0 引 言
湖泊作为地表水循环、化学物质循环的重要载体,是维系地球生态系统平衡的重要组成部分,是人类及其他生物赖以生存的基础
[1]。但在全球气候变化及快速城市化背景下,湖泊的生态状况已经发生了重大改变
[2,3],我国经济社会的快速发展也导致湖泊生态系统完整性遭到了破坏,严重影响其生态服务功能的可持续性
[4]。因此,加强河湖整体管辖、有效进行河湖生态系统健康保护成为我国生态文明建设的重要环节。其中,对河湖生态系统健康的科学评价是首要任务
[5]。
河湖健康评价是20世纪70年代最先在美国和欧盟兴起的流域综合管理手段,引发了人们对河流生态状况的广泛关注
[6~8]。我国自21世纪初开始陆续引入河湖健康评价的理念,河湖健康重点也从河湖生态系统完整性和社会服务功能完整性逐渐转移到河湖自然属性和社会服务功能的平衡性
[5]。为有效缓解评估及解决我国河湖健康问题,水利部于2020年发布了《河湖健康评价指南(试行)》,并于2020年发布了水利行业标准《河湖健康评估技术导则》。“十三五”期间,部分省份也相继开展探索河湖水系健康评估标准。2017至2021年,辽宁省、江苏省、江西省、湖北省、天津市和苏州市先后发布了有关河湖健康评估的标准与指南。
武汉被称为“百湖之市”,现有湖泊水面总面积867 km²,境内面积大于0.05 km²的湖泊共有166个
[9]。但随着人口增长和经济的快速发展,武汉市大部分湖泊水环境、水生态问题日益加剧,湖泊面积萎缩严重,水质下降,生物栖息地受损,生物多样性已受到严重威胁
[10]。然而,武汉还未开展过全市域范围的湖泊健康评估,武汉市河湖健康评估技术体系构建仍处于空白状态。因此,亟需开展湖泊健康状况评估研究。
本研究结合武汉市内湖泊生态环境现状,从湖泊的自然属性和人水关系两方面构建评价指标体系,以武汉全市域166个湖泊为评估对象,从物理结构完整性、化学完整性、水文完整性、生物完整性、社会服务功能可持续性、管理状况6个方面构建了包含21个指标的湖泊健康评价指标体系,并首次对武汉市全域湖泊进行了健康评价。同时,从宏观和微观两个层面针对不同功能类型湖泊提出了差异化的保护修复策略。该研究可为武汉市及长江中下游浅水湖泊的健康评价与生态修复研究提供重要参考。
1 研究方法
1.1 研究区域
武汉市境内面积大于0.05 km
2的湖泊共有166个,中心城区40个,新城区126个,湖泊水面面积约867 km
2,约占全市水域面积的41%,约占全市国土面积的10.2%
[11,12]。较大的湖泊有梁子湖、斧头湖、鲁湖、涨渡湖、武湖、后官湖、东湖、汤逊湖等。
综合考虑湖泊的地理位置和功能定位等情况,根据武汉市自然资源和规划局发布的《关于湖泊周边用地规划与建设的管理办法》,将武汉市166个湖泊分为城市型、郊野型、生态型等三种类型,各类型分布见
图1,各类型包含的河湖见
表1。
1.2 评估指标体系构建
本研究以水利部发布《河湖健康评估技术导则》和《湖北省河湖健康评估导则》为重要参考,同时结合武汉市内湖泊的实际情况,最终建立了武汉市湖泊生态系统健康评估指标体系(
表2)。
评价指标体系由准则层、亚准则层和指标层3级体系组成。准则层包含盆、水、生物、功能、管理5个方面;亚准则层包括物理结构完整、化学完整性、水文完整性、生物完整性、社会服务功能完整性和管理状况等6个方面。整个湖泊健康评价指标体系共设指标21项,其中必选指标11项,备选指标10项。
本研究优先开展物理结构完整性、化学完整性、水文完整性、生物完整性涉及的必选指标的评估,以便快速判断湖泊基本健康状况。针对全市域166个湖泊开展了物理结构完整性和化学完整性评估,选择梁子湖、东湖、南湖等典型湖泊进行生物完整性和水文完整性评估。
1.3 赋分权重的确定
参考《湖北省河湖健康评估导则》对于不同功能湖泊(调蓄灌溉、景观娱乐、饮用水源地、生境涵养)权重的侧重,本研究按照城市型、郊野型和生态型分类别进行权重赋予,城市型湖泊侧重于社会服务功能,郊野型湖泊侧重于物理结构完整性,生态型湖泊侧重于生物完整性,具体赋分权重见
表3。以单个水体为评估单元,计算指标评分,逐级加权,综合计算评分。
根据物理结构完整性所选取的4个指标权重计算综合结果,参照水利部发布的《河湖健康评估技术导则》中对于河湖健康等级的划分,每增加20分上升一个等级,将湖泊的物理结构完整性划分为五级:非常好、较好、一般、较差、极差,物理结构完整性分级见
表4。根据生物完整性所选取的3个指标权重计算综合结果,可将湖泊的生物完整性划分为五级:优秀、良好、一般、差、极差,生物完整性分级见
表5。
1.4 健康评估得分及结果分级标准
湖泊健康评估得分采用百分制,依据各单项指标赋分和相应权重,采用下列公式计算:
式中:——湖泊健康评估得分;
——第i项指标赋分;
——第i项指标对应的准则层权重赋值;
——第i项指标对应的指标层权重赋值。
参照水利部发布《河湖健康评估技术导则》中对于河湖健康等级的划分,每增加20分上升一个等级,根据河湖健康评估得分情况,将湖泊健康状况分为五级:非常健康、健康、亚健康、不健康、病态,湖泊健康状况分级见
表6。
1.5 评估数据来源
本研究构建指标体系所需的数据主要包括统计数据、实地调查与文献记载数据、卫星影像数据3类。
统计数据。如湖泊水质类别、富营养化程度、水位等,通过武汉市统计局、武汉市生态环境局、武汉市水务局等政府网站发布的相关统计数据,或从相关单位购买监测数据。
实地调查与文献记载数据。于2018年4月-2021年5月期间对岸线生态化程度、人为干扰程度、大型水生植物、大型底栖无脊椎动物、鱼类进行实地调查,同时以文献记载的历史数据作为参考,共同统计计算岸线完整性与人为干扰程度、生态岸线率、大型水生植物盖度、大型底栖无脊椎动物完整性指数、鱼类保有指数相关指标。
卫星影像数据。在卫星影像上观察测得植被覆盖率和缓冲带宽度数据,同时用卫星影像辅助观察统计岸线完整性与人为干扰程度、生态岸线率。
2 结 果
2.1 物理结构完整性评估结果
武汉市166个湖泊的物理结构完整性评估结果见
图2。结果显示,郊野型湖泊物理完整性最高,综合得分为76.09分;城市型湖泊物理完整性最低,综合得分为67.96分;生态型湖泊介于两者之间,综合得分为72.65分(
表8)。主要问题体现在:①城市型湖泊滨水缓冲带萎缩,滨岸带植被覆盖率低,生态岸线率低,部分湖泊绿地景观系统性和活力品质有待提高。例如青山北湖缓冲带宽度仅9.50 m,滨岸带植被覆盖率低于10%;再如南湖全湖大部分岸线硬化,生态岸线率为22.00%,且临湖高楼紧邻湖面,滨水视线受限,景观主题功能缺失,活力不足。②郊野型和生态型湖泊水域空间管控不足,人为干扰较大,滨岸带植被覆盖率不高。例如,张家大湖周边存在围垦养殖,滨岸带植被覆盖率仅25%,岸线完整性与人为干扰程度和滨岸带植被覆盖率评估得分分别为0分和25分。
2.2 化学完整性评估结果
基于武汉市生态环境局2021年公布的湖泊水质等级评价结果进行化学完整性评估。水质等级分析结果见
图3。结果显示全市166个湖泊整体消除劣Ⅴ类,Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ类四个等级湖泊均有分布,其中Ⅳ类湖泊占比60%,Ⅱ类水质湖泊占比1.2%。湖泊水质达标率较2020年有所增长,但仍有26个湖泊的水质未达到水功能区划要求,如梁子湖、涨渡湖、武湖、南湖、野芷湖、后湖等,不达标指标为总磷、氨氮和化学需氧量等。全域166个湖泊富营养化程度整体状态较好,消除了重度富营养化湖泊,轻度富营养化和非富营养化湖泊占比之和高达87%(
图4)。
从不同功能类型水体来看,生态型湖泊化学完整性最低,综合得分为48.29分,水质类别和富营养化程度得分分别为47.14分和50.00分。典型代表有下涉湖、涨渡湖、鲁湖等,水质类别分别为Ⅴ、Ⅴ、Ⅳ类,水质类别评估得分分别为25分、25分、50分;营养类别分别为中度富营养、轻度富营养、轻度富营养,富营养化程度赋分分别为25分、50分、50分。
城市型湖泊化学完整性居中,综合得分为49.72分,水质类别和富营养化程度得分分别为48.61分和51.39分。典型代表有杨春湖、菱角湖、汤逊湖等,水质类别分别为Ⅳ、Ⅳ、Ⅴ类,水质类别评估得分分别为50分、50分、25分;营养类别分别为轻度富营养、轻度富营养、中度富营养,富营养化程度赋分分别为50分、50分、25分。
郊野型湖泊化学完整性最高,综合得分为53.13分,水质类别和富营养化程度得分分别为53.00分和53.33分。典型代表有竹子湖、童家湖、武湖等,水质类别分别为Ⅲ、Ⅲ、Ⅳ类,水质类别评估得分分别为75分、75分、50分;营养类别分别为中营养、中营养、轻度富营养,富营养化程度评估得分分别为75分、75分、50分。
2.3 水文完整性评估结果
对武汉市典型湖泊的周年水位波动特征进行分析,发现按水位波动特征可分为两种波动型式,即水库型波动Ⅰ和水库型波动Ⅱ
[13]。大多数城市型和郊野型湖泊属于水库型波动Ⅰ,其水位全年较稳定,几乎没有季节性波动,波幅小于2 m,如武汉市内的野芷湖、野湖、墨水湖、青菱湖等(
图5)。部分城市型湖泊和生态型湖泊属于水库型波动Ⅱ,其水位反季节波动,冬春季水位较高,汛前因防洪腾库容需要排水,水位逐渐降至最低;汛后则闭闸蓄水,冬季保持较高水位,如东湖、南湖、后官湖、黄家湖、梁子湖等(
图6)。
目前武汉市大部分湖泊生态水位满足度低,水文完整性较差(如梁子湖全年水位满足度仅17%)。现状水位波动型式大多数为水库型,水位稳定波幅较小、甚至反季节波动,导致生物栖息地减少或丧失,最终造成生物多样性及现存量下降。武汉市湖泊当前的水位管理以满足水安全、灌溉等需求为主,未充分考虑不同水生生物全生活史过程的需求,全面的生态调控机制尚未建立。
2.4 生物完整性评估结果
武汉市湖泊的生物完整性评估结果见
图7。结果显示,武汉市湖泊生物完整性整体较低,城市型湖泊生物完整性最低,生态型湖泊最高,郊野型湖泊居中,三种不同功能类型湖泊生物完整性评估得分从低到高分别为38.76分、45.12分、46.21分(
表9)。生物完整性的问题具体表现为:①鱼类多样性不高,与20世纪80年代相比有明显的下降趋势。除梁子湖和斧头湖等少数湖泊外,一半以上的湖泊鱼类保有指数低于25%。城市型、郊野型、生态型湖泊鱼类保有指数平均得分分别为8.50分、10.00分、12.73分。②大型水生植被覆盖度较低。对武汉市豹澥湖等65个湖泊2018-2021年调查结果与文献记载数据进行统计分析显示,水生植被覆盖度平均值仅14.00%,其中郊野型湖泊小罗晒、肖家教、杨四泾等多个湖泊几乎无成片水生植被分布,而生态型湖泊梁子湖、小官莲湖、笔砚湖水生植被覆盖度相对较高,评估得分分别为50、60和70分,莲(
Nelumbo nucifera)、芦苇(
Phragmites australis)、香蒲(
Typha orientalis)、欧菱(
Trapa natans)等为优势种。③底栖动物多样性下降、耐污种居多。从底栖动物HBI指数评估结果来看,武汉市内60.00%的湖泊属于重污染水体,约12.50%的湖泊处于轻污染,且无清洁水体。从湖泊功能类型来看,生态型湖泊大型底栖无脊椎动物完整性指数评分最高,其次为郊野型湖泊,城市型湖泊最低(
表9)。例如,城市型湖泊北湖和南湖评估得分仅40分,底栖动物物种数较少,群落结构单一,霍甫水丝蚓(
Limnodrilus hoffmeisteri)、苏式尾鳃蚓(
Branchiura sowerbyi)、摇蚊属(
Chironomus spp.)等耐污种为优势种。
3 讨 论
3.1 评估指标体系的适用性
国家及各省、市有关河湖健康评估的导则与指南主要关注物理、化学、水文、生物和社会服务5个方面,结合我国的国情、水情和湖泊管理实际,基于河湖健康概念从生态系统结构完整性、生态系统抗扰动弹性、社会服务功能可持续性三个方面建立了河湖健康评价指标体系与评价方法,从“盆”“水”生物、社会服务功能等4个准则层对河湖健康状态进行评价
[14]。
本研究参考已发布的各导则及指南,结合武汉湖泊众多的实际情况,聚焦水空间、水环境和水生态,探索市域湖泊生态系统健康评估方法。通过综合考虑武汉市湖泊湖盆特征、水位波动型式、水环境质量、生物多样性、功能定位等差异,构建了由物理结构完整、化学完整性、水文完整性、生物完整性、社会服务功能可持续性构成的评估指标体系,包含必选指标和备选指标。由此可见,本研究构建的武汉市湖泊生态系统健康评估指标体系,具有可操作性和适用性,并增加和优化了生物完整性,可推广应用于其他湖泊健康评估工作。
由于武汉市湖泊数量多,部分基础资料获取难度大,因此优先开展物理结构完整、化学完整性、水文完整性、生物完整性10个表征性必选指标(不含公众满意度)的评估,以期快速辨识湖泊健康问题、及时分析原因,了解湖泊真实健康状况,为国土空间规划提供参考。本研究完成了武汉市首次全市域湖泊生态系统健康评估,全面摸清了武汉市湖泊水生态环境状况,填补了武汉市湖泊健康评估技术体系空白,将推动武汉市水生态环境保护修复系统性规划和实施工作。
3.2 武汉市湖泊健康问题成因分析
3.2.1 物理结构完整性问题成因
武汉市湖泊物理结构完整性偏低,主要原因有:
(1)中心城区河湖周边高强度的开发建设导致缓冲带被侵占,岸线以满足水安全为主,硬化程度高,城市不透水面增多
[15,16]。如塔子湖和鲩子湖周边用地多为建设用地,人口密度大,各类建筑紧邻湖边,导致生态缓冲作用不足
[16]。
(2)新城区监管力度不足,存在围垦现象
[11],且生态缓冲带保护和修复工作滞后,植被以野生草本为主,覆盖度较低。
(3)人为干扰造成水系阻隔,现状水位和水闸等水利设施管理不到位,水流宣泄不畅,水体物质和生物信息交流受阻。例如,20世纪50-70年代末武汉大规模的填湖造田、围湖造塘、防御洪涝改变了湖泊水系的自然连通状况,江夏区湖泊水面面积锐减高达124.28 km
2[11,17]。东沙湖水系历史上均与外江相通,后因堤防建设、围湖造田、环湖开发建设等人类活动导致河湖历史连通被破坏。
3.2.2 化学完整性问题成因
湖泊化学完整性受损主要成因是污染治理能力不足、农业面源污染治理不足、流域上下游联防联控机制亟待完善和生态环境基础研究滞后。
(1)污染治理能力不足。随着城市规模扩张和城镇化的持续推进,城市生活污水总量不断增加。部分区域管网健康程度较低,雨污分流不到位、管网缺陷较多,导致污水处理厂运行效能较低。同时乡镇、农村生活污水处理设施建设有待完善,管网建设严重滞后,后期运维工作有待进一步加强。如蔡甸区后官湖多个排污口未接入市政污水管网,且存在雨污混流,排放水质均未达标,增加了湖泊污染治理难度和成本
[18]。
(2)农业面源污染治理还需加大力度。化肥和化学农药滥用易形成污染,绿色种植推广仍需进一步增强;水产养殖尾水对水体存在一定程度的污染。当前武汉市农业面源污染防治工作处于起步阶段,农业面源的源头减量、过程控制、末端治理尚未形成体系。如后官湖西部大量的莲藕、菱等水生经济作物的种植及农药化肥污染使得水体的氮磷污染增加
[18]。
(3)流域上下游联防联控机制亟待完善。跨界河流污染治理缺乏整体性和系统性,上下游联防联控机制不健全,缺乏信息共享机制和沟通协作机制,下游不能及时掌握上游水利调度、排涝排渍、非正常排污等情况。
(4)生态环境基础研究滞后。部分水生态环境保护基础研究工作有所滞后,对“精准治污、科学治污”支撑明显不足、面源污染的特征规律研究不足;底泥污染状况调查方法、清淤方式、污泥处置等方面研究不足;全市水生态底数、保护修复方法研究不足;流域空间管控不足;“污染源-排污口-水功能区”的关联关系尚未建立。
3.2.3 水文完整性问题成因
江湖阻隔是造成武汉市湖泊水文完整性受损的主要原因。近几十年长江上游流域建设了金沙江十二个梯级和三峡、葛洲坝为代表的多座梯级水库
[19]。其破坏了河道的天然状态,显著影响干支流的水动力条件,造成流域内河流、湖泊流量、水位的显著变化
[20]。这导致了武汉市湖泊水文情势发生改变。20世纪50年代中后期至60年代,沿江大部分湖泊修建了闸坝,目前仅剩鄱阳湖、洞庭湖及石臼湖等少数通江湖泊,武汉市仅梁子湖等少数湖泊通江,且多为季节性连通
[21]。江湖阻隔后,湖泊失去了与干流的自由水文连通,水位波动型式多变为水库型。这种水文情势的改变对湖泊生态系统有一定不利影响,是造成湖泊富营养化和水生生物物种多样性下降的原因之一
[22]。
3.2.4 生物完整性问题成因
生物完整性受损的主要原因包括水利设施造成的水文情势改变、水环境的恶化、栖息地丧失、生物资源过度利用和外来种入侵等。水库、水闸等的建设导致河流的连续性被破坏、鱼类洄游通道被阻隔,对区域气候、水文循环和环境变化有一定影响,水位波动节律改变影响湿地植被的生长,生物栖息地被破坏,这都将造成大量动植物资源的退化或消失
[23]。入湖营养增多导致的水质恶化也是生物完整性降低的主要原因之一。武汉市湖泊水质总体呈向好趋势,但湖泊水质多出现波动,较难实现持续改善,氮磷是主要超标污染物
[9]。而浮游藻类如蓝藻在磷含量增加的情况下大量生长,可能导致清水湖泊中的水生动物及植物群落的变化
[24]。渔业资源的过度利用,一方面可以直接影响鱼类的多样性,另一方面,渔业养殖中的施肥等行为也可以增加水体营养含量,进而间接影响湖泊的生物完整性
[25,26]。外来入侵种在短时间内的大量生长聚集,如喜旱莲子草及水葫芦在武汉市各湖泊均有分布,这些外来入侵种具有更强的竞争力及环境适应性,占据其他水生植物的生存空间,使得生物多样性降低。
3.3 保护修复策略
3.3.1 宏观层面
在宏观层面,主要进行水生态空间优化。
(1)严格滨水空间管控。根据《武汉市湖泊管理条例》,为湖泊划定“保护圈”。完善湖泊蓝线和绿线界桩设置,锁定湖泊水域及湖泊岸线保护范围,明确湖泊及岸线“禁区”。蓝线、绿线之内不得任意开发,灰线内的建设要与滨水环境相协调,并且限制环湖无序开发,保护湖泊资源、水环境景观的公共性和共享性。
(2)合理划定滨水缓冲带。一方面,“人类退一步则生物进一步”划定缓冲带控制线+“自灰而绿柔性更新”激活滨湖开敞空间。以生物多样性保护对缓冲带宽度的需求为基础,按城市型、郊野型、生态型的湖泊类别,划定缓冲带控制线。①针对城市型湖泊,建议在现状的基础上至少保留7 m的缓冲带绿道。结合绿道规划,设计不同层次搭配的植被区,选择不同种类的植物,使其充分发挥所需的功能,改善湖泊水质污染状况。②针对郊野型湖泊,水域面积≤10 km2的郊野型湖泊建议缓冲带宽度50-100 m,水域面积>10 km2的郊野型湖泊建议缓冲带宽度100-200 m。同样结合绿道规划,设计不同层次搭配的植被区,选择不同种类的植物,使其充分发挥所需的功能,改善湖泊水质污染状况。③生态型湖泊:水域面积≤10 km2的生态型湖泊建议缓冲带宽度200-500 m,水域面积>10 km2的生态型湖泊建议缓冲带宽度大于500 m,同时进行植物恢复与维护管理。
(3)加强河湖水系连通。武汉市域内水系面临一系列问题,如雨水管网建设滞后、江湖阻隔、水流不畅、河湖自净与修复能力有待提高,区域河湖调蓄能力有限、外排能力有待提高,水生态保护管理能力亟待提高等。因此,武汉市域水系连通十分必要。根据河湖流域分区和重点湖泊的主要功能需求,建议分环境改善、排水除涝、生态保护三种类型进行水网连通,全面优化水系统,提升城市韧性,保障水系生态流量,维护生物多样性。
3.3.2 微观层面
根据湖泊的功能定位及水环境现状确定其各自的修复目标及主要修复策略。
(1)城市型湖泊多位于中心城区,面积多数较小,但污染负荷量较大,全年水质波动较大,目前武汉市大力开展城区湖泊的水环境治理和水生态修复,因此城市型湖泊水质改善明显。城市型湖泊的功能主要是调蓄和景观游憩,故其短期修复目标主要是景观提升及局域小范围内的水质改善,长期目标是全湖水质改善。由于其在城市水安全方面的重要作用,很难通过生态水位调控来实现生物完整性的提升及水环境质量的改善,故建议主要修复策略是在进一步巩固前期水环境治理和生态修复效果的基础上,控制入湖污染负荷和激活滨水空间。
(2)郊野型湖泊一般位于郊区,部分湖区也可能延伸至中心城区。除调蓄外,多数还承担农业灌溉、景观游憩等功能。因此,其短期修复目标是增加环湖缓冲带面积和逐步水质改善,长期修复目标是全湖水质改善。对于该类湖泊,建议在管控湖滨干扰的基础上,合理构建生态缓冲带和优化产业布局。
(3)生态型湖泊受污染程度相对较小,但近年来以梁子湖为典型代表的该类湖泊由于水生态系统结构失衡(鱼类群落结构不合理、水生植物被退化等)导致水环境质量下降,亟需通过生态系统结构优化等措施进行保护修复,并促进水质的提升。因此,建议生态型湖泊的短期修复目标是恢复生境,长期目标是全面提高生物多样性。具体可优先考虑水文修复,进行生态水位的调控和自然栖息地建设,以恢复生物栖息生境,提高生物多样性。
4 结 论
(1)本研究结合武汉市湖泊实际情况,从湖泊的自然状态和人水关系两方面构建了湖泊生态系统健康评估体系,包括必选指标11项,备选指标10项。
(2)本研究优先开展物理结构完整、化学完整性、水文完整性、生物完整性10个表征性必选指标(不含公众满意度)的评估。评估结果显示:关于物理结构完整性,郊野型湖泊>生态型湖泊>城市型湖泊;关于化学完整性,郊野型湖泊>城市型湖泊>生态型湖泊;关于水文完整性,城市型和郊野型湖泊大部分属于水库型波动Ⅰ,部分城市型湖泊和生态型湖泊属于水库型波动Ⅱ,水文完整性较差;关于生物完整性,生态型湖泊>郊野型湖泊>城市型湖泊。
(3)针对武汉市的湖泊健康问题,可采取严格滨水空间管控、合理划定滨水缓冲带、加强河湖水系连通的宏观策略。微观层面的策略可根据湖泊功能定位开展合理的生态修复,城市型湖泊主要采取入湖污染控制和激活滨水空间,郊野型湖泊合理构建生态缓冲带和优化产业布局,生态型湖泊可进行生态水位的调控和自然栖息地建设,以恢复生物栖息生境,提高生物多样性。