济南流域水生态系统健康评价

    商书芹 相华 曹龙智 刘鹏 孟云飞 李庆南 殷旭旺

    

    

    

    摘?要：通过济南流域水生态调查，对济南全流域进行水功能分区，在此基础上利用层次分析熵值法分配水功能区权重，对济南流域水生态健康状况进行评价。评价结果显示，位于济南南部山区森林水源水生态亚区水生态状况优良;济南中心泉区水生态状况优良;位于东部平原农业生态亚区和南部丘陵-平原农业水生态亚区，主要受农业面源污染影响，水生态状况较差。

    关键词：济南流域;水生态健康评价; 水功能分区;层次分析熵值法

    本文研究的水生态健康评价指标体系，利用水生生物状况、水环境状况、栖息地状况作为评价的核心指标[1];而且在进行水生态健康评价之前，首先需要对流域进行水生态功能分区，水生态功能分区是开展河流健康评的基础[2]，在水生态功能区的基础上去研究水域生态健康状况，更有利于保护、管理和开发不同的水生态功能区;通过对济南全流域进行分区，利用层次分析熵值法，可以明确不同水生态区的水生生物状况、水环境状况、栖息地状况的分配权重，从而能够更加客观、科学的对流域内各水生态区域进行水生态健康评价。

    1?研究区域概况

    1.1?调查区域和调查项目

    山东省济南市，以“泉城”著称，位于中国东部，四季分明，景色宜人;其中具有特点的水体类型包括湖泊、水库、泉水、湿地、河流、城市水控闸坝等，水生态系统类型多样化，而且特殊的地貌类型不仅给济南人民带来了适宜的居住条件，而且推动济南旅游业、轻工业的发展，济南市水域生态建设不仅仅是生态环境的建设，更是济南市社会发展的重中之重，也是广大市民，乃至全国人民关注的焦点。根据建设水生态监测体系的需要，济南流域分别设定 51 个具有代表性的站位（图1），在2014年5月份进行了全流域的采样调查，现场记录采样站位经纬度、海拔高度，各采样站位的环境因子：指标水温（Temp）、pH、电导率（Cond）、盐度（Salinity）、溶解氧（DO）和浊度（SS），用水质分析仪（YSI 85）现场测定;流速（Velo）和水深（Depth）用流速仪（FP-111）现场测定;在各样点采集2 L两个平行水样，水样置于低温保温箱中，水样保证在48 h内带回实验室，根据国标监测标准（国家环境保护总局，2002）[3]在实验室进行测定，测定的水化学指标有：总磷、总氮、高锰酸钾盐指、COD、BOD5以及汞、锌、铜等金属离子。

    1.2?分析方法

    1.2.1?水生生物指标体系?水生态健康评价体系水生生物指标体系主要综合浮游动、植物健康指数、大型底栖动物健康指数（B-IBI）、鱼类健康指数（F-IBI）构建而成，首先对水生生物物种进行鉴定，分析、整理数据，计算各生物类群生物健康指数，再对四个生物类群的健康指数进行相关性分析（表1）;结果显示，浮游植物与浮游动物类群之间具有相关性，底栖动物与鱼类类群之间具有相关性;而从相关性r值来看，四个生物类群之间并无相关性;再把各生物类群的健康指数除以其95%分位数，之后再进行相加求平均数，扩大一百倍后构建水生生物评价指标体系。

    1.2.2?水环境指标体系?对济南流域理化指标进行PCA分析，结果表明，浊度在济南流域水化指标中响应最为明显，并与其它环境因子呈现出负响应的关系，根据相关性拟合，对所监测的水化指标进行筛选（r>0.5），筛选出该流域主要的理化因子为电导率、浊度、氯离子、硫酸盐、碳酸氢跟、碱度、硬度、氟化物（图2），他们的贡献率超过90%。依据主成分分析的结果，对以上8个环境理化因子进行偏相关分析（表1），通过相关性分析可以发现于PCA结果相吻合，浊度与其它理化因子篇相关性最低;而其它七个理化因子相关性较高（r>0.5），经过主成分分析和偏相关分析最终筛选得到浊度和电导率作为构建济南水环境指标体系。通过对筛选得到的指标浊度、电导率标准化和加权处理后，最终得到水体水化因子的完整性指标体系，进而用于生态健康评价。

    1.2.3?栖息地指标体系?参照河流快速生物监测使用的栖息地评价指標（Barbour，1999），根据水环境水文水资源状况、水质状况、人为干扰程度、河道破坏程度等评价栖息地质量，并结合济南流域河流系统的独有生态环境特征，最终我们选择出十个栖息地生境指标作为构建济南流域的生境栖息地指标体系，然后经过对实地深入的生态采样调查，最终确定济南栖息地指标值。

    1.2.4?济南水生态功能分区?水生态功能区作为一个全新的生态学的概念被提出，很快被广大生态保护工作广泛运用;基于水生态功能区的生态健康评价更能反映出生态环境的具体状况，针对不同生态功能区的不同生态状况，采用相应的生态健康评价方法对水域生态环境进行健康评价，并针对不同水生态功能区不同的环境状况实施科学的、合理的生态修护、保护和管理策略，这样能更好的保护和开发水生态资源。

    根据济南市水生态分布区域以及各区域水生态服务功能，结合土地利用类型、人口密度、人为干扰程度、生境质量、水生生物群落结构及其分布特征，采用“自上而下”的区划方法，并参考济南市县区的行政划区域，划分得到济南市水域生态功能分区（图3）。

    1.2.5?层次分析熵值法确定各水功能分区权重?济南流域各水生态分区确定权重采用的是层次分析熵值法，首先通过层次分析法对济南八个水生态分区的水生物状况、水环境状况、栖息地状况进行权重分配，再利用熵值法，对济南流域水生物状况、水环境状况、栖息地状况进行计算，在层次分析法计算结果上，利用熵值结果进行修正，最终确定各分区权重分配情况（图4）。

    2?结果与分析

    从济南市林地及人口密度分布状况（图5）可以看出，济南林区主要集中在济南南部山区，人口密度主要集中在济南中部区域。结合水生态实地采样数据，把林地和人口密度与水生态因子进行相关分析，相关分析结果如表2所示。

    根据土地利用类型因子和人口密度与水生态因子的相关性分析可知（表2），林地与底栖动物多样性指数、化学完整性指数存在显著相关性，而林地与浮游动物密度呈现出极显著的相关性，可见土地利用类型对底栖动物群落结构及其分布状况影响较大;人口密度与鱼类多样性指数、浮游植物多样性指数显著相关，而人口密度与底栖动物密度、化学完整性指数存在极显著的相关性，表明人口密度对水生生物的影响较大，对水体化学指标的影响也是极其显著的，人类生活严重影响河流生态环境;有相关性分析可知，林地和人口密度两个因子对河流生态驱动影响较大，可作为评价济南市水生态健康评价的指标体系。

    从济南各区各分区指标权重分配结果来看（表3），中部平原社会承载水生态亚区栖息地指标权重分配较高，南部丘陵-平原农业水生态亚区水环境指标权重分配较高，南部山区森林水源水生态亚区水生生物分配权重较高。

    济南市水生态区分成8个水生态功能区（图6），包括济南北部农业平原区（I-1）、济南北部社会承载平原区（I-2）、济南东部农业平原区（Ⅱ-1）、济南东部丘陵水源森林区（Ⅱ-2）、济南中部社会承载平原区（Ⅱ-3）、南部湿地平原区（Ⅲ-1）、南部山地水源森林区（Ⅲ-2）、南部农业平原区（Ⅲ-3），根据济南市水生态功能分区和水生态健康评价状况可知，济南北部农业平原区，属于黄河冲积平原，包括商河县和济阳县东北部，地势开阔平坦，土地肥沃，适合农作物生长，土地多以耕地为主，主要以农业生产为主，农业生产改变生态环境自然状况，水土流失严重，堤岸稳定性较低，河流底质类型多以淤泥、杂物为主，水质富营养化严重;济南北部社会承载平原区，该区域主要为人类生活区域，人口密度大，土地多以耕地和建设用地为主，人为干扰程度较大，对水生态健康影响严重;济南东部农业平原区，主要包括济阳县，主要以农业生产为主;济南东部丘陵水源森林区，主要包括章丘市南部，土地利用多为山地森林，人类活动干扰程度较小，自然地貌类型保护较好，为小清河的源头所在地，生态健康水平较高;济南中部平原社会承载区，为济南市主城区，人口密度较大，工业、服务业等第三产业发展较为集中，人为干扰程度较大，土地利用类型多为城市建设用地，对水生态健康影响较大，生态环境破坏严重，生物多样性丧失;济南南部湿地平原区，位于黄河沿岸带，包括长清区和平阴县，属于平原耕地区域，经济鱼类黄河鲤鱼盛产于此，水生态健康一般;济南南部山地水源森林区，海拔较高，植被覆盖率较高，是济南市水生态保护较好的区域，用于济南市水源地，对于济南市的发展具有举足轻重的作用;济南南部农业平原区，包括平阴县南部和东部区域，土地利用多为耕地类型，人为活动较大，人为干扰程度较高，水生态健康状况一般。从济南水生态综合健康评价结果来看，全区域主要表现出两大特征，位于济南东部和南部山区森林水源水生态区，生态环境保护较好，水生生物多样性较高、水生态健康状况优良;济南北部、东部和南部农业平原区，由于农业生产和人类活动，对生态环境的影响较大，水生态健康状况一般;济南市主城区，人口相对比较集中，工业和服务业发展水平较高，对环境的破坏程度较大，而延伸扩展到济南中心泉区，水生态状况优良;东部平原农业生态亚区和南部丘陵-平原农业水生态亚区，主要受农业面源污染影响，水生态状况较差。

    3?讨论

    近年来，国内外对河流生态健康的评价越来越多，但是仍停留在以整个区域进行评价[4-6]，这种评价方法不能很好地说明整个流域具体某一块的问题，为后期生态环境的治理和保护带来诸多不便，而针对不同的行政区域、水生态区、水生态功能服务区的评价还处于起步阶段[7-8]，深入研究不同分区水生态健康评价体系，能更好的提高水生态对人类社会的服务功能以及科学的制定水域生态环境的保护和管理制度。

    根据济南流域水生态健康评价结果，建议有关部门加强对济南区域点源和面源污染的防治。对于农业生产区块所涉及生态区，加大对污染源的治理，严格控制耕地面积，加强河流堤岸稳定性的加强、合理使用氮、磷等肥料，同时农业部门应对该区域土壤、水质建立长期多频率的监测机制;在大型工业区块涉及生态区，制定严格的工业废水排放标准，并建立单獨的工业废水水处理系统，待其达标后才能排入自然水环境;对于人类生活区域所涉及的生态区，组织开展保护环境的宣讲会，提高人们对环境保护的意识，并在生活区建立同意的生活污水处理系统，并加强物业部门对生活垃圾的处理机制;对于水生态评价健康区块涉及生态区，同样不能放松警惕，要联合各个部门制定长效保护机制，加大水环境保护宣传，定期开展水生生物多样性展示，加强水生态基础理论培训，提高公众对水生态的保护意识，树立科学生态发展观，积极创建济南海绵城市。

    参考文献：

    [1] 顾晓昀，徐宗学，刘麟菲，等.北京北运河河流生态系统健康评价[J].环境科学，2018，39（06）：2576-2587.

    [2] 张楠，张远，孔维静，等.太子河流域水生态功能Ⅱ级区的划分[J].环境科学研究，2013，26（5）：472-479.

    [3] 国家环境保护总局《水和废水监测分析方法》编委会.水和废水监测分析方：第4版[M].北京：中国环境科学出版社，2002。

    [4] 刘麟菲，徐宗学，殷旭旺，等.应用硅藻指数评价渭河流域水生态健康状况[J].北京师范大学学报（自然科学版），2016，52（03）：317-321.

    [5] 徐宗学，武玮，殷旭旺.渭河流域水生态系统群落结构特征及其健康评价[J].水利水电科技进展，2016，36（01）：23-30.

    [6] 胡志新，胡维平，谷孝鸿，等.太湖湖泊生态系统健康评价[J].湖泊科学，2005（03）：256-262.

    [7] 胡志新，胡维平，陈永根，等.太湖不同湖区生态系统健康评价方法研究[J].农村生态环境，2005（04）：28-32.

    [8] 吕纯剑. 基于辽宁省辽河流域水生态功能三级分区的河流健康评价[D].辽宁大学，2013.