湖泊生态环境系统健康评价与研究

张 炜，孙 晨，苏 晨，张小岳

(1.河海大学设计研究院有限公司，江苏 南京 210098；2. 南京瑞迪建设科技有限公司，江苏 南京 210098；3.宝应县水务局，江苏 扬州 225800)

1 概述

河湖水系是地表水资源的主要载体，是维系生态系统健康的重要因子[1]，具有提供水源、调节河川径流、改善区域生态环境、维护地球生态平衡等多种功能[2]。我国湖泊生态健康维护形势非常严峻，流域内工业企业排污不断增多，湖区内渔业养殖密度不断增大，湖泊周边土地围垦持续增加压缩湖泊生态空间，湖泊生态环境持续恶化，严重威胁坏湖泊生态环境系统健康。为保护湖泊生态环境和生物多样性，恢复被破坏的湖泊生态系统，持续开发利用湖泊资源，必需加强对湖泊生态健康的管理，以确保湖泊及其周边生态环境系统和社会经济系统的可持续发展[3]。应用合理的方法对湖泊生态环境系统进行评价，能够为湖泊管理和开发利用提供关键的决策依据。

用于湖泊生态系统的模型软件主要有：AQUATOX、PAMOLARE、CAEDYM、WASP、OOMAS[4]，以上模型广泛被应用于湖泊生态系统的演变，尤其应用在湖泊形态与水质之间关系的分析方面。为了有效评估湖泊环境污染状况，国内外学者对湖泊生态环境评价的研究包括中国湖泊古生态研究进展、湖泊生态环境评价分析与研究、浅水湖泊湖沼学与太湖富营养化控制研究、南京市生态河湖建设的实践与思考、Spatiotemporal Evolution of Ecological Security in the Wanjiang City Belt，China等[5- 8]。整体上看，当前大部分研究仍停留在模型应用阶段且出发点相对单一，没有综合考虑整个湖泊流域相对复杂的外部生态环境影响条件，综合性评价的研究相对较少。本文把整个湖泊流域作为一个整体，基于“驱动力-压力-状态-影响-响应”模型，建立了一套系统度量湖泊生态环境系统健康水平的指标体系和评价方法，并以江苏省宝应湖为例，对其生态环境系统的健康水平进行评估。

2 评价体系

2.1 模型构建

DPSIR模型是由欧洲环境局(EEA)综合压力-状态-反应(PSR)和驱动力-状态-响应(DSR)框架的优点制定[9]，该模型能够更好地体现因素间的因果关系链条组织信息，具有综合性、系统性、灵活性等特点，其科学性和合理性实用性得到了多方的检验，被广泛运用于生态环境管理与保护、可持续发展、循环经济等领域[10]。DPSIR模型十分适合运用在湖泊生态环境系统的分析评价当中，可以从驱动力、压力、状态、影响及响应5个方面对湖泊生态环境系统进分析评价，能够全面系统地反映湖泊生态环境系统的健康水平。

湖泊生态环境系统驱动力指湖泊生态环境系统变化的潜在原因，是推动湖泊生态环境系统变化的内部根本动力，包括经济发展水平与需求、开发利用活动等因素；湖泊生态环境系统压力指人类活动对湖泊生态环境系统产生的影响，是湖泊生态环境系统中最为直接的压力因子，主要表现为对湖泊生态环境健康和可持续发展造成的阻力，主要包括污染物入湖通量、动植物栖息地和水安全要求等因素；湖泊生态环境系统状态指湖泊在以上压力下所处在的一个生态环境状况，是各要素在质和量的综合体现，包括湖泊水质、湖区土地和人文景观开发利用等因素；湖泊生态环境系统影响指湖泊所处的状态对其生态环境系统的影响，包括不利开发活动、水生维管束植物覆盖率、生物多样性等因素；湖泊生态环境系统响应是指为实现湖泊生态环境系统健康而制定并采取积极有效的措施与对策，包括湖泊保护资金投入、水环境污染治理、湖泊管理等因素。

DPSIR模型可以细致的分析描述影响湖泊生态环境系统健康各个因素之间的相互关系，与建设生态健康湖泊的基本要求也有相承之处，通俗地说，就国家生态河湖建设来说，要达到既定的效果，可以通过调节“驱动力”、减轻“压力”、改善“状态”、降低“影响”、优化“响应”等途径来实现，完全可以将DPSIR这一模型引入到湖泊生态环境系统健康分析评价当中，如图1所示。

2.2 指标选择

湖泊生态环境系统健康水平的内涵是指标选择中需要考虑的首要因素，赵艳红等选取入湖流量、湖滨带评估、河湖连通状况、水资源开发利用、防洪、公众满意度等方面的指标进行湖泊健康评价。祁天龙[11]应用压力-状态-响应模型从压力、状态、响应三个准则层，人口密度、水资源开发利用率等15个指标进行河流的生态系统健康评价。安婷等从水质、水资源、物理完整性、生物完整性、社会服务功能等准则层进行河湖健康评价。本文研究的湖泊生态环境系统健康水平是自然与人为因素对湖泊产生影响后的一种状态，需要对湖泊生态环境系统健康具有影响的生产、生活、生态的内在因素进行深入分析，指标选择还要紧扣生态健康湖泊建设的目标要求。因此，在构建湖泊生态环境系统健康分析评价指标体系中，既要考虑与生产生活相关的产出增加，又要考虑生产生活给生态环境带来的一系列负面影响；既要考虑生态环境带来的效益，又要考虑环境改善所产生新增加的效益，以起到对湖泊生态环境系统全面系统客观评价的指导和参考作用。所以湖泊生态环境系统健康分析评价要从湖泊生态健康的核心出发，结合国家生态河湖建

图1 湖泊生态环境系统健康分析评价框架

设的要求，遵循DPSIR模型原理，按照科学性、系统性、可获取性、可比性以及易量化等原则选取指标，采用问题驱动与因果关系的范式，将评价指标体系分为3个层次：第一是目标层，以生态环境系统健康综合指数作为综合评价目标；第二是准则层，共5个，包括湖泊生态环境系统驱动力、湖泊生态环境系统压力、湖泊生态环境系统状态、湖泊生态环境系统影响以及湖泊生态环境系统响应； 第三是指标层，紧扣准则层的各个因素提出，包括 15个具体的指标。据此构建湖泊生态环境系统健康分析评价指标体系，见表 1。

2.3 指标权重

本文采用相关加权指数法计算指标权重。首先选定能够大致表征湖泊生态系统健康状况的一些代表性指标作为评价湖泊生态系统健康状况的基准指标，其余指标根据与基准指标的相关程度计算权重，计算方法如下：

(1)

式中，Wi—第i个指标所占的权重；ril—第个指标与基准指标的相关系数；m—评价指标的个数。

计算结果见表2。

2.4 指标评价

2.4.1指标数据归一化处理

考虑到各个指标值在数量级与量纲上有较大差异，需要对这些评估指标进行无量纲化处理来消除它们之间的量纲差异，统一各个指标的变化区间[12]。z值归一化法具有不受数据量级的影响的优点，可使各指标转换到同一量纲下，并把指标数据映射到[0，1]区间内。指标归一化的公式为：

(2)

Xj=∑Xij/n

(3)

Sj=∑(Xij-Xj)2/(n-1)

(4)

式中，Xij—第i个准则层下第j个指标的值；Xj—第j个指标的平均值，Sj—第j个指标的标准差。

2.4.2指标计算

采用加权求和法计算湖泊生态环境系统健康综合指数，计算方法如下：

(5)

(6)

(7)

式中，Ak—第k个准则层的分值；Wk—第k个准则层对目标层的权重系数；Bi—指标层的状态指数；Wi—指标层相对于准则层的权重系数；Wj—指标层相对于准则层的权重系数；Cij—指标层标准化值。

表1 湖泊生态环境系统健康分析评价指标体系

表2 湖泊生态环境系统健康评价指标权重

2.4.3评价等级

将湖泊生态环境系统健康水平分为很好、较好、中等、较差、很差五个等级，分别对应的EHI为0.80～1.00、0.60～0.80、0.40～0.60、0.20～0.40、0.00～0.20。

3 实例应用

3.1 宝应湖概况

宝应湖位于江苏省中部地区，在高邮湖和宝应湖之间，地跨扬州、淮安两市。宝应湖原为运西湖泊群，1970年5月，淮河入江水道的三河拦河坝、淮南圩、大汕子隔堤及宝应湖退水闸建成，将宝应湖与高邮湖分开，使淮河洪水由金沟改道直入高邮湖、邵伯湖归江，宝应湖成为内湖。20世纪70—80年代国家鼓励围垦，湖区内围湖造田使高程6.50m以上的湖泊滩地变成了农田或居住地。现状宝应湖是一个没有湖盆，没有封闭湖堤的河道状湖泊，由一个狭长的湖面和几条深弘河道及圩外滩面组成。

宝应湖汇水面积1008km2；湖底平均高程5.00m。死水位5.30m，相应容积0.42亿m3；正常蓄水位5.70m，相应面积38.69km2，相应容积0.56亿m3；设计洪水位7.50m，相应面积76.29km2，相应容积3.08亿m3。20世纪初，宝应湖无序、低效开发利用，非法侵占以及围垦等现象普遍存在，大大影响了湖泊生态环境。因此，进行宝应湖生态环境系统健康评价，识别影响宝应湖生态环境系统健康影响的主要因素，是宝应湖生态环境保护工作的必要前提。

3.2 模型计算

收集宝应湖多年监测数据、管理年报，江苏省环境质量公报，江苏省水资源公报等多方资料，并结合宝应湖现场实地调查情况，采用上述评价方法进行宝应湖生态环境系统健康评价，见表3。

采用加权求和法计算宝应湖生态环境系统健康指数为0.691，湖泊总体生态环境系统健康处于“较好”状态。

本文还将宝应湖划分为若干个单元，对各单元的EHI分别进行了计算。计算结果显示各单元生态安全状态差异显著，东南部与京杭大运河交汇处处于“很好”状态，淮河入江水道交汇处处于“中等”状态，大汕子河、南北公司河、北部养殖区等处于“较差”状态，如图2所示。

3.3 评价结论

宝应湖EHI为0.691，生态环境系统总体处于“较好”状态，东南部处于“很好”状态，西南部处于“中等”状态，西北部处于“较差”状态。通过湖泊生态环境系统健康评价，确定宝应湖存在的主要问题如下：

(1)宝应湖围垦面积较大，损害湖泊自然资源，破坏湖泊生态环境；减弱湖区的调蓄抗灾功能，加剧汛期洪涝灾害的发生、低湖田土壤环境恶化，效益下降；围垦使大片自然湿地环境遭到破坏，致使水生动、植物种类发生变化，破坏了繁殖、肥育的生态条件，使湖区的水产资源受到极大损害。

表3 宝应湖生态环境系统健康水平评价指标赋值表

图2 宝应湖生态环境系统健康评价区域差异性

(2)宝应湖入湖河道周边生活污水和农业面源污染较严重，湖泊污染负荷较大，致使湖区西北部水质较差，会出现一定的富营养化现象。

(3)宝应湖部分区域已经退渔还湖，但仍有约40%的水面被圈围或围网养鱼，湖泊受胁迫状况不容乐观，大量粗放无序的养殖带来了化肥、饵料的二次污染，加剧水体富营养化，进一步恶化水质，降低水功能区水质达标率。

(4)由于大量的围垦、围网，破坏了湖泊原有的自然湿地，降低了湖泊及入湖河口的拦截净化能力，区域水环境自净能力相对不高。

(5)宝应湖通过高邮湖、邵伯湖、入江水道与长江连通，形成了长江鱼类天然的洄游通道，宝应湖也是长江中下游鱼类产卵洄游的主要目的地之一，因此宝应湖水生生物丰富。

宝应湖生态健康建设的主要建议：宝应湖大面积围垦压缩湖泊生态空间，流域内工业发展加大宝应湖污染负荷，围网养殖加剧水体污染，湖泊生态保护形势不容乐观。开展退圩还湖、退渔还湖可提升湖泊生态空间，提高湖泊自净能力，改善湖泊生态环境；开展流域生态环境综合治理，可改善入湖河道水质，降低污染负荷，提高湖泊水质标准；加强河湖管理能力建设，可及时有效杜绝与湖泊保护相违背的行为，维护湖泊治理成效。

4 结语

本文以宝应湖为例，进行湖泊生态环境系统的健康评价，掌握了宝应湖生态环境系统的损害现状与程度，识别并确定影响生态环境系统健康的关键因子，为宝应湖生态保护提出的科学建议与宝应湖保护的实际需求和生态湖泊建设的规划项目基本吻合。

引用DPSIR环境管理模型构建湖泊生态环境系统健康分析评价框架，可以更好地展现生态健康湖泊的核心要义，可通过调节“驱动力”、减轻“压力”、改善“状态”、降低“影响”、优化“响应”等途径来提高湖泊生态环境系统健康水平，能够作为判断湖泊健康状态和生态环境问题之间因果关系的有效工具。