基于水环境监测的河流健康评估单元划分方法及其应用研究

刘聚涛,温春云,胡 芳,楼 倩,杨 平,戴国飞,王法磊

江西省水利科学研究院,江西省鄱阳湖水资源与环境重点实验室,江西 南昌 330029

明确河流健康状态是开展河流水生态系统保护与管理的重要基础。 河流水生态系统主要由水生生物群落与水环境共同组成,并且其结构和功能存在空间分异现象[1]。 其中,水环境因子是影响水生生物组成、生物量及多样性的重要因素[2-3],水环境因子的变化直接影响着河流健康状态。

河流健康评估单元划分是开展河流健康评估和生态系统保护的重要基础,可以揭示河流生态系统健康状况的空间特征差异,为水生态健康评估及保护措施的制定提供科学依据[2]。 目前,河流健康评估单元多集中于区域或流域尺度[4],通常以监测点为基础,结合上中下游河段、区域或流域,开展监测点-上中下游河段[5-7]、监测点-区域[7]、监测点-流域[8-10]、流域[11-12]等评估单元的河流健康状态评估研究。 其中,以流域为评估单元的研究多基于流域数字高程模型,采用ArcGIS软件中的水文分析模块进行小流域划分并作为评估单元[13];少量研究依托河流水文和水环境监测点的分布情况,对河流进行上中下游定性分段,作为健康评估单元。 由于河流水生态系统具有连续性,依托地理、水文特征和行政单元划分的健康评估单元忽略了监测点的代表性和河流水环境与生态系统的连续性,具有一定的局限性。 因此,有必要以水环境监测数据为依托,科学划分河流健康评估单元,使河流健康评估单元内的水生态环境具有一致性和连续性,不同评估单元之间具有空间差异性,同时为进一步明确不同评估单元在河流健康评估中的权重提供量化依据。

抚河是鄱阳湖水系第二大河流。 为改善流域水生态环境,以抚河全流域为单元,先后实施了水资源保护工程、污染治理工程、水土保持工程、生态保护和修复工程、环境监测平台建设工程等流域生态保护与综合治理项目,产生了显著的生态和环境效益。 本文以抚河为研究对象,基于水环境监测点的布局及其优化方法,科学布设河流水环境监测点,结合水环境监测数据,甄别河流健康评估单元划分指标,构建河流健康评估单元划分方法,科学划定河流健康评估单元,并量化各评估单元所占比重,以期为抚河健康评估、生态保护与综合管理提供参考。

1 区域概况

抚河(图1) 位于江西省东部(26°30′N—28°50′N, 115° 35′ E—117° 09′ E), 主 河 道 长348 km,流域面积15 717 km2。 其中,源头至南城为上游,长约158 km,河宽200 ～400 m;南城至临水汇合口为中游,长约77.4 km,河宽400 ～600 m;临川以下为下游,河宽400 ～1 000 m。 此外,以李家渡水文站为抚河控制站点。

图1 抚河概化及水环境监测点布设Fig.1 Generalization and layout of water environmental monitoring points of Fuhe River

2 材料与方法

2.1 监测点布设方法

抚河水环境监测点初始布设情况如图1 所示。 结合上中下游、干支流、重大水利工程和城市节点分布特征,采用网格法对抚河水环境监测点进行布设。 其中,干流以10 km×10 km 格网为基础,每个网格布设1 个监测点;支流以20 km×20 km 格网为基础,每两个网格布设1 个监测点。

2.2 水环境监测指标与方法

本研究分别于2017 年8 月(丰水期)、2017年12 月(枯水期)和2018 年5 月(平水期)开展野外取样和室内检测分析,检测指标包括总氮(TN)、总磷(TP)、氨氮(NH3-N)、高锰酸盐指数(CODMn)、五日生化需氧量(BOD5)和叶绿素a(Chl-a)等6 项,检测方法参考《地表水和污水监测技术规范》(HJ/T 91—2002)[14]。

2.3 监测点分类及布局优化方法

1) 监 测 点 分 类 方 法。 以 水 环 境TN、TP、NH3-N、CODMn、BOD5和Chl-a 等6 项指标在丰水期、平水期、枯水期的平均值为样本,采用SPSS 16.0 统计软件中的样本聚类分析方法对监测点进行初始分类。

2)监测点布局优化方法。 在初始分类中,选择与各类样本平均值拟合程度最高的点作为优化布局点。 不同类别的监测点中,统筹考虑监测点的空间布局确定优化布局点。

2.4 健康评估单元划分指标确定方法

以水环境监测指标为基础,结合监测点的分类结果,采用Pearson 相关系数分析水环境监测指标之间及其与监测点分类结果之间的相关关系,选择具有显著相关性的指标作为关键指标。在此基础上,选择与监测点分类结果相关系数最大且相关水平最为显著的指标,作为河流健康评估单元划分的分区指标(图2)。

图2 河流健康评估分区指标筛选概念图Fig.2 Conceptual map for screening division index of river health assessment

2.5 河流健康评估单元划分方法

1)评估单元划分标准的确定方法。 假设因子I 共m 个监测数据,分为n 类,Si表示第i 类监测数据。 各类别的最大值和最小值采用取整计算(INT 为取整函数), 则第 i 类的最大值为INT(Si,max)+1,最小值为INT(Si,min)。 计算第j类和第j+1 类的划分标准时,分别计算第j 类的最大值Sj,max和第j+1 类的最小值Sj+1,min,然后进行取整,取[INT(Sj,max)+1]+INT({INT(Sj+1,min)-[INT(Sj,max)+1]}/2)作为第j 类和第j+1 类的划分标 准。 第1 类的 INT (S1,min) 和 第 n 类 的INT(Sn,max)+1 按照实际指标值进行划分。

2)评估单元划分原则。 ①每个评估单元必须包含至少1 个监测点;②支流以汇入干流的节点为控制点划分评估单元;③源头区按照空间分区边界进行划分;④将具有差异的监测点划分为不同的评估单元。

3)评估单元划分方法。 采用ArcGIS 10.2 软件对分区指标进行空间插值,以标准值为边界,结合河流形态和空间插值范围,综合划分河流健康评估单元。

3 结果与分析

3.1 水环境监测点布局优化分析

根据水环境监测点分类方法,对抚河水环境监测点进行聚类分析,结果如表1 所示。 表1 显示,抚河水环境监测点共分为7 类。 其中,第一类包含13 个监测点,第二类包含11 个监测点,第三类包含8 个监测点,第四类包含4 个监测点,第五类包含2 个监测点,第六类和第七类各包含1 个监测点。

根据水环境监测点布局优化方法,确定优化后的抚河水环境监测点,结果如表1 所示。 布局优化后,共包括了16 个监测点,占初始布局点位数量的40%。 其中,第一类监测点包含5 个,第二类监测点包含4 个,第三类监测点包含2 个,第四类监测点包含2 个,第五至七类各包含1 个。

表1 抚河水环境监测点空间布局优化结果Table 1 Results of spatial layout optimization for water environment monitoring points in Fuhe River

3.2 河流健康评估单元划分指标识别

以抚河6 项水环境监测指标和分类结果为基础进行相关性分析,结果如表2 所示。 在0.01 水平上,TN 与NH3-N 呈显著相关,Chl-a 分别与BOD5、分类结果呈显著相关;在0.05 水平上,TN与CODMn呈显著相关,BOD5与分类结果呈显著相关。

根据各水环境监测指标与分类结果之间的相关性分析结果,Chl-a、BOD5两项指标均与分类结果之间存在显著相关关系,确定Chl-a 和BOD5为河流健康评估单元划分的关键指标。 同时,由于Chl-a 与分类结果在0.01 水平上显著相关,且相关系数为0.944,选择Chl-a 作为抚河健康评估单元划分的分区指标。

表2 抚河水环境监测指标与分类结果的相关性分析Table 2 Correlation analysis between the water environment monitoring index and classification result in Fuhe River

3.3 河流健康评估分区标准

抚河健康评估分区指标Chl-a 的浓度值如表3 所示。 根据评估单元划分标准确定方法,第一类的最大和最小划分标准为5 和1,第二类的最大和最小划分标准为8 和5,由此确定第一类和第二类的划分标准为5;第三类的最大和最小划分标准为11 和8,由此确定第二类和第三类的划分标准为8;第四类的最大和最小划分标准为14 和11,由此确定第三和第四类的划分标准为11;第五类的最大和最小划分标准为16 和15,则通过计算得到第四类和第五类的划分标准,[INT(S4,max)+1]+INT({INT(S5,min)-[INT(S4,max)+1]}/2)= 14+INT({15-14}/2)= 14,由此确定第四类和第五类点的划分标准为14;第六类的最大和最小划分标准为21 和20,则通过计算得到第五类和第六类的划分标准,[INT(S5,max)+1] +INT({INT(S6,min)-[INT(S5,max)+1]}/2)= 16+INT({20-16}/2)= 18,由此确定第五类和第六类的划分标准为18;第七类的最大和最小划分标准为28 和27,则通过计算得到第六类和第七类 的 划 分 标 准, [INT ( S6,max) + 1] +INT({INT(S7,min)-[INT(S6,max)+1]}/2)= 21+INT({27-21}/2)= 24,由此确定第六类和第七类的划分标准为24。

根据抚河健康评估单元划分标准计算结果,第一类至第七类的分区指标Chl-a 浓度(mg/m3)的分区标准分别为(0,5)、[5,8)、[8,11)、[11,14)、[14,18)、[18,24)、[24,+∞)。

表3 抚河健康评估分区指标值及分区标准Table 3 Division index values and criteria for river health assessment in Fuhe River mg/m3

3.4 河流健康评估分区划分

根据抚河水环境监测点布局优化结果,采用反距离加权法(Inverse Distance Weighted)进行空间插值(图3)。 结合河流健康评估分区标准,确定抚河健康评估单元,共划分为16 个(图4),各评估单元特征如表4 所示。

图3 抚河健康评估分区指标空间插值Fig.3 Spatial interpolation of division index for river health assessment in Fuhe River

根据抚河健康评估单元划分结果,盱江划分为盱江上游、盱江中游和盱江下游3 个评估单元;抚河干流划分为抚河干流上游、抚河干流中游、抚河干流抚州段3 个评估单元;黎滩河划分为黎滩河源头区和黎滩河下游2 个评估单元;宜黄水划分为宜黄水源头区和宜黄水下游2 个评估单元;相水划分为相水源头区和相水干流2 个评估单元;宝塘水划分为宝塘水源头区和宝塘水-崇仁河2 个评估单元;东乡水为1 个评估单元;抚河下游为1 个评估单元。

图4 抚河健康评估分区Fig.4 Zoning map of river health assessment in Fuhe River

表4 抚河健康评估单元特征及所占比重Table 4 Characteristics and proportion of river health assessment units in Fuhe River

4 讨论与结论

经优化后,抚河水环境监测布局共包含16 个监测点。 根据抚河健康评估单元划分结果,每个监测点代表1 个评估单元。 其中,主支干流包含上游、中游、下游3 个评估河段,其他支流一般分为源头区和下游2 个河段,较小的支流和流域下游单独划分为1 个评估单元。

根据抚河健康评估单元水环境特征及分类结果可知,相邻评估单元所包含的水环境监测点基本属于不同分类,表明相邻评估单元存在一定的差异。 抚河各评估单元中,相水源头区和相水干流被划分为两个评估单元,但其所包含的水环境监测点属于同一分类,可能是由于该评估单元多个监测点的指标值经平均后,缩小了两个评估单元之间的差异。 相水源头区评估单元包含1 个监测点(32 号),该监测点的Chl-a 浓度为3.122 mg/m3,属于评估单元划分的第一类。 相水干流评估单元包含两个监测点(33 号、34 号),Chl-a 浓度分别为1.380、5.828 mg/m3,分别属于评估单元划分的第一类、第二类,但整个评估单元Chl-a 浓度的平均值为3.604 mg/m3,属于评估单元划分的第一类。 显然,平均值缩小了两个评估单元之间的差异。

根据抚河健康评估单元划分结果,16 个评估单元所代表的河段长度不同,在河流健康评估中所占的比重也不同。 已往的河流健康评估通常利用各监测点特征值的算数平均值进行综合评估[7-10],但根据本研究结果,各监测点所代表评估单元的比重介于0.025 ～0.192,表明各评估单元所占比重存在较大差异。 因此,采用河流健康评估单元所占比重开展河流健康综合评估,考虑了各评估单元健康状况的差异性,评估结果更加符合实际情况。

本文构建了河流健康评估单元的划分指标、标准和方法,并以抚河为研究对象验证了其适用性。 以水环境监测数据为基础,通过河流健康评估单元划分指标识别方法,确定Chl-a 为抚河健康评估单元划分的分区指标,按浓度由低到高分为7 类。 按照河流健康评估单元划分方法,抚河共划分为16 个河流健康评估单元,其中,仅相水源头区和相水干流两个相邻评估单元属于同一类别,其他各相邻评估单元均属于不同分类,表明本研究构建的河流健康评估单元划分方法具有一定的适用性,可为进一步科学开展河流健康综合评估提供参考。