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生态风险评估是对某一种危害或者多种因素导致的负面效应的程度进行科学评价，其评价结果可用于指导生态环境保护和管理工作。国际上一直关注区域生态环境风险评估[1-8]，其中加拿大的沉积物质量基准法[1]和Häkanson潜在生态风险指数法[2]应用较多。1993年欧盟颁布了化学品生态风险评价规定和技术指导文件，1998年美国环保局颁布了《生态风险评价指南》，扩展了生态风险评价的研究方向[8]。上述研究建立的方法或体系大多是评估不同污染物在不同环境介质中已发生的或潜在的生态风险，或者评估多种因素对生态环境产生的综合累积风险。在区域生态环境风险评估方面，宋轩等[9]认为，生态系统健康是生态系统的稳定及可持续性，即能维持其组织的结构和自治，并维持对一定胁迫的恢复力。张海燕等[10]基于底栖动物完整性指数开展了区域水生态健康评价。赵增锋等[11]利用健康风险评价模型研究了水体中重金属的健康风险。周晓蔚等[12]提出了河口生态系统健康概念，建立了长江口生态系统健康评价理论与方法体系，认为生态系统承受的压力超过一定阈值，将直接影响生态系统健康，产生不同的负面影响。沈洪艳等[13]对国内外不同环境介质中污染物的生态风险评价的研究进展和应用案例进行了总结，指出了目前生态风险评估方法体系的不足。目前，基于PSR模型[14]采用多层次的评估体系大多用于生态系统健康的综合评估，但对生态风险评估鲜有报道。有学者[15-21]对灌河口海域水体、沉积物、生物体中重金属、有机污染物分布等进行了研究，对部分污染物进行了潜在生态风险评估，但未能全面系统地评估该海域生态风险。灌河口沿岸为重要的农业、渔业、工业生产区域，上游农业面源、生活点源污染物均随灌河径流汇集入海，造成的海洋环境污染问题已引起高度关注[22]。本研究尝试从诸多生态影响因素着手，根据河口功能特征，考虑经济发展、生态环境保护以及社会服务功能的需求，采用PSR模型构建多层次的河口海域生态风险评估指标体系，为开展区域生态风险评估及环境综合整治提供依据。
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灌河位于苏北沿海的中北段，海州湾南缘，西到三岔河，东到燕尾港流入黄海，流经淮阴、盐城、连云港三市，与京杭大运河连接，流域面积6.04万 km2，长74.5 km，在入海口呈喇叭型，是江苏北部最大的入海河流和唯一在干流上没有建闸的天然入海河道。灌河口河床结构复杂独特，河口海岸开发强度大，已形成了集化工园区、仓储码头、生态岸线等多功能为一体的河口海岸，在其入海处有五灌河、新沂河等河流汇入，形成一个纵横交错的河口河网体系。地理位置见图1。
图 1 灌河口海域概况及监测点位
Figure 1. Map of the sampling sites in Guan river estuary
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本研究基于PSR模型理论，采用层次分析法（AHP）确定相应的指标层，压力项重点考虑化工工业污染物排放强度、上流来水水质和沿岸带开发强度等；状态项结合灌河口海域污染物分布研究等结果[23]，重点考虑沉积物中污染物指标，特别是柱状沉积物中受人为干扰的污染物指标以及生态指标；响应项重点考虑工业污水等治理指标，最终从23项指标中筛选出17项指标。设计4张打分表，发放36份，请相关领域专家打分，收回34份。将打分结果列出判断矩阵，利用MATLAB软件进行判断矩阵层次单排序及一致性检验，如果一致性比率（CR）<0.1，则通过检验，记录权重值，否则调整判断矩阵，直至满足CR<0.1。记录权重值进行层次总排序，先计算指标层对于准则层的权重，然后计算次指标层对于指标层的权重。统计专家各项指标权重得到平均权重。筛选出的指标、依据及权重见表1。
目标层 准则层 指标层 次指标层 筛选依据 权重/（%） 生态风险
评估指标压力项（P） 化工工业排放强度（P1） 可反映研究区域主要工业主要污染物来源，以及污染排放与经济指标的协调程度 15 上游来水水质指标（P2） 反映主要入海河流上游来水中的污染物对生态产生的压力 10 沿岸带开发利用强度（P3） 反映河口岸带开发利用对生态的压力 10 状态项（S） 海水水质指标 氮、磷等常规因子（S1） 直接体现海域水体环境质量现状 8 重金属指标（S2） 7 有毒有害有机物（S3） 10 沉积物
质量指标表层沉积物质量 重金属指标（S4） 反映表层沉积物由于底栖生物、人为轻微扰动等导致的污染物再释放带来的风险影响 3 有毒有害有机物（S5） 5 柱状沉积物质量 重金属指标（S6） 反映深层沉积物受到人类重大活动等影响污染物再次大量释放带来的风险影响 2 有毒有害有机物（S7） 3 水生生态指标 浮游植物指标（S8） 可间接反映区域生态环境质量状况 3 浮游动物指标（S9） 4 底栖生物指标（S10） 3 生物体质量指标（S11） 2 响应项（R） 污染治理指标 生活污水收集处理率（R1） 反映生活、农业、工业污染治理的重要指标，体现人类社会活动对区域生态风险的响应机制 3 农业面源收集处置率（R2） 3 工业废水处理效果（R3） 9 生态风险指数 100 表 1 生态风险评估指标权重及筛选依据表
Table 1. Weight of ecological risk evaluation indexes and screening criteria for the indexes
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总评分等于压力项、状态项、响应项各项指标评分的加权和。各项指标评分公式依据相关标准等级划分情况确定。小于0分按照0分计算，大于100分按照100分计算。定义公式如下：
式中：Z为生态风险指数总评分；Pi为压力项各项指标评分；Sj为状态项各项指标评分；Rn为响应项各项指标评分。
（1）化工工业排放强度（P1）评分公式为：
式中：pi为化工废水不同污染物排放量与化工工业生产总值的比值；m
$ {i}\mathrm{、}{ni} $ 分别为近10年化工业不同污染物排放量与化工业生产总值的比值的最大值与最小值。i为CODCr、总氮、总磷、汞、锌、砷、铜、铅、镉、总铬、挥发性有机物等，单位：kg/万元。（2）来水水质达标率（P2）评分公式为：
式中：p2为来水水质达标率。对应《地表水环境质量标准》（GB 3838－2002）三类指标限值，计算年度总达标率。
（3）沿岸带开发利用百分比（P3）评分公式为：
式中：p3为总岸带已开发利用的百分比。
（4）水质氮、磷等常规因子达标率（S1）评分公式为：
式中：s1为水质氮、磷等常规因子达标率，对应《海水水质标准》（GB 3097－1997）第二类指标限值，计算年度总达标率。
（5）水质重金属指标达标率（S2）评分公式为：
式中：s2为水质重金属指标达标率，对应《海水水质标准》（GB 3097－1997）第二类指标限值，计算年度总达标率。
（6）水质有毒有害有机物检出率（S3）评分公式为：
式中：s3为水质有毒有害有机物检出率，目前《海水水质标准》（GB 3097－1997）中未涉及这类指标限值，本研究按检出率进行评价。本研究检测的56种有机物见文献[23]。
（7）表层沉积物重金属指标达标率（S4）评分公式为：
式中：s4为表层沉积物重金属指标达标率，按照《海洋沉积物质量标准》（GB 18668－2002）达到第二类标准限值的比例，计算年度总达标率。
（8）表层沉积物有毒有害有机物检出率（S5）评分公式为：
式中：s5为表层沉积物有毒有害有机物检出率，按本研究检测的56种目标有机物的检出率计算。
（9）柱状沉积物重金属指标达标率（S6）评分公式为：
式中：s6为柱状沉积物重金属指标达标率，按照《海洋沉积物质量标准》（GB 18668－2002）达到第二类标准限值的比例，计算总达标率。
（10）柱状沉积物有毒有害有机物检出率（S7）评分公式为：
式中：s7为柱状沉积物有毒有害有机物检出率，按本研究检测的56种目标有机物的检出率计算。
（11）浮游植物指标（S8）、浮游动物指标（S9）、底栖生物指标（S10）评分：均按《近岸海域环境监测规范》（HJ 442－2008）中生物多样性指数评价指标中的生境质量等级来评价。其中浮游植物指标，优良为0～1分，一般为1～2分，差和极差为2～3分；浮游动物指标，优良为0～1分，一般为1～3分，差和极差为3～4分；底栖生物指标，优良为0～1分，一般为1～2分，差和极差为2～3分。
（12）生物体环境质量（S11）评分：以捕捞的贝类生物体内7种金属元素含量按《海洋生物质量标准》（GB 18421－2001）中的类别来评价，劣于或符合第三类标准的为1.5～2分，符合第二类标准的为0.5～1分，符合一类标准的为0～0.5分。
（13）生活污水收集处理率（R1）评分公式：
式中：r1为经过处理的生活污水占居民生活污水排放总量的百分比。
（14）农业面源收集处理率（R2）评分公式：
式中：r2为经过处理的农业面源占所有农业面源排放总量的比重。
（15）工业废水处理效果（R3）评分：按环境管理水平和工业污水治理水平分3级打分。环境管理水平高，工业废水长期稳定达标排放计0～4分；环境管理水平较好，基本能够达标排放计4～7分；环境管理水平差，污染处理措施不正常或有非法排污行为计7～9分。
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灌河口海域由低度生态风险到高度生态风险是一个渐变的过程，根据灌河口海域生态风险的内涵，初步将其生态风险程度分为4个等级（表2），并提出相应的管控要求。
生态风险等级 标准分值 管控要求 高度生态风险 ≥80分 需实施目标污染物生态修复治理工程 中度生态风险 [60，80)分 需制定治理方案，制定目标污染物的减排措施 低度生态风险 [30，60)分 需从源头控制污染，原则上不得新增目标污染物的排放量 极低生态风险 <30分 可适度考虑沿岸产业发展 表 2 灌河口海域生态风险等级、标准分值及管控要求
Table 2. Ecological risk criterion, grade and management requirements in Guan river estuary
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依据上述筛选的17项评估指标，选取灌河口沿岸工业发展较快的2011年和经连续3年区域污染综合整治后的2019年作为生态风险评估年份，并在评估年份开展监测。监测方案为：灌河水质（点位R01），每月对14项常规因子、7种重金属因子[24-25]开展1次监测；灌河口海域水质（点位H01－H07），全年对15项常规因子、7种重金属因子、56种有机物开展1次监测；灌河口海域表层沉积物（点位H01－H13），全年对7种重金属因子、56种有机物开展1次监测；柱状沉积物（点位HZ1），2011年监测1次，监测指标同表层沉积物，并列采集2管长53 cm柱样，以1 cm的厚度切割为53个样品，其中一管切割样用于指标分析，另一管切割样用于210Pb测年及粒度等分析[26]；浮游植物、浮游动物、底栖生物（点位H07），分别在5月、8月各监测1次；生物体质量，在10月捕捞河口海域的贝类，分析生物体内7种金属因子。监测点位见图1，监测数据、分析方法等见文献[23]－文献[27]。
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根据灌河口海域污染源排放调查数据[23]、连云港年鉴、该海域化工园区生产总值和排污情况，可知该海域化工园区2011年、2019年生产总值分别为65.0亿元、28.3亿元，主要污染物排放情况见表3。根据监测指标核算2011年、2019年灌河来水水质达标率分别为66.67%、94.98%。灌河口岸线全长为43.1 km，规划港口岸线29.9 km，2011年开发利用12.11 km，开发利用率为28.1%，2019年开发利用17.32 km，开发利用率达40.18%。由表4可知，压力项分值2011年为17.7分，2019年为11分，2011年化工排污压力明显高于2019年，因受沿岸排污影响，灌河2011年水质不达标因子数明显高于2019年，而2019年主要压力来自河口岸带开发利用，沿岸的经济发展可能加重生态风险。
污染物 2011年排放量/t·a−1 2019年排放量/t·a−1 CODcr 1029 230 总氮 85.1 15.3 总磷 0.73 0.21 汞 0.67 0.1 锌 67 12 砷 16.9 1.3 铅 67 10.2 镉 4.62 1.02 总铬 50.8 9.1 半挥发性有机物 8.88 1.28 表 3 灌河口海域化工排放主要污染物排放量
Table 3. Chemical emission intensity of pollution in Guan river estuary
评估指标 P1 P2 P3 S1 S2 S3 S4 S5 S6 S7 S8 S9 S10 S11 R1 R2 R3 总分值 权重值 15 10 10 8 7 10 3 5 2 3 3 4 3 2 3 3 9 100 2011年 11.6 3.3 2.8 5.4 0.0 0.9 0.9 4.3 0.0 2.9 2.0 3.0 3.0 0.8 1.8 3.0 9.0 54.7 2019年 6.5 0.5 4.0 0.0 0.0 0.5 0.3 3.8 0.0 2.9 1.0 2.5 3.0 0.4 1.2 3.0 3.0 32.6 表 4 灌河口海域2011年、2019年生态风险指数表
Table 4. Ecological risk indexes for Guan River evaluation in 2011、2019
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利用灌河口海域调查监测结果[23]进行达标率和检出率计算，结果显示，2011年、2019年常规因子达标率分别为33.3%、100%，7种重金属因子达标率均为100%，56种有毒有害有机物检出率分别为8.93%、5.36%；2011年、2019年灌河口海域表层沉积物中7种重金属因子达标率分别为71.43%、90.85%，56种有毒有害有机物检出率分别为85.71%、75%。柱状沉积物由于取样难度较大，人为干扰小，相对稳定，所以，2019年柱样沉积物质量采用2011年的监测值，即7种重金属因子达标率均为100%，56种有毒有害有机物检出率均为100%。2011年，灌河口海域浮游植物、浮游动物、底栖生物质量依次为差、一般、极差[24]，2019年依次为优良、一般、极差[25]。2011年和2019年该海域贝类生物体内重金属含量分别满足《海洋生物质量标准表》（GB 18421－2001）中二类和一类标准限值[24-25]。由表4可知，状态项分值2011年为23.2分，2019年为14.4分，2019年明显优于2011年，主要原因为2019年海域水质氮、磷等指标总体达标，表层沉积物中重金属和有机物指标以及水生生态指标也有所好转，说明通过有针对性的污染治理，该海域的生态风险压力有所减轻。
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根据调查，2011年和2019年生活污水收集处理率分别为50%和65%，近年来周边农业面源无收集处置措施，均按0计。工业废水处理效果，2011年环境管理水平较差，存在非法排污现象，至2019年环境管理水平明显提高，基本长期稳定达标排放，杜绝了非法排污等行为。由表4可知，2011年响应项分值为13.8分，2019年为7.2分，主要因为近年来化工污染治理力度加大，生态风险压力明显减轻，目前响应项主要问题为周边农业面源未收集处置。
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将上述各项指标评分进行统计，得出2011年和2019年灌河口海域生态风险指数分别为54.7、32.6（表4），均属于低度生态风险水平。
对照本研究划定的河口海域生态风险分值表（表2），2011年灌河口海域生态风险指数为54.7分，虽为低度生态风险，但已接近中度生态风险，表明需加强污染源头控制，原则上不得新增目标污染物排放量。生态风险主要来源有3项，分别为压力项的化工工业排放强度较大；状态项的水质氮和磷等指标超标、海洋表层沉积物重金属指标超标、水生生物底栖生物重度污染；响应项的园区污水管制水平较低。本区域相关研究也佐证了评价的科学性，有研究表明，2011年灌河口海域沉积物中以芴为主的负面生物毒性效应偶尔发生，其中芴、苯并[b]荧蒽、苯并[k]荧蒽的含量介于临界与偶然效应浓度值之间[17，27]。2011年，灌河口海域沉积物中有机氯农药含量发生变化、转化，表明有新的滴滴涕（DDT）源输入，以DDT 和DDD为主的毒性已处于频繁效应，需深入开展沉积物的风险评估研究[21，26]。2011年，采用Häkanson生态危害指数法的评估结果表明，灌河口海域受重金属污染，总体处于“轻微”生态危害水平[15]。
2019年，灌河口海域生态风险指数为32.6分，虽仍为低度生态风险，但压力已经减缓，接近极低生态风险，表明污染整治攻坚已经取得了一定生态效果。调查表明，政府的环境管理水平也有明显提高，特别是近几年，园区重污染化工企业关停淘汰，产业结构大幅调整，园区排放废水中重金属和有机物得到有效治理，潜在的生态风险极大降低，同时也表明化工企业排污及污染治理管理是非常重要的生态风险压力指标。
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本研究基于PSR模型理论，采用层次分析法，综合考虑区域经济发展水平、环境质量、生物群落、生物体质量等因素，尤其是上游来水水质、表层和柱状沉积物、面源和点源治理水平等因素，构建了河口海域生态风险评估指标体系，并对灌河口海域2011年、2019年的生态风险进行了评估。结果表明，应用该体系开展河口海域生态风险评估，能够较为准确地反映出区域生态风险压力和风险来源，为开展区域综合整治提供了科学的指导。由于研究中受到监测能力的限制，未能将甲基汞、新型有毒有害污染物等纳入评价指标体系中，对水质状况带来的生态风险评估尚不够全面；另外，随着经济快速发展和政府管理水平的提升，压力项和响应项指标的权重也需不断优化调整，生态风险等级划分也需在后续研究中进一步验证和完善。
灌河口海域生态风险评估体系研究
Study on the index system of ecological risk assessment for Guan river estuary
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摘要: 本研究从影响灌河口海域生态环境质量的沿海经济发展、区域主要污染物排放、污染治理状况、环境管理水平和海域环境状况等诸多因素着手，兼顾社会服务功能，采用压力−状态−响应（PSR）模型理论，构建了灌河口海域生态风险评估指标体系。利用2011年、2019年调查监测数据对灌河口海域开展生态风险评估，生态风险指数分别为54.7、32.6，属于低度生态风险水平。但2011年已接近中度生态风险限值，风险警示值倒逼区域做出响应，通过污染攻坚综合整治，2019年生态风险指数明显降低，接近极低生态风险，说明采用PSR模型开展生态风险评估对于区域污染防治及科学整治具有重要的指导意义。Abstract: An index system of ecological risk assessments for Guan River estuary was established based on pressure-state-response (PSR) model theory and different ecological quality factors were also taken into consideration, such as coastal economic development, regional main pollutant discharge, pollution treatment, environmental management level, environmental condition and social service function of this area. Then ecological risk assessment indexes of Guan river estuary were calculated based on the investigation and monitoring data in 2011 and 2019. The ecological risk indexes were 54.7 and 32.6 respectively, belonging to the low ecological risk level. However, the index in 2011 was close to the lower limit of medium ecological risk level. Therefore, control measures were forced to carried out under the pressure. After comprehensive pollution treatments, the ecological risk index decreased significantly in 2019, close to the very low ecological risk level. It shows that the index system of PSR model ecological risk assessment has important guiding significance for regional pollution prevention and scientific remediation.
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Key words:
- PSR model /
- ecological risk assessment /
- index system /
- Guan river estuary
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表 1 生态风险评估指标权重及筛选依据表
Table 1. Weight of ecological risk evaluation indexes and screening criteria for the indexes
目标层 准则层 指标层 次指标层 筛选依据 权重/（%） 生态风险
评估指标压力项（P） 化工工业排放强度（P1） 可反映研究区域主要工业主要污染物来源，以及污染排放与经济指标的协调程度 15 上游来水水质指标（P2） 反映主要入海河流上游来水中的污染物对生态产生的压力 10 沿岸带开发利用强度（P3） 反映河口岸带开发利用对生态的压力 10 状态项（S） 海水水质指标 氮、磷等常规因子（S1） 直接体现海域水体环境质量现状 8 重金属指标（S2） 7 有毒有害有机物（S3） 10 沉积物
质量指标表层沉积物质量 重金属指标（S4） 反映表层沉积物由于底栖生物、人为轻微扰动等导致的污染物再释放带来的风险影响 3 有毒有害有机物（S5） 5 柱状沉积物质量 重金属指标（S6） 反映深层沉积物受到人类重大活动等影响污染物再次大量释放带来的风险影响 2 有毒有害有机物（S7） 3 水生生态指标 浮游植物指标（S8） 可间接反映区域生态环境质量状况 3 浮游动物指标（S9） 4 底栖生物指标（S10） 3 生物体质量指标（S11） 2 响应项（R） 污染治理指标 生活污水收集处理率（R1） 反映生活、农业、工业污染治理的重要指标，体现人类社会活动对区域生态风险的响应机制 3 农业面源收集处置率（R2） 3 工业废水处理效果（R3） 9 生态风险指数 100 
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表 2 灌河口海域生态风险等级、标准分值及管控要求
Table 2. Ecological risk criterion, grade and management requirements in Guan river estuary
生态风险等级 标准分值 管控要求 高度生态风险 ≥80分 需实施目标污染物生态修复治理工程 中度生态风险 [60，80)分 需制定治理方案，制定目标污染物的减排措施 低度生态风险 [30，60)分 需从源头控制污染，原则上不得新增目标污染物的排放量 极低生态风险 <30分 可适度考虑沿岸产业发展
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表 3 灌河口海域化工排放主要污染物排放量
Table 3. Chemical emission intensity of pollution in Guan river estuary
污染物 2011年排放量/t·a−1 2019年排放量/t·a−1 CODcr 1029 230 总氮 85.1 15.3 总磷 0.73 0.21 汞 0.67 0.1 锌 67 12 砷 16.9 1.3 铅 67 10.2 镉 4.62 1.02 总铬 50.8 9.1 半挥发性有机物 8.88 1.28
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表 4 灌河口海域2011年、2019年生态风险指数表
Table 4. Ecological risk indexes for Guan River evaluation in 2011、2019
评估指标 P1 P2 P3 S1 S2 S3 S4 S5 S6 S7 S8 S9 S10 S11 R1 R2 R3 总分值 权重值 15 10 10 8 7 10 3 5 2 3 3 4 3 2 3 3 9 100 2011年 11.6 3.3 2.8 5.4 0.0 0.9 0.9 4.3 0.0 2.9 2.0 3.0 3.0 0.8 1.8 3.0 9.0 54.7 2019年 6.5 0.5 4.0 0.0 0.0 0.5 0.3 3.8 0.0 2.9 1.0 2.5 3.0 0.4 1.2 3.0 3.0 32.6
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