湖泊生態(tài)環(huán)境系統(tǒng)健康評(píng)價(jià)與研究

張 煒，孫 晨，蘇 晨，張小岳

(1.河海大學(xué)設(shè)計(jì)研究院有限公司，江蘇 南京 210098；2. 南京瑞迪建設(shè)科技有限公司，江蘇 南京 210098；3.寶應(yīng)縣水務(wù)局，江蘇 揚(yáng)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(tài)系統(tǒng)健康的重要因子[1]，具有提供水源、調(diào)節(jié)河川徑流、改善區(qū)域生態(tài)環(huán)境、維護(hù)地球生態(tài)平衡等多種功能[2]。我國湖泊生態(tài)健康維護(hù)形勢(shì)非常嚴(yán)峻，流域內(nèi)工業(yè)企業(yè)排污不斷增多，湖區(qū)內(nèi)漁業(yè)養(yǎng)殖密度不斷增大，湖泊周邊土地圍墾持續(xù)增加壓縮湖泊生態(tài)空間，湖泊生態(tài)環(huán)境持續(xù)惡化，嚴(yán)重威脅壞湖泊生態(tài)環(huán)境系統(tǒng)健康。為保護(hù)湖泊生態(tài)環(huán)境和生物多樣性，恢復(fù)被破壞的湖泊生態(tài)系統(tǒng)，持續(xù)開發(fā)利用湖泊資源，必需加強(qiáng)對(duì)湖泊生態(tài)健康的管理，以確保湖泊及其周邊生態(tài)環(huán)境系統(tǒng)和社會(huì)經(jīng)濟(jì)系統(tǒng)的可持續(xù)發(fā)展[3]。應(yīng)用合理的方法對(duì)湖泊生態(tài)環(huán)境系統(tǒng)進(jìn)行評(píng)價(jià)，能夠?yàn)楹垂芾砗烷_發(fā)利用提供關(guān)鍵的決策依據(jù)。

用于湖泊生態(tài)系統(tǒng)的模型軟件主要有：AQUATOX、PAMOLARE、CAEDYM、WASP、OOMAS[4]，以上模型廣泛被應(yīng)用于湖泊生態(tài)系統(tǒng)的演變，尤其應(yīng)用在湖泊形態(tài)與水質(zhì)之間關(guān)系的分析方面。為了有效評(píng)估湖泊環(huán)境污染狀況，國內(nèi)外學(xué)者對(duì)湖泊生態(tài)環(huán)境評(píng)價(jià)的研究包括中國湖泊古生態(tài)研究進(jìn)展、湖泊生態(tài)環(huán)境評(píng)價(jià)分析與研究、淺水湖泊湖沼學(xué)與太湖富營養(yǎng)化控制研究、南京市生態(tài)河湖建設(shè)的實(shí)踐與思考、Spatiotemporal Evolution of Ecological Security in the Wanjiang City Belt，China等[5- 8]。整體上看，當(dāng)前大部分研究仍停留在模型應(yīng)用階段且出發(fā)點(diǎn)相對(duì)單一，沒有綜合考慮整個(gè)湖泊流域相對(duì)復(fù)雜的外部生態(tài)環(huán)境影響條件，綜合性評(píng)價(jià)的研究相對(duì)較少。本文把整個(gè)湖泊流域作為一個(gè)整體，基于“驅(qū)動(dòng)力-壓力-狀態(tài)-影響-響應(yīng)”模型，建立了一套系統(tǒng)度量湖泊生態(tài)環(huán)境系統(tǒng)健康水平的指標(biāo)體系和評(píng)價(jià)方法，并以江蘇省寶應(yīng)湖為例，對(duì)其生態(tài)環(huán)境系統(tǒng)的健康水平進(jìn)行評(píng)估。

2 評(píng)價(jià)體系

2.1 模型構(gòu)建

DPSIR模型是由歐洲環(huán)境局(EEA)綜合壓力-狀態(tài)-反應(yīng)(PSR)和驅(qū)動(dòng)力-狀態(tài)-響應(yīng)(DSR)框架的優(yōu)點(diǎn)制定[9]，該模型能夠更好地體現(xiàn)因素間的因果關(guān)系鏈條組織信息，具有綜合性、系統(tǒng)性、靈活性等特點(diǎn)，其科學(xué)性和合理性實(shí)用性得到了多方的檢驗(yàn)，被廣泛運(yùn)用于生態(tài)環(huán)境管理與保護(hù)、可持續(xù)發(fā)展、循環(huán)經(jīng)濟(jì)等領(lǐng)域[10]。DPSIR模型十分適合運(yùn)用在湖泊生態(tài)環(huán)境系統(tǒng)的分析評(píng)價(jià)當(dāng)中，可以從驅(qū)動(dòng)力、壓力、狀態(tài)、影響及響應(yīng)5個(gè)方面對(duì)湖泊生態(tài)環(huán)境系統(tǒng)進(jìn)分析評(píng)價(jià)，能夠全面系統(tǒng)地反映湖泊生態(tài)環(huán)境系統(tǒng)的健康水平。

湖泊生態(tài)環(huán)境系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)力指湖泊生態(tài)環(huán)境系統(tǒng)變化的潛在原因，是推動(dòng)湖泊生態(tài)環(huán)境系統(tǒng)變化的內(nèi)部根本動(dòng)力，包括經(jīng)濟(jì)發(fā)展水平與需求、開發(fā)利用活動(dòng)等因素；湖泊生態(tài)環(huán)境系統(tǒng)壓力指人類活動(dòng)對(duì)湖泊生態(tài)環(huán)境系統(tǒng)產(chǎn)生的影響，是湖泊生態(tài)環(huán)境系統(tǒng)中最為直接的壓力因子，主要表現(xiàn)為對(duì)湖泊生態(tài)環(huán)境健康和可持續(xù)發(fā)展造成的阻力，主要包括污染物入湖通量、動(dòng)植物棲息地和水安全要求等因素；湖泊生態(tài)環(huán)境系統(tǒng)狀態(tài)指湖泊在以上壓力下所處在的一個(gè)生態(tài)環(huán)境狀況，是各要素在質(zhì)和量的綜合體現(xiàn)，包括湖泊水質(zhì)、湖區(qū)土地和人文景觀開發(fā)利用等因素；湖泊生態(tài)環(huán)境系統(tǒng)影響指湖泊所處的狀態(tài)對(duì)其生態(tài)環(huán)境系統(tǒng)的影響，包括不利開發(fā)活動(dòng)、水生維管束植物覆蓋率、生物多樣性等因素；湖泊生態(tài)環(huán)境系統(tǒng)響應(yīng)是指為實(shí)現(xiàn)湖泊生態(tài)環(huán)境系統(tǒng)健康而制定并采取積極有效的措施與對(duì)策，包括湖泊保護(hù)資金投入、水環(huán)境污染治理、湖泊管理等因素。

DPSIR模型可以細(xì)致的分析描述影響湖泊生態(tài)環(huán)境系統(tǒng)健康各個(gè)因素之間的相互關(guān)系，與建設(shè)生態(tài)健康湖泊的基本要求也有相承之處，通俗地說，就國家生態(tài)河湖建設(shè)來說，要達(dá)到既定的效果，可以通過調(diào)節(jié)“驅(qū)動(dòng)力”、減輕“壓力”、改善“狀態(tài)”、降低“影響”、優(yōu)化“響應(yīng)”等途徑來實(shí)現(xiàn)，完全可以將DPSIR這一模型引入到湖泊生態(tài)環(huán)境系統(tǒng)健康分析評(píng)價(jià)當(dāng)中，如圖1所示。

2.2 指標(biāo)選擇

湖泊生態(tài)環(huán)境系統(tǒng)健康水平的內(nèi)涵是指標(biāo)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(píng)估、河湖連通狀況、水資源開發(fā)利用、防洪、公眾滿意度等方面的指標(biāo)進(jìn)行湖泊健康評(píng)價(jià)。祁天龍[11]應(yīng)用壓力-狀態(tài)-響應(yīng)模型從壓力、狀態(tài)、響應(yīng)三個(gè)準(zhǔn)則層，人口密度、水資源開發(fā)利用率等15個(gè)指標(biāo)進(jìn)行河流的生態(tài)系統(tǒng)健康評(píng)價(jià)。安婷等從水質(zhì)、水資源、物理完整性、生物完整性、社會(huì)服務(wù)功能等準(zhǔn)則層進(jìn)行河湖健康評(píng)價(jià)。本文研究的湖泊生態(tài)環(huán)境系統(tǒng)健康水平是自然與人為因素對(duì)湖泊產(chǎn)生影響后的一種狀態(tài)，需要對(duì)湖泊生態(tài)環(huán)境系統(tǒng)健康具有影響的生產(chǎn)、生活、生態(tài)的內(nèi)在因素進(jìn)行深入分析，指標(biāo)選擇還要緊扣生態(tài)健康湖泊建設(shè)的目標(biāo)要求。因此，在構(gòu)建湖泊生態(tài)環(huán)境系統(tǒng)健康分析評(píng)價(jià)指標(biāo)體系中，既要考慮與生產(chǎn)生活相關(guān)的產(chǎn)出增加，又要考慮生產(chǎn)生活給生態(tài)環(huán)境帶來的一系列負(fù)面影響；既要考慮生態(tài)環(huán)境帶來的效益，又要考慮環(huán)境改善所產(chǎn)生新增加的效益，以起到對(duì)湖泊生態(tài)環(huán)境系統(tǒng)全面系統(tǒng)客觀評(píng)價(jià)的指導(dǎo)和參考作用。所以湖泊生態(tài)環(huán)境系統(tǒng)健康分析評(píng)價(jià)要從湖泊生態(tài)健康的核心出發(fā)，結(jié)合國家生態(tài)河湖建

圖1 湖泊生態(tài)環(huán)境系統(tǒng)健康分析評(píng)價(jià)框架

設(shè)的要求，遵循DPSIR模型原理，按照科學(xué)性、系統(tǒng)性、可獲取性、可比性以及易量化等原則選取指標(biāo)，采用問題驅(qū)動(dòng)與因果關(guān)系的范式，將評(píng)價(jià)指標(biāo)體系分為3個(gè)層次：第一是目標(biāo)層，以生態(tài)環(huán)境系統(tǒng)健康綜合指數(shù)作為綜合評(píng)價(jià)目標(biāo)；第二是準(zhǔn)則層，共5個(gè)，包括湖泊生態(tài)環(huán)境系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)力、湖泊生態(tài)環(huán)境系統(tǒng)壓力、湖泊生態(tài)環(huán)境系統(tǒng)狀態(tài)、湖泊生態(tài)環(huán)境系統(tǒng)影響以及湖泊生態(tài)環(huán)境系統(tǒng)響應(yīng)； 第三是指標(biāo)層，緊扣準(zhǔn)則層的各個(gè)因素提出，包括 15個(gè)具體的指標(biāo)。據(jù)此構(gòu)建湖泊生態(tài)環(huán)境系統(tǒng)健康分析評(píng)價(jià)指標(biāo)體系，見表 1。

2.3 指標(biāo)權(quán)重

本文采用相關(guān)加權(quán)指數(shù)法計(jì)算指標(biāo)權(quán)重。首先選定能夠大致表征湖泊生態(tài)系統(tǒng)健康狀況的一些代表性指標(biāo)作為評(píng)價(jià)湖泊生態(tài)系統(tǒng)健康狀況的基準(zhǔn)指標(biāo)，其余指標(biāo)根據(jù)與基準(zhǔn)指標(biāo)的相關(guān)程度計(jì)算權(quán)重，計(jì)算方法如下：

(1)

式中，Wi—第i個(gè)指標(biāo)所占的權(quán)重；ril—第個(gè)指標(biāo)與基準(zhǔn)指標(biāo)的相關(guān)系數(shù)；m—評(píng)價(jià)指標(biāo)的個(gè)數(shù)。

計(jì)算結(jié)果見表2。

2.4 指標(biāo)評(píng)價(jià)

2.4.1指標(biāo)數(shù)據(jù)歸一化處理

考慮到各個(gè)指標(biāo)值在數(shù)量級(jí)與量綱上有較大差異，需要對(duì)這些評(píng)估指標(biāo)進(jìn)行無量綱化處理來消除它們之間的量綱差異，統(tǒng)一各個(gè)指標(biāo)的變化區(qū)間[12]。z值歸一化法具有不受數(shù)據(jù)量級(jí)的影響的優(yōu)點(diǎn)，可使各指標(biāo)轉(zhuǎn)換到同一量綱下，并把指標(biāo)數(shù)據(jù)映射到[0，1]區(qū)間內(nèi)。指標(biāo)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(gè)準(zhǔn)則層下第j個(gè)指標(biāo)的值；Xj—第j個(gè)指標(biāo)的平均值，Sj—第j個(gè)指標(biāo)的標(biāo)準(zhǔn)差。

2.4.2指標(biāo)計(jì)算

采用加權(quán)求和法計(jì)算湖泊生態(tài)環(huán)境系統(tǒng)健康綜合指數(shù)，計(jì)算方法如下：

(5)

(6)

(7)

式中，Ak—第k個(gè)準(zhǔn)則層的分值；Wk—第k個(gè)準(zhǔn)則層對(duì)目標(biāo)層的權(quán)重系數(shù)；Bi—指標(biāo)層的狀態(tài)指數(shù)；Wi—指標(biāo)層相對(duì)于準(zhǔn)則層的權(quán)重系數(shù)；Wj—指標(biāo)層相對(duì)于準(zhǔn)則層的權(quán)重系數(shù)；Cij—指標(biāo)層標(biāo)準(zhǔn)化值。

表1 湖泊生態(tài)環(huán)境系統(tǒng)健康分析評(píng)價(jià)指標(biāo)體系

表2 湖泊生態(tài)環(huán)境系統(tǒng)健康評(píng)價(jià)指標(biāo)權(quán)重

2.4.3評(píng)價(jià)等級(jí)

將湖泊生態(tài)環(huán)境系統(tǒng)健康水平分為很好、較好、中等、較差、很差五個(gè)等級(jí)，分別對(duì)應(yīng)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(shí)例應(yīng)用

3.1 寶應(yīng)湖概況

寶應(yīng)湖位于江蘇省中部地區(qū)，在高郵湖和寶應(yīng)湖之間，地跨揚(yáng)州、淮安兩市。寶應(yīng)湖原為運(yùn)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(yīng)湖退水閘建成，將寶應(yīng)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(yīng)湖成為內(nèi)湖。20世紀(jì)70—80年代國家鼓勵(lì)圍墾，湖區(qū)內(nèi)圍湖造田使高程6.50m以上的湖泊灘地變成了農(nóng)田或居住地?，F(xiàn)狀寶應(yīng)湖是一個(gè)沒有湖盆，沒有封閉湖堤的河道狀湖泊，由一個(gè)狹長的湖面和幾條深弘河道及圩外灘面組成。

寶應(yīng)湖匯水面積1008km2；湖底平均高程5.00m。死水位5.30m，相應(yīng)容積0.42億m3；正常蓄水位5.70m，相應(yīng)面積38.69km2，相應(yīng)容積0.56億m3；設(shè)計(jì)洪水位7.50m，相應(yīng)面積76.29km2，相應(yīng)容積3.08億m3。20世紀(jì)初，寶應(yīng)湖無序、低效開發(fā)利用，非法侵占以及圍墾等現(xiàn)象普遍存在，大大影響了湖泊生態(tài)環(huán)境。因此，進(jìn)行寶應(yīng)湖生態(tài)環(huán)境系統(tǒng)健康評(píng)價(jià)，識(shí)別影響寶應(yīng)湖生態(tài)環(huán)境系統(tǒng)健康影響的主要因素，是寶應(yīng)湖生態(tài)環(huán)境保護(hù)工作的必要前提。

3.2 模型計(jì)算

收集寶應(yīng)湖多年監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)、管理年報(bào)，江蘇省環(huán)境質(zhì)量公報(bào)，江蘇省水資源公報(bào)等多方資料，并結(jié)合寶應(yīng)湖現(xiàn)場(chǎng)實(shí)地調(diào)查情況，采用上述評(píng)價(jià)方法進(jìn)行寶應(yīng)湖生態(tài)環(huán)境系統(tǒng)健康評(píng)價(jià)，見表3。

采用加權(quán)求和法計(jì)算寶應(yīng)湖生態(tài)環(huán)境系統(tǒng)健康指數(shù)為0.691，湖泊總體生態(tài)環(huán)境系統(tǒng)健康處于“較好”狀態(tài)。

本文還將寶應(yīng)湖劃分為若干個(gè)單元，對(duì)各單元的EHI分別進(jìn)行了計(jì)算。計(jì)算結(jié)果顯示各單元生態(tài)安全狀態(tài)差異顯著，東南部與京杭大運(yùn)河交匯處處于“很好”狀態(tài)，淮河入江水道交匯處處于“中等”狀態(tài)，大汕子河、南北公司河、北部養(yǎng)殖區(qū)等處于“較差”狀態(tài)，如圖2所示。

3.3 評(píng)價(jià)結(jié)論

寶應(yīng)湖EHI為0.691，生態(tài)環(huán)境系統(tǒng)總體處于“較好”狀態(tài)，東南部處于“很好”狀態(tài)，西南部處于“中等”狀態(tài)，西北部處于“較差”狀態(tài)。通過湖泊生態(tài)環(huán)境系統(tǒng)健康評(píng)價(jià)，確定寶應(yīng)湖存在的主要問題如下：

(1)寶應(yīng)湖圍墾面積較大，損害湖泊自然資源，破壞湖泊生態(tài)環(huán)境；減弱湖區(qū)的調(diào)蓄抗災(zāi)功能，加劇汛期洪澇災(zāi)害的發(fā)生、低湖田土壤環(huán)境惡化，效益下降；圍墾使大片自然濕地環(huán)境遭到破壞，致使水生動(dòng)、植物種類發(fā)生變化，破壞了繁殖、肥育的生態(tài)條件，使湖區(qū)的水產(chǎn)資源受到極大損害。

表3 寶應(yīng)湖生態(tài)環(huán)境系統(tǒng)健康水平評(píng)價(jià)指標(biāo)賦值表

圖2 寶應(yīng)湖生態(tài)環(huán)境系統(tǒng)健康評(píng)價(jià)區(qū)域差異性

(2)寶應(yīng)湖入湖河道周邊生活污水和農(nóng)業(yè)面源污染較嚴(yán)重，湖泊污染負(fù)荷較大，致使湖區(qū)西北部水質(zhì)較差，會(huì)出現(xiàn)一定的富營養(yǎng)化現(xiàn)象。

(3)寶應(yīng)湖部分區(qū)域已經(jīng)退漁還湖，但仍有約40%的水面被圈圍或圍網(wǎng)養(yǎng)魚，湖泊受脅迫狀況不容樂觀，大量粗放無序的養(yǎng)殖帶來了化肥、餌料的二次污染，加劇水體富營養(yǎng)化，進(jìn)一步惡化水質(zhì)，降低水功能區(qū)水質(zhì)達(dá)標(biāo)率。

(4)由于大量的圍墾、圍網(wǎng)，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(qū)域水環(huán)境自凈能力相對(duì)不高。

(5)寶應(yīng)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(yīng)湖也是長江中下游魚類產(chǎn)卵洄游的主要目的地之一，因此寶應(yīng)湖水生生物豐富。

寶應(yīng)湖生態(tài)健康建設(shè)的主要建議：寶應(yīng)湖大面積圍墾壓縮湖泊生態(tài)空間，流域內(nèi)工業(yè)發(fā)展加大寶應(yīng)湖污染負(fù)荷，圍網(wǎng)養(yǎng)殖加劇水體污染，湖泊生態(tài)保護(hù)形勢(shì)不容樂觀。開展退圩還湖、退漁還湖可提升湖泊生態(tài)空間，提高湖泊自凈能力，改善湖泊生態(tài)環(huán)境；開展流域生態(tài)環(huán)境綜合治理，可改善入湖河道水質(zhì)，降低污染負(fù)荷，提高湖泊水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)；加強(qiáng)河湖管理能力建設(shè)，可及時(shí)有效杜絕與湖泊保護(hù)相違背的行為，維護(hù)湖泊治理成效。

4 結(jié)語

本文以寶應(yīng)湖為例，進(jìn)行湖泊生態(tài)環(huán)境系統(tǒng)的健康評(píng)價(jià)，掌握了寶應(yīng)湖生態(tài)環(huán)境系統(tǒng)的損害現(xiàn)狀與程度，識(shí)別并確定影響生態(tài)環(huán)境系統(tǒng)健康的關(guān)鍵因子，為寶應(yīng)湖生態(tài)保護(hù)提出的科學(xué)建議與寶應(yīng)湖保護(hù)的實(shí)際需求和生態(tài)湖泊建設(shè)的規(guī)劃項(xiàng)目基本吻合。

引用DPSIR環(huán)境管理模型構(gòu)建湖泊生態(tài)環(huán)境系統(tǒng)健康分析評(píng)價(jià)框架，可以更好地展現(xiàn)生態(tài)健康湖泊的核心要義，可通過調(diào)節(jié)“驅(qū)動(dòng)力”、減輕“壓力”、改善“狀態(tài)”、降低“影響”、優(yōu)化“響應(yīng)”等途徑來提高湖泊生態(tài)環(huán)境系統(tǒng)健康水平，能夠作為判斷湖泊健康狀態(tài)和生態(tài)環(huán)境問題之間因果關(guān)系的有效工具。