随着城市经济的发展,人民生活水平的提高,对城市河湖的功能需求趋于多元化,旅游、休闲、改善生态环境、创造景观和丰富水文化等逐渐成为城市河湖生态系统服务于当地社会及经济发展的重要内容,而这些功能的实现是以城市河湖生态系统健康为基础的。由于北方地区缺水,加之近年来人口的增加和经济发展对水资源的大量需求,挤占了城市河湖生态环境用水,严重影响了城市河湖的水文特征和物理结构,造成河湖水体流动不畅,水质恶化,混凝土裸露,沿岸景观单调乏味,生态环境质量和景观功能下降。因此,以改善城市水环境为目标的城市河湖生态系统健康评价,将为城市水环境改善和研究提供依据。生态系统健康概念自20世纪80年代末提出以来,研究多针对自然河流、湖泊、湿地、海岸等生态系统健康而言,对于城市河湖,主要集中在河流水质及水环境质量评价、土地利用对河流水体的生态风险及对生物健康的影响、水利工程对水生态系统的影响、河湖生态系统需水量等方面的研究,城市河湖生态系统健康层面的研究却不多见,赵彦伟建立了城市河流生态系统健康评价指标体系,包括水质、水量、水生生物、物理结构与河岸带5个要素,并应用到宁波市4条河流的健康评价中。本文着重探讨城市河湖生态系统健康概念和内涵,建立以改善城市水环境为目标的城市河湖生态系统健康评价指标体系,并以北京“六海”为例进行健康评价,明确“六海”生态系统健康的胁迫因子,以期为科学管理城市河湖和生态环境恢复提供依据。

1城市河湖生态系统健康评价

1.1城市河湖生态系统健康概念及内涵城市河湖包括自然形成和人工开挖的流经城市区域的运河、河流、渠道(含暗渠)和市区湖泊和水库。城市河湖生态系统是城市的资源和环境载体,关系到城市生存和发展,是与人类生态系统交互作用的复合生态系统。健康的城市河湖生态系统不仅意味着能保持生态系统自身完整性,而且还能够提供合乎自然和人类需求的生态服务。因此,城市河湖生态系统健康的概念应具有双重属性:从自然属性来说,整个生态系统是完整的、稳定的、可持续的,对外界不利因素具有抵抗力;从社会属性来说,具有持续提供完善的生态系统服务功能和满足城市居民休闲娱乐的需要。据此,健康的城市河湖生态系统应具备以下特征:能够保证生态功能和服务功能的适宜水量;水质良好,具有一定的流动性;水生态系统结构完整,具有自动适应和自调控能力,能在人工调节下持续发展;能够发挥正常的生态功能、景观功能、旅游休闲功能,体现水文化内涵。与自然河湖相比,城市河湖与区域人类活动的交互影响较大,一方面,城市的社会经济活动高度依赖于区域健康的河湖提供的各种服务功能;另一方面,城市高强度的社会经济活动对河湖的水量、水质、水循环、水生态和总体健康状况都有显著的影响。人类活动和城市河湖生态系统健康的关系如图1所示。当人为干扰的强度小于生态系统的自调控阈值时,城市河湖生态系统保持一种动态的平衡(图1A～B段),处于健康的状态;当人为干扰的强度超过生态系统的自调控阈值时,城市河湖生态系统结构和功能改变,使城市河湖生态系统健康受到损害,生态质量不断下降,处于临界状态(图1B～C段),此时,可以通过人工或自然恢复对其进行改善;当到达C点(临界状态的最小值)时,城市河湖生态系统进一步恶化,处于不健康的状态(图1C～D段),其自然恢复难度加大,采取人为调控对城市河湖进行人工恢复,其恢复的可能性较大。

1.2城市河湖生态系统健康评价指标体系

指标体系法是目前比较常用的生态系统健康评价方法,评价指标要根据生态系统健康的概念和内涵,选取可定量的、可操作的、可广泛推广的指标,切实反映出被评价对象的生态环境特点。根据城市河湖生态系统健康概念和内涵,构建了3层次的城市河湖生态系统健康评价指标体系。第1层次是目标层,即城市河湖生态系统健康程度;第2层次是要素层,包括水文特征、水环境质量、水生态系统结构与功能、水滨空间结构、景观效果、胁迫因素;第3层次是指标层,即每一个评价要素由哪些具体指标来表达。具体结果见表1。

1.3评价指标权重确定

应用层次分析法,结合专家咨询,确定要素层和指标层权重。首先请生态学家、水文学家、环境质量评价专家和城市河湖管理部门官员,填写各指标权重的判断矩阵;采用和积法计算指标的权重,具体步骤如下[30]:①将判断矩阵每一列正规化;②将每一列正规化的判断矩阵按行相加得到向量;③对向量做正规化处理,依次得到的列向量即为所求特征向量;④计算判断矩阵的最大特征根;⑤对判断矩阵进行一致性检验,得到各个评价指标对上一层的权重以及各要素对目标层的权重。要素层和指标层的权重计算结果见表2。

1.4健康评价方法

2.生态系统健康与否是一个相对的概念,是相对于标准值而言的,因此,城市河湖生态系统的健康与否可以作为一个模糊问题来处理。应用模糊数学的概念和方法建立城市河湖生态系统健康评价模型:A=W×R(1)

式中,A为城市河湖生态系统健康状况矩阵,W为评价要素的权矩阵,W=(w1,w2,…,w6);R为各健康要素对各级健康标准(本文把健康评价标准分为“健康、临界状态、不健康”3个级别)的隶属度矩阵。

公式(2)和(3)中,Rij为第i要素对第j级健康标准的隶属度,如R33表示第3要素(水生态系统结构和功能)对第3级标准(不健康)的隶属度;Wik指第i评价要素对其包含的第k个指标所赋予的权重,其中k为各评价要素所包含的指标个数。rkj为第k指标对第j级标准的相对隶属度,rkj的计算对正向指标(指标值越大,健康程度越高)和负向指标(指标值越小,健康程度越高)有所不同,其计算方法(以第y项指标值xy为例,y=1,2,…,k,Syj为第y项指标的第j级健康标准值)如下:

(1)正向指标如河湖补给系数、物种多样性等

(2)负向指标如水营养状况、底质污染指数等

2实例研究——北京市“六海”生态系统健康评价

“六海”湖泊群是北京市重要的景观之一,由西海、后海、前海、北海、中海和南海6个子湖组成(图2)。近年来随着社会经济的发展,水资源补给量的减少,加之人类活动干扰,“六海”的生态环境发生了变化:水生态系统完整性遭到破坏;水深变浅,流动性差,水体更新缓慢;水质严重恶化,多次暴发水华,“六海”健康状况受到损害,也严重影响了“六海”的景观功能。

3.1评价指标和标准

根据“六海”的生态环境特点,共选取了14个指标进行评价。对于城市河湖生态系统健康评价,目前尚无明确的统一的标准。评价标准的确定是城市河湖生态系统健康评价的难点。处于不同区域、不同规模、不同类型的河湖,面对不同人群的社会期望,评价标准也不同。Munawar等认为生态系统健康评价的目的不是为生态系统诊断疾病,而是在一个生态学框架下,结合人类健康观点对生态系统特征进行描述——定义人类所期望的生态系统状态。也就是说,评价标准的制定须在现状基础上,以最大发挥生态系统服务功能为目标,来定义生态系统健康状态。

根据上述观点,结合“六海”的实际情况,通过实地考察、借鉴国家标准与相关研究成果、专家咨询、公众参与等方法确定评价标准,提出基于“六海”现状的合理的指标标准和人类期望的目标。健康标准分级过程如下:

（1）水量以水深表示,“六海”的水深一般在1～2m,本着以现状为依据的原则,考虑景观娱乐的需要,以1.2m作为不健康的上限值,其它级别根据景观需要人为设定。

（2）河湖补给系数“六海”的水量损失主要是蒸发和渗漏,这里的补给系数是补水量/蒸发渗漏量,考虑北京缺水现状,以补水量正好满足蒸发、渗漏量作为健康的下限。

（3）流速城市河湖的流动性是健康的重要标志,根据北京城市河湖管理部门多年监测数据,以使“六海”生态环境逐渐好转的最小流速0.02m/s作为不健康的上限,以防止水华出现的最小流速0.04m/s作为健康的下限。

（4）地表水质“六海”水体为景观用水,考虑水体景观功能要求,以满足《地面水环境质量标准》(GB3838-2002)Ⅲ类水作为健康的下限。

（5）水营养状况根据湖泊富营养化评价方法TSIM指数划分。

（6）水生植物覆盖率对北京什刹海(前海和后海)进行水生植物恢复的试验表明,水生植物群落覆盖率达到水域50%以上时,抑制蓝藻“水华”作用明显,这里考虑“六海”行船的需要,结合专家咨询,以60%作为健康标准,考虑水生植物的生态环境功能,以30%作为不健康的上限。

（7）底栖动物多样性以底栖动物Shannon多样性指数划分等级。

（8）浮游植物初级生产力根据湖泊富营养化标准,结合“六海”富营养化程度很高的现状,以2.5g/(m2·d)作为健康的上限,2.5～7.5g/(m2·d)作为临界状态,以“六海”浮游植物初级生产力最高值作为不健康的上限。

（9）水陆交错带状况考虑城市居民的亲水以及城市防洪要求,结合专家咨询,以坡度30°作为健康的上限;人工湿地比例越高越好,但“六海”部分湖岸紧邻居民区和商业区,以人工湿地比例为70%作为健康的下限,其余级别向下浮动20%确定。

（10）植被缓冲带宽度参考相关文献,以5m作为不健康的上限,考虑“六海”湖岸高地景观空间不足的局限性,本着以现状为依据的原则,将10m作为健康的下限。

（11）观赏游憩价值通过专家打分确定,满分100分,考虑“六海”的景观和历史文化价值,健康的分数值应比较高,这里以90分作为健康的下限,其余级别向下浮动20分确定。

（12）公众对环境满意率通过调查“六海”周边的居民和游人获得数据,体现公众对“六海”生态环境的满意程度,经过调查,公众对“六海”的满意率比较低,这里以现状为依据,以70%作为健康的下限,其余级别向下浮动20%确定。

（13）最小需水保证率以“六海”最小生态环境需水量的满足程度划分,根据“六海”生态环境现状,其生态环境需水量包括湖泊蒸发需水量、自身存在需水量、净化需水量、景观娱乐需水量,最小生态环境需水量根据最差的水质级别(取IV类)、湖泊水深(取0.8m)和换水系数(取1.25/a)确定,根据北京实际供水状况,结合专家咨询,采用90%作为健康的下限,其余级别向下浮动20%确定。（14）污水处理率参考相关文献,将70%作为健康的下限,结合“六海”周边进行节污的现状,以60%作为不健康的上限。具体的评价指标及各分级标准的标准值见表3。

2.2“六海”生态系统健康评价

2.2.1健康评价结果

依据2002年监测数据、实地调查结果并结合上述评价模型进行计算,得出“六海”各子湖6个要素对各健康级别的隶属度与各子湖对各健康级别的隶属度(图3,表4)。

2.2.2分析与讨论由评价结果(图3)可知,影响前4个湖健康水平的限制因子主要为水环境质量、水生态系统结构与功能以及水滨空间结构。尤其是后海、前海和北海,此3要素对不健康状态的隶属度分别高达1。主要原因是水量少、水质差,人工化严重,水生态系统结构不完整。制约中海和南海健康的主要因素是水滨空间结构,对不健康状态的隶属度均在0.6以上。因此,对“六海”进行生态恢复的重点应放在水量、水质、水生态系统完整性和水滨空间结构方面。

按照最大隶属度原则,前4个湖均处于不健康状态,隶属度分别为0.778、0.742、0.742、0.783,而中海以及南海对不健康和临界状态的隶属度相差不大,中海为0.410、0.402,南海为0.408、0.315,因此认为中海和南海处于不健康向临界转化的状态。各湖对不健康状态的隶属度排序为:南海<中海<前海=后海<西海<北海;对临界状态隶属度的排序为:北海<后海<西海<前海<南海<中海;对健康状态隶属度的排序为:西海<前海<北海<后海<中海<南海。

从表4可以看出,前4个湖对不健康的隶属度差别不大,均在0.7以上,以北海最差,达到0.783;中海和南海均在0.42以下,远低于前四个湖。而且与前四个湖相比,中海和南海对临界状态的隶属度明显高于前四湖,分别为0.402,0.315,因此从整体看,中海和南海的整体生态环境要好于其它湖。

2.2.3“六海”生态系统健康等级及可恢复程度划分为了便于比较“六海”生态系统健康程度和可恢复程度,将健康度细分为5个等级,可恢复程度划分为3个等级,等级划分范围为[0,1],按基本等量的原则来划分等级(表5)

从健康等级划分结果看出(表5),除南海外,各个湖的健康程度都处于很差的级别,尤以西海、前海和北海最差,需要受到更多的关注;从各个湖生态系统可恢复程度难易来说,前4个湖的恢复困难,尤其是西海和北海,需加大治理力度,控制生态系统恶化趋势,采取人工恢复措施使其向良性方向发展;中海和南海对健康和临界状态的隶属度之和均接近0.6,可恢复程度处于中等级别,说明与其余4个湖相比,中海和南海具有良好的发展潜力,只要采取有效的生态系统管理措施,改变影响中海和南海健康的限制因子状况,中海和南海可以向更好的方向发展。

2.3建议

研究结果表明,制约“六海”健康水平的因素主要是水环境质量、水生态系统的结构、功能以及水滨空间结构,因此,对“六海”的生态恢复和管理提出以下措施:

(1)控制点源、面源污染,改善入湖和湖水水质“六海”水质差的原因主要是入水水质差和湖区点、面源污染(如生活污水、暴雨径流、底泥释放、养鱼垂钓等活动),因此应减少上游工业废水和生活污水的排放,恢复湖区植被缓冲带以对地表径流进行部分截流,同时对“六海”水体(主要针对前四湖)及其沿岸农贸市场和餐饮业进行严格的管理,尽量减少人为活动对水质的影响;在工程方面,需采取水污染治理技术和生态恢复工程措施,改善“六海”的水质。

(2)改善“六海”的水文条件历史上“六海”各子湖相互连通,湖水可以自由流动,但近年来由于水量不足,各子湖之间都设置闸门进行控制,各湖的水流动性很差,需要科学调度水资源,适当控制闸门开启,使“六海”的水体联通,保持流动性。

(3)恢复水生态系统以及水滨空间结构研究表明,对于富营养浅水湖泊来说,恢复以沉水植物为主的植被,可以有效降低N、P营养循环速度,控制浮游植物过度增长。因此,对“六海”来说,应重建和恢复湖泊原有的以沉水植物为主的系统,并保持其良性循环;拆除“六海”水泥、石块湖岸,重建湿地,恢复水生态系统的完整性。

3小结

(1)本文建立了以城市水环境改善为目标的城市河湖生态系统健康评价指标体系,包括水文特征、水环境质量、水生态系统结构与功能、水滨空间结构、景观效果、胁迫因素6个评价要素,涵盖水文、生态、环境和社会4个方面。

(2)不同区域城市河湖的生态环境特点不同,针对不同评价对象,评价指标的选取和各级标准值应有所变化。

(3)城市河湖生态系统健康评价作为城市河湖生态恢复的基础研究,应得到足够的重视。

(4)根据生态系统健康理论,生态系统的健康状况可通过生态系统的活力、组织结构、恢复力、生态系统服务功能的维持、管理选择、外部输入减少、对邻近系统的影响及人类健康8个方面来衡量,目前主要集中在活力、组织结构和恢复力的研究,本文根据现有的城市河湖监测数据,主要针对城市河湖生态系统的活力、组织结构进行健康评价,根据健康状况划分确定可恢复程度的等级。生态系统恢复力与生态系统健康状况二者的定量关系还有待于进一步研究。