【技术实现步骤摘要】
一种湖泊生态系统健康评价和修复方法
[0001]本专利技术涉及一种湖泊生态系统健康评价和修复方法，属于环境保护领域。
技术介绍
[0002]我国经济在过去的几十年间得到了的迅速发展，但工、农业的快速发展对自然环境的破坏也日益严重。由于工业有害物质的排放、资源的过度开发、农业化肥及除虫药剂的大量使用，对我国的生态环境造成了严重的破坏和失衡，给人类的生存和发展带来了严重的危害。又由于我国人口负载过重，加上长期以来对土地、森林、水和矿产等资源的不合理开发利用，以及缺乏对生态的必要保护和建设，生活废气物及生活垃圾污染，所以我国当前生态环境形势非常严峻，生态环境问题已成为影响我国国家安全的重大问题。特别是作为早期废水、废物、城市垃圾直排的各种水体是生态环境污染的重灾区，而湖泊的污染又是其中最严重的，因此修复湖泊生态，势在必行。
[0003]目前，现有的对湖泊生态系统健康的评价尚未形成体系，通常只是根据测得的某些重点指标来对湖泊生态状况进行研判，没有对湖泊生态健康状况进行全面系统地诊断评价，因此很难科学地采用切实可行的正确修复方...
【技术保护点】
【技术特征摘要】
1.一种湖泊生态系统健康评价和修复方法，其特征在于包括以下步骤：(1)采集湖泊重要生态特征参数的实时数据，特征参数的数据结构至少包括水质参数I
Wi
、生境参数I
Hij
和生物参数I
Oij
；其中水质参数I
Wi
的数据结构包括8个参数，在实时数据充足的情况下尽可能多地选择下列8个重要生物参数参与评价：I
W1
、I
W2
、I
W3
、I
W4
、I
W5
、I
W6
、I
W7
和/或I
W8
。其中I
W1
为叶绿素a、I
W2
为水温、I
W3
为溶解氧DO、I
W4
为pH值、I
W5
为总氮TN、I
W6
为氨氮NH3‑
N、I
W7
为总磷TP、I
W8
为化学需氧量COD
Mn
；其中生境参数I
Hij
的数据结构必须包括3大类指数：岸带指数I
H1
、底质指数I
H2
和水体指数I
H3
。每大类生境指数包含单一或多个生境参数，在实时数据充足的情况下尽可能多地选择下列重要生物参数参与评价。其中岸带指数I
H1
包括湖泊流域内城镇化程度I
H11
、湖泊流域内农业化程度I
H12
、湖泊流域内森林覆盖度I
H13
、湖泊流域内草地覆盖度I
H14
和/或自然岸线比例I
H15
；底质指数I
H2
包括底质状况I
H21
；水体指数I
H3
包括水生植物覆盖度I
H31
、湖面水域萎缩率I
H32
、河湖连通口门畅通率I
H33
、丰水期水位平均值比值I
H34
和/或枯水期水位平均值比值I
H35
；其中生物参数I
Oij
的数据结构必须包括7大类指数：鸟类指数I
O1
、江豚指数I
O2
、鱼类指数I
O3
、水生植物指数I
O4
、底栖动物指数I
O5
、浮游植物指数I
O6
和/或浮游动物指数I
O7
。每大类生物指数包含单一或多个生物参数，在实时数据充足的情况下尽可能多地选择下列重要生物参数参与评价。其中鸟类指数I
O1
包括鸟类物种数变化率I
O11
和鸟类种群数量变化率I
O12
；江豚指数I
O2
包括江豚种群数量变化率I
O21
；鱼类指数I
O3
包括天然渔业资源产量变化率I
O31
、土著种物种数变化率I
O32
、外来种物种数I
O33
、洄游性鱼类物种数变化率I
O34
和/或耐污种物种比例I
O35
；水生植物指数I
O4
包括土著种物种数变化率I
O41
、外来种物种数I
O42
和/或耐污种物种比例I
O43
；底栖动物指数I
O5
包括土著种物种数变化率I
O51
、外来种物种数I
O52
和/或耐污种物种比例I
O53
；浮游植物指数I
O6
包括土著种属数变化率I
O61
、外来种属数I
O62
、耐污种物种比例I
O63
和/或蓝藻门比例I
O64
；浮游动物指数I
O7
包括土著种物种数变化率I
O71
、外来种属数I
O72
和/或耐污种物种比例I
O73
；(2)对步骤(1)中获取的所有参数进行数据处理(2.1)根据表1中的赋分标准对水质参数I
Wi
中已采集到的实时数据进行赋分得到I
Wi
，i＝1,2,
……
,n对应的赋分值I
′
Wi
，i＝1,2,
……
,n，未采集到的赋分为0，对应的权重取0，然后再利用表1中的权重值，按公式1计算出水质指数I
W
；式中：I
W
为水质指数，P
i
是水质参数I
Wi
的权重，1≤P
i
≤4，n为自然数，n≤8，表1
(2.2)根据表2中的赋分标准对生境参数I
Hij
中采集到的实时数据赋分得到对应赋分值I
′
Hij
，未采集到的赋分为0，对应的权重取0，然后再利用根据表2中的权重值，按公式2计算出生境指数I
Hi
，按公式3计算出生境综合指数I
H
；式中：I
Hi
为生境指数，I'
Hij
是生境参数I
Hij
的赋分值；T
ij
是生境参数I
Hij
的权重，1≤T
ij
≤4；n为自然数，n≤5；式中：I
H
为生境综合指数，I
Hi
为生境指数；T
i
是为生境指数I
Hi
的权重，1≤T
i
≤4；n为自然数，n＝3；表2
(2.3)根据表3中的赋分标准对生物参数I
Oij
采集到的实时数据赋分得到对应赋分值I
′
Oij
，未采集到的赋分为0，对应的权重取0，然后再利用根据表3中的权重值，按公式4计算出生物指数I
Oij
，按公式5计算出生物综合指数Io；式中：I
Oi
为生物指数，I
′
Oij
是生物参数I
Oij
的赋分值；Q
ij
是生物参数I
Oij
的权重，1≤Q
ij
≤4；n为自然数，n≤5；
式中：I
O
为生物综合指数，I
Oi
是生物指数；Q
i
是对应生物指数I
Oi
的权重，1≤Q
i
≤4，n为自然数，n＝7；表3表3公式(1)、公式(2)和公式(4)中所用参数I
Wi
、I
Hij
和I
Oij
的采集满足步骤(1)的要求，对未采集到的数据取0；(3)通过公式6获得湖泊生态系统健康指数EHALL，EHALL为Ecosystem Health Assessment of Large Lake首字母简称，EHALL＝I
W
W
W
+I
H
W
H
+I
O
W
O
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
公式6，
式中：W
W
为水质指数权重；W
H
为生境指数权重；W
O
为生物指数权重；W
W
、W
H
、W
O
相加等于1；(4)用所得湖泊生态系统健康指数EHALL、水质指数I
W
、生境指数I
H
、生物指数I
O
，以及所采集到的湖泊生态特征参数实时数据的赋分值建立湖泊生态系统分层排列树形结构数据库，树形结构的顶层数据为湖泊生态系统健康指数EHALL，EHALL下属的中间层数据为水质指数I
W
、生境指数I
H
和生物指数I
O
，I
H
下属的下层数据为岸带I
H1
、底质I
H2
和水体I
H3
，I
O
下属的下层数据为鸟类I
O1
、江豚I
O2
、鱼类I
O3
、水生植物I
O4
、底栖动物I
O5
、浮游植物I
O6
和浮游动物I
O7
，每个下层数据下属至少有一个以上底层数据，底层数据为采集到的湖泊生态特征参数实时数据的赋分值；(5)建立湖泊生态系统修复方法的分层排列树形结构数据库，树形结构至少包括顶层数据、中间层数据、下层数据和底层数据，顶层数据为湖泊生态系统综合修复法，顶层数据下属的中间层数据包括保育保护法B、自然恢复法Z、辅助修复法F和生态重塑法S，每个中间层数据下属有四个下层数据，其中保育保护法B下属的下层数据包括保育水质修复方法B
W
、保育生境修复方法B
E
和保育生物修复方法B
A
；自然恢复法Z下属的下层数据包括自然水质修复方法Z
W
、自然生境修复方法Z
E
和自然生物修复方法Z
A
；辅助修复法F下属的下层数据包括辅助水质修复方法F
W
、辅助生境修复方法F
E
和辅助生物修复方法F
A
；生态重塑法S下属的下层数据包括生态重塑水质修复方法S
W
、生态重塑生境修复方法S
E
和生态重塑生物修复方法S
A
；每个下层数据下属有两个以上底层数据，底层数据为修复技术方法；(6)为湖泊生态系统分层排列树形结构数据库的各级数据分别设定对应的阈值范围，将湖泊生态系统分层排列数据库的各级数据与对应的阈值范围进行从顶层开始的逐级比较，当湖泊生态系统分层排列数据库的各层数据与对应的阈值范围匹配时，在湖泊生态系统分层排列树形结构数据库和湖泊生态系统修复方法分级排列数据库之间根据表4、表5、表6和表7建立映射关系，并通过映射关系选定对应的修复技术方法；表4阈值范围及映射关系一EHALL＜Y
11
↓
生态重塑法S
↓
辅助修复法F
↓
自然恢复法Z
↓
保育保护法B表5阈值范围及映射关系二
表6阈值范围及映射关系三
表7阈值范围及映射关系四
(7)使用根据映射关系选定的修复技术方法对湖泊进行修复；(8)用选定的修复技术方法对湖泊进行修复一个周期时间后，再根据步骤(1)采集湖泊生态特征参数的实时数据，重复步骤(2)、(3)、(4)、(5)、(6)和(7)，直至获得EHALL≥90。2.根据权利要求1所述的湖泊生态系统健康评价和修复方法，其特征在于：步骤(3)中W
W
为0.2、W
H
为0.3、W
O
为0.5。3.根据权利要求1所述的湖泊生态系统健康评价和修复方法，其特征在于：步骤(2)中以前期最优状态年份的历史数值为参考值来设定水质指数I
W
的权重P
i
、生境综合指数I
H
的权重T
i
和T
ij
以及生物综合指数I
O
的权重Q
i
和Q
ij
。4.根据权利要求1所述的湖泊生态系统健康评价和修复方法，其特征在于：步骤(7)中的各域值范围根据、均值比值法、已知目标法或建立目标法来确定，历史基准法是以前期最优状态年份的历史数值为参考值来确定阈值范围；均值比值法是以前期一个时间阶段的历史平均值为参考值来确定阈值范围，且该时间阶段的评价参数处于最优状态；已知目标法是依据前期已知最优数据作为参考值来确定阈值范围；建立目标法是依据对目前湖泊生态系统健康的危害程度作为参考来确定阈值范围。5.根据权利要求4所述的湖泊生态系统健康评价和修复方法，其特征在于：步骤(6)中湖泊生态系统顶层数据为健康指数EHALL的阈值范围分别为EHALL＜Y
11
、Y
11
≤EHALL＜Y
12
、Y
12
≤EHALL＜Y
13
和EHALL≥Y
13
；湖泊生态系统EHALL下属的中间层数据为水质指数I
W
的阈值范围分别为I
W
＜Y
21
、Y
21
≤I
W
＜Y
22
、Y
22
≤I
W
＜Y
23
和I
W
≥Y
23
，生境指数I
H
的阈值范围分别为I
H
＜Y
21
、Y
21
≤I
H
＜Y
22
、Y
22
≤I
H
＜Y
23
和I
H
≥Y
23
，生物指数I
O
的阈值范围分别为I
O
＜Y
21
、Y
21
≤I
O
＜Y
22
、Y
22
≤I
O
＜Y
23
和I
O
≥Y
23
；水质指数I
W
下属的底层数据为采集到的湖泊生态特征参数实时数据的赋分值I
′
Wi
，i＝1,2,
……
,8，各赋分值的阈值范围为I
′
Wi
＜Y
31
、Y
31
≤I
′
Wi
＜Y
32
、Y
32
≤I
′
Wi
＜Y
33
和I
′
Wi
≥Y
33
，生境指数I
H
下属的下层数据为岸带I
H1
、底质I
H2
和水体I
H3
，生物指数I
O
下属的下层数据为鸟类I
O1
、江豚I
O2
、鱼类I
O3
、水生植物I
O4
、底栖动物I
O5
、浮游植物I
O6
和浮游动物I
O7
。6.根据权利要求5所述的湖泊生态系统健康评价和修复方法，其特征在于：步骤(6)中Y
11
为60,Y
12
为80,Y
13
为90；Y
21
为50,Y
22
为75,Y
23
为90；Y
31
为50,Y
32
为75,Y
33
为90。7.根据权利要求1所述的湖泊生态系统健康评价和修复方法，其特征在于：步骤(5)建立的湖泊生态系统修复方法的分层排列树形结构数据库中，下层数据下属的底层数据为修复技术方法，具体是保育水质修复方法B
W
下属的底层数据至少包括城镇居民生活污水处理技术JW1和水污染源输入控制技术JW2；自然水质修复方法Z
W
下属的底层数据至少包括水体自净修复技术JW3和动力换水技术JW4；辅助水质修复方法F
W
下属的底层数据至少包括生态稳定塘技术JW5、投放微生物菌剂技术JW6和生物膜技术JW7；生态重塑水质修复方法S
W
下属的底层数据至少包括水产养殖技术JW8和底泥疏浚技术JW9；保育生境修复方法B
E
下属的底层数据至少包括退渔还湖技术JE1、湖岸整治技术JE2和综合生境保育技术JE3；自然生境修复方法Z
E
下属的底层数据至少包括植物种类选配种植技术JE4、河湖连通恢复技术JE5和植物群落自然修复技术JE6；辅助生境修复方法F
E
下属的底层数据至少包括潜坝消浪技术JE7、环湖林带种植技术JE8和缓冲带植被修复技术JE9；生态重塑生境修复方法S
E
下属的底层数据至少包括人工湿地技术JE
10
、生态浮床技术JE
11
和底质生境重塑技术JE
12
；保育生物修复方法B
A
下属的底层数据至少包括以草控藻修复技术JA1、生物入侵种控制技术JA2和鸟类综合保育技术JA3；自然生物修复方法Z
A
下属的底层数据至少包括原位生物修复技术JA4、水层食物链控制技术JA5和鸟类群落自然恢复技术JA6；辅助生物修复方法F
A
下属的底层数据至少包括水生植物修复技术JA7、特殊鱼类投放技术JA8和鸟类饵料资源修复技术JA9；生态重塑生物修复方法S
A
下属的底层数据至少包括水生动物投放技术JA
10
、水生植物群落重塑技
术JA
11
和鸟类群落重塑技术JA
12
。8.根据权利要求7所述的湖泊生态系统健康评价和修复方法，其特征在于：所述湖泊生态系统修复方法的分层排列树形结构数据库的底层数据为环境保护领域现有的修复技术方法，城镇居民生活污水处理技术JW1：城镇居民生活污水由城市排水管网汇集并输送到污水处理厂进行处理；水污染源输入控制技术JW2：对湖泊入湖河道及补水线路沿线存在的污染源实施综合整治；水体自净修复技术JW3：即经过水体的物理、化学与生物的作用，使污水中污染物的浓度得以降低，使水体恢复到受污染前的状态，并在微生物的作用下进行分解，从而使水体由不洁恢复为清洁；动力换水技术JW4：定期补水，加速湖水交换，使湖泊水体“动起来”，提高其自净能力，以提高湖泊的水质，降低湖泊的富营养化程度；生态稳定塘技术JW5：利用天然净化能力对污水进行处理的构筑物的总称，是以塘为主要构筑物，利用自然界的生物群体净化污水的处理设施，稳定塘是以太阳能为初始能量，通过在塘中种植水生植物，进行水产和水禽养殖，形成人工生态系统，在太阳能作为初始能量的推动下，通过稳定塘中多条食物链的物质迁移、转化和能量的逐级传递、转化，将进入塘中污水的有机污染物进行降解和转化，最后去除污染物，而且以水生植物和水产、水禽的形式作为资源回收，净化的污水作为再生资源予以回收再用；投放微生物菌剂技术JW6：利用菌类微生物的活动，使有毒有害污染物转化为无毒或低毒的无机化合物，使水体恢复自净或通过将人工培养和人工改造对污染物降解有明显效果的复合微生物菌剂投加到水体中使其与水体自身带有的微生物共同作用，对有机污染物进行降解，有效去除污染物；生物膜技术JW7：指当比表面积较大的载体上富集着大量微生物时，微生物含有丰富的氮和磷等营养物质，这种载体就能有效地拦截、吸附、降解这些物质，进而对水中的污染物进行分解，转化出多余的氮、磷等营养物质，达到污染水体进行净化的作用；水产养殖技术JW8：利用可供养殖和种植的水域，养殖对象的生态习性和对水域环境条件的要求不同，运用水产养殖技术和设施，水生经济动、植物养殖；底泥疏浚技术JW9：科学制定湖区清淤计划，采取环保生态清淤方法，重点清理局部区域的湖底面层淤泥，提高湖区深度，去除底泥的污染物含量，有效控制由于夏、秋季温度升高后，底泥中有机物分解释放对水体水质产生不良影响；同时对入湖河道实施清淤和河道综合整治，通过生态清淤，消减底泥中总氮总磷，保障河道水系畅通，从而提高入湖河道水质；退渔还湖技术JE1：拆除影响湖泊自然生态景观的养殖设施，使湖泊水面得以恢复；湖岸整治技术JE2：全面清理整治排查出的违法违规岸线利用项目，以打通河湖行洪通道，拓宽水域面积；综合生境保育技术JE3：通过多种手段，保护或建造原有的生境特征，保护生境多样性；植物种类选配种植技术JE4：根据生态系统状况,结合植物的生态规律,优选指定条件的植物种类，并选择合适的环境进行栽植；河湖连通恢复技术JE5：维系、重塑或新建河湖水流连接通道，维持河湖流域水文循环、物质循环和能量循环如开挖和疏浚连接通道、拆除控制闸坝；植物群落自然修复技术JE6：经过生态系统自身的物理、化学与生物的作用，使植物群落恢复到受污染前的状态；潜坝消浪技术JE7：潜没于湖区控制高水位以下，并以湖滨带消浪为主要目的而构筑的建筑物；环湖林带种植技术JE8：恢复和重建后的岸坡植被对水陆生态系统间的物流、能流、信息流和生物流，起到廊道、过滤器和屏障的作用，发挥控制水土流失、保护水岸，增加动植物...
【专利技术属性】
技术研发人员：陈宇顺，熊芳园，过龙根，屈霄，辛未，
申请(专利权)人：中国科学院水生生物研究所，
类型：发明
国别省市：
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