城市湖泊生态健康评价指标体系研究

吴佳鹏，刘来胜，王启文，高继军

(中国水利水电科学研究院，北京 100038)

0 引 言

城市湖泊是指位于城区或近郊区的湖泊，是城市生态系统主要构成部分之一。近年来，城市湖泊作为城市规划和建设的热点，人工湖泊作为水景观不断涌现。城市湖泊是自然过程与城市人类活动共同作用的剧烈地带，是城市重要的资源环境载体，具有调节水文和气候、改善水质和空气、文化娱乐、美化城市面貌等重要生态服务功能[1-2]。

在自身形态、功能和水循环特性上，城市湖泊与天然湖泊有很大的差异。具有湖体及湖岸带人工化、湖盆较浅、水体置换周期长、水生动植物缺失等特征，致使城市湖泊水流缓滞且无定向流动、水体自净能力差。大量营养盐的注入造成我国部分城市湖泊富营养化状况日益加剧，生态系统的稳定性和服务功能丧失，常常出现藻类爆发、水体黑臭等现象，给城市生态环境和人居环境质量带来严重的负面影响[3]。

目前，城市湖泊保护和修复成为城市水生态领域研究的热点和焦点问题，以往更多关注生态修复或水质净化的效果研究[4]。但关于如何表征景观优美、岸线形态合理、生态服务功能完整、自我修复能力较强等健康城市湖泊生态特征[5]，缺乏综合评价研究。因此，本文结合已有成果，构建城市湖泊生态健康评价指标体系，包括指标体系及赋值标准等内容，期望为城市湖泊规划建设和生态修复和提供借鉴。

1 城市湖泊生态修复指标体系构建

1.1 指标体系构建原则

指标体系构建是城市湖泊健康评价的前提，科学性、合理性和有效性的指标体系，直接决定了评价结论的可信度。一般而言，指标体系构建应遵循以下原则：①目标明确，可指导城市湖泊生态保护和修复工作；②普适性好，应用较多，并被证明适宜性较好；③能突出城市湖泊生态环境特色；④可操作性强，评价数据和资料较容易获取；⑤易于量化客观性指标；⑥指标体系全面、相对独立、指标之间不重复。

1.2 指标体系构建

参考国内外已往研究[6-10]，构建了包含湖泊岸边带状况、湖体岸线形态、水文水动力条件、水质状况、水生物状况等5个要素17个指标的评价体系。

1.2.1湖滨带状况

湖滨带是陆生生态系统与水生生态系统间的交错带，又名湖滨水-陆交错带，即最低水位线和最高水位线之间的水位变动区。湖滨带作为连接水陆生态系统的特殊过渡带，在生物与非生物因子的交互作用下，具有提供滞缓水流、拦截污染、净化水质、生物栖息地等多种生态服务功能，是维护城市湖泊健康生态系统的重要屏障[11]。为全面反映岸边带的变化状况，采用C11湖滨带自然化率、C12湖滨带陆向辐射带宽度、C13景观连通性3个指标，反映岸边带的自然状态、保护地带立地条件及连通性条件。其中，湖滨带自然化率指湖滨带范围内未经人工破坏的区域或经人工修复且符合自然生态要求区域面积占湖滨带总面积的比例；湖滨带陆向辐射带宽度指沿湖泊岸线向陆域湖滨带宽度；景观连通性指湖滨带每10km被人为建(构)筑物中断(>100m)的次数。上述3个指标均可以通过湖滨带生态环境调查获取。

1.2.2湖体岸线形态

湖泊的岸线形态对外部环境和污染源对湖泊的扰动程度会产生直接影响，且湖体内水动力过程及污染物质的迁移转化通常受到湖底形态影响[5]。选取C21岸线发育系数、C22形状率和C23紧凑度3个指标表征湖泊的岸线形态。岸线发育系数表征岸线的不规则程度，岸线发展系数越大，说明湖岸曲折多变。形状率指标值较小，反映为湖泊水面宽窄变化较大、岸线曲率大、湖泊局部形状相对封闭。紧凑度表示湖泊水面形态的指数，反映了湖面开阔度，数值越高，湖面相对开阔；反之，则表示湖泊越显狭长。

岸线发育系数计算公式[6]为

(1)

式中，DL为岸线发育系数；SL为湖泊岸线长度；A为面积。

形状率计算公式[7]为

(2)

式中，FR为形状率；L为最长轴长度；A同上。

紧凑度计算公式[7]为

(3)

式中，C为紧凑度；A0为最小外接圆面积；A同上。

1.2.3水文水动力学条件

湖泊水文条件是湖泊生态系统各种理化和生物过程的基础，水文条件变化会引起湖泊生态系统一系列改变，在国内外湖泊修复评价中，水文指标是指标体系重要组成部分。为全面反映湖泊水文状态变化，采用C31湖泊压力指数、C32最小生态环境需水量保障度、C33全湖或分区平均流速、C34流速标准差和C35滞水区(流速≤0.000 5 m/s)面积比例等5个指标，反映水位变动、不同水期水量变化以及湖泊水动力学条件优劣。

湖泊压力指数[8]反映人类活动或全球气候变化对湖泊各项水文要素的干扰程度，计算公式为

LS=(LF+HF+CV+PZ+SP)/5

(4)

式中，LF为低水位指标；HF为高水位指标；CV为变差系数；PZ为极端低流量比率指标；SP为季节性周期指标。

最小生态需水量是维持湖泊系统和谐与稳定所必须消耗的水分。最小生态环境需水量保障度为实际生态水量与计算湖泊最小生态需水量的比值，最小生态环境需水量计算方法较多。

全湖或分区平均流速反映湖水的活性和置换的速度；流速标准差反映流速分布的均匀性；滞水区(流速≤0.000 5 m/s)面积比例反映滞水区或死水区的大小，上述指标可以构建二维水动力学模型分析获得。

1.2.4水质状况

基于湖泊水质监测结果，采用氨氮、总磷、总氮、高锰酸盐指数等水质指标计算C41水质达标率。湖泊C42富营养化状况选用综合营养状态指数法计算。上述两个指标按《地表水环境质量评价办法(试行)》计算。

利用汞、镉、铬、铅、砷等5种重金属浓度，采用污染物潜在风险指数计算湖泊C43沉积物中重金属污染指数[9]。即

(5)

(6)

(7)

1.2.5水生态状况

构建良好的水生态系统也是城市湖泊生态修复的重要目标之一。湖泊修复的水生态指标选取C51浮游植物多样性指数、C52浮游动物多样性指数和C53底栖生物多样性指数等3个指标表征，通过上述指数反映生境的优劣。其中，浮游植物多样性指数[10]表示浮游植物群落的种类和数量的数值；浮游动物多样性指数表示浮游动物群落的种类和数量的数值；底栖生物多样性指数表示底栖群落的种类和数量的数值。多样性指数计算公式为

H=-∑(Ni/N)log2(Ni/N)

(8)

式中，H为Shannon-Weaver多样性指数；Ni为i种的个体数；N为所有种类总数的个体数。

2 赋值标准

湖泊生态保护和修复的目的是恢复湖泊健康，目前关于健康湖泊的赋值标准存在较大主观性。采用统一指标体系和赋值标准，可以增强湖泊生态修复效果评价的可比性。由于地形地貌、气候、社会经济发展条件等方面的不同，导致不同湖泊生态健康目标存在较大差异，评价指标和赋值标准较难统一。

遵循现状湖滨带自然化率不降低的原则，城市湖泊湖滨带自然化率按照湖泊水体水质类别确定，对于Ⅳ～Ⅴ类的湖泊，自然化率应介于75%～80%。湖滨辐射带宽度应依据湖泊深浅有所差别，一般浅水湖泊湖滨辐射带宽度应大于50 m，深水湖泊湖滨辐射带宽度不宜小于30 m；且辐射带宽度应根据汇流水量水质状况、下垫面条件等进行相应调整。为保持湖滨带整体连通性，降低景观破碎化，景观连通性一般要求每10 km被人为建(构)筑物中断(>100 m)应在2处以下。

美妙的湖泊景观应以流畅、不间断的岸线形态为主，呈非规则形状，且呈现一定的曲折变化。根据有关研究结果，湖泊岸线发育系数集中在[2，6]之间。同时优美的水体形态整体曲率较大，宽窄变化较多，变化丰富，湖泊岸线形状率不小于0.5。为了保证湖泊具有一定的开阔程度，紧凑度一般介于[0.3，0.5]之间[7]。

湖泊压力指数越大表征湖泊自然节律越显著，受人为调控影响越小，通常要求其值不小于0.8。生态需水量不足，将直接干扰湖泊生态系统的动态平衡及其功能的正常发挥。目前最小生态需水量计算常用的方法包括曲线相关法、功能法、最低生态水位法等[12-13]。一般认为城市湖泊最小生态需水量保障率不应低于80%。关于全湖或分区平均流速、流速标准差和滞水区面积比例主要从改善湖泊水动力学条件，降低水体富营养化角度出发提出的控制指标。现有研究表明，以平均流速不小于0.2m/s[14]，滞水区面积比例控制到15%以下为宜[15]。

城市湖泊景观水体通常具有水域面积较小、易受污染、水深较浅、水体自净能力较低、多为静止或流动性弱等特点，一般认为，维持水体不发生富营养化的指标为水体含氮量小于0.20 mg/L，含磷量小于0.01 mg/L，生化需氧量不大于10.00 mg/L，叶绿素a浓度不大于10.00 mg/L[16]。沉积物中重金属潜在轻微生态风险污染指数不大于120[9]。因此建议城市湖泊按上述指标限值控制。

水生生物多样性指数包括Shannon-Weaver多样性指数、Margalef多样性指数、均匀度指数等，常用的是Shannon-Weaver多样性指数，指数值H为0～1时水体为重度污染，1～3为中度污染，大于3为轻度污染或无污染[10]。

3 结论与讨论

(1)本文结合湖泊形态评价、水质评价、生态功能评价等方面的研究，并参考《湖泊生态安全调查与评估技术指南》、《湖滨带生态修复工程技术指南》、《地表水环境质量评价办法(试行)》等相关国家标准和行业标准，建立了5个要素17个指标城市湖泊生态健康评价指标体系框架；给出了单项指标的具体解释和评价参考标准。

(2)城市湖泊生态健康评价未来的发展，除了应考虑水生态健康功能外，还应考虑生态服务功能，如水源涵养功能评价、栖息地功能评价、拦截净化功能评价等，不同区域城市湖泊生态修复评价指标和评价标准也有不同，本文还未细化不同地域城市湖泊健康评价指标体系。本文尽管给出了单项指标的评价标准，但具体的评分细则和成熟的评价方法，以及综合评价方法还需进一步完善。

(3)目前，城市湖泊生态修复处于探索完善阶段，城市湖泊生态健康评价是一个新的课题，尤其是健康理想赋值或阈值研究多停留在理论阶段，本文建立的评价指标体系，会随着对城市湖泊修复工作的进一步开展而发生变化。因此，指标体系需要不断地优化和完善，并通过实践检验其可行性。