水环境质量评价——由非生物向生物转变

上一篇 / 下一篇  2011-06-09 11:24:45

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  随着工农业生产的迅速发展和人口的急剧增加,水环境污染日趋严重,许多有着丰富鱼、虾、贝、蚌等高等水生物的水体,随着污染负荷的增加,逐渐退化为缺少水生高等生物的以藻类和微生物为主的“荒漠化”水域。人类在影响水环境的同时,水生态系统受到人为压力干扰产生的生态效应也会反过来影响人类的生活质量。水环境质量评价常用多个指标描述水环境的组成和功能性质,并通过由数学方法综合起来形成综合指数,来反映生态系统完整性状况. 评价过程主要包括评价指标筛选和综合评价两个步骤。关于水环境质量的评价经历了几个不同的发展阶段,即水质评价、水量评价、生态健康评价。

  (1)水质评价

  对水环境质量的评价与水环境健康问题密切联系。最初对水体的最大破坏来自于污染物,因此关于水环境质量的评价最早开始于水质的评价。19世纪末期从已严重污染的欧洲少数河流开始,评价指标只有生化需氧量BOD、化学需氧量COD、大肠菌群和细菌总数等几项简单的卫生学指标。以后随着工业的发展,大量的污染物质随工业废水进入了水体,严重地影响了水生生物和人类的健康,于是又引入了重金属、农药和有机化合物等有毒、有害物质指标、反映富营养化的氮磷指标、致畸致癌物质指标。生物是河流水生态环境的一个重要部分,指示生物具有很强的环境代表性,能够准确表达水环境的状态,并且水生生物监测也不需要昂贵的分析仪器,因此,生物指标也成为了水质评价的重要指标,并成为了部分国家水质评价的主要依据。鱼类和底栖无脊椎动物因为具有易测量、稳定等优点而常被作为水质监测的生物指示物种。现在的水质评价仍是水环境质量评价的一项重要内容。相对于其它的水环境质量评价内容,水质评价方法目前已比较成熟,除了一维、二维、三维等确定性数学模型和随机数学模型外,综合指数法、主成分分析法等常规多指标综合评价方法和模糊综合评价法、灰关联分析法、物元分析法、人工神经网络法等不确定性数学分析方法在河流水质评价中也得到了广泛的应用。

  (2)水量评价

  随着水资源开发利用量的增加,河道内水量日渐减少,导致了水生生物多样性的锐减,河流管理中生态环境需水量的评价开始受到了重视。水生态环境需水量的评价方法主要有四种,即水文学方法、水力学方法、栖息地等级法和整体分析法。水文学方法是以历史流量为基础,确定需水量,属于该类型的方法有Montana法、7Q10法等,该方法计算过程简单,容易操作,但由于没有考虑河流的实际情况,也没有直接考虑生物需求和生物间的相互影响,因此只能在优先度不高的河段使用。水力学方法是根据河道水力参数(如宽度、深度、流速和湿周等)确定需水量,计算中不以特定物种为目标,属于该类型的方法有湿周法、RZcross法等。栖息地等级法是根据指示物种需要的水力条件确定河流的流量,目的是为水生生物提供一个适宜的生存环境,属于该类型的方法有河道内流量增量法(IFIM)法等。整体分析法的基本原则是维持河流的天然特征,该方法从生态系统整体出发,根据专家意见确定河流流量,需要组成包括生态学家、地理学家、水力学家、水文学家等在内的专家队伍。生态环境需水量评价方法虽然很多,但在具体使用中还存在不足之处,例如IFIM法,它是生态环境需水量评价方法中使用较广的方法之一,是把大量的水文水化学现场数据与选定的水生生物物种在不同生长阶段的生物学信息相结合,进行流量增加的变化对栖息地影响的评价。随着研究的深入,人们逐渐认识到,自然水文过程和水文要素的周期性变化对于水生生物的繁衍生息具有重要的作用。不仅流量大小的改变会影响水生生物的数量、结构和组成,流量的持续时间、时间分配、流量状态的变化率和频率等水文参数的改变也会对水生生物产生影响。

  (3)生态健康评价

  20世纪80年代,西方国家水环境管理的重点由水质保护拓展到了水环境生态系统的恢复,开始强调用生态工程方法恢复水环境的生态系统,回归河流的自然功能。莱茵河“蛙鱼2000计划”、美国的密苏里河自然化工程、基西米河生态修复工程等一系列的河流生态修复工程付诸于行动。同一时期,维持水生态系统的健康成为了水管理的重要目标。在修复和管理工作中,常需要调查水生生物的种类和数量,建立相应的指标体系用于评估水环境的生态状态,判断配水效果、河流修复效果和水环境管理的整体效果,作为制定管理或修复计划的依据。只对河流健康部分内容进行评价的水质评价和水量评价已远远不能满足河流管理的需要,于是,水环境质量评价的内容也发生了变化,开始转向对水生态状态的评价。

  从20世纪80年代开始,各国水资源政策也发生了变化,开始强调生态保护,重视水体的生态质量。20世纪90年代,许多国家先后开展了河流健康监测和评价计划。美国环保署(USEPA)在1990年启动了环境监测评价计划(EMAP),用于监测和评价国家河流和湖泊的生态资源状态和趋势。地震调查局在 1994年开展了一项国家水质评价计划(NAWQA),对全国的水质状态及趋势进行评价,并找出对水质有重要影响的环境因素。2000 年12月22日,欧盟成员国开始实施“水框架法令”,该法令的主要目标是到2015年,使各种水(河流、湖泊、地下水和海岸水)处于良好状态。它是人们重视正受到威胁的欧洲水资源的结果,试图应对当今水管理中面临的巨大挑战,即广泛分布的化学污染、水生态系统的过度使用和自然退化。“水框架法令”要求各成员国评价水体的生态质量。生态质量基于生物、水文地貌和物理化学质量,生物质量尤其重要,水框架建议附件5对良好的生态状况做了详细说明。

  对水环境生态状态的评价按照所选指标的不同,可分为指示物种法和综合评价法两种。

  (a)指示物种法

  水环境的水质污染、水文状态、物理结构的改变和外来物种引入等引起的水环境生态状态的恶化都会在水生生物的结构和功能上有所反映,因此指示物种被用于水环境生态状态的评价。该方法主要依据水环境某些物种的数量、生物量、生产力、结构指标、功能指标和一些生理生态指标来描述河流生态系统的健康状态。常用的指示生物包括鱼类、底栖无脊椎动物和着生藻类等。20世纪80年代出现了两种重要的可用于水环境健康状况监测的生物监测方法,即生物完整性指数(IBI)和河流无脊椎动物预测和分类系统(RIVPACS)。指示物种法虽然是评价水环境健康状态的常用方法之一,但这种方法也有其不足之处。很多指示物种具有很强的移动能力,对胁迫的耐受程度较低,与生态系统变化的相关性较弱,指示物种的监测参数选择不当会给生态系统健康评价带来偏差。

  (b)综合评价法

  综合评价法在一定程度上可弥补指示物种法的不足,更好地评价河流的健康状况,因为在这一类指标体系中包含反映水环境质量不同信息的指标,能反映复杂水生态系统的多尺度、多压力的特征,利于全方位揭示水环境存在的问题。许多国家发展了水环境健康的综合评价方法,较具代表性的有美国、英国、澳大利亚、南非等国家。 美国环保署(EPA)于1989年发展了快速生物评价协议RBPS,为用生物集合体资料作为生态健康指标提供了一个技术框架,经过近10年的发展和完善,于1999年推出新版的RBPS。RBPS采用着生藻类、鱼类、大型无脊椎动物评价河流状态,通过对生物群落的结构、功能、过程(Process)的度量达到评价的目的。美国的国家水质目录(NWQI)为《水清洁法》提供两年一次(19%年后五年一次)的全国水质(包括河流状况)报告。NWQI的内容包括物理化学水质资料、生物资料(如物种类型和丰富度)、栖息地和辅助资料(如土地利用)。 NWQII的目标是描述水质特征,确定在全国范围内有重要意义的水质问题,描述修复和保护水体的各项计划的情况等。由于评价定期进行,NWQI可反映管理的执行情况,为管理策略的制定提供依据。

  英国在20世纪90年代建立了河流保护评价系统(SERCON),用于评价河流的生物和栖息地属性及其自然保护价值。SERCON是一种综合性评价方法,采用了35个特征指标,从物理多样性、自然性、代表性、稀有性、种群丰度、特有特征等方面对河流进行评价。瑞士用于评价河流和湖泊的Aqua系统采纳了 SERCON方法。同一时期英国还建立了河流栖息地调查(RHS)方法。RHs建立的目的是发展一种国家标准化系统,用于河流物理结构的测量、分类和定期报告。测量变量包括背景资料、河岸特征资料、河道资料(基质、沉积物特征、流量类型等)和其它的位置资料(河谷形状、土地利用、洪泛地特征等)。通过对全国3000多个河流位置取样,收集了丰富的数据资料,用参考点的资料产生了一个联系物理结构和栖息地质量的预测模型。 在美国、瑞士、意大利使用的河岸带、河道、环境目录(RCE)采用了河岸土地利用方式、河岸宽度、河岸带完整性等16个特征值用于快速评价下游农业景观地区小溪流的物理和生物状态,通过对测量位置的每个指标变量打分,参照评分标准确定测点位置的健康等级,主要用于非点源污染的农业地区。该方法的优点是使用比较简单,不足之处是评分过程人为主观性较大,准确性不高。

  澳大利亚在水环境质量评价方面做了大量的工作。澳大利亚的水生生物环境质量指数(IAEQ)用于评价维多利亚州的内陆水体,评价指标分为水质、泥沙中的有毒物质、大型底栖无脊椎动物、鱼类和河岸植被等5部分,以自然状态或无干扰状态作为评价标准,每个指标分为极好、好、中、差和退化五级。Ladson提出的维多利亚溪流状况指数(ISC)用一个分级系统评价溪流状态,主要用于测定非城市河流的状态,点明河流管理中的潜在问题,它的指标结构分为3层,子目标层由水文、水质、物理结构、河岸带和水生生物5部分组成,指标层包括19个指标,通过评分法对指标赋值,根据总分值确定河流健康状态。

  在南非伴随着国家快速生物评价计划,发展了栖息地整体评价系统 (lHAS)和栖息地完整性指数(IHI),IHAS的测量内容包括了基质、植物和河流物理状态等。IHI用于评价栖息地主要干扰因素的影响,包括饮水、水流调节、河床与河道的改变、本地岸边植被的去除和外来植被的入侵等内容。

  目前我国仅引入生态完整性的理论,而水体的生态完整性的评估还未开展,尚没有建立适合我国水环境的综合有效水质评价指标和评价方法。水环境质量的评估还主要依赖于常规的物理、化学评价指标,而水环境管理的重要目标之一是要保护水体中水生生物的健康及完整性。我国水环境质量评估缺乏考虑水生态系统生物完整性的指标体系和监测技术体系,需要广大同仁进一步的努力。


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