CN111369106A - 一种适用于湖泊底栖生态***的健康评价方法 - Google Patents
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Abstract
本发明属于环保领域，具体涉及湖泊底栖生态***健康评价方法，方法包括以下步骤：(1)确定采样点，采集样本；(2)建立全面的递阶层次结构的评价指标体系；(3)计算各指标值，确定参照点；(4)筛选各生物完整性指标，并确定生物完整性指数赋分标准；(5)筛选化学完整性指标，并确定化学完整性指数赋分标准；(6)采用层次分析法确定各指标层内与层间的相对权重；(7)根据权重累计得到底栖生态***完整性得分，划分健康等级。该方法可以全面、***地反应真实的底栖生态***健康状态，进而为生态治理中污染控制技术的选择提供依据。
Description
技术领域
本发明涉及生态环境评价与治理领域，具体涉及一种适用于湖泊底栖生态***的健康评价方法。
背景技术
在湖泊生态***中，沉积物是污染物的源和汇，尽管一些生态治理中采用了污染外源控制，但随着时间的推移沉积物中的污染物可能迁移至水体中，进而造成内源污染，所以内源污染是湖泊面临的主要问题。目前，削减内源污染的方法主要有两方面，一是原位净化，通过人工强化自身生态***的自净作用，实现内源污染的削减；二是针对底泥污染较大且底栖生态***破坏严重的区域，由于难以自净，主要采用清淤方式，但是清淤技术对原有生态***造成了破坏。因此，在开展内源污染治理前，需要全面评估底栖生态健康，为合理选择内源污染削减技术提供技术支持。
现有湖泊生态***健康评价方法中，主要评价指标为生物完整性和化学完整性指标，其中，生物完整性指标主要有底栖动物完整性指数、植物完整性指数和微生物完整性指数等；化学完整性指标主要有溶解氧、化学需氧量、总氮、总磷等反应水质的单个指标以及综合营养状态指数等反应水体富营养化的综合性指标。现有文献调研结果表明，很多湖泊沉积物重金属污染严重，而现有的湖泊底栖生态***健康评价指标体系中却没有反应沉积物重金属污染的指数。因此，在实际湖泊底栖生态健康评估过程中存在健康评价等级与实际情况不符的问题。
在本发明的湖泊底栖生态健康评估实践过程中发现，对于水体氮磷污染较低而沉积物重金属污染较大的湖泊，仅利用溶解氧和综合营养状态指数等指标反应化学完整性，得到的湖泊底栖生态健康评价结果与实际情况不符，出现沉积物重金属污染严重而健康评价为优的错误评估。因此依据现有技术仅仅利用综合营养状态指数等指标反应化学完整性的底栖健康评估方案是片面的。
发明内容
本发明克服了现有技术的不足，专注于湖泊底栖生态***，提供了一种适用于湖泊底栖生态***的健康评价方法，从湖泊化学完整性和底栖生物完整性两个方面构建底栖生态***完整性的评价指标体系，综合评价底栖生态***的健康状况，可选地，具体包括以下步骤：
(1)确定采样点，采集样本；
(2)建立全面的递阶层次结构的评价指标体系；
(3)计算各指标值，确定参照点；
(4)筛选各生物完整性指标，并确定生物完整性指数赋分标准；
(5)筛选化学完整性指标，并确定化学完整性指数赋分标准；
(6)采用层次分析法确定各指标层内与层间的相对权重；
(7)根据权重累计得到底栖生态***完整性得分，划分健康等级。
进一步的，所述步骤(2)中，评价指标体系分为三层，分别是目标层、准则层和指标层；目标层为湖泊底栖生态***完整性，准则层为化学完整性和生物完整性，化学完整性的指标层为溶解氧状态、综合营养状态指数和反应沉积物中重金属污染状况的指数，生物完整性的指标层为底栖动物完整性指数、沉水植物完整性指数和微生物完整性指数。
进一步的，所述溶解氧状态采用溶解氧浓度来表征；所述综合营养状态指数选用叶绿素a(Chl a)、总氮(TN)、总磷(TP)、化学需氧量(COD)四个参数；所述沉积物中重金属的污染状况采用砷(As)、镉(Cd)、铬(Cr)、铜(Cu)、镍(Ni)、铅(Pb)和锌(Zn)7种重金属的地质累积指数(Igeo)来表征。
进一步的，所述步骤(3)中，所述确定生物完整性参照点的方法为采用水质和人类活动指标判定参照点位；周围无村庄、无人工养殖业、无娱乐功能，DO、COD、TN、TP、NH3-N中尽可能多的满足国家地表水Ⅲ类标准，同时满足以上两类指标的采样点位设为参照点。
进一步的，所述步骤(4)中，所述生物完整性指标的赋分方法为：以参照点生物完整性指数IBI值分布的25％分位数作为健康等级划分的临界点，IBI值大于25％分位数值时为健康状态(等级赋分为80-100)；对小于25％分位数的分布范围进行4等分，从而确定出亚健康状态(等级赋分为60-80)、一般状态(等级赋分为40-60)、微病态(等级赋分为20-40)和病态(等级赋分为0-20)。
进一步的，所述步骤(5)中，根据实际情况，以所有采样点的溶解氧浓度最大值赋分值100分，具体的溶解氧状态赋分标准及健康等级划分标准如表1所示。
表1溶解氧赋分标准及健康等级表
综合营养状态指数范围为0-100，将健康划分为5个等级，赋分标准如表2所示。
表2综合营养状态指数赋分标准及健康等级表
选取7种重金属中污染最严重的一个为重金属污染状况指标赋分，根据实际情况，以所有采样点的地质累计指数的最小值赋分值100分，具体赋分标准如表3所示。
表3地质累积指数赋分标准及健康等级表
进一步的，所述步骤(6)中，所述层次分析法即通过比较两两指标间的相对重要程度构建判断矩阵，最大特征值和对应特征向量通过一致性检验后即得到各指标权重值。
进一步的，所述步骤(7)中，所述底栖生态***完整性得分通过以下公式计算得出：
BEHI＝Ii×Wi
式中：BEHI(Benthic ecosystem health index)为底栖生态***健康得分；Ii为第i个指标得分；Wi为第i个指标权重。
与现有技术相比，本发明针对湖泊底栖生态***健康进行评价，发现仅利用溶解氧和综合营养状态指数反应化学完整性的底栖健康评估方案是片面的，因此针对底泥重金属污染较大的湖泊，增加地质累积指数作为反应化学完整性的指标，进一步完善指标体系。具体来说，本发明对比已有技术具有的创新点：
本发明针对湖泊底栖生态***，完善了以往的评价指标体系，以底栖动物完整性指数、沉水植物完整性指数和微生物完整性指数作为生物完整性指数，以溶解氧、综合营养指数和地质累积指数为化学完整性指数。能够全面、科学的反应湖泊底栖生态的健康状况。
附图说明
图1显示的是一种适用于湖泊底栖生态***的健康评价方法流程图。
具体实施方式
实施例
下面通过实施例和对比例对本发明作进一步说明，一种适用于湖泊底栖生态***的健康评价方法，方法流程图见图1，详细步骤如下：
(1)确定采样点，采集样本。本次实施例在某湖泊采集9个位点。现场测定溶解氧浓度，取水样带回实验室测定化学需氧量、总氮、总磷和氨氮。采集表层沉积物带回实验室测定其中砷、镉、铬、铜、镍、铅和锌的含量。底栖动物带回实验室进行种类鉴定，同时记录个体的数量；计算沉水植物的生物量；通过测序技术得到微生物从门到属水平物种相对丰度和α多样性指标：Shannon指数、Simpson指数、Chao1指数、observed_species和PD_Whole_tree。
(2)构建具有递阶层次结构的评价指标体系。评价指标体系分为三层，分别是目标层、准则层和指标层；目标层为湖泊底栖生态***完整性，准则层为化学完整性和生物完整性，化学完整性的指标层为溶解氧、综合营养状态指数和地质累积指数，生物完整性的指标层为底栖动物完整性指数、沉水植物完整性指数和微生物完整性指数。
其中底栖动物完整性指数的候选指标有五种类型：反映生物丰富度、反映生物组成、反映生物耐污能力、反映营养级组成和反映生境质量的指标。反映生物丰富度的指标有：总分类单元数、EPT分类单元数、摇蚊分类单元数、软体动物分类单元数、双翅目分类单元数和Shannon-Wiener多样性指数；反映生物组成的指标有：优势分类单元个体百分比、摇蚊个体百分比、双翅目个体百分比、寡毛类个体百分比和软体动物个体百分比；反映生物耐污能力的指标有：敏感类群分类单元数、耐污类群分类单元数、HBI、敏感类群分类单元百分比、耐污类群分类单元百分比、敏感类群个体百分比和耐污类群个体百分比；反映营养级组成的指标有：捕食者个体百分比、直接收集者个体百分比、过滤收集者个体百分比和刮食者个体百分比；反映生境质量的指标有：粘附者个体百分比。
沉水植物完整性指数的候选指标有三种类型：反应物种丰富度和组成、反应群落多样性和反应物种耐受性的指标。反应物种丰富度和组成的指标有：沉水植物物种数、一年生植物物种丰富度、多年生植物物种丰富度、一年生植物百分比、多年生植物百分比、一年生植物/多年生植物和兼性繁殖种百分比；反应群落多样性的指标有：Simpson指数、Shannon-wiener指数和均匀度指数；反应物种耐受性的指标有：耐受性植物百分比、敏感性植物百分比、耐受植物物种数和敏感植物物种数。
微生物完整性指数的候选指标有两种类型：反应群落多样性和反映群落的组成的指标。反应群落多样性的指标有：Simpson指数、Shannon-wiener指数、Chao1指数、observed_species和PD_Whole_tree；反映群落的组成的指标有：最高优势分类单元丰度、前2优势分类单元丰度、前3优势分类单元丰度、前4优势分类单元丰度、前5优势分类单元丰度、BFG/A和％FCA。
(3)根据化学完整性指标特点，确定各指标的赋分标准与健康等级划分标准。
溶解氧状况健康等级划分与赋分标准如表4所示。
表4溶解氧状况的赋分标准表
综合营养状态指数范围为0-100，健康划分为5个等级，赋分标准与健康等级划分标准如表5所示。
表5综合营养状态的赋分标准表
根据地质累积指数将重金属污染划分为5个等级，赋分标准与健康等级划分标准如表6所示。
表6重金属污染状况的赋分标准表
(4)采用层次分析法确定各指标层内与层间的相对权重。生物指标和化学指标对湖泊健康同等重要；生物指标层共三类生物，底栖动物、沉水植物和微生物对湖泊重要性都相同；化学指标层中，与溶解氧状态相比较，综合营养状态和重金属污染状态的重要程度均为其两倍，与重金属污染状态相比较，综合营养状态的重要程度为其两倍。经过层次排序及一致性检验后得到各级指标权重为：生物完整性指数权重1/2，化学完整性权重为1/2，底栖动物完整性指数权重为1/6，沉水植物完整性指数权重为1/6，微生物完整性指数权重为1/6，溶解氧浓度权重为0.0979，综合营养状态指数权重为0.2467，地质累积指数权重为0.1554。
(5)确定评价生物完整性的参照点。根据三次采样得到的数据，和周围人类活动状况分析，从9个采样点中选出三个参照点，其余为受损点，参照点编号为7号、8号和9号。
(6)计算各指标值，确定各生物完整性指标的赋分标准，并根据权重累计得到底栖生态***完整性得分，划分健康等级。
三个生物完整性指数由候选指标经过分布范围分析、判别能力分析和相关分析筛选出核心指标，由这些核心指标代表生物完整性指数，筛选后得到底栖动物完整性的核心指标有：总分类单元数、摇蚊个体百分比、敏感类群分类单元数、耐污类群分类单元数、HBI、敏感类群个体百分比和刮食者个体百分比7个指标；沉水植物完整性的核心指标有：一年生植物/多年生植物和兼性繁殖种百分比；微生物的完整性指标的核心指标为：前5优势分类单元丰度。将得到的核心指标通过比值法计算得到各生物完整性指数值。
比值法的计算方法如下：对于随干扰增强数值越低的指标，以95％分位数为最佳期望值，各采样点指标分值等于该样点指数值除以95％分位数的指数值；对于随干扰增强数值越高的指标，以5％分位数为最佳期望值，计算公式如下：
Bim＝(Xmax-Xm)/(Xmax-X0.05)
式中，Bim为第m个样点指标的计算分值；Xmax是m个样点中的最大指标值；Xm是第m个样点的指标值；X0.05是m个样点中指标值的5％分位数。将各指标的分值进行加和即得到IBI。
将各采样点的三种生物完整性指数得分乘以相应的权重值并加和，得到各采样点的生物完整性准则层得分；同样的，三个化学完整性指数得分乘以相应的权重值并加和，得到各采样点的化学完整性准则层得分；再将两个准则层的得分乘以相应权重得到各个采样点的底栖生态***完整性得分。
表7各采样点化学完整性得分表
依据底栖生态***完整性得分将底栖生态***健康状况划分为5个健康等级，分别是：0-20分为病态，20-40分为微病态，40-60分为一般，60-80分为亚健康，80-100分为健康。按照以上方法将计算得到的各采样点底栖生态***完整性得分对应就得到各采样点的健康状态。计算得到的准则层和目标层得分如表8。底栖生态***完整性得分在60分以下，处于非健康状态说明底栖生态***破坏严重。
表8各采样点底栖生态***完整性得分及健康等级表
这种评价方法综合化学和生物两个方面，化学指标中加入了反应沉积物状态的地质累计指数，从水质和底质状态两方面反应化学完整性，较以往的方法更加全面、综合地评价了湖泊的底栖生态***健康状态。
对比例
参照实施例的底栖生态***完整性指标体系构建方法，本对比例的指标体系与实施例的区别在于化学完整性指标中未加入地质累计指数，仅从溶解氧状态和富营养化程度反映化学完整性。按照如下步骤对该湖泊的底栖生态***健康状态进行评价：
(1)构建具有递阶层次结构的评价指标体系。评价指标体系分为三层，分别是目标层、准则层和指标层；目标层为湖泊底栖生态***完整性，准则层为化学完整性和生物完整性，化学完整性的指标层为溶解氧和综合营养状态指数，生物完整性的指标层为底栖动物完整性指数、沉水植物完整性指数和微生物完整性指数。
(2)确定溶解氧和综合营养状态指数的赋分标准与健康等级划分标准同实施例。
(3)采用层次分析法确定各指标层内与层间的相对权重。生物指标和化学指标对湖泊健康同等重要；生物指标层共三类生物，底栖动物、沉水植物和微生物对湖泊重要性都相同；化学指标层中，与溶解氧状态相比较，综合营养状态的重要程度为其两倍。经过层次排序及一致性检验后得到各级指标权重为：生物完整性指数权重1/2，化学完整性权重1/2，底栖动物完整性指数权重为1/6，沉水植物完整性指数权重为1/6，微生物完整性指数权重为1/6，溶解氧浓度权重为1/6，综合营养状态指数权重为1/3。
(4)确定评价生物完整性的参照点。根据三次采样得到的数据，和周围人类活动状况分析，从9个采样点中选出三个参照点，其余为受损点，参照点编号为7号、8号和9号。
(5)计算各指标值，三个生物完整性指数的指标筛选方法和生物完整性指数值的计算方法同实施例。
表9各采样点化学完整性得分表
根据权重累计得到底栖生态***完整性得分，对应各采样点底栖生态***完整性得分就得到各采样点的健康状态。计算得到的准则层和目标层得分见表10。
表10各采样点底栖生态***完整性得分及健康等级表
将实施例的评价结果与本对比例进行比较，值得注意的是，对于氮磷污染较低而重金属污染较重的湖泊，化学完整性指数在溶解氧和综合营养状态指数的基础上加入反应沉积物重金属污染的指数后，结果与采用以往的评价指标体系得到的健康评价结果有较大不同，加入反应沉积物重金属污染的指数后各采样点的健康等级由亚健康或健康降低为微病态，更加合理反应了真实状态。因此，针对氮磷污染较轻而重金属污染较重的湖泊，在底栖生态***健康评价指标体系中应加入反应沉积物重金属污染程度的指标，为合理评估湖泊底栖生态健康提供技术支持。
以上实施例和对比例对本发明的具体实施方式作了说明，但这些说明不能被理解为限制了本发明的范围，本发明的保护范围由随附的权利要求书限定，任何在本发明权利要求基础上的改动都是本发明的保护范围。
Claims (11)
1.一种适用于湖泊底栖生态***的健康评价方法，其特征在于：从湖泊化学完整性和底栖生物完整性两个方面构建底栖生态***完整性的评价指标体系，综合评价底栖生态***的健康状况；具体包括以下步骤：
(1)确定采样点，采集样本；
(2)建立全面的递阶层次结构的评价指标体系；
(3)计算各指标值，确定参照点；
(4)筛选各生物完整性指标，并确定生物完整性指数赋分标准；
(5)筛选化学完整性指标，并确定化学完整性指数赋分标准；
(6)采用层次分析法确定各指标层内与层间的相对权重；
(7)根据权重累计得到底栖生态***完整性得分，划分健康等级。
2.根据权利要求1所述的一种适用于湖泊底栖生态***的健康评价方法，其特征在于：步骤(2)中，所述评价指标体系分为三层，分别是目标层、准则层和指标层；目标层为湖泊底栖生态***完整性，准则层为化学完整性和生物完整性，化学完整性的指标层为溶解氧、综合营养状态指数和反应沉积物中重金属污染状况的指数，生物完整性的指标层为底栖动物完整性指数、沉水植物完整性指数和微生物完整性指数。
3.根据权利要求2所述的一种适用于湖泊底栖生态***的健康评价方法，其特征在于：所述溶解氧状态采用溶解氧浓度来表征；所述综合营养状态指数选用叶绿素a(Chl a)、总氮(TN)、总磷(TP)、化学需氧量(COD)四个参数；所述沉积物中重金属的污染状况采用砷(As)、镉(Cd)、铬(Cr)、铜(Cu)、镍(Ni)、铅(Pb)和锌(Zn)7种重金属元素的地质累积指数(Igeo)来表征。
4.根据权利要求1所述的一种适用于湖泊底栖生态***的健康评价方法，其特征在于：步骤(3)中，所述确定生物完整性参照点的方法为采用水质和人类活动指标判定参照点位；周围无村庄、无人工养殖业、无娱乐功能，DO、COD、TN、TP、NH3-N中尽可能多的满足国家地表水Ⅲ类标准，同时满足以上两类指标的采样点位设为参照点。
5.根据权利要求1所述的一种适用于湖泊底栖生态***的健康评价方法，其特征在于：步骤(4)中，所述生物完整性指标的赋分方法为：以参照点生物完整性指数IBI值分布的25％分位数作为健康等级划分的临界点，IBI值大于25％分位数值时为健康状态(等级赋分为80-100)；对小于25％分位数的分布范围进行4等分，从而确定出亚健康状态(等级赋分为60-80)、一般状态(等级赋分为40-60)、微病态(等级赋分为20-40)和病态(等级赋分为0-20)。
6.根据权利要求1所述的一种适用于湖泊底栖生态***的健康评价方法，其特征在于：步骤(5)中，溶解氧状态按照国家地表水的五类标准划分为五个健康等级，并按照百分制赋予相应分数；综合营养状态指数范围为0-100，将健康划分为5个等级；选取砷(As)、镉(Cd)、铬(Cr)、铜(Cu)、镍(Ni)、铅(Pb)和锌(Zn)7种重金属元素中污染最严重的一个为重金属污染状况指标赋分，地质累积指数范围为0-100，将健康划分为5个等级。
7.根据权利要求6所述的一种适用于湖泊底栖生态***的健康评价方法，其中，所述的溶解氧状态赋分和划分健康等级是通过以下标准确定的：当溶解氧浓度大于等于7.5mg/L时，健康等级为健康，赋分值70-100分；当溶解氧浓度大于等于6mg/L小于7.5mg/L时，健康等级为亚健康，赋分值40-70分；当溶解氧浓度大于等于5mg/L小于6mg/L时，健康等级为一般，赋分值20-40分；当溶解氧浓度大于等于3mg/L小于5mg/L时，健康等级为微病态，赋分值10-20分；当溶解氧浓度大于等于0mg/L小于3mg/L时，健康等级为病态，赋分值0-10分。
8.根据权利要求6所述的一种适用于湖泊底栖生态***的健康评价方法，其中，所述的综合营养状态指数赋分和划分健康等级是通过以下标准确定的：当综合营养状态指数大于等于0小于30时，健康等级为健康，赋分值70-100分；当综合营养状态指数大于等于30小于50时，健康等级为亚健康，赋分值50-70分；当综合营养状态指数大于等于50小于60时，健康等级为一般，赋分值40-50分；当综合营养状态指数大于等于60小于70时，健康等级为微病态，赋分值30-40分；当综合营养状态指数大于等于70小于等于100时，健康等级为病态，赋分值0-30分。
9.根据权利要求6所述的一种适用于湖泊底栖生态***的健康评价方法，其中，所述的地质累积指数赋分和划分健康等级是通过以下标准确定的：当地质累积指数小于0时，健康等级为健康，赋分值80-100分；当地质累积指数大于等于0小于1时，健康等级为亚健康，赋分值60-80分；当地质累积指数大于等于1小于2时，健康等级为一般，赋分值40-60分；当地质累积指数大于等于2小于3时，健康等级为微病态，赋分值20-40分；当地质累积指数大于等于3小于4时，健康等级为病态，赋分值0-20分；当地质累积指数大于等于4时，健康等级为病态，赋分值0分。
10.根据权利要求1所述的一种适用于湖泊底栖生态***的健康评价方法，其特征在于：步骤(6)中，所述层次分析法即通过比较两两指标间的相对重要程度构建判断矩阵，最大特征值和对应特征向量通过一致性检验后即得到各指标权重值。
11.根据权利要求1所述的一种适用于湖泊底栖生态***的健康评价方法，其特征在于：步骤(7)中，所述底栖生态***完整性得分通过以下公式计算得出：
BEHI＝Ii×Wi
式中：BEHI(Benthic ecosystem health index)为底栖生态***健康得分；Ii为第i个指标得分；Wi为第i个指标权重。
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