湟水干流西寧段河流健康評(píng)價(jià)模型

王鵬全，吳元梅，張麗娟，楊旭亮，蘇志偉

(1.青海民族大學(xué)土木與交通工程學(xué)院，青海 西寧 810007； 2.青海省水利水電科學(xué)研究院有限公司，青海 西寧 810001；3.青海省流域水循環(huán)與生態(tài)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，青海 西寧 810001； 4.青海省水資源高效利用工程技術(shù)研究中心，青海 西寧 810001)

河流生態(tài)系統(tǒng)不但承載著自然服務(wù)功能，同時(shí)也承載著社會(huì)服務(wù)功能，河流健康的重要性不言而喻。河流健康既強(qiáng)調(diào)保護(hù)河流生態(tài)系統(tǒng)健康，也要求保障河流社會(huì)服務(wù)功能健康[1]。河流健康評(píng)價(jià)是基于一定的初始狀態(tài)和評(píng)估準(zhǔn)則，動(dòng)態(tài)刻畫(huà)“自然-社會(huì)”二元水循環(huán)模式下河流生態(tài)系統(tǒng)的運(yùn)行狀況，力圖在河流開(kāi)發(fā)與保護(hù)的博弈過(guò)程中取得平衡[2]。在水資源綜合管理過(guò)程中一旦發(fā)現(xiàn)河流處于較低健康水平則發(fā)出預(yù)警，進(jìn)而引起社會(huì)公眾對(duì)河流問(wèn)題的關(guān)注，形成政府、企業(yè)、公眾參與的多元化3E(Economy,Equity,Environment)水資源管理共同體，即水資源開(kāi)發(fā)利用與管理需在經(jīng)濟(jì)發(fā)展、社會(huì)公平、環(huán)境保護(hù)之間尋找平衡，使得河流自然生命健康和社會(huì)服務(wù)功能健康形成良性循環(huán)，從而建設(shè)人水和諧和生態(tài)文明的健康河流[3]。

國(guó)內(nèi)河流健康評(píng)價(jià)技術(shù)手段主要包括河流水體物理化學(xué)評(píng)價(jià)、生物棲息地質(zhì)量評(píng)價(jià)、水文評(píng)價(jià)和生物評(píng)價(jià)，評(píng)價(jià)方法主要包括生態(tài)監(jiān)測(cè)指標(biāo)法和指標(biāo)體系綜合評(píng)價(jià)法，其中以后者見(jiàn)多。國(guó)內(nèi)學(xué)者主要開(kāi)展了基于層次分析法、模糊數(shù)學(xué)法等多種模型的河流健康評(píng)價(jià)研究和應(yīng)用。蔡守華等[4]綜合考慮河流自然生態(tài)健康和社會(huì)服務(wù)功能健康，提出了河流健康評(píng)價(jià)的7個(gè)評(píng)價(jià)對(duì)象和10項(xiàng)評(píng)價(jià)指標(biāo)；吳阿娜[5]從理化參數(shù)、生物指標(biāo)、形態(tài)結(jié)構(gòu)、水文特征、河岸帶狀況等方面構(gòu)建了城市河流健康評(píng)價(jià)指標(biāo)體系；鄧曉軍等[6]基于城市河流健康的內(nèi)涵，構(gòu)建出包含自然生態(tài)、社會(huì)經(jīng)濟(jì)和景觀環(huán)境等三方面24個(gè)指標(biāo)的城市河流健康評(píng)價(jià)指標(biāo)體系；高凡等[7]針對(duì)變化環(huán)境背景，從河流健康的概念和內(nèi)涵、河流健康評(píng)價(jià)內(nèi)容、方法及應(yīng)用等方面，評(píng)述了近年來(lái)國(guó)內(nèi)外河流健康評(píng)價(jià)的研究進(jìn)展；彭文啟[8]通過(guò)總結(jié)全國(guó)河湖健康評(píng)估工作的技術(shù)成果，從水文水資源、河湖物理形態(tài)、水質(zhì)、水生生物及河湖社會(huì)服務(wù)功能等五方面提出河湖健康評(píng)估指標(biāo)、標(biāo)準(zhǔn)與方法；王乙震等[9]根據(jù)河湖健康內(nèi)涵及全國(guó)重要水功能區(qū)劃管理制度，分析了河湖健康評(píng)估與水功能區(qū)劃的關(guān)系，探討了基于水功能區(qū)劃的河湖健康內(nèi)涵，提出了基于水功能區(qū)劃的河湖健康評(píng)估指標(biāo)體系的健康河流、湖泊特征，闡述了基于水功能區(qū)劃的河湖健康評(píng)估原則。

目前國(guó)內(nèi)河流健康評(píng)價(jià)指標(biāo)體系綜合評(píng)價(jià)法多從水文水資源、河湖物理形態(tài)、水質(zhì)、水生生物及河湖社會(huì)服務(wù)功能等方面構(gòu)建評(píng)價(jià)指標(biāo)體系與模型，但指標(biāo)體系未能與河長(zhǎng)制工作任務(wù)緊密聯(lián)系起來(lái)，在如何銜接河長(zhǎng)工作任務(wù)開(kāi)展河湖健康評(píng)價(jià)[10]，指導(dǎo)河長(zhǎng)工作考核以及河長(zhǎng)精準(zhǔn)施策方面的研究較少。本文總結(jié)國(guó)內(nèi)河流健康評(píng)價(jià)的理論、方法和經(jīng)驗(yàn)，基于河長(zhǎng)制工作任務(wù)建立了與河長(zhǎng)制相結(jié)合的河流健康評(píng)價(jià)模型，覆蓋水資源保護(hù)、水污染防治、水環(huán)境治理、水生態(tài)修復(fù)、水域岸線管理等五方面，包含29項(xiàng)評(píng)價(jià)指標(biāo)[11]。

湟水干流是湟水流域主要的生態(tài)廊道，受人類(lèi)活動(dòng)和氣候變化影響，湟水西寧段河流水文、地貌形態(tài)、生物棲息地、河谷生態(tài)系統(tǒng)、沿河景觀、水體環(huán)境等遭到不同程度的破壞，河流承載的自然服務(wù)功能和社會(huì)服務(wù)功能有所退化。隨著西寧市“五四戰(zhàn)略”“一優(yōu)兩高”及河湖長(zhǎng)制的深入有效推進(jìn)，對(duì)維持和保護(hù)河流生態(tài)系統(tǒng)的生命健康和美麗河湖建設(shè)提出了更高要求。本文嘗試基于河長(zhǎng)制建立湟水干流西寧段河流健康評(píng)價(jià)模型，旨在識(shí)別人類(lèi)活動(dòng)對(duì)流域生態(tài)系統(tǒng)的影響范圍和影響程度，為區(qū)域水資源保護(hù)、水污染防治、水環(huán)境治理、水生態(tài)修復(fù)、水域岸線管理提供參考。

1 湟水干流西寧段河流健康評(píng)價(jià)方法

1.1 河流健康評(píng)價(jià)指標(biāo)體系及其權(quán)重

河流健康評(píng)價(jià)是對(duì)河流生態(tài)系統(tǒng)與社會(huì)服務(wù)功能以及它們之間協(xié)調(diào)性的評(píng)價(jià)，評(píng)價(jià)指標(biāo)體系宜清晰描述河流健康與環(huán)境壓力之間的響應(yīng)關(guān)系，能系統(tǒng)識(shí)別河流健康狀況，并揭示河流受損成因，從而對(duì)河流系統(tǒng)治理與科學(xué)管理提供決策支持[12-14]。通過(guò)文獻(xiàn)檢索河流健康評(píng)價(jià)方法和指標(biāo)體系，梳理其評(píng)價(jià)指標(biāo)近200個(gè)，但不難發(fā)現(xiàn)河流健康評(píng)價(jià)主要針對(duì)自然生態(tài)功能與社會(huì)服務(wù)功能兩方面展開(kāi)[5,8,15-20]。河流自然生態(tài)功能評(píng)價(jià)包括水文水資源評(píng)價(jià)、物理化學(xué)評(píng)價(jià)、生物棲息地質(zhì)量評(píng)價(jià)和生物群落評(píng)價(jià)；社會(huì)服務(wù)功能評(píng)價(jià)包括供給功能評(píng)價(jià)、調(diào)節(jié)功能評(píng)價(jià)、支持功能評(píng)價(jià)與文化功能評(píng)價(jià)。

現(xiàn)行《全國(guó)河流健康評(píng)估指標(biāo)、標(biāo)準(zhǔn)與方法》從水文水資源、河湖物理形態(tài)、水質(zhì)、水生生物及河湖社會(huì)服務(wù)功能五方面建立河流健康評(píng)價(jià)指標(biāo)體系；而《關(guān)于全面推行河長(zhǎng)制的意見(jiàn)》明確了水資源保護(hù)、水域岸線管理保護(hù)、水污染防治、水環(huán)境治理、水生態(tài)修復(fù)和執(zhí)法監(jiān)管六方面任務(wù)。為加強(qiáng)河流健康評(píng)價(jià)對(duì)河長(zhǎng)制工作和多元化3E水資源綜合管理的決策支撐作用，本次河流健康評(píng)價(jià)指標(biāo)遴選突出與研究區(qū)水生態(tài)特點(diǎn)相適應(yīng)、與河長(zhǎng)制工作內(nèi)容相結(jié)合、與《全國(guó)河流健康評(píng)估指標(biāo)、標(biāo)準(zhǔn)與方法》相銜接的原則。

考慮到層次分析法(AHP)具有簡(jiǎn)單、靈活和實(shí)用的特點(diǎn)，且容易被基層技術(shù)人員掌握，特別是對(duì)多準(zhǔn)則評(píng)價(jià)決策和難以完全定量分析的問(wèn)題具有很強(qiáng)的適用性，本文采用層次分析法建立湟水干流西寧段河流健康評(píng)價(jià)的AHP遞階層次結(jié)構(gòu)[21]。目標(biāo)層為湟水干流西寧段河流健康，準(zhǔn)則層指標(biāo)為水資源保護(hù)、水環(huán)境治理、水生態(tài)修復(fù)、水污染防治和水域岸線管理5類(lèi)，指標(biāo)層結(jié)合區(qū)域?qū)嶋H情況篩選出認(rèn)可度較高、使用頻次較多的指標(biāo)，再根據(jù)指標(biāo)表征含義去掉并列或者具有包含關(guān)系的指標(biāo)，設(shè)置29項(xiàng)評(píng)價(jià)指標(biāo)(定量指標(biāo)22項(xiàng)，定性指標(biāo)7項(xiàng))，覆蓋河流自然生態(tài)功能、社會(huì)服務(wù)功能、河長(zhǎng)制工作內(nèi)容、多元化3E水資源綜合管理等多個(gè)方面。

依托AHP層次結(jié)構(gòu)，從目標(biāo)層開(kāi)始，依次以上一層指標(biāo)為依據(jù)對(duì)下一層中與之相關(guān)指標(biāo)通過(guò)兩兩比較，邀請(qǐng)不同行業(yè)專家按照指標(biāo)的重要性標(biāo)度值進(jìn)行打分，從而建立判斷矩陣，利用各指標(biāo)權(quán)重體現(xiàn)不同評(píng)價(jià)指標(biāo)作用的差異性[11]。指標(biāo)的重要性標(biāo)度值見(jiàn)表1。

表1 層析分析法的指標(biāo)重要性標(biāo)值

通過(guò)邀請(qǐng)專家利用層次分析法對(duì)準(zhǔn)則層各個(gè)指標(biāo)兩兩比較，得到準(zhǔn)則層的指標(biāo)判斷矩陣見(jiàn)表2。經(jīng)計(jì)算，準(zhǔn)則層指標(biāo)權(quán)重為W=(0.346 7,0.111 4,0.243 0,0.138 5,0.160 4)T，判斷矩陣最大特征根λ=5.091，CI=0.022 7，CR=0.020 3<0.1，滿足一致性檢驗(yàn)。利用同樣的方法邀請(qǐng)專家對(duì)指標(biāo)層打分形成指標(biāo)層權(quán)重Wij，這里不再贅述。本文提出湟水干流西寧段河流健康評(píng)價(jià)指標(biāo)體系及各層級(jí)指標(biāo)權(quán)重見(jiàn)表3。

表2 準(zhǔn)則層指標(biāo)判斷矩陣及權(quán)重

表3 湟水干流西寧段河流健康評(píng)價(jià)指標(biāo)體系及指標(biāo)權(quán)重

1.2 河流健康評(píng)價(jià)模型

河流健康評(píng)價(jià)影響因素眾多，因此采用層次分析法指標(biāo)體系賦分模糊評(píng)價(jià)法對(duì)河流的健康狀況進(jìn)行評(píng)價(jià)[5]。經(jīng)對(duì)各層級(jí)評(píng)價(jià)指標(biāo)賦分，利用指標(biāo)權(quán)重逐級(jí)計(jì)算得到河流健康水平，計(jì)算公式為

(1)

式中：RHL為河流健康水平；wi為準(zhǔn)則層權(quán)重；Pi為準(zhǔn)則層賦分；wij為準(zhǔn)則層i下指標(biāo)j權(quán)重；rj為各準(zhǔn)則層下指標(biāo)j賦分；m為各準(zhǔn)則層下分指標(biāo)總數(shù)；n為準(zhǔn)則層指標(biāo)個(gè)數(shù)。

指標(biāo)層賦分采用直接打分模式，先根據(jù)資料數(shù)據(jù)和技術(shù)規(guī)范獲取指標(biāo)現(xiàn)狀取值，再按指標(biāo)分級(jí)賦分標(biāo)準(zhǔn)開(kāi)展專家直接打分，考慮專家打分人為因素較強(qiáng)，故對(duì)所有專家打分值去掉最高分和最低分后取其均值表征該指標(biāo)的綜合得分。

河流健康評(píng)價(jià)采用百分制5級(jí)分值賦分模糊評(píng)價(jià)，對(duì)應(yīng)設(shè)定5個(gè)評(píng)價(jià)等級(jí)和健康類(lèi)型，健康水平集合可設(shè)為{很健康，健康，亞健康，不健康，很不健康}，根據(jù)河流健康評(píng)價(jià)結(jié)果，考核河長(zhǎng)業(yè)績(jī)，識(shí)別人類(lèi)活動(dòng)對(duì)流域生態(tài)系統(tǒng)的影響范圍和影響程度，揭示河流受損成因，并采取相應(yīng)的治理措施。本文采用的河流健康評(píng)價(jià)等級(jí)、健康水平、賦分范圍、預(yù)警顏色和對(duì)應(yīng)措施見(jiàn)表4。

表4 河流健康評(píng)價(jià)模型及對(duì)應(yīng)措施

表5 河流健康評(píng)價(jià)定量指標(biāo)賦分標(biāo)準(zhǔn)

1.3 評(píng)價(jià)指標(biāo)賦分標(biāo)準(zhǔn)

重點(diǎn)參考《全國(guó)河流健康評(píng)估指標(biāo)、標(biāo)準(zhǔn)與方法(辦資源[2010]484號(hào))》《全國(guó)水生態(tài)文明城市評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)(試行)》、GB 3838—2002《地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》、SL 709—2015《河湖生態(tài)保護(hù)與修復(fù)規(guī)劃導(dǎo)則》《水工程規(guī)劃設(shè)計(jì)生態(tài)指標(biāo)體系與應(yīng)用指導(dǎo)意見(jiàn)》(水總環(huán)移[2010]248號(hào))、美國(guó)RBPs生境評(píng)估標(biāo)準(zhǔn)[22]等資料，結(jié)合湟水干流實(shí)際情況，從定性和定量?jī)蓚€(gè)方面對(duì)每個(gè)指標(biāo)的賦分標(biāo)準(zhǔn)與范圍標(biāo)定了5個(gè)等級(jí)，各等級(jí)賦分閾值與河流健康水平一致[8,23-24]。本次提出湟水干流西寧段河流健康評(píng)價(jià)定量指標(biāo)賦分標(biāo)準(zhǔn)見(jiàn)表5，定性指標(biāo)賦分標(biāo)準(zhǔn)見(jiàn)表6。

表6 河流健康評(píng)價(jià)定性指標(biāo)賦分標(biāo)準(zhǔn)

2 模型應(yīng)用

考慮到河流健康評(píng)價(jià)的動(dòng)態(tài)性，本次將評(píng)價(jià)模型應(yīng)用于2018年湟水干流西寧段河流健康評(píng)價(jià)，評(píng)價(jià)范圍位于北緯36°31′～37°46′，東經(jīng)100°34′～101°55′，東西長(zhǎng)48 km，南北寬20 km，總面積380 km2。所含行政區(qū)域包括城東區(qū)、城中區(qū)、城西區(qū)、城北區(qū)、海湖新區(qū)、西寧經(jīng)濟(jì)開(kāi)發(fā)區(qū)(東川工業(yè)園區(qū)、甘河工業(yè)園區(qū)、南川工業(yè)園區(qū)、生物科技產(chǎn)業(yè)園區(qū))，評(píng)價(jià)區(qū)位置及范圍見(jiàn)圖1。

圖1 評(píng)價(jià)區(qū)位置及范圍

評(píng)價(jià)采用的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)來(lái)源于《青海省西寧市湟水河“一河一策”實(shí)施方案》《青海省水資源公報(bào)》《湟水流域綜合規(guī)劃》《西寧市水生態(tài)文明城市建設(shè)試點(diǎn)實(shí)施方案》《西寧市年環(huán)境質(zhì)量狀態(tài)公報(bào)》《西寧市水污染防治工作方案》《西寧市全面推行河長(zhǎng)制實(shí)施方案》等資料，1954—2018年長(zhǎng)系列徑流資料由青海省水文水資源勘測(cè)局提供。定性指標(biāo)數(shù)據(jù)主要在以上資料收集和實(shí)地考察的基礎(chǔ)上征詢相關(guān)專家意見(jiàn)得出。

利用指標(biāo)體系和評(píng)價(jià)模型對(duì)研究區(qū)河流健康指數(shù)進(jìn)行評(píng)價(jià)，河流健康評(píng)價(jià)指標(biāo)層賦分結(jié)果見(jiàn)圖2，河流健康評(píng)價(jià)綜合結(jié)果見(jiàn)圖3。準(zhǔn)則層中水資源保護(hù)60分，水環(huán)境治理65分，水生態(tài)修復(fù)54分，水污染防治35分，水域岸線管理63分，綜合計(jì)算該評(píng)價(jià)區(qū)域河流健康得分56分，評(píng)價(jià)等級(jí)為Ⅲ級(jí)，屬亞健康水平，達(dá)到黃色預(yù)警。針對(duì)本次評(píng)價(jià)結(jié)果，河長(zhǎng)應(yīng)在一定程度上組織對(duì)該段河流進(jìn)行保護(hù)、修復(fù)、治理、管控和評(píng)估。

圖2 河流健康評(píng)價(jià)指標(biāo)層賦分

圖3 河流健康綜合評(píng)價(jià)結(jié)果

評(píng)價(jià)指標(biāo)中“水資源開(kāi)發(fā)利用率”“水功能區(qū)水質(zhì)達(dá)標(biāo)率”“魚(yú)類(lèi)保有指數(shù)”“河流納污能力”“水質(zhì)狀況指數(shù)”“COD污染狀況”“NH3-N污染狀況”“面源污染程度”“河道縱向連通性”“河道橫向連通性”“河湖水系連通程度”等11項(xiàng)評(píng)價(jià)指標(biāo)賦分較低，是影響河流健康的主要因子，特別在水污染防治和水生態(tài)修復(fù)方面亟須進(jìn)一步加強(qiáng)。針對(duì)評(píng)價(jià)河段健康狀態(tài)及其主要影響因素，建議：①統(tǒng)籌協(xié)調(diào)區(qū)域水資源保護(hù)和水污染防治工作，編制和落實(shí)水污染防治規(guī)劃，強(qiáng)化區(qū)域水功能區(qū)監(jiān)督和考核，實(shí)施入河排污口分級(jí)管理制度，完善水質(zhì)監(jiān)測(cè)網(wǎng)絡(luò)體系；②建立健全多部門(mén)治污聯(lián)防聯(lián)控機(jī)制，合理調(diào)整南川工業(yè)園區(qū)、東川工業(yè)園區(qū)、生物科技產(chǎn)業(yè)園區(qū)等工業(yè)布局，加大生產(chǎn)廢水和生活污水綜合處理站建設(shè)和中水回用工程建設(shè)，加快引大濟(jì)湟灌區(qū)農(nóng)業(yè)面源污染防治示范基地建設(shè)，大力推行農(nóng)村清潔養(yǎng)殖，嚴(yán)格控制畜禽養(yǎng)殖污染排放；③進(jìn)一步明確河道生態(tài)岸線，對(duì)受損嚴(yán)重棲息地進(jìn)行適當(dāng)修復(fù)，確保其生態(tài)用水和生境連通需求，加大河湖水系連通工程建設(shè)，倡導(dǎo)綠色小水電建設(shè)，確保河流生態(tài)系統(tǒng)健康底線和服務(wù)功能完整。

3 結(jié) 語(yǔ)

開(kāi)展河流健康評(píng)價(jià)是河流管理與修復(fù)的基礎(chǔ)性工作，有利于促進(jìn)生態(tài)保護(hù)與水資源可持續(xù)利用。本文針對(duì)河流健康評(píng)價(jià)篩選了5類(lèi)29項(xiàng)評(píng)價(jià)指標(biāo)，確定了評(píng)價(jià)指標(biāo)賦分標(biāo)準(zhǔn)與準(zhǔn)則，基于河長(zhǎng)制工作任務(wù)，利用層次分析法嘗試建立了適合湟水干流西寧段的河流健康評(píng)價(jià)模型。通過(guò)模型實(shí)例應(yīng)用，研究區(qū)河流健康評(píng)價(jià)綜合得分56分，評(píng)價(jià)等級(jí)為Ⅲ級(jí)，屬亞健康水平，達(dá)到黃色預(yù)警。該模型與方法可以滿足研究區(qū)河流健康評(píng)價(jià)的需求，但如何結(jié)合“一河一檔”“一河一策”，選擇更加普適性的指標(biāo)體系、指標(biāo)權(quán)重和賦分標(biāo)準(zhǔn)，在不同空間尺度和時(shí)間尺度開(kāi)展流域單元?jiǎng)討B(tài)健康評(píng)價(jià)與水資源調(diào)控研究工作，仍需進(jìn)一步研究。今后工作中要結(jié)合新時(shí)期“水利工程補(bǔ)短板，水利行業(yè)強(qiáng)監(jiān)管”的具體要求，進(jìn)一步加強(qiáng)河長(zhǎng)制工作，探索河長(zhǎng)制管理與河流健康評(píng)估“一張網(wǎng)、一張圖、一套基礎(chǔ)數(shù)據(jù)、一個(gè)門(mén)戶”的深度融合，突出水資源調(diào)控和河湖生態(tài)環(huán)境監(jiān)管深度耦合，確保河流自然生命健康和服務(wù)功能完整。