过程，可用于确定主要生态胁迫因子；③指标相对容易测定，尽可能选择相对经济合算的指标；④指标应该具有良好的重现性，存在统一的监测标准或规范[20]。

常见的水生态完整性监测指标大致可分为物理生境指标、水质理化指标和生物类群指标3类(表1)。其中生物类群指标主要包括着生藻类、浮游植物、浮游动物、大型底栖动物。应当根据特定的监测目的，充分考虑每个类群的特点、优势、生命周期，结合区域的环境特点选择适合的水生生物类群。比如，较为短期的环境监测可选用浮游植物、浮游动物，较为长期的环境监测可选用大型底栖动物；监测化学水质变化(尤其富营养化)可选用浮游植物、浮游动物，评价物理生境退化则可选用大型底栖动物。结合不同生物类群的监测结果，可以综合、全面地反映环境状态，但是考虑到现场的实际采样条件以及人员、仪器的配备情况，可以在充分达到既定监测目的的前提下对监测类群酌情增减。

表1 目前正在开展的流域水生生物监测项目及监测水体

1.2 监测频次与时间

1.2.1 监测频次

充分考虑水域环境条件、生物类群的时间变化特点、调查目的及人力、费用投入，确定调查频次和调查时间。至少每年监测1次；受季节性影响显著水体的变化趋势评价，应按季度监测，至少每个季度监测1次；事故性污染物的监测频率必须考虑污染物效力的严重程度及持续时间，各种监测类群的生命周期及经过采样后的恢复能力也必须予以考虑。

1.2.2 监测时间

按年度监测，一般选择春季或秋季；按季节监测，一般选择春、夏、秋3个季节。监测时间的确定，既要考虑各项监测指标的变化规律，又要兼顾实际情况。需要注意的是，若进行逐季监测，各季或各月监测的时间间隔应基本相同；同一河流中应力求水质同步采样；生境监测建议在夏季进行，保证观测到河岸植被的覆盖情况。

1.3 点位布设

监测点位的布设，取决于水体和周围环境的自然生态类型、人类干扰强度，以及所用生物监测技术的特殊要求，以满足监测及评价目的为宗旨，需遵从以下原则：①尽可能沿用历史观测点位；②在监测点位采集的样品，需对研究水域的单项或多项指标具有较好的代表性；③生物监测点位应与水文测量、水质理化指标监测站位相同，尽可能获取足够信息，用于解释观测到的生态效应；④生物监测点位尽量涵盖到不同的生境类型；⑤在保证达到必要的精度和样本量的前提下，监测点位应尽量少，要兼顾技术指标和费用投入；⑥生境监测点位与生物监测点位保持一致；⑦如果监测的目的是建立大范围、全面的流域生物数据网络，点位需覆盖整个流域范围；如果监测目的是客观评估点源污染的影响，则需在一定范围内进行加密监测。

布设监测点位时需要注意：①局部经过人为改变的区域，如小型水坝及桥梁区，除非需要评估其影响，应避免在区域内设置点位。②避免在支流河口附近设置点位。③河流或流域范围的监测，不应当由于栖息地退化或该物理特征已有充分代表而舍弃采样点位。④事故性污染物的监测点位应当全面覆盖可能的污染混合带，如在排污口下游间隔布设监测点位。

1.4 野外质量保证与控制

1.4.1 样品的采集

1)保证所有野外设备处于良好的运行状态，需制定一项常规检查、维护或校准的计划，以确保野外数据的异质性和质量。野外数据必须完整、规范、清晰。

2)合理安排各类生物样品采集顺序，尽量避免生物类群在采集前受到较大扰动。

3)定量采样应在定性采样前进行。

4)正确填写样品标签，包括样品编号、日期、水体名称、采样位置以及采集人姓名。样品记录表包含的信息必须与样品瓶标签相同。

5)及时清洗所有接触过样品的采样设备，并仔细检查，防止采样污染。

6)及时在现场处理样品。受生物活动影响，随时间变化明显的项目应在规定时间内测定。

1.4.2 样品的保存

按照要求分别保存各类样品，保存时，每隔几周检查固定液，必要时进行添加。

1.4.3 样品的运输

1)必须根据采样记录或登记表核对清点样品，以免有误或丢失。

2)样品运输中贮存温度不超过采样时的温度，必要时需准备冷藏设备。

3)运输中应仔细保管样品，以确保样品无破损、无污染。应避免强光照射及强烈震动。

1.4.4 采样记录

除了样品相关信息，采样时间、地点、水温、气温、水文、植被等也应有详细记录，确保采样现场数据的完整性。

1.4.5 准确度和精确度

关上了房门后，高河环视这间屋子，屋子里布置得很温馨。高河想起了小表姐，聪明活泼，而且又倔强的性格，虽然她的相貌高河已经有些淡忘，但那蹦蹦跳跳的身姿还印在他的脑海中，她喜欢野花野草，喜欢小狗小猫，喜欢任何可爱的东西。但是，她不喜欢娟儿。

1)采集现场要设负责人，对采样点位、样方采集数量、采集的效果进行评估。

2)底栖动物采集拣选的每个样品，要经采集团队的另一人对拣选样品进行检查，确保无生物遗漏现象发生。

3)藻类等采集的样品，要由指定人员检查样品采集过程是否符合采集要求，保存方法是否符合规范。

4)生境调查至少应有2人同时完成记录和评价；不同时间周期下同一河流或河段的生境调查建议由同批人员完成。

1.5 实验室质量保证与控制

1.5.1 样品的交接与记录

1)样品交接时，应办理正式交接手续，由接收样品的工作人员记录其状态，检查是否异常或是否与相应检验方法中描述的标准状态有所偏离。

1.5.2 种类鉴定、计数

1)新种、新记录种必须留出标本完整、鉴别特征典型的样品制作标本，永久保存，并请分类学专家进行确认。

2)有疑问不确定的物种，需要请分类学专家对物种进行确认。

3)样品鉴定完毕后，需请1位相关专业人员对样品进行抽检，抽检比例为10%，以确保分类鉴定的准确性，并记录鉴定的偏差情况。

4)实验室应当保存并更新相关的分类学文献。

5)样品需由2名工作人员重复计数。

1.5.3 数据记录

记录实验室分析过程中所取得的相应数据，分析测试项目还应记录下测试条件、测试方法、QC报告(空白、重复、标样、校正)，并描述如何从原始数据到最终结果报告的过程、数据转换步骤。数据记录表必须有记录人、校对人签字。

1.5.4 样品的保存

保存所有样品的模式标本及其记录，必须准确、标记完整、防腐，并保存于实验室，以便将来作为参考。现场分析剩余样品不保存；实验室分析剩余的生物样品至少保留4个月以上，有条件的实验室可长期保存。

1.5.5 准确度和精确度

1)建议重复抽样样品应当由另一位专业人员计数，以便评估分类精确性及偏差。

2)建议定期邀请专业分类学者进行抽查，对错鉴的物种在记录表上进行更正，并记录鉴定的偏差情况。

3)建议开展专业技术培训提高人员鉴定水平。

1.5.6 资料保存

基础分类学参考文献文库是藻类、大型底栖动物鉴定中必不可少的辅助工具，应按实验室需求购买、收集和保存。

2 我国流域水生态完整性评价方法构建

对水环境生态状态的评价按照所选指标的不同，可分为指示物种法和基于河流栖息地特征的综合评价法2种。指示物种法主要依据水环境某些物种的数量、生物量、生产力、结构指标、功能指标和一些生理生态指标来描述河流生态系统的健康状态。常用的指示生物包括鱼类、底栖无脊椎动物和着生藻类等[21]。指示物种法虽然是评价水环境健康状态的常用方法之一，但这种方法也有其不足之处。很多指示物种具有很强的移动能力，对胁迫的耐受程度较低，与生态系统变化的相关性较弱，指示物种的监测参数选择不当会给生态系统健康评价带来偏差[22]。综合评价法在一定程度上可弥补指示物种法的不足，更好地评价河流的健康状况，因为在这一类指标体系中包含反映水环境健康不同信息的指标，能反映复杂水生态系统的多尺度、多压力的特征，有利于全方位揭示水环境存在的问题。综合评价方法也存在一些问题：综合评价中指标的选择及评价模型的构建尚不完善；由于不同地理区域河流及河流不同区段水生生物群落结构差异较大，很难采用同一套评价指标和方法；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完全解决，需要在后续的研究中进一步完善。但多指标综合评价仍是国内外河流生态完整性评价的发展趋势[18]。因此，在借鉴欧美发达国家流域生态完整性评价方法的基础上，结合我国目前的监测现状以及流域水环境管理需求，构建适合我国现状的流域生态完整性评价方法。

2.1 参照状态的确定方法

参照状态的确定是用于比较并检测环境损伤的基准，是进行生态评价的必要前提。根据评价的目的，可以分别采用特定参照位点和区域参照位点。

1)特定参照位点。是指将点源排放的上游1个或数个位点作为参照状态。该类型参照状态减少了源于生境差异的复杂情况，排除其他点源和非点源污染造成的损害，可有助于诊断特定排放与损害之间的因果关系，并提高精确度。但是，该类型参照状态的有效性较为有限，不适合广域(流域及其以上范围)的监测或评价。

2)区域参照位点。通常是以自然环境梯度来划分的区域内未受干扰(接近自然状态)或干扰最小的一系列位点作为该区域内的参照位点，其所代表的生物群落、生境和水化特征作为该区域的参照状态。更适合于建立水域或流域尺度的生态健康基准，用于评价资源利用损害或影响，并制定相应的水质标准及监测网络。

但是在人类活动比较频繁的地区，很难找到没有受到干扰的位点，尤其是受到较大人为改变的系统，通常找不到合适的参照状态[23]。这些情况下，可以借助历史数据或简单的生态模型确立参照状态，也可以根据现有的最佳状态以及环境治理目标作为参照状态。

2.2 评价方法

水生态完整性评价根据监测要素包括水质理化参数、物理生境和水生生物3个对象。现阶段可采用以下方法开展流域生态完整性评价。

2.2.1 水质理化参数评价

参照《地表水环境质量标准》(GB 3838—2002)基本项目标准限值，水质指标的评价根据不同功能分区水质类别的标准限值，进行单因子评价(其中水温和pH不作为评价指标)。最后根据水质类别等级进行赋分，赋分标准：Ⅰ类5分；Ⅱ类4分；Ⅲ类3分；Ⅳ类2分；Ⅴ类及以下1分。

2.2.2 物理生境评价

按照《流域水生态环境质量监测技术规范》中生境调查方法中的“栖息地生境评价计分表”，野外评测10个生境参数并定性打分。每个参数分值范围为0～20，划分为4个评价等级。每个监测断面生境总分由10项参数分值累加计算，分级评价标准见表2。

表2 河流栖息地生境质量(H)的分级评价标准

2.2.3 水生生物评价

按照《流域水生态环境质量监测技术规范》要求进行大型底栖动物、藻类的定性(或定量)采集和鉴定分析，记录定性定量分析数据进行评价赋分(表3)。可选择其中一种或几种评价方法对监测河流进行评价(如在监测实践中已有比较成熟的方法，也可以继续沿用)[24-25]。

表3 水生生物指标评价等级及赋分

2.3 水生态环境质量的综合评价

采用水生态环境质量综合指数来全面评价水生态环境质量。这个综合指数包括了物理生境、水质理化参数和水生生物3个方面的多个评价参数。

2.3.1 水生态环境质量综合指数

通过水化学指标和水生生物指标加权求和，构建水生态环境质量综合指数(WQI)，该指数表示各评估单元和水环境整体的质量状况。

式中：xi指评价指标分值；wi指评价指标权重。

结合我国目前生物评价发展水平，暂时考虑水质理化参数指标、物理生境指标和水生生物指标，其分值及权重如表4所示。

表4 水生态环境质量综合指数计算说明

注：“建议权重”根据专家打分法确定。

2.3.2 标准与分级

根据WQI分值大小，将水生态环境质量状况等级分为五级，分别为优秀、良好、轻度污染、中度污染和重度污染，具体指数分值和质量状况分级详见表5。

表5 水生态环境质量状况分级标准

3 结论

随着我国对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的一个重要概念。虽然我国引入了水生态完整性的概念，但现有水生态系统评价体系距离发达国家现有技术水平、实现流域水环境科学管理仍有一定的距离。本文在借鉴欧美发达国家流域水生态完整性评价方法和业务化监测思路的基础上，结合我国目前监测现状以及流域水环境管理需求，构建了包括物理完整性、化学完整性以及生物完整性在内的流域生态完整性综合监测与评价方法，以期为我国流域水质目标管理技术体系的业务化运行提供可资借鉴的理论依据和技术支撑。

由于流域水生态系统组成复杂,涉及因素众多, 对其内部的作用机理了解得也不很透彻，这些给确定流域生态完整性评价标准、选取指标及量化指标带来了一定的影响，流域生态完整性评价还需从以下几个方面做进一步的研究：①评价指标的选择，流域水生态系统的组成复杂，涉及的关键影响因素众多，指标的选择决定水生态环境受污染的真实程度，如何选取具有代表性的指标去指示水生态系统的完整性需要科学合理的数据支撑。②评价标准，即参照状态的选择。现有的评价方法多数以河流原始的生态状况或未受人类干扰的状态作为参考状态，然而，不受人类干扰的状态是否就是健康状态仍然存在一定的争议。况且在实际的研究中这种未受人类活动干扰的生态环境很少存在， 根据历史资料确定也存在一定的难度和不确定性。另外，自然界本身也存在动态的演变过程，在现有的外界环境影响下能否保持原始的健康状态也存在不确定性。③水生态监测技术体系的完善，配合我国流域水生态环境监测体系的研究，需要一套获取科学有代表性的监测数据的监测方法技术体系，包括生物群落的监测、物理生境的监测、水生生物指示物的监测方法等多个方面的监测技术，以及制定流域水生生物监测点位设置方法、水生生物群落监测技术规范和质量控制规范。④业务化运行体系的完善，针对我国流域水环境监测分工不明确、统一监管力度不足、重复交叉情况严重的现状,以整体提升国家生物监测能力、实现监测技术资源和监测信息共享,以流域尺度进行水生态环境综合监测与评价,形成国家、省、市、县4级水环境监控网络体系，建立保障监控网络持续运行的管理体制和协调机制。搭建起我国流域水生态环境监测与评价技术体系的设计原则、设计思路及组织构成方式和运行方式等技术路线框架内容, 以期为我国的流域水环境质量管理提供技术支持。

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Methods Development for Monitoring and Assessment of Ecological integrity of Surface Waters in China

JIN Xiaowei1, WANG Yeyao1, WANG Beixin2, XU Renji1, YIN Kun1, LIU Na3, LYU Yibing1, LIU Tingliang1

1.State Environmental Protection Key Laboratory of Quality Control in Environmental Monitoring，China National Environmental Monitoring Centre, Beijing 100012, China 2.Laboratory of Aquatic Insects and Stream Ecology, Department of Entomology, Nanjing Agricultural University，Nanjing 210095,China 3.School of Water Resources and Environment, China University of Geosciences (Beijing), Beijing 100083, China

Monitoring of status and trends of surface waters quality is an important method to assure sustainability of desired characteristics of aquatic environments. The monitoring and assessment of ecological integrity surveys have demonstrated the value of probability-based sampling designs, quantitative assessments of multiple biological assemblages, a suite of qualitative habitat indicators and the use of historical information. Recently, several sets of legislation worldwide have been developed, that consider water bodies as ecological systems, in order to address ecological quality or integrity of watersheds. Current monitoring and assessment of water quality in China, which is still based on amounts of chemical pollutants, such as COD, ammonia and BOD5, has been deemed to be insufficient to adequately asses the quality of aquatic environments. Responding to this challenge, a new monitoring and assessment system is required based on ecological methodologies, which accurately represents status and trends in quality of aquatic environments. The components used in this monitoring and assessment system include hydrology, river morphology, physico-chemical parameters, ecotoxicological aspects, types and numbers of biota. Based on the results of the pilot scheme an ecological integrity index for surface waters will be established. A national coordination and management system, including methods for comprehensive monitoring of ecological integrity of surface waters in China will be initiated. The system should accurately reflect the effectiveness of governance and protection of major watersheds.

biological monitoring; ecological integrity assessment; watersheds management; aquatic ecological environment

2016-09-01;

2016-09-28

国家水体污染控制与治理科技重大专项(2013ZX07502001)；国家自然科学基金资助项目(21307165)；(美国)国家地理空气与水保护基金项目(GEFC28-15)

金小伟 (1985-)，男，甘肃兰州人，博士，高级工程师。

王业耀

X826

A

1002-6002(2017)01- 0075- 07

10.19316/j.issn.1002-6002.2017.01.12