何 理， 李恒臣， 趙文儀， 吳時強

(1.天津大學(xué) 水利工程仿真與安全國家重點實驗室， 天津 300072； 2.天津大學(xué) 建筑工程學(xué)院， 天津 300350； 3.天津大學(xué)國際工程師學(xué)院， 天津 300072； 4.南京水利科學(xué)研究院 水文水資源與水利工程科學(xué)國家重點實驗室， 江蘇 南京 210098)

1 研究背景

水系連通工程不僅能夠有效地改善連通區(qū)域的水系結(jié)構(gòu)與格局[1-2]，還可減緩連通區(qū)域水資源緊缺狀況，對水環(huán)境及生態(tài)系統(tǒng)都有潛在的影響[3-6]。同時，隨著社會經(jīng)濟的發(fā)展，水系連通已逐步演變?yōu)樘岣咚Y源經(jīng)濟效益的關(guān)鍵手段以及生態(tài)與經(jīng)濟協(xié)調(diào)發(fā)展的紐帶[7-8]。河湖水系連通的研究不應(yīng)局限于直觀角度的“河”與“湖”，還需要站在戰(zhàn)略全局高度上，充分結(jié)合我國水利工程發(fā)展現(xiàn)狀及國家需求，恢復(fù)江湖自然溝通，重建生態(tài)廊道[9-12]。

目前研究主要基于景觀分析法[13]、圖論法[14-18]、水文模型法[19-20]和生物法[21-23]對水系連通度進行計算與評價，缺乏連通工程對流域影響的系統(tǒng)研究。呂學(xué)研等[24]根據(jù)水體的營養(yǎng)鹽濃度和水動力條件，分析了連通工程的生態(tài)與環(huán)境效應(yīng)及其潛在影響。郭麗峰等[25]通過構(gòu)建生態(tài)環(huán)境指標體系研究了河道綜合整治對生態(tài)環(huán)境效益的改善狀況。朱詩潔等[26]采用模糊綜合評價法和衛(wèi)星遙感技術(shù)，選用3個特征指標定量評價了鄱陽湖水系連通工程在生態(tài)方面的效益。但是，上述研究僅考慮了連通工程對生態(tài)的影響，未全面反映調(diào)水引流的效果。

本文以“引江濟巢”工程為研究對象，從水系連通工程的影響機理出發(fā)，構(gòu)建“結(jié)構(gòu)-環(huán)境-生態(tài)-經(jīng)濟”(structure-environment-ecology-economy, SEEE)評價指標體系，提出綜合效應(yīng)指數(shù)(comprehensive effect index,CEI)，分析水系連通工程對不同空間尺度區(qū)域的綜合效應(yīng)。研究成果可為科學(xué)地開展水系連通工程建設(shè)提供參考，對生態(tài)環(huán)境良性循環(huán)和社會經(jīng)濟健康發(fā)展具有重要意義。

2 數(shù)據(jù)來源與研究方法

2.1 研究區(qū)域概況

巢湖流域是長江下游水系,流域面積為13 486 km2。在確保防洪、供水安全的基礎(chǔ)上,為有效恢復(fù)江湖自然溝通,重建江湖生命通道，安徽省自2007年啟動 “引江濟巢”調(diào)水試驗，巢湖通過廬江縣和巢湖市內(nèi)的西河鳳凰頸閘站、裕溪閘、牛屯河分洪道新橋閘與長江干流溝通，該連通工程至今仍處于動態(tài)發(fā)展的過程。巢湖流域概況及“引江濟巢”工程線路如圖1所示。一般情況下對水系連通的效應(yīng)評價要同時兼顧受水區(qū)和調(diào)水區(qū)，但該工程的調(diào)水區(qū)為長江下游近河口段，年徑流量近9 600×108m3，而“引江濟巢”工程年引水量僅為10×108m3，因此該水系連通工程對長江的影響基本可以忽略，主要考慮對受水區(qū)——巢湖流域的綜合效應(yīng)。在連通效應(yīng)評價時，可按照空間尺度從小到大分別對廬江縣、巢湖市、合肥市及巢湖流域這4個層層包含的區(qū)域進行效應(yīng)評價(圖1)。通過對這些地區(qū)2008-2018年水系結(jié)構(gòu)、水環(huán)境、生態(tài)系統(tǒng)和社會經(jīng)濟4個維度中指標的統(tǒng)計與對比，分析“引江濟巢”工程對不同空間尺度區(qū)域的綜合效應(yīng)。

圖1 巢湖流域概況及“引江濟巢”工程線路圖

2.2 數(shù)據(jù)來源

文中所用數(shù)據(jù)來源于2008-2018年的《巢湖水利統(tǒng)計年鑒》《安徽省環(huán)境統(tǒng)計年鑒》《安徽省水資源公報》《中國水資源公報》《中國生態(tài)環(huán)境公報》《中國統(tǒng)計年鑒》。

2.3 研究方法

在傳統(tǒng)水系連通效應(yīng)評價基礎(chǔ)上，構(gòu)建“結(jié)構(gòu)-環(huán)境-生態(tài)-經(jīng)濟”(SEEE)評價指標體系。運用主觀賦權(quán)評估法與客觀賦權(quán)評估法相耦合的加權(quán)模型(analytic hierarchy process-the entropy method, AHP-EM)確定出各項指標權(quán)重，將4個維度中的指標及其權(quán)重代入計算模型中，導(dǎo)出水系連通綜合效應(yīng)指數(shù)(CEI)，該指數(shù)將連通綜合效應(yīng)從0到1進行量化，并可應(yīng)用于不同尺度的連通區(qū)域，具體研究路線詳見圖2。

圖2 研究路線圖

步驟1：分析連通效應(yīng)機理，建立評價體系。水系連通工程建設(shè)首先引起連通區(qū)域河流形態(tài)要素的改變，即水系結(jié)構(gòu)效應(yīng)；連通區(qū)域水系相應(yīng)的水文和結(jié)構(gòu)要素的改變又引起連通區(qū)域水生態(tài)環(huán)境要素變化，即水環(huán)境效應(yīng)和生態(tài)系統(tǒng)效應(yīng)；生態(tài)環(huán)境及水資源緊缺狀況的改善引起社會經(jīng)濟要素的變化，即社會經(jīng)濟效應(yīng)。4個子系統(tǒng)之間環(huán)環(huán)相扣，層層遞進，可全面反映調(diào)水引流的效果。根據(jù)必要性及可操作性選取了11個準則層指標，進一步細分為21個指標層指標，構(gòu)建了“結(jié)構(gòu)-環(huán)境-生態(tài)-經(jīng)濟”(SEEE)評價指標體系。該體系4個子系統(tǒng)分別為水系結(jié)構(gòu)效應(yīng)指數(shù)B1、水環(huán)境效應(yīng)指數(shù)B2、生態(tài)系統(tǒng)效應(yīng)指數(shù)B3和社會經(jīng)濟效應(yīng)指數(shù)B4，其中，水系結(jié)構(gòu)效應(yīng)子系統(tǒng)B1包括水文連通指數(shù)C1和水系連通指數(shù)C2兩部分；水環(huán)境效應(yīng)子系統(tǒng)B2包括營養(yǎng)狀態(tài)指數(shù)C3和水環(huán)境凈化指數(shù)C4兩部分；生態(tài)系統(tǒng)效應(yīng)子系統(tǒng)B3包括生態(tài)彈性指數(shù)C5和資源承載指數(shù)C6兩部分；社會經(jīng)濟效應(yīng)子系統(tǒng)B4包括經(jīng)濟C7、人口C8、農(nóng)業(yè)C9、工業(yè)C10和第三產(chǎn)業(yè)C115部分[7]。

正指標無量綱計算公式為：

(1)

逆指標無量綱計算公式為：

(2)

適中型指標無量綱計算公式為：

(3)

步驟3：分別運用層次分析法(analytic hierarchy process, AHP)與熵值法(the entropy method, EM)求解各項指標的權(quán)重。構(gòu)造最小二乘優(yōu)化決策模型將兩種方法獲得的權(quán)重進行耦合，并通過拉格朗日函數(shù)獲得最優(yōu)解，從而求得各個指標的綜合權(quán)重[7]。該加權(quán)模型既降低了人為因素的影響又增加了可控性。

步驟4：將4個維度中指標的連通效應(yīng)指數(shù)及其所占的權(quán)重代入計算模型，得出流域的綜合效應(yīng)指數(shù)CEI，其計算公式為：

(4)

(5)

式中：ai為第i個指標在某子系統(tǒng)中所占的權(quán)重；Zi為第i個指標的標準化指數(shù)；aj為第j個子系統(tǒng)的權(quán)重；fj(x)為第j個子系統(tǒng)的連通效應(yīng)指數(shù)。

3 結(jié)果與分析

3.1 評價指標權(quán)重分析

“引江濟巢”工程效應(yīng)評價指標的指標值和權(quán)重如表1和2所示，其中各評價指標由公式(1)～(3)計算得到，權(quán)重由步驟3中提到的方法確定。

表1 “引江濟巢”工程效應(yīng)評價指標體系及其權(quán)重

結(jié)構(gòu)連通是生態(tài)環(huán)境恢復(fù)和社會經(jīng)濟發(fā)展的驅(qū)動條件和內(nèi)在動力，只有結(jié)構(gòu)連通性達到一定的水平，才能通過水利工程的合理調(diào)度改善水系的水力連通性，進而促進水環(huán)境、生態(tài)系統(tǒng)和社會經(jīng)濟的改善。在“結(jié)構(gòu)-環(huán)境-生態(tài)-經(jīng)濟”評價體系中相鄰兩個子系統(tǒng)之間為直接因果關(guān)聯(lián)，其余為間接因果關(guān)聯(lián)。由效應(yīng)機理分析可知，水系連通對4個子系統(tǒng)的關(guān)聯(lián)強度依次減弱，故水系連通工程對區(qū)域水系結(jié)構(gòu)影響最顯著,其次是水生態(tài)環(huán)境,對社會經(jīng)濟的影響則相對較小。本文計算得到水系結(jié)構(gòu)、水環(huán)境、生態(tài)系統(tǒng)和社會經(jīng)濟的綜合權(quán)重分別為0.473 7，0.251 6，0.173 9和0.100 8，與上文實際情況的分析相符[6,27]。

3.2 效應(yīng)指數(shù)時空特征分析

3.2.1 連通區(qū)域時間序列分析 巢湖流域內(nèi)不同空間尺度區(qū)域的水系結(jié)構(gòu)、水環(huán)境、生態(tài)系統(tǒng)和社會經(jīng)濟4個維度的效應(yīng)指數(shù)及綜合效應(yīng)指數(shù)變化趨勢如圖3所示。由圖3可知，廬江縣不同維度及綜合效應(yīng)指數(shù)增加最為顯著，2018與2008年相比，廬江縣的水系結(jié)構(gòu)效應(yīng)指數(shù)、水環(huán)境效應(yīng)指數(shù)、生態(tài)系統(tǒng)效應(yīng)指數(shù)、社會經(jīng)濟效應(yīng)指數(shù)和綜合效應(yīng)指數(shù)分別增大了19.56%、5.73%、20.38%、39.78%和19.87%。巢湖市不同維度及綜合效應(yīng)指數(shù)也處于增大趨勢，2018與2008年相比，巢湖市的水系結(jié)構(gòu)效應(yīng)指數(shù)、水環(huán)境效應(yīng)指數(shù)、生態(tài)系統(tǒng)效應(yīng)指數(shù)和綜合效應(yīng)指數(shù)分別增大了11.43%、3.37%、69.79%和16.55%。合肥市與巢湖市相似，除生態(tài)系統(tǒng)效應(yīng)指數(shù)變化不明顯、社會經(jīng)濟效應(yīng)指數(shù)呈減小趨勢外，其余指數(shù)呈明顯增大趨勢，如水系結(jié)構(gòu)效應(yīng)指數(shù)、水環(huán)境效應(yīng)指數(shù)和綜合效應(yīng)指數(shù)分別增大了27.11%、214.86%和23.93%。巢湖流域多年平均過境流量為59.2 ×108m3，而“引江濟巢”連通工程年引水量僅為10×108m3，不足20%，因此該連通工程對巢湖流域整體的影響效應(yīng)較小[28]。

圖3 2008、2013、2018年巢湖流域不同地區(qū)各維度及綜合效應(yīng)指數(shù)時間變化

表2 “引江濟巢”工程效應(yīng)評價指標體系各子系統(tǒng)權(quán)重

各地水環(huán)境效應(yīng)指數(shù)在2008-2013年期間呈顯著增大趨勢，但2013-2018年除合肥市增大趨勢減緩?fù)猓溆喔鞯爻尸F(xiàn)減小趨勢。說明雖然水系連通對區(qū)域水環(huán)境具有改善效果，但是其效果遵循邊際效應(yīng)遞減規(guī)律。當調(diào)水量在一定限度內(nèi)時，可以有效緩解連通區(qū)域水資源短缺的危機，此時水系連通對連通區(qū)域影響顯著。當調(diào)水量超過一定限度時，調(diào)水對區(qū)域的邊際影響遞減，甚至連通區(qū)域會因“過度連通”產(chǎn)生不利影響[29]。

各地生態(tài)系統(tǒng)效應(yīng)指數(shù)在2008-2013年期間變化速率較緩，2013-2018年期間變化相對較大。水系連通工程將“河河”、“河湖”、“湖湖”相連，直接改變了連通區(qū)域的水系格局，只有水系結(jié)構(gòu)達到一定的連通水平，才能借助水系連通工程合理調(diào)度引入清水實現(xiàn)稀釋作用，提高水體的自凈能力，從而對生態(tài)系統(tǒng)產(chǎn)生影響。相對來說，生態(tài)系統(tǒng)的改善具有一定的滯后性?？傮w來看，“引江濟巢”工程對巢湖流域部分地區(qū)的綜合發(fā)展有積極作用，各地區(qū)連通綜合效應(yīng)指數(shù)基本均處于增大趨勢，說明最近幾年，隨著治水理念的轉(zhuǎn)變以及河流的保護、開發(fā)機制的完善，水系連通工程效果顯著。

3.2.2 連通區(qū)域空間特征分析 為明晰連通效應(yīng)指數(shù)的空間分布特征，將各地區(qū)不同維度效應(yīng)指數(shù)進行對比分析，結(jié)果如圖4所示。

如圖4可知，巢湖流域不同地區(qū)的水系連通效應(yīng)存在明顯差異，歷年綜合效應(yīng)指數(shù)由大到小基本依次為巢湖市、廬江縣、合肥市和巢湖流域。廬江縣、巢湖市、合肥市及巢湖流域多年平均水資源量分別為27.8×108、22.7×108、52.4×108、和69.0×108m3，“引江濟巢”連通工程年引水量僅為10×108m3，分別占其水資源量的36%、44.1%、19.1%和14.5%?！耙瓭病惫こ讨饕植加趶]江縣和巢湖市境內(nèi)，且59%的巢湖面積位于巢湖市境內(nèi)，所以巢湖市綜合效應(yīng)指數(shù)始終最大，其次為廬江縣、合肥市和巢湖流域。說明“引江濟巢”水系連通工程對不同空間尺度區(qū)域的綜合效應(yīng)是有層次的。

圖4 2008、2013、2018年巢湖流域不同地區(qū)各維度及綜合效應(yīng)指數(shù)空間變化

從各地社會經(jīng)濟效應(yīng)指數(shù)可以看出“引江濟巢”工程對廬江縣的社會經(jīng)濟促進最大，對其余地區(qū)的促進作用較小。水系連通工程不僅可實現(xiàn)改善水環(huán)境、保護生態(tài)系統(tǒng)的目標,也可實現(xiàn)水資源滿足經(jīng)濟發(fā)展需要的目標。水系連通工程對連通區(qū)域的社會經(jīng)濟產(chǎn)生的影響主要體現(xiàn)在兩方面，一是連通工程建設(shè)投資通過乘數(shù)作用，拉動消費和貿(mào)易，對連通區(qū)域GDP增長產(chǎn)生貢獻；二是通過緩解連通區(qū)域水資源的制約從而間接促進經(jīng)濟發(fā)展。前者影響主要體現(xiàn)在河流廊道周邊地區(qū)，該案例中連通工程主要分布在廬江縣，所以廬江縣社會經(jīng)濟效應(yīng)指數(shù)上升最為明顯。后者對整個連通區(qū)域都有影響。但廬江縣、巢湖市、合肥市及巢湖流域區(qū)域面積分別為2 343.7、2 046.1、11 445.1和13 486.0 km2，該工程所涉及面積僅為4.2 km2，且水系連通與社會經(jīng)濟子系統(tǒng)的關(guān)聯(lián)強度最弱，所以該工程對各地社會經(jīng)濟的影響相對較小[30]。

從綜合效應(yīng)指數(shù)變化來看，“引江濟巢”工程對廬江縣、巢湖市和合肥市的綜合效應(yīng)指數(shù)逐年增加，具有一定的遞變性，但對整個巢湖流域的綜合效應(yīng)指數(shù)呈現(xiàn)先減小后增加的趨勢。這是因為前期受鳳凰頸站提水能力的制約及河道斷面不足的影響，調(diào)水量有限，因此水系連通工程短期內(nèi)雖然對廬江縣、巢湖市和合肥市的影響較為顯著，但對整個巢湖流域的改善程度并不明顯。“十二五”后，隨著連通區(qū)域的合理調(diào)度以及水環(huán)境治理措施的實施，效應(yīng)指數(shù)有明顯的上升趨勢。

4 結(jié) 論

(1)由連通機理分析可知，相鄰兩個子系統(tǒng)之間為直接因果關(guān)聯(lián)，其余為間接因果關(guān)聯(lián)。水系連通對“結(jié)構(gòu)-環(huán)境-生態(tài)-經(jīng)濟”4個子系統(tǒng)的關(guān)聯(lián)強度依次減弱，故水系連通工程對各地社會經(jīng)濟方面的影響相對較小。

(2)水系連通工程對不同空間尺度連通區(qū)域的綜合效應(yīng)是有層次的，其影響程度會隨空間尺度增加而遞減。如廬江縣和巢湖市的CEI指數(shù)明顯大于合肥市和巢湖流域的CEI指數(shù)。

(3)雖然水系連通對區(qū)域水系結(jié)構(gòu)、水環(huán)境、生態(tài)和經(jīng)濟具有改善效果，但是其效果遵循邊際效應(yīng)遞減規(guī)律且具有一定的滯后性。