辽河干流河流化学完整性评价方法对比研究

王迪, 刘智, 刘冬冬, 薛晨阳, 高英美, 周斌, 曲波

辽河干流河流化学完整性评价方法对比研究

王迪1, 刘智1, 刘冬冬2, 薛晨阳1, 高英美1, 周斌3, 曲波4,5,*

1. 沈阳环境科学研究院, 辽宁省城市生态重点实验室, 沈阳 110167 2. 北京指南针科技发展股份有限公司, 北京 100102 3. 辽宁省生态气象和卫星遥感中心, 沈阳 110866 4. 沈阳农业大学, 生物科学技术学院, 沈阳 110866 5. 辽宁盘锦湿地生态系统国家野外科学观测研究站, 沈阳 110866

基于河流水环境和河岸带生境状况进行河流化学完整性评价, 可以全面综合的判断河流水体及河岸带化学污染情况, 对有效控制水体污染, 科学制定整治计划, 恢复河流自身的环境承载力及生态系统功能以及对河流生态系统的修复都具有重要意义。以辽河干流为研究对象, 探讨了化学完整性的概念、评价指标、评价标准及评价方法, 从河流水环境和河岸栖息地环境两方面选取了19个指标, 构建了河流化学完整性评价指标体系。同时采用模糊综合评价法、贴近度法和综合指数法分别对辽河干流化学完整性进行评价, 最终筛选并确定综合指数法更适合河流化学完整性评价。综合指数法评价结果表明, 辽河干流化学完整性评价结果总体表现为“一般”, 河流水环境总体评价为“一般”, 哈大高铁、达牛和盘山闸评价为“差”。其中哈大高铁和达牛地处交通节点, 受人为干扰较大。另外盘山闸长期处于施工状态且靠近市区, 施工废料与城市污水污染不断。评价结果为研究者及管理者开展辽河干流生态修复与后评估等工作提供指标与方法参考。

辽河干流; 化学完整性; 评估方法筛选; 河流水环境; 河岸带生境状况

0 前言

我国最早被选取进行河流健康评价的河流水环境指标为水质[1], 通常用于将河流水质状况指标与《地表水环境质量标准》进行比对。涂敏利用水功能区水质的达标率对长江干流进行河流健康评价[2]; 董桂华利用单因子评价方法对阜新境内 6条河流进行水质监测[3]; 段少杰等利用模糊综合评价法和加权欧氏距离法对阳泉市主要河流进行水质评价[4]。

近年来, 越来越多的研究将水质状况等化学指标与生物(鱼类、底栖生物、着生藻类等)、物理(河岸带宽度、坡度、河流蜿蜒度等)完整性评价指标整合筛选, 构建生态系统完整性评价指标体系, 对河流进行生态系统完整性评价[1,5]。生态系统的完整性主要包括物理、化学和生物三个方面的完整性[6], 是生态系统结构和功能的完整性, 是生态系统维持各生态因子相互关系并达到最佳状态的自然特性。宋蒙蒙等选取水文等7个物理完整性指标、电导率等5个化学完整性指标、硅藻属总数等4个着生藻类生物完整性指标对渭河进行生态系统完整性评价[7]; 张杰等选取鱼类总分类单元等20个鱼类生物完整性指标、水温等8个物理完整性指标和化学需氧量等17个化学完整性指标对浑太河河流生态系统完整性进行评价[5]。部分学者从景观生态学角度选取评价指标, 构建河流生态系统完整性评价指标体系。李宏伟等从自然植被净第一生产力、自然系统稳定性、景观优势度及景观多样性等方面选取指标, 对拉林河流域进行生态系统完整性评价[8]; 余建平等从反应景观格局指数的斑块面积、斑块破碎度、斑块性状特征、斑块聚集程度三个方面选取指标, 对钱江源国家公园进行生态系统完整性评价[9]。

美国EPA和加拿大环境部于2005年的湖泊生态系统状况会议(The state of the Lakes Ecosystem Conferences, SOLEC)中首次提出化学完整性的定义, 即化学完整性指的是维持一个平衡、完整、适应性的生态系统的能力, 该生物系统具有一个地区自然栖息地所期望的全部要素和过程[10-11]。此外, 同年中Dcpinto等也提出“湖泊的化学完整性指的是湖泊生态系统中的化学物质组成可以为系统提供必要的需求以满足生态系统完整性, 而这些化学物质的含量是有限的, 对维持生态系统的需求和完整性来说不能太高或太低”[12]。由此可见, 化学完整性作为生态系统完整性中的一个重要组成成分, 是生物生存条件的体现, 是对水生态安全的一种检验, 是对生物生存的理化环境质量的一种反映。目前, 关于化学完整性系统评估的案例较少, 且大多数学者以《河流健康评价指标方法与标准》为评估结果分级赋分依据, 利用水质状况、耗氧有机污染状况、重金属污染状况、富营养状况等指标构建指标体系, 对河流、湖库等进行化学完整性评价, 评价区域包括大凌河[13]、浑河[14]、青戈江[15]、辽河干流上游石佛寺水库[16]、复州河[17], 程佩瑄利用pH、电导率、溶解氧、化学需氧量等水质指标构建水化学完整性评价指标体系对松花江水化学完整性进行评价[11], 综合考虑河岸带土壤化学特性的研究尚未发现。河流生态系统主要包括河流水体、水岸交换区和河岸带栖息地三个部分, 河流水体中化学指标是否达标决定了水生生物生存条件及物种多样性, 河岸带土壤环境决定了河岸带植被生长速率及生存条件[18]。

模糊综合评价法主要应用在河流完整性[19-20]、水质评价[21-22]与河流健康评价中[23]。郭维东等评价结果表明, 模糊评价法适用于多沙河流水库物理完整性, 评价结果与实际情况相符[19-20]; 孙雷认为模糊评价法采用取大取小的运算法则对河流湖库进行水质评价, 容易造成数据信息丢失, 影响评价结果[24], 而黄瑞等研究结果表明模糊评价法适用于水质评价, 评价结果与实际相符[25]; 刘营和赵梦娴等认为, 模糊评价法可以客观地反映出河流体系的模糊性与连续性, 减轻了不确定性因素对评价结果的影响, 适用于河流健康评价[23,26]。模糊贴近度法主要应用在水质评价, 林和振[27]、张文鸽等[28]和关全成等[29]研究结果表明, 基于模糊贴近度法进行水质评价原理明确, 计算简便, 且能够完整地反应水环境质量的污染程度。综合指数法主要应用在完整性评估[5,30-31]、生态环境状况评价[32]和水质分析[22]中。王迪等和杨薇等利用综合指数法分别对辽河干流和白洋淀进行生物完整性评价, 认为综合指数法可以相对准确的用于河流生物完整性的评价[30]; 张杰等[5]和徐香勤等[33]利用综合指数法分别对浑太河流域和天津市河流进行生态系统完整性评价。朱国宇等[30]、彭翠华等[34]和李朝等[35]基于综合指数法对河流水生态系统生态环境质量进行健康评价, 结果表明综合指数法适用于生态环境健康评价; 赵江辉等[22]和薛鹏飞[36]评价结果表明综合指数法对河流水质进行评估, 评价结果与实际情况基本相符, 但在水质级别的划分人为因素较大, 评分结果的表达无法与国家标准的级别严格对应。

河流生态系统的化学完整性评估对象不应仅包含河流水环境的化学性质特征, 与河流紧密连接的河岸带土壤的化学性质也同样重要[37]。因此, 本研究基于河流水体理化特性和河岸土壤理化特征两个方面指标, 构建河流化学完整性评价指标体系, 对辽河干流进行化学完整性评价。该研究结果为河流水体的综合治理、河流生态系统保护成效评估与可持续发展提供方法体系参考。

1 材料与方法

1.1 研究区域

辽河是我国东北地区南部最大的河流, 是中国七大河流之一。辽河起源于我国河北省平泉县七老图山脉的光头山, 沿途流经内蒙古自治区、吉林省, 最终在辽宁省盘锦市盘山县注入渤海。本试验研究区域为辽河干流1050线区域内, 该区域自2012年起被围封管理, 禁止一切破坏性人类活动[38](图1)。辽河干流始于东西辽河交汇处的铁岭福德店, 流经铁岭、沈阳、鞍山和盘锦四市(图2), 16个县, 68个乡[39], 全长约538 km, 平均宽度约3.5 km。地理位置为东经123°55′ - 121°41′, 北纬43°02′—40°47′之间, 总面积达到1869.2 km2[40]。本研究沿辽河干流设置17个长期监测点位, 以保证调查和监测数据获取位置的一致性。

1.2 研究方法

1.2.1 评价指标数据获取

辽河干流于2012年开始围栏封育, 本研究化学完整性评估指标体系与评估方法的验证数据的取样时间为2013年。围封初期, 各河段在河流水体及河岸带土壤化学特征方面表现出不同的问题, 便于三种评估方法评估结果准确性的对比。

1.2.1.1 河流水体理化特性指标数据获取方法

(1)水样获取

水样采集区域为辽河干流主河道17个长期监测点位水面区域, 取样时间为2013年的8月(丰水期)、11月(平水期)和2014年3月(枯水期)。水体理化指标的监测应严格遵守《水和废水监测技术方法(第四版)》中规定的技术方法[41]。

图1 河岸带围封示意图(a, 围封前; b, 围封后)

Figure 1 Schematic diagram of riparian zone enclosure (a, before enclosure; b, after enclosure)

图2 研究点位分布图

Figure 2 The position of survey sites in the main stream of the Liaohe River

(2)水体理化特征指标测定

本研究采用手持式pH计进行现场测定, 水体电导率和溶解氧分别选用电导率仪和便携式快速溶解氧分析仪进行现场测定, 化学需氧量(COD)选用快速密闭催化消解方法进行测定, 生化需氧量(BOD)采

用稀释接种法进行测定, 氨氮(以NH3-N计)测定采用蒸馏酸滴定法进行测定, 总磷(TP)含量采用过硫酸消解法进行测定, 重金属含量采用直接吸入火焰原子吸收法测定, 挥发性酚含量采用溴化滴定法测定[42-43]。

1.2.1.2 土壤理化特性指标数据获取方法

(1)土壤样品取样

土壤样品取样时间为2013年7—8月, 取样方法为环刀取样法, 沿河流河岸带每个观测点位获取3—5个土壤样品, 土层厚度为0 cm—20 cm。

(2)土壤样品处理

土壤样品带回实验室进行风干处理[44], 风干后的土壤样品进行研磨、过筛, 20目、60目和100目分别准备100 g、50 g和50 g备用。

(3)土壤养分含量测定

土壤养分指标的测定方法参考鲁如坤(1999)《土壤农业化学分析方法》中土壤有机质、有效氮、有效磷、有效钾、全氮、全磷、全钾(鲁如坤, 1999)[45]。其中土壤有机质()采用重铬酸钾稀释热法, 土壤全氮()采用半微量开氏法, 土壤全磷()采用氢氧化钠熔融钼锑抗比色法, 土壤有效氮()采用碱解扩散法, 土壤有效磷()采用碳酸氢钠浸提, 钼锑抗比色法, 土壤全钾()采用碱熔—火焰光度法测定, 土壤有效钾()采用乙酸铵浸提—火焰光度计法。

1.2.2 化学完整性评价指标体系构建方法

1.2.2.1 评价指标筛选

通过运用文献收集和统计分析(检验)相结合的方式来筛选合适的评价指标, 并结合辽河的具体情况确定最终的评价指标[30]。

1.2.2.2 确定评价标准

本研究根据《国家地表水环境质量标准》、《国家地表水资源质量标准》和《国家土壤环境质量标准》的规定[43,46-47], 并参考相关研究文献以及辽河干流自身特点, 将化学完整性指标的评价标准分为“优(I)、良(II)、一般(III)、差(IV)、极差(V)”5个级别, 具体标准详见下表1。

1.2.2.3 层次分析法计算权重

本研究选取层次分析法对辽河干流化学完整性评价指标进行权重确定, 权重分配过程如下。

①构造各准则相对于总目标的—B判断矩阵。对河流水环境状态和河岸栖息地环境状态进行比较, 认为河流水环境状态比河岸栖息地环境状态稍重要, 由此根据分级比例标度参考表得出单个指标的相对重要性值, 并构建判断矩阵, 如表2。

②对表征河流水环境状态的9个评价指标进行两两比较, 认为水体pH与水体电导率是同等重要的; 溶解氧含量比水体pH和电导率稍重要; 化学需氧量、氨氮要比pH、电导率、溶解氧含量明显重要, 比总磷、重金属和挥发性酚稍重要, 由此构造判断矩阵B—, 见表3。

表1 辽河干流化学完整性评价标准

表2 判断矩阵A—B

③对河岸栖息地环境状态中的10个指标分别进行两两比较, 认为土壤有机质含量比土壤全氮、全磷、全钾含量稍重要, 与有效氮、磷、钾同等重要; 土壤有效氮、磷、钾比土壤氨氮、磷、钾稍重要; 土壤重金属含量、六六六、滴滴涕与有机质和有效氮、磷、钾同等重要, 比土壤全氮、磷、钾稍重要, 由此构造判断矩阵B—, 见表4、表5。

1.2.3 化学完整性评价方法

本研究通过文献资料搜集, 选取应用较广泛、成熟的模糊综合评价法、贴近度法和综合指数法作为河流化学完整性评价的候选方法, 并通过将三种方法评价结果与实际现状进行对比分析, 确定最适宜辽河干流化学完整性评价的方法。

1.2.3.1 模糊综合评价法

模糊综合评价法是根据评测数据计算出每个指标对各个等级标准的隶属度集, 形成模糊关系矩阵, 再将权重集与模糊关系矩阵进行合成运算, 获得综合评价集, 最后根据最大隶属度原则, 得出现状等级标准, 具体过程如下。

表3 判断矩阵B1 —C

表4 判断矩阵B2 —C

(1)确定评价对象的因数论域

若个评价指标

式中:为指标评价集;U为指标评价类。每类指标中的分项指标表示为指标集U,

(2)确定评价等级论域

其中1- 5分别表示5个评价等级, 即“优”、“良”、“一般”、“差”、“极差”。

(3)建立指标类权重集

(4)建立模糊关系矩阵

综合比较, 本文选用的隶属函数为柯西分布函数, 公式为:

式中:为隶属度函数;为指标值;为函数参数, 取值见公式2-2、2-3和2-4。

当指标值位于Ⅱ类、Ⅲ类、Ⅳ类的中点时,= 1; 当指标值位于Ⅱ类、Ⅲ类、Ⅳ类的临界点时,= 0.5; 当指标值位于Ⅰ类的左端点、Ⅴ类的右端点时,= 1。

指标处于评价标准的第Ⅱ类、Ⅲ类、Ⅳ类时:

指标处于评价标准的第Ⅰ类时:

指标处于评价标准的第Ⅴ类时:

式中:x、x为对应级别相应参数的上下边界值。对于定性指标, 根据实际调查情况, 对照评价标准, 在相应的所属类别中选取计算公式。

(5)一级模糊综合评价

式中:B为一级评价集;A为指标权重集;R为一级模糊关系矩阵; 计算方法采用普通矩阵算法。

表5 T检验结果

(6)二级模糊综合评价

由一级模糊综合评价结果, 得到二级模糊综合评价集。

最后根据最大隶属度原则, 将中最大数值所对应的等级类别作为最终评价结果。

1.2.3.2 综合指数法

综合指数评价法是指运用多个指标对多个参评单位进行评价的方法, 称为多变量综合评价方法。对辽河干流化学完整性进行评价。计算公式如下:

式中:—化学完整性综合评价指数, 其值的大小在0—1之间;

W—表示评估指标在综合评估指标体系中的权重值, 其值的大小在0—1之间;

I—评估指标的归一化值, 其值大小在0—1之间。

根据指数大小, 将辽河干流化学完整性评价结果分为优、良、一般、差和极差5级, “优”分值范围为80 << 100, “良”为60≤< 80, “一般”为40≤< 60, “差”为20 ≤< 40, “极差”为0≤< 20。

1.2.3.3 贴近度法

(1)单项指标隶属函数的建立

设每个采样点含有个评价的单项因素(指标), 每个因素(指标)分为个不同等级, 各等级项因素(指标)标准限值矩阵表示为, 待评价的每个采样点各项实测指标值矩阵表示为。取各评价因素的第一级(起始等级)或最末等级的标准限值为评价标准, 建立各单项指标的隶属函数, 其公式和图形如下所示:

对于数值愈大污染愈重的指标(如挥发性酚), 隶属函数采用降半正态分布, 公式如下:

对于数值愈大污染愈轻的指标(如溶解氧), 隶属函数采用升半正态分布, 公式如下:

(2)确定分项隶属度

由单项指标隶属函数公式分别计算出第(=1, 2, …,)采样点分项指标隶属度, 记为(C,C,,C), 其中C= (C,C,,C)T,(=1, 2,,),(=1, 2,,)个等级标准作为特殊采样点计算其分项指标隶属度, 记为=(D, D2,,D)其中D=(d,d,,d)T(=1, 2,,)。

(3)确定指标的权重值

由于各采样点评价指标共有个, 每个指标的重要性可能相同, 也可能不相同。因此, 需要考虑评价指标权重,w,w,,w。本研究采用层次分析法计算得出各评价指标的权重值。

(4)计算模糊贴近度

贴近度有多种计算方法, 本研究采用应用最为广泛的贴近度公式, 计算公式如下:

(5)确定评价等级

1.2.4 化学完整性评价指标的确定

化学完整性指标选取应以化学完整性内涵为基础, 以所选指标对人类活动干扰具有明显的响应关系、指标间相互独立、不存在重复信息、能够较全面反映河流化学完整的不同特征属性为原则, 以河流生态系统现状问题为导向, 选取并确定化学完整性评价指标体系。

河流的水质状况是评价河流健康状况的重要因素之一, 直接反映了河流物理、化学指标状况, 表征河流水体质量优劣, 影响河流生物群落组成, 关系到人类生命健康和社会经济发展。辽河干流沿岸村屯和

工厂较多, 受工业废水、农业灌溉和生活污水影响较大, 故水体化学指标选取时应多考虑有机污染物和无机盐等指标。土壤是环境组成的重要部分, 是植物生长的基地, 也是人类生存的基础和活动的场所。辽河干流围封前受到过度开垦、放牧等因素的影响, 土壤环境面临肥力下降、农药残留、重金属污染等威胁, 因此土壤环境指标选取时应倾向于土壤有机质含量、土壤有机氯含量、土壤重金属含量等指标。

根据以上化学完整性指标筛选方法及原则确定辽河干流化学完整性评价指标。依据检验结果删除均值相对较小或标准差相对较大的指标, 另由于研究区域河岸带恢复前为农田撂荒地, 因此有机氯农药指标予以保留, 共保留19个指标。通过分析最终确定化学完整性评价指标体系包含目标层、准则层和指标层, 各层包含指标如表6。

表6 化学完整性评价体系

1.2.5 化学完整性评价指标权重确定

采用层次分析法对辽河干流化学完整性评价指标进行权重赋值, 由表7可知, 河流水环境状态(B)权重高于河岸栖息地环境状态(B), 分别为0.75和0.25。主要原因为河流的水体理化性质对环境污染的响应速率较土壤更快, 且河流水体对水生生物和人类生产生活的影响更直接。河流水环境状态(B)中的化学需氧量(C)和水体氨氮含量(C)权重相对较高, 均为0.234; 其次为挥发性酚类(C)和水体总磷含量(C), 分别为0.136和0.112, 其余指标权重均小于0.1。河岸栖息地环境状态(B)中的土壤重金属(C)、六六六(C)和滴滴涕(C)权重相对较大, 均为0.158, 其余指标权重均小于0.1。主要原因为辽河干流河岸带围封前多为农田生态系统, 农作物的耕种增加了农田肥料的投入, 易引起土壤重金属和有机氯等指标超标, 土壤中污染物的长期富集和河水冲刷会对河流水体造成二次污染。

表7 化学完整性评价指标权重赋值表

2 结果与分析

2.1 模糊综合评价结果

通过模糊综合评价法对辽河干流化学完整性进行评价, 结果表明2013年辽河干流化学完整性评价结果“优”的隶属度最高, 其中河流水环境评价结果“优”的隶属度最高, 河岸栖息地环境评价结果“一般”的隶属度最高(表8)。各监测点中, 评价结果为“优”的监测点包括哈大高铁、双安桥、马虎山、毓宝台和达牛; 评价结果为“一般”的监测点包括福德店、三河下拉、通江口、汎河、红庙子和盘山闸; 评价结果为“差”的监测点包括大张; 评价结果为“极差”的监测点包括蔡牛、鲁家大桥、巨流河、满都户和曙光大桥。

利用模糊评价法对辽河干流进行化学完整性评价, 结果显示同一监测点位的一级和二级评价结果中均会出现对于不同评价等级隶属度相同的现象, 则无法依据隶属度准确确定各点位评价等级。如双安桥一级评价结果中河流水环境对于“优”和“极差”的隶属度均为0.35; 鲁家大桥二级评价结果中“一般”和“极差”的隶属度一致, 均为0.24; 红庙子一级评价结果中河流水环境对于“优”、“一般”和“极差”的隶属度一致, 均为0.32; 大张二级评价结果“差”和“极差”隶属度一致, 均为0.31; 盘山闸一级评价结果中河流水环境对于“一般”和“极差”的隶属度一致, 均为0.45; 曙光大桥一级评价结果中河岸栖息地环境对于“一般”和“差”的隶属度一致, 均为0.26。

2.2 贴近度法评价结果

本研究从17个监测点中选取福德店、哈大高铁、蔡牛、马虎山、达牛和曙光大桥5个点位进行化学完整性贴近度评价法评价, 评价点位涵盖铁岭、沈阳市、鞍山和盘锦各河段。评价结果表明, 除福德店评价结果为“差”外, 其他五个监测点化学完整性评价结果均为“一般”及以上(表9)。

利用贴近度法对辽河干流进行化学完整性评价, 结果显示同一监测点位的同一指标对于不同评价等级的隶属度会出现相同的结果, 因此无法依据指标的隶属度来准确的确定各点位各指标的评价等级, 如福德店的电导率指标对于“优”和“一般”的隶属度一样, 均为1.0。此外, 各样点对各评价等级的隶属度结果相近, 数值相差较小, 如福德店对“差”和“极差”的隶属度结果相差仅为0.0001, 故评价结果存在一定的不确定性。

2.3 综合指数法评价结果

通过综合指数法对辽河干流化学完整性进行评价, 结果表明辽河干流化学完整性评价结果总体表现为“一般”。各监测点中评价结果为“一般”的点位包括福德店、三河下拉、通江口、蔡牛、汎河、鲁家大桥、马虎山大桥、巨流河、红庙子和曙光大桥, 评价结果为“差”的包括哈大高铁、双安桥、毓宝台、满都户、达牛、大张、盘山闸。

表8 辽河干流各点位指标贴近度隶属度评价结果

Table 10 Membership results of survey points by Hamming osculating method

表9 辽河干流化学完整性贴近度法评价结果

Table 11 Chemical integrity evaluation results of Hamming osculating method

3 讨论

本研究对比分析了模糊评价法、贴近度法和综合指数法三种方法对辽河干流化学完整性评价的适宜性, 结果表明综合指数法评价结果更接近辽河干流化学完整性实际状况。模糊评价法对辽河干流化学完整性评价不适宜性主要体现在两个方面。其一, 化学完整性评价体系中指标数量较多, 然而当模糊综合评价法指标集U较大, 即指标集个数较多时, 在权矢量和为1的条件约束下, 相对隶属度权系数往往偏小, 权矢量与模糊矩阵R不匹配, 结果会出现超模糊现象, 分辨率很差, 无法区分哪个结果隶属度更高, 甚至造成评判失败; 其二, 模糊综合评价法结果由各等级结果隶属度高低决定, 而三河下拉、汎河、双安桥、鲁家大桥等地存在隶属度最高与隶属度第二高的数值非常接近的情况, 评价结果却只考虑了最高隶属度的等级, 结果不够全面和准确。孙雷[21]对比分析了主成分分析法和模糊评价法对水质评价的差异, 得出模糊评价法采用取大取小的运算法则, 容易造成数据信息丢失, 影响最终的评价结果, 与本研究结果一致。薛鹏飞[22]比较了综合指数法和模糊评价法在水质评价中的利弊, 结果表明综合指数法评价结果较准确的反应水质的真实情况, 模糊评价法则在隶属度和权重选择方面存在不足, 需进一步完善。郭维东等利用模糊评价法对辽河物理完整性进行评价, 认为评价结果较好的符合辽河干流物理完整性的实际情况, 与本研究结果不一致。其原因可能为物理完整性评价指标多为多年平均数据, 且部分指标分级标准为主观判定, 各河段之间易产生较大差别。而化学完整性评价指标均为定量指标, 且具有明确的国家分级标准, 各等级间差别较小, 评估结果十分接近, 因此需要更精确的评估方法[19]。贴近度法同样基于模糊理论, 评价结果偏于乐观。其一, 对比贴近度法评价结果与辽河干流实际情况, 福德店水环境及河岸带调查结果好于其他监测点位, 而评价结果与实际相反; 其二, 哈大高铁、达牛为辽河干流重要交通节点, 来往车辆较多, 来自于社会干扰因子较多, 且达牛所在地区以沙土为主, 植被类型单一, 空气质量较差, 与评价结果“优”不符; 其三, 贴近度法和模糊评价法存在共同的弊端, 当隶属度最高和隶属度第二高之间的数值比较接近时, 以隶属度最高的等级作为评价结果, 不能综合考虑其他评价结果而导致评价结果不准确。综合指数法属于加乘混合评估模型, 兼有加法评估模型和乘法评估模型的特点。在评估指标体系中, 不同类别指标间关联性往往较小, 同类别的指标间联系较大, 因此可以对类内指标采用乘法模型, 而对类之间指标采用加法模型的混合形式, 适合于化学完整性评价。朱国宇等[32]对模糊评价法和综合指数法在生态影响后评价适用性进行比较, 发现综合指数法更能客观、真实地反应区域生态环境状况。董珺璞等[13]利用综合评估法对大凌河化学完整性进行评价, 认为排污口污染物的排放是影响大凌河化学完整性的主要因素, 但该研究只考虑了溶解氧、化学需氧量、五日生化需氧量等水质指标, 没有考虑河岸带土壤的化学污染风险。

综合指数法评价结果表明河流水环境评价结果总体表现为“一般”, 哈大高铁、达牛、盘山闸表现为“差”。达牛位于大万渡口附近, 交通枢纽带来便利的同时也带来了一定的污染, 渡口附近捕鱼现象严重。另外, 河岸带土壤主要以沙地为主, 河床受水流冲刷导致河底淤沙严重。盘山闸监测点位于盘锦市区内, 由于受人为因素的影响, 市区内大量的生活污水及工业、农业废水未经处理直接排放到河流中, 使得此监测点的水质污染较为严重[48]。宗福哲等[49-50]利用综合指数法对辽河流域水生态健康进行评估, 其中辽河干流包括27个监测断面, 其中盘锦兴安断面的总氮含量超出V类水的0.2倍, 证实了本研究的结果, 评估结果较好的反应了辽河干流水生态健康实际情况。另外, 虽然各监测点的河流水环境处于“一般”的状态, 但在评价过程中可以发现, 大部分点位的河流水体的氨氮、总磷和挥发性酚的含量相对较高, 可能与辽河干流流经辽宁省内四市, 难免收纳周边城市的生活污水、畜牧及养殖业废水、农业生产废水以及工业废水。上述生活污水和工业废水本身含有大量的氮、磷污染物, 排入到河流中后, 对河流造成污染, 形成了大量的富营养化因子污染物和有毒有机污染物, 从而造成河流的总磷、氨氮、挥发性酚的含量较高。研究表明, 氨氮、、挥发性酚等是辽河流域的主要污染物。因此, 还应继续加强对辽河干流水污染的治理, 将生活污水处理同工业废水治理结合起来, 以求更有效地改变辽河干流的水质情况。河岸带栖息地环境总体表现为“极差”, 原因主要包括以下两点, 其一为主观原因, 由于化学完整性更加侧重于水环境的评价, 河岸带栖息地环境的权重相对较小, 导致评价结果偏低; 其二为客观原因, 土壤修复周期较长, 辽河干流围封时间较短, 历史上过度开垦、施肥带来的污染仍存在, 导致各项指标数据未能达到理想状态, 评价结果显示河岸带环境“较差”[18,51-52]。

4 结论

通过对比模糊评价法、贴近度法和综合指数法的评价结果发现, 综合指数法更适合辽河干流化学完整性评价, 模糊评价法和贴近度法均存在超模糊现象, 分辨率较低。另外, 辽河干流化学完整性受生活和生产污水的影响较大, 辽河干流沿岸的点源与面源污染问题仍需要持续重视与治理。

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Comparison of river chemical integrity evaluation methods in Liaohe River Main Stream

WANG Di1, LIU Zhi1, LIU Dongdong2, XUE Chenyang1, GAO Yingmei1, ZHOU Bin3, QU Bo4,5,*

1. Shenyang Academy of Environmental Science,Liaoning Provincial Key Laboratory for Urban Ecology, Shenyang110161,China 2. Beijing Compass Technology Development Company, Beijing 100102, China 3. Liaoning Ecological meteorological and Satellite Remote Sensing Center, Shenyang 110866, China 4. College of Bio-science and Technology,Shenyang Agricultural University,Shenyang 110866, China 5. Liaoning Panjin Wetland Ecosystem National Observation and Research Station, Shenyang 110866, China

Chemical integrity evaluation which based on water environment quality of river and riparian habitat status was considered as an effect method for assessing the water chemical pollution, controlling water pollution and making a restoration planning scientifically. It is meaningful for degraded river ecosystem to recover its ecological carrying capacity and ecological function. Liaohe River main stream was selected as the research area of chemical integrity evaluation study for exploring the concept, evaluation index, evaluation standard and evaluation method; the nineteen indices were selected from water environment quality and riparian habitat quality for establishing an evaluation index system. The comprehensive index method was the most suitable method for river chemical integrity evaluation than fuzzy comprehensive evaluation method and Hamming osculating method. The result of comprehensive index method showed that the chemical integrity in Liaohe River main stream was "general". Hadagaotie, Daniu and Panshanzha were evaluated as "bad" in water environment, because they were located in the traffic node with lots of anthropogenic disturbances. In addition, Panshanzha was under construction for a long time and close to the urban area, so it was seriously affected by construction waste and urban sewage. The study results could be referred for researchers and managers to identify the chemical integrity status and carry out ecological restoration work.

Main stream of Liaohe River; chemical integrity; selection of evaluation methods; river environment; habitat quality of riparian corridors

10.14108/j.cnki.1008-8873.2022.04.016

S157.2

A

1008-8873(2022)04-129-13

2020-08-01;

2020-10-17

辽宁省科技厅农业攻关及产业化指导计划(2019JH8/10200017); 国家自然科学基金(31901209); 中国博士后科学基金(2018M641492); 辽宁省自然科学基金(20180551024)

王迪(1990—), 女, 辽宁沈阳人, 博士, 主要从事生态环境修复与生物多样性研究, E-mail: ecology_wd@163.com

通信作者:曲波, 女, 博士后, 教授, 主要从事生物多样性与生物入侵机理研究, E-mail: syau_qb@163.com

王迪, 刘智, 刘冬冬, 等. 辽河干流河流化学完整性评价方法对比研究[J]. 生态科学, 2022, 41(4): 129–141.

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