洞庭湖水生態(tài)風(fēng)險防控技術(shù)體系研究

王圣瑞,張 蕊,過龍根,徐力剛,陳 燦,盧少勇,汪 星(.中國環(huán)境科學(xué)研究院,環(huán)境基準與風(fēng)險評估國家重點實驗室,北京 000；.中國科學(xué)院水生生物研究所,湖北 武漢 007；.中國科學(xué)院南京地理與湖泊研究所,江蘇 南京 0008；.湖南省環(huán)境保護科學(xué)研究院,湖南 長沙 000)

洞庭湖水生態(tài)風(fēng)險防控技術(shù)體系研究

王圣瑞1*,張 蕊1,過龍根2,徐力剛3,陳 燦4,盧少勇1,汪 星1(1.中國環(huán)境科學(xué)研究院,環(huán)境基準與風(fēng)險評估國家重點實驗室,北京 100012；2.中國科學(xué)院水生生物研究所,湖北 武漢 430072；3.中國科學(xué)院南京地理與湖泊研究所,江蘇 南京 210008；4.湖南省環(huán)境保護科學(xué)研究院,湖南 長沙 410004)

為保障洞庭湖水生態(tài)系統(tǒng)健康安全,急需回答洞庭湖水生態(tài)風(fēng)險和富營養(yǎng)化演變與流域人類活動及不同水文節(jié)律驅(qū)動間的響應(yīng)機制這一科學(xué)問題,解決確定洞庭湖適宜生態(tài)水位和防治富營養(yǎng)化兩個技術(shù)難點.本研究擬運用數(shù)理統(tǒng)計法、遙感定量反演和定量解譯法及層次分析法等方法,確定洞庭湖水生態(tài)風(fēng)險的內(nèi)涵,提出洞庭湖水生態(tài)風(fēng)險防控技術(shù)路線,開展水情驅(qū)動條件下洞庭湖生態(tài)效應(yīng)定量評估技術(shù)集成與適宜生態(tài)水位、水環(huán)境演變與藻類水華風(fēng)險控制技術(shù)集成、水生態(tài)風(fēng)險及其防控集成技術(shù)構(gòu)建和水體富營養(yǎng)化防治技術(shù)集成與示范等四個方面的研究,建立洞庭湖水生態(tài)風(fēng)險防控技術(shù)體系,支撐洞庭湖流域可持續(xù)發(fā)展.

洞庭湖；水生態(tài)風(fēng)險；富營養(yǎng)化；防控技術(shù)體系

洞庭湖是長江重要調(diào)蓄湖泊和國際重要濕地,也是瀕危珍稀物種的主要棲息地,擁有國家一級保護動物13種,每年越冬候鳥逾15萬只,包括珍稀瀕危物種中華鱘、江豚、白鰭豚、白鶴、白頭鶴、東方白鸛、黑鸛等,以及全球種群 70%以上的小白額雁;且其在支撐長江流域生態(tài)安全、水安全和國家糧食安全方面發(fā)揮著重要作用[1-3].近年來伴隨著流域社會經(jīng)濟快速發(fā)展及受江湖關(guān)系、氣候變化和人類活動等影響,洞庭湖水生態(tài)風(fēng)險問題日益突出,水質(zhì)下降明顯,富營養(yǎng)化形勢嚴峻,部分湖區(qū)偶現(xiàn)藍藻水華;漁業(yè)資源退化嚴重,不僅捕撈產(chǎn)量下降,江湖洄游魚類比例顯著下降,且魚類小型化、低齡化與低質(zhì)化趨勢明顯[4-5].

目前國內(nèi)外學(xué)者針對湖泊生態(tài)風(fēng)險的研究,大多集中在評價方面[6-10],但是針對防控方面的研究卻較少,其中針對湖泊水生態(tài)風(fēng)險評估、預(yù)警、應(yīng)急處理及水生態(tài)風(fēng)險管理等方面的研究更是鮮見報道[11-14],且已有研究主要集中在環(huán)境事故的風(fēng)險評估和應(yīng)急處理等方面[15-20].受水生態(tài)退化和社會經(jīng)濟發(fā)展壓力等影響,洞庭湖生態(tài)安全水平逐年降低,已從上世紀80年代的非常安全水平下降到 2008年以來的一般安全水平[21].特別是近年來,受水文節(jié)律變化和入湖污染負荷增加等影響,洞庭湖出現(xiàn)了水質(zhì)下降,藻類水華風(fēng)險增加,漁業(yè)資源衰退,富營養(yǎng)化趨勢明顯及流域經(jīng)濟社會發(fā)展與湖泊保護間矛盾突出等水生態(tài)風(fēng)險問題,已成為危及洞庭湖生態(tài)安全和制約區(qū)域經(jīng)濟社會發(fā)展的重大問題.本研究試圖通過構(gòu)建洞庭湖水生態(tài)風(fēng)險防控與水體富營養(yǎng)化控制集成技術(shù)體系為保障洞庭湖水生態(tài)系統(tǒng)健康安全提供技術(shù)支撐.

1 數(shù)據(jù)來源

本研究采用的數(shù)據(jù)主要有兩部分,一部分數(shù)據(jù)來自常規(guī)監(jiān)測,由湖南監(jiān)測站提供;一部分數(shù)據(jù)通過查閱文獻、年鑒及相關(guān)的資料獲得(具體數(shù)據(jù)來源詳見圖表注釋).

2 結(jié)果分析與討論

本文首先是要識別洞庭湖水生態(tài)風(fēng)險,再從三個層次四個方面研究建立洞庭湖水生態(tài)風(fēng)險防控技術(shù)體系.即第一層次針對洞庭湖水生態(tài)過程的辨析,探討不同水情驅(qū)動條件下的洞庭湖生態(tài)效應(yīng)定量評估技術(shù)集成與適宜生態(tài)水位,開展洞庭湖水環(huán)境演變與藻類水華風(fēng)險控制技術(shù)集成;第二層次針對洞庭湖水生態(tài)風(fēng)險與防控集成技術(shù),確定洞庭湖水生態(tài)風(fēng)險表征指標體系,集成洞庭湖水生態(tài)風(fēng)險防控技術(shù),構(gòu)建洞庭湖水生態(tài)風(fēng)險防控集成技術(shù).第三層次針對洞庭湖水體富營養(yǎng)化風(fēng)險,保障湖泊水生態(tài)安全,評估洞庭湖水體營養(yǎng)狀態(tài),集成適用于洞庭湖的典型水體富營養(yǎng)化防治綜合技術(shù),并開展技術(shù)示范.通過確定其研究內(nèi)容及技術(shù)途徑,形成洞庭湖水生態(tài)風(fēng)險防控技術(shù)體系研究的技術(shù)路線,建立洞庭湖水生態(tài)風(fēng)險防控技術(shù)體系.

2.1 洞庭湖水生態(tài)風(fēng)險的內(nèi)涵

目前洞庭湖面臨氮磷濃度升高,局部水域藻類水華面積和次數(shù)增加,富營養(yǎng)化趨勢加重;濕地植被退化,且從高灘向低灘推移,候鳥棲息地生境受威脅;特種魚類減少或基本滅絕,生物多樣性下降等生態(tài)環(huán)境問題[22-25];以上問題導(dǎo)致洞庭湖生態(tài)系統(tǒng)進一步退化的風(fēng)險較大,其中水質(zhì)下降、濕地退化與藻類水華風(fēng)險最受關(guān)注.

2.1.1 水質(zhì)下降風(fēng)險 洞庭湖水質(zhì)總體呈下降趨勢(圖1),多數(shù)指標能滿足II-III類標準,影響水質(zhì)的主要指標是總氮和總磷.其中劣于III類的水質(zhì)比例呈逐年增加,而I-III類水質(zhì)比例逐年降低,至2006年之后已無I-III類水,2011年之后水質(zhì)則以V類、劣V類為主.

圖1 洞庭湖歷年水質(zhì)類別比例變化趨勢Fig.1 The trend of the proportion of water quality category in Dongting Lake over the years

伴隨社會經(jīng)濟快速發(fā)展,流域污染物排放量不斷增加.2006～2011年期間,洞庭湖流域湖南省污水排放量(僅統(tǒng)計工業(yè)和生活)平均每年以約0.6×108t的速度遞增,化學(xué)需氧量排放量平均每年以約 3.125×104t的速度遞減,氨氮排放量平均每年以約0.625×104t的速度遞減.2011年濱湖區(qū)進入洞庭湖的 CODMn、氨氮、總磷和總氮負荷分別為30.01萬t/a、10.50萬t/a、2.62萬t/a和15.34萬t/a,農(nóng)業(yè)源是入湖TN、TP和CODMn的主要來源,分別占CODMn、氨氮、總磷、總氮入湖總量的59.1%、74.8%、68.8%和75.8%(表1).隨湖區(qū)經(jīng)濟社會進一步發(fā)展,人口與工業(yè)企業(yè)增加及城鎮(zhèn)規(guī)?；瘮U張等可能導(dǎo)致水質(zhì)進一步下降是洞庭湖保護面臨的首要問題.

表1 洞庭湖流域污染負荷排放量Table 1 Summary of pollutant emissions from Dongting Lake

2.1.2 濕地退化風(fēng)險 洞庭湖濕地具有調(diào)蓄洪水、調(diào)節(jié)氣候、污染凈化、貯蓄水源、維持區(qū)域生物多樣性與生態(tài)平衡等多種生態(tài)功能,是我國乃至世界重要的冬候鳥越冬地和遷徙鳥類棲息地.由于過度開發(fā)和利用等造成洞庭湖面臨濕地面積持續(xù)萎縮、生態(tài)功能持續(xù)退化、水污染加重等生態(tài)環(huán)境問題[27-28].目前,洞庭湖天然湖泊面積 2625km2,僅為 1825年(6200km2)的 42.34%,調(diào)蓄容積也由 400億 m3減少到167億m3[29].近年來,受三峽工程運行、氣候變化及人為干擾等影響,洞庭湖濕地生態(tài)系統(tǒng)發(fā)生了較大變化,洄游通道不斷減少或受限(三口斷流、四水修壩),水量減少(三口斷流),生物多樣性下降;特別是在江湖關(guān)系持續(xù)變化背景下,洞庭湖水情變化較大,連續(xù)多年出現(xiàn)枯水期提前、延長,水位較常年同期大幅降低等現(xiàn)象;濕地生態(tài)功能減弱,湖區(qū)生態(tài)環(huán)境趨于惡化,已經(jīng)造成對濕地和候鳥的嚴重不利影響;水生生物明顯減少,水產(chǎn)品供給降低,濕地呈現(xiàn)“局部改善、總體退化”的總體趨勢.

洞庭湖濕地整體變化趨勢為洲灘地面積不斷擴大,水面不斷縮小.洞庭湖濕地景觀呈現(xiàn)破碎化趨勢,濕地呈現(xiàn)斑塊數(shù)量與破碎度等指數(shù)增加、平均斑塊面積與景觀蔓延度等指數(shù)減小.泥灘、草洲、蘆葦斑塊增加、平均斑塊面積減小,1996～2013年泥灘斑塊數(shù)量由 307個增加為1245個,平均斑塊面積由 125.82hm2降至28.16hm2,草洲斑塊數(shù)量由308個增加至3348個,平均斑塊面積由 244.55hm2降至 16.34hm2,蘆葦斑塊數(shù)量由343個增加至1467個,平均斑塊面積由162.80hm2降至48.84hm2(表2).近20年來,洞庭湖珍稀鳥類及其種群呈下降趨勢,一些物種如東方白鸛、白頭鶴、白鶴、白枕鶴、大鴇幾乎完全消失.即洞庭湖濕地面臨退化風(fēng)險,濕地和水域面積呈現(xiàn)萎縮的趨勢,濕地景觀更為破碎化,候鳥棲息地生境受到威脅.

表2 1996與2013年洞庭湖濕地斑塊類型水平上景觀格局指數(shù)Table 2 Landscape pattern index of Dongting Lake wetland patch type in 1996 and 2013

2.1.3 藻類水華風(fēng)險 近年來,洞庭湖氮磷濃度總體呈上升趨勢,富營養(yǎng)化趨勢明顯,綜合營養(yǎng)指數(shù)變化總體可分為三個階段(圖2),其中第一階段為1991年到1996年,湖泊營養(yǎng)水平較低,平均為34.67;第二階段為1997到2002年,湖泊營養(yǎng)水平小幅上升,平均達到 39.67,但仍然維持在較低水平;從2003年開始,洞庭湖營養(yǎng)水平快速上升,尤其是2008～2010年間更是超過了50,已處于輕度富營養(yǎng),在2008年7月,東洞庭湖保護區(qū)水域發(fā)生了面積近10km2的藻華,葉綠素a濃度局部高達40mg/m3.產(chǎn)生這一結(jié)果一方面是由于湖區(qū)社會經(jīng)濟迅速發(fā)展,污染負荷排放量不斷增加;另外,這一時期,洞庭湖來水量較少,換水周期延長等導(dǎo)致入湖氮磷等滯留增加,湖泊氮磷濃度增高,加之湖泊透明度升高,水體光合作用增強,利于藻類生長繁殖[31-33].張維等[34]研究表明, 2008年前洞庭湖無水華爆發(fā),整體處于中營養(yǎng),而在 2008～2013年,水華爆發(fā)程度總體達三級或接近三級水平,即自 2008年后,洞庭湖藻類水華風(fēng)險明顯增加,水華爆發(fā)區(qū)域主要集中在東洞庭湖水域.

圖2 洞庭湖歷年富營養(yǎng)水平Fig.2 The rich nutrition level of Dongting Lake over the years

2.2 洞庭湖水生態(tài)過程與濕地生態(tài)系統(tǒng)變化研究

2.2.1 研究內(nèi)容與需要解決的重點問題 (1)洞庭湖水位變化過程及其水域面積演變驅(qū)動因素分析

采用數(shù)理統(tǒng)計、小波理論、隨機水文學(xué)、數(shù)據(jù)融合等理論和方法,分析洞庭湖近20年來水位數(shù)據(jù)序列,尤其是2003年三峽蓄水后對洞庭湖水文過程影響,研究洞庭湖水位與“四水”入湖徑流量、長江水量交換量以及湖泊水面降水和蒸發(fā)等因素的相關(guān)性,揭示洞庭湖水位和水量變化過程及其主控因子;分析洞庭湖湖區(qū)近20年水域面積的變化過程與季節(jié)動態(tài),識別水域面積演變的驅(qū)動因素,甄別水文節(jié)律變化對洞庭湖水域面積的影響過程.根據(jù)景觀生態(tài)學(xué)原理,借助“3S”技術(shù),結(jié)合現(xiàn)場光譜測量和實地調(diào)查對比判別,識別出水體、沙灘、蘆葦、苔草等不同斑塊類型,分析其變化趨勢及相互之間的聯(lián)系,進而研究洞庭湖湖區(qū)近20年水域生態(tài)系統(tǒng)不同尺度格局與季節(jié)動態(tài).

(2)水文節(jié)律驅(qū)動條件下的洞庭湖生態(tài)效益定量評估集成技術(shù)

在全球氣候變暖的大背景下,以三峽水庫蓄水后為節(jié)點,綜合考慮湖泊水動力、水文過程和濕地水生態(tài)系統(tǒng)對水文過程變化的響應(yīng),圍繞不同水文節(jié)律對洞庭湖濕地的影響及驅(qū)動,探討湖泊水文、地貌要素對關(guān)鍵植物生長的影響和對濕地植被群落發(fā)育演替的制約機制,在CHAM模型的基礎(chǔ)上實現(xiàn)相應(yīng)的洲灘淹沒和出露條件下不同水文、水動力模塊的銜接和耦合,集成季節(jié)性湖泊水文水動力耦合模型,分析洞庭湖水文與水動力變化過程及其對洲灘濕地面積分布的影響范圍與程度;模擬變化水文節(jié)律驅(qū)動條件下的濕地植被演替過程和植被變化過程,并在此基礎(chǔ)上開展不同水文節(jié)律驅(qū)動條件下的洞庭湖水生態(tài)效益定量評估和技術(shù)集成.

(3)洞庭湖濕地生態(tài)格局安全和功能優(yōu)化的適宜生態(tài)水位

運用洞庭湖生態(tài)水文耦合模型,基于濕地生態(tài)系統(tǒng)的生態(tài)水位確定方法,開發(fā)適宜于水域生態(tài)系統(tǒng)多樣性維持的合理生態(tài)水位評價體系,模擬不同水文情勢變化下的洞庭湖濕地植被格局與演化過程及其功能變化,明確洞庭湖生態(tài)需水量;綜合考慮主要水生生物及珍惜候鳥生長繁殖的棲息地狀況,分別在汛水期和枯水期,提出針對不同季節(jié)維系洞庭湖濕地生態(tài)格局安全和功能優(yōu)化的適宜生態(tài)水位區(qū)間,為保障洞庭湖水生態(tài)系統(tǒng)安全提供技術(shù)支撐.

2.2.2 解決的技術(shù)途徑 主要采用濕地遙感定量反演與濕地生態(tài)水文耦合數(shù)值模擬技術(shù),圍繞水情驅(qū)動條件下洞庭湖濕地生態(tài)效應(yīng)定量評估技術(shù)集成和維持洞庭湖濕地生態(tài)系統(tǒng)的適宜水位開展研究.

圖3 水文節(jié)律驅(qū)動條件下洞庭湖生態(tài)效應(yīng)定量評估技術(shù)路線Fig.3 Technical route for quantitative assessment of ecological effects of Dongting Lake under the condition of hydrological rhythm

一方面,選取典型試驗區(qū)開展水文氣象定位觀測試驗和地面調(diào)查,結(jié)合洞庭湖典型區(qū)域水位與流量數(shù)據(jù)、湖區(qū)DEM數(shù)據(jù)和濕地植被分布面積變化數(shù)據(jù),通過CHAM模型對洞庭湖水情變化條件下的洲灘淹沒、出露面積變化和濕地植被群落演替進行模擬實驗,揭示洞庭湖水位演變過程及濕地植被群落演替模式,在此基礎(chǔ)上進一步對流域水文過程、洞庭湖出露洲灘水循環(huán)過程、洞庭湖水動力過程和洞庭湖濕地植被(以優(yōu)勢種蘆葦和苔草為對象)演替過程等四個方面耦合模擬,開發(fā)并集成生態(tài)水文過程耦合模型和生態(tài)效應(yīng)定量評估技術(shù)體系(圖3).

圖4 洞庭湖適宜生態(tài)水位確定技術(shù)路線Fig.4 The technical route for the determination of the suitable ecological water level of Dongting Lake

另一方面,結(jié)合濕地遙感定量反演與濕地生態(tài)水文耦合數(shù)值模擬技術(shù)開展洞庭湖適宜生態(tài)水位研究.首先,利用洞庭湖典型湖區(qū)高分辨率遙感影像(Landsat/TM/SPOT)解譯、現(xiàn)場光譜測量和典型區(qū)域?qū)嵉赜^測對比判別,實現(xiàn)對典型區(qū)域關(guān)鍵參數(shù)的定量反演(NDVI=f(LAI);NDVI= f(BIO)),并結(jié)合整個湖區(qū)中等分辨率遙感數(shù)據(jù)(MODIS),闡明洞庭湖水域景觀格局演變模式;其次,通過空間插值、非監(jiān)督分類和目視解譯等“3S”技術(shù)手段,分析不同斑塊類型的演替變化趨勢,進一步定量解譯水域生態(tài)演變并甄別水情驅(qū)動機制;最后,基于水域生態(tài)系統(tǒng)演替模式生態(tài)水位確定方法,開發(fā)適宜于水域生態(tài)系統(tǒng)多樣性維持的合理生態(tài)水位評價系統(tǒng),共同確定以保護洞庭湖棲息地功能優(yōu)化和防控水華風(fēng)險的為主的適宜生態(tài)水位區(qū)間(圖4).

2.3 洞庭湖水環(huán)境演變及藻類水華風(fēng)險預(yù)測研究

2.3.1 研究內(nèi)容與需要解決的重點問題

(1)洞庭湖水環(huán)境演變與藻類水華發(fā)生風(fēng)險預(yù)測

開展洞庭湖水環(huán)境調(diào)查,結(jié)合歷史數(shù)據(jù),分析洞庭湖水環(huán)境演變過程,甄別洞庭湖水環(huán)境演變關(guān)鍵驅(qū)動因子;開展基于水質(zhì)指標的水體富營養(yǎng)化評估,揭示洞庭湖不同湖區(qū)藻類水華發(fā)生與水量調(diào)控、漁業(yè)資源利用等間的相互作用關(guān)系,預(yù)測洞庭湖不同湖區(qū)藻類水華發(fā)生風(fēng)險.

(2)洞庭湖漁業(yè)資源利用模式評估與優(yōu)化

針對洞庭湖漁業(yè)資源利用現(xiàn)狀,開展?jié)O業(yè)結(jié)構(gòu)調(diào)查,闡明洞庭湖漁業(yè)資源現(xiàn)狀的利用特征及存在問題;著重研究洞庭湖漁獲物組成比例以及漁業(yè)捕撈方式和漁業(yè)管理模式等,基于提升洞庭湖的漁業(yè)利用空間和合理性,提出適合洞庭湖水生態(tài)可持續(xù)發(fā)展的漁業(yè)資源利用優(yōu)化模式.

(3)洞庭湖藻類水華發(fā)生風(fēng)險控制技術(shù)集成

基于洞庭湖水文節(jié)律變化及入湖污染負荷特征,確定不同湖區(qū)藻類水華發(fā)生風(fēng)險,集成水位調(diào)控、生物調(diào)控及水體修復(fù)等綜合控制技術(shù),形成洞庭湖藻類水華發(fā)生風(fēng)險控制集成技術(shù).

圖5 洞庭湖水環(huán)境演變及藻類水華風(fēng)險預(yù)測研究技術(shù)路線Fig.5 Water environment evolution and algal bloom risk prediction Technical route of research of Dongting Lake

2.3.2 解決的技術(shù)途徑 首先開展洞庭湖水環(huán)境問題識別并甄別影響洞庭湖水環(huán)境演變的關(guān)鍵因子,通過進一步開展局部水域藻類水華風(fēng)險分析技術(shù)研究和漁業(yè)資源利用與結(jié)構(gòu)優(yōu)化模式研究,為構(gòu)建洞庭湖典型水域藻類水華發(fā)生風(fēng)險控制技術(shù)集成提供支撐(圖5).

2.4 洞庭湖水生態(tài)風(fēng)險及防控技術(shù)集成

2.4.1 研究內(nèi)容與需要解決的重點問題

(1)洞庭湖水生態(tài)風(fēng)險識別及驅(qū)動機制研究

通過現(xiàn)場調(diào)查與資料收集,結(jié)合洞庭湖相關(guān)研究及規(guī)劃,通過對洞庭湖水質(zhì)演變特征、水文情勢演變特征、濕地演變特征、湖盆演變特征、流域演變特征的研究,闡明洞庭湖水生態(tài)演變過程,剖析診斷洞庭湖水生態(tài)主要問題,以水質(zhì)下降、濕地退化、藻類水華為主要水生態(tài)風(fēng)險,綜合考慮流域社會經(jīng)濟發(fā)展、水土資源利用、流域水污染等壓力,剖析主要風(fēng)險源與受體要素間相互作用,識別判定面向不同受體的主要風(fēng)險源/壓力因子.采用數(shù)值模型、數(shù)理統(tǒng)計、實驗研究等手段,分析風(fēng)險源特征及影響過程,定量化關(guān)鍵作用參數(shù),構(gòu)建源與受體之間的響應(yīng)關(guān)系模型,研究和預(yù)測不同情境下、面向不同受體的水生態(tài)風(fēng)險源驅(qū)動機制和響應(yīng)特征.

(2)洞庭湖水生態(tài)風(fēng)險綜合評估

洞庭湖水生態(tài)風(fēng)險評估:首先以洞庭湖水生態(tài)風(fēng)險狀況為總體目標層,從水質(zhì)下降風(fēng)險、藻類水華風(fēng)險以及濕地退化風(fēng)險等三個要素層出發(fā),結(jié)合文獻資料分析所確定的水生態(tài)風(fēng)險的關(guān)鍵因子,選擇洞庭湖水生態(tài)風(fēng)險評價的指標,通過對所選指標的統(tǒng)計學(xué)對比分析,篩選出一組適宜于進行洞庭湖水生態(tài)風(fēng)險評價的指標體系.然后選用模糊綜合評估模型、利用層次分析法,確定洞庭湖水生態(tài)風(fēng)險評價指標層相對于目標層的權(quán)重值.基于《地表水環(huán)境質(zhì)量標準》、洞庭湖濕地管理保護目標以及各指標在風(fēng)險評價標準確定中的相關(guān)研究成果,根據(jù)風(fēng)險程度確定各評價指標的分級標準.通過評價指標對于各評價等級的隸屬度來劃分風(fēng)險等級.基于隸屬度函數(shù)建立模糊評判矩陣,最終形成洞庭湖水生態(tài)風(fēng)險綜合評價模型.最后基于風(fēng)險模糊綜合評價模型和風(fēng)險等級標準,對不同時期的洞庭湖水生態(tài)風(fēng)險進行綜合評價,將評價結(jié)果與各時期洞庭湖水生態(tài)實際狀況進行對比分析,驗證該評價方法的合理性與準確性,并進行必要的修正與完善.

洞庭湖自然資本的價值風(fēng)險評估:圍繞洞庭湖水生態(tài)系統(tǒng)的關(guān)鍵問題,基于自然資本的理念,運用 InVEST模型(The Integrate Valuation of Ecosystem Services and Tradeoffs Tool,生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能綜合估價和權(quán)衡得失評估模型)中的水質(zhì)凈化、生境風(fēng)險評估、產(chǎn)水量三個模型建立洞庭湖自然資本價值風(fēng)險評估方法模型.應(yīng)用InVEST模型中的水質(zhì)凈化模塊,模擬洞庭湖流域產(chǎn)水量和氮磷營養(yǎng)物的負荷,計算得出洞庭湖水源供給及水質(zhì)凈化功能的價值量,并且根據(jù)水質(zhì)標準劃分了氮磷輸出負荷的風(fēng)險區(qū)域,與指標體系法風(fēng)險評估相比更加明確的顯現(xiàn)了污染物風(fēng)險的程度.應(yīng)用 InVEST模型中的生境風(fēng)險評估模塊,劃分洞庭湖生境風(fēng)險等級,并計算得出洞庭湖生境功能價值量.最終利用疊加分析模塊計算洞庭湖總的生態(tài)服務(wù)功能價值量.

(3)洞庭湖水生態(tài)風(fēng)險防控集成技術(shù)體系

在系統(tǒng)研究洞庭湖水生態(tài)風(fēng)險管理需求的基礎(chǔ)上,全面梳理集成本項目研究成果,根據(jù)常規(guī)監(jiān)測、自動監(jiān)測、遙感監(jiān)測和野外觀測等點面監(jiān)測結(jié)合的水生態(tài)安全監(jiān)控數(shù)據(jù),以有效防控大規(guī)模藻類水華風(fēng)險、珍稀經(jīng)濟水生動物棲息地環(huán)境惡化和珍稀物種種群數(shù)量急劇下降風(fēng)險以及湖泊水質(zhì)下降風(fēng)險等為重點,研究提出洞庭湖水生態(tài)風(fēng)險管理對策,集成水生態(tài)風(fēng)險管理技術(shù)、監(jiān)測技術(shù)、環(huán)境影響評估技術(shù)以及風(fēng)險應(yīng)急處理技術(shù)等,構(gòu)建以水生態(tài)風(fēng)險管理技術(shù)和應(yīng)急處理技術(shù)等為核心的洞庭湖水生態(tài)風(fēng)險防控集成技術(shù).

2.4.2 解決的技術(shù)途徑 首先,全面認識洞庭湖流域特征,收集洞庭湖時間、空間變化數(shù)據(jù),建立數(shù)據(jù)庫,在此基礎(chǔ)上分析洞庭湖水生態(tài)問題及水生態(tài)演變過程,識別水生態(tài)風(fēng)險因子及驅(qū)動機制.再者,通過對指標體系法風(fēng)險評估和自然資本價值風(fēng)險評估兩種方法結(jié)果對比分析,識別水生態(tài)防控關(guān)鍵因素.然后,根據(jù)水生態(tài)風(fēng)險管理需求,運用常規(guī)處理技術(shù)和應(yīng)急處理技術(shù),集成防控技術(shù)體系,最終提出洞庭湖水生態(tài)風(fēng)險防控集成技術(shù)與對策方案.

圖6 洞庭湖水生態(tài)風(fēng)險及其防控集成技術(shù)構(gòu)建技術(shù)路線Fig.6 Technical route of the Dongting Lake Ecological Risk Prevention and control of the construction of integrated technology

2.5 洞庭湖富營養(yǎng)化防治技術(shù)集成

2.5.1 研究內(nèi)容與需要解決的重點問題

(1)洞庭湖水體富營養(yǎng)化防治技術(shù)集成

借鑒國內(nèi)外水體富營養(yǎng)化防治技術(shù)經(jīng)驗,集成適合洞庭湖的富營養(yǎng)化防治技術(shù),主要包括水量調(diào)控、生態(tài)攔截、水質(zhì)凈化、藻類水華綜合控制以及沉水植被的恢復(fù)與重建等綜合控制技術(shù),形成適合洞庭湖的富營養(yǎng)化防治技術(shù)模式.

圖7 洞庭湖富營養(yǎng)化防治技術(shù)集成技術(shù)路線Fig.7 Technical route for the integration of eutrophication prevention and control technology in Dongting Lake

圖8 研究技術(shù)路線Fig.8 Technical route of research

(2)洞庭湖水體富營養(yǎng)化防治技術(shù)示范工程

選擇洞庭湖發(fā)生藻類水華的湖汊—岳陽南湖王家河水域開展水體富營養(yǎng)化防治技術(shù)示范,示范包括外源污染控制技術(shù)、生物控藻技術(shù)和水生植被修復(fù)技術(shù)等內(nèi)容.實現(xiàn)藻類水華生物量削減20%,水生植物覆蓋面積增加20%,示范區(qū)水質(zhì)得到顯著改善.

2.5.2 解決的技術(shù)途徑 在探明洞庭湖水環(huán)境風(fēng)險演變及富營養(yǎng)化風(fēng)險診斷基礎(chǔ)上,借鑒國內(nèi)外水體富營養(yǎng)化防治技術(shù)經(jīng)驗,在以往單項技術(shù)研發(fā)的基礎(chǔ)上,集成外源污染控制,生態(tài)攔截,藻類水華綜合防控技術(shù),生態(tài)水位調(diào)控及水生植被恢復(fù)等生態(tài)修復(fù)技術(shù),創(chuàng)新形成適用于洞庭湖的控藻技術(shù)以及局部水域水質(zhì)強化凈化技術(shù)、湖濱帶生物多樣性提升以及群落穩(wěn)定化集成技術(shù),淺水區(qū)大型維管束植物修復(fù)條件改善技術(shù),形成適用于洞庭湖特點的以水質(zhì)凈化、生態(tài)修復(fù)和水華風(fēng)險防控為重點的湖泊富營養(yǎng)化防治集成技術(shù)模式,并開展技術(shù)示范(圖7).

綜上所述,本文從三個層面,即水環(huán)境演變過程研究、水生態(tài)風(fēng)險評估及防控和湖泊富營養(yǎng)化控制三個層面構(gòu)建了洞庭湖水生態(tài)風(fēng)險防控集成技術(shù)研究技術(shù)路線(圖8),具體包括4個方面的研究內(nèi)容,即水情驅(qū)動條件下洞庭湖生態(tài)效應(yīng)定量評估技術(shù)集成與適宜生態(tài)水位、水環(huán)境演變與藻類水華風(fēng)險控制技術(shù)集成、水生態(tài)風(fēng)險及其防控集成技術(shù)構(gòu)建和水體富營養(yǎng)化防治技術(shù)集成與示范等;突破確定洞庭湖適宜生態(tài)水位和防治水體富營養(yǎng)化兩個技術(shù)難點,最終可支撐洞庭湖水生態(tài)風(fēng)險防控,也可為防控我國其它湖泊水生態(tài)風(fēng)險提供技術(shù)、方法和經(jīng)驗.

3 結(jié)論

3.1 受水文節(jié)律變化和入湖污染負荷增加等影響,洞庭湖出現(xiàn)了水質(zhì)下降,藻類水華風(fēng)險加劇,漁業(yè)資源衰退,富營養(yǎng)化趨勢加重及流域經(jīng)濟社會發(fā)展與湖泊保護間矛盾突出等水生態(tài)風(fēng)險問題,且已成為危及洞庭湖生態(tài)安全和制約區(qū)域經(jīng)濟社會發(fā)展的重大問題.

3.2 保障洞庭湖水生態(tài)系統(tǒng)健康安全的前提是防控其水生態(tài)退化和湖泊富營養(yǎng)化風(fēng)險.目前洞庭湖面臨水質(zhì)下降、濕地退化、藻類水華風(fēng)險加大等三大主要水生態(tài)風(fēng)險,其中高強度流域人類活動和近年來較大的水文節(jié)律變化是導(dǎo)致洞庭湖水生態(tài)風(fēng)險日益嚴峻的重要驅(qū)動力.因此必須回答高強度流域人類活動和不同水文節(jié)律驅(qū)動下的洞庭湖水生態(tài)風(fēng)險和富營養(yǎng)化演變過程與響應(yīng)機制這一科學(xué)問題,解決確定洞庭湖適宜生態(tài)水位和防治富營養(yǎng)化這兩個技術(shù)難點.基于此,本文從三個層面四個方面提出了洞庭湖水生態(tài)風(fēng)險防控技術(shù)路線,即從水環(huán)境演變過程研究、水生態(tài)風(fēng)險評估及防控和湖泊富營養(yǎng)化控制三個層面,開展水情驅(qū)動條件下洞庭湖生態(tài)效應(yīng)定量評估技術(shù)集成與適宜生態(tài)水位、水環(huán)境演變與藻類水華風(fēng)險控制技術(shù)集成、水生態(tài)風(fēng)險及其防控集成技術(shù)構(gòu)建和水體富營養(yǎng)化防治技術(shù)集成與示范等四個方面的研究,擬通過確定洞庭湖適宜生態(tài)水位,保障洞庭湖水域生態(tài)格局安全,集成洞庭湖富營養(yǎng)化防治技術(shù),形成適用于洞庭湖特點的以水質(zhì)凈化、生態(tài)修復(fù)和水華風(fēng)險防控為重點的湖泊富營養(yǎng)化防治集成技術(shù)模式,形成洞庭湖水生態(tài)風(fēng)險防控技術(shù)體系,為洞庭湖可持續(xù)發(fā)展提供技術(shù)支撐.

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Study on the water ecological risk prevention and control technology system of dongting lake.

WANG Sheng-rui1*, ZHANG Rui1, GUO Long-gen2, XU Li-gang3, CHEN Can4, LU Shao-yong1, WANG Xing1(1.State Key Laboratory of Environmental Criteria and Risk Assessment, Chinese Research Academy of Environmental Sciences, Beijing 100012, China；2.Institute of Hydrobiology, Chinese Academy of Sciences, Wuhan 430072, China；3.Nanjing Institute of Geography and Limnology, Chinese Academy of Sciences, Nanjing 210008, China；4.Hunan Research Academy of Environment Sciences, Changsha 410004, China). China Environmental Science, 2017,37(5)：1896～1905

In order to ensure the health and safety of Dongting lake water ecosystem, we must firstly reveal the evolution process and response mechanism of water ecological and eutrophication risk of Dongting lake under the influence of high-intensity human activities and different hydrological rhythm. And then solve two technical difficulties including establishment of the suitable ecological water level and the eutrophication prevention technology of Dongting lake. This study intends to use mathematical statistics, remote sensing quantitative inversion and quantitative interpretation method and analytic hierarchy process method, to determine the connotation of Dongting lake water ecological risk and to establish the roadmap of Dongting lake water ecological risk prevention and control technology. Specifically, four aspects of researches are performed: the integrated technology of ecological effect quantitative assessments and suitable ecological water level under the condition of water drive; the integrated technology of water environment evolution and algae blooms risk control; the integrated technology and demonstration including prevention and control water ecological risk and eutrophication risk. Finally, a rather perfect system of Dongting lake water ecological risk prevention and control technology should be established in order to support the sustainable development of Dongting lake basin.

Dongting Lake；water ecological risk；eutrophication；prevention and control technology system

X524

A

1000-6923(2017)05-1896-10

王圣瑞(1972-),男,內(nèi)蒙古呼和浩特人,研究員,博士,主要從事湖泊污染過程、富營養(yǎng)化機理與湖泊管理等領(lǐng)域的研究.發(fā)表論文150余篇.

2016-10-15

國家科技支撐計劃課題(2014BAC09B02)

* 責(zé)任作者, 研究員, wangsr@craes.org.cn