湖泊生態環境系統健康評價與研究

張 煒，孫 晨，蘇 晨，張小岳

(1.河海大學設計研究院有限公司，江蘇 南京 210098；2. 南京瑞迪建設科技有限公司，江蘇 南京 210098；3.寶應縣水務局，江蘇 揚州 225800)

1 概述

河湖水系是地表水資源的主要載體，是維系生態系統健康的重要因子[1]，具有提供水源、調節河川徑流、改善區域生態環境、維護地球生態平衡等多種功能[2]。我國湖泊生態健康維護形勢非常嚴峻，流域內工業企業排污不斷增多，湖區內漁業養殖密度不斷增大，湖泊周邊土地圍墾持續增加壓縮湖泊生態空間，湖泊生態環境持續惡化，嚴重威脅壞湖泊生態環境系統健康。為保護湖泊生態環境和生物多樣性，恢復被破壞的湖泊生態系統，持續開發利用湖泊資源，必需加強對湖泊生態健康的管理，以確保湖泊及其周邊生態環境系統和社會經濟系統的可持續發展[3]。應用合理的方法對湖泊生態環境系統進行評價，能夠為湖泊管理和開發利用提供關鍵的決策依據。

用于湖泊生態系統的模型軟件主要有：AQUATOX、PAMOLARE、CAEDYM、WASP、OOMAS[4]，以上模型廣泛被應用于湖泊生態系統的演變，尤其應用在湖泊形態與水質之間關系的分析方面。為了有效評估湖泊環境污染狀況，國內外學者對湖泊生態環境評價的研究包括中國湖泊古生態研究進展、湖泊生態環境評價分析與研究、淺水湖泊湖沼學與太湖富營養化控制研究、南京市生態河湖建設的實踐與思考、Spatiotemporal Evolution of Ecological Security in the Wanjiang City Belt，China等[5- 8]。整體上看，當前大部分研究仍停留在模型應用階段且出發點相對單一，沒有綜合考慮整個湖泊流域相對復雜的外部生態環境影響條件，綜合性評價的研究相對較少。本文把整個湖泊流域作為一個整體，基于“驅動力-壓力-狀態-影響-響應”模型，建立了一套系統度量湖泊生態環境系統健康水平的指標體系和評價方法，并以江蘇省寶應湖為例，對其生態環境系統的健康水平進行評估。

2 評價體系

2.1 模型構建

DPSIR模型是由歐洲環境局(EEA)綜合壓力-狀態-反應(PSR)和驅動力-狀態-響應(DSR)框架的優點制定[9]，該模型能夠更好地體現因素間的因果關系鏈條組織信息，具有綜合性、系統性、靈活性等特點，其科學性和合理性實用性得到了多方的檢驗，被廣泛運用于生態環境管理與保護、可持續發展、循環經濟等領域[10]。DPSIR模型十分適合運用在湖泊生態環境系統的分析評價當中，可以從驅動力、壓力、狀態、影響及響應5個方面對湖泊生態環境系統進分析評價，能夠全面系統地反映湖泊生態環境系統的健康水平。

湖泊生態環境系統驅動力指湖泊生態環境系統變化的潛在原因，是推動湖泊生態環境系統變化的內部根本動力，包括經濟發展水平與需求、開發利用活動等因素；湖泊生態環境系統壓力指人類活動對湖泊生態環境系統產生的影響，是湖泊生態環境系統中最為直接的壓力因子，主要表現為對湖泊生態環境健康和可持續發展造成的阻力，主要包括污染物入湖通量、動植物棲息地和水安全要求等因素；湖泊生態環境系統狀態指湖泊在以上壓力下所處在的一個生態環境狀況，是各要素在質和量的綜合體現，包括湖泊水質、湖區土地和人文景觀開發利用等因素；湖泊生態環境系統影響指湖泊所處的狀態對其生態環境系統的影響，包括不利開發活動、水生維管束植物覆蓋率、生物多樣性等因素；湖泊生態環境系統響應是指為實現湖泊生態環境系統健康而制定并采取積極有效的措施與對策，包括湖泊保護資金投入、水環境污染治理、湖泊管理等因素。

DPSIR模型可以細致的分析描述影響湖泊生態環境系統健康各個因素之間的相互關系，與建設生態健康湖泊的基本要求也有相承之處，通俗地說，就國家生態河湖建設來說，要達到既定的效果，可以通過調節“驅動力”、減輕“壓力”、改善“狀態”、降低“影響”、優化“響應”等途徑來實現，完全可以將DPSIR這一模型引入到湖泊生態環境系統健康分析評價當中，如圖1所示。

2.2 指標選擇

湖泊生態環境系統健康水平的內涵是指標選擇中需要考慮的首要因素，趙艷紅等選取入湖流量、湖濱帶評估、河湖連通狀況、水資源開發利用、防洪、公眾滿意度等方面的指標進行湖泊健康評價。祁天龍[11]應用壓力-狀態-響應模型從壓力、狀態、響應三個準則層，人口密度、水資源開發利用率等15個指標進行河流的生態系統健康評價。安婷等從水質、水資源、物理完整性、生物完整性、社會服務功能等準則層進行河湖健康評價。本文研究的湖泊生態環境系統健康水平是自然與人為因素對湖泊產生影響后的一種狀態，需要對湖泊生態環境系統健康具有影響的生產、生活、生態的內在因素進行深入分析，指標選擇還要緊扣生態健康湖泊建設的目標要求。因此，在構建湖泊生態環境系統健康分析評價指標體系中，既要考慮與生產生活相關的產出增加，又要考慮生產生活給生態環境帶來的一系列負面影響；既要考慮生態環境帶來的效益，又要考慮環境改善所產生新增加的效益，以起到對湖泊生態環境系統全面系統客觀評價的指導和參考作用。所以湖泊生態環境系統健康分析評價要從湖泊生態健康的核心出發，結合國家生態河湖建

圖1 湖泊生態環境系統健康分析評價框架

設的要求，遵循DPSIR模型原理，按照科學性、系統性、可獲取性、可比性以及易量化等原則選取指標，采用問題驅動與因果關系的范式，將評價指標體系分為3個層次：第一是目標層，以生態環境系統健康綜合指數作為綜合評價目標；第二是準則層，共5個，包括湖泊生態環境系統驅動力、湖泊生態環境系統壓力、湖泊生態環境系統狀態、湖泊生態環境系統影響以及湖泊生態環境系統響應； 第三是指標層，緊扣準則層的各個因素提出，包括 15個具體的指標。據此構建湖泊生態環境系統健康分析評價指標體系，見表 1。

2.3 指標權重

本文采用相關加權指數法計算指標權重。首先選定能夠大致表征湖泊生態系統健康狀況的一些代表性指標作為評價湖泊生態系統健康狀況的基準指標，其余指標根據與基準指標的相關程度計算權重，計算方法如下：

(1)

式中，Wi—第i個指標所占的權重；ril—第個指標與基準指標的相關系數；m—評價指標的個數。

計算結果見表2。

2.4 指標評價

2.4.1指標數據歸一化處理

考慮到各個指標值在數量級與量綱上有較大差異，需要對這些評估指標進行無量綱化處理來消除它們之間的量綱差異，統一各個指標的變化區間[12]。z值歸一化法具有不受數據量級的影響的優點，可使各指標轉換到同一量綱下，并把指標數據映射到[0，1]區間內。指標歸一化的公式為：

(2)

Xj=∑Xij/n

(3)

Sj=∑(Xij-Xj)2/(n-1)

(4)

式中，Xij—第i個準則層下第j個指標的值；Xj—第j個指標的平均值，Sj—第j個指標的標準差。

2.4.2指標計算

采用加權求和法計算湖泊生態環境系統健康綜合指數，計算方法如下：

(5)

(6)

(7)

式中，Ak—第k個準則層的分值；Wk—第k個準則層對目標層的權重系數；Bi—指標層的狀態指數；Wi—指標層相對于準則層的權重系數；Wj—指標層相對于準則層的權重系數；Cij—指標層標準化值。

表1 湖泊生態環境系統健康分析評價指標體系

表2 湖泊生態環境系統健康評價指標權重

2.4.3評價等級

將湖泊生態環境系統健康水平分為很好、較好、中等、較差、很差五個等級，分別對應的EHI為0.80～1.00、0.60～0.80、0.40～0.60、0.20～0.40、0.00～0.20。

3 實例應用

3.1 寶應湖概況

寶應湖位于江蘇省中部地區，在高郵湖和寶應湖之間，地跨揚州、淮安兩市。寶應湖原為運西湖泊群，1970年5月，淮河入江水道的三河攔河壩、淮南圩、大汕子隔堤及寶應湖退水閘建成，將寶應湖與高郵湖分開，使淮河洪水由金溝改道直入高郵湖、邵伯湖歸江，寶應湖成為內湖。20世紀70—80年代國家鼓勵圍墾，湖區內圍湖造田使高程6.50m以上的湖泊灘地變成了農田或居住地。現狀寶應湖是一個沒有湖盆，沒有封閉湖堤的河道狀湖泊，由一個狹長的湖面和幾條深弘河道及圩外灘面組成。

寶應湖匯水面積1008km2；湖底平均高程5.00m。死水位5.30m，相應容積0.42億m3；正常蓄水位5.70m，相應面積38.69km2，相應容積0.56億m3；設計洪水位7.50m，相應面積76.29km2，相應容積3.08億m3。20世紀初，寶應湖無序、低效開發利用，非法侵占以及圍墾等現象普遍存在，大大影響了湖泊生態環境。因此，進行寶應湖生態環境系統健康評價，識別影響寶應湖生態環境系統健康影響的主要因素，是寶應湖生態環境保護工作的必要前提。

3.2 模型計算

收集寶應湖多年監測數據、管理年報，江蘇省環境質量公報，江蘇省水資源公報等多方資料，并結合寶應湖現場實地調查情況，采用上述評價方法進行寶應湖生態環境系統健康評價，見表3。

采用加權求和法計算寶應湖生態環境系統健康指數為0.691，湖泊總體生態環境系統健康處于“較好”狀態。

本文還將寶應湖劃分為若干個單元，對各單元的EHI分別進行了計算。計算結果顯示各單元生態安全狀態差異顯著，東南部與京杭大運河交匯處處于“很好”狀態，淮河入江水道交匯處處于“中等”狀態，大汕子河、南北公司河、北部養殖區等處于“較差”狀態，如圖2所示。

3.3 評價結論

寶應湖EHI為0.691，生態環境系統總體處于“較好”狀態，東南部處于“很好”狀態，西南部處于“中等”狀態，西北部處于“較差”狀態。通過湖泊生態環境系統健康評價，確定寶應湖存在的主要問題如下：

(1)寶應湖圍墾面積較大，損害湖泊自然資源，破壞湖泊生態環境；減弱湖區的調蓄抗災功能，加劇汛期洪澇災害的發生、低湖田土壤環境惡化，效益下降；圍墾使大片自然濕地環境遭到破壞，致使水生動、植物種類發生變化，破壞了繁殖、肥育的生態條件，使湖區的水產資源受到極大損害。

表3 寶應湖生態環境系統健康水平評價指標賦值表

圖2 寶應湖生態環境系統健康評價區域差異性

(2)寶應湖入湖河道周邊生活污水和農業面源污染較嚴重，湖泊污染負荷較大，致使湖區西北部水質較差，會出現一定的富營養化現象。

(3)寶應湖部分區域已經退漁還湖，但仍有約40%的水面被圈圍或圍網養魚，湖泊受脅迫狀況不容樂觀，大量粗放無序的養殖帶來了化肥、餌料的二次污染，加劇水體富營養化，進一步惡化水質，降低水功能區水質達標率。

(4)由于大量的圍墾、圍網，破壞了湖泊原有的自然濕地，降低了湖泊及入湖河口的攔截凈化能力，區域水環境自凈能力相對不高。

(5)寶應湖通過高郵湖、邵伯湖、入江水道與長江連通，形成了長江魚類天然的洄游通道，寶應湖也是長江中下游魚類產卵洄游的主要目的地之一，因此寶應湖水生生物豐富。

寶應湖生態健康建設的主要建議：寶應湖大面積圍墾壓縮湖泊生態空間，流域內工業發展加大寶應湖污染負荷，圍網養殖加劇水體污染，湖泊生態保護形勢不容樂觀。開展退圩還湖、退漁還湖可提升湖泊生態空間，提高湖泊自凈能力，改善湖泊生態環境；開展流域生態環境綜合治理，可改善入湖河道水質，降低污染負荷，提高湖泊水質標準；加強河湖管理能力建設，可及時有效杜絕與湖泊保護相違背的行為，維護湖泊治理成效。

4 結語

本文以寶應湖為例，進行湖泊生態環境系統的健康評價，掌握了寶應湖生態環境系統的損害現狀與程度，識別并確定影響生態環境系統健康的關鍵因子，為寶應湖生態保護提出的科學建議與寶應湖保護的實際需求和生態湖泊建設的規劃項目基本吻合。

引用DPSIR環境管理模型構建湖泊生態環境系統健康分析評價框架，可以更好地展現生態健康湖泊的核心要義，可通過調節“驅動力”、減輕“壓力”、改善“狀態”、降低“影響”、優化“響應”等途徑來提高湖泊生態環境系統健康水平，能夠作為判斷湖泊健康狀態和生態環境問題之間因果關系的有效工具。