广水河河流水质调查及健康评价

陈兰洲，陶可，赵剑，吴新国，张渝蕊，魏思洁，陶越

(武汉大学 资源与环境科学学院，湖北省环境修复技术研究中心，武汉430072)

随着我国工农业发展，河流水量不足、水体污染以及水体流失等环境问题日趋严重，部分河流的健康状况在不断恶化. 因此，掌握河流健康水平，从而发现问题，并采取有效措施对河流进行保护和修复，已经变得十分迫切和重要[1]. 整体来看，国内关于河流健康评价已经开展了很多研究，主要在水文、水质、河岸带结构、河流形态、社会功能等方面，但是对于不同的河流，每个研究者的侧重点不同，导致在评价指标的选取和评价方法上存在较大的差异,在普适性上尚待进一步研究总结.

广水河位于广水市境东部，为澴水河中支河流, 长约62.6 km, 属季节性河流. 广水河作为广水市东部的主要河流, 对于其流域内的经济和社会发展起到了重要作用. 但是, 随着社会经济的发展，工业废水和生活污水不断地排入河中，其水质受到了一定程度的影响. 尤其是杨寨河段, 自20世纪七十年代开始的特种金属冶炼及生产, 对其下游河段的河水和底泥都造成了比较严重的重金属污染. 本文针对广水河的特点，选取合适并能反映广水河实际现状的评价指标，以建立广水河健康评价体系，并采用AHP-综合指数法对广水河健康状况进行评价，通过评价结果对广水河的健康问题进行分析，期望能找到造成广水河健康问题的主要原因，以及综合系统地处理河流治理、开发和保护之间关系的方法，促进当地社会、经济和生态环境的协调发展.

1 材料与方法

1.1 研究区概况及采样点布设

广水河发源于广水市光头山南麓之寨沟，与应山河(西支)在王店镇合流后与大悟河在孝昌县并流，经孝感市卧龙乡入府河，再经涢水入汉江. 广水河全长约62.6 km，流域面积502.6 km2，属季节性河流，河床为沙砾质河床，上游弯曲，中游和下游河道宽阔. 广水河较大支流有武胜关河、金鸡河、霞家河、长胜河和李店细河等. 2017年7月，在广水河干流共设置6个采样断面，见图1. 采样断面的设置主要依据国标GB/T12997-1991. 6个采样点分别分布在广水市、杨寨镇、王店镇的上下游等地点.

图1 广水河采样点分布图Fig.1 Location of sampling sites of Guangshui river

1.2 样品采集及分析

水文参数调查参照《河流流量测量规范》(GB50179-1993)进行，其中流速、流量等指标采用流速仪现场监测，浊度、水温等指标采用浊度仪、YSI多参数水质测量仪等现场监测.河流形态根据实际测量或目测法，记录河岸侵蚀面积、人工渠化长度、护岸类型、边滩植被盖度等[2]. 河岸植被特征包括植被盖度、植被结构、植被优势种、缓冲带植被生物量等[3].

分别在每个样点用采水器采集表层、中层、底层的混合水样1 L，按照《水和废水监测分析方法》(第四版)中水样的保存方法保存后，送实验室分析测定. 浮游植物定性样品采集采用25#浮游生物网划“8”字轨迹网入水样过滤，收集网内滤液. 所有浮游生物定性样品均放入终浓度4%的福尔马林溶液中保存. 另采集1 L混合水样装入瓶中，加入15 mL鲁戈氏液固定，静置沉淀48 h后，浓缩定容至30 mL，获得浮游植物定量样品，保存待检[4].

采用重金属采泥器对河流底泥进行分层采集，分别采集0～10 cm、10～20 cm、20～30 cm深的底泥，装入塑料袋封存. 样品经干燥、研磨、过筛后，取过筛120目的样品，微波消解处理. 底栖动物样品，经剖解后取肌肉、内脏等组织，同样运用微波消解法进行消解处理. 运用火焰原子吸收分光光度法，测定Fe、Mn、Zn、Cu、Cr、Cd、Pb、Ni的含量[5].

1.3 评价指标体系构建

1.3.1 评价指标选取

以吴阿娜等[6]提出的河流健康概念为理论基础，在遵循指标体系选择的科学性、易操作性和主导性原则的基础上，参考河流健康评价的相关研究成果，从河流水文、河流形态、河岸带状况、水质参数、河流生物5个方面选取评价指标(表1).

表1 河流健康评价指标表Tab.1 River health assessment indexes

将广水河河流健康评价体系分为3个层次，分别为目标层A、准则层B和指标层C. 其中最高级综合指标为河流健康综合指数，用来反映河流健康状况的总体特征，其下一级指标分别反映河流健康的5个组成部分，包括水文状况、河流形态、河岸带状况、水质参数、水生生物.

1.3.2 指标评价标准确定

将河流健康评价标准分为优、良，中、较差、最差五个级别，采用五级分值评分. 在咨询专家, 参考相关文献与规范的基础上，对每个指标独立确定标准特征值，见表2.

表2 指标的评价标准Tab. 2 The assessment standard of indexes

1.3.3 层次分析法确定评价指标的权重

研究权重的确定采用了层次分析法(AHP)，此方法是一种定性和定量相结合、系统化、层次化的多因素决策分析方法，可较好地消除主观判断的不确定性[7].

层次分析法确定权重的基本步骤如下：

(1)建立递阶层次结构模型

在应用层次分析法之前，首先要建立相应的评价指标体系，即对评判对象进行层次分析，确立清晰的分级指标体系，给出评判对象的因素集和子因素集，按照评价指标体系的基本关系构建一个递阶层次结构模型，以便对评判对象进行层次分析.

(2)构造判断矩阵

由专家对同层次内某两个指标进行相互比较，采用定量的标度，判断两个指标之间的相对重要程度，采用1-9标度表(表3).

表3 指标重要性标度表Tab.3 The importance of index

采用两两比较的方法，对相关指标进行相对重要性判断，根据表3给出相应分数，对于不同层次的指标，可得到若干个不同的判断矩阵(表4).

表4 A-B判断矩阵Tab.4 A-B judgement matrix

(3)层次单排序及其一致性检验

每一层次对上一层次中某因素的判断矩阵的最大特征值对应的规一化特征向量的各个分量，就是本层次相应因素对上层次某因素的相对重要性的排序权重值，即相应指标的单排序权重，计算过程借助于Yet Another AHP软件.

(4)层次总排序及其一致性检验

最后，逐层计算各层次中的诸因素关于总目标层的相对重要性权值. 计算方法是将最后一层各元素的权数依次乘以上一层受控元素的相对权数，从而形成各元素对于总目标的绝对权重.

按照层次分析法的步骤，根据专家意见和评价目标，结合广水河的现状，计算出各下级评价指标对于上级评价指标层的权重系数，及指标层权重排列次序，结果如表5所示.

表5 广水河健康评价指标权重Tab.5 Index weight in health assessment of Guangshui river

1.4 评价方法的确定

综合指数评价法是常用的多指标综合评价法，通过不同的途径获得每个评价指标的现状值，并将各指标的现状值进行量化，然后按一定的模型加权合成计算出评价综合值, 即河流系统的综合健康指数值，最后根据综合健康指数的分级数值范围，确定河流系统健康的等级[8].

具体步骤如下：①确定各个评价指标的现状值；②将各个评价指标的现状值无量纲化；③确定各个评价指标的权重；④计算综合健康指数值，

式中E为综合健康指数，表征整个河流系统的健康状况；n为评价指标的个数;λi为各个评价指标的无量纲化值；Wi为各个评价指标的权重.

2 结果与讨论

2.1 AHP-综合指数法对广水河健康状况的评价

根据对广水河河流健康评价指标现状值的调查分析和度量得出单项指标的评价结果，根据指标现状值评价结果和表3各指标权重，分别计算出目标层、准则层和指标层的评价指数，根据五级分值评分标准可得出准则层和目标层所处的健康水平.各层次的评价指数见表6.

表6 各层次评价指数Tab.6 Evaluation indexes at all levels

2.2 指标权重分析

2.2.1 准则层对于目标层的权重分析

根据表3，准则层5个指标对于目标层的权重如图2所示.

图2 准则层B对于目标层A的权重分布图Fig.2 Comparison of indicator weight in B layer relative to A layer

由图2可知，河流水文(B1)、河流水质(B4)和河流生物(B5)所占权重较大，权重分别为0.2137、0.3396、0.3403，其中河流生物(B5)所占权重最大，即在准则层5个指标中，河流生物是影响广水河河流健康状况最重要因素；河岸带状况(B3)和河流形态(B2)依次次之，权重分别为0.0791、0.0486. 河流生物是判断河水是否受到污染的有效参照物. 河水中不同化学物质的分布和浓度，将决定河流生物的类型构成.水生生物群落与水环境有着错综复杂的相互关系，对水质变化起着重要作用.水生生物的存亡标志着水质变化程度，通过水生生物的调查，可以评价水体被污染的状况[9].

2.2.2 指标层对于目标层的权重分析

根据表3，指标层15个指标对于目标层的权重分布如图3所示. 由图3可知，水质类别(C41)所占权重最大，为0.1719，即在指标层15个指标中，水质类别是影响广水河河流健康最重要的因素，水质的好坏不仅影响到河流中水生生物的生存和繁殖，还会对水体的使用价值及人们的生产生活造成一定程度的影响；鱼类资源(C53)所占权重次之，为0.1655，鱼类对河流生态系统非常重要，鱼类作为河流中食物链的重要一环，以浮游生物为食，对于藻类大量繁殖有一定程度的抑制作用[10]，并且有些鱼类对于水质变化非常敏感，对水质判别具有指示作用，同时鱼类也是人类非常重要的食物来源；再次是河流水量(C11)，所占权重为0.1455，河流水量是河流保持动力和活力的前提，充足的水量不仅可以保证河流生态系统的需求[11]，更能满足人类工农业及生活用水的需求.

图3 指标层C对于目标层A的权重分布图Fig.3 Comparison of indicator weight in C layer relative to A layer

2.3 评价结果分析

2.3.1 准则层评价结果分析

在准则层5个指标中，水文状况的评价指数为3.7481，水文状况的健康水平处于亚健康-健康之间，且偏向于健康；河流形态的评价指数为3.3354，河流形态的健康状况处于亚健康-健康之间，且偏向于亚健康；河岸带状况的评价指数为2.6993，河岸带的健康状况处于病态-亚健康之间，且偏向于亚健康；水质状况的评价指数为2.7031，水质健康状况处于病态-亚健康之间，主要原因是重金属造成水体污染；河流生物的评价指数为3.2942，河流生物的健康状况处于亚健康-健康之间，且偏向于亚健康，这是由于广水河鱼类资源在不断地减少所致.

2.3.2 目标层评价结果分析

广水河河流健康状况的综合评价指数为3.2149，健康水平处于亚健康-健康之间，且偏向于亚健康.现阶段广水河的河流健康状况主要存在以下问题：水量和水资源承载力不足；部分河岸坍塌；水体污染，部分河段呈轻度富营养化状态；水土流失加剧，进而导致河床淤积；水生生物减少等. 造成广水河河流健康水平低下的原因有很多，主要体现在以下两个方面：一是自然因素，广水河为季节性河流，流域内的降水量年内分配不均匀，水量变化较大，从而导致水位、水质和生态系统等多方面的不断变化，同时也对供水和农田灌溉产生一定影响；二是人为因素，河流采砂、畜牧业养殖、生活污水和工业废水的排入，对河流的水质和自然形态造成了一定程度的改变，此外，人类对水生资源的过度掠夺也导致了广水河生态系统的退化，最终造成广水河一系列的健康问题.

广水河目前总体处于亚健康水平，必须采取必要的保护措施阻止其进一步恶化，同时对受损的河段进行修复，使广水河能够保持良性的、可持续的健康发展状态. 根据对广水河河流健康状况的评价及分析，结合广水河的实际情况，提出以下建议：加大广水河河流自然形态保持和维护的力度；严格控制采砂活动，从优化河势的角度规划采砂[12]作业，避免采砂过度的状况发生，这同时可以减少河床泥沙淤积的现象；对坍塌河岸进行修复，尽可能以生态护岸或半生态护岸的形式进行河岸建设，通过引入植被，在加固河岸，减少水土流失的同时，提高河岸的植被覆盖率[13],加强防洪林建设，进一步巩固河岸.

3 结语

在借鉴国内外相关研究成果的基础上，结合广水河的实际情况，总结出一套适合广水河的健康评级体系与方法，运用AHP-综合指数法对广水河健康状况进行了评价，评价结果表明广水河健康综合指数为3.2149，健康状况总体处于亚健康水平.通过评价结果对广水河的健康问题进行分析，找到了广水河健康问题的主要原因：水量和水资源承载力不足；部分河岸坍塌；水体污染，部分河段呈轻度富营养化状态；水土流失加剧，导致河床淤积；水生生物减少，鱼类减少. 结合这些问题，本文提出了相应改善及修复的建议，对于探索合理处理河流治理、开放和保护之间的关系有一定的借鉴意义，同时可为促进当地社会、经济和生态环境的协调发展提供参考.