环境科学  2018, Vol. 39 Issue (6): 2576-2587   PDF    
引用本文
顾晓昀, 徐宗学, 刘麟菲, 殷旭旺, 王汨. 北京北运河河流生态系统健康评价[J]. 环境科学, 2018, 39(6): 2576-2587.
GU Xiao-yun, XU Zong-xue, LIU Lin-fei, YIN Xu-wang, WANG Mi. Health Assessment of the Stream Ecosystem in the North Canal River Basin, Beijing, China[J]. Environmental Science, 2018, 39(6): 2576-2587.
北京北运河河流生态系统健康评价
顾晓昀1,2,3, 徐宗学2,3, 刘麟菲2,3, 殷旭旺1, 王汨1     
1. 大连海洋大学水产与生命学院, 辽宁省水生生物重点实验室, 大连 116023;
2. 北京师范大学水科学研究院, 北京 100875;
3. 城市水循环与海绵城市技术北京市重点实验室, 北京 100875
收稿日期: 2017-06-23; 修订日期: 2017-11-23
基金项目: 北京市水生态监测调查与研究项目
作者简介: 顾晓昀(1992~), 女, 硕士研究生, 主要研究方向为河湖健康评价, E-mail:guxiaoyun92@163.com
通信作者: 徐宗学, E-mail:zxxu@bnu.edu.cn
摘要: 随着城市化的不断推进，北京河流生态系统面临着巨大挑战.以北京市北运河水系为例，于2015年7月对25个样点进行了野外调查，采集了浮游植物、底栖动物、水环境因子和栖息地环境质量数据.选取涵盖水生生物、水文、水质和栖息地的22个候选评价指标，采用主成分分析（principal component analysis，PCA）和相关分析进行筛选，并用熵权法确定各评价指标权重，构建了北运河河流生态系统健康评价指标体系，通过河流生态健康综合指数对其健康状况进行了评价.结果表明，北运河河流生态系统健康评价指标体系包含浮游植物Shannon-Wiener多样性指数、底栖动物Shannon-Wiener多样性指数、水温、生化需氧量、氨氮、氟化物、锌、石油类和栖息地环境质量评价指标（qualitative habitat evaluation index，QHEI）9项指标；全流域25个样点中，有12%为Ⅰ级和Ⅱ级，36%为Ⅲ级，超过50%为Ⅳ级和Ⅴ级.北运河河流生态系统的健康状况总体较差，其中，上游地区普遍较好，中下游地区相对较差，且呈现出较强的空间异质性.南沙河、清河中游、通惠河干流的健康状况普遍较差，相对较好的凉水河上游地区和温榆河支流交错镶嵌其中，形成了北运河水系复杂的河流生态系统现状.
关键词: 北运河水系      河流生态系统      水生生物      熵权法      健康评价     
Health Assessment of the Stream Ecosystem in the North Canal River Basin, Beijing, China
GU Xiao-yun1,2,3 , XU Zong-xue2,3 , LIU Lin-fei2,3 , YIN Xu-wang1 , WANG Mi1     
1. Liaoning Provincial Key Laboratory for Hydrobiology, College of Fisheries and Life Science, Dalian Ocean University, Dalian 116023, China;
2. College of Water Sciences, Beijing Normal University, Beijing 100875, China;
3. Beijing Key Laboratory of Urban Hydrological Cycle and Sponge City Technology, Beijing 100875, China
Abstract: With increasing urbanization, the stream ecosystem in Beijing has faced great challenges. Phytoplankton, benthic macroinvertebrates, and water quality were investigated based on 25 sampling sites in the North Canal River basin in July 2015, and the quality of the habitat was assessed in situ. A total of 22 metrics, including aquatic organism, hydrology, water quality, and habitat, were calculated to be the candidate indicators. A principal component analysis (PCA) and correlation analysis were used to select the core metrics from the candidate indicators, and the weight of each core metric was estimated by using the entropy method. The integrated index of stream ecological health was constructed to assess the health condition of the North Canal River basin. The results of the PCA and correlation analysis showed that nine metrics were selected as the core metrics to construct the integrated index of stream ecological health, i. e., the Shannon-Wiener diversity index of phytoplankton and benthic macroinvertebrates, water temperature, BOD5, NH4+-N, F-, Zn, petroleum, and the qualitative habitat evaluation index (QHEI). According to the results of the health assessment, 12% of the sampling sites in the North Canal River basin were considered to be healthy (Ⅰ) or sub-healthy (Ⅱ), and more than half were poor (Ⅳ) or bad (Ⅴ). Therefore, the aquatic ecosystem in the North Canal River basin was generally unhealthy. The upstream was better than the midstream and downstream, where the spatial heterogeneity of the health condition was strong. The health condition in the Nansha River, the midstream of the Qinghe River, and the main stream of the Tonghui River were poor, while the upstream of the Liangshui River and the tributaries of the Wenyu River were good. In general, the condition of the stream ecosystem in the North Canal River basin was relatively complicated.
Key words: North Canal River basin      stream ecosystem      aquatic organisms      entropy method      health assessment     

河流是重要的自然生态系统之一, 也是陆地生态系统和水生态系统间物质循环、能量流动和信息传递的主要通道, 发挥着重要的生态功能[1,2].随着城市化规模的不断扩大, 河流生态系统遭受到前所未有的威胁与破坏.如何监测和评估河流生态系统健康状况, 修复和保护受损河流生态系统, 已成为当今河流管理的重要内容[3].

河流生态系统健康评价作为河流管理的重要工具, 在世界范围内得到了广泛应用.河流生态系统健康评价方法总体上可以划分为指示物种法和指标体系法, 如欧盟水框架导则(water framework directive, WFD)[4]和溪流状态指数(index of stream condition, ISC)[5]等.指示物种法主要根据水体中指示物种的结构功能和数量变化来表征河流生态系统健康状况, 该法简单易操作, 但也存在一些问题, 如仅依靠某几类指示物种很难全面展现河流生态系统复杂的变化、难以明确指示物种对河流生态系统健康指示作用的强弱等[6].因此, 综合物理、化学、生物、水文、栖息地, 甚至社会经济的指标体系法应运而生.指标体系法以其综合性、全面性和易量化的特点, 成为当前河流生态系统健康评价的常用方法, 尤其是在受人类活动影响较大的城市河流评估方面发挥了巨大作用[6,7].

我国的河流生态系统健康研究起步较晚, 唐涛等[8]于2002年率先对河流生态系统健康进行了探索.近年来, 随着社会经济的发展和城市化水平的提高, 我国对城市河流的保护和整治力度逐步加强, 众多学者开始关注我国城市河流生态系统健康, 并在太湖流域、海河流域、珠江流域等地区取得了丰富的研究成果.于志慧等[9]选取5大要素9个指标构建了河流健康评价指标体系, 并运用熵权物元模型对太湖流域湖州市区不同城市化水平下的河流健康状况进行了定量评价和动态分析; 郝利霞等[7]选取了水质、营养盐和底栖动物3类10个指标构建河流生态系统健康评估指标体系, 并从化学完整性和生物完整性两方面评价了海河流域河流生态系统健康; 邓晓军等[10]构建了包含自然生态、社会经济和景观环境等3个方面24个指标的城市河流健康评价指标体系, 并以漓江市区段为例, 采用基于层次分析法的模糊综合评价模型进行了健康评价.这些研究大多应用指标体系法, 并取得了较好的评价效果.指标体系法成为城市河流生态系统健康评价的重要发展方向, 具有不可替代的优越性[11].

北运河水系覆盖北京市九个区, 北京七成以上人口在此流域内工作生活, 是北京市人口最多、城市化水平最高的流域.随着城市化的推进, 北运河水系开始出现水质污染、生境破坏、生态失衡等问题, 严重制约了流域内社会经济的可持续发展[12,13].基于此, 本文采用主成分分析和相关分析筛选河流生态系统健康评价指标, 并用熵权法确定各指标权重, 构建北运河河流生态系统健康评价指标体系, 并通过河流生态健康综合指数进行健康评价, 以期为北运河河流生态系统的管理和保护提供科学依据和技术支撑.

1 材料与方法 1.1 采样点设置

北运河水系是北京市的五大水系之一, 也是唯一发源于北京市境内的水系.北运河为海河支流, 地形以平原为主, 水系内有温榆河、清河、坝河、通惠河、凉水河等[14].作为北京市的主要排洪通道, 北运河每年承纳北京市区约90%的排洪量[15].本研究于2015年7月对北运河水系进行采样调查, 共设置25个采样点, 如图 1所示.为使采样点尽可能准确地反映河流生态系统的实际健康状况, 布点原则主要依据水系内的人类活动干扰强度, 即人类活动干扰越强, 采样点越密集.此外, 采样点要能够代表点位附近河段尺度的水体自然特征.由于北运河水系内海淀区、朝阳区和中心城区的人口密度较大, 人类活动干扰较强, 因此采样点大多集中在这几个区内.用MAGELLAN全球定位系统(eXplorist-200)记录采样点的经纬度.

图 1 北运河水系采样点分布示意 Fig. 1 Distribution of sampling sites in the North Canal River basin

1.2 水生生物样品采集与鉴定 1.2.1 浮游植物

针对所选采样点, 用有机玻璃采水器在水深0.5 m处采集水样2 L, 现场加入10 mL鲁哥试液固定, 带回实验室后静置24 h, 浓缩并定容至100 mL.取0.1 mL样品置于浮游植物计数框内, 在400倍显微镜下依据文献[16~18]进行物种鉴定和细胞计数, 样品尽量鉴定到属或种.

1.2.2 底栖动物

在以所选采样点为中心、50 m为半径的圆形区域内, 使用1/16 m2的彼得森采泥器采集一个泥样, 将采集到的泥样用60目的网筛筛洗, 并转入白磁盘中.在采样现场用人工挑拣的方法, 将肉眼可见的底栖动物样品转入200 mL的广口塑料瓶中, 并加入95%的酒精溶液保存待检.转入实验室后, 依据相关的文献资料[19~21], 在显微镜或解剖镜下进行分类和计数, 样品尽量鉴定到属或种.

1.3 环境因子测定 1.3.1 水环境因子

本研究共监测水环境因子19个, 其中水文因子1个, 即水温(Wtemp); 水质因子18个, 包括pH值、电导率(Cond)、溶解氧(DO)、生化需氧量(BOD5)、高锰酸盐指数、氨氮(NH4+-N)、总氮(TN)、总磷(TP)、氟化物(F-)、氯化物(Cl-)、铜(Cu)、锌(Zn)、铅(Pb)、镉(Cd)、砷(As)、汞(Hg)、石油类和挥发酚.采样时利用便携式pH计和便携式水质监测仪(YSI85)现场测定pH值、水温(Wtemp)、电导率(Cond)和溶解氧(DO); 同时在各采样点现场采集两个平行水样(各2L), 置于低温保温箱中, 并于48h内带回实验室测定生化需氧量(BOD5)、高锰酸盐指数、氨氮(NH4+-N)、总氮(TN)、总磷(TP)、氟化物(F-)、氯化物(Cl-)、铜(Cu)、锌(Zn)、铅(Pb)、镉(Cd)、砷(As)、汞(Hg)、石油类和挥发酚.水样的采集、保存和室内测定均参照GB 3838-2002《地表水环境质量标准》和《水和废水监测分析方法》[22].

1.3.2 栖息地环境质量

采用栖息地环境质量评价指标(qualitative habitat evaluation index, QHEI)于各采样点现场打分, 对美国EPA快速生物评价手册中的评价方法作适当修改, 最终确定10个指标, 包括底质、栖境复杂性、流速与水深结合特征、堤岸稳定性、河道变化、河水水量状况、植被多样性、水质状况、人类活动强度和河岸土地利用类型, 每项20分, 总分200分, 划分为健康、较好、一般和较差这4个等级, 分数越高代表栖息地环境质量越好[23,24].

1.4 数据分析 1.4.1 评价指标的选择与筛选

选取能反映北运河河流生态系统健康状况的4类22个指标作为候选评价指标, 其中水生生物指标有2个, 包括浮游植物Shannon-Wiener多样性指数和底栖动物Shannon-Wiener多样性指数; 水文指标有1个, 即Wtemp; 水质指标有18个, 包括pH、Cond、DO、BOD5、高锰酸盐指数、NH4+-N、TN、TP、F-、Cl-、Cu、Zn、Pb、Cd、As、Hg、石油类和挥发酚; 栖息地指标1个, 即QHEI.采用BioDiversity Professional 2.0计算Shannon-Wiener多样性指数.

对22个评价指标进行筛选, 筛选的原则包括：①评价指标对河流生态系统变化具有明显的响应; ②评价指标间相互独立、不存在重复信息; ③能全面反映河流生态系统健康的不同属性.筛选的步骤主要包括判别能力分析、特征贡献率分析和独立性分析.判别能力分析是指分析评价指标与河流生态系统的响应关系, 剔除对河流生态系统变化不敏感的指标; 特征贡献率分析是指通过主成分分析(principal component analysis, PCA)剔除对河流生态系统特征贡献率较低的指标, 主要采用最大方差旋转法(Varimax), 按照70%的累积方差贡献率提取出主成分, 选择载荷值大于0.6的指标进行独立性分析; 独立性分析是指对余下的指标进行Kolmogorov-Smirnov正态分布检验, 采用Pearson或Spearman相关分析筛选出独立性较好的指标, 以降低指标间的信息重叠程度.采用SPSS17.0进行PCA和相关分析.

1.4.2 评价指标权重的计算

熵最初来源于物理学中的热力学概念, 主要用来反映系统的混乱程度.信息论中的熵值理论反映了信息的无序化程度, 可用来评定信息量的大小, 当某项指标携带的信息越多时, 其对决策的作用也就越大[25].采用熵权法计算评价指标的权重, 可以有效避免人为因素的干扰, 使评价结果更符合实际.使用熵权法计算权重主要包含3个步骤[26].

(1)原始数据矩阵的标准化

设m个评价指标, n个评价对象得到的原始数据矩阵X为：

(1)

对该矩阵标准化得到矩阵R为：

(2)

式中, xij为第j个评价对象在第i个评价指标上的实际值; rij为第j个评价对象在第i个评价指标上的标准值, rij∈[0, 1].

(2) 定义熵

第i个评价指标的熵Hi定义为：

(3)

式中, , 当fij=0时, 令fijlnfij=0; fij为第j个评价对象在第i个评价指标上的标准值占该评价指标标准值总和的比重; n为评价对象的个数.

(3) 定义熵权

第i个评价指标的熵权wi定义为：

(4)

式中, 0≤wi≤1, =1; Hi为第i个评价指标的熵; m为评价指标的个数.

1.4.3 评价方法与评价标准

根据构建的北运河河流生态系统健康评价指标体系, 计算河流生态健康综合指数[27]：

(5)

式中, H为河流生态健康综合指数, Wi为评价指标权重, Ii为评价指标的标准化值.

应用所有采样点位的河流生态健康综合指数值, 建立北运河河流生态系统健康评价标准.具体方法是通过频数分析, 以95%分位数对应的值作为标准, 大于该值表示河流生态系统健康等级为Ⅰ级(健康), 将小于该值至最小值的分布范围四等分, 分值从大到小依次分别代表河流生态系统健康等级为Ⅱ级(亚健康)、Ⅲ级(一般)、Ⅳ级(较差)和Ⅴ级(极差), 据此将北运河河流生态系统健康状况划分为5个等级.

2 结果与讨论 2.1 评价指标的筛选

对候选评价指标的监测结果进行初步统计, 如表 1所示.由于Cu、Pb、Cd、As、Hg和挥发酚在所有采样点位中的变化较小(标准差SD＜0.01), 对河流生态系统变化的响应不够敏感, 因此认为其判别能力较弱, 剔除这6个指标.

表 1 候选评价指标信息统计1) Table 1 Statistical information for candidate indicators

对余下16个指标进行标准化, 用标准化值进行PCA分析, 其Kaiser-Meyer-Olkin检验统计(KMO)值为0.521, Bartlett球度检验值为350.361, 相伴概率为0, 表明基于25个采样点位的16个指标构成的评价指标体系适合于进行PCA分析.按照70%的累积方差贡献率提取出5个主成分, 如表 2所示.

表 2 候选评价指标的主成分分析结果1) Table 2 Principal component analysis results for candidate indicators

选择载荷值大于0.6的候选评价指标：第1主成分包括Cond、BOD5、高锰酸盐指数、TN、TP和Cl-, 主要描述了无机离子、有机物质和营养物质的影响; 第2主成分包括Wtemp、NH4+-N和Zn, 主要描述了营养物质、重金属和水文因素的影响; 第3主成分包括F-、石油类和QHEI, 主要描述了溶解氧和栖息地环境因素的影响; 第4主成分包括浮游植物多样性指数, 主要反映了生物因素的影响; 第5主成分包括底栖动物多样性指数, 主要反映了生物因素的影响.由此筛选出14个评价指标, 这些指标对北运河河流生态系统健康状况的贡献均较大, 故剔除pH和DO.

对这14个候选评价指标进行独立性分析.首先进行K-S正态检验, 对符合正态分布的指标进行Pearson相关分析, 对不符合正态分布的指标进行Spearman相关分析, 结果如表 3所示.

表 3 相关分析结果1) Table 3 Results of Spearman and Pearson correlation analysis

相关分析结果表明, 浮游植物Shannon-Wiener多样性指数、底栖动物Shannon-Wiener多样性指数、Wtemp和QHEI与其他指标间的相关性不显著, 相对独立, 故这4个指标予以保留.在水质指标中, NH4+-N、F-、Zn和石油类与其他指标间的相关性不显著, 相对独立, 故对这4个指标予以保留; NH4+-N与高锰酸盐指数、TN和TP均极显著相关, 因此剔除高锰酸盐指数、TN和TP; 由于BOD5和高锰酸盐指数均为指示有机污染的指标, 而高锰酸盐指数已被剔除, 因此保留BOD5; 由于BOD5与Cond极显著相关, 故剔除Cond, 同理剔除Cl-.

根据上述分析, 筛选后的北运河河流生态系统健康评价指标共有9个, 如图 2所示.在这些指标中, 浮游植物作为河流生态系统中重要的初级生产者, 对水环境变化的反应十分敏感, 其多样性直接影响着上层食物链结构及整个生态系统的稳定; 底栖动物生命周期较长, 对不同类型的污染和干扰响应敏感, 能综合反映长期人为活动对河流生态系统的扰动程度, 其多样性是水体健康程度的重要指标; Wtemp是随时间和空间变化的水文因子, 不仅可以直接影响水体中水生生物的生理生化活动, 而且可以反映人类活动对水体的影响; BOD5主要反映水体中可以被生物利用的有机物污染程度; NH4+-N主要反映水体中营养物质的浓度大小; F-具有较强的还原性, 易与高氧化态的阳离子结合, 其被氧化的过程需消耗溶解氧, 因此可以反映水体中的溶解氧含量; Zn可以表征水体及河床底泥中的重金属含量; 石油类可以反映水体中烃类物质的污染程度; QHEI从底质、堤岸稳定性、河道变化、人类活动强度等方面反映了栖息地环境质量状况, 是水生态系统和水陆过渡带完整性程度的综合表征.

图 2 北运河河流生态系统健康评价指标体系 Fig. 2 Health assessment indices of the stream ecosystem in the North Canal River basin

在淡水生态系统中, 水生生物的食物链主要由浮游植物、浮游动物、底栖动物、高等植物、鱼类和微生物组成, 而高等植物和微生物对水生态健康的指示作用较弱[28,29].浮游植物是水生态系统的初级生产者, 处于食物链最底层; 浮游动物多以浮游植物、细菌、碎屑为食, 同时又是鱼类和部分底栖动物的食物; 底栖动物以摄食碎屑物为主, 对营养物质的分解和循环有重要作用; 鱼类处于食物链顶端, 对环境变化较敏感[30~32].在本研究中, 仅选择了浮游植物和底栖动物作为指示物种.北运河水系地处北京市中心区域, 人口稠密, 城市化水平高, 是北京市境内受人类活动干扰最强烈的水域之一.流域内鱼类存在滥捕、滥放等人为因素的影响, 土著鱼类的多样性急剧下降, 不适合作为河流生态系统健康状况的指示物种[33,34].有研究表明, 底栖动物多样性指数与浮游动物多样性指数之间有较强的相关性, 不适宜同时作为河流生态系统健康评价指标[27].与浮游动物相比, 底栖动物是河流生态系统中最重要的定居动物类群之一, 是河流水质监测最常用的指标, 因此剔除浮游动物相关指标.

水温是水环境变化的重要驱动因子, 水温的高低会直接或间接影响水体理化性质和水生生物结构[35].有研究表明, 水温对水体中pH、DO、营养盐等理化因子的分布会产生重大影响, 从而引起不同的水环境响应, 其中, 水温与DO含量为负相关关系且相关系数极高[36,37].与水体理化性质相比, 水生生物结构主要受到水温升高的影响[38].随着水温的升高, 浮游植物蓝藻和绿藻的生长期延长, 代谢速率加快, 生物活性增强, 生物量占据明显优势, 同时, 河道底泥中的有机物质加速分解, 从而产生加重水体富营养化的趋势[39]; 底栖动物长期栖居在水体底质中, 生活场所相对固定, 迁移能力较弱, 因此难以回避局部水温升高的影响, 同时, 底栖动物敏感种如蜉蝣目(Ephemeroptera)会因无法适应新栖境而在升温区逐渐消失, 喜温种如摇蚊科(Chironomidae)则数量增多, 从而导致底栖动物区系组成向喜温和耐低溶解氧的生物相变化[40].随着社会经济的快速发展, 北京市区, 尤其是北运河水系覆盖区域, 对电力的需求日益增大.由于大部分电厂的发电效率有限, 多余热量须通过冷却水循环系统带出, 从而使得受纳水域水温升高, 改变了水体的理化属性, 破坏了原有的生态平衡[38].因此, 水温是北运河河流生态系统健康评价过程中的重要指标之一.

2.2 评价指标的权重

根据熵的定义与计算方法, 确定评价指标体系的熵H及熵权w, 计算结果如下：

H=[0.943 1 0.748 3 0.956 0 0.979 3 0.954 4 0.961 5 0.984 4 0.923 9 0.933 8]

w=[0.092 5 0.409 1 0.071 5 0.033 6 0.074 0 0.062 6 0.025 4 0.123 7 0.107 6)]

不同类型的不同指标权重如表 4所示.由此可知, 4类评价指标的权重大小排序为：水生生物指标＞水质指标＞栖息地指标＞水文指标; 水生生物指标的权重大小排序为：底栖动物多样性指数＞浮游植物多样性指数; 水质指标的权重大小排序为：石油类＞氨氮＞氟化物＞生化需氧量＞锌.

表 4 北运河河流生态系统健康评价指标权重 Table 4 Weight of the health assessment indices for the stream ecosystem in the North Canal River basin

2.3 河流生态系统健康评价

根据北运河河流生态系统健康评价指标体系和对应权重, 计算河流生态健康综合指数, 其中最小值为0.213 0, 最大值为0.912 3, 95%分位数为0.868 8, 故健康评价标准如表 5所示.

表 5 北运河河流生态系统健康评价标准 Table 5 Health assessment criteria for the stream ecosystem in the North Canal River basin

北运河河流生态系统健康评价结果如图 3(a)所示.在设立的25个采样点位中, 2个为Ⅰ级, 占点位总数的比例为8%; 1个为Ⅱ级, 占4%; 9个为Ⅲ级, 占36%; 8个为Ⅳ级, 占32%; 5个为Ⅴ级, 占20%.从全流域来看, 北运河河流生态系统的健康状况总体较差, 其中, 水系中部和东南部地区的健康等级普遍较低, 西北部地区的健康等级相对较高.在25个采样点中, 河流生态健康综合指数最高的为德胜口(B3), 位于德胜口沟; 最低的为清河闸(B21), 位于清河干流的上段.

图 3 北运河河流生态系统健康评价结果 Fig. 3 Health assessment results for the stream ecosystem in the North Canal River basin

在ArcGIS 10.2的地统计分析模块中, 采用反距离加权法(inverse distance weighted, IDW)对北运河河流生态健康综合指数进行插值运算, 得到该指数在北运河水系的分布状况, 如图 3(b)所示.从整个流域来看, 北运河河流生态系统健康状况具有较强的空间异质性, 健康等级较高的地区主要分布在水系上游, 而中下游地区的健康等级则较低.水系上游地区的十三陵水库(B1)、锥石口(B2)和德胜口(B3)位于远离北京市中心的西北部昌平区, 受人类活动影响较弱, 因此其河流生态系统健康处于相对原始的未开发或半开发状态, 从而形成了健康等级较高的集中区.

北运河水系的中下游地区健康状况具有较强的空间异质性.南沙河、清河中游、通惠河干流为该地区健康状况普遍较差的河段, 这3个河段均为城市排水河道.南沙河是温榆河的一级支流, 由于多年排放污水及河床底泥释放污染物, 导致河道生境遭到破坏; 此外, 南沙河上建有上庄水库, 水库常年蓄水导致河道淤积严重, 加剧了水体污染[41].通惠河作为北京市雨污排泄枢纽, 承接了南护城河、北护城河和前三门暗沟的来水, 大量生活污水和生产废水未经处理就直接排入河道, 导致水质恶化[42]; 此外, 通惠河河底和边坡的混凝土板护砌结构加剧了生态系统的退化[43].中下游地区健康状况相对较好的河段包括凉水河上游和温榆河支流, 这可能与近年来北京市政府着手治理有关.由凉水河管理处主持的凉水河水环境综合治理工程, 通过建设临时应急处理设施、实施截留、封堵违法排污口等手段, 开展治污清淤、河道改造和生态修复等工程[44,45], 严格控制污水入凉水河, 使凉水河水质得到了明显的改善.这些河段交错镶嵌于整体健康状况较差的北运河水系中下游地区, 从而形成了该地区相对复杂的河流生态健康现状.

2.4 河流生态系统单项指标健康评价

为明确北运河水系不同河段的主导影响因素, 对河流生态系统单项指标进行插值运算, 得到单项指标健康评价结果在北运河水系的分布, 如图 4所示.

图 4 北运河河流生态系统单项指标健康评价结果 Fig. 4 Health assessment results for the stream ecosystem on four aspects in the North Canal River basin

综合4类单项评价指标的健康评价结果可以发现, 北运河水系上游地区的健康状况均普遍较好.下游地区的水生生物健康状况较好, 而水文、水质和栖息地健康状况均较差, 这可能与流域内高程西北高、东南低有关[46].流域内的废污水沿城区排水河道自西北向东南流动, 最终汇集于下游地区, 从而导致该地区水质较差.水系内中游地区的健康状况相对复杂, 水生生物和水质健康状况参差不齐, 水文和栖息地健康状况普遍较差, 这可能与中游地区分布着北京市中心城区、朝阳区和海淀区有关.该地区人口稠密, 产业集中, 城市化水平较高, 是北京市境内发展程度最高、发展速度最快的地区, 水环境质量受社会经济发展影响较大, 天然水陆生境遭到破坏; 同时, 随着人水矛盾的日益突出, 人们开始意识到河流生态系统重要性, 采取了一系列措施恢复天然水陆生境[12].因此该地区呈现出参差不齐的河流生态系统健康状况.

根据熵权法的权重计算结果, 4类评价指标的权重大小排序为：水生生物指标＞水质指标＞栖息地指标＞水文指标.在熵权法的定义中, 熵权并不表示某指标的重要性, 而是代表各指标在竞争意义上的相对激烈程度, 也即各指标提供有效信息量的多寡程度[26].因此, 4类评价指标的权重大小排序情况说明水生生物指标为北运河河流生态系统健康评价提供了最多信息, 水生生物指标对最终评价结果的贡献最大, 而图 3(b)中的河流生态系统健康评价结果分布与图 4中的水生生物指标健康评价结果分布最为接近也验证了这一结论.水生生物作为河流生态系统的重要组成部分, 具有整合不同时间尺度上各种物理、化学和生物影响的能力, 可以反映多种生态胁迫对水环境造成的累积效应[30,47], 因而水生生物可以为河流生态系统提供多时空尺度上的重要信息, 是河流生态系统健康评价的必选指标类型.

近年来, 国内众多学者针对北运河河流生态健康开展了一系列研究.李文君等[48]综合考虑水量、水质、生物状况、水体连通性以及防洪标准等因素, 构建了包含5类9个指标的河流生态健康评价指标体系, 并对北运河河流生态健康状况进行了评价, 结果表明北运河生态处于亚健康状态.宋刚福等[49]基于水文、水环境、形态结构、河岸带以及水生生物等因素, 构建了包含5类15个指标的河流生态健康评价指标体系, 并对北运河上、中、下游各区段进行生态健康综合评价, 结果表明北运河生态系统健康状况处于亚健康状态.这些研究均表现为水质和水生生物类型指标的权重较大, 且健康评价结果与本研究基本一致.与其他研究相比, 本研究构建的北运河河流生态系统健康评价指标体系具有简洁明了、计算方便等特点, 可以通过评价结果直接识别出影响北运河河流生态系统健康状况的具体因子.随着人类活动干扰的强度增大和来源多样化, 仅从水生生物、水文、水质和栖息地这几个方面开展城市河流生态系统健康评价已无法满足要求, 考虑多方面因素、运用多种方法、整合多种尺度, 将会是未来城市河流生态健康研究的发展趋势.

3 结论

(1) 北运河河流生态系统健康评价指标体系包含浮游植物多样性指数、底栖动物多样性指数、水温、生化需氧量、氨氮、氟化物、锌、石油类和栖息地环境质量评价指标4类9项指标; 4类评价指标的权重大小排序为水生生物＞水质＞栖息地＞水文.

(2) 在北运河水系的25个样点中, 有2个为Ⅰ级, 1个为Ⅱ级, 9个为Ⅲ级, 8个为Ⅳ级, 5个为Ⅴ级; 北运河河流生态系统的健康状况总体较差, 其中, 上游地区普遍较好, 中下游地区相对较差, 且呈现出较强的空间异质性.

(3) 北运河水系中下游地区的南沙河、清河中游、通惠河干流的健康状况普遍较差, 相对较好的凉水河上游地区和温榆河支流交错镶嵌其中, 形成了北运河水系复杂的河流生态系统现状; 4类单项指标健康评价结果显示, 水生生物指标是河流生态系统健康评价的必选指标类型.

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