环境治理工程对蠡湖水生态系统健康的影响评估

杜昀轩，姜霞，王雯雯，李佳璐，王书航

1．西南大学经济管理学院，重庆 400715

2．中国环境科学研究院，环境基准与风险评估国家重点实验室，北京 100012

环境治理工程对蠡湖水生态系统健康的影响评估

杜昀轩1，2，姜霞2*，王雯雯2，李佳璐2，王书航2

1．西南大学经济管理学院，重庆 400715

2．中国环境科学研究院，环境基准与风险评估国家重点实验室，北京 100012

为揭示环境综合整治工程对蠡湖水生态系统健康状况的影响，构建了由理化指标和生态指标组成的水生态系统健康综合评估指标体系，并采用熵权法确定了各指标的权重系数。结果表明，1992—2012年间，蠡湖水生态系统健康综合指数为21．65～72．74，总体呈先下降后上升趋势，尤其是2003年环境综合整治工程实施后，健康等级由Ⅳ级“较差”上升到Ⅱ级“好”的状态;空间上呈西蠡湖优于东蠡湖的分布趋势，其中退渔还湖区(A区)最好，接近Ⅰ级“很好”水平，而在工程措施实施较少的D区较差，仍处于Ⅲ级“中等”水平。该评价结果与蠡湖各分区的实际调查情况相符。评价方法可为其他类似湖泊的水生态系统健康评估提供一定的参照。

蠡湖;生态健康综合指数;熵权;水生态系统;环境整治工程

生态系统健康的研究起源于20世纪70年代，此后在河流、湖泊和森林生态系统健康评价等领域取得了重要进展［1|5］。一般来说，结构和功能的完整性、稳定性、可持续性是一个生态系统健康的基本特征［6|9］。湖泊作为一种重要的生态系统类型，同时具有诸多服务功能，是物质循环的主要通道之一。近年来，在我国水体污染和富营养化不断发生的情况下，对湖泊水生态系统健康状况进行评估显得尤为重要。

蠡湖是太湖伸入无锡市的内湖，长期以来接纳了工业化、城市化进程所带来的各种点、面源污染物，曾一度成为太湖流域污染最为严重的区域，严重影响了当地经济、社会的可持续发展［10］。2003年以来，从国家到地方政府，相继开展了多个生态环境修复工程，力求使蠡湖的生态环境得到根本改善，蠡湖的水环境改善程度一直是人们关注的焦点。但近年来的研究主要集中在水质和富营养化评估方面［11|14］，对蠡湖的水生态系统健康状态的研究涉及很少。笔者在对蠡湖水质与生态环境进行调查的基础之上，结合收集和整理的历史资料，通过构建蠡湖水生态系统健康评估体系，定量评估了近20年来蠡湖水环境的发展趋势及其变化规律，以期为进一步深入开展蠡湖生态修复工作提供依据。

1 研究区概况与数据来源

1.1 概况

蠡湖位于太湖北部(120．22°E～120．29°E，31．48°N～31．55°N)，东西长约6 km，南北宽0．3～1．8 km，面积约8．6 km2。经梁溪河闸、五里湖闸与梅梁湖相通，通过曹王泾、长广溪等分别与京杭大运河、贡湖相连接，湖周围还有一些小河及断头浜，是一个既相对独立又与太湖相通的水体。自20世纪90年代开始，蠡湖水体中总氮、总磷浓度上升加剧，湖体及周边入湖河流水质迅速恶化至劣Ⅴ类，呈重富营养状态，成为太湖水环境恶化的重灾区［10］。为防止湖区富营养化程度进一步加深，2003年以来对蠡湖实施了“重污染水体底泥环保疏浚与生态重建工程”，包括退渔还湖、环保疏浚、植被重建以及对周边污染河道进行闸控或封堵，使蠡湖水质有了明显改善［11］。为便于讨论，研究以蠡堤、宝界桥和蠡湖大桥为边界将蠡湖划分为4个区:A区，为退渔还湖区，原有大量鱼塘，污染严重，采用干湖清淤的方式去除底泥;B区，为综合整治前的“西蠡湖”，在B区的西北部开展了环保疏浚，在两边沿岸开展了水生植被重建工程;C区，以宝界桥和蠡湖大桥为界，实施了沿岸整治工程，并建有长广溪湿地;D区，为蠡湖“东出口区”，沿岸居民区较多(图1)。

图1 蠡湖已开展工程及采样点位置Fig．1 The location of completed governance project and sampling sites in Lihu Lake

1.2 数据来源

2012年4月在蠡湖湖体共设置43个采样点，对水质和水生态系统进行详细调查。选取其中的26个采样点对水质、浮游藻类、浮游动物和底栖生物同步进行水生态系统健康空间对比分析。水体测定项目包括溶解氧(DO)浓度、总氮(TN)浓度、总磷(TP)浓度、叶绿素a(Chl．a)浓度、高锰酸盐指数(CODMn)、生化需氧量(BOD5)、透明度(SD)、总悬浮物(TSS)浓度;水生态系统调查包括浮游植物、浮游动物和底栖生物。

水体中DO浓度、TN浓度、TP浓度、CODMn、BOD5、SD、TSS浓度和Chl．a浓度的历史数据参考1992—2004年［15|17］、2005年［18|19］和 2006—2010年［11|12，20|22］的资料;2011年开始对水体进行季度调查。

通过TN浓度、TP浓度、CODMn、Chl．a浓度和SD计算综合营养状态指数(TLI)［22］。

2 评估方法体系构建

2.1 评估方法选择

湖泊生态系统健康的评估方法主要有指示物种法和指标体系法［23|24］:1)指示物种法评估生态系统健康主要是依据生态系统的关键种、特有种、指示物种、濒危物种和环境敏感物种等的数量、生物量、生产力、结构指标、功能指标及一些生理生态指标来描述生态系统的健康状况。该法成本低、方法简单、结论明确，应用广泛，但不宜单独使用;因为生态系统非常复杂，仅依靠某一类敏感物种表示系统变化不可能展现出清楚的因果关系。2)指标体系法是目前比较常用的生态系统健康评估方法，通过建立综合健康指数体系，对系统的生态健康状态进行定量的评价与比较。该方法的基本原理简单，计算简便，结果可靠、直观，切实反映出被评估对象的生态环境特点。但应注意，目前还缺乏公认的指标体系，还有待于进一步完善。

借鉴其他湖泊的研究成果［25|26］，同时结合蠡湖自身的特点，建立由物理化学指标、生态指标2个二级指标体系组成的综合评估指标体系，同时基于熵权法得出各指标的权重，计算蠡湖水生态系统健康综合指数(ecosystem health comprehensive index，EHCI)。

2.2 指标体系构建

湖泊水生态系统健康的评估指标主要包括湖内环境要素状态指标和湖泊生态系统结构、功能及整体系统特性的生态指标。依据目的性、综合性、主导因子及可操作性4项原则，选择能反映蠡湖生态变化趋势、涵盖全面且无重复、有主导性、可搜集和可统计的指标。构建的水生态系统健康综合评估指标体系主要包括TN浓度、TP浓度、CODMn、BOD5、DO浓度、SD和TSS浓度7项理化指标;浮游植物Chl．a浓度、浮游动物多样性指数、底栖动物多样性指数3项生态指标。由于时间序列的浮游动物和底栖生物数据较少，在评估蠡湖水生态系统健康年际变化时生态指标仅考虑浮游植物Chl．a浓度。

2.3 参照标准的确定

生态系统健康评估是建立在与参照标准对比的基础之上，用来参照或比较的标准可以采用国家环境保护部已制定的一系列环境保护标准，也可以查询国外有关标准或查询公认的阈值，或采用生态系统所在地域的平均本底值。该研究中10项指标因子的参照标准值及确定依据见表1。其中，SD和TSS浓度呈幂函数关系，拟合方程为 y= 220．61x－0．545。式中，y为 SD，cm;x为 TSS浓度，mg/L。当y=80 cm时，x=6．8 mg/L。

表1 蠡湖水生态系统健康评价指标参照标准及其依据Table 1 The standard values for EHIC indexes and their reference sources

2.4 评估步骤与流程

2.4.1 数据预处理

环境与生态的质量－效应变化符合Weber－Fishna定律，即当环境与生态质量指标成等比变化时，环境与生态效应成等差变化［32］。根据该定律，可以进行指标无量纲化:

式中，rij为指标的无量纲化值，此处需满足0≤rij≤1，大于1的按1取值;xij为i指标在采样点j的实测值;sij为指标因子的参考标准。其中，正向型指标包括DO浓度、SD、浮游动物多样性指数和底栖生物多样性指数;负向型指标包括 TN浓度、TP浓度、CODMn、BOD5、TSS浓度和Chl．a浓度。

2.4.2 评估指标权重的确定

权重的确定方法主要有主观赋权法和客观赋权法［7，25］。主观赋权法最常见的是专家打分法，而客观赋权法是由评估指标值构成的判断矩阵来确定指标权重，最常用的是熵权法。该研究中的权重系数由熵权法确定。

1)构建n个样本m个评价指标的判断矩阵:

2)将数据进行无量纲化处理，得到新的判断矩阵:

3)根据熵的定义，n个样本m个评价指标，可确定评价指标的熵(Hi):

式中，0≤Hi≤1。为使 ln fij有意义，假定 fij=0，fijln fij=0，i=1，2，…，m;j=1，2，…，n。

4)评估指标熵权(Wi)的计算公式:

式中，满足∑mi=1Wi=1。

5)各指标的无量纲化值和指标熵权确定后，即可求得EHCI:

2.5 水生态系统健康综合指数分级

参照其他湖泊类似生态系统的健康评估分级标准［25|26］，设置蠡湖 EHCI分级标准。共分5个等级，数值越大代表健康状态越好(表2)。

表2 EHCI分级Table 2 The classification of EHCI

3 评估结果

3.1 蠡湖水生态系统健康年际变化

1992—2012年，蠡湖EHCI为21．65～72．74，整体上呈先下降后上升之后平稳的趋势(图2)。

图2 蠡湖EHCI年际变化Fig．2 Interannual variability of EHCI in Lihu Lake

在1992—2012年的21年间，蠡湖水生态系统健康水平大致经历了3个阶段。第1阶段为1992—2003年，蠡湖水生态系统健康级别由Ⅲ类“中等”快速恶化到Ⅳ类“较差”级别，尤其是2000—2002年，EHCI的平均值仅为22．75，已接近Ⅴ级“很差”的水平。相关监测资料［10］也表明，2001年蠡湖水体为劣Ⅴ类水平，处于重度富营养状态，其中CODMn、TN浓度、TP浓度和Chl．a浓度年均值分别为7．8、6．38、0．203和81 mg/m3，分别为大太湖的1．39、1．93、2．44和2．61倍。第2阶段为2004—2009年，是蠡湖水生态系统健康状况快速提高的阶段，EHCI上升到Ⅲ级“中等”水平，尤其是2007年后，蠡湖水生态系统健康都处于“中等”以上，并有逐年提高的趋势。第3阶段为2010—2012年，蠡湖水生态系统健康水平达到Ⅱ级“好”状态，说明蠡湖的水污染治理取得明显的阶段性成果，2012年蠡湖水生态系统健康水平较20世纪90年代提高了2个等级，其主要归因于已在蠡湖开展的各项水环境综合整治措施，这些措施在很大程度上改善了蠡湖的水生态系统健康状况。

20世纪90年代，蠡湖水生植物几乎绝迹，生态系统由“草型清水稳态”转变为“藻型浊水稳态”，水体富营养化严重，因此水生态系统健康水平较差，该阶段的EHCI也基本处于Ⅳ级“较差”阶段(图2)。2003年以来，中央和地方政府联合对蠡湖实施了“重污染水体底泥环保疏浚与生态重建工程”，EHCI有所提高，尤其从2007年开始，对蠡湖与梅梁湖及周边的一些出/入湖河流实施闸控，保持蠡湖常年高水位，防止周边污水流入、渗入，使蠡湖水质改善的效果得以持续维持［11］。而该阶段蠡湖EHCI也由Ⅳ级“较差”上升到Ⅲ级“中等”类别，说明控源、截污并配合局部的生态修复工程是水生态系统恢复的关键。随着蠡湖水质的逐步改善，2010年开始，蠡湖水深小于1 m的浅水区域开始有小面积的沉水植物生长，水生态系统健康提高速度较快，到2012年达到Ⅱ级“好”状态。调查表明，2012年西蠡湖的退渔还湖区(A区)已经达到Ⅲ类水质标准，但蠡湖总体仍处于Ⅳ类水平［13|14］，与研究结果中蠡湖水生态系统健康水平处于Ⅱ级“好”状态但仍与Ⅰ级“很好”状态有一定差距相呼应。

3.2 蠡湖水生态系统健康空间分布特征

2012年4月，蠡湖EHCI为41．72～89．51，平均为67．49，整体处于Ⅱ级“好”的状态，在空间上整体呈西蠡湖优于东蠡湖，蠡湖东出口状况最差的分布趋势(图3)。

图3 蠡湖EHCI空间分布Fig．3 Spatial distribution variability of EHCI in Lihu Lake

从分区来看，蠡湖A区、B区、C区、D区EHCI的平均值分别为78．69、68．72、65．50和58．23。西蠡湖的退渔还湖区(A区)整体较好，部分点位的EHCI已经超过80，水生态系统健康总体呈Ⅰ级“很好”的状态;B区和C区整体上都处于Ⅱ级“好”的水平，但在入湖河口处EHCI几乎都在60以下，应重点关注。可以看出，D区是蠡湖水生态系统健康最差的区域，部分点位的EHCI位于Ⅲ级数值的下限，是下一步治理的重点区域。

东蠡湖水生态系统健康状况较西蠡湖差的原因，可能是东蠡湖的C区和D区周边住宅区和生活区多，尤其是在蠡湖东出口区域，环湖住宅区密布，许多住宅区甚至临湖而建，其居民生活直接影响蠡湖水质及水生态系统健康状况。在A区和B区，已开展的底泥环保疏浚工程、退渔还湖工程及水生植被修复工程在很大程度上清除了蠡湖氮磷污染负荷，有效地减少了内源释放，同时，水生植被也在一定程度上得到了恢复。调查发现，蠡湖退渔还湖区(A区)经过综合治理后，已出现了相当面积的沉水植物，另外在东蠡湖北部已开展的生态修复工程区内(退渔还湖的渤公岛附近区域)，以及西蠡湖南部长广溪湿地内已经建立起了水生植物较为完整的生态系统。水生植物对水体起着过滤、净化、消浪和抑制底泥上浮的作用，在很大程度上改善了蠡湖的水质和水生态系统健康状况，因此，A区和B区水生态系统健康状况相对好于C区和D区。

4 讨论

生态系统健康是指一个生态系统所具有的稳定性和可持续性，即在时间上具有维持其组织结构、自我调节和对胁迫恢复的能力。Costanza认为生态系统健康具体涵盖6个方面，包括自我平衡、没有病征、多样性、有恢复力、有活力和能够保持系统组分间的平衡［33］。近年来，水体污染和富营养化导致湖泊生态系统结构和功能的严重退化是我国湖泊生态系统面临的主要问题，随着不断认识到保护生态环境的重要性，人们开始采取各种手段来保护环境及修复已经破坏的生态环境，力求使经济、社会与自然环境协调发展。因此，对生态系统的健康现状及其动态变化进行有效评估显得极其重要。

目前，对湖泊生态系统健康评估的研究主要集中在指标体系的构建和评估指标权重的确定方面［2，4，7］。评估指标的选择是准确反映生态系统健康状况和进行生态系统健康评估的关键。一般来说，指标体系应能完整准确地反映生态系统健康状况;同时能对各类生态系统的理化及生态状况和人类胁迫进行监测，以寻求生态系统健康衰退的原因;并可定期为政府决策，科研及公众要求等提供生态系统健康现状、变化及趋势的统计总结。在研究中，主要考虑数据的可得性和连续性，对水生态系统健康的年际变化评估选取了7个理化指标和1个生态指标;对水生态系统健康评估的空间分布选取了7个理化指标和3个生态指标，可较为全面地反映蠡湖的水生态系统健康状况。

在湖泊水生态系统健康评估中，权重的确定是重点也是难点，其反映了各评估指标在综合评估过程中所占的地位或所起的作用，直接影响评估的结果。该研究中评估指标的权重系数由熵值法确定。在水生态系统健康年际变化评估中，TN浓度的权重最大，为0．42;其次是Chl．a浓度和TP浓度，分别为0．25和0．16;三者的权重之和超过0．8。说明蠡湖水生态系统健康年际变化评估中，TN浓度、Chl．a浓度和TP浓度是起决定性作用的3个因素，同时，EHCI与TLI呈极显著相关(图4)，也说明了蠡湖水生态系统的主要问题为富营养化。

图4 蠡湖年际EHCI与TLI相关分析Fig．4 Correlation analysis between interannual EHCIand TLI in Lihu Lake

在水生态系统健康空间变化评估中，Chl．a浓度的权重最大，为0．30;其次是底栖生物多样性指数和TSS浓度，二者都为0．18;而在年际变化中占很大比重的TN浓度和TP浓度仅为0．05和0．09。说明Chl．a浓度、底栖生物和TSS浓度是影响蠡湖水生态系统健康空间差异的关键因子，而水体中氮磷已经不是影响蠡湖水生态系统健康空间分布的关键因子，从而进一步说明蠡湖水生态系统现阶段的主要问题是水生态问题。

作为太湖伸入无锡市的内湖，从20世纪80年代末开始，蠡湖生态环境趋于恶化，严重影响了当地经济、社会的可持续发展。2003年以来，通过控源、截污和生态修复，蠡湖水生态系统健康等级由Ⅳ级“较差”上升到Ⅱ级“好”，并且在局部区域已经达到Ⅰ级“很好”，但在东蠡湖，尤其是东出口区域的EHCI依然很低，局部区域仍然处于Ⅲ级的下限。计算结果与蠡湖各分区的实际调查情况相符，即西蠡湖的退渔还湖区(A区)最好，蠡湖的东出口(D区)最差［13|14］。

5 结论

(1)构建了由理化指标和生态指标2个二级指标体系组成的综合评估指标体系，同时基于熵权法得到各指标的权重系数，评估了蠡湖水生态系统健康的年际变化趋势和空间分布差异。

(2)1992—2012年，蠡湖 EHCI为 21．65～72．74，大致分为3个阶段，总体呈先下降后上升趋势，尤其是2003年环境综合整治以后，健康等级由Ⅳ级“较差”上升到Ⅱ级“好”。

(3)蠡湖 EHCI空间差异较大，为 41．72～89．51，平均为67．49，呈西蠡湖优于东蠡湖，且在蠡湖东出口状况最差的分布趋势。

(4)TN浓度、Chl．a浓度和TP浓度是影响蠡湖水生态系统健康年际变化的决定因素，而影响水生态系统健康空间变化的主要因素为Chl．a浓度、TSS浓度和底栖动物多样性指数。

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Influence Assessment of Environmental Governance Project on Aquatic Ecosystem Health of Lihu Lake

DU Yun|xuan1，2，JIANG Xia2，WANGWen|wen2，LI Jia|lu2，WANG Shu|hang2
1．College of Economics and Management，Southwest University，Chongqing 400715，China
2．State Key Laboratory of Environmental Criteria and Risk Assessment，Chinese Research Academy of Environmental Sciences，Beijing 100012，China

To reveal the influence of the environmental governance project on aquatic ecosystem health of Lihu Lake，an aquatic ecosystem health comprehensive index(EHCI)system was developed by physicochemical indexes and ecological indexes，and weight coefficient of each index was established based on entropy weightmethod．The results showed that the aquatic EHCIwas between 21．65 and 72．74 during 1992－2012，which mainly decreased first and then rose remarkably．The health level increased from gradeⅣ“poor”in 2003 to gradeⅡ“good”in 2012 after the implementation of environmental governance project since 2003．Spatially，the aquatic ecological health level in West Lihu Lake was better than that in East Lihu Lake，especially in the returning fishery to lake area(Area A)，which was close to gradeⅠ“very good”．However，due to lessmanagement engineering，Area D wasworse and was still in gradeⅢ“medium”．The evaluation results conformed to the actual survey results for aquatic ecosystem in each area of Lihu Lake．The method can provide reference for aquatic ecological health evaluation of other similar lakes．

Lihu Lake;ecosystem health comprehensive index(EHCI);entropy weight;aquatic ecosystem; environmental governance project

X524

A

10．3969/j．issn．1674－991X．2014．03．032

1674－991X(2014)03－0192－07

2013－10－22

国家水体污染控制与治理科技重大专项(2012ZX07101－013)

杜昀轩(1992—)，女，主要从事湖泊水环境评估方面的研究，772121834@qq．com

*责任作者:姜霞(1974—)，女，研究员，博士，长期从事湖泊水环境方面的研究，jiangxia@craes．org．cn