夏小強(qiáng) 張樂(lè) 要麗娟 李珂 李琦

摘要 河流健康評(píng)估為河流可持續(xù)發(fā)展提供了依據(jù)，渭河作為黃河的一級(jí)支流，其生態(tài)健康對(duì)于黃河高質(zhì)量發(fā)展具有重要意義。為全面評(píng)價(jià)渭河流域的健康狀況，選取物理?xiàng)⒌貭顩r、水質(zhì)狀況及水生生物狀況3個(gè)準(zhǔn)則、11個(gè)指標(biāo)，建立渭河生態(tài)健康評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)，采用層次分析法（AHP）確定權(quán)重，結(jié)合最大隸屬度原則對(duì)渭河流域進(jìn)行多級(jí)模糊評(píng)價(jià)。結(jié)果表明，25個(gè)點(diǎn)位中有8個(gè)處于健康水平，13個(gè)處于亞健康水平，4個(gè)處于不健康水平，渭河綜合健康評(píng)價(jià)結(jié)果為亞健康。渭河源頭、寶雞至西安段河流生態(tài)健康狀況較好，天水至寶雞段及下游河段生態(tài)健康較差，不健康的點(diǎn)主要集中在下游，表現(xiàn)出顯著的空間差異。物理?xiàng)⒌?、水質(zhì)及水生生物的評(píng)價(jià)結(jié)果分別為亞健康、健康、亞健康，物理?xiàng)⒌嘏c水生生物狀況是影響河流生態(tài)系統(tǒng)健康的關(guān)鍵，主要受人為活動(dòng)以及自然環(huán)境的影響。針對(duì)特定河段需要采取相應(yīng)措施恢復(fù)生態(tài)健康。

關(guān)鍵詞 物理?xiàng)⒌?水質(zhì);水生生物;健康評(píng)價(jià)；渭河

中圖分類號(hào)：X822;X826? DOI：10.16152/j.cnki.xdxbzr.2024-03-007

Research on the health of Weihe River based onAHP fuzzy comprehensive evaluation

XIA Xiaoqiang， ZHANG Le， YAO Lijuan， LI Ke， LI Qi

（Shaanxi Key Laboratory of Earth Surface System and Environmental Carrying Capacity，College of Urban and Environmental Sciences， Northwest University， Xian 710127， China）

Abstract River health assessment provides a foundation for the sustainable development of rivers. As a first-class tributary of the Yellow River， the ecological health of Weihe River is of great significance for the high-quality development of the Yellow River. In order to comprehensively evaluate the health status of Weihe River Basin， the ecological health evaluation criteria of Weihe River Basin were established by selecting 3 criteria and 11 indicators， including physical habitat status， water quality status and aquatic organisms status. The weights were determined by AHP， and the Weihe River Basin was evaluated by multi-level fuzzy evaluation combined with the principle of maximum membership. The results show that 8 of the 25 points are in a healthy level; 13 were at sub-healthy level; 4 of them are in unhealthy level， and the comprehensive health evaluation result of Weihe River is sub-healthy. The ecological health status of the Weihe River headwaters， Baoji section to Xian section is good， while the ecological health of Tianshui—Baoji section and downstream section is poor， and the unhealthy points are mainly concentrated in the downstream， showing significant spatial differences. The evaluation results of physical habitat， water quality and aquatic organisms are sub-healthy， healthy and sub-healthy， respectively. Physical habitat and aquatic organisms are the key factors affecting the health of river ecosystem， which are mainly affected by human activities and natural environment. It needs to take relevant measures to restore the ecological health of Weihe River.

Keywords physical habitat; water quality; aquatic organisms; health evaluation； Weihe River

河流是重要的生態(tài)走廊之一，在生態(tài)系統(tǒng)和人類社會(huì)中發(fā)揮著關(guān)鍵作用［1-2］。然而由于河流形態(tài)、水生生境、河流連續(xù)體、水質(zhì)和水文特征的變化，河流生態(tài)系統(tǒng)面臨著前所未有的威脅和挑戰(zhàn)，河流生態(tài)系統(tǒng)退化嚴(yán)重，河流健康評(píng)估成為近年來(lái)的研究熱點(diǎn)［3-4］。河流健康評(píng)估在一些國(guó)家已經(jīng)廣泛開展［5-8］，在國(guó)內(nèi)，隨著河流污染問(wèn)題愈發(fā)嚴(yán)重，河流健康及生態(tài)保護(hù)越來(lái)越受到管理部門和社會(huì)的重視，部分學(xué)者對(duì)河流健康指標(biāo)、評(píng)價(jià)方法等進(jìn)行了深入研究［9-12］，以期使退化河流的生態(tài)恢復(fù)到自然狀態(tài)，讓河流具有可持續(xù)的生態(tài)價(jià)值及經(jīng)濟(jì)價(jià)值。黃河是我國(guó)重要的生態(tài)屏障和核心經(jīng)濟(jì)地帶，在經(jīng)濟(jì)發(fā)展和生態(tài)安全方面具有十分重要的地位［13］，推動(dòng)黃河流域生態(tài)保護(hù)和高質(zhì)量發(fā)展是國(guó)家的重大戰(zhàn)略［14］。渭河作為黃河的一級(jí)支流，是黃河流域生態(tài)保護(hù)和高質(zhì)量發(fā)展中的重要一環(huán)，且位于國(guó)家經(jīng)濟(jì)戰(zhàn)略布局“關(guān)中—天水”經(jīng)濟(jì)區(qū)的核心地帶，在西部大開發(fā)戰(zhàn)略中具有重要的地位并起橋梁作用［15］，渭河流域生態(tài)健康的重要性不言而喻。關(guān)于渭河流域生態(tài)健康評(píng)價(jià)已有學(xué)者從不同角度進(jìn)行了研究［16-19］，然而，河流生態(tài)系統(tǒng)是動(dòng)態(tài)變化的，耦合不同健康指標(biāo)構(gòu)建評(píng)價(jià)指標(biāo)體系提出符合黃河流域渭河的評(píng)價(jià)方法仍然有待深入探索［20］。

本研究以渭河干流為研究對(duì)象，并首次在渭河河流健康評(píng)價(jià)中采用了環(huán)境DNA技術(shù)，系統(tǒng)構(gòu)建水生生態(tài)系統(tǒng)健康度相關(guān)指標(biāo)。在參考水利部《河湖健康評(píng)價(jià)指南（試行）》基礎(chǔ)上，研究渭河河流物理形態(tài)結(jié)構(gòu)及生境、水質(zhì)、水生生物的發(fā)展變化，選取指標(biāo)建立渭河生態(tài)評(píng)價(jià)指標(biāo)體系和生態(tài)健康評(píng)價(jià)模型，對(duì)渭河的生態(tài)進(jìn)行全面評(píng)價(jià)，為渭河的流域保護(hù)治理提供參考。

1 研究區(qū)概況、數(shù)據(jù)來(lái)源與研究方法

1.1 研究區(qū)概況

渭河，古稱渭水，是黃河的最大支流。發(fā)源于甘肅省定西市渭源縣鳥鼠山，橫跨甘肅東部和陜西中部，自西向東主要流經(jīng)甘肅省渭源縣、武山縣、天水市，陜西省關(guān)中平原的寶雞市、咸陽(yáng)市、西安市、渭南市等，至渭南市潼關(guān)縣匯入黃河，全長(zhǎng)818 km，流域總面積134 766 km2（見圖1）。流域處于半干旱區(qū)域，地理特征比較復(fù)雜，北靠黃土丘陵和黃土高原，南臨秦嶺山脈，從全流域來(lái)看，其地形地貌特點(diǎn)明顯，總體呈西高東低。渭河橫穿整個(gè)關(guān)中平原，自上而下有眾多支流匯入干流，流域內(nèi)城鎮(zhèn)星羅密布，人口眾多，為流域內(nèi)提供了巨大的社會(huì)價(jià)值與生態(tài)服務(wù)，惠及人群甚廣。

1.2 基礎(chǔ)數(shù)據(jù)來(lái)源

為全面評(píng)價(jià)渭河的生態(tài)健康狀況，在渭河干流設(shè)置了25個(gè)采樣點(diǎn)位（見圖1）。采集2022年9月和2023年6月2期數(shù)據(jù)，包括物理?xiàng)⒌?、水質(zhì)及水生生物3方面。采樣結(jié)果顯示，渭河干流pH為8～9，重金屬、SO42-、PO43-、NO3-等指標(biāo)均低于《地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》Ⅰ類水標(biāo)準(zhǔn)，沒(méi)有明顯的空間變化，因此，確定水質(zhì)指標(biāo)為NH3-N、TP、DO以及COD。數(shù)據(jù)來(lái)源見表1。

1.3 評(píng)價(jià)指標(biāo)體系的建立

基于渭河流域水生態(tài)環(huán)境條件、 半干旱地區(qū)河流物理?xiàng)⒌刭|(zhì)量評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)， 遵照科學(xué)性、 層次性、 代表性原則， 依據(jù)參考文獻(xiàn)［21-23］，最終確定構(gòu)建目標(biāo)層、準(zhǔn)則層和指標(biāo)層3個(gè)層次的評(píng)價(jià)體系來(lái)進(jìn)行綜合評(píng)價(jià)。 第1層為目標(biāo)層， 全面綜合評(píng)價(jià)渭河河流生態(tài)健康狀況; 第2層為準(zhǔn)則層， 從物理?xiàng)⒌貭顩r、 水質(zhì)狀況、 水生生物狀況3個(gè)不同評(píng)價(jià)角度反映河流水生態(tài)健康水平; 第3層為指標(biāo)層， 由堤岸穩(wěn)定性、 河岸植被覆蓋度、土地利用類型、 河流渾濁程度、 溶解氧濃度、 化學(xué)需氧量、 水生生物等11個(gè)指標(biāo)組成。 其中藻類、 底棲生物和魚類采用Shannon-Wiener多樣性指數(shù)和Margalef物種豐富指數(shù)進(jìn)行評(píng)價(jià)， 計(jì)算方法為

H=-∑Si=1Pilog2Pi（1）

式中：H表示Shannon-Wiener多樣性指數(shù);S表示總物種數(shù);Pi表示第i個(gè)物種占總數(shù)的比例。

D=（S-1）ln N（2）

式中：D表示Margalef物種豐富指數(shù);S表示總物種數(shù);N為所有物種數(shù)的個(gè)體數(shù)之和。

根據(jù)《地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》、 Shannon-Wie-ner多樣性指數(shù)和Margalef物種豐富指數(shù)，構(gòu)建渭河生態(tài)健康評(píng)價(jià)體系，評(píng)判標(biāo)準(zhǔn)將渭河水生態(tài)健康評(píng)級(jí)分為Ⅰ類（非常健康） 、Ⅱ類（健康） 、Ⅲ類（亞健康） 、Ⅳ類（不健康） 、Ⅴ類（劣態(tài)） 5 個(gè)等級(jí)（見表2）。

1.4 權(quán)重的確定

指標(biāo)權(quán)重用于描述各個(gè)評(píng)價(jià)指標(biāo)對(duì)河流健康評(píng)價(jià)的隸屬性強(qiáng)弱，因此，指標(biāo)權(quán)重的分配很大程度上影響著評(píng)價(jià)結(jié)果的客觀性與準(zhǔn)確性［24］。本研究采用定性與定量相結(jié)合的分析方法——層次分析法（AHP），基于渭河采樣數(shù)據(jù)以及現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查數(shù)據(jù)，通過(guò)構(gòu)造判斷矩陣，進(jìn)行權(quán)重計(jì)算及一致性檢驗(yàn)，得到準(zhǔn)則層相對(duì)于目標(biāo)層的權(quán)重和指標(biāo)層相對(duì)于準(zhǔn)則層的權(quán)重，結(jié)果如表3所示。

1.5 多級(jí)模糊綜合評(píng)價(jià)法

模糊綜合評(píng)價(jià)法是一種基于模糊數(shù)學(xué)的綜合評(píng)價(jià)方法［25］。該方法根據(jù)模糊數(shù)學(xué)的隸屬度理論把定性評(píng)價(jià)轉(zhuǎn)化為定量評(píng)價(jià)，即用模糊數(shù)學(xué)對(duì)受到多種因素制約的事物或?qū)ο笞龀鲆粋€(gè)總體的評(píng)價(jià)［26］。本研究中渭河健康評(píng)價(jià)指標(biāo)體系共分為3層，因此可進(jìn)行2級(jí)模糊綜合評(píng)價(jià)，即指標(biāo)層對(duì)準(zhǔn)則層和準(zhǔn)則層對(duì)目標(biāo)層的評(píng)價(jià)。

1.5.1 建立因素集

A=｛A1，A2，A3，…，An｝? （3）

式中：A為一級(jí)指標(biāo)因素集。

對(duì)每個(gè)一級(jí)指標(biāo)按屬性劃分建立二級(jí)指標(biāo)因素集，表示第i層第j個(gè)指標(biāo)，

A1=｛Ai1，Ai2，Ai3，…，Aij｝ （4）

1.5.2 確定指標(biāo)權(quán)重集

用層次分析法（AHP）確定指標(biāo)權(quán)重，得到指標(biāo)層的權(quán)重集B=（B1，B2，B3，…，Bn）和準(zhǔn)則層權(quán)重集C=（C1，C2，C3，…，Cn）

1.5.3 模糊綜合評(píng)價(jià)

根據(jù)指標(biāo)特征類型，建立指標(biāo)對(duì)應(yīng)的隸屬函數(shù)與正向（數(shù)值越大效果越好）指標(biāo)，采用升半梯形隸屬函數(shù)，進(jìn)而得到隸屬度矩陣Di，再將指標(biāo)層的權(quán)重集B和隸屬度矩陣Di進(jìn)行線性變換，得到一級(jí)評(píng)價(jià)集Mi。最后把每個(gè)一級(jí)評(píng)價(jià)集Mi合并得到一級(jí)評(píng)價(jià)總集M，再把準(zhǔn)則層的權(quán)重集C和一級(jí)評(píng)價(jià)總集M進(jìn)行矩陣乘法運(yùn)算，得到最終的模糊綜合評(píng)價(jià)集S，

S=M×C? （5）

2 結(jié)果與討論

2.1 渭河物理?xiàng)⒌刭|(zhì)量評(píng)價(jià)

實(shí)地調(diào)查渭河干流25個(gè)采樣點(diǎn)的物理?xiàng)⒌噩F(xiàn)狀，選取4項(xiàng)指標(biāo)值（堤岸穩(wěn)定性、河岸帶植被覆蓋程度、土地利用類型、河流渾濁程度）來(lái)反映物理?xiàng)⒌貭顩r。渭河上游流經(jīng)黃土高原，以耕地和山地為主，其中夾雜著荒地裸土，生態(tài)環(huán)境脆弱，植被覆蓋率低，河堤穩(wěn)定性差，河水中泥沙含量高，河水渾濁;渭河中游林地和建設(shè)用地的比例上升，植被覆蓋率以及河堤穩(wěn)定性升高，水利工程及城市河道設(shè)施促使泥沙沉降，河水逐漸清澈;而渭河下游則以耕地為主，人類活動(dòng)干擾強(qiáng)，植被覆蓋率及河堤穩(wěn)定性較低，河水濁度再次升高。

渭河物理?xiàng)⒌厣鷳B(tài)健康評(píng)價(jià)如表4所示，25個(gè)點(diǎn)位中，有7個(gè)點(diǎn)處于Ⅱ類水平（健康），16個(gè)點(diǎn)處于Ⅲ類水平（亞健康），2個(gè)點(diǎn)處于Ⅳ類水平（不健康），Ⅲ類約占70％。從物理?xiàng)⒌亟嵌瓤?，渭河總體評(píng)價(jià)為亞健康。

2.2 渭河水質(zhì)質(zhì)量評(píng)價(jià)

水質(zhì)是河流健康的重要指標(biāo)，植物和動(dòng)物的生長(zhǎng)以及人類的生產(chǎn)和生活都離不開河流，水質(zhì)與整個(gè)流域內(nèi)生物和人類的生存環(huán)境直接相關(guān)［27］。渭河干流4個(gè)水質(zhì)指標(biāo)含量如圖2所示，DO在中游的含量高于上游和下游，原因在于中游（寶雞至西安段）藻類生長(zhǎng)情況較好，使得水中的溶解氧含量升高。從上游到下游，COD、TP、NH3-N含量總體呈上升趨勢(shì)（W13點(diǎn)位COD含量異常，是因?yàn)闃狱c(diǎn)處有黑臭污水匯入河流）。渭河過(guò)寶雞峽進(jìn)入關(guān)中平原后，中游流經(jīng)人口密集的陜西省西安市，而下游則以耕地為主，因此，生活污水和農(nóng)田污染是造成渭河水質(zhì)下降的主要原因［28］。

由表5可以看出，整個(gè)渭河河段的水質(zhì)從上游到下游呈遞減趨勢(shì)，25個(gè)采樣點(diǎn)中有7個(gè)處于Ⅰ類（非常健康），13個(gè)樣點(diǎn)處于Ⅱ類（健康），5個(gè)點(diǎn)處于Ⅲ類（亞健康），Ⅱ類水平以上的點(diǎn)占80％。從水質(zhì)方面來(lái)看，渭河總體處于健康狀態(tài)。

2.3 渭河水生生物多樣性評(píng)價(jià)

不同生物類群在河流生態(tài)系統(tǒng)中具有特殊的位置與生態(tài)功能，一定程度上能夠指示河流生態(tài)系統(tǒng)的變化。目前用于河流生物監(jiān)測(cè)與評(píng)價(jià)的生物類群包括細(xì)菌、浮游動(dòng)物、著生藻類、大型底棲動(dòng)物、高等水生植物、魚類等，而其中底棲生物、魚類及藻類應(yīng)用最為廣泛，最能反映水體生態(tài)健康狀況［29］。本研究選取底棲生物、魚類、藻類來(lái)反映渭河的生態(tài)健康。根據(jù)調(diào)查結(jié)果，渭河干流共鑒定出魚類6目11科35屬，其中鯉魚科類最多，共計(jì)18屬21種；藻類6門51屬262種，其中硅藻門物種數(shù)最多，共計(jì)26屬218種；底棲生物7綱17目56科。相較于傳統(tǒng)鑒定方法，如徐宗學(xué)等采用網(wǎng)捕法［30］，鑒定出渭河共有魚類5目10科33屬，底棲生物7綱16目56科，藻類5門46屬248種。吳錦濤共鑒定出魚類4目9科38種［31］，底棲生物7綱17目55科，藻類6門57種。而本研究采用環(huán)境DNA技術(shù)，? 能夠更全面地反映了渭河的水生生物種類（見圖3）。

如圖3所示，3類水生生物指數(shù)都呈先下降，再上升，后下降的變化趨勢(shì)。這是由于渭河上游源頭（W1、W2）水質(zhì)好，泥沙含量低，河床底質(zhì)復(fù)雜，適合生物生長(zhǎng);天水至寶雞段（W5—W9）地勢(shì)落差大，水流速度較快，且河水渾濁，透明度低，不利于生物的生長(zhǎng)繁殖，尤其對(duì)藻類的影響較大;而進(jìn)入關(guān)中平原后，寶雞至西安段（W10—W18）由于南岸支流的相繼匯入，河水平緩，含沙量相對(duì)較低，生物種類及數(shù)量增多，水生生物多樣性及完整度較好；西安市及下游段（W19—W25）水質(zhì)變差，TP以及NH3-N的含量升高，河水渾濁，不利于生物的生存。

結(jié)合魚類豐富度指數(shù)、藻類多樣性指數(shù)以及底棲生物多樣性指數(shù)，綜合評(píng)價(jià)渭河水生生物狀況，結(jié)果如表6所示。25個(gè)采樣點(diǎn)中，2個(gè)點(diǎn)位處于Ⅱ類（健康），20個(gè)點(diǎn)位處于Ⅲ類（亞健康），3個(gè)點(diǎn)位處于Ⅳ類（不健康），Ⅲ類占總點(diǎn)位的80％。從水生生物角度來(lái)看，渭河總體處于亞健康狀態(tài)。

2.4 渭河河流健康綜合評(píng)價(jià)

根據(jù)一級(jí)模糊綜合評(píng)價(jià)和準(zhǔn)則層權(quán)重，利用公式（5）得到渭河25個(gè)點(diǎn)位的綜合模糊評(píng)價(jià)集，并依據(jù)最大隸屬度原則，確定每個(gè)點(diǎn)位的評(píng)價(jià)等級(jí)。渭河河流健康綜合評(píng)價(jià)結(jié)果如圖4所示，25個(gè)點(diǎn)位中處于健康水平的有8個(gè)，處于亞健康水平的有13個(gè)，處于不健康水平的有4個(gè)。在空間分布上，渭河源頭（W1、W2）、寶雞至西安段（W10—W18）河流生態(tài)健康狀況較好，天水至寶雞（W5—W9）及下游段（W19—W25）河流生態(tài)健康較差，不健康的點(diǎn)主要集中在下游。處于亞健康的點(diǎn)位占56％，因此，渭河總體評(píng)價(jià)為亞健康水平，這一結(jié)論與前人研究結(jié)果基本相符，但本文指標(biāo)更加豐富，更能全面地反映渭河的生態(tài)健康現(xiàn)狀。徐宗學(xué)等基于水生生物群落結(jié)構(gòu)特征對(duì)渭河河流健康做了研究［17］，結(jié)果顯示渭河流域水生態(tài)系統(tǒng)健康狀況較差，受人類活動(dòng)影響明顯，大體表現(xiàn)為從上游到下游健康狀況越來(lái)越差的趨勢(shì);王偉以河岸帶狀況、水質(zhì)及浮游植物作為指標(biāo)對(duì)渭河進(jìn)行健康評(píng)價(jià)［29］，評(píng)價(jià)結(jié)果為亞健康。

3 結(jié)論

本研究基于河流物理?xiàng)⒌匦螒B(tài)、河流水質(zhì)、物理?xiàng)⒌?個(gè)準(zhǔn)則層11個(gè)指標(biāo)構(gòu)建渭河河流健康評(píng)價(jià)體系，運(yùn)用AHP-模糊綜合評(píng)價(jià)法對(duì)渭河健康狀況進(jìn)行評(píng)價(jià)：

1）渭河綜合健康評(píng)價(jià)結(jié)果為亞健康狀態(tài)，25個(gè)點(diǎn)位中有8個(gè)處于Ⅱ類，13個(gè)處于Ⅲ類，4個(gè)處于Ⅳ類。物理?xiàng)⒌貙?duì)于渭河的總體評(píng)價(jià)為亞健康，水質(zhì)對(duì)于渭河的總體評(píng)價(jià)為健康，水生生物對(duì)于渭河的總體評(píng)價(jià)為亞健康。水生生物以及物理?xiàng)⒌貭顩r是影響渭河生態(tài)健康的關(guān)鍵。

2）在空間上，渭河生態(tài)健康自上游到下游呈下降—上升—下降的趨勢(shì)，渭河源頭（W1、W2）、寶雞至西安段（W10—W18）河流生態(tài)健康狀況較好，天水至寶雞（W5—W9）及下游段（W19—W25）河流生態(tài)健康較差，不健康的點(diǎn)主要集中在下游。

針對(duì)渭河當(dāng)前的生態(tài)健康狀況，應(yīng)當(dāng)采取多舉措并行的治理對(duì)策。從物理?xiàng)⒌亟嵌瘸霭l(fā)，渭河上游及下游物理?xiàng)⒌卦u(píng)價(jià)較低，要著重保護(hù)上游脆弱的生態(tài)環(huán)境，減少人類活動(dòng)干擾及土地利用強(qiáng)度，增加河岸帶植被覆蓋面積率;從水質(zhì)角度出發(fā)，渭河中下游水質(zhì)狀況逐漸變差，應(yīng)盡量減少農(nóng)業(yè)徑流量，工業(yè)廢水和生活污水應(yīng)經(jīng)過(guò)處理，達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)后排放，減少河流中污染物質(zhì)的含量，改善河流水質(zhì)狀況;從水生生物角度出發(fā)，改善水生生物的生存環(huán)境，提高水生生物多樣性。

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（編 輯 李 波）

基金項(xiàng)目：國(guó)家自然科學(xué)基金重點(diǎn)項(xiàng)目（42230513）;國(guó)家自然科學(xué)基金面上項(xiàng)目（42277414）。

第一作者：夏小強(qiáng)，男，從事環(huán)境生態(tài)評(píng)價(jià)研究，1121789270@qq.com。

通信作者：李琦，女，博士，教授，從事水資源與水環(huán)境安全研究，qili726@nwu.edu.cn。