城市湖泊生態健康評價指標體系研究

吳佳鵬，劉來勝，王啟文，高繼軍

(中國水利水電科學研究院，北京 100038)

0 引 言

城市湖泊是指位于城區或近郊區的湖泊，是城市生態系統主要構成部分之一。近年來，城市湖泊作為城市規劃和建設的熱點，人工湖泊作為水景觀不斷涌現。城市湖泊是自然過程與城市人類活動共同作用的劇烈地帶，是城市重要的資源環境載體，具有調節水文和氣候、改善水質和空氣、文化娛樂、美化城市面貌等重要生態服務功能[1-2]。

在自身形態、功能和水循環特性上，城市湖泊與天然湖泊有很大的差異。具有湖體及湖岸帶人工化、湖盆較淺、水體置換周期長、水生動植物缺失等特征，致使城市湖泊水流緩滯且無定向流動、水體自凈能力差。大量營養鹽的注入造成我國部分城市湖泊富營養化狀況日益加劇，生態系統的穩定性和服務功能喪失，常常出現藻類爆發、水體黑臭等現象，給城市生態環境和人居環境質量帶來嚴重的負面影響[3]。

目前，城市湖泊保護和修復成為城市水生態領域研究的熱點和焦點問題，以往更多關注生態修復或水質凈化的效果研究[4]。但關于如何表征景觀優美、岸線形態合理、生態服務功能完整、自我修復能力較強等健康城市湖泊生態特征[5]，缺乏綜合評價研究。因此，本文結合已有成果，構建城市湖泊生態健康評價指標體系，包括指標體系及賦值標準等內容，期望為城市湖泊規劃建設和生態修復和提供借鑒。

1 城市湖泊生態修復指標體系構建

1.1 指標體系構建原則

指標體系構建是城市湖泊健康評價的前提，科學性、合理性和有效性的指標體系，直接決定了評價結論的可信度。一般而言，指標體系構建應遵循以下原則：①目標明確，可指導城市湖泊生態保護和修復工作；②普適性好，應用較多，并被證明適宜性較好；③能突出城市湖泊生態環境特色；④可操作性強，評價數據和資料較容易獲取；⑤易于量化客觀性指標；⑥指標體系全面、相對獨立、指標之間不重復。

1.2 指標體系構建

參考國內外已往研究[6-10]，構建了包含湖泊岸邊帶狀況、湖體岸線形態、水文水動力條件、水質狀況、水生物狀況等5個要素17個指標的評價體系。

1.2.1湖濱帶狀況

湖濱帶是陸生生態系統與水生生態系統間的交錯帶，又名湖濱水-陸交錯帶，即最低水位線和最高水位線之間的水位變動區。湖濱帶作為連接水陸生態系統的特殊過渡帶，在生物與非生物因子的交互作用下，具有提供滯緩水流、攔截污染、凈化水質、生物棲息地等多種生態服務功能，是維護城市湖泊健康生態系統的重要屏障[11]。為全面反映岸邊帶的變化狀況，采用C11湖濱帶自然化率、C12湖濱帶陸向輻射帶寬度、C13景觀連通性3個指標，反映岸邊帶的自然狀態、保護地帶立地條件及連通性條件。其中，湖濱帶自然化率指湖濱帶范圍內未經人工破壞的區域或經人工修復且符合自然生態要求區域面積占湖濱帶總面積的比例；湖濱帶陸向輻射帶寬度指沿湖泊岸線向陸域湖濱帶寬度；景觀連通性指湖濱帶每10km被人為建(構)筑物中斷(>100m)的次數。上述3個指標均可以通過湖濱帶生態環境調查獲取。

1.2.2湖體岸線形態

湖泊的岸線形態對外部環境和污染源對湖泊的擾動程度會產生直接影響，且湖體內水動力過程及污染物質的遷移轉化通常受到湖底形態影響[5]。選取C21岸線發育系數、C22形狀率和C23緊湊度3個指標表征湖泊的岸線形態。岸線發育系數表征岸線的不規則程度，岸線發展系數越大，說明湖岸曲折多變。形狀率指標值較小，反映為湖泊水面寬窄變化較大、岸線曲率大、湖泊局部形狀相對封閉。緊湊度表示湖泊水面形態的指數，反映了湖面開闊度，數值越高，湖面相對開闊；反之，則表示湖泊越顯狹長。

岸線發育系數計算公式[6]為

(1)

式中，DL為岸線發育系數；SL為湖泊岸線長度；A為面積。

形狀率計算公式[7]為

(2)

式中，FR為形狀率；L為最長軸長度；A同上。

緊湊度計算公式[7]為

(3)

式中，C為緊湊度；A0為最小外接圓面積；A同上。

1.2.3水文水動力學條件

湖泊水文條件是湖泊生態系統各種理化和生物過程的基礎，水文條件變化會引起湖泊生態系統一系列改變，在國內外湖泊修復評價中，水文指標是指標體系重要組成部分。為全面反映湖泊水文狀態變化，采用C31湖泊壓力指數、C32最小生態環境需水量保障度、C33全湖或分區平均流速、C34流速標準差和C35滯水區(流速≤0.000 5 m/s)面積比例等5個指標，反映水位變動、不同水期水量變化以及湖泊水動力學條件優劣。

湖泊壓力指數[8]反映人類活動或全球氣候變化對湖泊各項水文要素的干擾程度，計算公式為

LS=(LF+HF+CV+PZ+SP)/5

(4)

式中，LF為低水位指標；HF為高水位指標；CV為變差系數；PZ為極端低流量比率指標；SP為季節性周期指標。

最小生態需水量是維持湖泊系統和諧與穩定所必須消耗的水分。最小生態環境需水量保障度為實際生態水量與計算湖泊最小生態需水量的比值，最小生態環境需水量計算方法較多。

全湖或分區平均流速反映湖水的活性和置換的速度；流速標準差反映流速分布的均勻性；滯水區(流速≤0.000 5 m/s)面積比例反映滯水區或死水區的大小，上述指標可以構建二維水動力學模型分析獲得。

1.2.4水質狀況

基于湖泊水質監測結果，采用氨氮、總磷、總氮、高錳酸鹽指數等水質指標計算C41水質達標率。湖泊C42富營養化狀況選用綜合營養狀態指數法計算。上述兩個指標按《地表水環境質量評價辦法(試行)》計算。

利用汞、鎘、鉻、鉛、砷等5種重金屬濃度，采用污染物潛在風險指數計算湖泊C43沉積物中重金屬污染指數[9]。即

(5)

(6)

(7)

1.2.5水生態狀況

構建良好的水生態系統也是城市湖泊生態修復的重要目標之一。湖泊修復的水生態指標選取C51浮游植物多樣性指數、C52浮游動物多樣性指數和C53底棲生物多樣性指數等3個指標表征，通過上述指數反映生境的優劣。其中，浮游植物多樣性指數[10]表示浮游植物群落的種類和數量的數值；浮游動物多樣性指數表示浮游動物群落的種類和數量的數值；底棲生物多樣性指數表示底棲群落的種類和數量的數值。多樣性指數計算公式為

H=-∑(Ni/N)log2(Ni/N)

(8)

式中，H為Shannon-Weaver多樣性指數；Ni為i種的個體數；N為所有種類總數的個體數。

2 賦值標準

湖泊生態保護和修復的目的是恢復湖泊健康，目前關于健康湖泊的賦值標準存在較大主觀性。采用統一指標體系和賦值標準，可以增強湖泊生態修復效果評價的可比性。由于地形地貌、氣候、社會經濟發展條件等方面的不同，導致不同湖泊生態健康目標存在較大差異，評價指標和賦值標準較難統一。

遵循現狀湖濱帶自然化率不降低的原則，城市湖泊湖濱帶自然化率按照湖泊水體水質類別確定，對于Ⅳ～Ⅴ類的湖泊，自然化率應介于75%～80%。湖濱輻射帶寬度應依據湖泊深淺有所差別，一般淺水湖泊湖濱輻射帶寬度應大于50 m，深水湖泊湖濱輻射帶寬度不宜小于30 m；且輻射帶寬度應根據匯流水量水質狀況、下墊面條件等進行相應調整。為保持湖濱帶整體連通性，降低景觀破碎化，景觀連通性一般要求每10 km被人為建(構)筑物中斷(>100 m)應在2處以下。

美妙的湖泊景觀應以流暢、不間斷的岸線形態為主，呈非規則形狀，且呈現一定的曲折變化。根據有關研究結果，湖泊岸線發育系數集中在[2，6]之間。同時優美的水體形態整體曲率較大，寬窄變化較多，變化豐富，湖泊岸線形狀率不小于0.5。為了保證湖泊具有一定的開闊程度，緊湊度一般介于[0.3，0.5]之間[7]。

湖泊壓力指數越大表征湖泊自然節律越顯著，受人為調控影響越小，通常要求其值不小于0.8。生態需水量不足，將直接干擾湖泊生態系統的動態平衡及其功能的正常發揮。目前最小生態需水量計算常用的方法包括曲線相關法、功能法、最低生態水位法等[12-13]。一般認為城市湖泊最小生態需水量保障率不應低于80%。關于全湖或分區平均流速、流速標準差和滯水區面積比例主要從改善湖泊水動力學條件，降低水體富營養化角度出發提出的控制指標。現有研究表明，以平均流速不小于0.2m/s[14]，滯水區面積比例控制到15%以下為宜[15]。

城市湖泊景觀水體通常具有水域面積較小、易受污染、水深較淺、水體自凈能力較低、多為靜止或流動性弱等特點，一般認為，維持水體不發生富營養化的指標為水體含氮量小于0.20 mg/L，含磷量小于0.01 mg/L，生化需氧量不大于10.00 mg/L，葉綠素a濃度不大于10.00 mg/L[16]。沉積物中重金屬潛在輕微生態風險污染指數不大于120[9]。因此建議城市湖泊按上述指標限值控制。

水生生物多樣性指數包括Shannon-Weaver多樣性指數、Margalef多樣性指數、均勻度指數等，常用的是Shannon-Weaver多樣性指數，指數值H為0～1時水體為重度污染，1～3為中度污染，大于3為輕度污染或無污染[10]。

3 結論與討論

(1)本文結合湖泊形態評價、水質評價、生態功能評價等方面的研究，并參考《湖泊生態安全調查與評估技術指南》、《湖濱帶生態修復工程技術指南》、《地表水環境質量評價辦法(試行)》等相關國家標準和行業標準，建立了5個要素17個指標城市湖泊生態健康評價指標體系框架；給出了單項指標的具體解釋和評價參考標準。

(2)城市湖泊生態健康評價未來的發展，除了應考慮水生態健康功能外，還應考慮生態服務功能，如水源涵養功能評價、棲息地功能評價、攔截凈化功能評價等，不同區域城市湖泊生態修復評價指標和評價標準也有不同，本文還未細化不同地域城市湖泊健康評價指標體系。本文盡管給出了單項指標的評價標準，但具體的評分細則和成熟的評價方法，以及綜合評價方法還需進一步完善。

(3)目前，城市湖泊生態修復處于探索完善階段，城市湖泊生態健康評價是一個新的課題，尤其是健康理想賦值或閾值研究多停留在理論階段，本文建立的評價指標體系，會隨著對城市湖泊修復工作的進一步開展而發生變化。因此，指標體系需要不斷地優化和完善，并通過實踐檢驗其可行性。