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隨著城市經(jīng)濟的發(fā)展,人民生活水平的提高,對城市河湖的功能需求趨于多元化,旅游、休閑、改善生態(tài)環(huán)境、創(chuàng)造景觀和豐富水文化等逐漸成為城市河湖生態(tài)系統(tǒng)服務于當?shù)厣鐣敖?jīng)濟發(fā)展的重要內(nèi)容,而這些功能的實現(xiàn)是以城市河湖生態(tài)系統(tǒng)健康為基礎的。由于北方地區(qū)缺水,加之近年來人口的增加和經(jīng)濟發(fā)展對水資源的大量需求,擠占了城市河湖生態(tài)環(huán)境用水,嚴重影響了城市河湖的水文特征和物理結(jié)構(gòu),造成河湖水體流動不暢,水質(zhì)惡化,混凝土裸露,沿岸景觀單調(diào)乏味,生態(tài)環(huán)境質(zhì)量和景觀功能下降。因此,以改善城市水環(huán)境為目標的城市河湖生態(tài)系統(tǒng)健康評價,將為城市水環(huán)境改善和研究提供依據(jù)。生態(tài)系統(tǒng)健康概念自20世紀80年代末提出以來,研究多針對自然河流、湖泊、濕地、海岸等生態(tài)系統(tǒng)健康而言,對于城市河湖,主要集中在河流水質(zhì)及水環(huán)境質(zhì)量評價、土地利用對河流水體的生態(tài)風險及對生物健康的影響、水利工程對水生態(tài)系統(tǒng)的影響、河湖生態(tài)系統(tǒng)需水量等方面的研究,城市河湖生態(tài)系統(tǒng)健康層面的研究卻不多見,趙彥偉建立了城市河流生態(tài)系統(tǒng)健康評價指標體系,包括水質(zhì)、水量、水生生物、物理結(jié)構(gòu)與河岸帶5個要素,并應用到寧波市4條河流的健康評價中。本文著重探討城市河湖生態(tài)系統(tǒng)健康概念和內(nèi)涵,建立以改善城市水環(huán)境為目標的城市河湖生態(tài)系統(tǒng)健康評價指標體系,并以北京“六?！睘槔M行健康評價,明確“六海”生態(tài)系統(tǒng)健康的脅迫因子,以期為科學管理城市河湖和生態(tài)環(huán)境恢復提供依據(jù)。

1城市河湖生態(tài)系統(tǒng)健康評價

1.1城市河湖生態(tài)系統(tǒng)健康概念及內(nèi)涵城市河湖包括自然形成和人工開挖的流經(jīng)城市區(qū)域的運河、河流、渠道(含暗渠)和市區(qū)湖泊和水庫。城市河湖生態(tài)系統(tǒng)是城市的資源和環(huán)境載體,關(guān)系到城市生存和發(fā)展,是與人類生態(tài)系統(tǒng)交互作用的復合生態(tài)系統(tǒng)。健康的城市河湖生態(tài)系統(tǒng)不僅意味著能保持生態(tài)系統(tǒng)自身完整性,而且還能夠提供合乎自然和人類需求的生態(tài)服務。因此,城市河湖生態(tài)系統(tǒng)健康的概念應具有雙重屬性:從自然屬性來說,整個生態(tài)系統(tǒng)是完整的、穩(wěn)定的、可持續(xù)的,對外界不利因素具有抵抗力;從社會屬性來說,具有持續(xù)提供完善的生態(tài)系統(tǒng)服務功能和滿足城市居民休閑娛樂的需要。據(jù)此,健康的城市河湖生態(tài)系統(tǒng)應具備以下特征:能夠保證生態(tài)功能和服務功能的適宜水量;水質(zhì)良好,具有一定的流動性;水生態(tài)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)完整,具有自動適應和自調(diào)控能力,能在人工調(diào)節(jié)下持續(xù)發(fā)展;能夠發(fā)揮正常的生態(tài)功能、景觀功能、旅游休閑功能,體現(xiàn)水文化內(nèi)涵。與自然河湖相比,城市河湖與區(qū)域人類活動的交互影響較大,一方面,城市的社會經(jīng)濟活動高度依賴于區(qū)域健康的河湖提供的各種服務功能;另一方面,城市高強度的社會經(jīng)濟活動對河湖的水量、水質(zhì)、水循環(huán)、水生態(tài)和總體健康狀況都有顯著的影響。人類活動和城市河湖生態(tài)系統(tǒng)健康的關(guān)系如圖1所示。當人為干擾的強度小于生態(tài)系統(tǒng)的自調(diào)控閾值時,城市河湖生態(tài)系統(tǒng)保持一種動態(tài)的平衡(圖1A～B段),處于健康的狀態(tài);當人為干擾的強度超過生態(tài)系統(tǒng)的自調(diào)控閾值時,城市河湖生態(tài)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和功能改變,使城市河湖生態(tài)系統(tǒng)健康受到損害,生態(tài)質(zhì)量不斷下降,處于臨界狀態(tài)(圖1B～C段),此時,可以通過人工或自然恢復對其進行改善;當?shù)竭_C點(臨界狀態(tài)的最小值)時,城市河湖生態(tài)系統(tǒng)進一步惡化,處于不健康的狀態(tài)(圖1C～D段),其自然恢復難度加大,采取人為調(diào)控對城市河湖進行人工恢復,其恢復的可能性較大。

1.2城市河湖生態(tài)系統(tǒng)健康評價指標體系

指標體系法是目前比較常用的生態(tài)系統(tǒng)健康評價方法,評價指標要根據(jù)生態(tài)系統(tǒng)健康的概念和內(nèi)涵,選取可定量的、可操作的、可廣泛推廣的指標,切實反映出被評價對象的生態(tài)環(huán)境特點。根據(jù)城市河湖生態(tài)系統(tǒng)健康概念和內(nèi)涵,構(gòu)建了3層次的城市河湖生態(tài)系統(tǒng)健康評價指標體系。第1層次是目標層,即城市河湖生態(tài)系統(tǒng)健康程度;第2層次是要素層,包括水文特征、水環(huán)境質(zhì)量、水生態(tài)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)與功能、水濱空間結(jié)構(gòu)、景觀效果、脅迫因素;第3層次是指標層,即每一個評價要素由哪些具體指標來表達。具體結(jié)果見表1。

1.3評價指標權(quán)重確定

應用層次分析法,結(jié)合專家咨詢,確定要素層和指標層權(quán)重。首先請生態(tài)學家、水文學家、環(huán)境質(zhì)量評價專家和城市河湖管理部門官員,填寫各指標權(quán)重的判斷矩陣;采用和積法計算指標的權(quán)重,具體步驟如下[30]:①將判斷矩陣每一列正規(guī)化;②將每一列正規(guī)化的判斷矩陣按行相加得到向量;③對向量做正規(guī)化處理,依次得到的列向量即為所求特征向量;④計算判斷矩陣的最大特征根;⑤對判斷矩陣進行一致性檢驗,得到各個評價指標對上一層的權(quán)重以及各要素對目標層的權(quán)重。要素層和指標層的權(quán)重計算結(jié)果見表2。

1.4健康評價方法

2.生態(tài)系統(tǒng)健康與否是一個相對的概念,是相對于標準值而言的,因此,城市河湖生態(tài)系統(tǒng)的健康與否可以作為一個模糊問題來處理。應用模糊數(shù)學的概念和方法建立城市河湖生態(tài)系統(tǒng)健康評價模型:A=W×R(1)

式中,A為城市河湖生態(tài)系統(tǒng)健康狀況矩陣,W為評價要素的權(quán)矩陣,W=(w1,w2,…,w6);R為各健康要素對各級健康標準(本文把健康評價標準分為“健康、臨界狀態(tài)、不健康”3個級別)的隸屬度矩陣。

公式(2)和(3)中,Rij為第i要素對第j級健康標準的隸屬度,如R33表示第3要素(水生態(tài)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和功能)對第3級標準(不健康)的隸屬度;Wik指第i評價要素對其包含的第k個指標所賦予的權(quán)重,其中k為各評價要素所包含的指標個數(shù)。rkj為第k指標對第j級標準的相對隸屬度,rkj的計算對正向指標(指標值越大,健康程度越高)和負向指標(指標值越小,健康程度越高)有所不同,其計算方法(以第y項指標值xy為例,y=1,2,…,k,Syj為第y項指標的第j級健康標準值)如下:

(1)正向指標如河湖補給系數(shù)、物種多樣性等

(2)負向指標如水營養(yǎng)狀況、底質(zhì)污染指數(shù)等

2實例研究——北京市“六海”生態(tài)系統(tǒng)健康評價

“六?！焙慈菏潜本┦兄匾木坝^之一,由西海、后海、前海、北海、中海和南海6個子湖組成(圖2)。近年來隨著社會經(jīng)濟的發(fā)展,水資源補給量的減少,加之人類活動干擾,“六?！钡纳鷳B(tài)環(huán)境發(fā)生了變化:水生態(tài)系統(tǒng)完整性遭到破壞;水深變淺,流動性差,水體更新緩慢;水質(zhì)嚴重惡化,多次暴發(fā)水華,“六海”健康狀況受到損害,也嚴重影響了“六?！钡木坝^功能。

3.1評價指標和標準

根據(jù)“六?！钡纳鷳B(tài)環(huán)境特點,共選取了14個指標進行評價。對于城市河湖生態(tài)系統(tǒng)健康評價,目前尚無明確的統(tǒng)一的標準。評價標準的確定是城市河湖生態(tài)系統(tǒng)健康評價的難點。處于不同區(qū)域、不同規(guī)模、不同類型的河湖,面對不同人群的社會期望,評價標準也不同。Munawar等認為生態(tài)系統(tǒng)健康評價的目的不是為生態(tài)系統(tǒng)診斷疾病,而是在一個生態(tài)學框架下,結(jié)合人類健康觀點對生態(tài)系統(tǒng)特征進行描述——定義人類所期望的生態(tài)系統(tǒng)狀態(tài)。也就是說,評價標準的制定須在現(xiàn)狀基礎上,以最大發(fā)揮生態(tài)系統(tǒng)服務功能為目標,來定義生態(tài)系統(tǒng)健康狀態(tài)。

根據(jù)上述觀點,結(jié)合“六海”的實際情況,通過實地考察、借鑒國家標準與相關(guān)研究成果、專家咨詢、公眾參與等方法確定評價標準,提出基于“六?！爆F(xiàn)狀的合理的指標標準和人類期望的目標。健康標準分級過程如下:

（1）水量以水深表示,“六?！钡乃钜话阍?～2m,本著以現(xiàn)狀為依據(jù)的原則,考慮景觀娛樂的需要,以1.2m作為不健康的上限值,其它級別根據(jù)景觀需要人為設定。

（2）河湖補給系數(shù)“六海”的水量損失主要是蒸發(fā)和滲漏,這里的補給系數(shù)是補水量/蒸發(fā)滲漏量,考慮北京缺水現(xiàn)狀,以補水量正好滿足蒸發(fā)、滲漏量作為健康的下限。

（3）流速城市河湖的流動性是健康的重要標志,根據(jù)北京城市河湖管理部門多年監(jiān)測數(shù)據(jù),以使“六?！鄙鷳B(tài)環(huán)境逐漸好轉(zhuǎn)的最小流速0.02m/s作為不健康的上限,以防止水華出現(xiàn)的最小流速0.04m/s作為健康的下限。

（4）地表水質(zhì)“六?！彼w為景觀用水,考慮水體景觀功能要求,以滿足《地面水環(huán)境質(zhì)量標準》(GB3838-2002)Ⅲ類水作為健康的下限。

（5）水營養(yǎng)狀況根據(jù)湖泊富營養(yǎng)化評價方法TSIM指數(shù)劃分。

（6）水生植物覆蓋率對北京什剎海(前海和后海)進行水生植物恢復的試驗表明,水生植物群落覆蓋率達到水域50%以上時,抑制藍藻“水華”作用明顯,這里考慮“六海”行船的需要,結(jié)合專家咨詢,以60%作為健康標準,考慮水生植物的生態(tài)環(huán)境功能,以30%作為不健康的上限。

（7）底棲動物多樣性以底棲動物Shannon多樣性指數(shù)劃分等級。

（8）浮游植物初級生產(chǎn)力根據(jù)湖泊富營養(yǎng)化標準,結(jié)合“六海”富營養(yǎng)化程度很高的現(xiàn)狀,以2.5g/(m2·d)作為健康的上限,2.5～7.5g/(m2·d)作為臨界狀態(tài),以“六?！备∮沃参锍跫壣a(chǎn)力最高值作為不健康的上限。

（9）水陸交錯帶狀況考慮城市居民的親水以及城市防洪要求,結(jié)合專家咨詢,以坡度30°作為健康的上限;人工濕地比例越高越好,但“六?！辈糠趾毒o鄰居民區(qū)和商業(yè)區(qū),以人工濕地比例為70%作為健康的下限,其余級別向下浮動20%確定。

（10）植被緩沖帶寬度參考相關(guān)文獻,以5m作為不健康的上限,考慮“六?！焙陡叩鼐坝^空間不足的局限性,本著以現(xiàn)狀為依據(jù)的原則,將10m作為健康的下限。

（11）觀賞游憩價值通過專家打分確定,滿分100分,考慮“六?！钡木坝^和歷史文化價值,健康的分數(shù)值應比較高,這里以90分作為健康的下限,其余級別向下浮動20分確定。

（12）公眾對環(huán)境滿意率通過調(diào)查“六?！敝苓叺木用窈陀稳双@得數(shù)據(jù),體現(xiàn)公眾對“六?！鄙鷳B(tài)環(huán)境的滿意程度,經(jīng)過調(diào)查,公眾對“六?！钡臐M意率比較低,這里以現(xiàn)狀為依據(jù),以70%作為健康的下限,其余級別向下浮動20%確定。

（13）最小需水保證率以“六?！弊钚∩鷳B(tài)環(huán)境需水量的滿足程度劃分,根據(jù)“六海”生態(tài)環(huán)境現(xiàn)狀,其生態(tài)環(huán)境需水量包括湖泊蒸發(fā)需水量、自身存在需水量、凈化需水量、景觀娛樂需水量,最小生態(tài)環(huán)境需水量根據(jù)最差的水質(zhì)級別(取IV類)、湖泊水深(取0.8m)和換水系數(shù)(取1.25/a)確定,根據(jù)北京實際供水狀況,結(jié)合專家咨詢,采用90%作為健康的下限,其余級別向下浮動20%確定。（14）污水處理率參考相關(guān)文獻,將70%作為健康的下限,結(jié)合“六?！敝苓呥M行節(jié)污的現(xiàn)狀,以60%作為不健康的上限。具體的評價指標及各分級標準的標準值見表3。

2.2“六海”生態(tài)系統(tǒng)健康評價

2.2.1健康評價結(jié)果

依據(jù)2002年監(jiān)測數(shù)據(jù)、實地調(diào)查結(jié)果并結(jié)合上述評價模型進行計算,得出“六?！备髯雍?個要素對各健康級別的隸屬度與各子湖對各健康級別的隸屬度(圖3,表4)。

2.2.2分析與討論由評價結(jié)果(圖3)可知,影響前4個湖健康水平的限制因子主要為水環(huán)境質(zhì)量、水生態(tài)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)與功能以及水濱空間結(jié)構(gòu)。尤其是后海、前海和北海,此3要素對不健康狀態(tài)的隸屬度分別高達1。主要原因是水量少、水質(zhì)差,人工化嚴重,水生態(tài)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)不完整。制約中海和南海健康的主要因素是水濱空間結(jié)構(gòu),對不健康狀態(tài)的隸屬度均在0.6以上。因此,對“六?！边M行生態(tài)恢復的重點應放在水量、水質(zhì)、水生態(tài)系統(tǒng)完整性和水濱空間結(jié)構(gòu)方面。

按照最大隸屬度原則,前4個湖均處于不健康狀態(tài),隸屬度分別為0.778、0.742、0.742、0.783,而中海以及南海對不健康和臨界狀態(tài)的隸屬度相差不大,中海為0.410、0.402,南海為0.408、0.315,因此認為中海和南海處于不健康向臨界轉(zhuǎn)化的狀態(tài)。各湖對不健康狀態(tài)的隸屬度排序為:南海<中海<前海=后海<西海<北海;對臨界狀態(tài)隸屬度的排序為:北海<后海<西海<前海<南海<中海;對健康狀態(tài)隸屬度的排序為:西海<前海<北海<后海<中海<南海。

從表4可以看出,前4個湖對不健康的隸屬度差別不大,均在0.7以上,以北海最差,達到0.783;中海和南海均在0.42以下,遠低于前四個湖。而且與前四個湖相比,中海和南海對臨界狀態(tài)的隸屬度明顯高于前四湖,分別為0.402,0.315,因此從整體看,中海和南海的整體生態(tài)環(huán)境要好于其它湖。

2.2.3“六?！鄙鷳B(tài)系統(tǒng)健康等級及可恢復程度劃分為了便于比較“六?！鄙鷳B(tài)系統(tǒng)健康程度和可恢復程度,將健康度細分為5個等級,可恢復程度劃分為3個等級,等級劃分范圍為[0,1],按基本等量的原則來劃分等級(表5)

從健康等級劃分結(jié)果看出(表5),除南海外,各個湖的健康程度都處于很差的級別,尤以西海、前海和北海最差,需要受到更多的關(guān)注;從各個湖生態(tài)系統(tǒng)可恢復程度難易來說,前4個湖的恢復困難,尤其是西海和北海,需加大治理力度,控制生態(tài)系統(tǒng)惡化趨勢,采取人工恢復措施使其向良性方向發(fā)展;中海和南海對健康和臨界狀態(tài)的隸屬度之和均接近0.6,可恢復程度處于中等級別,說明與其余4個湖相比,中海和南海具有良好的發(fā)展?jié)摿?只要采取有效的生態(tài)系統(tǒng)管理措施,改變影響中海和南海健康的限制因子狀況,中海和南?？梢韵蚋玫姆较虬l(fā)展。

2.3建議

研究結(jié)果表明,制約“六?！苯】邓降囊蛩刂饕撬h(huán)境質(zhì)量、水生態(tài)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)、功能以及水濱空間結(jié)構(gòu),因此,對“六海”的生態(tài)恢復和管理提出以下措施:

(1)控制點源、面源污染,改善入湖和湖水水質(zhì)“六海”水質(zhì)差的原因主要是入水水質(zhì)差和湖區(qū)點、面源污染(如生活污水、暴雨徑流、底泥釋放、養(yǎng)魚垂釣等活動),因此應減少上游工業(yè)廢水和生活污水的排放,恢復湖區(qū)植被緩沖帶以對地表徑流進行部分截流,同時對“六?！彼w(主要針對前四湖)及其沿岸農(nóng)貿(mào)市場和餐飲業(yè)進行嚴格的管理,盡量減少人為活動對水質(zhì)的影響;在工程方面,需采取水污染治理技術(shù)和生態(tài)恢復工程措施,改善“六?！钡乃|(zhì)。

(2)改善“六海”的水文條件歷史上“六?！备髯雍嗷ミB通,湖水可以自由流動,但近年來由于水量不足,各子湖之間都設置閘門進行控制,各湖的水流動性很差,需要科學調(diào)度水資源,適當控制閘門開啟,使“六?！钡乃w聯(lián)通,保持流動性。

(3)恢復水生態(tài)系統(tǒng)以及水濱空間結(jié)構(gòu)研究表明,對于富營養(yǎng)淺水湖泊來說,恢復以沉水植物為主的植被,可以有效降低N、P營養(yǎng)循環(huán)速度,控制浮游植物過度增長。因此,對“六?！眮碚f,應重建和恢復湖泊原有的以沉水植物為主的系統(tǒng),并保持其良性循環(huán);拆除“六海”水泥、石塊湖岸,重建濕地,恢復水生態(tài)系統(tǒng)的完整性。

3小結(jié)

(1)本文建立了以城市水環(huán)境改善為目標的城市河湖生態(tài)系統(tǒng)健康評價指標體系,包括水文特征、水環(huán)境質(zhì)量、水生態(tài)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)與功能、水濱空間結(jié)構(gòu)、景觀效果、脅迫因素6個評價要素,涵蓋水文、生態(tài)、環(huán)境和社會4個方面。

(2)不同區(qū)域城市河湖的生態(tài)環(huán)境特點不同,針對不同評價對象,評價指標的選取和各級標準值應有所變化。

(3)城市河湖生態(tài)系統(tǒng)健康評價作為城市河湖生態(tài)恢復的基礎研究,應得到足夠的重視。

(4)根據(jù)生態(tài)系統(tǒng)健康理論,生態(tài)系統(tǒng)的健康狀況可通過生態(tài)系統(tǒng)的活力、組織結(jié)構(gòu)、恢復力、生態(tài)系統(tǒng)服務功能的維持、管理選擇、外部輸入減少、對鄰近系統(tǒng)的影響及人類健康8個方面來衡量,目前主要集中在活力、組織結(jié)構(gòu)和恢復力的研究,本文根據(jù)現(xiàn)有的城市河湖監(jiān)測數(shù)據(jù),主要針對城市河湖生態(tài)系統(tǒng)的活力、組織結(jié)構(gòu)進行健康評價,根據(jù)健康狀況劃分確定可恢復程度的等級。生態(tài)系統(tǒng)恢復力與生態(tài)系統(tǒng)健康狀況二者的定量關(guān)系還有待于進一步研究。