李增辉，曲丹,*，孙德智，李本行

1. 北京市水体污染源控制技术重点实验室，北京 100083 2. 北京林业大学环境科学与工程学院，北京 100083

太湖是我国重要的淡水湖之一，具有供水、调洪、航运、水产养殖和生态休闲旅游等功能，在我国东部地区社会经济发展中发挥着举足轻重的作用[1]。近年来，随着太湖流域经济日益发达，邻近太湖平原水网区的人口密度、人类活动强度等总体较高，致使主要入湖河流水质较差，15条河流的入湖污染物量约占入湖污染物总量的80%，是太湖富营养化的主要原因[2-3]。

莲花荡位于江苏省宜兴市丁蜀镇，与乌溪港连通，汇入太湖，是宜兴市9条入太湖河道之一，莲花荡、乌溪河合称为莲花荡水系[4]。根据2014年监测结果，莲花荡水系水质仅为《地表水环境质量标准》(GB3838—2002)Ⅳ～Ⅴ类标准[5]，未达到江苏省地表水(环境)功能区划规定的地表III类的要求。为了改善莲花荡水系的水环境质量，削减入太湖污染负荷，2015年初在莲花荡水系陆续开展了水环境整治工程[6-7]。为了全面了解莲花荡水系的健康状况，考察莲花荡水系整治工程效果，为进一步的生态修复工程提供科学依据，本研究对莲花荡水系进行生态健康评价。

20世纪90年代，国际上相继提出了河流生态健康评价方法，如美国的生物完整性指数(IBI)[8]、岸边与河道环境细则(RCE)[9]；英国的河流无脊椎动物预测和分类计划(RIVPACS)[10]；澳大利亚的河流评价计划(AUSRIVAS)[11]、溪流健康指数(ISC)[12]等。就评价原理而言，生态健康评价方法可分为多指标评价法和预测模型法[13]。由于多指标评价法考虑的表征因子远多于预测模型法，能够全面反映河流生态健康状况，其结果更加客观，我国的河流生态健康评价大多都采用该方法。唐涛等[14]首次总结了河流生态健康的涵义，提出我国河流健康评价方法的发展方向。王备新[15]采用底栖动物完整性指数(I-IBI)评价了安徽黄山溪流健康状况。吴阿娜等[16]从河流5个方面出发建立评价指标体系，对上海市的河流进行健康评价。国内学者针对其他不同流域已进行大量生态健康评价方面的研究[17-23]。

本研究结合2015年度莲花荡水系监测数据，采用多指标评价法，结合隶属度思想，从化学完整性和生物完整性两方面对江苏省宜兴市莲花荡水系生态健康状况进行模糊综合评价，全面了解莲花荡水系实施整治工程前后的生态健康状况，识别出影响水生态健康的主要因子，为进一步的水环境整治与水生态修复工程提供科学依据。

1 方法与数据(Methods and data)

1.1 研究区域概况

莲花荡水系位于江苏省宜兴市丁蜀镇东部，北纬31°22′～31°25′，东经119°86′～120°90′之间，属于平原河网，河道比降十分平缓[24]，水域面积约为2 km2。莲花荡下接乌溪港，东入太湖，上与分洪河相连，是湖滏山区和丁蜀镇区行洪下泄的主要通道。水系主河总长5.1 km，年均径流总量1.736亿 m3，全部为宜兴本地径流。共有4条支浜，分别为乌溪河、西渡河、长征河、东横荡河，支浜长分别为2.3 km、1.8 km、1.2 km、7.8 km，总长为13.1 km[25]。

1.2 评价方法

1.2.1 建立评价指标体系

1.2.2 确定指标等级标准

本研究将评价等级分为5级，分别为健康、亚健康、轻微病态、病态和严重病态(表2)。其中水质指标等级标准的确定参考《地表水环境质量标准》(GB3838—2002)，将Ⅲ类水设为健康，Ⅳ类水设为轻微病态，Ⅴ类标准为严重病态，将Ⅲ与Ⅳ水的中间值设为轻微病态、将Ⅳ与Ⅴ类水的中间值设为病态[26]。浮游生物多样性指标及底栖动物BI指数尚未统一标准，具体划分参考已报道的研究成果[15,27]。

1.2.3 确定层次结构及指标权重

本研究采用层次分析法确定指标权重，具体步骤如下：1)建立层次结构，以莲花荡水系生态健康状况为目标层，以莲花荡水系化学完整性、生物完整性为准则层，以具体评价指标为指标层建立层次结构。2)构造判断矩阵，邀请相关领域专家进行指标间两两重要性的判评，构造判断矩阵C。运用Matlab计算出判断矩阵C的最大特征值μmax与特征向量W，归一化特征向量W=(ω1,ω2,…,ωm)的各个分量ωj，就是对应的各评价因子的权重。3) 一致性检验,为了检验判断矩阵的一致性，还要计算出一致性指标CI和随机一致性比率。CI=(μmax-n)-(n-1)，CR=CI/RI，n为矩阵阶数，RI为平均随机一致性指标，查表可得。当CR<0.10时，认为判断矩阵具有满意的一致性，否则就需要对判断矩阵的元素取值进行调整[28]。

表1 莲花荡水系生态健康评价指标体系Table 1 Ecosystem health assessment indicators of Lianhuadang River System

表2 莲花荡水系生态健康评价指标等级标准Table 2 The assessment standard for every index of river ecosystem health in Lianhuadang River System

1.2.4 生态健康综合评价方法

如前所述，本研究指标体系分为3个层次，因此采用二级模糊综合评价，具体模糊综合评价方法按以下的步骤进行。

(1)根据评价标准计算各评价指标隶属度矩阵：

(1)

式中，ri(j-1)为第j-1级健康隶属度，sij，si(j-1)分别为第i个评价指标j级与j-1级健康等级标准值，ci为实测值。

rij=1-ri(j-1)

(2)

式中，rij为第j级健康隶属度。

(2)将指标层的权重与隶属度做模糊运算，分别得到准则层(化学完整性与生物完整性)的隶属度矩阵：

(3)

式中WCi为指标层权重，Ri为指标层隶属度矩阵，Bi为准则层隶属度矩阵，“○”为模糊计算子(·,+)即

(3)将准则层的权重与隶属度矩阵做模糊运算得到生态健康状况隶属度。

(4)

式中WB为准则层权重，S为莲花荡水系各健康等级的隶属度。

图1 莲花荡水系流域位置及采样点布置图Fig. 1 Location of Lianhuadang River System and layout of sampling points

表3 莲花荡水系监测点布设Table 3 The monitoring spot location of Lianhuadang River System

1.3 数据来源

2 评价结果与讨论(Results and discussion)

2.1 莲花荡水系生态健康综合评价

2015年各季度水生态健康评价结果如图2所示。根据最大隶属度原则，9个样点中，第1季度有6个样点处于严重病态，第2季度有7个样点处于严重病态，第3季度所有样点均处于健康状态，且平均健康隶属度为0.585，第4季度有7个样点处于健康状态，健康平均隶属度下降至0.531。总体来看，随着季节的变化，莲花荡水系的生态健康状况变化明显。主要是由于2015年6月，莲花荡水系开展生态清淤工程，水生生物生境受到暂时性破坏，底泥中污染物向上覆水体释放，因此二季度多数样点处于严重病态。清淤结束后，内源污染得到有效清除，水质及底质生境逐渐恢复，各样点生态健康状况逐渐恢复，并在三季度达到最高值。冬季水温降低，浮游生物的种类、密度和生物量均有所降低，且冬季降雨较少，水质指标浓度有所提高[29]，因此第4季度平均健康隶属度从第3季度的0.585降至0.465。

图2 2015年莲花荡水系生态健康状况Fig. 2 Ecological health status of Lianhuadang River System in 2015

除季节性差异外，莲花荡水系生态健康状况存在空间上的差异性。第1季度，莲花荡75%的样点处于严重病态，乌溪港60%的样点处于严重状态；第2季度，莲花荡所有样点均为严重病态，乌溪港40%的样点处于健康状态；第3季度，莲花荡与乌溪港所有样点均处于健康状态，莲花荡健康隶属度为0.504，乌溪港健康隶属度为0.650；第4季度，莲花荡50%样点处于健康状态，乌溪港仍然是所有样点处于健康状态。总体来说，莲花荡生态健康状况劣于乌溪港，主要原因为莲花荡局部区域为湖湾区，水动力不畅，且周边存在集约化畜禽、水产养殖厂，生态健康状况受其污染影响较为明显[6]。

2.2 莲花荡水系化学完整性评价

如前所述，莲花荡水系的化学完整性主要由水质指标反映。2015年各季度水质健康评价结果如图3所示，在第一、二季度，莲花荡水系水质健康状况较差，所有样点均处于严重病态。第三、四季度健康状况明显改善，9个样点均处于健康病态。

图3 2015年莲花荡水系水质健康状况Fig. 3 Water quality health status of Lianhuadang River System in 2015

表4 各水质指标平均值及健康等级Table 4 Average value of water quality indicators and health grade

2.3 莲花荡水系生物完整性评价

莲花荡水系的生物完整性主要由浮游动(植)物多样性和底栖动物耐污值反映。莲花荡水系共鉴定出浮游植物111种，隶属7门，硅藻门(Bacillariophyta)出现种类最多，为55种，占总种类数量的50%，蓝藻门(Cyanophyta)9种，隐藻门(Cryptophyta)4种，甲藻门(Dinohyta)3种，金藻门(Chrysophyta)3种，裸藻门(Euglenophyta)7种，绿藻门(Chlorophyta)30种；共鉴定出浮游动物33属53种，其中原生动物(Protozoa)12属15种，轮虫(Rotifer)15属29种，枝角类(Cladocera)1属4种，桡足类(Copepods)5属5种。浮游生物多样性指数评价结果如图5所示，第2季度浮游生物多样性明显降低，其他3个季度Shannon-Wiener指数均在2.5以上，这是由于第2季度正值清淤工程开展阶段，水环境平衡状态遭到干扰，影响了浮游生物生长繁殖；共鉴定出底栖动物20种，其中双翅目摇蚊科(Chironomidae)9种，寡毛纲颤蚓科(Tubificidae)7种，腹足纲螺科(Hydrobiidae)3种，甲壳纲1种。底栖动物BI指数评价结果如图6所示，前3季度耐污值均在8以上，处于病态至严重病态的健康等级范围内，只有第4季度耐污值略有下降。并且监测到的20种底栖动物均属于摇蚊科、颤蚓科、仙女虫科等耐污能力较强的物种，而未监测到蜉蝣目、襀翅目和毛翅目等不耐污的物种。综上，莲花荡水系浮游生物状况较为健康，而底栖生物的完整性较差。初步认为底栖动物是影响莲花荡水系生物健康的因子。除受到水质污染的影响外，底泥监测结果表明，莲花荡水系的表层底泥为高氮磷高有机质类型[30]，底栖生物环境的恶化是底栖生物完整性受到影响的一个重要原因。

图4 2015年莲花荡水系生物健康状况Fig. 4 Biological health status of Lianhuadang River system in 2015

图5 浮游生物多样性评价结果Fig. 5 Assessment results of Plankton biodiversity

图6 底栖动物BI指数评价结果Fig. 6 Assessment results of benthic animal BI Index

生物完整性评价结果如图4所示，第一、二季度较差，处于严重病态的样点个数分别为5、7，第2季度比第1季度差的原因是第2季度浮游生物多样性指数较低；第3季度，健康与严重病态的隶属度均为0.500，这是由于浮游生物等级处于健康等级，而底栖动物处于严重病态等级，两者权重相同，评价结果就会出现这种对立现象；第4季度严重病态的样点个数为3，是莲花荡水系生物健康状况最优的季度，而水质状态最优时是第3季度，综合比较4个季度水质与生物健康状况，发现生物健康状态改善滞后于水质状态，水环境是水生物生活的基础，水质及底泥状况改善后有助于生物的改善，另外清淤工程严重破坏了水生物环境，尤其是底栖动物，恢复需要相对较长，相关研究表明，清淤深度为20 cm时，清淤后60 d底栖生物才开始恢复[31-32]，所以表现出生物健康状况时间对水质变化反映具有一定的滞后性[33]。

3 结论与建议(Conclusion and suggestions)

本研究运用模糊综合评价方法，从化学完整性与生物完整性2个方面评价了莲花荡水系的生态健康状况。评价结果表明，莲花荡水系生态健康状况存在时间及空间差异。第1、2季度生态健康状况较差，分别有66.7%、77.8%的样点处于严重病态；莲花荡水系清淤工程开展及周边集约化畜禽及水产养殖产业整治工程实施后，第3季度全部样点处于健康状态，受季节性变化的原因，第4季度莲花荡水系健康状况略有下降。空间上，乌溪港生态健康状况优于莲花荡。影响莲花荡水系化学完整性的主要因子为TN、TP。治理工程开展以后，营养盐浓度明显下降，TN最大平均浓度由6.4 mg·L-1降至2.74 mg·L-1，且TP已达到地表水Ⅳ类标准，但营养盐浓度仍然偏高。莲花荡水系浮游生物状况较为健康，而底栖生物的完整性较差，本研究共监测到浮游生物164种，隶属7门，3个季度平均Shannon-Wiener指数在2.5以上；而底栖动物仅20种，且大都属于摇蚊科、颤蚓科、仙女虫科等耐污能力较强的物种，未监测到蜉蝣目、襀翅目和毛翅目等敏感类群物种。

2015年，莲花荡水系开展了清淤工程及周边集约化畜禽及水产养殖产业整改，累计清淤河道长16 526 m，清淤量496 875 m3；拆除16家养殖场，COD、TN、TP累计削减量分别为43 943 t、1 712.56 t、43.79 t[6-7]。评价结果表明整治工程取得了一定效果，但莲花荡水系化学完整性与生物完整性仍处于较差状态，为了进一步改善莲花荡水系生态健康状况，本研究提出以下修复建议：(1)实施农村生活污水的截污及治理工程，根据莲花荡水系周边丁蜀镇现有市政污水管网及其近(远)期的规划市政管网，对临近管网居民进行纳管处理， 对于无法直接纳管的自然村污水收集后建立污水处理站进行处理，确保生活污水不直接排入莲花荡水系。(2)农业面源的生态拦阻，通过构建生态沟渠、人工湿地等工程，有效实现N/P的拦阻，降低营养物质进入莲花荡水系的含量。(3)在有效控源的基础上，开展生态岸带及湖滨带建设，通过构建植被缓冲带及水生植物群落，进一步实现污染物的拦阻净化，提升水体自净效能。实现莲花荡水系的短期人为调控到长期自然净化的过程，全面保障莲花荡水系水质及水生态健康，实现入太湖污染负荷的有效削减。