吳佳鵬，劉來勝，王啟文，高繼軍

(中國水利水電科學(xué)研究院，北京 100038)

0 引 言

城市湖泊是指位于城區(qū)或近郊區(qū)的湖泊，是城市生態(tài)系統(tǒng)主要構(gòu)成部分之一。近年來，城市湖泊作為城市規(guī)劃和建設(shè)的熱點，人工湖泊作為水景觀不斷涌現(xiàn)。城市湖泊是自然過程與城市人類活動共同作用的劇烈地帶，是城市重要的資源環(huán)境載體，具有調(diào)節(jié)水文和氣候、改善水質(zhì)和空氣、文化娛樂、美化城市面貌等重要生態(tài)服務(wù)功能[1-2]。

在自身形態(tài)、功能和水循環(huán)特性上，城市湖泊與天然湖泊有很大的差異。具有湖體及湖岸帶人工化、湖盆較淺、水體置換周期長、水生動植物缺失等特征，致使城市湖泊水流緩滯且無定向流動、水體自凈能力差。大量營養(yǎng)鹽的注入造成我國部分城市湖泊富營養(yǎng)化狀況日益加劇，生態(tài)系統(tǒng)的穩(wěn)定性和服務(wù)功能喪失，常常出現(xiàn)藻類爆發(fā)、水體黑臭等現(xiàn)象，給城市生態(tài)環(huán)境和人居環(huán)境質(zhì)量帶來嚴(yán)重的負(fù)面影響[3]。

目前，城市湖泊保護(hù)和修復(fù)成為城市水生態(tài)領(lǐng)域研究的熱點和焦點問題，以往更多關(guān)注生態(tài)修復(fù)或水質(zhì)凈化的效果研究[4]。但關(guān)于如何表征景觀優(yōu)美、岸線形態(tài)合理、生態(tài)服務(wù)功能完整、自我修復(fù)能力較強(qiáng)等健康城市湖泊生態(tài)特征[5]，缺乏綜合評價研究。因此，本文結(jié)合已有成果，構(gòu)建城市湖泊生態(tài)健康評價指標(biāo)體系，包括指標(biāo)體系及賦值標(biāo)準(zhǔn)等內(nèi)容，期望為城市湖泊規(guī)劃建設(shè)和生態(tài)修復(fù)和提供借鑒。

1 城市湖泊生態(tài)修復(fù)指標(biāo)體系構(gòu)建

1.1 指標(biāo)體系構(gòu)建原則

指標(biāo)體系構(gòu)建是城市湖泊健康評價的前提，科學(xué)性、合理性和有效性的指標(biāo)體系，直接決定了評價結(jié)論的可信度。一般而言，指標(biāo)體系構(gòu)建應(yīng)遵循以下原則：①目標(biāo)明確，可指導(dǎo)城市湖泊生態(tài)保護(hù)和修復(fù)工作；②普適性好，應(yīng)用較多，并被證明適宜性較好；③能突出城市湖泊生態(tài)環(huán)境特色；④可操作性強(qiáng)，評價數(shù)據(jù)和資料較容易獲??；⑤易于量化客觀性指標(biāo)；⑥指標(biāo)體系全面、相對獨立、指標(biāo)之間不重復(fù)。

1.2 指標(biāo)體系構(gòu)建

參考國內(nèi)外已往研究[6-10]，構(gòu)建了包含湖泊岸邊帶狀況、湖體岸線形態(tài)、水文水動力條件、水質(zhì)狀況、水生物狀況等5個要素17個指標(biāo)的評價體系。

1.2.1湖濱帶狀況

湖濱帶是陸生生態(tài)系統(tǒng)與水生生態(tài)系統(tǒng)間的交錯帶，又名湖濱水-陸交錯帶，即最低水位線和最高水位線之間的水位變動區(qū)。湖濱帶作為連接水陸生態(tài)系統(tǒng)的特殊過渡帶，在生物與非生物因子的交互作用下，具有提供滯緩水流、攔截污染、凈化水質(zhì)、生物棲息地等多種生態(tài)服務(wù)功能，是維護(hù)城市湖泊健康生態(tài)系統(tǒng)的重要屏障[11]。為全面反映岸邊帶的變化狀況，采用C11湖濱帶自然化率、C12湖濱帶陸向輻射帶寬度、C13景觀連通性3個指標(biāo)，反映岸邊帶的自然狀態(tài)、保護(hù)地帶立地條件及連通性條件。其中，湖濱帶自然化率指湖濱帶范圍內(nèi)未經(jīng)人工破壞的區(qū)域或經(jīng)人工修復(fù)且符合自然生態(tài)要求區(qū)域面積占湖濱帶總面積的比例；湖濱帶陸向輻射帶寬度指沿湖泊岸線向陸域湖濱帶寬度；景觀連通性指湖濱帶每10km被人為建(構(gòu))筑物中斷(>100m)的次數(shù)。上述3個指標(biāo)均可以通過湖濱帶生態(tài)環(huán)境調(diào)查獲取。

1.2.2湖體岸線形態(tài)

湖泊的岸線形態(tài)對外部環(huán)境和污染源對湖泊的擾動程度會產(chǎn)生直接影響，且湖體內(nèi)水動力過程及污染物質(zhì)的遷移轉(zhuǎn)化通常受到湖底形態(tài)影響[5]。選取C21岸線發(fā)育系數(shù)、C22形狀率和C23緊湊度3個指標(biāo)表征湖泊的岸線形態(tài)。岸線發(fā)育系數(shù)表征岸線的不規(guī)則程度，岸線發(fā)展系數(shù)越大，說明湖岸曲折多變。形狀率指標(biāo)值較小，反映為湖泊水面寬窄變化較大、岸線曲率大、湖泊局部形狀相對封閉。緊湊度表示湖泊水面形態(tài)的指數(shù)，反映了湖面開闊度，數(shù)值越高，湖面相對開闊；反之，則表示湖泊越顯狹長。

岸線發(fā)育系數(shù)計算公式[6]為

(1)

式中，DL為岸線發(fā)育系數(shù)；SL為湖泊岸線長度；A為面積。

形狀率計算公式[7]為

(2)

式中，F(xiàn)R為形狀率；L為最長軸長度；A同上。

緊湊度計算公式[7]為

(3)

式中，C為緊湊度；A0為最小外接圓面積；A同上。

1.2.3水文水動力學(xué)條件

湖泊水文條件是湖泊生態(tài)系統(tǒng)各種理化和生物過程的基礎(chǔ)，水文條件變化會引起湖泊生態(tài)系統(tǒng)一系列改變，在國內(nèi)外湖泊修復(fù)評價中，水文指標(biāo)是指標(biāo)體系重要組成部分。為全面反映湖泊水文狀態(tài)變化，采用C31湖泊壓力指數(shù)、C32最小生態(tài)環(huán)境需水量保障度、C33全湖或分區(qū)平均流速、C34流速標(biāo)準(zhǔn)差和C35滯水區(qū)(流速≤0.000 5 m/s)面積比例等5個指標(biāo)，反映水位變動、不同水期水量變化以及湖泊水動力學(xué)條件優(yōu)劣。

湖泊壓力指數(shù)[8]反映人類活動或全球氣候變化對湖泊各項水文要素的干擾程度，計算公式為

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

(4)

式中，LF為低水位指標(biāo)；HF為高水位指標(biāo)；CV為變差系數(shù)；PZ為極端低流量比率指標(biāo)；SP為季節(jié)性周期指標(biāo)。

最小生態(tài)需水量是維持湖泊系統(tǒng)和諧與穩(wěn)定所必須消耗的水分。最小生態(tài)環(huán)境需水量保障度為實際生態(tài)水量與計算湖泊最小生態(tài)需水量的比值，最小生態(tài)環(huán)境需水量計算方法較多。

全湖或分區(qū)平均流速反映湖水的活性和置換的速度；流速標(biāo)準(zhǔn)差反映流速分布的均勻性；滯水區(qū)(流速≤0.000 5 m/s)面積比例反映滯水區(qū)或死水區(qū)的大小，上述指標(biāo)可以構(gòu)建二維水動力學(xué)模型分析獲得。

1.2.4水質(zhì)狀況

基于湖泊水質(zhì)監(jiān)測結(jié)果，采用氨氮、總磷、總氮、高錳酸鹽指數(shù)等水質(zhì)指標(biāo)計算C41水質(zhì)達(dá)標(biāo)率。湖泊C42富營養(yǎng)化狀況選用綜合營養(yǎng)狀態(tài)指數(shù)法計算。上述兩個指標(biāo)按《地表水環(huán)境質(zhì)量評價辦法(試行)》計算。

利用汞、鎘、鉻、鉛、砷等5種重金屬濃度，采用污染物潛在風(fēng)險指數(shù)計算湖泊C43沉積物中重金屬污染指數(shù)[9]。即

(5)

(6)

(7)

1.2.5水生態(tài)狀況

構(gòu)建良好的水生態(tài)系統(tǒng)也是城市湖泊生態(tài)修復(fù)的重要目標(biāo)之一。湖泊修復(fù)的水生態(tài)指標(biāo)選取C51浮游植物多樣性指數(shù)、C52浮游動物多樣性指數(shù)和C53底棲生物多樣性指數(shù)等3個指標(biāo)表征，通過上述指數(shù)反映生境的優(yōu)劣。其中，浮游植物多樣性指數(shù)[10]表示浮游植物群落的種類和數(shù)量的數(shù)值；浮游動物多樣性指數(shù)表示浮游動物群落的種類和數(shù)量的數(shù)值；底棲生物多樣性指數(shù)表示底棲群落的種類和數(shù)量的數(shù)值。多樣性指數(shù)計算公式為

H=-∑(Ni/N)log2(Ni/N)

(8)

式中，H為Shannon-Weaver多樣性指數(shù)；Ni為i種的個體數(shù)；N為所有種類總數(shù)的個體數(shù)。

2 賦值標(biāo)準(zhǔn)

湖泊生態(tài)保護(hù)和修復(fù)的目的是恢復(fù)湖泊健康，目前關(guān)于健康湖泊的賦值標(biāo)準(zhǔn)存在較大主觀性。采用統(tǒng)一指標(biāo)體系和賦值標(biāo)準(zhǔn)，可以增強(qiáng)湖泊生態(tài)修復(fù)效果評價的可比性。由于地形地貌、氣候、社會經(jīng)濟(jì)發(fā)展條件等方面的不同，導(dǎo)致不同湖泊生態(tài)健康目標(biāo)存在較大差異，評價指標(biāo)和賦值標(biāo)準(zhǔn)較難統(tǒng)一。

遵循現(xiàn)狀湖濱帶自然化率不降低的原則，城市湖泊湖濱帶自然化率按照湖泊水體水質(zhì)類別確定，對于Ⅳ～Ⅴ類的湖泊，自然化率應(yīng)介于75%～80%。湖濱輻射帶寬度應(yīng)依據(jù)湖泊深淺有所差別，一般淺水湖泊湖濱輻射帶寬度應(yīng)大于50 m，深水湖泊湖濱輻射帶寬度不宜小于30 m；且輻射帶寬度應(yīng)根據(jù)匯流水量水質(zhì)狀況、下墊面條件等進(jìn)行相應(yīng)調(diào)整。為保持湖濱帶整體連通性，降低景觀破碎化，景觀連通性一般要求每10 km被人為建(構(gòu))筑物中斷(>100 m)應(yīng)在2處以下。

美妙的湖泊景觀應(yīng)以流暢、不間斷的岸線形態(tài)為主，呈非規(guī)則形狀，且呈現(xiàn)一定的曲折變化。根據(jù)有關(guān)研究結(jié)果，湖泊岸線發(fā)育系數(shù)集中在[2，6]之間。同時優(yōu)美的水體形態(tài)整體曲率較大，寬窄變化較多，變化豐富，湖泊岸線形狀率不小于0.5。為了保證湖泊具有一定的開闊程度，緊湊度一般介于[0.3，0.5]之間[7]。

湖泊壓力指數(shù)越大表征湖泊自然節(jié)律越顯著，受人為調(diào)控影響越小，通常要求其值不小于0.8。生態(tài)需水量不足，將直接干擾湖泊生態(tài)系統(tǒng)的動態(tài)平衡及其功能的正常發(fā)揮。目前最小生態(tài)需水量計算常用的方法包括曲線相關(guān)法、功能法、最低生態(tài)水位法等[12-13]。一般認(rèn)為城市湖泊最小生態(tài)需水量保障率不應(yīng)低于80%。關(guān)于全湖或分區(qū)平均流速、流速標(biāo)準(zhǔn)差和滯水區(qū)面積比例主要從改善湖泊水動力學(xué)條件，降低水體富營養(yǎng)化角度出發(fā)提出的控制指標(biāo)?，F(xiàn)有研究表明，以平均流速不小于0.2m/s[14]，滯水區(qū)面積比例控制到15%以下為宜[15]。

城市湖泊景觀水體通常具有水域面積較小、易受污染、水深較淺、水體自凈能力較低、多為靜止或流動性弱等特點，一般認(rèn)為，維持水體不發(fā)生富營養(yǎng)化的指標(biāo)為水體含氮量小于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，葉綠素a濃度不大于10.00 mg/L[16]。沉積物中重金屬潛在輕微生態(tài)風(fēng)險污染指數(shù)不大于120[9]。因此建議城市湖泊按上述指標(biāo)限值控制。

水生生物多樣性指數(shù)包括Shannon-Weaver多樣性指數(shù)、Margalef多樣性指數(shù)、均勻度指數(shù)等，常用的是Shannon-Weaver多樣性指數(shù)，指數(shù)值H為0～1時水體為重度污染，1～3為中度污染，大于3為輕度污染或無污染[10]。

3 結(jié)論與討論

(1)本文結(jié)合湖泊形態(tài)評價、水質(zhì)評價、生態(tài)功能評價等方面的研究，并參考《湖泊生態(tài)安全調(diào)查與評估技術(shù)指南》、《湖濱帶生態(tài)修復(fù)工程技術(shù)指南》、《地表水環(huán)境質(zhì)量評價辦法(試行)》等相關(guān)國家標(biāo)準(zhǔn)和行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，建立了5個要素17個指標(biāo)城市湖泊生態(tài)健康評價指標(biāo)體系框架；給出了單項指標(biāo)的具體解釋和評價參考標(biāo)準(zhǔn)。

(2)城市湖泊生態(tài)健康評價未來的發(fā)展，除了應(yīng)考慮水生態(tài)健康功能外，還應(yīng)考慮生態(tài)服務(wù)功能，如水源涵養(yǎng)功能評價、棲息地功能評價、攔截凈化功能評價等，不同區(qū)域城市湖泊生態(tài)修復(fù)評價指標(biāo)和評價標(biāo)準(zhǔn)也有不同，本文還未細(xì)化不同地域城市湖泊健康評價指標(biāo)體系。本文盡管給出了單項指標(biāo)的評價標(biāo)準(zhǔn)，但具體的評分細(xì)則和成熟的評價方法，以及綜合評價方法還需進(jìn)一步完善。

(3)目前，城市湖泊生態(tài)修復(fù)處于探索完善階段，城市湖泊生態(tài)健康評價是一個新的課題，尤其是健康理想賦值或閾值研究多停留在理論階段，本文建立的評價指標(biāo)體系，會隨著對城市湖泊修復(fù)工作的進(jìn)一步開展而發(fā)生變化。因此，指標(biāo)體系需要不斷地優(yōu)化和完善，并通過實踐檢驗其可行性。