基于稳定同位素技术的辽宁浑太河流域水生食物网研究

为探究辽宁省浑太河流域水生生物营养结构特征及其变化,分别于2020年秋季(10月)和2021年春季(5月)对该流域开展渔业资源调查,依据主要消费者及饵料生物样品的碳、氮稳定同位素值(δ13C和δ15N),利用SIBER和MixSIAR模型分析渔获物群落营养结构的时空差异,并初步构建该流域的食物网。结果表明,主要渔获物的δ13C和δ15N值分别为–37.18‰—–19.28‰和7.98‰—16.51‰,且季节性差异不显著(P>0.05),但δ13C值空间差异极显著(P<0.01)。浑太河流域渔获物的营养级为1.71—4.39,同种鱼类营养级具有极显著的时空差异(P<0.01)。与春季相比,鱼类在秋季摄食的食物资源更丰富、所占的生态位更宽,同时太子河的各项群落营养结构指标均优于浑河。基础食源分析结果表明水生植物与陆生植物分别为浑太河两个季度的主要碳源,陆生植物和POM分别为浑河和太子河中鱼类的主要碳源。研究填补了对浑太河流域水生生物食物网及群落营养结构研究的空缺,为该流域后续的保护、修复及进一步开发提供参考依据。

浑太河上游流域河岸缓冲区景观格局对水质的影响

以浑太河上游流域31个采样点上游水系为中心,生成5种尺度的河岸缓冲区,采用Fragstats软件计算类型水平和景观水平上的8个景观指数。分别从景观数量组成和景观空间格局2个方面,采用空间分析、相关分析和冗余分析等方法,识别不同宽度河岸缓冲区景观格局与水质的相关关系。结果表明:景观格局在不同宽度缓冲区内对河流水质具有不同的效应。300 m宽度河岸缓冲区景观格局具有最大的水质空间分异解释能力,可解释48.5%的水质变异。对于50和100 m宽度河岸缓冲区,景观数量组成指标较景观空间格局指标对水质空间分异的解释能力强,景观数量组成指标分别解释水质空间分异的16%和18%,景观空间格局指标分别解释水质空间分异的11%和6%。其中,旱地的解释能力最强,分别为13%和12%,因为≤100 m宽度河岸缓冲区内旱地是优势景观类型。对于300、500和1 000 m宽度河岸缓冲区,景观空间格局指标较景观数量组成指标对水质空间分异的解释能力强,景观空间格局指标可分别解释水质空间分异的25%、20%和23%,景观数量组成指标分别解释水质空间分异的10%、11.3%和14.3%。当缓冲区宽度≥300 m时,景观空间格局指标对水质的解释能力随缓冲区宽度的增加而逐渐增强,解释能力显著的景观空间格局指标包括景观尺度上的斑块密度、蔓延度指数、多样性指数和均匀性指数以及类型水平上的林地破碎度指数。

基于SWAT模型的浑太河流域农业面源污染物产生量估算

结合浑太河流域的下垫面、水文气象、污染源的物理特征,基于实际监测数据,率定验证模型,建立降雨径流、土地利用方式对应下的SWAT模型,对农业面源污染物的迁移-转化过程进行模拟计算,系统解析流域面源污染物排放量、分布特征。划定浑河、太子河、大辽河干流左右岸河流两侧l km、水库周围5 km为缓冲区,改变现有的土地利用方式,恢复天然生态。以常规发展模式为基础,计算在区域生态保护占优模式下污染物产生量。在常规发展模式下,浑太河流域年平均土壤侵蚀模数为400 kg/hm^2,总氮、总磷输出强度为19、7 kg/hm^2;从单位面积上看,总氮、总磷负荷强度最大值分别为317、260 kg/hm^2。总氮、总磷负荷强度空间差异较大,通过面积加权计算,平均负荷强度为29和10 kg/hm^2。在生态保护占优模式下,耕地的氮、磷损失量有所减少,总氮、总磷单位面积年减少量为9.5、0.9 t/hm^2;从农业面源污染物化学需氧量(chemical oxygen demand,COD)、氨氮来源层面分析,单位面积土地退耕后化学需氧量、氨氮污染物减少量为14、5 kg/hm^2。经比较,在生态保护占优发展模式下面源污染物产生量相对常规发展模式下减少9%,化学需氧量、氨氮、总磷、总氮分别减少5.12%、31.67%、10.40%、25.95%,农业面源污染减排效果明显。研究为实现浑太河流域污染物排放总量不超标、水体水质达标,并确保农业基础地位不动摇,充分挖掘区域农业减排增收潜力提供策略依据。

浑太河流域鱼类生物完整性指数构建与应用

为了解决在不同区域和不同河流类型间等大尺度范围内F-IBI(鱼类生物完整性指数)评价方法体系的建立问题,以浑河-太子河(下称浑太河)流域为研究区域,构建符合区域性特征的生物完整性评价体系并进行应用研究.于2014年5月对浑太河流域32个采样点的鱼类进行采样调查,根据鱼类群落特征的空间差异和浑太河流域水生态分区,将采样点分为中上游和下游区域两种类型.通过综合栖息地和水质的标准化方法确定参照点和受损点,依据候选指标分布范围检验、敏感性分析和相关性检验,筛选出浑太河流域中上游F-IBI核心指标包括总物种数、Shannon-Wiener多样性指数、鲤形目鱼类物种数百分比、雅罗鱼亚科个体数百分比、鳅科鱼类物种数百分比、鲈形目鱼类物种数百分比、杂食性鱼类物种数百分比、肉食性鱼类物种数百分比、敏感性鱼类个体数百分比等9个指标;下游筛选出F-IBI核心指标包括总物种数、Shannon-Wiener多样性指数、鮈亚科鱼类物种数百分比、鲈形目鱼类物种数百分比、虾虎鱼科鱼类物种数百分比、中上层鱼类物种数百分比、东北特有鱼类物种数百分比、无脊椎动物食性鱼类物种数百分比、耐受性鱼类个体数百分比等9个指标.分别提出了浑太河流域中上游和下游的参数标准化公式和健康评价标准,依此将浑太河流域健康状态划分为极好、好、一般、差和极差5个健康等级.评价结果表明,浑太河流域健康状况整体偏差,在32个采样点中,健康状况处于差和极差的采样点占采样点总数的37.5%,一般的采样点占21.88%,仅有6.25%的采样点处于极好状态.Pearson相关性分析结果显示,F-IBI分值与电导率、ρ(BOD_5)、ρ(COD_(Cr))、ρ(NH_3-N)和ρ(TN)均呈显著负相关,而与栖息地综合指数呈显著正相关,表明F-IBI可有效评估浑太河流域的健康状况.

浑太河流域氮磷空间异质性及其对土地利用结构的响应

利用2009年8月和2010年6月浑太河流域河流水体采样数据,结合GIS技术和地统计学方法,分析了汛期TN(总氮)、NH4+-N(氨氮)、NO3--N(硝酸盐氮)、TP(总磷)和PO43-(磷酸盐)在地表水体中的空间变异特征,并探讨了流域尺度上土地利用对氮磷营养物质的影响.结果表明:NH4+-N、PO43-和TN均受到结构性因素的影响,表现出一定空间相关性变异特征;NO3--N和TP主要受到随机性因素的影响,表现出极弱的空间相关性变异特征.汛期流域林地、农田和居民用地比例与氮素呈显著相关,农田和草地用地比例与氮磷均呈显著相关.可以初步推测,林地、农田和居民用地是控制氮素空间分异特征的结构性因素,农田和草地是控制磷素空间分异特征的结构性因素.

基于底栖动物完整性指数的浑太河流域河流健康状况评价

根据2012年浑太河流域65个采样点的底栖动物数据(10个参照点,55个观察点),对33个生物参数进行分布范围、判别能力和Spearman相关性分析,确定了EPT分类单元数、优势分类单元个体相对丰度、耐污类群分类单元数、敏感类群相对丰度、香浓威纳多样性指数构成B-IBI指标体系,采用比值法统一各生物参数量纲.将各个生物参数分值加和得到B-IBI指数值.利用构建的B-IBI开展浑太河流域河流健康状况评价,结果显示,所有样点中健康的占29.23%、亚健康的占12.31%、一般的占20%、较差的占26.15%、极差的占12.31%.相比于太子河流域,浑河流域的健康状况明显较差.小汤河上游、太子河南支、太子河北支所有样点的评价结果均为"健康",这些区域河流的健康状况在全流域是最佳的.浑河流域从大伙房水库往下游的点位的健康状况大多为较差和极差,这个区域健康状况也是全流域最差的.

浑太河流域水质达标控制方法研究

结合浑太河流域水资源网络节点图,根据污染物来源、种类及其产生机理,针对计算单元水资源供需平衡预测数据、降雨径流值,分点源、非点源进行规划水平年污染物入河量的预测。根据浑太河流域地形特征、入河污染物降解特性,以水功能区水体纳污能力为计算单元污染物排放总量控制条件,给出基于规划水平年入河污染物变动特性的水质达标控制方法。运用该方法进行浑太河流域水质达标控制:2030年,流域总需水7.4亿立方米,缺水深度在1%以下,COD、NH3-N、TP、TN的入河量分别为28.5×104、2.8×104、3.1×104、4.6×104t,对应的入河控制量分别为9.3×104、0.6×104、0.8×104、0.9×104t,经控制后水功能区目标水质达标率100%。证实了该水质达标控制方法有效、可行。

浑太河流域水环境质量综合分析与评价

以浑太河流域为研究对象,选取流域88个监测站点,在2009,2010,2012年对河流高锰酸盐指数、总氮、氨氮、总磷等9项指标进行监测,并对河流水质的时空异质性进行了分析。选择高锰酸盐指数、总氮、氨氮和总磷作为主要评价因子,采用单因子和综合水质标识指数法对该地区主要河流水污染特征进行分析及评价。结果表明,水质因子具有明显的时空异质性。单因子评价结果表明,非汛期总氮和氨氮为主要污染物,汛期总磷和总氮为主要污染物,非汛期的水质状况较汛期好,说明非点源是造成其污染的主要原因。河流水质综合评价中,小汤河上游、太子河南支、太子河北支所有点位的水质评价结果均为最好。所有站点中,海城河的支流(五道里河、运梁河、南沙河下游)区域的水质最差,达到劣Ⅴ类水质,且出现黑臭现象。研究结果对指导浑太河流域水污染防治及水资源管理具有重要意义。

浑太河流域动态水环境容量设计水文条件研究

针对动态水环境容量特点,结合水体污染负荷控制要求,探讨满足不同水质管理目标的水容量总量计算的水文条件设计方法。研究借鉴国内外容量总量计算设计水文条件确定原则,针对多类型水文数据及控制性水工程调控情景,给出符合浑太河流域水体类型特点,满足流域水量和水体污染物变化过程连续性的设计水文条件。合理确定断面的设计流量是计算水环境容量的关键。在确定流域典型污染物分期、分区设计参数的基础上,结合水环境容量时空变动特点,动态计算水环境容量。浑太河流域COD水环境容量总量为144 626 t,枯水期、平水期、丰水期水环境容量分别占总量的16.2%、35.4%、48.4%;氨氮水环境容量总量为9 776 t,枯水期、平水期、丰水期水环境容量分别占总量的16.2%、35.4%、48.4%。动态水环境容量结果的合理性成为判定设计水文条件可靠性的主要依据。

河流健康评价指标体系构建及其应用——以浑太河流域为例

依据土地利用指数(land use index)、栖息地质量指数(QHEI)和水质参数构建一个综合指数(ILWHQ),用于浑太河流域参照点的定量筛选。结果表明,太子河流域支流小汤河上游、太子河南支的5个采样点为参照点(ILWHQ≤2;T13,T15,T16,T17,T18)。根据2012年浑太河流域68个采样点的鱼类数据,对35个候选参数进行主成分分析、判别能力、逐步回归分析和Pearson相关性分析,确定了鲤科鱼类种类数(F5)、底栖鱼类个体比例(F12)、杂食性鱼类比例(F14)、耐受性鱼类个体比例(F22)可以作为基本要素构建F-IBI指标体系,即采用比值法统一各生物参数量纲,将各个生物参数分值加和得到F-IBI指数值。利用构建的F-IBI指数开展浑太河流域河流健康状况评价。发现太子河流域41个点位中,5个为健康,11个为亚健康,8个为一般,9个为较差,8个为极差。浑河的23个点位中,5个为亚健康,6个点位为一般,6个为较差,6个为极差。太子河流域较差和极差的点位共占41.5%,浑河流域较差和极差点位共占52.2%,说明相比于太子河流域,浑河流域的健康状况较差。

基于EKC曲线的浑太河流域水环境保护影响因素分析

环境可持续发展是研究环境库兹涅茨曲线(EKC)学者探求的重要领域。本文基于两种不同的EKC假定,借助面板数据法研究了浑太河流域2003—2012年期间水环境保护与经济社会可持续发展间的协调对应关系,分析结果表明:1依据EKC关系曲线,水环境恶化与社会经济发展水平提升间存在倒U形关系;2依据修改EKC关系曲线,水环境保护的可持续性与社会经济发展水平(HD)间存在倒U形关系,受水资源消耗、区域贸易开放度、人均GDP水平、污染物排放总量控制等因素制约。依托最小二乘法(FMOLS)和动态最小二乘法(DOLS),EKC回归方程自变量Y(人均GDP)、Y^2、E(人均水资源消耗量)、T(区域贸易开放度)、MAN(生产附加值)和MHDI(修正的社会经济发展指数)的系数分别为1.988、-0.150、0.720、0.214、0.070和1.890。EKC假定、社会经济发展水平(HD)和可持续度是制定有效水环境保护策略的关键因素。

基于MIKE11的浑太河水动力水质模型研究

基于MIKE11构建了浑太河流域主干河流—浑河、太子河水动力水质数值模型,并对浑河闸、葠窝水库两座大型水利工程进行概化处理,利用长序列逐日水文资料对模型参数进行率定与验证。研究结果表明,水动力、水质及可控制水工建筑物模拟精度高、拟合效果好,能够充分反映研究河段水动力及水质特征,可为水质预测、水质水量联合调度等水利工程相关研究提供模拟响应工具。

辽浑太河流域农业灌溉期水平衡测试研究

文章总结了辽浑太河流域连续4年开展的农业灌溉期水平衡测试研究,通过监视水库放水、支流来水、河道引排水情况,及研究灌溉期河道各种水源的量质变化过程,使河道上下游引用水更加科学、减少了河道水量损失,控制了水质和下游海水回灌。

浑太河河流生态系统完整性评价体系的构建

河流健康评价是进行河流管理的重要工具.为了对浑太河进行全面准确的健康评价,基于65个采样点共45个候选指标构建具有生物完整性、物理完整性及化学完整性在内的河流IEI(index of ecological integrity,生态系统完整性)评价体系.根据栖息地综合质量评估和水质等级确定参考样点和受损样点,通过筛选候选指标获得构建IEI评价体系的核心指标并进行标准化处理,按照层次分析法将三部分指标分别赋予不同的权重,运用比值法及分位数法算出各采样点的得分,最终得出浑太河的健康评价结果.为验证IEI评价体系的优势及结果的可靠性,将IEI、SFA(single factor assessment,单因子评价)、F-IBI(fish index of biological intergrity,鱼类生物完整性)3种评价结果进行对比分析.结果表明:①雅罗鱼亚科百分比、鲤亚科百分比、杂食性鱼类百分比、护卵行为鱼类百分比、流速、底质含沙量比例、草地面积、ρ(TN)、ρ(TP)、ρ(CODMn)、电导率及ρ(SS)可作为构建IEI评价体系的12个核心指标.②IEI评价结果显示,"健康"样点占24.62%,"较好"样点占9.20%,"一般"样点占6.15%,"较差"样点占60.03%.浑太河水生态健康状况整体较差,中上游地区的水生态健康状况优于下游地区,太子河的水生态健康状况优于浑河.③IEI、F-IBI、SFA评价结果在一般以下样点分别占66.18%、67.70%、63.08%,3种评价结果在全河流范围内大体一致,但在点源污染的采样点,IEI评价结果更贴近采样点的实际情况,更为客观.研究显示,构建的IEI评价体系适用于浑太河的健康评价.

浑太河流域不同水生态功能区环境要素的分布特征及其与土地利用之间的关系

为深入分析不同水生态功能区土地利用方式对环境要素空间分布特征的影响,于2009—2016年对浑太河流域300个样点的407组数据进行野外监测(包括26种水环境要素数据以及2010年和2015年的Landsat TM遥感影像数据),采用主成分分析、Spearman相关性分析和多元线性回归分析,筛选主要水环境因子,分析流域水质指数(WQI)的空间变化规律,结合水生态功能分区和各样点的土地利用数据,探究了不同水生态功能区土地利用方式对河流主要环境要素的影响.结果表明:①电导率(EC)、溶解氧(DO)、悬浮物(SS)、5日生化需氧量(BOD_(5))、化学需氧量(COD_(Cr))和铵态氮(NH_(4)^(+))是影响浑太河流域水质状况的主要环境要素.②水生态Ⅰ区和Ⅱ区WQI较高,水质状况较好,平均值分别为86.80±6.47和85.57±6.69,其中等级为好的样点占比分别为30.41%和21.70%;水生态Ⅲ区水质较差,WQI平均值为72.92±13.75,其中建设用地和林地是影响WQI的主要土地利用类型;随着林地面积减少,建设用地面积增加,WQI逐渐降低(R_(adj)^(2)=0.25),其中等级为好的样点占比仅为0.94%,而等级为差的样点占比超过50%.研究显示,土地利用对河流主要环境要素的影响在3个水生态功能区有显著差异,建设用地面积的快速增加和林地面积的大幅降低是影响浑太河流域水生态Ⅲ区水质状况的主要驱动因子.

浑太河鱼类群落多样性及生境适宜性量化分析

以辽宁浑太河为范例,评价物种、多样性水平和功能群组成3种群落结构特征下,鱼类群落与栖息地环境因子的定量响应关系.结果表明:流速、BOD5、氨氮、电导率和底质指数是显著影响浑太河鱼类群落空间分布的栖境因子;鲫等耐污种的氨氮和电导率的最适值和正响应阈值较高,洛氏鱥和东北七鳃鳗等适应较高的流速和底质指数,东北七鳃鳗的最适流速为0.59m/s;多样性水平的栖境因子最适值和阈值随香农多样性指数的增加呈现先上升后下降的趋势,(2-3)区间的电导率最适值最大,为378.07μS/cm;杂食性功能群鱼类对BOD5、氨氮和电导率有较高的最适值和正响应阈值,其最适值分别为1.20mg/L、0.63mg/L和383.37μS/cm.定量分析鱼类群落与栖境因子的关系,为开展重要鱼类物种保护、生物多样性恢复以及关键栖息地的生境修复等流域生态管理决策提供基础数据和科学依据.

浑太河春季不同水生态功能区大型底栖动物群落结构及其与环境因子的关系

为评价浑太河流域影响大型底栖动物群落结构的环境因子在不同水生态功能区间的差异性,于2012年春季对浑太河65个采样点进行大型底栖动物和水体理化环境因子的取样调查。结果表明:浑太河流域3个水生态功能区大型底栖动物的物种组成比例、指示种有显著性差异(P<0.05),大型底栖动物的Shannon-Wiener多样性指数、Pielou均匀度指数和物种丰富度有显著性差异(P<0.05),且不同水生态功能区环境因子也存在显著性差异(P<0.05);典范对应分析显示,水生态功能Ⅰ区的驱动因子是海拔、水深、总氮,水生态功能Ⅱ区的驱动因子是高锰酸钾盐指数、盐度,水生态功能Ⅲ区的驱动因子是溶解氧、电导率、盐度;相关性分析显示,水生态功能Ⅰ区海拔、总氮与Shannon-Wiener多样性指数显著相关,高锰酸钾盐指数与Pielou均匀度指数显著相关(P<0.05),溶解氧、海拔、总氮与物种丰富度显著相关(P<0.05);水生态功能Ⅱ区环境因子与Shannon-Wiener多样性指数相关性不明显(P>0.05),海拔、电导率、盐度、总溶解固体与Pielou均匀度指数显著相关,海拔与物种丰富度相关(P<0.05);水生态功能Ⅲ区环境因子与这些指数相关性不明显(P>0.05)。研究表明,浑太河流域不同水生态功能区大型底栖动物群落结构组成具有空间异质性,环境因子有显著性差异,不同水生态功能区影响大型底栖动物群落结构的环境因子存在差异性。

浑太河流域水环境容量计算设计流量研究

水环境容量计算的影响因素主要包括设计水文条件、水功能区水质保护目标、污染物种类特性及排放方式,断面设计流量与流速、水位间具有相关性,合理确定断面的设计流量成为进行水环境容量计算的关键。为体现水环境容量的时间动态变化特性,提出分期设计流量的原则,以浑太河流域为典型区进行设计流量的确定,给出基于典型年设计流量、分期设计流量、冰期非冰期设计流量的集成方案。

浑太河流域水环境容量分配研究

为实现浑太河流域经济社会可持续发展、排污口排污权最大程度优化、工业及农业合理布局,通过区域水环境容量优化配置,分区段对浑河上游主要排污口、太子河流域生活排污口的交易情况进行优化计算,采用"排污口(直排口)—子流域(支流)—流域/干流"的分配过程对陆域、入河排污口、污染源的水环境容量总量进行分配。结果表明:(1)在考虑安全余量的情况下,对流域COD、氨氮水环境容量总量进行初次分配,分配总量分别为141 343 t、13 636 t,削减量分别占污染物应削减量的44.4%、47.7%,污染物治理总投入为2.18亿元,基本上能够实现流域污染物削减50%的控制目标。(2)通过加大污水处理厂建设力度以及污水达标处理力度进行二次削减,COD、氨氮排放总量分别为208 832 t、17 177 t,分别是流域水环境容量的1.48倍、1.26倍。(3)借助流域水量调整和下泄方式转变对流域污染物最大允许排放情况进行优化控制,得到COD、氨氮的最大允许排放量分别为158 313 t、14 796 t。重新分配后的水环境容量能够保证污染物入河后的水体浓度达标。

浑太河流域分期水环境容量计算

在现状调查的基础上,针对设计水文条件,通过设计参数和模型概化,以COD和氨氮作为控制指标,对浑太河流域内河流采用一维水质模型、湖库采用均匀混合模型进行水环境容量计算。在确定流域典型污染物分期、分区参数的基础上,结合水环境容量包线特点,动态确定计算单元水环境容量。