基于不同方法的水生态健康评估——以北京市典型水体为例

杨 蓉,刘 波,王东霞,徐 冉,黄振芳

北京市水文总站,北京 100089

水是人类文明起源和发展的重要条件,维持水体清洁和健康是环境保护、资源管理和供水安全等领域的共同要求,而建立判断水体状态的评价方法是评估水环境受人类干扰程度、指导后续保护和修复工作的重要基础。 近年来,随着生态文明理念的提出,基于生物学指标的水生态监测获得了进一步的发展和推广。 水生生物个体和群落的改变是对理化指标变化的响应,因此,生物指标可以反映生态系统在环境压力下的整体效应和累积效果,具有灵敏、直观、综合等优势[1]。 生物监测已成为美国、欧盟等国家和地区水环境管理框架的重要组成部分。 中国在生物监测方面虽然起步较晚,但在加强生物监测能力建设、推进相关研究、促成标准和规范建立等方面也取得了一定的成果[2]。 目前,已有多种生物监测和评价方法应用于水生态健康评价,例如:指示生物法通过判断敏感性强或耐污性好的生物的存在与否来指示水体受污染程度;多样性指数法通过评估群落组成异质性和群落结构复杂性来反映水质优劣;生物指数法通过量化特定类群生物的敏感性、耐受性等特征来构建计分系统,从而评价水生态状况。水务、环境等管理部门也在长期工作实践的基础上建立了满足自身管理需要的评价方法。 2017年,中国环境监测总站基于多年监测和研究基础,牵头出版了《流域水生态环境质量监测与评价技术指南》[3],并在系统内推广应用。 2020 年,北京市水务局出台了推荐性地方标准《水生态健康评价技术规范》(DB11/T 1722—2020)[4],并依此发布了年度水生态监测及健康评价报告。 两份技术指南/规范均是从水质、生境和生物3 个方面对水生态质量开展综合评价。 同年,水利部推出了《河湖健康评价指南(试行)》[5],从生态状况和功能状况两个角度指导河湖管理和保护。

北京地区的河湖水体均属于海河水系。 北京西部、北部、东北部被太行山脉和燕山山脉环绕,因此,其大多数天然河流都发源于西北山区,向东南流经平原城区后,出京流向渤海。 作为历史上多个朝代的都城和新中国的首都,数百年间,北京出于漕运、景观、防洪等目的修建了诸多河道和湖库[6]。 《北京市第一次水务普查公报》显示,北京五大水系共有流域面积超过10 km2的河流425条、湖泊41 个、水库88 座[7]。 这些水体不同程度地受到人类活动的影响,其健康状况受到政府和民众的关注。 综合目前的研究和管理成果,本研究选择了北京市部分典型水体,包括地表水水源地、景观湖泊和流经主城区的河道,分别采用Shannon-Wiener 多样性指数、水生态健康综合指数(Water Health Index,WHI)、水生态环境综合评价指数(Water Quality Index,WQI)开展水生态评价。 通过对3 种方法的评价结果进行对比,分析不同方法在北京市水域健康评价中的适用性,从而为评价方法的选择和应用提供参考。

1 实验方法

1.1 点位布设

在北京市典型水体中共选择16 个采样点,覆盖作为重要水源地的密云水库、面积较大的景观湖泊,以及清河、南护城河、通惠河、温榆河、凉水河、北运河等城市河道的重点断面,详见表1。

表1 采样点具体情况Table 1 Information of sampling spots

1.2 调查与监测方法

本研究基于2016—2020 年水生态调查与监测成果,数据获取方法如下:

1)生境调查。 按照《水生态健康评价技术规范》(DB11/T 1722—2020)和《流域水生态环境质量监测与评价技术指南》对河流和湖库生境参数进行评分,每年开展1 次。

2)水质监测。 按照《水环境监测规范》(SL 219—2013)[8]采集表层水样,监测项目为《地表水环境质量标准》(GB 3838—2002)[9]中的24 项基本项目,河流另加全盐量,湖库另加叶绿素a、透明度、全盐量。 分析方法采用最新的国家或行业标准方法。 每月月初开展1 次。

3)水生生物监测。 根据《水生生物调查技术规范》(DB11/T 1721—2020)[10]开展鱼类、大型水生植物、浮游植物、浮游动物和大型底栖动物调查监测。 每年春、夏、秋季各开展1 次。 鱼类种类鉴定主要参考《北京鱼类志》和《北京及其邻近地区的鱼类:物种多样性、资源评价和原色图谱》[11-12],大型水生植物的鉴定主要参考《水生植物图鉴》[13],浮游植物的种类鉴定主要参考《中国淡水藻类——系统、分类及生态》[14],浮游动物与大型底栖动物的鉴定主要参考《淡水微型生物与底栖动物图谱》和《中国淡水生物图谱》[15-16]。

1.3 数据处理与分析

1.3.1 水质评价

采用《地表水环境质量标准》 (GB 3838—2002)中的单因子评价法,以各个站点水质指标的年均值开展水质类别评价,密云水库使用8 个站点年均值的算术平均值。

1.3.2 多样性指数

以生态监测和相关研究中使用较多、可分别反映短期和长期环境状况的浮游植物和底栖动物两类水生生物,作为水体中初级生产者和消费者的重要代表类群,分别计算其Shannon-Wiener 多样性指数(H′)。 0≤H′<1 代表水体为重污染状态,1≤H′<2 为中污染,2≤H′<3 为轻污染,H′≥3为清洁[17-18]。

1.3.3 综合指数

WHI 和WQI 的计算方法分别参考《水生态健康评价技术规范》(DB11/T 1722—2020)和《流域水生态环境质量监测与评价技术指南》,按照要求将生境指标、理化指标和生物指标分别赋分,结合不同权重进行指数计算和健康等级划分。WHI<60 表示水生态系统处于不健康状态,60≤WHI<80 为亚健康,WHI≥80 为健康。 WQI<1 表示水环境受到重度污染,1≤WQI<2 为中度污染,2≤WQI<3 为轻度污染,3 ≤WQI<4 为良好,WQI≥4 为优秀。

由表2 可知,WHI 和WQI 在具体构成上仍存在一定差异,生境、理化和生物3 项要素的内容组成和权重值各自不同。

表2 WHI 和WQI 指标构成Table 2 Assessment indicators of WHI and WQI

在WQI 的计算过程中,可由研究者在常见水生生物指数评价方法中按需选择评价生物和生物指数。 本研究选择了浮游植物的Shannon-Wiener 多样性指数和底栖动物的BMWP 指数,赋分后计算算术平均值,再结合生境和理化指标获得WQI。

2 结果分析

2.1 水质评价结果

总体而言,2016—2020 年,9 个水体的水质类别均有所提升。 Ⅲ类及以上水体占比从2016 年的33.3%上升到2020 年的66.7%,Ⅴ类及劣Ⅴ类占比从2016 年的44.4%降至2019—2020 年的0%(图1)。 其中,6 个河流水体的水质改善明显:2016 年,2 个处于Ⅳ类,4 个处于劣V 类;2020 年,2个处于Ⅳ类,3 个处于Ⅲ类,1 个达到Ⅱ类水平。

图1 水体水质类别占比变化情况Fig.1 Percentage changes of water quality grades of nine aquatic systems

2.2 多样性指数评价结果

9 个水体的浮游植物Shannon-Wiener 多样性指数介于1～3(图2),对应中污染和轻污染等级。按照水体类别排序:湖泊<水库<河流。 其中,昆明湖和福海的5 年均值(图2 中的黑色短横线)无明显差异,6 个河流水体之间也无明显差异。

图2 各水体Shannon-Wiener 多样性指数对比Fig.2 Comparison of Shannon-Wiener diversity indexes of nine aquatic systems

与浮游植物相比,9 个水体的底栖动物多样性较低,多样性指数全部小于1.5,对应重污染和中污染等级。 不同水体的5 年均值差别不大,绝大多数落在0.5～1.0 范围内。

浮游植物多样性指数的年度变化呈现先上升后下降的趋势,2016 年和2017 年年均值相近,2018 年开始上升,2019 年达到最高值,2020 年又有所下降。 底栖动物多样性指数的年度变化趋势为2016—2018 年缓慢下降,2019 年出现最高值,2020 年又有所下降(图3)。

图3 Shannon-Wiener 多样性指数变化趋势Fig.3 Annual variation of Shannon-Wiener diversity index

2.3 综合指数评价结果

各水体WHI 评分如图4 所示。 其中,密云水库和昆明湖WHI 在5 年间保持稳中有升的趋势,福海和6 个河流水体明显上升。 除密云水库、南护城河(龙潭闸)和温榆河(北关闸)外,其余水体均出现了健康等级的提升。 湖泊方面,福海的WHI 5 年均值低于昆明湖;河流方面,清河(羊坊闸)、通惠河(高碑店湖)和北运河(榆林庄闸)整体优于南护城河(龙潭闸)、温榆河(北关闸)和凉水河(马驹桥)。 9 个水体的WHI 年均值由2016年的70.4 升至2020 年的82.4,不健康类别消失,健康类别占比从2016 年11.1%逐年上升至2020年的77.8%(图5)。

图4 各水体WHI 评分变化趋势Fig.4 Annual variation of WHI of nine aquatic systems

图5 水体WHI 健康类别占比变化Fig.5 Percentage changes of WHI of nine aquatic systems

各水体WQI 评分如图6 所示。 与WHI 相似,密云水库和昆明湖WQI 在5 年间保持稳中有升的趋势,6 条河流则明显提高,但福海WQI 在近3 年有所下降。 湖泊方面,福海的WQI 5 年均值整体低于昆明湖;河流方面,处于上游的清河(羊坊闸)、南护城河(龙潭闸)和通惠河(高碑店湖)的水生态状况优于下游的温榆河(北关闸)、凉水河(马驹桥)和北运河(榆林庄闸)。 9 个水体的WQI 年均值逐渐上升,由2016—2017 年的2.0 提高到2020 年的2.8,中度污染类别消失,良好类别在2019—2020 年大幅增加(图7)。

图6 各水体WQI 评分变化趋势Fig.6 Annual variation of WQI of nine aquatic systems

图7 水体WQI 健康类别占比变化Fig.7 Percentage changes of WQI of nine aquatic systems

2.4 相关性分析

对水质类别、浮游植物多样性指数、底栖动物多样性指数、WHI、WQI 开展Spearman 相关性分析,结果如表3 所示。

由表3 可知,水质类别与WHI、WQI 呈极显著负相关;浮游植物多样性指数与底栖动物多样性指数呈极显著正相关;WQI 与WHI 呈极显著正相关,与底栖动物多样性指数呈显著正相关,但相关性较弱。 以上分析说明,水生态系统健康状况与水质状况密切相关,与单一类型的水生生物多样性指数的相关性较差,但水质改善和生物多样性增加均有利于两种综合指数的上升。

表3 Spearman 相关性分析结果Table 3 Results of Spearman correlation analysis

3 讨论

3.1 水质类别、生物多样性指数和综合指数的比较

水质类别、生物多样性指数和综合指数的评价结果在时间上指向了较为一致的变化趋势,但在空间上指示的变化趋势有较大差异。 例如:水质类别和综合指数评价结果显示,密云水库和昆明湖水生态状况优于河流;但浮游植物多样性指数评价结果显示,河流优于湖泊和水库。 不同方法获得的健康等级也有所不同,如浮游植物多样性指数和综合指数指示的水生态状况以健康(良好)和亚健康(轻污染～中污染)为主,但底栖动物多样性指数指示的水生态状况基本处于中污染～重污染层次。 这说明不同指标可以从不同方面反映水体状况,单独使用水质指标或单一类型的生物多样性指数并不能显示生态系统内的多重变化,其评价结果也不够全面。 与此相比,WHI 和WQI 综合了生境、化学、生物等多方面的调查和监测结果,表达的信息更加丰富。 而且在实际评价工作中,WHI 和WQI 可用指数形式体现同一健康类别内的差异,对环境状况的反映更加灵敏。

表2 所示WHI 和WQI 的构成差异主要与不同部门的工作侧重有关。 例如,在生境指标中,WHI 更关注与水量有关的水深、蓄水比、湖库更新周期等指标,而WQI 更关注生境是否处于天然状态和人类活动的影响程度。 再如,在生物指标中,WHI 将5 种水生生物全部纳入计算,而WQI可根据实际需要选用生物类群和评价方法,并倾向于选择受短期水质波动影响较小、更适合反映该流域在时间和空间上的整体状况的大型底栖动物进行评价。 因此,两个综合指数在实际应用中会存在评价结果的差异。 例如,在本研究中,对于圆明园福海的水生态状况年度变化,WHI 和WQI给出了相反的趋势判定。 在近3 年的评价中,福海大型维管束植物覆盖度和鱼类种类数等指标明显提高,造成WHI 中的生物指标得分升高,综合指数逐年上升;而水质类别和浮游植物多样性指数出现下降,导致WQI 中的水化学和水生生物指标得分下滑,综合指数逐年降低。 评价结果应符合北京市河湖健康的基本状况,而近年来圆明园水生态系统有所改善[19],说明WQI 中出于通盘考虑选用的水生生物评价方法可能不适用于某些特定水体,需要对其开展具体分析和说明,使结果更符合民众对水生态变化的感受。

3.2 北京市水体水生态健康方面的其他研究

王旭等[20]综述了2001—2018 年公开发表的北京市水体水生态健康评价相关文献,结果显示:潮白河流域水生态状况最优;其次为永定河、蓟运河和清水河;北运河流域受城市化和人类活动干扰最严重,水生态状况最差。 此综述中,大部分水体的水生态监测和调查工作完成于2015 年之前。表4 总结了近年开展的部分研究,研究区域聚焦本文关注的密云水库、北运河等典型水体。 此外,对崇青水库、大宁水库和永定河流域的健康评价也有报道[21-24],此处不予详细叙述。

表4 北京典型水体水生态调查和健康评价结果对比Table 4 Comparison on aquatic ecology monitoring and assessment results in Beijing

作为经典方法,多样性指数法在北京水生态系统评价相关研究中的应用广泛。 近年来,对密云水库浮游植物的调查结果差异较大,王媛媛等[25]获得的浮游植物Shannon-Wiener 多样性指数明显低于王哲等[26]的调查结果,而本研究调查结果处于二者之间。 李永刚等[27]、胡涛等[28]的研究结果显示,密云水库底栖动物的Shannon-Wiener 多样性指数显著低于浮游植物,与本研究调查结果基本一致。 密云水库是处于群山包围中的大型水库,其深水区下层的低溶解氧环境造成底栖动物生物量和种类数较小,以耐污种为主要组成[39-40]。 这就导致密云水库在水质良好、生态系统较为健康的情况下,涉及底栖动物的多样性指数、BMWP 指数及WQI 评价结果偏低。 随着南水北调中线引水进京,密云水库蓄水量大幅上升,水位提高进一步加剧了底栖动物种类和密度的下降[41]。 这说明当采用单种生物开展评价,且出于某些原因该生物的表现与实际情况有所偏差时,其评价结果容易造成误导。 因此,对生态系统中的生物的观测应尽可能涵盖生产者、消费者、分解者等多个方面。 为了回应这一要求,WHI 中有从浮游植物到鱼类的5 种生物同时参评,WQI 中也可以按需选用2 种评价生物,如针对河流,推荐同时开展大型底栖动物和着生藻类评价。

北运河流域的水生态健康状况为2015 年之后整体优于2015 年之前,2018 年进一步提高[20,29]。 不同年份、不同研究的浮游植物评价结果波动较大,对应的水生态状况基本为中污染状态[30-31,35-37]。 2015—2017 年底栖动物多样性指数、BMWP 指数和BI 指数较低,对应的水生态状况多为中污染和重污染等级[30,32-33,38]。 而2019年谢阳村等[34]基于底栖动物的调查结果显示,北运河大多数站点的水生态状况可达到中/轻度污染等级,与本研究中WHI、WQI 反映出的水生态健康状况基本一致。

3.3 污染防治政策及工程措施与水环境改善

在本研究所涉河流湖库中,密云水库和昆明湖的水生态状况优良,且5 年间变化不大。 其中,密云水库作为北京市重要的饮用水水源地,其入库水源主要包括白河、潮河来水和南水北调中线调水,而上游的水污染防治和水源地保护工作保障了入库水质。 昆明湖主要依靠西侧的团城湖向其补水。 2015 年之前的团城湖湖水主要源自密云水库,南水北调通水后即变更为“南水”,其水质较为稳定。 除密云水库和昆明湖外,其余水体都在至少一项指数上有明显的向好趋势。 其中,福海依靠清河再生水厂每天补充近3 万m3再生水[42],6 个城市河道的河水也大多来自再生水。因此,其水环境和水生态的改善主要依靠治污政策的实施和再生水品质的提升。

在一系列政策措施鼓励下[43],北京市污废水处理量和再生水利用量呈现增加趋势。 2019 年,全市污水处理量为19.97 亿m3,再生水利用量达到了11.52 亿m3[44],污水再生利用率已于全国领先[45]。 再生水利用量增加的同时,水质也有大幅改善。 2012 年,北京市颁布了地方标准《城镇污水处理厂水污染物排放标准》 (DB11/ 890—2012)[46],其A、B 两级的主要水质指标与GB 3838—2002 中的地表水Ⅲ类、Ⅳ类标准大致相当,总体严于国家标准《城镇污水处理厂污染物排放标准》(GB 18918—2002)的要求[47];2013 年颁布了《水污染物综合排放标准》(DB11/ 307—2013)[48],对除城镇污水处理厂、医疗机构以外的一切单位和个体工商户的污水排放限值进行了规定。 2013—2019 年,随着两轮“三年治污行动计划”的实施,北京市积极推进污水治理和再生水利用,再生水品质明显提高[49]。 根据北京市生态环境局统计数据,2019 年废水中,化学需氧量、氨氮排放量分别为51 121、3 467 t,分别占2012 年排放量的27.4%、16.9%,污染物削减成效显著[44,50]。 目前,第三轮“三年治污行动计划”正在实施,北运河综合治理、凉水河水生态综合治理、温榆河生态湿地建设等一系列治污与修复工程的实施也已初见成效。

当前,管理部门对污水的处理思路正向着资源化利用的方向转变。 再生水水量充沛、水质稳定,在实际应用中已逐渐成为生态用水的首要选择。 以本文关注的6 条北运河水系河流为例,污染防治政策的落地首先带来地表水水质类别的提升,其后是以浮游植物为代表的水生生物的恢复,综合表现为WHI 和WQI 等指数的逐年增长。 底栖动物对环境变化的响应略显缓慢,因而在本研究中,底栖动物多样性指数和BMWP指数虽已出现上升趋势,但仍需要更长的时间才能出现健康等级的提升。

4 结论

1)相较水质类别、多样性指数等评价方法,结合生境、水质和水生生物的WHI、WQI 等综合指数法提供了更全面的水生态信息,对环境变化的响应更加灵敏,可较真实地反映北京市水生态系统现状,并更好地为后续的污染治理和生态修复工作提供参考。 其中,WHI 方法为北京市地方标准推荐方法,可在北京市水生态健康评价中优先选用。

2)包括本研究在内,虽然已开展的各项北京市水生态健康相关研究所选用的评价方法和获得的评价结果有所不同,但均反映出北京市近5 年的水生态状况呈改善趋势,其中在北运河水系的表现更为明显。

3)“十二五”以来,北京市一系列水污染防治政策和河流综合治理工程的实施,大幅提升了作为景观生态用水排入城市河湖的再生水的质量,以北运河为代表的受纳水体的水环境质量明显好转,水生态健康程度呈现逐年上升趋势。