Scientia Geographica Sinica 2014 , 34 (2): 170-177 https://doi.org/10.13249/j.cnki.sgs.2014.02.170

Orginal Article

典型年洞庭湖系统健康综合评价

帅红, 李景保

湖南师范大学资源与环境科学学院,湖南长沙 410081

Assessment and Analysis of Comprehensive Health in Typical Years of Dongting Lake System

SHUAI Hong, LI Jing-bao

College of Resources and Environmental Science, Hunan Normal University, Changsha, Hunan 410081, China

中图分类号: Q14

文献标识码: A

文章编号: 1000-0690(2014)02-0170-08

收稿日期: 2013-01-24

修回日期: 2013-05-9

网络出版日期: 2014-02-10

基金资助: 国家自然科学基金（41071067）、湖南省重点学科地理学建设项目、湖南省教育厅科学研究青年项目（13B074）、湖南省自然科学基金（11JJ6027）资助

作者简介:

作者简介：帅红（1975-）,女,湖南益阳人,博士,副教授,主要从事生态环境评价与规划研究。E-mail:shuaih823@163.com

展开

摘要

以洞庭湖各典型年的遥感影像、相关图件、社会经济数据及水沙、水质监测等实测资料为依据,基于湖泊健康 “PSR”响应模型,构建了综合评价指标体系,确定了具体的评价指标、评价标准、指标权重和评价等级,采用主成分分析法评价洞庭湖系统健康状况的空间差异,以模糊综合评判法评价其典型年动态变化特征。结果表明：① 从各典型年来看,1986年和1998年洞庭湖处于不健康状态,1991年为临界健康;而三峡工程蓄水运行之后洞庭湖均处于临界健康状态。② 从空间分布上看,南洞庭湖系统健康状况相对较好,其次是东洞庭湖,最差的是西洞庭湖。③ 从压力-状态-响应健康指数来看,各典型年压力隶属度均为不健康,尤其是三峡工程蓄水运行后;其状态、响应隶属度一直保持在临界健康水平。这说明洞庭湖虽保持了较为完整的自然形态、结构基本合理、生态服务价值稳定,但已出现“病症”。作为国家级自然保护区,洞庭湖健康整体水平仍需进一步提升。

关键词： 洞庭湖系统 ; 健康 ; 主成分分析法 ; 模糊综合评判法

Abstract

According to remote sensing images, relevant maps, social and economic data, water and sediment data, water quality monitoring data in typical years of the Dongting Lake, Based on ‘Pressure-State-Response’ mode, a health assessment indicator system of Dongting Lake was constructed, and the assessment indices, assessment criteria, indices weighted values and assessment grades were established. The principal component analysis was used to evaluate the spatial variation characteristics of ecosystem health in Dongting Lake. Fuzzy comprehensive evaluation was adopted to apprise the time serial change law of ecosystem health in Dongting Lake. The results showed that: 1) The typical years can be described as unhealthy except for the 1991 before impoundment and operation of TGP. However, the typical years after impoundment and operation of TGP can be described critically healthy. It demonstrated that TGP was benefit for the health of the Dongting Lake. The comprehensive health index of Dongting Lake is showing a slow upward trend. However, no one typical year of it is healthy,so the health status of Dongting Lakeis not optimistic.2) The South Dongting Lake has a relatively good health status, and then followed by the West Dongting Lake, the East Dongting Lake was the worst one. This is decided by the lake area, the benthic animal diversity, fishing capacity, ecological service function, the management level and the surrounding masses consciousness and other factors.3) From the health indexes of PSR, grade of pressure membership of Dongting Lake were not healthy, especially after impoundment and operation of TGP, its grades of state and response membership were keeping critically healthy state. It indicated that morphology was complete, structure was reasonable and ecological service value was stable, but it had signs of the disease. As a national nature reserve, this ecosystem was to be further improved in its health level.

Keywords： Dongting Lake system ; comprehensive health ; principal component analysis ; fuzzy comprehensive evaluation

PDF (600KB) 元数据多维度评价相关文章收藏文章

本文引用格式导出 EndNote Ris Bibtex

帅红, 李景保. 典型年洞庭湖系统健康综合评价[J]. , 2014, 34(2): 170-177 https://doi.org/10.13249/j.cnki.sgs.2014.02.170

SHUAI Hong, LI Jing-bao. Assessment and Analysis of Comprehensive Health in Typical Years of Dongting Lake System[J]. Scientia Geographica Sinica, 2014, 34(2): 170-177 https://doi.org/10.13249/j.cnki.sgs.2014.02.170

目前国内外湖泊生态系统健康研究成果较多,但其评价指标体系和方法是在河流、湿地、海洋等相关研究基础上予以改进的。在评价指标体系构建方面,归纳起来有3类：一是在生物群落层次上设计指标^[1];二是人类健康和社会经济指标^[2];三是从影响生态系统变化的非生物原因中选取指标,如生境、水质等^[3] 。评价方法方面,Jorgenson提出采用生态承载力法评价生态系统健康^[4];卢媛媛^[5]用聚类分析法确定武汉市14 个浅水湖泊生态系统健康分级标准;张祖陆等^[6]以模糊综合评判模型评价南四湖湿地生态系统健康状况;许文杰等^[7]用熵权综合健康指数法评价滇池生态系统健康;另外,还有学者采用改进后的生态系统健康指数^[8]、营养状态-综合指数法^[9]和集成RS 和GIS等技术^[10]评价湖泊生态系统健康状况。以上成果表明,目前国内外已开展的湖泊健康研究侧重于生态系统类型,显然这种局限于生态系统健康的研究视角是狭隘的,尤其对于大型湖泊而言更是如此。因为任何一个天然湖泊都是由其形态结构系统﹑生态系统和服务功能系统组合而成的一个有机整体,在水沙作用下这三大系统相互依存、相互作用、彼此消长。

洞庭湖地处长江中游荆江南岸,接纳松滋、藕池、调弦三口和湘、资、沅、澧四水水沙,经湖泊调蓄后于城陵矶注入长江,是中国典型的大型通江湖泊。由于人类围垦和泥沙长期的淤积,现今的洞庭湖被分割成为东、南、西3个天然湖泊。1949年以来,随着调弦口堵口,下荆江系统裁弯,葛洲坝截流以及湖南四水一大批大中型水库的建设,四口、四水入湖水沙过程发生多次调整变化。与此同时,洞庭湖区经历了堵支并流、围湖造田、兴修防洪大堤以及第一期,第二期治湖（含退田还湖工程）工程建设。这些频繁而剧烈的人类活动,特别是长江三峡水库蓄水运用使洞庭湖水沙情势、物理化学性状、湿地生态系统等发生了一系列变化,那么洞庭湖的健康状态如何?这是近年来人们十分关注的问题。文中典型年为1986年、1991年、1998年、2004年、2006年和2010年,是根据年径流状况予以界定的;洞庭湖系统由洞庭湖的形态结构、生态系统和服务功能系统3个部分组成。本文以此为立足点,以时空尺度下的湖泊系统健康状况变化为突破口,构建湖泊健康 “PSR”响应模型及其评价指标体系,采用主成分分析法、模型综合评判法、GIS技术等相结合的方法、手段综合评价洞庭湖系统健康状况的变化,一则补充和完善湖泊健康研究內容,二则为三峡水库运行下治理﹑开发与保护洞庭湖提供理论依据。

1 数据来源与研究方法

1.1 典型年选取

为剖析洞庭湖系统健康状况的动态变化,将年径流序列划分为不同典型年。由于三峡水库运行后枝城站、城陵矶站径流序列不长,不便于作径流频率分析,于是将三峡水库运行后(2003~2010年)的典型年按照国家水利部信息中心水文预报规范,径流丰枯状况的划分标准进行界定,即：

$\begin{matrix} P (径流距平 %) = \frac{某年径流量 - 多年平均径流量}{多年平均径流量} \times \\ 100 % （ 1 ） \end{matrix}$

当P<-20%时为枯水年;-20%≤P<-10%为偏枯;-10%≤P≤10%为平水;10%<P≤20%为偏丰;P≥20%为丰水。以此作为判别标准,将三峡水库运行后的2006年、2004年与2010年分别界定为枯水年、平水年及丰水年,同时将枝城站、城陵矶站1951~2002年径流序列进行重新排频,并用式（1）标准判别,依次选取三峡水库运行前与运行后来水量相类似的1986年、1991年与1998年分别作为三峡水库运行前的枯水年、平水年及丰水年^[11]。

1.2 数据来源

本文水沙数据主要来源于1951~1998 年与三峡水库蓄水后(2003~2008年)洞庭湖区南咀、小河咀与鹿角水文站控制断面实测水沙资料;洞庭湖区1∶25 000与1∶10 000水下地形图和《湖南省洞庭湖区堤垸图集》来自于湖南省水利水电勘测设计研究总院与湖南省洞庭湖水利工程管理局; Landsat-7 ETM+数据来自于中国科学院遥感卫星地面接收站,时相分别为2006年9月25日和2010年9月15日;所用 29幅地形图(16幅1∶100 000的和13幅1∶50 000的)来自中国人民解放军总参谋部测绘局（北京54大地坐标系,高斯-克吕格投影,Krassovsky椭球体参数）;水质、浮游植物以及底栖动物等数据来源于湖南省洞庭湖环境监测站1986~2010年实测数据以及《洞庭湖环境监测报告》（2006~2010年）;社会经济统计数据来源于洞庭湖区的岳阳、益阳和常德3市所辖市、县、乡镇相应年份的统计年鉴。

1.3 基于PSR响应模型构建评价指标体系

在充分认识大型吞吐性湖泊属性的基础上,结合湖泊健康内涵及其影响因子,以压力-状态-响应模型（图1）为框架,在保证合理、科学的基础上,选取了可得性与操作性较强的指标变量,广泛征求专家的意见,对相关的指标进行了删除,筛选出25个与洞庭湖形态结构、生态系统和服务功能系统密切相关的指标,构建了洞庭湖系统健康综合评价指标体系（表1）。

显示原图| 下载原图ZIP| 生成PPT

图1 湖泊健康“压力-状态-响应”示意

Fig. 1 Sketch of “pressure-state-response" of the health of lakes

表1 洞庭湖系统健康综合评价指标体系

Table 1 Comprehensive evaluation index system of the health of Dongting Lake system

目标层	准则层	要素层	指标层
洞庭湖系统健康 A	压力B₁	人为干扰C₁	D₁：单位湖泊容积工业产值负荷（万元/10⁸m³）;D₂：单位湖泊容积农业产值负荷（万元/10⁸m³）;D₃：堤垸数（个）;D₄：湖泊景观破碎度
	压力B₁	自然干扰C₂	D₅：泥沙淤积率（%）;D₆：生态需水量（10⁸m³）;D₇：湖泊换水周期（天）;D₈：断流天数（d）;D₉：湖泊水体面积（km²）;D₁₀：水位比降（m/ km²）
	状态B₂	物化指标C₃	D₁₁：水质综合污染指数;D₁₂：湖泊营养状况
	状态B₂	生物指标C₄	D₁₃：有钉螺面积（km²）;D₁₄：浮游植物多样性指数;D₁₅：底栖动物多样性指数;D₁₆：高等植物种数（种）;D₁₇：捕鱼量（t）
	响应B₃	系统功能变化 C₅	D₁₈：调蓄洪水功能（10⁸元）;D₁₉：供水功能（10⁸元）;D₂₀：旅游休闲功能（10⁸元）;D₂₁：提供生境功能（10⁸元）;D₂₂：气候调节（10⁸元）
	响应B₃	管理力度C₆	D₂₃：是否自然保护区;D₂₄：周边群众素质;D₂₅：退田还湖力度

注：① 湖泊面积量算采用的遥感目视解译法。首先制作出用于洞庭湖区堤垸目视解译的遥感影像底图;其次制作成洞庭湖堤垸分布图;再次建立洞庭湖堤垸目视解译标志,并以堤垸分布图作为参照,进行洞庭湖区堤垸的遥感目视解译,获取解译成果图;最后在ENVI软件中计算洞庭湖面积。② 湖泊景观破碎度参考文献[12];生态需水量根据文献[13,14]估算。③ D₂₄为每万人中大专学生的人数（人/万人）;D₂₅为已退田还湖的面积（km²）。

新窗口打开

压力指标主要反映自然要素和人类活动对湖泊生态系统的干扰;状态指标用来反映湖泊自身的结构和功能,健康的湖泊应在受到外界压力的压迫下,能保持结构与功能的稳定,具有自适应和自调控能力;响应指标即湖泊受到干扰时出现的一系列变化与反应。在该指标体系中, D₃~D₁₀属于形态结构系统的指标, D₁、D₂、D₁₁~D₁₇和D₂₃~D₂₅属于生态系统的指标,而 D₁₈~D₂₂用来表征服务功能系统状况。

1.4 研究方法

1.4.1 主成分分析法评价洞庭湖系统健康状况的空间差异

由于泥沙长期淤积及人类围湖造田,现今洞庭湖被分割为西洞庭湖、南洞庭湖以及东洞庭湖。本文采用主成分分析法对洞庭湖区各湖泊系统健康状况的空间差异进行客观评价。主成分分析法步骤为：① 对原始数据进行标准化;② 计算标准化后的样本相关矩阵R,并求R的特征值λ₁,λ₂,…,λ_I;③ 按累计贡献率≥85％的原则,确定主成分数;④ 计算主成分的特征向量和表达式;⑤ 将标准化后的值与特征向量相乘并累加,见式（2）,得出各主成分得分;再将其与方差贡献率相乘后累加,可得评价指标相对应的主成分综合得分^[15],如式（3）。

$\begin{matrix} F_{ik} = \overset{n}{\sum_{j = 1}} X_{ij}^{'} Z_{j}^{} \end{matrix}$ （2）

式中,F_ik为某湖泊第i年第k个主成分得分;n为评价指标个数;Z_j为某湖泊第j个指标的系数。

$\begin{matrix} F_{i} = \sum F_{ik} S_{k} \end{matrix}$ （3）

式中,F_i为某湖泊第i年某项指标的主成分综合得分;S_k为k项指标各主成分所对应的方差贡献率^[15]。

1.4.2 模糊评判法评价各典型年洞庭湖系统健康状况的动态变化

1）评价指标隶属度评判矩阵。

在模糊综合评判中,采用隶属度来划分事物的模糊界限,并以隶属度函数来表示。针对湖泊健康水平的判别,在给定湖泊健康等级标准后,需建立相应湖泊健康等级的隶属函数,然后根据各评价指标与湖泊健康的正负相关关系来确定各项指标对应的隶属度函数公式。综合考虑洞庭湖水动力条件、湖容、湖面、水质状况等因素,与湖泊健康呈正相关的评价指标有：D₇、D₉、D₁₀、D₁₄~D₂₅;与湖泊健康呈负相关的评价指标有：D₁~D₆、D₈、D₁₁~D₁₃。再将各单项评价指标的数值代入相应隶属函数中计算可得隶属度f,以各指标隶属度构造洞庭湖各湖泊健康评价矩阵R。

正相关关系隶属度函数（S型函数）表达式如公式（4）^[16]。

f= $\begin{matrix} \{\begin{matrix} 0.1 D \leq a_{1} \\ 0.1 + 0.9 \times (D - a_{1}) (a_{2} - a_{1}) a_{1} < D < a_{2} \\ 1.0 D \geq a_{2} \end{matrix} \end{matrix}$ (4)

负相关关系隶属度函数（S型函数）表达式如公式（5）。

f= $\begin{matrix} \{\begin{matrix} 1.0 D \leq a_{1} \\ 0.1 - 0.9 \times (D - a_{1}) (a_{2} - a_{1}) a_{1} < D < a_{2} \\ 0.1 D \geq a_{2} \end{matrix} \end{matrix}$ (5)

式中：D为样本中评价指标的原始值;a₁,a₂为相邻两湖泊健康等级的标准值;f为某评价指标的隶属度。式（4）中:当D≤a₁时, D对i级的D隶属度f=0.1;当D>a₂时,D对i级的D隶属度f=1.0;当a₁≤D≤a₂时,D对i、j级都有隶属关系,且f=0.1+0.9×(D-a₁)/(a₂-a₁)。

2）评价标准。

评价标准合理与否将直接影响评价结果是否准确。因而,本文确定湖泊健康评价标准的原则是：① 如有国家标准,即按国家标准确定;② 无国家标准、但有地方标准,依据地方标准^[17];③ 可借鉴有关参考文献的标准,如湖泊水体交换周期、泥沙淤积率^[18];④ 以往年洞庭湖的平均值或中国淡水湖的平均值作为参照^[10,19]。具体见表2。

表2 洞庭湖系统健康评价标准

Table 2 Evaluation standards for the health of Dongting Lake system

指标	等级标准			指标	等级标准
指标	健康		临界状态	不健康	健康	临界状态	不健康
D₁（万元/10⁸m³）	≤20000	20000~50000	≥50000	D₁₄	≥2	1~2	0~1
D₂（万元/10⁸m³）	≤50000	50000~100000	≥100000	D₁₅	≥2	1~2	0~1
D₃（个）	≤230	230~350	≥350	D₁₆	≥65	55~65	≤55
D₄	≤0.17	0.17~0.19	≥0.19	D₁₇（t）	≥105000	101000~105000	≤101000
D₅（%）	≤0	30~70	≥70	D₁₈（10⁸元）	≥115	95~115	≤95
D₆（10⁸m³）	≤0.30	0.30~0.8	≥0.80	D₁₉（10⁸元）	≥18	16~18	≤16
D₇（d）	≥0.98	0.95~0.98	≤0.95	D₂₀（10⁸元）	≥5	2~5	≤2
D₈（d）	≤700	700~1000	≥1000	D₂₁（10⁸元）	≥9.2	9.0~9.2	≤9.0
D₉（km²）	≥2600	2500~2600	≤2500	D₂₂（10⁸元）	≥95	90~95	≤90
D₁₀（m/ km²）	≥0.028	0.024~0.028	≤0.024	D₂₃	≥95	90~95	≤90
D₁₁	≤0.40	0.40~0.70	≥0.71	D₂₄	≥1000	100~1000	≤100
D₁₂	≤40	40~50	≥50	D₂₅（km²）	≤20000	20000~50000	≥50000
D₁₃（km²）	≤10000	10000~175000	≥175000

新窗口打开

3）湖泊综合健康指数。

湖泊综合健康指数采用式（6）计算。式中：EHI为综合健康指数;W_i为各指标的权重（应用层次分析法,结合专家打分确定）;f_i为各指标隶属度;n为指标项数。

$\begin{matrix} E H I = \overset{n}{\sum_{i = 1}} W_{i} f_{i} \end{matrix}$ （6）

在咨询专家的基础上,结合洞庭湖现状特征,确定3个等级的洞庭湖系统综合健康指数,即健康（>0.8）、临界健康（0.6~0.8）和不健康（<0.6）。

2 计算结果与分析

2.1 洞庭湖区各湖泊系统健康状况空间分异

根据表1和式（2）和式（3）可计算出洞庭湖区各湖泊系统健康状况的综合得分（表3）。从表3可知,各湖泊系统健康综合得分与第一主成分的得分基本一致,这主要是由第一主成分的贡献率（54.174%、52.404%、55.099%）决定的,由此可见工农业单位容积产值负荷、水体污染程度对洞庭湖系统健康状况起关键作用,其次湖泊面积大小、管理水平与力度等对其影响也较大。

表3 洞庭湖区各湖泊健康综合得分

Table 3 Composite scores for health of three lakes in Dongting Lake area

湖泊	F1	F2	F3	F
西洞庭湖	0.6943	0.0270	-0.0190	0.5428
南洞庭湖	0.8943	0.1985	-0.2502	0.7270
东洞庭湖	0.8652	0.1883	-	0.7068

新窗口打开

表3说明了洞庭湖区各湖泊系统健康状况稍好的是南洞庭湖,其次是东洞庭湖,较差的是西洞庭湖。东洞庭湖水面面积、底栖动物多样性、捕鱼量、生态服务功能、管理水平以及周边群众意识在3个湖泊中是最优的,然而,其湖泊换水周期长,生态需水量大,且水质整体情况较差,这些因素影响了东洞庭湖健康状况;南洞庭湖尽管水面面积、生态服务价值、管理水平稍低,但其水动力条件好,泄流能力强,工农业产值负荷小,水质较好,从而其健康状况相对较佳;而西洞庭湖面积日益萎缩、泥沙淤积量及工农业产值负荷大,三口断流天数日益增加等导致其江湖连通性减弱,再加上其生态系统服务价值量最小,保护区管理机构设置、政策制定滞后等,这些因素直接造成了西洞庭湖健康状况较差。

2.2 典型年洞庭湖系统健康状况的动态变化

2.2.1 总体趋势

据式（4）和式（5）可得典型年洞庭湖对各健康级别的隶属度（图2）。据式（6）可计算出洞庭湖各典型年的综合健康指数、压力健康指数、状态健康指数和响应健康指数（表4）。

显示原图| 下载原图ZIP| 生成PPT

图2 典型年洞庭湖系统健康隶属度

Fig.2 Results of comprehensive health evaluation of Dongting Lake

表4 典型年洞庭湖综合健康指数

Table 4 Comprehensive health index in the typical years of Dongting Lake

典型年	1986年（枯）	1991年（平）	1998年（丰）	2004年（平）	2006年（枯）	2010年（丰）
EHI	0.5587	0.6014	0.5472	0.6335	0.6191	0.6507
EHIP	0.4236	0.4484	0.4312	0.4205	0.4025	0.4387
EHIS	0.6042	0.6654	0.5828	0.6376	0.6268	0.6652
EHIR	0.6483	0.6904	0.6276	0.8424	0.828	0.8482

注：EHI—健康综合指数;EHIP—压力健康指数;EHIS—状态健康指数;EHIR—响应健康指数。

新窗口打开

从图2和表4可知,洞庭湖健康最大隶属度和其综合健康指数的计算结果基本一致。1986年和1998年洞庭湖系统健康对3个等级的隶属度分别为[0.030,0.185,0.785]、[0.092,0.186,0.721],其健康状况对不健康的隶属度最大,依次为0.785和0.721,根据最大隶属度原则,该两典型年湖泊健康状况处于不健康水平;而湖泊健康综合指数分别为0.559和0.547,也表现为不健康。1991年洞庭湖健康状况稍好,处于临界健康水平,其隶属度为[0.114,0.671,0.215];而其湖泊健康综合指数为0.601,也表现为临界健康。三峡工程蓄水运行之后,洞庭湖系统健康状况明显有所好转,2004年、2006年和2010年洞庭湖其最大隶属度均对应临界健康状态,其对3个评判等级的隶属度分别为 [0.124,0.713,0.164]、[0.098,0.687,0.214]和[0.095,0.722,0.184];而3个典型年湖泊健康综合指数分别为0.634、0.619和0.651,也均为临界健康。同时,从各典型年看,洞庭湖综合健康指数呈现出缓慢上升的趋势。然而,各典型年中无一健康年份,说明洞庭湖健康状况不容乐观。如果不采取合理、科学、有效的整治措施针对“病因”去“治疗”,那么其健康状况将进一步恶化。

2.2.2 洞庭湖压力-状态-响应健康指数

根据式（4）和（5）同样可得洞庭湖压力、状态、响应3个要素对各健康级别的隶属度（图3）。从图3可知,洞庭湖压力健康最大隶属度均为不健康,其压力健康指数分别为0.424、0.448、0.439和0.421、0.403、0.431（表4）,这说明人类活动和自然干扰较强,已危及到洞庭湖系统健康,尤其在三峡工程蓄水运用后。主要表现为荆江三口断流天数逐渐增加,生态缺水量增加、景观破碎度增大、湖水交换周期延长。据实测资料显示,2000年以来,受三峡水库蓄水调度的影响,荆江三口断流时间提早或延长,导致四水年入湖水量也有所减少^[20],由此引起洞庭湖生态环境需水量增加。经计算,三峡工程蓄水运用之前洞庭湖生态环境需水量为0,而2004年为0.69×10⁸ m³,而2006年增加到5.65×10⁸m³。不仅如此,洞庭湖湿地景观破碎度在逐步增大,1996年为0.162,而2008年增加到0.204。景观破碎化是生物多样性丧失的重要原因之一^[12]。

显示原图| 下载原图ZIP| 生成PPT

图3 各典型年洞庭湖压力-状态-响应健康隶属度

Fig.3 Results of pressure-state-response to the health evaluation of Dongting Lake

洞庭湖状态健康最大隶属度为临界健康,说明该湖保持了较为完整的自然状态、结构基本合理、系统活力一般、生物多样性及生态系统结构基本稳定。其对应的状态健康指数分别为0.604 2、0.665、0.583、0.638、0.627和0.665,总体上看,三峡工程蓄水运行之前变动幅度较大,之后较平稳,显示出该工程有利于洞庭湖湖盆结构、水动力条件、生物多样性等保持稳定状态。

各典型年洞庭湖响应健康最大隶属度从临界健康变化到健康,说明了三峡工程蓄水运用后洞庭湖自然保护区管理水平显著提高、执法力度明显加强,周边企业与群众的环保意识也有大幅提高;其对应的响应健康指数上升趋势也较明显,分别为0.648、0.690、0.628、0.842、0.828和0.848。这从另一侧面也充分反映了三峡工程蓄水运行以来国家加大了洞庭湖整治投入力度,加快了治理步伐,当地政府、企业与居民也认识到湖泊退化形势的严峻性,采取了一系列治理措施^[21]。这不仅有利于洞庭湖生态系统服务功能的充分发挥,而且有利于其健康的维护。

3 结论与讨论

1）在湖泊健康内涵以及“PSR”响应模型基础上构建了洞庭湖系统健康综合评价指标体系,采用层次分析法确定了指标权重,并用主成分分析法与模糊评判法对其健康水平的时空差异进行了研究。从空间差异来看,洞庭湖区各湖泊系统健康状况较好的是南洞庭湖,其次是东洞庭湖,最差的是西洞庭湖。从各典型年来看,1986年和1998年洞庭湖处于不健康状态,1991年为临界健康;而三峡工程蓄水运行之后,洞庭湖系统健康状况明显有所好转,2004年、2006年和2010年洞庭湖均处于临界健康水平。从压力-状态-响应健康指数来看,洞庭湖各典型年压力隶属度均为不健康,说明其所受不合理开发等外界压力大,健康状况受到了较大威胁;状态隶属度为临界健康,响应隶属度为临界健康转到健康,体现出洞庭湖受到外界强大压力下,仍保持了较为完整的自然形态、结构基本合理、功能尚能正常发挥,但洞庭湖已出现“病症”。这一评价结果与洞庭湖的实际情况基本相符,表明本文研究方法合理可行。

2）经久不息的水沙运动及其与湖盆的相互作用过程不但赋予了湖泊形态结构及其生命活力。作为江湖相通的洞庭湖,湖盆是入湖径流泥沙两相流的载体。水沙过程不断地塑造湖盆形态,引起湖盆形态调整,湖盆形态的改变又导致水沙过程变化,水沙过程变化又引起生态系统的调整。形态结构系统和生态系统变化的最终结果是引起湖泊服务功能的变化。由此可见,湖盆地貌系统与水文系统共同构成了湖泊形态系统、生物群落及其生存环境构成了湖泊生态系统,生态系统功能依赖于湖泊形态系统功能而存在,而服务系统功能却是湖泊形态系统功能和生态系统功能整体发挥的具体体现。基于这一认识,本文将洞庭湖视为一个由其形态系统﹑生态系统和服务功能系统组合而成的有机整体来研究。湖泊形态系统健康是其它系统健康的基础,生态系统健康是湖泊生命活力的重要标志,服务功能系统健康却包含着不同区域的公众在不同时期的期望,反映了不同的价值取向,是人类开发﹑利用和保护洞庭湖,实现人-湖和谐的初衷和意义所在。本研究将湖泊健康研究由过去单一的生态系统健康扩展到湖泊形态结构系统健康、生态系统健康、服务功能系统健康,从而摆脱了长期以来侧重于湖泊生态系统健康研究的狭隘视角。

3）在洞庭湖这个有机整体中,水沙过程是连接湖泊系统各项系统功能的纽带,它们之间保持着相互依存﹑相互制约﹑相互作用,或相互消涨的关系。三峡水库自2003年6月蓄水运行以来,荆江三口分泄长江入湖水沙大幅度减少,洞庭湖水沙相应减少。湖泊健康状态也因水沙变化而变化,因此水沙变化是导致湖泊健康状况演变的症结所在。

4）由于湖泊健康状况涉及面广、影响因素众多,加之可借鉴的相关研究成果有限以及部分指标数据的不可获取,本文只选取了主要指标开展了典型年洞庭湖系统健康状况变化的研究,从而影响了结论的深度和应用广度。湖泊健康是一个相对的﹑动态的概念,它是随湖泊自身演变过程﹑人类活动程度﹑人类对湖泊健康的认识程度的变化而变化。因而今后一方面要重点开展跟踪监测与调查,以便获取动态的、连续的、系统的基础资料;另一方面应进一步通过压力-状态-响应模型的反馈式分析各项因子与湖泊健康的关系,从而保证指标体系的客观性、系统性与完整性。这些都是湖泊健康研究领域今后有待深入探讨的科学问题。

The authors have declared that no competing interests exist.

参考文献

原文顺序

文献年度倒序

文中引用次数倒序

被引期刊影响因子

[1]	刘永,郭怀成,戴永立,等. 湖泊生态系统健康评价方法研究 [J].环境科学学报,2004,24(4): 723~729. [本文引用: 1]
[2]	赵臻彦,徐福留,詹巍,等. 湖泊生态系统健康定量评价方法 [J].生态学报, 2005,25(6): 1466~1474. [本文引用: 1]
[3]	Leopold J C. Getting a handle on ecosystem health [J]. Science, 1997,276: 876-887. [本文引用: 1]
[4]	Jogensen S E. Exergy and ecological buffer capacities as measures of ecosystem health [J]. Ecosystem Health, 1995,1(3): 150-160. [本文引用: 1]
[5]	卢媛媛,邬红娟,吕晋,等. 武汉市浅水湖泊生态系统健康评价 [J].环境科学与技术, 2006,29(9): 66~68. [本文引用: 1]
[6]	张祖陆,梁春管,延波. 南四湖湖泊湿地生态健康评价 [J].中国人口·资源与环境, 2008,18(1): 180~184. [本文引用: 1]
[7]	许文杰,曹升乐. 基于PSR鄄熵权综合健康指数法的城市湖泊生态系统健康评价 [J].水文,2010,30(5): 64~67. [本文引用: 1]
[8]	龙邹霞,余兴光. 湖泊生态系统弹性系数理论及其应用 [J].生态学杂志, 2007, 26(7): 1119~1124. [本文引用: 1]
[9]	卢志娟,裴洪平,汪勇. 西湖生态系统健康评价初探 [J].湖泊科学, 2008,20(6): 802~805. [本文引用: 1]
[10]	蒋卫国,潘英姿,侯鹏,等. 洞庭湖区湿地生态系统健康综合评价 [J].地理研究,2009,28(6): 1665~1671. [本文引用: 2]
[11]	帅红,李景保,夏北成,等. 基于形态结构特征的洞庭湖湖泊健康评价 [J].生态学报,2012,32(8):2588~2595. [本文引用: 1]
[12]	石军南,徐永新,刘清华. 洞庭湖湿地保护区景观格局变化及原因分析 [J].中南林业科技大学学报,2010,30(6):18~26. [本文引用: 1]
[13]	徐志侠,王浩,唐克旺. 吞吐型湖泊最小生态需水研究 [J].资源科学,2005,27(3):140~144.
[14]	谭晓明. 浅析洞庭湖区最小生态需水量 [J].人民长江,2009,40(14):30~37.
[15]	邓楚雄,谢炳庚,李晓青,等. 长沙市耕地集约利用时空变化分析 [J].农业工程学报,2012,28(1):230~237. [本文引用: 2]
[16]	刘广明,杨劲松,何丽丹. 基于模糊综合评判法的新疆典型干旱区土壤盐漠退化风险评价 [J]. 农业工程学报,2011,27(3):1~5. [本文引用: 1]
[17]	王树功,郑耀辉,彭逸. 珠江口淇澳岛红树林湿地生态系统健康评价 [J].应用学报,2010,21(2):391~398. [本文引用: 1]
[18]	郭小虎,姚仕明,晏黎明. 荆江三口分流分沙及洞庭湖出口水沙输移的变化规律 [J].长江科学院院报,2011,28(8):80~85. [本文引用: 1]
[19]	姜加虎,黄群. 洞庭湖近几十年来湖泊变化及冲淤特征 [J].湖泊科学,2004,16(3):209~214. [本文引用: 1]
[20]	李景保,余果,欧朝敏. 洞庭湖区农业水旱灾害演变特征及影响因素——60年来的灾情诊断 [J].自然灾害学报,2011,20(2):74~81. [本文引用: 1]
[21]	张季,翟红娟. 洞庭湖湖区水资源保护规划 [J].人民长江,2011,42(2):25~29. [本文引用: 1]

湖泊生态系统健康评价方法研究

2004

... 目前国内外湖泊生态系统健康研究成果较多,但其评价指标体系和方法是在河流、湿地、海洋等相关研究基础上予以改进的.在评价指标体系构建方面,归纳起来有3类：一是在生物群落层次上设计指标^[1];二是人类健康和社会经济指标^[2];三是从影响生态系统变化的非生物原因中选取指标,如生境、水质等^[3] .评价方法方面,Jorgenson提出采用生态承载力法评价生态系统健康^[4];卢媛媛^[5]用聚类分析法确定武汉市14 个浅水湖泊生态系统健康分级标准;张祖陆等^[6]以模糊综合评判模型评价南四湖湿地生态系统健康状况;许文杰等^[7]用熵权综合健康指数法评价滇池生态系统健康;另外,还有学者采用改进后的生态系统健康指数^[8]、营养状态-综合指数法^[9]和集成RS 和GIS等技术^[10]评价湖泊生态系统健康状况.以上成果表明,目前国内外已开展的湖泊健康研究侧重于生态系统类型,显然这种局限于生态系统健康的研究视角是狭隘的,尤其对于大型湖泊而言更是如此.因为任何一个天然湖泊都是由其形态结构系统﹑生态系统和服务功能系统组合而成的一个有机整体,在水沙作用下这三大系统相互依存、相互作用、彼此消长. ...

湖泊生态系统健康定量评价方法

2005

Getting a handle on ecosystem health

1997

Exergy and ecological buffer capacities as measures of ecosystem health

1995

武汉市浅水湖泊生态系统健康评价

2006

南四湖湖泊湿地生态健康评价

2008

基于PSR鄄熵权综合健康指数法的城市湖泊生态系统健康评价

2010

湖泊生态系统弹性系数理论及其应用

2007

西湖生态系统健康评价初探

2008

洞庭湖区湿地生态系统健康综合评价

2009

... 评价标准合理与否将直接影响评价结果是否准确.因而,本文确定湖泊健康评价标准的原则是：① 如有国家标准,即按国家标准确定;② 无国家标准、但有地方标准,依据地方标准^[17];③ 可借鉴有关参考文献的标准,如湖泊水体交换周期、泥沙淤积率^[18];④ 以往年洞庭湖的平均值或中国淡水湖的平均值作为参照^[10,19].具体见表2. ...

基于形态结构特征的洞庭湖湖泊健康评价

2012

... 当P<-20%时为枯水年;-20%≤P<-10%为偏枯;-10%≤P≤10%为平水;10%<P≤20%为偏丰;P≥20%为丰水.以此作为判别标准,将三峡水库运行后的2006年、2004年与2010年分别界定为枯水年、平水年及丰水年,同时将枝城站、城陵矶站1951~2002年径流序列进行重新排频,并用式（1）标准判别,依次选取三峡水库运行前与运行后来水量相类似的1986年、1991年与1998年分别作为三峡水库运行前的枯水年、平水年及丰水年^[11]. ...

洞庭湖湿地保护区景观格局变化及原因分析

2010

... 根据式（4）和（5）同样可得洞庭湖压力、状态、响应3个要素对各健康级别的隶属度（图3）.从图3可知,洞庭湖压力健康最大隶属度均为不健康,其压力健康指数分别为0.424、0.448、0.439和0.421、0.403、0.431（表4）,这说明人类活动和自然干扰较强,已危及到洞庭湖系统健康,尤其在三峡工程蓄水运用后.主要表现为荆江三口断流天数逐渐增加,生态缺水量增加、景观破碎度增大、湖水交换周期延长.据实测资料显示,2000年以来,受三峡水库蓄水调度的影响,荆江三口断流时间提早或延长,导致四水年入湖水量也有所减少^[20],由此引起洞庭湖生态环境需水量增加.经计算,三峡工程蓄水运用之前洞庭湖生态环境需水量为0,而2004年为0.69×10⁸ m³,而2006年增加到5.65×10⁸m³.不仅如此,洞庭湖湿地景观破碎度在逐步增大,1996年为0.162,而2008年增加到0.204.景观破碎化是生物多样性丧失的重要原因之一^[12]. ...

吞吐型湖泊最小生态需水研究

2005

浅析洞庭湖区最小生态需水量

2009

长沙市耕地集约利用时空变化分析

2012

... 由于泥沙长期淤积及人类围湖造田,现今洞庭湖被分割为西洞庭湖、南洞庭湖以及东洞庭湖.本文采用主成分分析法对洞庭湖区各湖泊系统健康状况的空间差异进行客观评价.主成分分析法步骤为：① 对原始数据进行标准化;② 计算标准化后的样本相关矩阵R,并求R的特征值λ₁,λ₂,…,λ_I;③ 按累计贡献率≥85％的原则,确定主成分数;④ 计算主成分的特征向量和表达式;⑤ 将标准化后的值与特征向量相乘并累加,见式（2）,得出各主成分得分;再将其与方差贡献率相乘后累加,可得评价指标相对应的主成分综合得分^[15],如式（3）. ...

... 式中,F_i为某湖泊第i年某项指标的主成分综合得分;S_k为k项指标各主成分所对应的方差贡献率^[15]. ...

基于模糊综合评判法的新疆典型干旱区土壤盐漠退化风险评价

2011

... 正相关关系隶属度函数（S型函数）表达式如公式（4）^[16]. ...

珠江口淇澳岛红树林湿地生态系统健康评价

2010

荆江三口分流分沙及洞庭湖出口水沙输移的变化规律

2011

洞庭湖近几十年来湖泊变化及冲淤特征

2004

洞庭湖区农业水旱灾害演变特征及影响因素——60年来的灾情诊断

2011

洞庭湖湖区水资源保护规划

2011

... 各典型年洞庭湖响应健康最大隶属度从临界健康变化到健康,说明了三峡工程蓄水运用后洞庭湖自然保护区管理水平显著提高、执法力度明显加强,周边企业与群众的环保意识也有大幅提高;其对应的响应健康指数上升趋势也较明显,分别为0.648、0.690、0.628、0.842、0.828和0.848.这从另一侧面也充分反映了三峡工程蓄水运行以来国家加大了洞庭湖整治投入力度,加快了治理步伐,当地政府、企业与居民也认识到湖泊退化形势的严峻性,采取了一系列治理措施^[21].这不仅有利于洞庭湖生态系统服务功能的充分发挥,而且有利于其健康的维护. ...

〈

〉

典型年洞庭湖系统健康综合评价

Assessment and Analysis of Comprehensive Health in Typical Years of Dongting Lake System

1 数据来源与研究方法

1.1 典型年选取

1.2 数据来源

1.3 基于PSR响应模型构建评价指标体系

1.4 研究方法

2 计算结果与分析

2.1 洞庭湖区各湖泊系统健康状况空间分异

2.2 典型年洞庭湖系统健康状况的动态变化

3 结论与讨论

参考文献 文献选项 原文顺序 文献年度倒序 文中引用次数倒序 被引期刊影响因子

参考文献

原文顺序

文献年度倒序

文中引用次数倒序

被引期刊影响因子