本发明涉及环境科学及监测技术领域，具体涉及一种基于浮游植物完整性指数的河流水质评价方法。
背景技术：
由于自然过程、人类活动以及水资源利用增加等原因，水环境质量下降已成为当今世界面临的最重要环境污染难题，引起了国内外科学家和管理部门的广泛关注。世界卫生组织研究表明，2015年全球约20亿人饮用水安全无法得到保障。我国水资源严重缺乏，同时水污染问题也十分突出。2016年，长江、黄河、珠江、松花江、淮河、海河、辽河等七大流域和浙闽片河流、西北诸河、西南诸河的1617个国考断面中，ⅳ～ⅴ类水质比例占19.7％，劣ⅴ类占9.1％。值得注意的是，未来淡水资源会愈发稀缺，从而危及人类对水资源的利用，特别是其饮用水功能以及其在经济发展中的重要作用。以水生态健康为目标的流域综合管理是欧美等发达国家普遍采用的策略。例如，欧盟的水框架指令要求各成员国到2015年实现水生态质量(河流、湖泊、地下水和近岸海域)处于良好状态。我国近年开展了全国及重点流域的水生态功能区划工作，为实现水环境管理方式的转变奠定了基础。
河流作为营养物质的载体，既是陆地生态系统生命的动脉，也是水生生态系统的重要组成部分。由于人类活动对河流的影响加剧，河流生态破坏日益加重，并出现了生态环境退化、生物多样性降低等问题，水生态系统健康状况受到严重威胁。20世纪80年代开始，国外开始强调生态保护，注重水域生态系统的生态质量，如栖息地生境质量、生物多样性以及生态完整性等。因此，开展河流生态系统健康评估显得尤为必要。
与化学或物理指标相比，生物群落是对水体中各种化学、物理、生物因子的综合和直接反映，更能体现水生态健康状况。此外，生物指数评价减少了大量水质参数的测定，成本低廉，并且大大减少了水质参数测定过程中使用的大量化学试剂，降低对水环境的危害。生物完整性指数(indexofbioticintegrity,ibi)代表了群落的组成部分(多样性)和结构，能定量描述人类干扰与生物特性之间的关系，有效反映生态系统健康状况。由于包含对人类干扰反应敏感的一组生物指数，并将其综合成一个数值，ibi表征生态系统健康状况要明显优于单一指数。目前，ibi已广泛应用于水域生态系统健康研究领域。
浮游植物是水域生态系统中重要的初级生产者，其生命周期短，物种和功能群类型多样，对环境变化更为敏感。目前，就藻类而言，浮游植物主要用于湖泊生态系统健康评估，而河流生态系统健康状况评估主要采用着生硅藻。众多研究证实：与着生藻类类似，浮游植物同样能有效指示河流生态系统健康状况及人类活动影响。而且，浮游植物群落结构主要受河流的环境因子影响，而非空间过程，可以在一定程度消除自然梯度的干扰，有利于评估人类活动对生态系统健康状况的影响。然而，有关浮游植物完整性指数的研究较少，且根据已有研究，影响完整性指数的参数众多，并且相互影响，哪些参数或参数的组合对完整性指数有更显著的影响，目前尚无定论。不同的参数组合势必影响评价结果，造成评估工作的不可比性，不利于p-ibi的广泛应用。此外，现有研究中的有些参数测量起来非常费时。因此，为了进一步推动我国河流生态系统健康现状监测和防治理论的研究，迫切需要发展一种准确、简便、快速、便宜和少污染的河流生态系统健康评价方法。
技术实现要素：
本发明目的是提供一种基于浮游植物完整性指数的河流水质评价方法，适用于不同水质类别河流，同时大大简化了水质评价所需测定的众多指标，成本低廉，操作方法简便，易于推广和应用。
本发明上述目的通过以下技术方案实现：
一种基于浮游植物完整性指数的河流水质评价方法，包括如下步骤：
(1)测定待评价河流的水体浮游植物密度和叶绿素a浓度，并计算odum指数；
(2)基于步骤(1)测定的参数实测值计算其标准化值，并根据参数标准化值计算河流p-ibi指数，其计算公式如下：
式中：ci是第i种参数的标准化值，pi是第i种参数的权重；
(3)采用p-ibi对河流进行水质划分：
p-ibi≤25为ⅴ类；25<p-ibi≤50为ⅳ类；50<p-ibi≤70为ⅲ类；70<p-ibi≤90为ⅱ类；90<p-ibi≤100为ⅰ类。
本发明的方法，所述步骤(1)中，浮游植物密度采用显微镜计数测定，叶绿素a采用热乙醇法测定。
本发明的方法，所述步骤(1)中，odum指数采用如下公式计算：
其中，s为浮游植物的种类数；
本发明的方法，所述步骤(2)中，浮游植物总密度、叶绿素a以及odum指数的权重分别为4、4、2；参数标准化方法采用评分法。
本发明的优点及有益效果：
(1)与传统的利用gb3838-2002中单个指标开展河流水质类别划分不一样，本发明方法基于国际上普遍流行的多指标法，并有效将其转化为一个单一数值，来反映水质状况，解决了各因素评价结果不一的问题，有利于管理者进行相关决策。
(2)与基于环境指标的评价方法相比，本方法减少了大量环境因素测量实验过程繁琐的消解等步骤，大幅度减少了测试成本，节约化学试剂使用，减少了污染物排放，保护了环境。
(3)与水体中其他用于构建完整性指数的生物类群相比(如底栖动物、鱼类等)，浮游植物样品较易收集，且浮游植物对环境变化反应敏感，能有效反应水体环境质量的时间变化。
(4)提出了由3种关键指标组成的p-ibi评估体系。这3种指标易于测量，且能有效反映浮游植物群落结构特征，因此有利于推广p-ibi在水体生态状态评估中的应用。
(5)本发明丰富和发展了河流水质指数的计算方法，可以广泛应用于不同类型河流的监测和评价工作，必将深化河流评价的基础理论和防控技术研究。
下面结合具体实施案例对本发明进行详细描述。本发明的保护范围并不以具体实施方式为限，而是由权利要求加以限定。
附图说明
图1是太湖流域典型河流tn，nh4-n,tp和codmn在基于p-ibi划分的不同水生态状况类型间的分布状况；
图2是基于太湖流域典型河流构建的浮游植物完整性指数(p-ibi)与涵盖15个环境指标的水质指数(wqi)的关系。
具体实施方式
下面以太湖流域典型河流研究结果为实例，对本方法做进一步说明。
实施例1
采用本发明的进行太湖流域河流水质评价，包括如下步骤：
(1)测定太湖流域河流的浮游植物密度，叶绿素a浓度和odum指数；
2014-2016年在太湖流域6大水系(苕溪、南河、洮滆、沿江、黄浦、长江口和杭州湾)(表1)开展了4季节野外采样，涉及96个采样点、39条主要河流(东苕溪、西苕溪、长兴港、南河、屋溪河、画溪河、南溪河、孟河、城东港、丹金溧槽河、京杭大运河、京杭古运河、扁担河、武宜运河、武进港、孟津河、新沟河、锡北运河、白屈港、浒光河、甪直港、庙泾河、吴淞江、黄浦江、太浦河、德胜河、锡澄运河、张家港、望虞河、常浒河、盐铁塘、浏河、川杨河、大冶河、隋塘河、金汇港、盐官下河、长山河、海盐塘)，涵盖不同水系、不同类型的太湖流域河流，基于此数据集发展的河流快速评价方法具有普适性和推广性。
浮游植物定量样品取用1l充分摇匀后的混合水样，倒入试剂瓶中之后加1％体积的lugol试剂固定，静置48h后，利用虹吸法将上清液吸除，定容至30ml。计数时，将计数样品充分摇匀后，迅速吸取0.1ml样品到计数框(面积20×20mm)中，盖上盖玻片，保证计数框内无气泡，也无样品溢出，置于显微镜下进行镜检。计数方法为目镜视野法，随机计数100个视野，若所得计数值不足300，则增加计数视野数。每个样品计数2片，若2片计数结果相差15％以下，则取2片平均值作为最终结果，否则进行第3片计数，浮游藻类最终值为其中个数相近的2片的平均值。硅藻鉴定前用酸处理法，除去细胞内含物以清除观察壳上的花纹。通过显微镜计数测定浮游植物密度和物种数，计算odum指数。浮游植物chla浓度经90％热乙醇提取后用分光光度法测定。
odum指数计算公式如下：
(2)基于步骤(1)测定的参数实测值计算其标准化值，并根据参数标准化值计算河流p-ibi指数，其计算公式如下：
式中：ci是第i种参数的标准化值；其中浮游植物总密度、叶绿素a以及odum指数的权重分别为4、4、2；本实施例中参数标准化方法采用评分法，取值范围0-100，0表示最差水质，100表示最好水质，具体参数标准化取值和权重取值如表1所示。
表1p-ibi关键指数的标准化方法
其中浮游植物密度单位为cellsl-1，叶绿素a浓度单位为μgl-1。
(3)采用p-ibi对河流进行水质划分：
p-ibi≤25为ⅴ类；25<p-ibi≤50为ⅳ类；50<p-ibi≤70为ⅲ类；70<p-ibi≤90为ⅱ类；90<p-ibi≤100为ⅰ类。
实施例2
本实施例基于15项环境参数，构建水质指数wqi，对实施例1的评价方法进行了验证。
具体操作步骤如下：
(1)现场用便携式多参数水质速测仪(如hydrolabdatasond5)测定水体温度(t)、ph、电导率(cond)、浊度和溶解氧浓度，并采集水样回实验室测定总氮(tn)、氨态氮、硝酸盐、亚硝酸盐(no2-n)、总磷(tp)、高锰酸盐指数、钙离子(ca)、镁离子(mg)、氯离子(cl)、硫酸根离子(so4)浓度。
(2)开展总氮、氨态氮、硝酸盐、亚硝酸盐、总磷、高锰酸盐指数、钙离子、镁离子、氯离子、硫酸根离子浓度测定：将原水样通过碱性过硫酸钾消解，利用钼锑抗显色，同时配置标准溶液，然后在紫外分光光度计测定210nm吸光度换算得到总氮浓度，测定700nm吸光度换算得到总磷浓度；利用酚二磺酸法、n-(1-萘基)乙二胺光度法测定硝态氮、亚硝态氮浓度，并转化为硝酸盐和亚硝酸盐浓度；利用纳氏比色法、、高锰酸盐指数酸性法测定氨态氮、、高锰酸盐指数浓度；利用火焰原子吸收测定钙、镁离子浓度；利用离子色谱法测定氯离子、硫酸根离子浓度。
(3)计算水质指数：
对各因子进行标准化，标准化方法和参数权重如表2所示。水质指数计算公式如下:
表2水质参数权重和标准化方法
其中t单位为℃，cond单位为μscm-1，浊度单位为ntu，其他参数单位为mgl-1；在标准化之前，将no2-n和no3-n浓度由mgnl-1转化为mgnoxl-1。
(4)分析p-ibi与主要环境因子、wqi之间的关系：
基于太湖流域河流4次评估的平均数据，划分96个采样点位的水生态状况，并分析不同水生态状况间四种常用于水体评价的化学指标(tn，nh4-n，tp和codmn)分布特征。图1是tn，nh4-n，tp和codmn在基于p-ibi划分的不同水生态状况间的分布状况。从图1可知，tn，nh4-n,tp和codmn平均值在v类、iv类、iii类和ii类水质之间逐渐下降，表明利用本浮游植物完整性指数开展太湖流域河流水质评价的可信性和准确性。
基于太湖流域河流96个采样点的浮游植物完整性指数和水质指数，分析两者之间的相关关系。图2是基于太湖流域典型河流构建的浮游植物完整性指数(p-ibi)与涵盖15个环境指标的水质指数(wqi)的关系。从图2可知，p-ibi指数和wqi指数存在极显著正相关关系(r2＝0.33，p<0.001)。反映了利用浮游植物完整性指数开展太湖流域河流水质评价的可信性和准确性。
因此由浮游植物密度，叶绿素a浓度以及odum指数构建的p-ibi可以用于太湖流域河流水质的快速评价。