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基于“三水”统筹的湖泊生态健康评价—以太湖蠡湖为例

董稳静1，许秋瑾1*，董姣1*，田泽栋2，庞燕1，陶艳茹1

1.中国环境科学研究院

2.人大附中西山学校

摘要:系统集成频度分析法、主成分分析、熵权法等多种方法，对湖泊生态健康关键指标进行初步梳理、筛选、精简，并基于水资源、水环境、水生态（“三水”）统筹的理念提出湖泊生态健康评价指标体系；以与太湖相连的城市湖泊——蠡湖作为案例，采用提出的评价方法进行生态健康评价，并结合蠡湖治理状况对评价结果进行解析。结果表明：文献法初步梳理出湖泊生态健康相关指标36项，通过频度、主成分分析等方法进一步筛选、精简，最终确定7项指标用以构建湖泊生态健康评价指标体系，包含自然湖岸带比例、换水周期、水资源开发利用率、综合营养状态指数、浮游植物多样性指数、浮游动物多样性指数、底栖动物多样性指数，同时提出采用综合指数法计算湖泊生态健康得分并评价健康等级。运用所构建的评价方法评价蠡湖，显示2023年蠡湖各季节均处于健康状态，其中春季、夏季总得分较低；全年生态健康综合得分为68.88，评价结果为健康。该评价结果显示蠡湖水环境状况已经得到改善，但并未恢复到未受破坏之前的状况，距离达到非常健康状态（综合得分80~100）尚有一定差距，总体上已从污染治理阶段进入生态修复阶段。蠡湖评价结果说明本研究所构建的“三水”统筹的湖泊生态健康评价指标体系逻辑性、系统性较好，可为我国城市景观湖泊生态健康评价提供方法支撑。

关键词:蠡湖  /  “三水”统筹  /  生态健康  /  指标体系  /  评价  

湖泊作为水资源、生物资源以及环境资源的重要载体，是人类赖以生存和发展的重要基础，与人类生产生活息息相关，在区域生态功能维持、饮用水安全保障、流域经济社会发展等方面发挥着重要作用[1]。保障湖泊生态健康是发挥湖泊正常生态功能的重要前提，定期开展湖泊健康评价是科学辨识湖泊生态问题及变化趋势的基本途径[2]。湖泊健康状况评价从多角度多方位深入阐释水体受到干扰的程度，有助于指导水资源开发利用及维护水生态健康与安全[3]。最初的湖泊健康评价方法仅使用单一的物理或化学指标进行健康判定。随着时间的推移以及人们对湖泊健康概念认识的加深，湖泊健康评价方法逐渐成熟。 

目前，开展湖泊健康评价的方法主要分为两大类，即生物监测法和综合指数法[4]。生物监测方法旨在对水体中鱼类、大型无脊椎动物、藻类和水生植物的定性或定量监测数据进行评价，通过某一水生生物监测值变化或构建生物完整性指数等方法来评价水生态健康状况[5]。这类方法指标只涉及水生生物，缺少水资源、水环境方面具有代表性的指标，主要适用于大规模的水体健康调查[6-7]。综合指数法是综合考虑湖泊的物理、化学、生物和社会服务指标的综合评价方法。虽然这类方法较为复杂，但可以通过筛选相关指标，较为全面地调查和诊断与湖泊健康相关的具体问题。典型的综合指数方法包括瑞典的河岸和河流环境规范（RCE，从景观到大型底栖动物）[8]和澳大利亚河流状况指数（ISC，包括水文、水质、水生生物等方面指标）[9]。有学者基于我国东部平原区68个湖泊的生物数据，构建河漫滩湖泊生态系统健康评价指标体系（L-IBAI），包含了物种多样性、水体富营养化状态、水文连通性等指标[5]。毛智宇等[10]利用综合指标法建立鄱阳湖生态健康评价体系，结果显示鄱阳湖处于亚健康状态，泄洪能力、水文节律变化、富营养化程度以及物种多样性是影响湖泊生态健康的主要因素。 

我国在湖泊健康评价方面已经取得一些成果，随着我国湖泊治理的深入，对湖泊健康评价的理解与评价思路不断拓展。“十四五”时期，生态环境部等5部门联合印发《重点流域水生态环境保护规划》（简称《规划》），对重点流域水生态环境保护作出明确部署。《规划》明确要求统筹水资源、水环境、水生态治理，确保水质稳定，进一步提升生态用水保障。因此，本研究构建水资源、水环境、水生态（“三水”）统筹的湖泊健康评价指标体系，并以与太湖相连的城市湖泊——蠡湖为例开展生态健康评价，旨在为我国湖泊生态健康评价及综合管理提供方法和技术支撑。

1.   研究区概况与数据来源

1.1   研究区概况

蠡湖又名五里湖，位于江苏无锡西南郊，离无锡市中心约10 km，是与太湖相连的典型城市浅水湖泊。湖泊东西长约6 km，南北宽0.3~1.8 km，湖面面积约为7.7 km2。蠡湖经过梁溪河闸、五里湖闸及支流与梅梁湾互通，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。蠡湖作为与太湖相连的城市湖泊，具有一定特殊性。早在20世纪80年代，由于经济发展、人口密度上升、污染物排放量增加等一系列问题，蠡湖水生态环境受到破坏，严重影响湖泊正常的生态功能；21世纪初，国家和地方政府对蠡湖进行全面综合整治，蠡湖生态环境质量有了较大提升，但是还未恢复到原有生态健康状态。因此，对蠡湖开展健康评价，判断其当前生态健康状况具有必要性。 

1.2   数据来源

1.2.1   水质、水生态数据调查

1.2.1.1   采样点布设与样品采集

蠡湖评价所需的水质、水生态数据来自课题组的现场调查。根据采样点应具有代表性原则[11-12]，在蠡湖湖内共布设6个采样点（LH01~LH06），详见图1。于2023年2月、5月、8月、11月开展水质与水生态调查。

水体样品采集，利用有机玻璃采水器在距水体表面0.5 m处采样，每个样点采集3次，将3次水样混合均匀，得到每个样点的水样。将水样装于容积5 L的聚乙烯塑料瓶中，带回实验室进行水化学分析，于24 h内测定水样的总氮、总磷、高锰酸盐指数、水体叶绿素a等指标。浮游植物、浮游动物以及底栖动物样品采集方法参照相关规范[11-13]进行。 

1.2.1.2   水质与生物指标检测分析

溶解氧、pH、氧化还原点位、电导率、温度等物理指标使用多参数水质仪（YSI）现场测定。总氮、总磷浓度测定采用过硫酸钾氧化紫外分光光度法[14-15]，高锰酸盐指数测定采用碱性高锰酸钾氧化法[16]，叶绿素a浓度测定采用90%丙酮提取法[17]。 

浮游生物鉴定采用显微计数法[11-12]，将样品制成玻片在显微镜下观察、计数，通过样品体积倍数关系进行计算。底栖动物鉴定采用形态特征鉴定，将底泥清洗干净，挑拣泥中的底栖生物，进行观察，确定类别、数量并称重记录。 

1.2.2   其他相关数据收集与分析

蠡湖的自然湖岸带比例[18]、水生植被覆盖度[19-21]、水生生物生物量[22-25]等数据主要依靠文献检索。水资源数据从相关政府网站、太湖流域管理局及官方政策文件、太湖流域及东南诸河水资源公报、无锡水利局蠡湖“一湖一策”行动计划报告中收集。长序列（2007—2020年）水化学数据来自中国科学院南京地理与湖泊研究所太湖站及课题组多年现场调查积累的数据。 

2.   “三水”统筹湖泊生态健康评价方法的构建

2.1   原则与思路

2.1.1   原则

为确保构建的指标体系能够系统、科学、准确和全面地反映湖泊生态健康状况，评价指标的选取遵循以下原则：1）全面性原则。基于现有的科学认知，系统全面地选择评价指标，使指标体系能够准确地反映湖泊生态健康的主要特征[26]。2）可行性原则。指标是科学评价湖泊健康状况的基础，需满足采用合理的监测手段可以获取，数据可处理、被广泛认可等条件。同时，指标的设置应当尽可能精简，选取具有代表性的指标，以便于指标的收集处理和应用[27]。3）层次性原则。指标体系需要具有清晰的结构和层次的划分，能够从不同角度反映湖泊的健康状况。4）代表性原则。影响湖泊生态系统的因素有很多，一些因素可能是某一时期的特定要求而短暂出现，一些因素并不随着时代变迁，始终是决定湖泊生态系统健康的关键因素。评价体系中需选取具有代表性的关键因素来构建评价指标体系，以便能够准确地反映湖泊生态健康状况。 

2.1.2   思路

集成了当前数据处理中应用广泛的频度分析法、主成分分析法、熵权法等多种方法，构建“三水”统筹的评价体系，具体流程见图2。其中频度分析法是基于事件在给定事件内出现的次数，通过统计和分析这些次数，可以提取到事件出现的频率分布特征以及可能存在的规律。主成分分析法通过降维[28]，将多个指标转化为少数几个综合指标。熵权法是一种基于数据本身计算指标权重的客观方法。具体计算过程见式（1）~式（6）。 

2.1.3   健康状况计算及评价等级

运用综合指数法[10]开展评价。该方法通常综合考虑多个因素的权重来评价和描述研究对象、指标或情况的综合程度，是一种综合性的量化指标，能够更加全面地反映湖泊健康状况。综合指数法计算公式如下：

2.2   评价方法的构建

2.2.1   运用频度分析法梳理候选指标

在中国知网、万方论文数据库和维普数据库以“湖泊评价”为检索词，检索了2005年以来的文献，共检索到中英文519篇，其中涉及湖泊健康评价相关的文献231篇，学位论文28篇。对文献中出现的指标进行梳理，按照水资源、水环境、水生态三方面划分并统计每个准则层的指标个数，依据指标表征含义及隶属关系进行归纳整合候选指标，计算整合后的36个指标在准则层的出现频率，结果见表2。 

2.2.2   依据频度高低并结合指标筛选原则确定关键指标

基于表2筛选出的36项指标，选择出现频率大于0.06的指标，考虑指标数据的可获取性，并综合近5年生态环境部、水利部出台的相关技术政策、指南，例如SL 793—2020《河湖健康评估技术导则》《湖库水生态环境质量监测与评价技术指南（征求意见稿）》等，然后通过专家咨询论证，最终得到15项关键指标（表3）。 

2.2.3   主成分分析法确定最终评价指标

为保证评价的精准与方法的可操作，基于上述筛选出的15项关键指标，依据2007—2020年太湖长序列数据进行相关性分析，判断指标间的相关程度及能否继续进行主成分分析。图3显示，指标间存在一定强度的正向相关或负向相关关系，能够利用主成分分析进一步筛选精简指标。在此基础上，将筛选出的15项关键指标利用太湖2007—2020年的数据进行主成分分析[30]。主成分结果显示共筛选了4项指标，累计贡献率超过85%，综合考虑研究对象实际情况，为使指标能更具有代表性，进一步调整选取主成分分析累计贡献率超过97%的7项指标为最终结果（表4）。表4显示，自然湖岸带比例（贡献率46.130%）、换水周期（贡献率17.416%）、水资源开发利用率（贡献率12.490%）、综合营养状态指数（贡献率11.058%）、浮游植物多样性指数（贡献率5.142%）、浮游动物多样性指数（贡献率2.822%）以及底栖动物多样性指数（贡献率2.143%）7项指标累计贡献率为97.202%，其余8项指标对综合结果的贡献率小于3%，且这8项指标的方差解释率较低，差异不明显，故选取前述的7项指标构建形成生态健康评价指标体系。

水资源表征指标。湖泊水资源开发利用率指湖泊流域用水量占水资源可利用量的比例，体现的是水资源开发利用程度。过高的水资源开发率会严重挤占生态流量，影响水环境的自净能力，该指标是衡量流域内水量开发程度的指标，直接影响着水资源利用的可持续性，反映了经济与自然的协调性。湖泊换水周期是判断湖泊水资源能否持续利用和保持良好水质的重要指标。过长的换水周期不利于水体污染物的净化，长时间累积对湖泊水环境带来较大不利影响。因此，选取水资源开发利用率、换水周期作为水资源层次判断指标。 

水环境表征指标。选择综合营养状态指数作为水环境表征指标。该指标通过综合考虑水体中叶绿素a、氮磷总量、透明度以及化学需氧量指标，表征水体的营养状况。其值越高水体的富营养化程度越高，水质越差，其计算公式见文献[24]。 

水生态表征指标。自然湖岸带比例为天然未受到人类活动影响的湖岸带长度占湖岸带总长度的比例。该指标可反映湖泊截留污染物、净化营养物质的能力[18]。通过对自然湖岸带比例进行计算并赋分，判断其受损程度，评价结果与湖泊生态健康，特别是面源污染削减能力密切相关。浮游植物的丰度和种类组成是衡量水质状况的重要指标。浮游植物个体小、繁殖快，对水环境变化敏感，它们的存在数量变化能够反映水体的健康状态。Shannon-Wiener多样性指数用于衡量生态系统中物种多样性，数值越大表示物种种类多、生态稳定性强。浮游动物的丰富度和多样性直接影响到水生态系统的稳定性，其食物网也对水生态系统的其他生物种类起到间接影响。反过来，水体营养状况的改变会影响到浮游动物的种类、数量等[31]。底栖动物具有区域性强、迁移能力弱等特点，对于环境污染及变化通常回避能力较弱，其群落的破坏和重建需要相对较长的时间，且多数种类个体较大，不同种类底栖动物对环境条件的适应性及对污染等不利因素的耐受力和敏感程度不同[32]。根据上述特点，底栖动物的种群结构、优势种类、数量等参量可以确切反映水体的质量状况。因此，选取浮游植物多样性指数、浮游动物多样性指数及大型底栖动物多样性指数作为水生态层次判断指标。

2.2.4   评价指标赋分

根据确定的7项指标，参照SL/T 793—2020《河湖健康评估技术导则》与相关文献[33-34]，以及通过专家咨询，确定7项指标不同等级的赋分范围，详见表5。

2.2.5   熵权法确定权重系数

湖泊生态健康评价方法以多指标综合评价为主，目前权重确定的常用方法主要有层次分析法、专家咨询法、熵权法等。层次分析法和专家咨询法均为主观方法，熵权法[35]是一种基于信息熵理论的客观赋权方法，通过计算指标的信息熵来为综合评价提供依据。熵权法客观性更强，不受主观因素的影响，依托较强的数学理论依据，能够更深刻反映各评价指标的效用信息。因此本研究采用熵权法确定权重。对7项指标基于2007—2020年数据，利用熵权法展开计算，得到各项指标的权重（表6）。

3.   “三水”统筹的湖泊生态健康评价方法在蠡湖的应用

3.1   2023年蠡湖生态健康评价结果

通过对蠡湖2023年水资源相关数据的收集，判断蠡湖换水周期、水资源开发利用率的得分情况；根据2023年2月、5月、8月、11月水质、水生态调查结果，参考已有研究[24]计算得到综合营养状态指数、生物多样性指数的得分数据。季节评价取6个点位值的均值，年度评价取全年4个季度、每个季度6个点位的均值，据此判断每个指标的得分情况，7个指标具体得分如表7所示。2023年2月、5月、8月、11月以及全年蠡湖的生态健康状况得分依次为66.34、70.12、67.36、70.91、68.88，结果显示蠡湖各季节及全年均处于健康等级。其中，2月、8月得分稍低，2月可能是由于温度对水生生物生长带来不利影响，而8月则可能是由于温度升高促进藻类生长，加之入湖污染负荷增大，从而使水质下降造成的。 

3.2   蠡湖生态健康评价结果解析

依据无锡水利局蠡湖“一湖一策”行动计划报告，蠡湖自然湖岸带植被覆盖率高，比例达到75.5%，故其自然湖岸带比例得分较高，为75.5。蠡湖水位常年保持在3.3 m，为保护蠡湖水质，环湖的32条主要支流均为闸控，蠡湖的水体交换动力会受到极大影响，因此蠡湖的水体交换周期长[36]，故对其赋分较低，以每年汛期开闸1次进行计算，得分为60.0分。无锡地区以太湖为主要水源，由于对蠡湖实施了水生态修复等措施，未对蠡湖水资源进行过度开发，其主要用作生态用水，因此，蠡湖的水资源开发利用率低，相对赋分较高，为90.0分。综合营养状态指数、浮游植物多样性指数、浮游动物多样性指数以及大型底栖动物多样性指数均以2023年蠡湖生态调查结果为基础进行计算，根据具体计算结果判断该项指标的赋分值。 

建立的指标体系中水资源开发利用率、换水周期以及自然湖岸带比例3项指标年际变化存在较明显差异，对于季度间的变化难以进行细致分析。对其余4项指标进行季度分析，结果表明，8月综合营养状态指数、底栖动物多样性指数得分低于其余月份，浮游动物多样性指数得分低于11月，这可能是由于8月气温较高，加之湖泊存在较高浓度营养盐，出现了水体富营养化现象。水质污染会影响到浮游动物种类和群落结构的组成，生物多样性指数降低是表现形式之一。底栖动物因水质污染出现敏感种种类、数量的降低，8月监测到底栖动物物种2纲4种，计算结果表明其生物多样性指数很低，仅为1.08。8月浮游植物多样性指数处于中等水平，较冬季（11月）略高，考虑为温度对浮游植物生长的影响；较夏季（5月）略低，可能是水质变差对其生长带来的影响。总体上，存在季度变化的4项指标8月得分最低。 

通过指标赋分，计算得到2023年全年综合评价目标层得分为68.88，评价结果为健康，显示蠡湖已经从污染治理阶段进入生态修复阶段。然而从得分所处等级来看，蠡湖刚刚恢复到健康状态，还远未达到非常健康状态（80~100分）。蠡湖作为无锡市的城市景观湖泊，20世纪50—60年代属于水草茂盛、水体清澈的草型湖泊，整体处于中营养状态，生态状况良好，且未被人工管控，保持原有的自然状态。将未受到人类活动破坏前的该阶段的蠡湖定义为非常健康的状态。20世纪60年代后期，由于大规模围湖造田、围网养殖，蠡湖水域面积急剧缩减了33%，水生植被大面积消失，生态系统开始退化。1980年之后，随着城市人口大量聚集、经济快速发展和污染物排放入湖，蠡湖的生态系统进一步遭到破坏，水生植物面积持续减少、水质快速恶化，蠡成为太湖富营养化最为严重的水域。2000年以来，无锡市对蠡湖实施了生态清淤、污水截流、退渔还湖、生态修复、湖岸整治和环湖林带建设等水环境综合整治工程，使蠡湖水质和生态环境发生了显著变化[37]，水体中总氮、总磷以及叶绿素a浓度分别降低了42.6%、27.3%及60%，但透明度、悬浮颗粒物浓度等感官指标无明显改善[38]。“十三五”期间，国家层面开展了国家水体污染控制与治理科技重大专项，蠡湖作为技术示范区，实施了水生态治理与修复工程，至2021年蠡湖已经成功恢复了40多万km2的水草，区域内的生物多样性显著提高，且在示范区内，蠡湖水体透明度由治理前的30 cm左右提高至50~130 cm[39]，沉水植物覆盖度由原来的不足5%提升至45%，水体总氮、总磷和叶绿素a浓度分别降低了40%、50%和80%，水质明显提升[37,40]，但恢复面积仅为蠡湖水面总面积的5.2%。因此，2022年无锡市投入6.21亿元开启了新一轮水环境综合治理，实施了涵盖控源截污、生态清淤、生态修复、水系沟通、支浜治理、岸线提升在内的“新六大工程”[41]，以稳定实现蠡湖水体清澈洁净。多年的生态整治，使蠡湖污染源基本得到了较好的控制，后续应重点实施生态修复，并做好生态修复工程的长效运维，推动湖泊生态健康，提升自净能力和景观效果。

3.3   “三水”统筹指标体系及评价方法的有效性分析

本研究构建的“三水”统筹的湖泊生态健康评价体系，首先利用文献综述法梳理候选指标，通过对已有文献（2005年至今）中出现的相关指标进行分类统计计算，得到36个有效候选指标；其次，对36个有效候选指标，依据频度高低并结合指标筛选原则和专家咨询，确定了15个关键指标；最后，为保证评价的精准与方法的简易，将筛选出的15项关键指标利用太湖2007—2020年的大量现场调查数据进行主成分分析，得到7项最终评价指标。可见，评价体系构建过程提高了湖泊生态健康评价指标筛选、指标确定的逻辑性和准确性。本研究提出的指标体系系统性好并较为精炼。虽然仅为7项指标，却能够涵盖水资源、水环境、水生态三方面。水资源指标包括水资源开发利用率、换水周期；水环境指标包括综合营养状态指数，综合营养状态指数实质上反映了水体总氮、总磷、CODMn、透明度、叶绿素a 5项指标；水生态指标有自然湖岸带比例、浮游植物多样性指数、浮游动物多样性指数、大型底栖动物多样性指数。本研究结果表明2023年蠡湖生态环境状况为健康，符合蠡湖经过一系列综合整治后水生态环境已经有了较大改观的现状；但还未达到非常健康的状态，说明蠡湖并未恢复其原有生态功能，后续仍需要不断开展相关的生态修复工作。高光等[37,40]研究结果表明蠡湖水环境状况已经得到改善，但并未恢复到未受破坏之前的生态状况，与本研究对蠡湖生态健康评价的结论相符。通过蠡湖案例，说明了本研究构建方法的适用性和准确性，且本研究对蠡湖的生态健康评价结果与宋为威等[36]基于层次分析法-熵权法的河湖健康评价方法对蠡湖的评价结果一致，2种评价方法得到了相互印证。 

4.   结论

（1）系统集成频度分析法、主成分分析法、熵权法等多种方法，构建了水资源、水环境、水生态“三水”统筹的湖泊生态健康评价体系，涵盖自然湖岸带比例、换水周期、水资源开发利用率、综合营养状态指数、浮游植物多样性指数、浮游动物多样性指数以及底栖动物多样性指数7项指标，主成分分析显示7项指标累计贡献率达97.202%。

（2）运用该方法评价蠡湖生态健康，得分为68.88，表明蠡湖2023年生态健康状况为健康，但还远未达到80分以上的非常健康状态。蠡湖多年来持续开展的生态清淤、污水截流、退渔还湖、生态修复，湖岸整治和环湖林带建设等水环境综合整治工程，使蠡湖水质明显提升，从污染治理阶段进入水生态修复阶段。为进一步达到清水稳态的非常健康状态，下一步蠡湖应在持续巩固污染治理的基础上，全面推进生态修复，并处理好自然恢复和人工修复的关系，系统总结城市景观湖泊生态修复与运营维护的经验，为其他同类城市景观湖泊提供经验。 

（3）蠡湖案例分析显示，本研究构建的“三水”统筹的湖泊生态健康评价指标体系逻辑性、系统性较好，集成的评价方法具有较好的适用性和准确性，能较为全面地反映湖泊水资源、水环境、水生态的综合生态健康状况。 

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引用本文:  董稳静，许秋瑾，董姣，等.基于“三水”统筹的湖泊生态健康评价：以太湖蠡湖为例[J].环境工程技术学报，2025，15（1）：100-110. DOI: 10.12153/j.issn.1674-991X.20240552

（转自：生态修复网）

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