城市淺水湖泊生態(tài)系統(tǒng)健康與保護(hù)研究

陳　星, 許　欽, 何新玥, 崔廣柏, 盧婉瑩

(1.河海大學(xué)水文水資源學(xué)院,江蘇 南京　210098; 2.南京水利科學(xué)研究院水文水資源研究所，江蘇 南京　210029)

城市淺水湖泊生態(tài)系統(tǒng)健康與保護(hù)研究

陳星1, 許欽2, 何新玥1, 崔廣柏1, 盧婉瑩1

(1.河海大學(xué)水文水資源學(xué)院,江蘇 南京210098; 2.南京水利科學(xué)研究院水文水資源研究所，江蘇 南京210029)

摘要：針對(duì)我國東部平原地區(qū)淡水湖泊資源豐富,且多為中小型淺水湖,受到社會(huì)經(jīng)濟(jì)快速發(fā)展的影響,城市化率高，人類干擾強(qiáng)烈,境內(nèi)湖泊面臨著富營養(yǎng)化、服務(wù)功能喪失等生態(tài)環(huán)境問題,以太湖流域東南部蘇州市吳江區(qū)的湖泊群為例，在分析淺水湖泊特征的基礎(chǔ)上,提出這一類型湖泊生態(tài)健康的概念框架,構(gòu)建湖泊水生態(tài)健康評(píng)價(jià)體系,選擇生態(tài)因子、環(huán)境因子、人類活動(dòng)干擾與生態(tài)建設(shè)4個(gè)要素共12個(gè)指標(biāo)描述湖泊健康水平，并分析其原因。結(jié)果表明:水環(huán)境質(zhì)量的惡化與人類對(duì)湖泊資源的粗放式開發(fā)是造成湖泊生態(tài)功能失衡的主要原因。以評(píng)價(jià)結(jié)果為指導(dǎo),制定典型湖泊三白蕩的生態(tài)修復(fù)與建設(shè)的措施與方法,旨在為湖泊生態(tài)系統(tǒng)管理與修復(fù)提供科學(xué)依據(jù)。

關(guān)鍵詞：城市淺水湖泊;湖泊健康;生態(tài)保護(hù);評(píng)價(jià)體系

我國是多湖泊國家,其中我國東部平原區(qū)的湖泊開發(fā)利用程度較高,水環(huán)境污染和水生態(tài)退化是我國東部平原區(qū)湖泊面臨的主要問題[1-3]。湖泊生態(tài)系統(tǒng)是生物與環(huán)境的綜合體,具有一定結(jié)構(gòu)和功能[4-6]。自20世紀(jì)70年代提出生態(tài)系統(tǒng)健康,這一概念在各領(lǐng)域不斷發(fā)展。由于湖泊生態(tài)系統(tǒng)的復(fù)雜性與異質(zhì)性,迄今為止尚未形成湖泊生態(tài)健康評(píng)價(jià)統(tǒng)一的指標(biāo)和方法[7-9],其中接受度較高的指標(biāo)和方法由Constanza等[10]提出。我國的湖泊生態(tài)系統(tǒng)健康評(píng)價(jià)正處于起步階段。近年來,學(xué)者們不斷發(fā)展湖泊生態(tài)健康內(nèi)涵,提出了包含生態(tài)、生物、環(huán)境、氣象、社會(huì)經(jīng)濟(jì)等多方面的綜合評(píng)價(jià)體系[11-14]。湖泊生態(tài)系統(tǒng)健康評(píng)價(jià)已成為湖泊環(huán)境管理的基礎(chǔ),通過評(píng)價(jià)找出湖泊結(jié)構(gòu)與功能退化的原因,由此提出針對(duì)性的治理方案,為湖泊保護(hù)與治理提供科學(xué)依據(jù)。但由于湖泊類型多樣、區(qū)域差異明顯,湖泊生態(tài)系統(tǒng)評(píng)價(jià)體系也具有特有性與針對(duì)性,加之我國大多數(shù)湖泊缺乏生態(tài)監(jiān)測(cè)資料,生態(tài)指示物種不明確,使得生物與生態(tài)群落指標(biāo)難以定量評(píng)價(jià),一些以生物要素為核心的評(píng)價(jià)體系無法應(yīng)用。筆者以蘇州市吳江區(qū)的湖泊群為研究對(duì)象,基于該湖泊的生態(tài)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)與功能特點(diǎn),提出湖泊水生態(tài)健康的理論框架,構(gòu)建湖泊水生態(tài)評(píng)價(jià)體系,由此探討湖泊生態(tài)治理的途徑與方法,旨在為湖泊資源可持續(xù)發(fā)展提供依據(jù)。

1健康湖泊體系要素

我國東部平原區(qū)湖泊多為淺水湖泊,具有對(duì)外界環(huán)境作用響應(yīng)敏感的特征,水土、水氣的交互作用極易在短時(shí)間內(nèi)波及整個(gè)湖體,與湖泊排水流域內(nèi)陸地環(huán)境的物質(zhì)和能量交換強(qiáng)烈,人類活動(dòng)的壓力易引起湖泊生態(tài)失衡。這一類型湖泊的保護(hù)應(yīng)綜合考量湖泊的生態(tài)功能和服務(wù)功能,以生態(tài)文明的理念保護(hù)湖泊、合理利用湖泊,基于此,筆者認(rèn)為中小型淺水湖泊生態(tài)健康主要包含以下4個(gè)要素:①具有可持續(xù)的湖泊生態(tài)系統(tǒng),能夠保持和恢復(fù)生態(tài)與環(huán)境,保持自身結(jié)構(gòu)和功能相對(duì)穩(wěn)定。②具備合理的湖泊形態(tài)。湖泊形態(tài)應(yīng)自然流暢,湖濱帶結(jié)構(gòu)穩(wěn)定、生態(tài)良好,河湖保持良好的連通性和完整性。③完整的湖泊生態(tài)服務(wù)功能。有足夠的水量和良好的水質(zhì),能夠維持生態(tài)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和活力,滿足水生生物繁育的需要,提供多種服務(wù)功能。④湖泊抗干擾能力強(qiáng)。湖泊自凈能力強(qiáng),具備較強(qiáng)的自我修復(fù)能力。

2研究區(qū)域與研究方法

2.1研究區(qū)域概況

太湖東南部的蘇州市吳江區(qū),地處北亞熱帶季風(fēng)區(qū),四季分明,氣候溫和,雨水豐沛,年平均氣溫為15.7 ℃,春夏兩季盛行東南風(fēng),秋冬季節(jié)多偏北風(fēng)。多年平均年降雨量為1 100 mm左右,其中汛期(5—9月)的多年平均降雨量為650 mm,占全年降雨量的60%左右。

研究區(qū)境內(nèi)河港如織,湖蕩星羅棋布(圖1),是太湖流域河湖分布最密集的區(qū)域，水面面積267 km2(不包括太湖水域),占區(qū)域總面積的22.7%。其中列入江蘇省湖泊保護(hù)名錄的有55個(gè)湖泊(不含太湖),占吳江區(qū)總水域面積的40%。研究區(qū)內(nèi)湖泊分屬東部平原湖區(qū),為過水型湖泊,湖底地形平坦,為淺水湖泊,具有對(duì)外界環(huán)境作用響應(yīng)強(qiáng)烈的特征。

圖1　研究區(qū)水域分布

2.2湖泊水生態(tài)健康指標(biāo)體系構(gòu)建

根據(jù)湖泊的自然生態(tài)狀況、人類活動(dòng)影響程度及湖泊周邊建設(shè)情況,采用模糊綜合評(píng)價(jià)法對(duì)研究區(qū)55個(gè)重點(diǎn)湖泊進(jìn)行綜合分類。湖泊健康水平具體可分為3類:高安全的適宜狀態(tài)、中安全的一般狀態(tài)與低安全的預(yù)警狀態(tài)。

2.2.1指標(biāo)篩選

依據(jù)健康湖泊生態(tài)體系的需求,分析吳江區(qū)湖泊特征與影響因素,建立3層指標(biāo)體系。目標(biāo)層為湖泊水生態(tài)健康,約束層分為生態(tài)因子、環(huán)境因子、人類活動(dòng)干擾、生態(tài)保護(hù)措施4個(gè)要素,針對(duì)每個(gè)約束層要素最終提出指標(biāo)層12個(gè)指標(biāo)[9-13](表1)，并對(duì)指標(biāo)進(jìn)行無量綱化處理,計(jì)算評(píng)價(jià)指標(biāo)間的相關(guān)系數(shù)。結(jié)果表明,指標(biāo)間相關(guān)系數(shù)均小于0.5,因此認(rèn)為指標(biāo)所反映信息無重疊,構(gòu)建的評(píng)價(jià)指標(biāo)體是科學(xué)合理的。

表1　湖泊健康評(píng)價(jià)指標(biāo)與權(quán)重

2.2.2指標(biāo)含義與計(jì)算

生態(tài)因子指標(biāo)層的確定，綜合考慮代表性與數(shù)據(jù)的易獲取性,選擇景觀多樣性指數(shù)、景觀破碎度指數(shù)和最小生態(tài)需水保證率3個(gè)指標(biāo)。其中,景觀多樣性指數(shù)是用來度量生態(tài)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)組成復(fù)雜程度,景觀多樣性指數(shù)高,物種多樣性豐富,生態(tài)系統(tǒng)穩(wěn)定,抵御外界干擾的能力強(qiáng),其計(jì)算公式為

(1)

式中：ISHDI為Shannon多樣性指數(shù);Pk為景觀類型k所占面積比,%;m為景觀類型數(shù)目。

景觀破碎度指數(shù)表征景觀被分割的破碎程度,當(dāng)生境斑塊數(shù)量增加而面積減小,作為物質(zhì)交換的廊道被切斷,破碎化程度越高，則生態(tài)系統(tǒng)越脆弱。景觀破碎度指數(shù)計(jì)算公式為

(2)

式中：IF為景觀破碎度指數(shù);Nf為重要生態(tài)景觀斑塊數(shù);Nc為總面積與最小斑塊面積的比值。

最小生態(tài)需水保證率表征湖泊最小生態(tài)需水滿足的程度。本文以90%保證率的枯水年型為特征年,計(jì)算維持最低生態(tài)水位所需消耗的水量,以此代表湖泊最小生態(tài)需水量。

環(huán)境因子反映水質(zhì)要素對(duì)水生態(tài)的作用,本文選擇DO、CODMn和NH3-N為指示指標(biāo),基于2010年湖泊水質(zhì)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行評(píng)價(jià)。

人類活動(dòng)干擾主要考慮城市建設(shè)與湖泊開發(fā)對(duì)湖區(qū)生態(tài)的影響,選擇岸線建設(shè)用地占用比例、湖泊圍網(wǎng)養(yǎng)殖面積比例與道路密度3個(gè)指標(biāo)。

生態(tài)保護(hù)措施指為改善湖泊生態(tài)環(huán)境已實(shí)施且發(fā)揮一定生態(tài)環(huán)境效益的工程,主要指標(biāo)包括湖濱帶生態(tài)建設(shè)面積比例、重點(diǎn)污染源污水達(dá)標(biāo)排放率與生活污水處理率。

2.3評(píng)價(jià)模型

2.3.1層次分析法

為克服確定指標(biāo)權(quán)重的主觀性,提供指標(biāo)賦權(quán)的一致性,采用層次分析法確定各指標(biāo)權(quán)重。首先建立層級(jí)結(jié)構(gòu)模型,確立層級(jí)間隸屬關(guān)系,在此基礎(chǔ)上構(gòu)造判斷矩陣,采用9標(biāo)度法對(duì)指標(biāo)相對(duì)重要程度進(jìn)行兩兩比較,并計(jì)算矩陣最大特征值與對(duì)應(yīng)特征向量,將其規(guī)范化后即得到相關(guān)要素權(quán)重值。兩兩比較法得到的判斷矩陣有可能發(fā)生判斷不一致,因此最后還需進(jìn)行一致性檢驗(yàn),調(diào)整判斷矩陣直至滿足一致性,最終確定約束層與指標(biāo)層要素權(quán)重(表1)。

2.3.2模糊綜合評(píng)價(jià)

選擇模糊綜合評(píng)價(jià)法,根據(jù)隸屬度理論,結(jié)合定性分析與定量分析,以避免評(píng)價(jià)過程中的不確定性。首先構(gòu)建模糊評(píng)價(jià)的因素集U與評(píng)價(jià)集V,進(jìn)行單因素評(píng)價(jià),由隸屬函數(shù)計(jì)算評(píng)價(jià)集元素的隸屬度,得到從U到V的模糊關(guān)系矩陣R。單因素評(píng)價(jià)是多因素綜合評(píng)價(jià)的基礎(chǔ),權(quán)重集A與評(píng)價(jià)矩陣R相乘得到模糊綜合評(píng)價(jià)集B,將B歸一化后與V相乘,得到綜合評(píng)價(jià)指數(shù)。

表2　湖泊健康綜合評(píng)價(jià)等級(jí)標(biāo)準(zhǔn)

表3　湖泊健康綜合評(píng)價(jià)指標(biāo)閾值

注:↑代表正向指標(biāo),數(shù)值越大則安全度越高;↓代表逆向指標(biāo),數(shù)值越大則安全度越低。

3重點(diǎn)湖泊水生態(tài)安全評(píng)估結(jié)果與分析

3.1湖泊水生態(tài)安全評(píng)價(jià)結(jié)果

研究區(qū)重點(diǎn)湖泊評(píng)價(jià)結(jié)果顯示,55個(gè)湖泊中,11個(gè)湖泊為健康狀態(tài),25個(gè)湖泊為亞健康狀態(tài),19個(gè)湖泊為疾病狀態(tài)(表4)。總的來看,吳江區(qū)湖泊健康狀況不容樂觀,35%的湖泊生態(tài)退化較為嚴(yán)重,80%的湖泊生態(tài)環(huán)境受到一定程度損壞,湖泊保護(hù)面廣且難度大。

對(duì)比約束層評(píng)價(jià)結(jié)果,環(huán)境因子與人類活動(dòng)干擾是影響湖泊水生態(tài)安全的主要因素。根據(jù)2010年湖泊水環(huán)境監(jiān)測(cè)資料,55個(gè)湖泊中水質(zhì)達(dá)到或優(yōu)于Ⅳ類有32個(gè),水質(zhì)為Ⅴ類3個(gè),水質(zhì)劣Ⅴ類20個(gè),超標(biāo)項(xiàng)目主要為TP、TN、NH3-N和CODMn。湖泊的主要污染來源,一是未達(dá)標(biāo)排放的工業(yè)污水以及生活污水通過入湖河網(wǎng)排入湖泊,二是湖區(qū)圍網(wǎng)養(yǎng)殖加重了的湖泊的內(nèi)源污染,三是湖區(qū)周邊地區(qū)農(nóng)業(yè)耕地以及畜禽養(yǎng)殖業(yè)輸出的面源污染。湖泊排水區(qū)內(nèi)的城市建設(shè)與生產(chǎn)生活對(duì)湖濱帶生態(tài)環(huán)境的影響也較大。湖濱帶是水陸生態(tài)系統(tǒng)的過渡帶,湖泊岸線被建設(shè)用地、居住用地以及魚塘等占用,以致濱水生態(tài)保護(hù)空間不足,對(duì)河湖防洪安全、河勢(shì)穩(wěn)定和生物多樣性等造成不利影響,加之一些湖泊內(nèi)圍網(wǎng)養(yǎng)殖問題較為嚴(yán)重,有29個(gè)重點(diǎn)湖泊的圍網(wǎng)面積超過了湖泊面積的60%,投放的過剩餌料、魚類的排泄物加重了湖泊內(nèi)源污染。

表4　研究區(qū)重點(diǎn)湖泊健康綜合評(píng)價(jià)結(jié)果

圖2　三白蕩治理前后不同工況條件下流場(chǎng)對(duì)比

3.2湖泊分類治理方案

健康度較高的I類湖泊,水生態(tài)環(huán)境條件較好,大多地處城郊,周邊開發(fā)利用強(qiáng)度低、人口密度低。這些湖泊以生態(tài)保護(hù)為主,控制湖內(nèi)圍網(wǎng)養(yǎng)殖面積,劃定湖泊保護(hù)范圍,嚴(yán)格進(jìn)行湖泊保護(hù)空間管理,注重保護(hù)湖泊周邊自然濕地,維護(hù)生態(tài)多樣性。

健康度居中的Ⅱ類湖泊,城鎮(zhèn)發(fā)展與生態(tài)保護(hù)的矛盾日益突出,應(yīng)嚴(yán)格劃定湖泊保護(hù)范圍,控制周邊建設(shè)與生產(chǎn)生活對(duì)湖泊岸線的侵占,對(duì)環(huán)境惡化的湖泊加強(qiáng)周邊污染源治理,并清理湖泊圍網(wǎng)養(yǎng)殖,適當(dāng)建設(shè)人工濕地,加強(qiáng)水質(zhì)凈化,對(duì)有景觀開發(fā)功能的湖泊，應(yīng)將開發(fā)與生態(tài)建設(shè)相結(jié)合。

健康度較低的Ⅲ類湖泊,水生態(tài)環(huán)境呈惡化趨勢(shì),首先應(yīng)改善湖泊水環(huán)境質(zhì)量,嚴(yán)格治理湖泊排水流域范圍內(nèi)的污染源,降低人類活動(dòng)對(duì)湖泊的干擾,控制湖內(nèi)圍網(wǎng)養(yǎng)殖面積,對(duì)內(nèi)源污染較重、底泥淤積厚度大的湖泊進(jìn)行清淤,發(fā)揮河湖連通改善湖泊水環(huán)境的功能。在水質(zhì)改善的基礎(chǔ)上開展生態(tài)修復(fù)。

4典型湖泊生態(tài)治理

三白蕩位于吳江區(qū)東部,湖泊面積6.68 km2。其湖泊健康評(píng)價(jià)結(jié)果為健康度較低的疾病類型,其中環(huán)境因子層、人類活動(dòng)干擾層與生態(tài)保護(hù)措施層評(píng)價(jià)結(jié)果均為疾病。三白蕩水環(huán)境保護(hù)面臨較大壓力,湖泊承載能力下降,并且湖濱帶缺乏保護(hù)空間,濱湖的魚塘、耕地等對(duì)湖泊影響較大。

水云天蘇醒過來，臉上已經(jīng)顯出辭世的倦容。老人睜開眼睛，顯現(xiàn)出生命跡象，深情地望著林志。林志坐在床前，輕輕地說：“老師，您有什么事，吩咐我啊！”

根據(jù)健康湖泊理論,首先明確三白蕩服務(wù)功能，即,由于區(qū)位優(yōu)勢(shì),除發(fā)揮三白蕩蓄洪、供水等功能外,還將開發(fā)其生態(tài)休閑、景觀旅游功能。吳江區(qū)水環(huán)境功能區(qū)劃要求三白蕩水質(zhì)達(dá)到Ⅲ類,因此三白蕩的治理應(yīng)從水環(huán)境改善入手,加強(qiáng)對(duì)排水流域內(nèi)工業(yè)、生活、農(nóng)業(yè)污染源的治理,促進(jìn)湖泊水質(zhì)改善。

調(diào)查湖泊周邊土地利用類型,將部分魚塘還湖,局部調(diào)整湖泊岸線,并且劃定湖泊保護(hù)范圍,留出湖泊緩沖帶,弱化陸域?qū)瓷鷳B(tài)的干擾。同時(shí)對(duì)湖周水系進(jìn)行調(diào)整,加強(qiáng)河湖連通性,加大對(duì)三白蕩的生態(tài)補(bǔ)水,促進(jìn)水環(huán)境改善。

建立二維水動(dòng)力模型,對(duì)調(diào)整前后的湖泊進(jìn)行流場(chǎng)模擬(圖2),計(jì)算連通河道出流入流,以及盛行風(fēng)對(duì)湖泊流場(chǎng)的影響。從圖2可以看出,三白蕩湖泊形態(tài)調(diào)整后,風(fēng)生流與吞吐流流場(chǎng)都更為均勻,河湖連通補(bǔ)水能夠拉動(dòng)整個(gè)湖體的水流流動(dòng)。由于湖中島嶼的影響,風(fēng)生流在湖內(nèi)形成幾個(gè)大的環(huán)流,對(duì)局部岸線有一定沖刷作用。這也為生態(tài)護(hù)岸的選擇提供了一定依據(jù)。在水流急促的湖岸帶,采用耐沖刷的生態(tài)護(hù)岸類型,其他區(qū)域可以選擇自然原型生態(tài)護(hù)岸。在水流較緩處,可以布置濕地植物,以有利于湖泊生物多樣性的恢復(fù)。

5結(jié)論

湖泊是生物與環(huán)境之間相互作用、相互制約的復(fù)雜生態(tài)系統(tǒng)。筆者針對(duì)我國東部平原區(qū)分布最廣的中小型淺水湖泊生態(tài)特征,提出健康湖泊概念體系。綜合考慮這一類型湖泊生態(tài)敏感性影響因素,通過生態(tài)因子、環(huán)境因子、人類活動(dòng)干擾、生態(tài)保護(hù)措施4個(gè)因子對(duì)湖泊健康進(jìn)行評(píng)價(jià),研究結(jié)論如下:

a. 中小型淺水湖泊與排水流域間有著強(qiáng)烈的物質(zhì)、能量交換,湖泊保護(hù)的目標(biāo)為可持續(xù)的生態(tài)系統(tǒng)、合理的湖泊形態(tài)、完整的服務(wù)功能、抗干擾能力強(qiáng)。

b. 湖泊生態(tài)安全指標(biāo)體系研究結(jié)果顯示,約束層4個(gè)要素重要性排序?yàn)椋涵h(huán)境影響>人類活動(dòng)影響>生態(tài)影響>生態(tài)建設(shè),綜合權(quán)重達(dá)到0.1以上的指標(biāo)為NH3-N、CODMn、湖內(nèi)養(yǎng)殖面積比例與湖泊岸線建設(shè)用地占用比例。這與實(shí)際情況相符,水環(huán)境惡化與人類的過度開發(fā),是這一區(qū)域湖泊生態(tài)退化的主要原因。

c. 綜合評(píng)價(jià)結(jié)果顯示,研究區(qū)內(nèi)湖泊生態(tài)健康狀況不容樂觀,僅11個(gè)湖泊生態(tài)健康情況較好,25個(gè)湖泊需加強(qiáng)生態(tài)保護(hù),19個(gè)湖泊生態(tài)退化較為嚴(yán)重,亟待治理。

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Research on health evaluation and protection of urban shallow lake ecosystem

CHEN Xing1, XU Qin2, HE Xinyue1, CUI Guangbo1, LU Wanying1

(1.CollegeofHydrologyandWaterResources,HohaiUniversity,Nanjing, 210098,China;2.HydrologyandWaterResourcesDepartment,NanjingHydraulicResearchInstitute,Nanjing210029,China)

Abstract：Freshwater shallow lakes of small-to-medium size are distributed across the eastern plain areas of China. Influenced by a high rate of urbanization and intense human disturbance due to rapid economic development, these lakes are facing such environmental problems as eutrophication and ecological service function loss. A case study was conducted on the lakes in the Wujiang District, in Suzhou City, to the southeast of Taihu Lake. Based on ecological characteristics of shallow lakes, a conceptual framework of lake ecosystem health was put forward to establish the lake ecosystem health evaluation system. Four factors and 12 indices were selected to describe the state of lake health. The factors include the ecological faltor, the environmental factor, human disturbance, and ecological construction. Results show that water quality degradation and extensive human exploitation are the critical causes of the imbalance of the lake ecosystem. Based on these results, ecological restoration and construction measures are formulated for a typical lake, Sanbaidang Lake, providing a scientific basis for lake ecosystem management and protection.

Key words：urban shallow lake; lake health; ecosystem protection; evaluation system

DOI：10.3880/j.issn.1004-6933.2016.02.016

基金項(xiàng)目:國家自然科學(xué)基金(51209071,51579148)

作者簡介:陳星(1980—),女,講師,博士,主要從事環(huán)境水文、水環(huán)境保護(hù)方面研究。E-mail:chenxing@hhu.edu.cn

中圖分類號(hào)：X32

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

文章編號(hào)：1004-6933(2016)02-0077-05

(收稿日期：2015-12-28編輯：彭桃英)