高原湖泊水生态健康评估：以抚仙湖为例最新章节_李艳华著

2.2 高原湖泊健康评估指标体系

2.2.1 指标体系构建原则

构建湖泊健康评价指标体系是为进行湖泊健康评价以及维持湖泊健康的目标服务，为实现这一目的，要求湖泊健康评价指标体系必须能真实客观、完整准确地反映湖泊的健康状况，能够为政府决策、科学研究及公众要求等提供湖泊健康现状、变化趋势的分析，提供湖泊健康衰退的原因。因此，湖泊健康评价指标的筛选应该遵循以下原则。

（1）科学性原则。从湖泊的功能和属性出发，指标概念必须明确，具有一定的科学内涵，能够客观反映健康湖泊的基本特征。

（2）系统性原则。指标体系要系统而全面，能够从湖泊、湖泊生态系统、流域社会经济等不同角度表征湖泊健康状况，并组成一个完整的体系综合地反映湖泊健康的内涵和状况。

（3）层次性原则。湖泊的功能包括自然功能和社会功能，湖泊健康涵盖了三方面的内容，不仅要反映湖泊健康，还要反映湖泊生态系统健康、流域社会经济价值，因此，其健康评价指标体系是一个涉及自然、社会、经济等的复杂系统，具有一定的层次性，通过分层分类的方法可以从不同角度直观地判断湖泊健康状况。

（4）独立性原则。指标体系不仅要覆盖全面，而且相互之间要求具有一定的独立性，以保证指标体系的完整及简洁。

（5）指标定量性与可操作性原则。所选取的各项指标不能脱离指标相关资料信息条件的实际情况，建立的指标体系不仅要简单明了，而且参数要易于获取，量化方便，便于计算和分析，要具有较强的可比性。

2.2.2 指标体系框架

建立湖泊健康评估指标体系首先应遵循评价指标体系的构建原则，以湖泊为主体，以湖泊的自然属性和社会属性为基础，以湖泊的功能和作用为依托，以维持湖泊健康为最终目标，从湖泊健康的内涵出发来进行。

湖泊健康的概念涵盖了湖泊的生态完整性与人类价值两方面内容。这说明湖泊健康是一个多目标的复合体，任何一方面严重不健康的湖泊都不能称为健康的湖泊。因此湖泊健康评价指标体系也应该从上述两个不同的方面来建立，各自采用不同的指标进行评价，再综合两方面的状况来对湖泊整体的健康状况进行评价，从而形成整体系统而又层次分明的评价指标体系。

由于湖泊具有二元属性，既具备自然属性，又具备社会属性，因此，其不仅具有输水泄洪、生态环境等自然属性的功能，还具有供水、灌溉、文化娱乐等服务功能，即社会功能。湖泊系统是否健康，可通过其各项功能的发挥情况反映出来，各项功能完备的湖泊才是健康的湖泊，如若各项功能得不到发挥或者不能完全发挥出来，则说明湖泊的健康状况衰退。因此，评价湖泊健康所必需的衡量指标可从湖泊的属性和功能出发来确定，湖泊各项功能的表征则可作为湖泊健康的评价指标。

根据湖泊的功能和属性、高原湖泊的特性，以及湖泊健康的内涵，采用层次分析法，构建了高原湖泊健康评价指标体系结构图，见图2.1。

目标层即为湖泊健康评价的总目标，维持湖泊健康促进人水和谐。湖泊健康评价的目标在于综合评价湖泊的健康状况，评价湖泊在自然条件变化和人类活动扰动下表现出来的症状，判断湖泊的健康水平，最终指导湖泊的开发利用管理以及保护和维持湖泊健康。

图 2.1 高原湖泊健康评价指标体系结构图

准则层包括湖泊生态完整性和社会经济价值两个方面。生态完整性含水文水资源、物理结构、水质、水生生物四个次准则层。社会经济价值含社会服务功能一个次准则层。

湖泊生态系统健康包括本身具有良好的自我维持与更新的能力和具有满足人类社会合理要求的能力。因而，湖泊生态系统健康不仅应该包括湖泊自身结构形态（包括湖岸、湖滨带）的健康、水循环的完整、良好的水环境，还要求水生生物物种的完整性和多样性以及栖息地结构完整性等。服务功能也是生态系统不可缺少的组成之一。人类是湖泊生态系统的一个组成部分，健康的湖泊系统必须能够维持健康的人类群体。

湖泊的功能包括自然功能和社会功能。自然功能是湖泊对其自身的生存以及湖泊生态系统的支持程度。社会功能就是湖泊对人类社会经济系统的支撑程度。显然，同时拥有正常的自然功能和社会功能是健康湖泊的基本标准。因此湖泊不仅仅要满足自身需要，还要产生一定的社会经济价值（即湖泊系统的服务能力），为人类社会的生存发展提供保障，为流域经济的持续发展提供动力。具体体现为人类对水资源的利用，包括调节径流、灌溉供水、休闲娱乐等。

指标层是对应准则层内容的具体评价指标，表述各个分类指标的不同要素，通过定量或者定性指标直接反映湖泊健康状况。

2.2.3 量化指标

2.2.3.1 水文水资源指标

湖泊水文特征是湖泊生态系统重要的环境条件，它影响着生物的繁衍生息和新陈代谢，湖泊水位和水量的改变具有毁灭或者重建湖泊生物群落的能力，决定着湖泊生物生产力的发展，是湖泊理化特征的重要指标之一。从生态系统的演变过程看，在长期的生态演变中，湖泊生态系统已经适应了天然的湖泊水文及水动力学特征，然而人类活动的参与与加剧，改变或破坏了湖泊天然水文状况，湖泊现状水文及水动力学特征与湖泊天然水文及水动力学特征的适宜与背离程度成为湖泊健康评价的重要方面。

湖泊水位变化是湖泊贮水量变化的量度，与出入湖泊的径流量、湖面降水量及蒸发量等要素密切相关，是控制湖泊生态系统的重要力量，水位变化的范围、变化频度、持续时间是湖泊物理化学过程和生物过程的重要影响因子。湖泊生态水位是维护生态系统正常运行的合理水位，湖泊高或低生态水位按照季节变化出现，是湖泊生态系统健康的重要保障。湖泊最低生态水位是生态水位的下限值，是维护湖泊生态系统正常运行的最低水位，若长时间低于此水位运行，湖泊生态系统将发生严重退化。

考虑到云南省湖泊流域水资源开发利用强度相对较大，大部分湖泊出口已建立节制闸进行人工控制，以湖泊最低运行水位作为最低生态水位管理，因此湖泊水位过程变异程度可作为水文水资源评价的主要指标，最低生态水位满足程度作为天然湖泊的主要指标。

2.2.3.2 物理结构指标

湖泊的自然演变，即湖泊产生、发展和消亡的过程，是一个相当复杂和漫长的过程。湖泊向沼泽化发展，入湖河流携带的大量泥沙和生物残骸年复一年在湖内沉积，湖盆逐渐淤浅，变成陆地，或随着沿岸带水生植物的发展，逐渐变成沼泽。人类大规模的经济活动对湖泊的演变都会产生巨大的影响，如围垦湖滨湿地或滩地用于农业、旅游、交通、村镇用地，筑堤、建坝改变了湖滨湿地的水文过程和浅滩环境，大规模用水致使入湖水量显著降低等，都会导致湖泊形态，特别是湖滨带的快速变化，轻则严重影响湖泊生态系统的良性发展，重则加速湖泊的消亡过程。湖泊形态不仅影响其物理特性如湍流、水循环、温度梯度和水体分层，还会导致不同的生产力水平。

湖滨带是湖泊水域与陆域的交错地带，是维护湖泊形态的重要区域，是对水陆生态系统间的物流、能流、信息流和生物流发挥过滤器和屏障作用的缓冲带。湖滨带交替出现的干湿变化造成了湖滨栖息地和植被拼块的多样性和时间变化性，并产生一些依赖这种生境的特有物种。这种景观异质性程度的提高增加了湖滨带内边缘种的丰富度，同时提高了潜在的总物种的共存性，起到保持生物多样性的功能。湖滨带内丰富的多种生活型的植物资源和野生动物资源，不仅使湖滨带具有很高的生物资源开发潜力，而且造就了湖滨带独特而秀丽的自然景观，可提供多用途的娱乐场所和舒适的环境。因此湖滨带状况是湖泊物理结构评价的重要指标。

湖滨带的植被覆盖，可以减缓洪水影响，有利于稳定相邻的两个生态系统。湖滨带植物覆盖的密度与类型、湖岸性质、湖流和泥沙等，是影响湖滨带护岸功能的主要因素。其中植物覆盖的密度与类型对湖岸侵蚀的防护作用影响较大。湖岸基质类别在很大程度上决定了生长的植被情况。不同的植被生长所需基质不同。复杂多层次的岸边植被是湖滨带结构和功能处于良好状态的重要特征，良好的植被可以减轻和缓冲邻近陆地给予湖泊的胁迫压力。另外，湖区是云南省居民最密集、人为活动最频繁、经济最发达的地区。近几年旅游业发展迅速，在湖滨带建立有湖滨浴场、旅游度假区等设施，这些人类干扰都对湖体的水质和水生生物的健康造成一定的威胁。因此，湖岸稳定性（岸坡高度、岸坡基质、倾角、冲刷强度）、湖滨带植被覆盖度、湖滨带人工干扰程度可作为湖滨带状况的具体量化指标。

2.2.3.3 水质指标

对云南省九大高原湖泊水质监测成果数据分析，选择水质评价的重要指标和湖泊水质状况最主要的影响指标，作为湖泊健康状况评估中水质准则层的量化指标。

（1）溶解氧。溶解于水中的氧称为溶解氧，是所有进行需氧呼吸的水生生物的必需品，是水生生物主要生存条件之一。天然水中溶解氧的含量与空气中氧的分压、大气压、水温有着密切关系，水体中的溶解氧随着水温的上升而下降。水体中溶解氧对物理过程和生物过程的变化比较敏感，当水中藻类生长繁茂、光合作用强烈、水流湍急等，都可能使水中溶解氧呈过饱和状态，如滇池、星云湖、杞麓湖在5—10月溶解氧经常出现过饱和状态。如果水体被易氧化的有机物及还原性物质污染，或当降解过程占主导地位时，溶解氧水平将会显著下降。当溶解氧低于4mg/L时，影响鱼类生存，因此测定溶解氧对水体污染程度和自净能力的研究，有着极为重要的作用，是水质评价的重要指标。

（2）氨氮。氨氮是以游离态的氨或铵离子（）等形式存在于天然水中，其主要来源是进入水体的复杂有机氮化合物，经微生物分解后的最终产物，但在有氧存在的条件下，将进一步转变为亚硝酸盐氮和硝酸盐氮。天然水体中，有氨氮存在表示有机物正处在分解过程中，如果含量过多，可作为判断水体在近期遭到污染的标志，是水体达标评价的重要指标。云南九大湖泊中滇池、异龙湖、杞麓湖氨氮含量超过Ⅲ类，特别是滇池草海水域，最大值达到9mg/L以上，为劣Ⅴ类，成为影响湖泊水质类别的主要指标之一。

（3）五日生化需氧量。生化需氧量是指在好气条件下，微生物分解有机物质的生物化学氧化过程中所需的溶解氧量。微生物分解水中有机物的过程缓慢，全部分解大约需要20天以上，目前国内外一般采用在20℃条件下，培养5天后测定溶解氧消耗量作为标准方法，称为五日生化需氧量。五日生化需氧量通常用来表示水被可生物降解的有机物污染的程度，是环境水质标准和污水排放控制项目。云南九大湖泊中五日生化需氧量超过Ⅲ类水标准的有滇池、异龙湖、星云湖、杞麓湖，是影响湖泊水质类别的主要指标之一。

（4）重金属指标。重金属是典型的无机有毒物质，其中汞、镉、铅、铬以及化学性质与金属相似的砷等因其潜在的巨大危害而备受关注。饮用水中只要含微量重金属，即可对人体产生毒性效应。很多重金属对生物有显著毒性，并且能被生物吸收后通过食物链浓缩千万倍，最终进入人体造成慢性中毒或严重疾病。水体中某些重金属可在微生物或外界环境的作用下变成毒性更强的化合物，对人和生物造成极严重的威胁。例如日本的水俣病就是由于甲基汞破坏了人的神经系统而引起的，骨痛病则是镉中毒造成骨骼中钙减少的后果，这些病最终都会导致人的死亡。一般重金属产生毒性效应的浓度范围大致是 1～10mg/L；毒性较强的如汞、镉等产生毒性的浓度为0.01～0.1mg/L。云南九大湖泊中滇池草海、洱海偶有汞检出，最大浓度0.00009mg/L；滇池草海、外海均有镉和铅检出，镉最大浓度0.0011mg/L，铅最大浓度0.0062mg/L；除抚仙湖、异龙湖外，其他湖泊均有砷检出，其中阳宗海2008年砷污染后虽经治理，砷含量仍经常达到0.05mg/L以上，最大时有0.085mg/L，其他湖泊均在0.01mg/L以下。

（5）富营养化指标。湖泊富营养化是指湖泊水体接纳过量的氮、磷等营养性物质，使藻类以及其他水生生物异常繁殖，水体透明度和溶解氧变化，造成湖泊水质恶化，加速湖泊老化，从而使湖泊生态系统和水功能受到阻碍和破坏。严重的甚至发生“水华”，给水资源利用带来巨大损失。湖泊富营养化是一种在湖泊自然演变中的自然过程。在湖泊学的意义上，湖泊有其发生、发展及消亡的过程，这就是地理学范畴内所谓的湖泊富营养化。一般的趋势是从水深、营养物质少的贫营养湖向水浅、营养物多的富营养湖演变。在自然状态下，这种进程非常缓慢，但人类活动的影响大大加速了湖泊富营养化的过程。

湖泊富营养化评价指标是指直接或间接影响水体富营养化的指标。在国际湖泊富营养化基准及控制标准制定过程中，通常将总磷、总氮、叶绿素a和透明度这四个变量作为基本指标。中国环境监测中心于2001年提出的湖泊富营养状态综合营养状态指数法评价法中又增加了高锰酸盐指数评价指标。水利部水利水电规划设计总院在全国水资源调查评价中也采用了与中国环境监测总站相同的评价指标，并制定了各指标的贫营养、中营养、轻度富营养、中度富营养、重度富营养限值。本书根据我国湖泊水质的实际污染状况以及营养物的来源，以现有成熟的湖泊水体富营养评价方法为基础，选取总磷、总氮、高锰酸盐指数、叶绿素a和透明度五个指标。

（1）总磷（TP）。磷是所有生物体所必需的元素，因为生物各种基本的功能过程都要用到它。水体中80%以上的磷都以有机磷的形式存在。无机磷中磷酸根是唯一重要的形态，有机和无机的各种形态磷的总和称为总磷。天然水体中磷的含量如果超过0.5mg/L，常与生活污水及工业废水的污染有关。水中的磷含量超过临界值后，就会刺激水生植物特别是藻类的生长导致“水华”的发生，造成水体富营养化。

（2）总氮（TN）。氮是藻类生长所需的另一种重要基本营养元素。水体中的氮磷比是藻类大量生长的决定因素，氮磷比在富营养湖泊里低，在中营养和贫营养湖泊里高。天然水体中的氮主要以溶解态氮、铵离子、亚硝酸盐氮、硝酸盐氮及有机氮等形式存在。我们常规分析的总氮是指在碱性介质条件下水中能被过硫酸钾氧化的无机氮和有机氮化合物，包括可溶性及悬浮性颗粒中的氮，即水中所有氨氮、亚硝酸盐氮、硝酸盐氮和总有机氮的总合。

（3）高锰酸盐指数（COD _Mn ）。高锰酸盐指数是指在规定条件下用高锰酸钾作氧化剂对水样做还原处理时，水中溶解性或悬浮性物质消耗的氧化剂的量。高锰酸盐指数是控制有机污染物和防止水体变黑臭的综合性指标，是环境水质及污水排放的控制项目之一。与五日生化需氧量相似，云南九大湖泊中高锰酸盐指数超过Ⅲ类水标准的仍然是滇池、异龙湖、星云湖、杞麓湖。

（4）叶绿素a。叶绿素a是光合作用最主要的绿色色素，能够直接反映水体藻类生物量，是富营养化的一个重要指标，对富营养化的发展及趋向起着关键作用。

（5）透明度（SD）。透明度是指水体的澄清程度。水中存在悬浮物和胶体时，会降低水体透明度，悬浮物或藻类增加，透明度降低。一般用塞氏盘法测量水体透明度，称为塞氏深度。透明度是湖泊富营养化评价的一项重要综合性指标，可直观反映湖泊营养状态。一般来说，贫营养的湖泊，营养物的输入和初级生产力都较低，水的透明度高，生物区系多样化；富营养的湖泊营养物的输入和初级生产力较高，透明度低，生物种类较少而生物量大。

2.2.3.4 水生生物指标

（1）底栖动物。底栖动物是水生生态系统中的重要组成部分，其种类、数量与群落结构和它所处水域环境有密切的关系。底栖动物的特点是在底质环境中，对环境变化较为敏感，活动能力弱，寿命较长，因此，其群落结构和多样性特征可作为环境变化的指示，它们也自然成为一类常用的水体指示生物。

（2）浮游植物。浮游植物是指在水中营浮游生活的藻类植物，通常浮游植物就是浮游藻类，包括蓝藻门、绿藻门、硅藻门、隐藻门、甲藻门、金藻门、裸藻门、黄藻门等。浮游植物是水生生态系统的重要组成成分，且处于水生态系统食物链的最底层，其群落结构、数量、优势种和污染指示种的变化均与水体的理化性质有着密切的关系，可敏感地反映周围环境的改变，亦作为湖泊群落演替的重要依据，从而可以间接反映水体的水质状况，故可作为水体水质的指示生物。

（3）鱼类。鱼类是长期效应和广域生境环境的优秀指示生物，鱼类对水质和栖息地的恶化具有不同程度的敏感度，且受不同营养水体的影响，鱼类是水生食物网的顶端，整合了较低营养级的效应。因此鱼类类群的结构能够反映整体的环境健康状况。鱼类还具有巨大的社会和经济价值，因此通常将其纳入河流湖泊健康评估指标体系。

（4）附生硅藻。附生硅藻指标是非常有用的生态指标，因为大多数水体里都有丰富的附生硅藻。它们对水体条件变化反应很快，相对容易取样，并且对环境条件的耐受力很强。欧洲制定了反映水质恶化各干扰梯度条件下种群组成变化的硅藻生物指数（IBD）和特殊污染敏感度指数（IPS），两个指标都考虑在水质下降情况下不同类群的耐受力。

2.2.3.5 社会服务功能指标

（1）水功能区达标率。根据流域或区域的水资源自然属性，如水资源条件、环境状况及地理位置，以及社会属性，如水资源开发利用情况和社会经济发展对水质和水量的需要等，将一定范围的水域定为具有某种特定价值与功能的区域，称为水功能区。不同类型的水功能区用来指导、约束水资源开发利用和保护活动，保证水资源的开发利用发挥最佳社会、经济和环境效益。因此水功能区划分是水资源管理的重要依据。2000年水利部在全国范围内开展水功能区划工作，并按不同的用途对水质的要求进行管理，对水功能区达标率进行评价。2010年最严格水资源管理制度实施后，又将水功能区达标率定为纳污控制红线考核的主要指标，按行政区域分解到各省、市、县。

（2）水资源开发利用率。从水资源规划利用角度讲，水资源开发利用率是指供水能力（或保证率）为75%时可供水量与多年平均水资源总量的比值，是表征水资源开发利用程度的一项指标。可持续的水资源开发利用既要保持河湖对人类经济社会的服务功能，又受到维护河湖生态环境功能的约束。水资源开发利用率应控制在合理的范围内，既要满足经济社会发展的需要，维持健全的供水、灌溉等诸多为人类服务的功能，又应在水资源承载能力的范围内。

（3）防洪工程措施完善率。全世界每年在自然灾害中死亡的人数约有3/4死于洪水灾害。水灾威胁人民生命安全，造成巨大财产损失，并对社会经济发展产生深远的不良影响。防治水灾已成为世界各国保证社会安定和经济发展的重要公共安全保障事业。人类为防御洪水灾害采取了各种手段和方法，总体可分为防洪工程措施和非工程措施。

防洪工程措施是指在江河、湖畔或海岸修建抗御洪水袭击的各种工程设施，其主要作用是提高河道泄洪能力和适当控制上游洪水来量。我国根据各流域的洪水规律和洪灾情况，分别制定流域防洪总体规划，确定了各主要江河湖库防洪标准。云南省各主要江河湖库防洪标准还很低，大多在10年一遇至20年一遇，且部分区域治理力度不够，难以达到防洪标准。

（4）公众满意度指标。公众满意度反映公众对湖泊环境服务功能，包括湖泊景观、美学价值等的满意状况，调查内容包括公众对湖泊水量、水质、湖岸状况、鱼类状况的评估，公众对湖泊适宜性的评估，以及公众根据上述方面认识及其对湖泊的预期所给出的湖泊状况总体评估。

2.2.4 指标体系

根据湖泊健康评估指标体系框架，用经验选择法和主成分分析法对量化指标进行筛选后具体构建湖泊健康评价指标体系。云南省湖泊健康评价指标体系见表2.1。

指标分为必选指标和湖泊特殊指标两类，必选指标13项（表2.1）。当湖泊鱼类资料缺少难以得出评估结果时，应对现状进行系统调查，作为今后评估的参照数据；在必选指标的基础上，针对云南高原湖泊的特殊情况，对没有列入必选指标，但又对湖泊健康有较大影响的指标，可根据其性质划分所属准则层，作为湖泊特殊指标参加健康评估。

表 2.1 云南省湖泊健康评价指标体系表

2.2.5 指标权重确定

2.2.5.1 层次分析法

层次分析法（Analytical Hierarchy Process，AHP）的特点是将分析人员的经验判断给予量化，适用于目标结构复杂并且缺乏必要数据支持的情况，是系统工程处理定性与定量相结合问题的简单易行且行之有效的一种系统分析方法。近年来，AHP分析方法在环境评价、生态系统评估及生态旅游资源评估中有较为广泛的应用。

AHP分析方法由美国运筹学家T.L.Saaty于20世纪70年代最早提出，作为一种决策分析方法，由决策者将复杂问题的决策思维过程模型化或数量化。通过这种方法可以将复杂问题分解为若干层次和若干因素，在各因素之间进行简单比较和计算，就可以得出不同方案重要性程度的权重，从而为决策方案的选择提供依据。特别适用于那些难于完全定量分析的问题，相比其他方法，可以将因人为主观喜好引起的偏差控制在令人满意的范围内。

运用AHP分析方法建模一般可按4个步骤进行：①建立递阶层次结构模型；②构造出各层次中的所有判断矩阵；③层次单排序及一致性检验；④层次总排序及一致性检验。

将高原湖泊健康评价指标体系结构图（图2.1）作为递阶层次结构图，建立判断矩阵。建立判断矩阵的目的是为了通过比较矩阵的特征值和特征向量，从而得到同一层次中的不同因素之间关于上一层因素的相对权重（即层次单排序权值）。自上而下地用上一个层次因素的相对权重加权求和，进而得到各层次因素关于系统总体的综合重要度（即层次总排序权值）。在同一层次中将与上一层次相关的各因素进行两两比较，根据相对的重要程度给出判断值。判断矩阵的重要性比较标度的含义见表2.2。

表 2.2 判断矩阵的重要性比较标度的含义

由此可得，湖泊健康评价指标体系各层级中因素之间相对上一层的判断矩阵。接下来对判断矩阵的特征向量进行归一化处理，即为同一层次相应因素对于上一层次某因素相对重要性的排序权值。归一化的方法最常用的有方根法与和积法，此处采用方根法。设判断矩阵为。表示同一层因素与因素相对上一层因素的相对重要性，其中n为矩阵阶数。其具体计算步骤为：①计算判断矩阵每一行因素的乘积；②计算M _i 的n 次方根；③对进行归一化处理。