湖泊健康評價指標體系及評價方法初探

李 燦,李 永,李 嘉

(1.四川大學水利水電學院,成都 610065;2.四川大學水力學與山區河流開發保護國家重點實驗室,成都 610065)

1 引 言

1.1 研究目的及意義

21世紀以來,隨著世界經濟的飛速發展和人口的膨脹,各種生態問題也日益凸顯。湖泊作為人類重要生境之一,提供了多種服務功能,其健康狀況與人類生存和發展密切相關。如何全面、科學地評價湖泊的健康狀況,正成為環境科學和生態學研究領域關注的熱點問題之一,并對湖泊的監測和管理具有極其重要的應用價值,為湖泊生態系統修復和功能開發利用提供理論指導。

1.2 研究背景

目前國內外對于湖泊健康評價方面的研究,尚未形成統一的評價指標體系及評價方法。

近年來,在健康評價方法研究方面,1995年Jorgenson提出了一套初步的評價程序[1];XU F L等人于 2001年提出了生態模型和實測計算兩種評價方法[2,3];2004年劉永等人提出了包涵外部指標、環境要素狀態指標和生態指標的評價指標體系,并以滇池為例,構建綜合健康指數,對其進行了健康評價[4];2005年趙臻彥等人提出了生態健康指數法,并選擇浮游植物生物量 (BA)作為基準指標,浮游動物生物量(BZ)、前兩者比值(BZ/BA)、能值(Ex)和結構能值(Exst)作為擴展指標,對意大利湖泊進行了評價[5]。2008年盧志娟等人提出了營養狀態—綜合指數法 (TSI—CL),并對西湖進行健康評價[6]。這些方法主要是從生態學方面,對于湖泊自身健康狀態進行的評價,但沒有將湖泊所具有的其他服務功能考慮在內,在一些情況下并不能很好的綜合反映出湖泊真實的健康狀況。

針對這些問題,本文參照已有研究成果,采用多指標綜合評價法,豐富了湖泊生態系統健康概念及其評價指標體系,并以四川大學明遠湖為例,對其進行健康評價。

2 湖泊生態系統健康的內涵

2.1 生態系統健康概念

生態系統健康是以人類健康作為類比,進而提出的概念,目前對此尚不存在普遍認同的定義。

早在 20世紀 40年代,自然科學家 Aldo Leopold提出了土地健康 (land health)的定義,認為健康的土地是指被人類占領而沒有使其功能受到破壞的狀況[7]。Karr(1993)認為生態系統的健康應當具有“生態完整性”[8],并率先在河流評價中使用“生物完整性指數 ( IB I)”。Costanza將生態系統健康總結為：(1)自我平衡 (homeostasis);(2)無疾病(absence of disease);(3)多樣性或復雜性 (diversity or complexity);(4)穩定性或恢復性 (stability or resilience);(5)活力或成長性 (vigor or scope for growth);(6)系統組成成分之間維持平衡 (balance between system components)[9],這為生態系統健康的評價提供了一種方法,并被大多數學者所接受。Rapport等指出在景觀健康評價中,對于其社會價值的考慮是很必要的[10]。袁中紅等認為健康的生態系統應當能夠提供合乎自然和人類需求的生態服務[11]。

2.2 湖泊生態系統健康概念的構建

湖泊的功能包括生態服務功能和社會服務功能。湖泊在其所屬區域的生態環境和社會環境中扮演著重要角色,因此,要全面、科學地評價湖泊生態系統的健康狀態,就應當充分考慮湖泊的這些服務功能。

基于 Costanza對生態系統健康的歸納結論,并考慮湖泊的生態服務功能和社會服務功能,健康的湖泊生態系統應該有這樣的特征：系統無疾病征兆,擁有良好狀態;在沒有外界投入情況下,系統自身能夠長期維持穩定,且保持自身平衡狀態;系統對外界干擾 (自然或人為干擾)具有良好抵抗力及恢復力;系統組成成分復雜多樣,系統具有活力;能夠提供良好的生態及社會服務功能。

3 評價指標體系的建立

以湖泊生態系統健康的概念為依據,構建湖泊生態系統健康評價指標體系。該指標體系主要包涵湖泊自身生態特征和服務功能兩方面評價內容,合計16個綜合評價指標 (表 1)。各項指標評分采用 5分制,最高評價分數為5分,最低評價分數為1分。

每個指標評價分值越高代表湖泊健康狀況越佳,反之越差,湖泊健康綜合指數 I精確到 3位有效數字。當 4＜Ii≤5,表明湖泊健康狀態在該指標上表現為 “非常健康”;當 3＜Ii≤4,表現為“較健康”;當 2＜Ii≤3,表現為 “亞健康”;當1≤Ii≤2,表現為 “疾病”。

表1 湖泊生態系統健康評價指標體系Tab.1 Assessing index system of ecosystem health for lakes

3.1 系統整體狀態指標

湖泊受擾狀況 (K1)。人為活動的擾動在大多情況下會使湖泊的狀態產生改變,進而影響整個湖泊的健康狀況。對于湖泊受擾狀況的評價就是評價人類活動對湖泊狀態的干擾程度。將人為活動對湖泊狀態的干擾程度分為 4種類別,對每一狀態給出定義和評分標準：

未受擾：指湖泊未受到任何人類活動的干擾或人為活動并未對湖泊的生態系統和生境造成影響。評分為：4～5分。

輕微受擾：指湖泊周邊有較少的人為活動,湖泊受到輕微干擾,但人為活動對于湖泊生態系統、生境影響較小。如人類釣魚、灌溉取水、洗衣等活動。評分為：3～4分。

受擾：人類活動已經部分改變了湖泊的生態系統,并對其生境造成一定影響。如湖泊周邊進行大面積耕作、大量捕魚、挖溝排水等活動。評分為：2～3分。

破壞：指人類活動已經使湖泊生態系統趨于崩潰,生境退化,魚類數目急劇減少。如生活污水、工業廢水未處理排放等。評分為：1～2分。

水質(K2)。湖泊水質對于湖泊水生生物生存有重大影響。可參考《地面水環境質量標準》(GB 3838-2002),并依據湖泊水域功能和保護目標,確立出湖泊用水要求的達標類別 (Ⅰ～Ⅴ類),以此作為判分依據[12]。

湖泊水質達到標準類別要求水質,評分為：3分,湖泊水質每高于標準類別要求水質一個等級加1分,每低于標準類別要求水質一個等級減 1分。

湖岸棲息地狀況 (K3)。湖岸棲息地為湖泊周邊大量生物提供生存環境及食物,并可以減少湖岸水土流失。該指標評分主要考察湖岸植被結構完整性和其分布連續性 (見表 2)。

表2 湖岸棲息地狀況評價標準Tab.2 Assessing standards for lakeshore habitat

土壤質量 (K4)。湖岸土壤與湖泊周邊生物的生境密切相關。參照《土壤環境質量標準》(GB 15618-1995)評分[13]。當湖泊土壤質量滿足Ⅰ類土要求,評分為：5分;當湖泊土壤質量滿足Ⅱ類土要求,評分為：4分;當湖泊土壤質量滿足Ⅲ類土要求,評分為：3分;當湖泊土壤質量低于Ⅲ類土要求,評分為：1分。

3.2 系統穩定及平衡指標

最小生態需水滿足情況 (K5)。最小生態需水的滿足是湖泊能夠保持穩定及平衡,維持其自身狀態的基本條件之一。根據年均湖泊最小需水滿足率(L)得出該指標分值：當 L≥95%,分值為 5分;當 95%＞L≥90%,分值為 4分;當 90%＞L≥85%,分值為 3分;當L＜85%,分值為 1～3分。

湖泊退化情況 (K6)。湖泊的退化情況是湖泊穩定及平衡與否的外在表現形式,體現了整個湖泊的長期發展變化趨勢。以湖泊多年平均水面率退化率作為參照,進行評分(見表 3)。

表3 退化情況評價標準Tab.3 Assessing standards for degeneration

3.3 抵抗力及恢復力指標

水體自凈能力 (K7)。湖泊對于入湖水體的凈化,體現其對于外界干擾的抵抗力。以湖泊集水區上游與集水區下游主要污染物濃度 (總 P、氨氮、COD、重金屬離子等)的變化率 K作為依據評分(見表4)。

表4 自凈能力評價標準Tab.4 Assessing standards for self-purification capacity

抵御自然災害能力 (K8)。該指標反映湖泊對于外界脅迫的抵抗力及恢復力。通過分析湖泊岸坡穩定性、年均徑流量及湖泊經歷自然災害后的恢復情況進行定性評價。

3.4 活力及多樣性指標

初級生產力水平 (K9)。湖泊的初級生產力水平可以反映湖泊生態系統的活力。該指標采用湖泊浮游植物的單位面積年生物量的變化率作為替代性指標。初級生產力水平的下降在一定程度上可以反映出湖泊生態系統的活力降低。對于該指標的評分,可以參照湖泊浮游植物的單位面積年生物量的多年平均變化率(見表 5)。

表5 初級生產力水平評價標準Tab.5 Assessing standards for primary productivity

物種多樣性 (K10)。物種多樣性是生物多樣性較為直觀的體現。湖泊水生物中,魚類比較具有代表性,且對外界環境變化敏感,易于收集信息數據。魚類物種多樣性在一定程度上可以體現整個湖泊生物多樣性情況。該指標的評分依據所評價湖泊中魚類種數占該湖泊所在生物地理區魚類種數的百分比進行(見表6)。

表6 物種多樣性評價標準Tab.6 Assessing standards for species diversity

3.5 生態服務功能指標

水文調節(K11)。湖泊的水文調節功能主要有對于洪水的調蓄、作為河流和地下水的補給源頭或耗散地。其主要與湖泊容積大小、地理位置、連通性等因素有關。可針對實際情況將湖泊水文調節能力劃分為很好、好、中、差、很差 5個水平,并分別評分為：5分、4分、3分、2分、1分。

局部氣候調節 (K12)。湖泊的水汽蒸發及湖泊周邊茂盛植被的蒸騰作用對其局部地區的濕度、溫度和降水都有一定影響。可根據湖泊對其周邊局部地區的上述 3個要素的影響程將湖泊局部氣候調節能力劃分為：很好、好、中、差、很差 5個水平,并分別評分為：5分、4分、3分、2分、1分。

3.6 社會服務功能指標

供水保證(K13)。湖泊儲存大量水資源,可以為人類提供生活或工業用水,體現出社會服務功能。可根據湖泊綜合供水保證率,得出該指標分值。

通航保證(K14)。湖泊的通航功能帶動地區社會、經濟的進步。該指標可參考湖泊平均每年實際通航天數與全年通航總天數的百分比 (通航保證率)進行評分。

景觀舒適(K15)。湖泊舒適的景觀可以給人類帶來視覺和精神上的享受。該指標考察人們對于湖泊景觀的滿意程度。請公眾對湖泊景觀進行評價打分,結合相關專家意見,得出分值。

休閑娛樂 (K16)。湖泊可成為人類休憩、遠足、釣魚等戶外活動的理想場所,提供休閑娛樂的社會服務功能。指標評分可根據實際情況,調查參加休閑娛樂活動的人口密度及頻率,采取定性的方法評價：

給予常規護理：營造一個舒適、整潔、干凈、安靜的病房環境，保持室內的溫度、濕度適宜，光線充足，定期通風，保持空氣流通、新鮮；遵醫囑給予托烷司瓊等藥物以止吐；對患者及其家屬進行健康教育，講解有關惡性腫瘤、化學藥物、惡心嘔吐的相關知識，注意事項等，使其對疾病和治療方案有一個全面的了解，告知患者不必緊張；詳細記錄患者的病情變化，以及嘔吐物的顏色、性狀和量，遵醫囑定期復查電解質等檢查項目等；在給予各種藥物治療時，做好藥物護理工作。

5分：幾近每日各個時段均有較多數量人口參與休閑娛樂活動,享用湖泊服務功能;4分：大部分時期,在部分時段,擁有一定數量人口參與休閑活動,享用湖泊服務功能;3分：不定期,在特定時段有少量人口參與休閑活動,享用湖泊服務功能;2分：湖泊擁有或經過人工整改、修復后擁有一定休閑娛樂功能,但目前暫時未被利用;1分：湖泊完全不具備休閑娛樂功能。

4 計算分析

本研究以四川大學明遠湖為例,進行計算分析。四川大學江安校區位于成都市雙流縣,江安河由北向南橫貫整個校區。明遠湖是臨江安河修建的人工湖泊,面積達 180多畝,在校區內兼有生態服務功能和社會服務功能。考慮該湖泊規模較小,地理位置特殊,評價指標中忽略供水保證、通航保證兩項指標。

采用層次分析法 (AHP),計算出指標權重,加權各指標分數得到湖泊健康綜合指數：

式中：I為湖泊健康綜合指數分值;Ii為湖泊各指標評價分值;Si為對應各項指標的指標權重。

4.1 各評價指標評分

根據各指標的評分標準,采取實測數據、人群調查、專家咨詢、文獻分析等綜合方法,取得四川大學明遠湖各評價指標的分值如下(表 7)。

表7 明遠湖各評價指標分值Tab.7 Every assessing index value ofLakeMingyuan

4.2 各評價指標權重的確立

在湖泊健康評價中,確定各項評價指標的權重是一個重要的環節,本研究采用層次分析法(AHP)。

構建計算明遠湖評價指標權重的層次分析法模型,定義湖泊健康狀態為目標層,A1、A2所在的層為準則層,Aij(i=1、2;j=1、2、3、4)所在的為子準則層;Aijk(i=1、2;j=1、2、3、4;k =1、2、3、4)為方案層。通過專家會議法,對各層次中各個元素相對重要性做出判斷,得出判斷矩陣,并通過一致性檢驗,得到最終權重結果(表 8)。

表8 明遠湖健康評價各指標權重Tab.8 Weight of every index for lakeMingyuan

4.3 評價結果分析

由明遠湖各評價指標的分值及相對權重,計算出明遠湖健康綜合指數為 3.55。

通過分析評價最終結果及各指標分值,可以得出：四川大學明遠湖整體健康狀態屬于 “較健康”。湖泊生態系統處于穩定、平衡的狀態;湖泊具有良好的抵抗力及恢復力;能夠提供合乎人類需求的社會服務功能。

影響湖泊健康狀態的疾病因子主要表現為：湖岸棲息地面積狹小,植被分布連續性較差;湖泊生物多樣性不足;湖泊水文調節能力較差,氣候調節效果極其微弱,不能提供良好的生態服務功能。

四川大學明遠湖的生態修復重點包括：保護湖泊魚類物種,引進適宜魚類物種及其他水生生物,增加生物多樣性;修復湖濱帶濕地,擴展濕地面積,增加濕地植被物種多樣性,改善植被分布連續性,種植部分高大喬木,這樣也一定程度上改善了湖泊的水文調節及局部氣候調節功能。

5 結 語

對一般情形下湖泊健康評價指標體系及評價方法進行了探索性的研究,并以四川大學明遠湖為例,對其進行健康評價。在實際運用中,可以依據具體湖泊的特點、功用和保護目標等對評價指標體系和評分標準做相應的調整和修改,并依據具體情況增添或省略一些相關指標,并對各指標的權重取值進行調整或重新計算。其他具體問題尚需進一步探討。

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