基于流域尺度的水环境分区识别与评价——以辽河流域(浑太水系)山水林田湖草沙一体化保护和修复工程为例

以“辽河流域(浑太水系)山水林田湖草沙一体化保护和修复工程”项目为依托,针对浑太水系流域上游修复区,建立了主成分分析、层次聚类、水质标识指数与反距离权重插值法相结合的水环境评价体系。利用主成分分析法进行指标降维筛选,对所选指标进行方差检验,通过聚类分析以及差异化将173个监测点分组,利用水质标识指数法对分组后的均值进行评价,再将结果分配到对应监测点。基于流域尺度与行政区划相结合的方法进行水环境评价分区,对研究区进行分区反距离插值,得到浑太水系流域上游的水环境状况。结果表明:173个监测点共分为14组,一组处于Ⅳ类水质,一组处于劣Ⅴ类水质,剩余12组均为Ⅲ类水质。以浑河流域和太子河流域为大界限,浑河流域被划分为5个评价区,太子河流域被划分为4个评价区,其中有6个分区整体处于Ⅲ类水平;浑太流域上游水质状况较好,仅太子河流域中的清河、浑河流域中的大柳河为Ⅳ类,以及浑河流域内的李石河和古城子河流域为劣Ⅴ类,其余均为Ⅲ类;清河和大柳河主要为五日生化需氧量(BOD 5)超标,李石河和古城子河均为金属镉超标。进行流域尺度的水环境分区识别与评价,可打破以往水环境评价中的行政区域界限,从而以中小流域为单位,统筹把握流域水环境状况。研究成果可为浑太流域上游水环境治理提供依据,建立的研究思路和结果也可为其他流域的水环境评价工作提供参考与借鉴。

基于不同土地利用方式的土壤重金属污染与潜在风险评价:以辽河流域(浑太水系)山水林田湖草沙一体化保护和修复工程为例

本文的研究以“辽河流域(浑太水系)山水林田湖草沙一体化保护和修复工程”项目为依托,针对辽河流域浑太水系上游修复区,基于建设用地和农用地的土壤监测数据,建立相关性分析、单因子指数法、复合指数法、潜在生态风险指数法与反距离权重插值法相结合的土壤重金属污染状况评价体系。相关性分析表明农用地中砷、汞、铅、镍、镉和锌有相似污染来源,建设用地中砷、汞和铅有相似污染来源;单因子指数与复合指数相结合分析方法显示农用地中含有镉、铜、镍、锌和铬污染,建设用地中仅存在铅污染,重金属污染面积排序为铬>铅>铜>锌>镍>镉,复合污染种类面积排序为无污染>单一元素污染>双元素污染>三元素污染,复合等级面积排序为清洁>警戒>轻度污染;潜在生态风险指数指示建设用地和农用地单一重金属潜在生态风险水平均为轻微危害等级,建设用地的综合潜在生态风险指数在2.13~15.23之间,农用地的综合潜在生态风险指数在5.79~41.99之间,均属于轻微生态危害。本研究可以精准确定重金属污染种类、位置和面积等,为浑太流域上游土壤环境治理提供依据,建立的研究体系也可为其他流域的土壤环境评价工作提供参考与借鉴。

标准化方法筛选参照点构建大型底栖动物生物完整性指数

依据浑太河流域340个样点的栖息地和水质评价结果,采用标准化方法筛选参照点与受损点,构建大型底栖动物生物完整性评估指数(Benthic Macroinvertebrate Index of Biological Integrity,B-IBI),开展河流健康生物评价研究。标准化方法共筛选出参照点和6个受损点构建B-IBI指数。B-IBI指数包括8个大型底栖动物核心生物指标,涵盖了分类单元、相对丰度、耐污特征、优势类群和功能摄食类群的生物指标。利用构建的完整性指数开展浑太河河流健康评价结果显示,所有样点中"极好"与"好"占24.8%,"一般"占27.8%,"差"与"极差"的占47.4%,表明浑太河健康状况整体上偏差。B-IBI指数分值在参照、测试和受损点间的箱线图分布表明验证结果较为可靠;同时与2009年5月太子河全流域70个样点采用专家经验法构建的大型底栖动物生物完整性指数进行了对比,结果表明两种方法的评价结果一致性较高,健康等级完全一致的占58%,健康等级只相差一个等级的占40.6%。B-IBI与环境要素的回归分析显示,B-IBI指数与栖息地具有较高的直线线性回归关系(R2=0.25,P<0.01),与电导、高锰酸盐指数和氨氮(R2=0.23—0.34,P<0.01)均具有极显著的曲线相关关系。3个水质指标与B-IBI指数的回归方程的拐点分别约为1000μs/cm,5ml/L和1.0mg/L,当3个水质指标低于拐点值时,B-IBI指数表现为显著的下降趋势,当高于拐点值时,B-IBI指数的下降趋势明显减弱。表明高锰酸盐指数和氨氮在从清洁水体下降为III类的过程中,对大型底栖动物生物完整性的影响最为强烈。利用标准化方法筛选参照点构建的大型底栖动物完整性指数及其核心参数具有较好的敏感性,能够指示随人为活动强度增加河流生态系统健康状况的下降,适用于浑太河流域开展河流健康评估研究。

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。

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.

水环境容量计算中设计流量的选择与应用

在水环境容量计算中,设计水文条件是主要影响因素。目前国内水文条件计算方法各异,且对各种方法的适用性研究也十分欠缺,导致环境容量计算结果相差巨大。在介绍国内外河流设计流量研究进展的基础上,比较了常见设计流量计算方法,并对不同计算方法的适用性进行了分析。以浑太河流域为例,利用流域内15个水文站20 a逐日平均流量数据,计算各测站的设计流量。研究结果表明,各测站应选用相应的设计流量来计算水环境容量,才能更符合实际情况。

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。

水量水质联合配置方案评价指标体系研究

在阐述水量水质联合配置方案评价内涵基础上,给出了水量水质联合配置方案评价操作流程。利用层次分析法构建以经济社会、生态环境、水资源系统为评价准则,以流域缺水率、新增投资额、水功能区个数达标率、生态用水比例、人均水资源量、水资源开发利用程度和万元GDP耗水量为具体指标的方案评价体系。以分区协调性指标和方案公平性指标为核心,在合理确定指标权重的基础上,选取浑太河流域进行评价体系的可行性验证,结果表明,构建的水量水质联合配置方案评价指标体系切实可行。

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。

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。

浑太流域水质演变特征及污染源解析

利用10年间浑太流域26个监测断面8项水质指标的监测数据,全面分析流域的水质时空演变特征,得出其水质变化情况。通过主成分分析法,针对近期的水质污染情况进行了污染源解析,确定浑太流域的主要污染源为城镇污水排放、工业生产污染和部分气象因素的影响。并利用绝对主成分多元线性回归分析法计算各指标的相应污染贡献率,为后期有效地进行流域水污染治理提供对策和依据。

影响浑太河流域大型底栖动物群落结构的环境因子分析

于2012年5~6月对浑太河流域66个采样点的大型底栖动物进行调查采样.共采集到大型底栖动物72(属)种,其中水生昆虫51(属)种,占70.83%,环节动物7(属)种,占9.72%;节肢动物(属)4种,占5.56%;软体动物(属)10种,占13.89%.首先,采用相关分析从6类28个候选指标中筛选出EPT分类单元数、优势分类单元个体相对丰度、蜉蝣目相对丰度、毛翅目相对丰度、软体动物相对丰度、扁蜉科/蜉蝣目相对丰度、纹石蛾科/毛翅目相对丰度、寡毛类动物相对丰度、敏感类群相对丰度、耐污类群相对丰度、收集者相对丰度、黏附者相对丰度、香农-威纳多样性指数共13个指标用于表征浑太河流域大型底栖动物群落结构特征.然后,利用RDA方法分析了自然环境因子和反映人类活动压力的环境因子对大型底栖动物空间分异的影响.利用偏冗余分析(pRDA)比较了自然环境因子与人类活动压力因子对底栖动物群落结构影响的大小,以及流域、河岸缓冲区和河段尺度人类活动压力因子对大型底栖动物的影响.结果表明,所有环境因子可解释底栖动物群落结构空间变异的72.23%.纳入分析的人类活动压力因子解释了底栖动物群落结构空间变异的48.9%,纳入分析的自然环境因子解释了底栖动物群落结构空间变异的11.8%.河段尺度人类活动压力因子对底栖动物群落结构空间分异影响最显著.河段尺度人类活动压力因子可解释底栖动物群落结构空间分异的35.3%,其中,显著环境因子p H、栖息地质量、总氮、高锰酸盐指数、硬度、电导率、总溶解颗粒物和氨氮分别解释了4%、3.6%、1.8%、1.7%、1.7%、0.9%、0.9%和0.9%的底栖动物群落结构空间分异.河岸缓冲区和流域尺度土地利用对大型底栖动物空间分异的贡献分别为10%和7%.最后,采用相关分析比较了流域和河岸缓冲区尺度土地利用与水质、水文、栖息地质量以及底质的关系,结果表明流域尺度土地利用能更好地表征河流水质、水文、栖息地质量以及底质状况,也说明不同尺度环境因子对大型底栖动物群落结构的影响有联合效应.

影响浑太河流域鱼类群落结构的不同尺度环境因子分析

于2012年5月对浑太河流域65个采样点的鱼类进行调查采样.共采集到鱼类40种,分属9目14个科33属.其中鳅科鱼类占13.21%,鲤科占65.83%,构成了浑太河鱼类群落的主要部分.不同河流鱼类群落也有所不同,浑太河流域鱼类可分为2种分布类型,即上游林地为主的区域及支流源头区和中下游平原区.太子河葠窝水库上游和浑河大伙房水库上游区域的优势种类为北方条鳅(Nemachilus nudus)、北方花鳅(Cobitis granoei)和洛氏鱥(Phoxinus lagowskii),浑河和太子河平原区的优势种类为鲫(Carassius ayratus)和餐条(Hemiculter leucisculus).采用典范对应分析(CCA)方法定量分析流域、河段和微生境尺度环境因子对鱼类空间分布的影响.结果表明,浑太河流域鱼类空间分布主要受到流域和河段这2种尺度上环境因子的影响.在流域尺度上,林地、城镇建设用地、海拔对鱼类空间分布表现出显著影响,在河段尺度上,溶解氧、总氮、pH和栖息地质量对鱼类空间分布表现出显著影响.而微生境尺度上的底质类型则未对鱼类空间分布产生显著影响.流域尺度环境因子对鱼类群落结构变异的解释率为7.66%,河段尺度环境因子对鱼类群落结构变异的解释率为10.57%.河段尺度环境因子对鱼类群落结构的影响更为显著.