岷江成都段水生态健康评价研究

欧阳莉莉, 韩 迁, 何 鑫, 贾滨洋

1.成都市环境保护科学研究院, 四川 成都 610062

2.成都市环境应急指挥保障中心, 四川 成都 610062

目前国内对于河流的监管方式大多还停留在水质监测阶段，主要通过监测水环境中特定的物理化学指标来判断河流是否需要及如何进行治理. 然而，水质理化指标无法反映河流生态系统的整体状况，河流的生境、生物等因素同样重要. 从管理的系统性与科学性来说，应将河流生态健康评价整体纳入河流日常监管体系[1]. 现有的河流生态健康评价方法主要分为指示生物法、综合指标体系法和数学模型法[2]，评价指标通常包括物理生境指标、水体理化指标和生物学指标3个部分[3-4]. 不同地区、不同类型水体的地形地貌、气候、海拔、水文特征等自然属性存在明显差异，由此导致的生物区系组成也会明显不同，对应的评价方法体系往往存在差异[4]，因此，建立地区性的河流生态健康评价指标体系有助于提高评价结果的准确性和合理性，更利于科学的进行水生态环境管理.

在城市的快速发展过程中，河流常因排涝需求而被渠化(俗称“三面光”)，闸坝阻隔甚至加盖成为暗河，更有甚者，未被处理的生活污水直排入河，导致出现“城市河流综合征”，即河流底质仅有淤泥，污染重，敏感物种消失，仅存耐污物种等[5]. 科学评价河流生态健康已成为当前城市河流管理的重要手段与目标.

生物完整性指数(Index of Biotic Integrity, IBI)，由Karr[6](1981年)首先提出，是一类包含多个生物指数的综合指数体系[7-8]，其研究对象生物类型众多，包括鱼类、底栖动物、藻类、水生植物等，甚至细菌[9-12]. 由于大型底栖无脊椎动物具有分布广、种类多，对水污染敏感和易采集等特点，底栖动物生物完整性指数(Benthic Index of Biotic Integrity, B-IBI)在国内外被广泛用于评价河流生态健康状况[13-14]. 欧盟和美国30个州开展溪流、河流生态健康评价，将其作为主要生物指标[15-20]. 国内自2000年以来，开展了一系列应用B-IBI评价溪流、河流等水体生态健康的研究[21-24]，在渭河、海河流域、太湖流域等有良好的应用[13,25-26]. 水生态环境质量综合指数(WQI)是中国环境监测总站在《河流水生态环境质量评价技术指南(试行)》[27]中提出的，根据研究区域实际情况，选择水质、生境、生物等多项指标，综合评价河流生态健康状况的方法. 欧阳莉莉等[28]筛选了一系列适用于成都市河流的指标，构建WQI评价了成都市河流生态健康状况.

岷江为长江上游的重要一级支流，发源于青藏高原东侧的四川阿坝州松潘县与九寨沟县交界的弓拱岭和郎架岭，流域面积1.36×105km2，由北向南依次流经阿坝、成都、眉山、乐山，最后在宜宾汇入长江[29]. 岷江在成都都江堰市以上称为上游，成都为其流经的首个平原地区人口密集的城市. 成都市为四川省会城市，位于四川盆地西部，成都平原腹地，位于102°54′E～104°53′E、30°05′N～31°26′N之间，市内大部分地域属岷江流域. 成都周边自然保护区众多，河流生态环境状况较好. 岷江进入成都平原人口聚集区后，河流生态环境问题(如河道渠化、生境单一、河水黑臭等)十分突出. 本文试图构建适合岷江(成都段)城市河流生态健康评价的B-IBI，从河流生物学质量层面评估岷江(成都段)河流生态健康，并与WQI进行评价结果对比，分析B-IBI用于岷江(成都段)河流健康评价的可行性，进而为城市河流生态健康评价方法的选择提供参考.

1 材料与方法

1.1 研究区域与样点

从岷江(成都段)流域溪流级别为1～3级的河流(见表1)中，选择23个样点(见图1)，其中1～6号样点位于岷江(成都段)最北区域，该区域人类活动强度低；7～23号样点位于成都市中心城区，受人类活动影响大. 于2017年4月对所有样点进行底栖动物样品采集，用于构建B-IBI；此外，受野外采样条件限制，选择了部分样点(6～9号、11～23号)同时采集水样、浮游藻类、底栖动物样品，并调查了生境状况，用于构建WQI.

表1 采样水体溪流级别

注： 1—虹口3；2—虹口2；3—虹口1；4—东岳村；5—龙溪河桥；6—都江堰水文站；7—新希望酒店；8—大湾桥；9—黄忠；10—高桥1；11—高桥；12—水津桥；13—武青桥；14—百花大桥；15—杆塔厂；16—安顺廊桥；17—成仁桥；18—永安大桥；19—凉港大桥；20—迎宾大道府河桥；21—二江寺；22—正公路；23—黄龙溪. 其中，1～5号和10号样点仅进行了B-IBI评价，6～9号和11～23号样点同时进行了B-IBI与WQI评价.

1.2 样品采集与分析

水样：有机玻璃采水器采集3 L表层水样(水面下约0.5 m)，检测指标包括总氮(TN)、总磷(TP)、氨氮(NH3-N)、化学需氧量(COD)、五日生化需氧量(BOD5)等，参考GB 3838—2002《地表水环境质量标准》评价水质类别.

浮游藻类：包括定量样品和定性样品，定量样品用1 L有机玻璃采水器采集于聚乙烯样品瓶，加入15 mL鲁哥氏液固定；定性样品用25#浮游生物网在表层水面呈“∞”字形缓慢捞取5～10 min采集于聚乙烯样品瓶，加入5～6滴鲁哥氏液固定. 样品经静置浓缩预处理后，显微镜下进行样品鉴定和计数[30-31]，定量样品使用0.1 mL浮游生物计数框，在40倍目镜下，随机计数一定的方格，计数细胞数一般应大于500个，如样品藻类细胞数特别稀少，则需全片计数，最后换算成每个样品的总密度；定性样品鉴定方法与定量样品类似，镜检1片计数框，全片扫描不用计数，鉴定藻类种类即可，鉴定参考文献[32-35].

底栖动物：若河流底质为石块浅滩，用D形网(0.63 mm孔径，0.3 m宽)，以踢击或抄的方法，在河段所有主要的生境类型采集；若底质为淤泥，用彼得生采泥器(1/16 m2)采集. 采集到的样品现场过0.425 mm孔径网筛，95%酒精固定. 回实验室后再进行挑样、鉴定与计数[9,30-31]，鉴定参考文献[36-37].

生境：选择样点上下各100 m左右的河段，通过观察，对调查河段的所有评价参数进行定性评价及评分. 评价参数与注意事项参考文献[31].

1.3 研究方法

1.3.1B-IBI评价体系

a) 参照点的选择. 参照点的设定参考Stoddard等[38]的“最佳可获得状态(Best Attainable Condition)”原则，根据研究区域实际情况，确定都江堰龙溪虹口国家自然保护区范围内以及都江堰市境内环境相对较好的6个样点(1～6号样点)作为参照点. 这些样点底质多为鹅卵石等，水体清澈，周边没有或少有人类活动，植被覆盖率高，位于成都市境内平原丘陵过渡地带，与位于平原地带的受损样点属于同一生态功能区[39].

b) 候选生物指数的确定. B-IBI指标体系的构成指数应对物理、化学、生物、水动力等环境因子的变化反应敏感且计算方法简便，所包含的生物学意义清楚[9]. 根据现有数据情况，选择的候选生物指数见表2.

表2 候选生物指数

c) 分布范围分析. 利用参照点的数据计算22个候选生物指数值，分析分布范围，筛除对干扰响应不灵敏的指标[9].

d) 判别能力分析. 采用箱线图法分析出能区分参照点和受损点差异的指标[9].

e) 相关性分析. 检验剩余各指标反映信息的独立性，剔除提供重复信息的指标[9].

f) 分值计算. 对各指数进行计分，统一评价量纲[39]，此处采用比值法[9,40-41].

g) 评价标准的建立. 该研究利用参照点B-IBI值分布的25%分位数法来建立评价标准[9].

1.3.2WQI评价体系

结合成都市实际情况及其他研究经验[4,27,31,42]，选取水质类别、河流生境、浮游藻类及底栖动物相关指标，计算岷江(成都段)河流(6～9、11～23号样点)健康状况. 各指标计算完成后，按照统一标准进行赋分，其中生物指标得分为浮游藻类和底栖动物指标赋分值进行算术平均后所得. 最后根据各指标的权重，对水质指标、生境指标和生物指标分值进行加权求和，计算WQI值. 最终水生态健康状况分为优秀(WQI≥4)、良好(4>WQI≥3)、一般(3>WQI≥2)、差(2>WQI≥1)、很差(WQI<1)5个等级[4,27].

2 结果与讨论

2.1 B-IBI评价结果

确定参照点和候选生物指标后，分析22个生物指标在6个参照点的分布范围情况：M7、M14、M16、M19均为干扰越强，指数值越小的类型；但从分位数值来看，这几项指标的分位数值都较低，表示其可变动范围小，对外界干扰响应可能不够灵敏，予以剔除. 剩余18个生物指数，进行下一步判别能力分析(见图2).

图2 18个底栖动物指数在参照点和受损点的箱线图

结果显示：M4、M18、M20的IQ值小于2；M9受干扰后IQ值应该增加，但该研究结果显示，受干扰后其减少，原因不明，因此将其一并剔除. 其他指标IQ值都大于或等于2，可做进一步分析.

对通过判别能力分析的14项指标进行相关分析，以检验各指标的独立性. 结果显示：M2、M3、M8、M10、M13均与M1和M5呈高度相关；M2、M3主要以毛翅目和蜉蝣类为主，M5为毛翅目分类单元数，M6为蜉蝣目分类单元数，M1的信息最多，因此选择保留M1、M5和M6；M2、M3、M8、M10、M13、M15、M22与M1、M5和M6均呈显著相关，予以剔除；M21与M5呈显著相关，予以剔除；M11、M12和M17与M1、M5和M6均呈不显著相关，予以保留. 因此，最终筛选M1、M5、M6、M11、M12、M17这6个指标组成B-IBI指数.

将各样点的指数分值相加(计算方法见表3)得到B-IBI指数值，对各样点最终B-IBI指数值进行判断能力分析(见图3)，发现该分值对河流生态健康状况具有较好的判别能力.

图3 比值法的B-IBI判别能力分析

表3 比值法分值计算公式[9]

利用参照样点数据来制定评价标准，对B-IBI指数值中0～3.24的分布范围四等分，建立不同健康程度的评价标准：>3.24为健康；2.43～3.24为亚健康；1.62～2.42为一般；0.81～1.61为差；<0.80为很差.

根据评价标准，对岷江(成都段)河流样点生态系统健康状况进行评价，结果(见表4)显示：23个样点中，健康样点5个，亚健康样点1个，一般样点5个，差样点2个，很差样点10个.

2.2 WQI评价结果

WQI筛选的水质类别、河流生境、浮游藻类Palmer污染指数、底栖动物BMWP指数和底栖动物BI指数作为WQI评价的核心指标. WQI评价结果(见表4)显示：17个样点中，亚健康样点1个，一般样点5个，差样点11个. 整体来看，WQI与B-IBI评价结果基本相同或相似，仅少数样点评价结果不一致.

2.3 两种评价结果对比

B-IBI评价结果显示，23个样点中，5个样点健康，1个样点亚健康，5个样点一般，2个样点差，10个样点很差，其中健康和亚健康点均位于成都上游都江堰市境内. 1～3号样点所在的白沙河流经虹口国家自然保护区，河道未堤防化，底质为鹅卵石等，利于曝气，水浅且透明度好，两岸植被覆盖率高，整体受人类活动影响小；位于龙溪河的4号和5号样点及岷江内江干流的6号样点的情况与1～3号样点类似；差和很差的样点则基本位于中下游流经城市人口聚集区域的河道，两岸普遍硬化，底质多为淤泥和细沙，流速缓慢，水质浑浊. 不同种类的底栖动物，对外界环境变化的响应程度不同，B-IBI指数正是以此为依据来评价河流健康状况. 不同健康状况的样点底栖动物群落组成也存在明显差异：健康的1～6号样点，底栖动物种类丰富，优势种包括蜉蝣目四节蜉属、毛翅目舌石蛾属、双翅目小突摇蚊属、双翅目朝大蚊属等，蜉蝣目、毛翅目多为敏感种，耐污能力差，一般指示清洁或轻污染水体[43-44]；而不健康的样点则种类较少，优势种类为颤蚓目水丝蚓属、吻蛭目石蛭属及摇蚊类，尤其是中下游16号、19号、23号等样点，以水丝蚓占绝对优势. 水丝蚓是耐有机污染的底栖动物，属寡毛纲颤蚓目，能够有效地指示水体的有机污染，摇蚊类也是常见耐污类群，分布极为广泛[45-46]. 可见，不管根据B-IBI评价结果，还是从底栖动物种类的指示意义，B-IBI都能较好地体现岷江(成都段)河流生态环境健康状况.

对B-IBI与WQI共有的17个样点评价结果进行对比，发现两种方法都能区分参照点和受损点的健康状况差异，二者呈显著相关(相关系数为0.734)，但具体到各样点的评价结果不完全一致. 健康级别相同或类似的样点有13个；同一样点评价结果不一致的样点有4个，分别是8号、9号、13号和19号样点；8号样点的B-IBI评价结果为差，WQI评价结果为一般；9号和13号样点的B-IBI评价结果为一般，WQI评价结果为差；19号样点的B-IBI评价结果为很差，WQI评价结果为一般. 产生差异的主要原因是B-IBI指数仅基于底栖动物的状况来评价水体健康状况，WQI则是基于水质、生境、浮游藻类、底栖动物的综合状态来进行评价.

WQI以水质、生境、浮游藻类、底栖动物等几大指标为基础，评价更为全面，评价过程简单快速易上手，但生物指标的选择上仅考虑了生物的耐污特性，缺乏生物群落组成和结构方面的指标. B-IBI虽然指标体系相对单一，缺少对水质、生境等方面的反映，且评价过程相对复杂，对评价人员的专业水平要求较高，但是该指数以底栖动物作为生物指标，其对外界环境变化的响应不仅灵敏，而且能够反映其生命周期时段内河流的综合状态，且B-IBI综合了底栖动物群落组成、结构、耐污特性等各项指标，较全面地反映了河流生物学质量，与WQI指数也具有良好的相关性，能够弥补WQI对生物层面河流健康评价的不足. 因此，B-IBI用于岷江(成都段)河流健康评价可行的.

2.4 基于B-IBI的不同城市河流健康状况对比

底栖动物的群落生存状态受周围环境中各种因素的影响. 有研究[13]指出，B-IBI受自然地貌的影响较大，不同地区构建B-IBI的生物参数不尽相同. 此外，不同地区参照点的选择标准不同，导致健康评价标准也不同，因此构建B-IBI需要因地制宜，但特定地区范围内的B-IBI评价结果变化趋势可以说明当地的水体健康状态变化情况. 为客观了解岷江(成都段)河流健康状况水平及其变化特点，该研究选择国内其他几个城市的河流生态健康评价结果进行对比(见表5). 从指数构成来看，上海市河流B-IBI基本由耐污类群构成，广州市、济南市和岷江(成都段)河流B-IBI指数都有敏感类群指标，究其原因主要是上海市河流完全位于城市发展区[47]，广州市和济南市的研究对象均从上游山区经中下游流经人口集中的区域[47-48]，岷江(成都段)河流则与二者类似. 从参照点选择和评价标准来看，广州市的研究对象与岷江(成都段)河流情况最相似，但评价结果显示广州市约64%的样点为健康或者亚健康，成都市则约57%的样点为差或者很差，主要原因是广州市河流样点基本在广州市上游，未经过人口最密度区域，而岷江(成都段)样点很多位于成都市人口最集中的中心城区. 上海市和济南市的河流样点则覆盖了人口最集中的市区，可以发现上海市约56%的样点为一般或差，济南市约57%的样点为差或很差，与岷江(成都段)差或很差的样点比例相似. 可见，不同的城市河流健康状况变化规律相似，都是在远离城市的上游区域河流健康状况要相对较好，流经人口集中市区的河流健康状况相对较差，可见人类活动对城市河流的影响.

表5 不同城市河流B-IBI评价情况对比

3 结论

a) 岷江(成都段)B-IBI由总分类单元数、毛翅目分类单元数、蜉蝣目分类单元数、EPT百分比、优势分类单元百分比、双翅目百分比这6项指标构成；成都市WQI由水质类别、河流生境状况、浮游藻类Palmer污染指数、底栖动物BMWP指数、底栖动物BI指数这5项指标构成. B-IBI用于岷江(成都段)河流健康评价是可行的.

b) B-IBI和WQI均能区分参照点和受损点的健康状况差异，二者相关系数为0.734，具有较强的相关性，B-IBI更能反映生物层面的河流健康状况.

c) 与国内其他城市相比，B-IBI的构成、参照点选择、评价结果等不尽相同，但均能反映相似的河流健康状况变化规律，即在远离城市的上游区域河流健康状况相对较好，流经人口集中市区的河流健康状况相对较差.

致谢：感谢四川大学建筑与环境学院唐亚教授在论文修改和润色过程中给予的帮助.