湖泊健康评价指标体系及评价方法初探

李 灿,李 永,李 嘉

(1.四川大学水利水电学院,成都 610065;2.四川大学水力学与山区河流开发保护国家重点实验室,成都 610065)

1 引 言

1.1 研究目的及意义

21世纪以来,随着世界经济的飞速发展和人口的膨胀,各种生态问题也日益凸显。湖泊作为人类重要生境之一,提供了多种服务功能,其健康状况与人类生存和发展密切相关。如何全面、科学地评价湖泊的健康状况,正成为环境科学和生态学研究领域关注的热点问题之一,并对湖泊的监测和管理具有极其重要的应用价值,为湖泊生态系统修复和功能开发利用提供理论指导。

1.2 研究背景

目前国内外对于湖泊健康评价方面的研究,尚未形成统一的评价指标体系及评价方法。

近年来,在健康评价方法研究方面,1995年Jorgenson提出了一套初步的评价程序[1];XU F L等人于 2001年提出了生态模型和实测计算两种评价方法[2,3];2004年刘永等人提出了包涵外部指标、环境要素状态指标和生态指标的评价指标体系,并以滇池为例,构建综合健康指数,对其进行了健康评价[4];2005年赵臻彦等人提出了生态健康指数法,并选择浮游植物生物量 (BA)作为基准指标,浮游动物生物量(BZ)、前两者比值(BZ/BA)、能值(Ex)和结构能值(Exst)作为扩展指标,对意大利湖泊进行了评价[5]。2008年卢志娟等人提出了营养状态—综合指数法 (TSI—CL),并对西湖进行健康评价[6]。这些方法主要是从生态学方面,对于湖泊自身健康状态进行的评价,但没有将湖泊所具有的其他服务功能考虑在内,在一些情况下并不能很好的综合反映出湖泊真实的健康状况。

针对这些问题,本文参照已有研究成果,采用多指标综合评价法,丰富了湖泊生态系统健康概念及其评价指标体系,并以四川大学明远湖为例,对其进行健康评价。

2 湖泊生态系统健康的内涵

2.1 生态系统健康概念

生态系统健康是以人类健康作为类比,进而提出的概念,目前对此尚不存在普遍认同的定义。

早在 20世纪 40年代,自然科学家 Aldo Leopold提出了土地健康 (land health)的定义,认为健康的土地是指被人类占领而没有使其功能受到破坏的状况[7]。Karr(1993)认为生态系统的健康应当具有“生态完整性”[8],并率先在河流评价中使用“生物完整性指数 ( IB I)”。Costanza将生态系统健康总结为：(1)自我平衡 (homeostasis);(2)无疾病(absence of disease);(3)多样性或复杂性 (diversity or complexity);(4)稳定性或恢复性 (stability or resilience);(5)活力或成长性 (vigor or scope for growth);(6)系统组成成分之间维持平衡 (balance between system components)[9],这为生态系统健康的评价提供了一种方法,并被大多数学者所接受。Rapport等指出在景观健康评价中,对于其社会价值的考虑是很必要的[10]。袁中红等认为健康的生态系统应当能够提供合乎自然和人类需求的生态服务[11]。

2.2 湖泊生态系统健康概念的构建

湖泊的功能包括生态服务功能和社会服务功能。湖泊在其所属区域的生态环境和社会环境中扮演着重要角色,因此,要全面、科学地评价湖泊生态系统的健康状态,就应当充分考虑湖泊的这些服务功能。

基于 Costanza对生态系统健康的归纳结论,并考虑湖泊的生态服务功能和社会服务功能,健康的湖泊生态系统应该有这样的特征：系统无疾病征兆,拥有良好状态;在没有外界投入情况下,系统自身能够长期维持稳定,且保持自身平衡状态;系统对外界干扰 (自然或人为干扰)具有良好抵抗力及恢复力;系统组成成分复杂多样,系统具有活力;能够提供良好的生态及社会服务功能。

3 评价指标体系的建立

以湖泊生态系统健康的概念为依据,构建湖泊生态系统健康评价指标体系。该指标体系主要包涵湖泊自身生态特征和服务功能两方面评价内容,合计16个综合评价指标 (表 1)。各项指标评分采用 5分制,最高评价分数为5分,最低评价分数为1分。

每个指标评价分值越高代表湖泊健康状况越佳,反之越差,湖泊健康综合指数 I精确到 3位有效数字。当 4＜Ii≤5,表明湖泊健康状态在该指标上表现为 “非常健康”;当 3＜Ii≤4,表现为“较健康”;当 2＜Ii≤3,表现为 “亚健康”;当1≤Ii≤2,表现为 “疾病”。

表1 湖泊生态系统健康评价指标体系Tab.1 Assessing index system of ecosystem health for lakes

3.1 系统整体状态指标

湖泊受扰状况 (K1)。人为活动的扰动在大多情况下会使湖泊的状态产生改变,进而影响整个湖泊的健康状况。对于湖泊受扰状况的评价就是评价人类活动对湖泊状态的干扰程度。将人为活动对湖泊状态的干扰程度分为 4种类别,对每一状态给出定义和评分标准：

未受扰：指湖泊未受到任何人类活动的干扰或人为活动并未对湖泊的生态系统和生境造成影响。评分为：4～5分。

轻微受扰：指湖泊周边有较少的人为活动,湖泊受到轻微干扰,但人为活动对于湖泊生态系统、生境影响较小。如人类钓鱼、灌溉取水、洗衣等活动。评分为：3～4分。

受扰：人类活动已经部分改变了湖泊的生态系统,并对其生境造成一定影响。如湖泊周边进行大面积耕作、大量捕鱼、挖沟排水等活动。评分为：2～3分。

破坏：指人类活动已经使湖泊生态系统趋于崩溃,生境退化,鱼类数目急剧减少。如生活污水、工业废水未处理排放等。评分为：1～2分。

水质(K2)。湖泊水质对于湖泊水生生物生存有重大影响。可参考《地面水环境质量标准》(GB 3838-2002),并依据湖泊水域功能和保护目标,确立出湖泊用水要求的达标类别 (Ⅰ～Ⅴ类),以此作为判分依据[12]。

湖泊水质达到标准类别要求水质,评分为：3分,湖泊水质每高于标准类别要求水质一个等级加1分,每低于标准类别要求水质一个等级减 1分。

湖岸栖息地状况 (K3)。湖岸栖息地为湖泊周边大量生物提供生存环境及食物,并可以减少湖岸水土流失。该指标评分主要考察湖岸植被结构完整性和其分布连续性 (见表 2)。

表2 湖岸栖息地状况评价标准Tab.2 Assessing standards for lakeshore habitat

土壤质量 (K4)。湖岸土壤与湖泊周边生物的生境密切相关。参照《土壤环境质量标准》(GB 15618-1995)评分[13]。当湖泊土壤质量满足Ⅰ类土要求,评分为：5分;当湖泊土壤质量满足Ⅱ类土要求,评分为：4分;当湖泊土壤质量满足Ⅲ类土要求,评分为：3分;当湖泊土壤质量低于Ⅲ类土要求,评分为：1分。

3.2 系统稳定及平衡指标

最小生态需水满足情况 (K5)。最小生态需水的满足是湖泊能够保持稳定及平衡,维持其自身状态的基本条件之一。根据年均湖泊最小需水满足率(L)得出该指标分值：当 L≥95%,分值为 5分;当 95%＞L≥90%,分值为 4分;当 90%＞L≥85%,分值为 3分;当L＜85%,分值为 1～3分。

湖泊退化情况 (K6)。湖泊的退化情况是湖泊稳定及平衡与否的外在表现形式,体现了整个湖泊的长期发展变化趋势。以湖泊多年平均水面率退化率作为参照,进行评分(见表 3)。

表3 退化情况评价标准Tab.3 Assessing standards for degeneration

3.3 抵抗力及恢复力指标

水体自净能力 (K7)。湖泊对于入湖水体的净化,体现其对于外界干扰的抵抗力。以湖泊集水区上游与集水区下游主要污染物浓度 (总 P、氨氮、COD、重金属离子等)的变化率 K作为依据评分(见表4)。

表4 自净能力评价标准Tab.4 Assessing standards for self-purification capacity

抵御自然灾害能力 (K8)。该指标反映湖泊对于外界胁迫的抵抗力及恢复力。通过分析湖泊岸坡稳定性、年均径流量及湖泊经历自然灾害后的恢复情况进行定性评价。

3.4 活力及多样性指标

初级生产力水平 (K9)。湖泊的初级生产力水平可以反映湖泊生态系统的活力。该指标采用湖泊浮游植物的单位面积年生物量的变化率作为替代性指标。初级生产力水平的下降在一定程度上可以反映出湖泊生态系统的活力降低。对于该指标的评分,可以参照湖泊浮游植物的单位面积年生物量的多年平均变化率(见表 5)。

表5 初级生产力水平评价标准Tab.5 Assessing standards for primary productivity

物种多样性 (K10)。物种多样性是生物多样性较为直观的体现。湖泊水生物中,鱼类比较具有代表性,且对外界环境变化敏感,易于收集信息数据。鱼类物种多样性在一定程度上可以体现整个湖泊生物多样性情况。该指标的评分依据所评价湖泊中鱼类种数占该湖泊所在生物地理区鱼类种数的百分比进行(见表6)。

表6 物种多样性评价标准Tab.6 Assessing standards for species diversity

3.5 生态服务功能指标

水文调节(K11)。湖泊的水文调节功能主要有对于洪水的调蓄、作为河流和地下水的补给源头或耗散地。其主要与湖泊容积大小、地理位置、连通性等因素有关。可针对实际情况将湖泊水文调节能力划分为很好、好、中、差、很差 5个水平,并分别评分为：5分、4分、3分、2分、1分。

局部气候调节 (K12)。湖泊的水汽蒸发及湖泊周边茂盛植被的蒸腾作用对其局部地区的湿度、温度和降水都有一定影响。可根据湖泊对其周边局部地区的上述 3个要素的影响程将湖泊局部气候调节能力划分为：很好、好、中、差、很差 5个水平,并分别评分为：5分、4分、3分、2分、1分。

3.6 社会服务功能指标

供水保证(K13)。湖泊储存大量水资源,可以为人类提供生活或工业用水,体现出社会服务功能。可根据湖泊综合供水保证率,得出该指标分值。

通航保证(K14)。湖泊的通航功能带动地区社会、经济的进步。该指标可参考湖泊平均每年实际通航天数与全年通航总天数的百分比 (通航保证率)进行评分。

景观舒适(K15)。湖泊舒适的景观可以给人类带来视觉和精神上的享受。该指标考察人们对于湖泊景观的满意程度。请公众对湖泊景观进行评价打分,结合相关专家意见,得出分值。

休闲娱乐 (K16)。湖泊可成为人类休憩、远足、钓鱼等户外活动的理想场所,提供休闲娱乐的社会服务功能。指标评分可根据实际情况,调查参加休闲娱乐活动的人口密度及频率,采取定性的方法评价：

给予常规护理：营造一个舒适、整洁、干净、安静的病房环境，保持室内的温度、湿度适宜，光线充足，定期通风，保持空气流通、新鲜；遵医嘱给予托烷司琼等药物以止吐；对患者及其家属进行健康教育，讲解有关恶性肿瘤、化学药物、恶心呕吐的相关知识，注意事项等，使其对疾病和治疗方案有一个全面的了解，告知患者不必紧张；详细记录患者的病情变化，以及呕吐物的颜色、性状和量，遵医嘱定期复查电解质等检查项目等；在给予各种药物治疗时，做好药物护理工作。

5分：几近每日各个时段均有较多数量人口参与休闲娱乐活动,享用湖泊服务功能;4分：大部分时期,在部分时段,拥有一定数量人口参与休闲活动,享用湖泊服务功能;3分：不定期,在特定时段有少量人口参与休闲活动,享用湖泊服务功能;2分：湖泊拥有或经过人工整改、修复后拥有一定休闲娱乐功能,但目前暂时未被利用;1分：湖泊完全不具备休闲娱乐功能。

4 计算分析

本研究以四川大学明远湖为例,进行计算分析。四川大学江安校区位于成都市双流县,江安河由北向南横贯整个校区。明远湖是临江安河修建的人工湖泊,面积达 180多亩,在校区内兼有生态服务功能和社会服务功能。考虑该湖泊规模较小,地理位置特殊,评价指标中忽略供水保证、通航保证两项指标。

采用层次分析法 (AHP),计算出指标权重,加权各指标分数得到湖泊健康综合指数：

式中：I为湖泊健康综合指数分值;Ii为湖泊各指标评价分值;Si为对应各项指标的指标权重。

4.1 各评价指标评分

根据各指标的评分标准,采取实测数据、人群调查、专家咨询、文献分析等综合方法,取得四川大学明远湖各评价指标的分值如下(表 7)。

表7 明远湖各评价指标分值Tab.7 Every assessing index value ofLakeMingyuan

4.2 各评价指标权重的确立

在湖泊健康评价中,确定各项评价指标的权重是一个重要的环节,本研究采用层次分析法(AHP)。

构建计算明远湖评价指标权重的层次分析法模型,定义湖泊健康状态为目标层,A1、A2所在的层为准则层,Aij(i=1、2;j=1、2、3、4)所在的为子准则层;Aijk(i=1、2;j=1、2、3、4;k =1、2、3、4)为方案层。通过专家会议法,对各层次中各个元素相对重要性做出判断,得出判断矩阵,并通过一致性检验,得到最终权重结果(表 8)。

表8 明远湖健康评价各指标权重Tab.8 Weight of every index for lakeMingyuan

4.3 评价结果分析

由明远湖各评价指标的分值及相对权重,计算出明远湖健康综合指数为 3.55。

通过分析评价最终结果及各指标分值,可以得出：四川大学明远湖整体健康状态属于 “较健康”。湖泊生态系统处于稳定、平衡的状态;湖泊具有良好的抵抗力及恢复力;能够提供合乎人类需求的社会服务功能。

影响湖泊健康状态的疾病因子主要表现为：湖岸栖息地面积狭小,植被分布连续性较差;湖泊生物多样性不足;湖泊水文调节能力较差,气候调节效果极其微弱,不能提供良好的生态服务功能。

四川大学明远湖的生态修复重点包括：保护湖泊鱼类物种,引进适宜鱼类物种及其他水生生物,增加生物多样性;修复湖滨带湿地,扩展湿地面积,增加湿地植被物种多样性,改善植被分布连续性,种植部分高大乔木,这样也一定程度上改善了湖泊的水文调节及局部气候调节功能。

5 结 语

对一般情形下湖泊健康评价指标体系及评价方法进行了探索性的研究,并以四川大学明远湖为例,对其进行健康评价。在实际运用中,可以依据具体湖泊的特点、功用和保护目标等对评价指标体系和评分标准做相应的调整和修改,并依据具体情况增添或省略一些相关指标,并对各指标的权重取值进行调整或重新计算。其他具体问题尚需进一步探讨。

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[12] GB 3838-2002,地面水环境质量标准[S].

[13] GB 15618-1995,土壤环境质量标准[S].