引漢灌區(qū)河湖生態(tài)健康評(píng)價(jià)體系研究

嚴(yán)少軍，董建華，馮亮

（1.天門市水利水電勘測(cè)設(shè)計(jì)院，湖北天門 431700；2.武漢大學(xué)水利水電學(xué)院，湖北武漢 430072）

0 引言

河流湖泊是人類淡水資源的最主要來(lái)源，其生態(tài)健康狀況關(guān)乎人類社會(huì)的可持續(xù)發(fā)展。然而，隨著社會(huì)不斷進(jìn)步和發(fā)展，人類的資源開(kāi)發(fā)利用活動(dòng)不斷增加，河湖的生態(tài)健康狀況日益令人擔(dān)憂。以引漢灌區(qū)為例，該灌區(qū)水道縱橫、湖蕩棋布，河網(wǎng)水流流向、流態(tài)不定。由于河網(wǎng)、河道的大規(guī)模開(kāi)發(fā)，以及對(duì)河道的過(guò)度改建、渠化、閘控等工程建設(shè)，加上大量的工業(yè)廢水和生活污水排放，導(dǎo)致灌區(qū)河湖生態(tài)環(huán)境質(zhì)量日趨下降。為防止引漢灌區(qū)河湖生態(tài)健康狀況惡化，建立引漢灌區(qū)河湖生態(tài)健康評(píng)價(jià)指標(biāo)體系，進(jìn)而提出合理的管理與保護(hù)措施，具有非常重要的現(xiàn)實(shí)意義。

針對(duì)河流或者湖泊的生態(tài)健康評(píng)價(jià)問(wèn)題，國(guó)內(nèi)外已有不少研究［1，2］。方國(guó)華等［3］從河道功能、形態(tài)、生態(tài)和環(huán)境等6 個(gè)方面建立了生態(tài)環(huán)境評(píng)估指標(biāo)體系。董哲仁等［4］根據(jù)生物質(zhì)量、水文、物理化學(xué)和地貌因素等10 項(xiàng)指標(biāo)，確定了評(píng)價(jià)指標(biāo)的權(quán)重和等級(jí)，并構(gòu)建了相應(yīng)的評(píng)價(jià)體系。蔡永久等［5］從自然形態(tài)、水文水資源、水環(huán)境質(zhì)量、水生態(tài)等方面，對(duì)洪澤湖健康狀態(tài)進(jìn)行了評(píng)價(jià)。但現(xiàn)有研究大多針對(duì)單一的河流或者湖泊，而類似引漢灌區(qū)這樣的平原河網(wǎng)灌區(qū)通常同時(shí)存在河流和湖泊兩種生態(tài)系統(tǒng)，現(xiàn)有生態(tài)健康評(píng)價(jià)體系難以直接用于類似灌區(qū)。因此，本文根據(jù)引漢灌區(qū)河湖特征，提出了針對(duì)該地區(qū)的河湖生態(tài)健康評(píng)價(jià)指標(biāo)體系，并基于模糊理論的評(píng)價(jià)模型，選取漢北河和半頭湖為典型，對(duì)灌區(qū)河湖水生態(tài)健康系統(tǒng)進(jìn)行了量化評(píng)估，以期為灌區(qū)河湖生態(tài)系統(tǒng)的管理、治理和修復(fù)提供決策參考。

1 研究區(qū)域

天門引漢灌區(qū)位于湖北省天門市，地處漢江下游的江漢平原北部，流經(jīng)灌區(qū)的河流主要是漢北河和天門河，漢江從灌區(qū)邊緣流過(guò)。天門市河流流域面積達(dá)50 km2的河流38條，河道總長(zhǎng)1 014.15 km2，境內(nèi)湖泊眾多，面積100 畝以上的湖泊達(dá)45個(gè)，總面積達(dá)37.38 km2。天門市引漢灌區(qū)承擔(dān)著全市的農(nóng)田灌溉任務(wù)，并為天門河、漢北河、楊家新溝、東湖、西湖、張家大湖、華嚴(yán)湖等重要河湖提供生態(tài)補(bǔ)水，同時(shí)還具有排澇、發(fā)電、沖污、航運(yùn)等功能，范圍涉及全市各鄉(xiāng)鎮(zhèn)辦場(chǎng)。灌區(qū)自然條件優(yōu)越，經(jīng)濟(jì)資源豐富，盛產(chǎn)糧、棉、油、食鹽等，是湖北省乃至全國(guó)著名的商品糧、優(yōu)質(zhì)棉生產(chǎn)基地，地下儲(chǔ)有無(wú)水芒硝132 萬(wàn)t、鹽184億t，沉湖地區(qū)南岸已探明石油資源100 萬(wàn)t，為輕紡工業(yè)、鹽化工業(yè)提供了充足的原料。

漢北河是20 世紀(jì)70 年代初開(kāi)挖的一條人工河，兼有撇洪、灌溉和航運(yùn)的作用。自天門市萬(wàn)家臺(tái)接天門河起，在武漢市東西湖區(qū)新溝鎮(zhèn)注入漢江，全長(zhǎng)91.8 km。多年平均流量92.2 m3/s，年徑流總量29.1 億m3。漢北河流域地處江漢平原北部邊緣，從20 世紀(jì)90 年代始，湖北省對(duì)漢北河的防洪排澇、航運(yùn)等開(kāi)展了持續(xù)研究和治理，總投資約18 205.5 萬(wàn)元。

2 灌區(qū)河湖生態(tài)健康評(píng)價(jià)指標(biāo)體系

2.1 評(píng)價(jià)體系構(gòu)建

平原水網(wǎng)河湖生態(tài)系統(tǒng)一般具有以下特征：①河湖關(guān)系緊密，相互之間水量交換顯著；②河流系統(tǒng)的環(huán)境質(zhì)量對(duì)湖泊的影響較大；③低水深區(qū)域容易形成垂直混合；④適宜的氣候環(huán)境可能導(dǎo)致“水華”的爆發(fā)；⑤水體與土壤之間物質(zhì)交換頻繁［6］。傳統(tǒng)的河湖系統(tǒng)評(píng)價(jià)常以水質(zhì)、環(huán)境作為指標(biāo)，而忽略了河流、湖泊、水文、地貌、水質(zhì)、生態(tài)群落等因素的綜合作用?；谝陨咸卣鳎瑓⒖紘?guó)內(nèi)外河流湖泊生態(tài)評(píng)價(jià)指標(biāo)體系的研究成果［7-9］，結(jié)合引漢灌區(qū)的實(shí)際，本文建立了引漢灌區(qū)河湖生態(tài)健康評(píng)價(jià)指標(biāo)體系。該體系由目標(biāo)層、準(zhǔn)則層和指標(biāo)層構(gòu)成。目標(biāo)層即為河湖生態(tài)系統(tǒng)健康狀況，準(zhǔn)則層包括物理形態(tài)結(jié)構(gòu)、水文特征、水質(zhì)狀況、水生生物和底棲生物等5項(xiàng)。指標(biāo)層包括22個(gè)，其中13 個(gè)指標(biāo)為河流和湖泊共有，5 個(gè)指標(biāo)為河流獨(dú)有，4 個(gè)指標(biāo)為湖泊獨(dú)有。各指標(biāo)的具體內(nèi)涵及計(jì)算方法見(jiàn)表1。從各指標(biāo)的內(nèi)涵可以看出，本文提出的評(píng)價(jià)指標(biāo)可分為兩大類：第一類指標(biāo)與河湖生態(tài)系統(tǒng)健康狀況呈正相關(guān)，如天然植被覆蓋率和口門暢通率等；第二類指標(biāo)與河湖生態(tài)系統(tǒng)健康狀況呈負(fù)相關(guān)，如內(nèi)梅羅綜合污染指數(shù)、營(yíng)養(yǎng)指數(shù)和浮游植物密度等。

表1 引漢灌區(qū)河湖生態(tài)健康評(píng)價(jià)指標(biāo)體系Tab.1 Evaluation index system of river and lake ecological health for the Han Diversion Irrigation District

為了分析河湖生態(tài)系統(tǒng)的健康狀況，本文對(duì)各個(gè)指標(biāo)進(jìn)行了量化，并按照“健康、微健康、亞健康、微病態(tài)和病態(tài)”將其分為5 個(gè)等級(jí)，見(jiàn)表2。由于各指標(biāo)物理屬性差異較大，為便于綜合評(píng)價(jià)，每個(gè)指標(biāo)統(tǒng)一按0～1 計(jì)算隸屬度，1 代表最大健康指數(shù)，0 代表最小健康指數(shù)。5 個(gè)健康等級(jí)平均劃分為5 個(gè)刻度區(qū)（0～0.2、0.2～0.4、0.4～0.6、0.6～0.8、0.8～1.0），分別對(duì)應(yīng)5 個(gè)健康等級(jí)。

表2 引漢灌區(qū)河湖生態(tài)健康評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)Tab.2 Evaluation standard of ecological health of rivers and lakes for the Han Diversion Irrigation District

2.2 評(píng)價(jià)模型

河湖生態(tài)健康評(píng)估模型首先采用層次分析法（AHP）法對(duì)各個(gè)指標(biāo)確定對(duì)應(yīng)的權(quán)重，然后采用最大隸屬度原理對(duì)各個(gè)指標(biāo)進(jìn)行綜合評(píng)判。AHP 法簡(jiǎn)單易行，在處理多層次和多結(jié)構(gòu)的評(píng)價(jià)體系方面具有明顯的優(yōu)勢(shì)［10］。AHP 法需要將影響評(píng)價(jià)對(duì)象的不同因素進(jìn)行分層，以便于建立一個(gè)多層次的結(jié)構(gòu)模型。然后根據(jù)AHP法基本原則，構(gòu)造判定矩陣。最終通過(guò)數(shù)理分析方法進(jìn)行整合，得到綜合測(cè)評(píng)分?jǐn)?shù)。具體進(jìn)行評(píng)價(jià)時(shí)，首先根據(jù)調(diào)查統(tǒng)計(jì)或?qū)嵉赜^測(cè)獲得各指標(biāo)的指標(biāo)值，并與已制訂的河湖生態(tài)健康評(píng)價(jià)指標(biāo)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行比較，得到各指標(biāo)的健康等級(jí)。再通過(guò)加權(quán)權(quán)重，將不同指標(biāo)對(duì)河湖生態(tài)健康狀況的影響效果進(jìn)行綜合分析，從而判定河湖生態(tài)系統(tǒng)的健康狀況。

引漢灌區(qū)河湖生態(tài)健康評(píng)價(jià)模型按以下步驟構(gòu)建：

（1）建立目標(biāo)層、準(zhǔn)則層和指標(biāo)層。目標(biāo)層E被劃分為諸多準(zhǔn)則層Ai，其中i=1，2，3，4，5。也可以表示為：E=｛A1，A2，A3，A4，A5｝，而Ai中還包括m個(gè)指標(biāo)層，其特定值取決于i準(zhǔn)則層下的指數(shù)。

Ai=｛Bi1，Bi2，…，Bim｝

式中：Bim為第i準(zhǔn)則層下的第m個(gè)指標(biāo)。

（2）確定權(quán)重。權(quán)重FB也可以表示為：FBi=（FBi1，F(xiàn)Bi2，…，F(xiàn)Bim）。其中，F(xiàn)Bim是在第i準(zhǔn)則層下的第m個(gè)特定指數(shù)的權(quán)重向量。評(píng)價(jià)指標(biāo)的權(quán)重是否合理，對(duì)評(píng)估的效果有很大的影響。

“這次評(píng)議對(duì)我們來(lái)說(shuō)既是壓力，更是動(dòng)力。我們將以此次評(píng)議會(huì)為契機(jī)，提升工作水平，讓工作更接地氣，更出實(shí)效，努力為全市經(jīng)濟(jì)社會(huì)持續(xù)健康發(fā)展貢獻(xiàn)力量?！笔茉u(píng)議單位紛紛表示。

為了使權(quán)重分配合理，將AHP 法和熵權(quán)法相結(jié)合，通過(guò)AHP方法對(duì)定性指標(biāo)進(jìn)行加權(quán)［11］，并利用熵權(quán)法對(duì)量化指標(biāo)確定權(quán)重［12］。

（3）建立隸屬度矩陣。在此基礎(chǔ)上，根據(jù)各指數(shù)特點(diǎn)，確定了隸屬度函數(shù)R［13］。

式中：Ri為第i個(gè)準(zhǔn)則的隸屬度矩陣，其中，i=1，2，3，4，5。im表示第i個(gè)準(zhǔn)則中所包括的指標(biāo)總數(shù)。指標(biāo)的隸屬度函數(shù)選用升降半梯形分布函數(shù)，對(duì)于遞減型指標(biāo)（指從1 級(jí)至c級(jí)指標(biāo)標(biāo)準(zhǔn)特征值逐漸減小），可表示為：

式中：rijk為第i個(gè)準(zhǔn)則第j個(gè)指標(biāo)第k級(jí)的相對(duì)隸屬度；其中Sijk，Sijc分別表示第i個(gè)準(zhǔn)則第j個(gè)指標(biāo)第k級(jí)、第c級(jí)的特征值，即表2 中各指標(biāo)不同等級(jí)的標(biāo)準(zhǔn)值；xij為第i個(gè)準(zhǔn)則第j個(gè)指標(biāo)的指標(biāo)值。

對(duì)于遞增型指標(biāo)（指從1 級(jí)至c級(jí)指標(biāo)標(biāo)準(zhǔn)特征值逐漸增加），指標(biāo)的隸屬度函數(shù)只需改變上式的不等號(hào)方向。

（4）健康等級(jí)評(píng)價(jià)。本文的河湖生態(tài)健康評(píng)價(jià)指標(biāo)體系包括目標(biāo)層、準(zhǔn)則層和指標(biāo)層，考慮到準(zhǔn)則層的健康狀況可以分項(xiàng)反映出河湖的生態(tài)健康狀況，這里分別對(duì)準(zhǔn)則層的5 個(gè)方面進(jìn)行評(píng)價(jià)。評(píng)價(jià)方法采用模糊評(píng)價(jià)法，如式（5）。健康等級(jí)采用最大隸屬度原則判定，即Di向量中隸屬度最大的分量對(duì)應(yīng)的健康等級(jí)即為第i準(zhǔn)則層的健康等級(jí)。

式中：Di為第i準(zhǔn)則的健康等級(jí)向量；FBi為第i準(zhǔn)則的權(quán)重向量；Ri為第i個(gè)準(zhǔn)則的隸屬度矩陣。

3 案例應(yīng)用

3.1 半頭湖生態(tài)健康狀況評(píng)價(jià)

采用上述河湖生態(tài)健康評(píng)價(jià)體系和標(biāo)準(zhǔn)及評(píng)價(jià)模型，選擇引漢灌區(qū)半頭湖作為典型湖泊，對(duì)其2020年的生態(tài)健康狀況進(jìn)行評(píng)價(jià)。其中，水文特征、水質(zhì)狀況、水生生物、底棲生物定量指標(biāo)采用該年度水質(zhì)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)資料，而物理結(jié)構(gòu)形態(tài)的定性與半定量指標(biāo)值則以問(wèn)卷調(diào)查和專家主觀評(píng)分為依據(jù)。各指標(biāo)的指標(biāo)值及權(quán)重見(jiàn)表3。

表3 半頭湖生態(tài)健康評(píng)價(jià)指標(biāo)值及權(quán)重Tab.3 Index value and weight of ecological health evaluation for Bantou Lake

根據(jù)2.2所建立的生態(tài)健康評(píng)價(jià)模型進(jìn)行模糊計(jì)算，5項(xiàng)準(zhǔn)則層的評(píng)價(jià)結(jié)果如下：

（1）物理形態(tài)結(jié)構(gòu)：其評(píng)價(jià)值為D1=FB1R1=（0.148 0，0.169 2，0.298 1，0.350 8，0.033 0）。根據(jù)最大隸屬度原則，半頭湖物理形態(tài)結(jié)構(gòu)所處的狀態(tài)為“四級(jí)”，即“微病態(tài)”等級(jí)。

（2）水文特征：其評(píng)價(jià)值為D2=FB2R2=（0，0，1，0，0）。其所處狀態(tài)為“三級(jí)”，即“亞健康”等級(jí)。

（3）水質(zhì)狀況：其評(píng)價(jià)值為D3=FB3R3=（0，0，0.005 6，0.658 1，0.336 3）。其所處狀態(tài)為“四級(jí)”，即“微病態(tài)”等級(jí)。

（4）水生生物：其評(píng)價(jià)值為D4=FB4R4=（0.120 7，0.136 2，0.482 0，0.134 6，0.126 5）。其所處狀態(tài)為“三級(jí)”，即“亞健康”等級(jí)。

（5）底棲生物：其評(píng)價(jià)值為D5=FB5R5=（0，0，0.203 8，0.694 9，0.101 3）。其所處狀態(tài)為“四級(jí)”，即“微病態(tài)”等級(jí)。

從上述結(jié)果可知，半頭湖生態(tài)健康系統(tǒng)整體上處于“微病態(tài)”狀態(tài)。需要采取一定的措施，防止湖泊生態(tài)系統(tǒng)環(huán)境進(jìn)一步惡化。而導(dǎo)致這一現(xiàn)象的主要因素可能是因?yàn)榘腩^湖湖水流動(dòng)性較小，污染物的繁衍以及聚積超過(guò)了湖泊的自我恢復(fù)和自凈能力，湖泊生態(tài)系統(tǒng)的穩(wěn)定性受到一定影響，導(dǎo)致水質(zhì)較差；由于灌區(qū)作物較多，因農(nóng)藥和化肥的大量使用和工業(yè)廢水的隨意排放等原因，造成水體污染，使得湖泊水質(zhì)富營(yíng)養(yǎng)化超過(guò)了水生生物凈化能力，從而影響水生生物健康狀態(tài)。此外，護(hù)岸的狀態(tài)也可直接影響水體的氮磷等污染物含量，從而間接影響水質(zhì)，因此有必要加固湖泊護(hù)岸的維護(hù)工作。

3.2 漢北河生態(tài)健康狀況評(píng)價(jià)

同樣地，采用上述河湖生態(tài)健康評(píng)價(jià)體系及評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)，對(duì)漢北河2020 年的健康狀況進(jìn)行了評(píng)價(jià)。其中，水質(zhì)、水生生物和底棲生物的量化指標(biāo)根據(jù)該年度的實(shí)際監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)得出；物理形態(tài)結(jié)構(gòu)和水文特征指標(biāo)值采用問(wèn)卷調(diào)查和專家的主觀評(píng)分法確定。各指標(biāo)的指標(biāo)值和權(quán)重見(jiàn)表4。

從評(píng)價(jià)結(jié)果來(lái)看，漢北河物理形態(tài)結(jié)構(gòu)所處的狀態(tài)為“三級(jí)”，即“亞健康”等級(jí)。從表4 可以看出，這一評(píng)價(jià)結(jié)果主要是由于河道蜿蜒度、縱向連通性、河道渠化程度、河岸帶平均寬度以及植被結(jié)構(gòu)完整性等指標(biāo)均為“亞健康”等級(jí)。除物理形態(tài)結(jié)構(gòu)外，其余準(zhǔn)則層指標(biāo)，包括水文特征、水質(zhì)狀況、水生生物和底棲生物所處的狀態(tài)均為“二級(jí)”，即“微健康”等級(jí)。這一評(píng)價(jià)結(jié)果總體上符合漢北河的現(xiàn)有實(shí)際狀況，說(shuō)明漢北河生態(tài)健康狀況總體尚好，但河道的物理形態(tài)結(jié)構(gòu)需要加以適當(dāng)?shù)男迯?fù)和完善。

表4 漢北河生態(tài)健康評(píng)價(jià)指標(biāo)值及權(quán)重Tab.4 Index value and weight of ecological health evaluation for Hanbei River

4 結(jié)論與建議

針對(duì)引漢灌區(qū)河流和湖泊水生態(tài)系統(tǒng)特征，綜合考慮灌區(qū)河流和湖泊物理形態(tài)結(jié)構(gòu)、水文特征、水質(zhì)狀況、水生生物和底棲生物方面，建立了引漢灌區(qū)河湖生態(tài)健康評(píng)價(jià)模型，并分別對(duì)漢北河和半頭湖進(jìn)行了評(píng)價(jià)。結(jié)果表明漢北河生態(tài)健康狀況整體尚好，除了河流物理形態(tài)結(jié)構(gòu)狀態(tài)為“亞健康”外，水文特征、水質(zhì)、水生生物和底棲生物均處在“微健康”水平。而半頭湖的整體生態(tài)健康狀況相對(duì)較差。其物理形態(tài)結(jié)構(gòu)、水質(zhì)狀況和底棲生物狀態(tài)均為“微病態(tài)”，其水文特征及水生生物狀況為“亞健康”。本研究分析結(jié)果較為準(zhǔn)確地反映了漢北河和半頭湖的生態(tài)健康實(shí)際狀況。因此，在今后灌區(qū)的管理過(guò)程中，建議重點(diǎn)對(duì)半頭湖及類似湖泊物理形態(tài)結(jié)構(gòu)、水質(zhì)狀況和底棲生物方面加強(qiáng)治理；建設(shè)智慧監(jiān)控系統(tǒng)，對(duì)水質(zhì)等指標(biāo)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，以及時(shí)且有效地制定改善方案；針對(duì)河流和湖泊開(kāi)展水生態(tài)修復(fù)建設(shè)工程，包括河湖斷面改造和生態(tài)護(hù)坡等，從而改善水生態(tài)環(huán)境，提高灌區(qū)河湖自我凈化能力；健全灌區(qū)污水收集系統(tǒng)，有效控制面源污染等對(duì)河湖的污染；盡可能減少灌區(qū)農(nóng)藥和化肥的使用，加強(qiáng)環(huán)境保護(hù)治理，從而達(dá)到改善生態(tài)環(huán)境的最終目的。