南京市江寧區牛首山河水生態監測與安全評估研究

黃昌碩， 蓋永偉， 吳 京

(1.南京水利科學研究院 水文水資源與水利工程科學國家重點實驗室， 江蘇 南京 210029； 2.江蘇省水資源服務中心， 江蘇 南京 210029)

1 研究背景

目前，國內現有的相關標準、規范和導則中，涉及到水生態監測與安全評估的內容遠不能滿足生態文明城市建設的需求，相關指標應用并未廣泛普及，尚未建立常規性的動態監測體系[1]。

近年來，南京市江寧區河流生態狀況受經濟社會高速發展的影響，個別時段部分河段水質狀況較差，不能滿足群眾對美好生態環境的需求。因此，開展河流水生態監測與安全評估研究，有助于摸清河流水生態系統狀況，為生態系統保護與科學恢復提供基礎支撐，也有助于提高周邊群眾的生活滿意度。

本次研究以南京市江寧區牛首山河為例，對河流水生態狀況進行監測和安全評估，為促進河流生態系統的整體恢復提供技術支撐。

2 研究區概況

江寧區位于南京市南部，長江下游南岸，區域總面積1 558 km2，水域面積186 km2(不含長江)，處秦淮河流域中游、鄰近長江，過境水資源量豐富，降水充沛。牛首山河系外秦淮河支流，西起洋山、東至外秦淮河干河，屬太湖流域。河道由人工納污渠(沿隱龍路及沿康平街)、硬化岸堤河道段、自然岸堤河道段等組成，全長約8.0 km，流域面積約46.4 km2，沿河設有何魏泵站、長山泵站、江南青年城處理站、水閣路橋等污水提升或處理設施。牛首山河作為江寧城區的主要支流之一，是城市生態系統的重要組成部分，近年來受到人類活動的劇烈干擾，其水質逐步出現惡化狀態，河流生態系統受到嚴重破壞。這幾年，通過實施截污治污、生態修復等一系列工程措施，其生態環境狀況已有明顯好轉，但依舊不能滿足周邊群眾對生態環境日益增長的高需求。牛首山河具體位置見圖1。

圖1 南京市江寧區水系及牛首山河位置和監測點布置圖

3 研究方法

本次研究通過在牛首山河上布設監測站點和現場采樣調查等手段[2]，構建牛首山河水生態安全評估指標體系，選擇基于熵值法-物元可拓模型綜合評估其水生態安全狀況[3]，為牛首山河生態治理與修復提供科學依據。

3.1 水生態監測點布設方案

根據牛首山河的河流長度、形態特征、水文條件和評估需要，設置3個河岸帶現場調查點與水質監測點，牛首山河1監測點處于河流下游，牛首山河3監測點處于河流上游。調查時間為2016年8月和2016年11月，分兩次對牛首山河開展了浮游植物和底棲動物現場監測與調查。水質監測選擇的兩個季節為夏季和秋季，是浮游植物生長的盛期，也是水質的敏感時期，能較好地反映河流生態系統的健康狀況[4-6]?，F場河岸帶調查于2016年8月進行，表1給出了牛首山河的3個監測點位坐標，監測點位置如圖1所示。

表1 牛首山河水生態監測點經緯度

3.2 水生態安全評估指標與評估指標

3.2.1 評估指標的選取 牛首山河附近很多小區并未建立完善的污水處理設施，生活污水直接排入九龍湖，然后經過泵站進入河道。因此，在充分考慮到牛首山河自身資料條件和監測采樣難度及成本，同時結合實際情況，依據科學性、完整性、實用性、可評價性的原則，牛首山河水生態安全評估指標選取了水質(RC1)、藻類密度(RC2)、大型底棲動物生物多樣性指數(RC3)、重金屬污染狀況(RC4)、天然濕地保留率(RC5)、河流形態結構(RC6)、水資源開發利用指數(RC7)、最低生態水位滿足程度(RC8)、河流連通阻隔狀況(RC9)、水功能區水質達標率(RC10)、防洪達標率(RC11)等11個指標[7]，詳見表2。牛首山河現場采樣調查主要監測指標包括水質、浮游植物、底棲動物、重金屬等指標，其中水質監測數據見表3，夏季和秋季浮游植物優勢種見表4，夏季和秋季各監測點浮游植物多樣性指數見表5，夏季和秋季底棲動物各物種密度和生物量見表6，夏季和秋季各監測點底棲動物多樣性見表7，夏季和秋季各監測點沉積物重金屬含量均值見表8。其余指標主要根據《江蘇省水資源公報》《江蘇省統計年鑒》和江寧區水務局提供的水位流量數據等計算得到。

3.2.2 評估標準的確定 本文研究的河流水生態安全狀況評估等級劃分為非常安全(Ⅰ級)、較安全(Ⅱ級)、基本安全(Ⅲ級)、不安全(Ⅳ級)、極不安全(Ⅴ級)5個等級[9]，其中各等級的臨界值都采用目前已有的規范、標準和研究成果中的指標臨界值，

表2 牛首山河安全評估指標-監測指標

注：表中“*”表示數值為優勢度。

表3 牛首山河水質監測數據 mg/L

如水質監測指標臨界值選用地表水環境質量標準(GB 3838-2002)中的基本指標標準限值，河流連通阻隔狀況、天然濕地保留率、大型底棲動物生物多樣性、重金屬污染狀況、水資源開發利用率等5個指標參考《河流健康評估指標、標準與方法(試點工作用)》(辦資源[2010]484號)中指標的臨界值，最低生態水位保障程度、水功能區水質達標率、防洪指標等3個指標參考江蘇省水利廳發布的《江蘇省主要河流健康狀況報告》中指標的臨界值，河流形態結構、藻類密度等2個指標參考國內外水生態安全評估指標相關研究成果以及專家建議等確定評定等級臨界點[10-12]。表9給出了河流水生態安全狀況總體評估標準分級。

表4 牛首山河夏季和秋季浮游植物優勢種

注：表中數值為優勢度。

表5 牛首山河夏季和秋季各監測點浮游植物多樣性指數

表6 牛首山河夏季和秋季底棲動物各物種密度和生物量

表7 牛首山河夏季和秋季各監測點底棲動物多樣性

表8 牛首山河夏季和秋季各監測點沉積物重金屬含量均值 mg/kg

3.3 水生態安全評估方法

目前，國內外學者在水生態安全評估工作中大量應用了灰色聚類法、模糊綜合評估法、人工神經網絡法、模糊物元分析法等，在眾多評估方法中，由于物元可拓模型是直接面向問題而不是面向數據或空間形式的處理方法，因此本文選取能夠更好地反映水體實際情況的物元可拓模型方法對河流水生態安全狀況進行評估，同時針對物元可拓模型中存在的指標權重確定不太理想這一問題，采用熵值法對其進行改進[13-16]。

熵值法是一種客觀賦權法，在信息論中，熵值反映了信息無序化的程度，熵越大，有序程度就越低，不確定性越大；反之，熵越小，其有序程度越高，不確定性越小。熵值法計算步驟包括數據標準、計算參評對象指標值的比重、計算指標信息熵值和信息效用值、計算指標權重。熵值法確定指標權重的本質主要是利用了指標信息的價值系數來計算，其價值系數越高，權重就越大，對評估結果的貢獻程度就越大。在指標權重確定的過程中不需要加入任何人為主觀信息，極大程度上削弱了極端值對綜合評估的影響。

物元可拓模型通過評估級別和實測數據，得到模型的經典域、節域及關聯度，從而建立定量綜合評估模型。物元可拓評估的具體計算步驟包括確定經典域、確定節域、確定關聯函數、計算待評估物元同評估等級間的綜合關聯度、評定等級、計算物元隸屬程度等。熵值法和物元可拓模型的具體原理和計算過程本文不再冗述。

表9 江寧區河流水生態安全綜合評估等級劃分

本次研究選擇的熵值法-物元可拓綜合評價模型可以處理各評價等級間的過渡問題，并且很好地降低了人為對權重的干擾程度，能夠有效地反映出河流水生態安全狀況。

4 河流水生態安全綜合評估

4.1 構建經典域和節域

由于所選擇的指標中既有正向指標(越大越優)，又有逆向指標(越小越優)，且量綱和尺度不同，因此，需要對指標數據進行標準化，處理后每個指標的取值范圍為[0，1]，將正、逆向指標均化為正向指標，最優值為1，最劣值為0，得到牛首山河水生態安全評估指標規范值。牛首山河水生態安全評估指標值及標準化值見表10。

表10 牛首山河水生態安全評估指標值及標準化值

構建物元可拓評估模型的經典域矩陣R0j：

構造值域 ：

4.2 確定權重系數

依據上文介紹的熵值法計算各個指標權重系數，ωj=(0.0341，0.3208，0.2766，0.0039，0.0051，0.0712，0.0277，0.1584，0.0225，0.0733，0.0063)。

4.3 確定關聯函數

結合熵值法計算得到的各指標權重，利用可拓距和位置的定義，在將各個評估指標值和各分級標準全部規范化的基礎上，計算牛首山河水生態安全評估指標關于評估等級的關聯函數，按照最大值原則確定牛首山河水生態安全狀況的評估結果，評估結果見表11。

4.4 評定等級

表11 牛首山河水生態安全評估指標關于不同等級的關聯度及評估結果

5 結 論

(1)本文通過布設監測站點對南京市江寧區牛首山河水生態狀況進行監測，監測數據顯示，該河水質狀況中等，藻類密度遠超標準限值，生物多樣性較差，存在一定的水生態安全風險隱患；根據淡水沉積物質量基準，牛首山河表層沉積物重金屬生態毒性風險較低。同時，采用基于熵值法-物元可拓評估模型對江寧區牛首山河水生態安全狀況進行綜合評估，評估結果顯示牛首山河水生態安全狀況評估等級在Ⅳ～Ⅴ級之間，且更偏重Ⅳ級，水生態安全狀況較差。

(2)本文在河流水生態狀況監測的基礎上，選取了11項評估指標，對河流水生態安全狀況進行評估，評估結果能夠較好地反映出一條河流的生態安全狀況。未來，不同區域可根據自身河流水系特點及經濟發展狀況，選擇不同的評估指標，對河流水生態安全狀況進行綜合評估，可為河流生態系統保護和治理提供基礎支撐。