張 煒，孫 晨，蘇 晨，張小岳

(1.河海大學設計研究院有限公司，江蘇 南京 210098；2. 南京瑞迪建設科技有限公司，江蘇 南京 210098；3.寶應縣水務局，江蘇 揚州 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、調節(jié)河川徑流、改善區(qū)域生態(tài)環(huán)境、維護地球生態(tài)平衡等多種功能[2]。我國湖泊生態(tài)健康維護形勢非常嚴峻，流域內工業(yè)企業(yè)排污不斷增多，湖區(qū)內漁業(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，嚴重威脅壞湖泊生態(tài)環(huán)境系統(tǒng)健康。為保護湖泊生態(tài)環(huán)境和生物多樣性，恢復被破壞的湖泊生態(tài)系統(tǒng)，持續(xù)開發(fā)利用湖泊資源，必需加強對湖泊生態(tài)健康的管理，以確保湖泊及其周邊生態(tài)環(huán)境系統(tǒng)和社會經(jīng)濟系統(tǒng)的可持續(xù)發(fā)展[3]。應用合理的方法對湖泊生態(tài)環(huán)境系統(tǒng)進行評價，能夠為湖泊管理和開發(fā)利用提供關鍵的決策依據(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]，以上模型廣泛被應用于湖泊生態(tài)系統(tǒng)的演變，尤其應用在湖泊形態(tài)與水質之間關系的分析方面。為了有效評估湖泊環(huán)境污染狀況，國內外學者對湖泊生態(tài)環(huán)境評價的研究包括中國湖泊古生態(tài)研究進展、湖泊生態(tài)環(huán)境評價分析與研究、淺水湖泊湖沼學與太湖富營養(yǎng)化控制研究、南京市生態(tài)河湖建設的實踐與思考、Spatiotemporal Evolution of Ecological Security in the Wanjiang City Belt，China等[5- 8]。整體上看，當前大部分研究仍停留在模型應用階段且出發(fā)點相對單一，沒有綜合考慮整個湖泊流域相對復雜的外部生態(tài)環(huán)境影響條件，綜合性評價的研究相對較少。本文把整個湖泊流域作為一個整體，基于“驅動力-壓力-狀態(tài)-影響-響應”模型，建立了一套系統(tǒng)度量湖泊生態(tài)環(huán)境系統(tǒng)健康水平的指標體系和評價方法，并以江蘇省寶應湖為例，對其生態(tài)環(huán)境系統(tǒng)的健康水平進行評估。

2 評價體系

2.1 模型構建

DPSIR模型是由歐洲環(huán)境局(EEA)綜合壓力-狀態(tài)-反應(PSR)和驅動力-狀態(tài)-響應(DSR)框架的優(yōu)點制定[9]，該模型能夠更好地體現(xiàn)因素間的因果關系鏈條組織信息，具有綜合性、系統(tǒng)性、靈活性等特點，其科學性和合理性實用性得到了多方的檢驗，被廣泛運用于生態(tài)環(huán)境管理與保護、可持續(xù)發(fā)展、循環(huán)經(jīng)濟等領域[10]。DPSIR模型十分適合運用在湖泊生態(tài)環(huán)境系統(tǒng)的分析評價當中，可以從驅動力、壓力、狀態(tài)、影響及響應5個方面對湖泊生態(tài)環(huán)境系統(tǒng)進分析評價，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)驅動力指湖泊生態(tài)環(huán)境系統(tǒng)變化的潛在原因，是推動湖泊生態(tài)環(huán)境系統(tǒng)變化的內部根本動力，包括經(jīng)濟發(fā)展水平與需求、開發(fā)利用活動等因素；湖泊生態(tài)環(huán)境系統(tǒng)壓力指人類活動對湖泊生態(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生態(tài)環(huán)境狀況，是各要素在質和量的綜合體現(xiàn)，包括湖泊水質、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)對其生態(tài)環(huán)境系統(tǒng)的影響，包括不利開發(fā)活動、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)響應是指為實現(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策，包括湖泊保護資金投入、水環(huán)境污染治理、湖泊管理等因素。

DPSIR模型可以細致的分析描述影響湖泊生態(tài)環(huán)境系統(tǒng)健康各個因素之間的相互關系，與建設生態(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)河湖建設來說，要達到既定的效果，可以通過調節(jié)“驅動力”、減輕“壓力”、改善“狀態(tài)”、降低“影響”、優(yōu)化“響應”等途徑來實現(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)健康分析評價當中，如圖1所示。

2.2 指標選擇

湖泊生態(tài)環(huán)境系統(tǒng)健康水平的內涵是指標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進行湖泊健康評價。祁天龍[11]應用壓力-狀態(tài)-響應模型從壓力、狀態(tài)、響應三個準則層，人口密度、水資源開發(fā)利用率等15個指標進行河流的生態(tài)系統(tǒng)健康評價。安婷等從水質、水資源、物理完整性、生物完整性、社會服務功能等準則層進行河湖健康評價。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湖泊產(chǎn)生影響后的一種狀態(tài)，需要對湖泊生態(tài)環(huán)境系統(tǒng)健康具有影響的生產(chǎn)、生活、生態(tài)的內在因素進行深入分析，指標選擇還要緊扣生態(tài)健康湖泊建設的目標要求。因此，在構建湖泊生態(tài)環(huán)境系統(tǒng)健康分析評價指標體系中，既要考慮與生產(chǎn)生活相關的產(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，以起到對湖泊生態(tài)環(huán)境系統(tǒng)全面系統(tǒng)客觀評價的指導和參考作用。所以湖泊生態(tài)環(huán)境系統(tǒng)健康分析評價要從湖泊生態(tài)健康的核心出發(fā)，結合國家生態(tài)河湖建

圖1 湖泊生態(tài)環(huán)境系統(tǒng)健康分析評價框架

設的要求，遵循DPSIR模型原理，按照科學性、系統(tǒng)性、可獲取性、可比性以及易量化等原則選取指標，采用問題驅動與因果關系的范式，將評價指標體系分為3個層次：第一是目標層，以生態(tài)環(huán)境系統(tǒng)健康綜合指數(shù)作為綜合評價目標；第二是準則層，共5個，包括湖泊生態(tài)環(huán)境系統(tǒng)驅動力、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； 第三是指標層，緊扣準則層的各個因素提出，包括 15個具體的指標。據(jù)此構建湖泊生態(tài)環(huán)境系統(tǒng)健康分析評價指標體系，見表 1。

2.3 指標權重

本文采用相關加權指數(shù)法計算指標權重。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作為評價湖泊生態(tài)系統(tǒng)健康狀況的基準指標，其余指標根據(jù)與基準指標的相關程度計算權重，計算方法如下：

(1)

式中，Wi—第i個指標所占的權重；ril—第個指標與基準指標的相關系數(shù)；m—評價指標的個數(shù)。

計算結果見表2。

2.4 指標評價

2.4.1指標數(shù)據(jù)歸一化處理

考慮到各個指標值在數(shù)量級與量綱上有較大差異，需要對這些評估指標進行無量綱化處理來消除它們之間的量綱差異，統(tǒng)一各個指標的變化區(qū)間[12]。z值歸一化法具有不受數(shù)據(jù)量級的影響的優(yōu)點，可使各指標轉換到同一量綱下，并把指標數(shù)據(jù)映射到[0，1]區(qū)間內。指標歸一化的公式為：

(2)

Xj=∑Xij/n

(3)

Sj=∑(Xij-Xj)2/(n-1)

(4)

式中，Xij—第i個準則層下第j個指標的值；Xj—第j個指標的平均值，Sj—第j個指標的標準差。

2.4.2指標計算

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

(5)

(6)

(7)

式中，Ak—第k個準則層的分值；Wk—第k個準則層對目標層的權重系數(shù)；Bi—指標層的狀態(tài)指數(shù)；Wi—指標層相對于準則層的權重系數(shù)；Wj—指標層相對于準則層的權重系數(shù)；Cij—指標層標準化值。

表1 湖泊生態(tài)環(huán)境系統(tǒng)健康分析評價指標體系

表2 湖泊生態(tài)環(huán)境系統(tǒng)健康評價指標權重

2.4.3評價等級

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、很差五個等級，分別對應的EHI為0.80～1.00、0.60～0.80、0.40～0.60、0.20～0.40、0.00～0.20。

3 實例應用

3.1 寶應湖概況

寶應湖位于江蘇省中部地區(qū)，在高郵湖和寶應湖之間，地跨揚州、淮安兩市。寶應湖原為運西湖泊群，1970年5月，淮河入江水道的三河攔河壩、淮南圩、大汕子隔堤及寶應湖退水閘建成，將寶應湖與高郵湖分開，使淮河洪水由金溝改道直入高郵湖、邵伯湖歸江，寶應湖成為內湖。20世紀70—80年代國家鼓勵圍墾，湖區(qū)內圍湖造田使高程6.50m以上的湖泊灘地變成了農(nóng)田或居住地。現(xiàn)狀寶應湖是一個沒有湖盆，沒有封閉湖堤的河道狀湖泊，由一個狹長的湖面和幾條深弘河道及圩外灘面組成。

寶應湖匯水面積1008km2；湖底平均高程5.00m。死水位5.30m，相應容積0.42億m3；正常蓄水位5.70m，相應面積38.69km2，相應容積0.56億m3；設計洪水位7.50m，相應面積76.29km2，相應容積3.08億m3。20世紀初，寶應湖無序、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，進行寶應湖生態(tài)環(huán)境系統(tǒng)健康評價，識別影響寶應湖生態(tài)環(huán)境系統(tǒng)健康影響的主要因素，是寶應湖生態(tài)環(huán)境保護工作的必要前提。

3.2 模型計算

收集寶應湖多年監(jiān)測數(shù)據(jù)、管理年報，江蘇省環(huán)境質量公報，江蘇省水資源公報等多方資料，并結合寶應湖現(xiàn)場實地調查情況，采用上述評價方法進行寶應湖生態(tài)環(huán)境系統(tǒng)健康評價，見表3。

采用加權求和法計算寶應湖生態(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)。

本文還將寶應湖劃分為若干個單元，對各單元的EHI分別進行了計算。計算結果顯示各單元生態(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 評價結論

寶應湖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)健康評價，確定寶應湖存在的主要問題如下：

(1)寶應湖圍墾面積較大，損害湖泊自然資源，破壞湖泊生態(tài)環(huán)境；減弱湖區(qū)的調蓄抗災功能，加劇汛期洪澇災害的發(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、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 寶應湖生態(tài)環(huán)境系統(tǒng)健康水平評價指標賦值表

圖2 寶應湖生態(tài)環(huán)境系統(tǒng)健康評價區(qū)域差異性

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

(3)寶應湖部分區(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，進一步惡化水質，降低水功能區(qū)水質達標率。

(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)境自凈能力相對不高。

(5)寶應湖通過高郵湖、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，因此寶應湖水生生物豐富。

寶應湖生態(tài)健康建設的主要建議：寶應湖大面積圍墾壓縮湖泊生態(tài)空間，流域內工業(yè)發(fā)展加大寶應湖污染負荷，圍網(wǎng)養(yǎng)殖加劇水體污染，湖泊生態(tài)保護形勢不容樂觀。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，降低污染負荷，提高湖泊水質標準；加強河湖管理能力建設，可及時有效杜絕與湖泊保護相違背的行為，維護湖泊治理成效。

4 結語

本文以寶應湖為例，進行湖泊生態(tài)環(huán)境系統(tǒng)的健康評價，掌握了寶應湖生態(tài)環(huán)境系統(tǒng)的損害現(xiàn)狀與程度，識別并確定影響生態(tài)環(huán)境系統(tǒng)健康的關鍵因子，為寶應湖生態(tài)保護提出的科學建議與寶應湖保護的實際需求和生態(tài)湖泊建設的規(guī)劃項目基本吻合。

引用DPSIR環(huán)境管理模型構建湖泊生態(tài)環(huán)境系統(tǒng)健康分析評價框架，可以更好地展現(xiàn)生態(tài)健康湖泊的核心要義，可通過調節(jié)“驅動力”、減輕“壓力”、改善“狀態(tài)”、降低“影響”、優(yōu)化“響應”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)境問題之間因果關系的有效工具。