嚴少軍，董建華，馮亮

（1.天門市水利水電勘測設(shè)計院，湖北天門 431700；2.武漢大學水利水電學院，湖北武漢 430072）

0 引言

河流湖泊是人類淡水資源的最主要來源，其生態(tài)健康狀況關(guān)乎人類社會的可持續(xù)發(fā)展。然而，隨著社會不斷進步和發(fā)展，人類的資源開發(fā)利用活動不斷增加，河湖的生態(tài)健康狀況日益令人擔憂。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)模開發(fā)，以及對河道的過度改建、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)健康評價指標體系，進而提出合理的管理與保護措施，具有非常重要的現(xiàn)實意義。

針對河流或者湖泊的生態(tài)健康評價問題，國內(nèi)外已有不少研究［1，2］。方國華等［3］從河道功能、形態(tài)、生態(tài)和環(huán)境等6 個方面建立了生態(tài)環(huán)境評估指標體系。董哲仁等［4］根據(jù)生物質(zhì)量、水文、物理化學和地貌因素等10 項指標，確定了評價指標的權(quán)重和等級，并構(gòu)建了相應(yīng)的評價體系。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，對洪澤湖健康狀態(tài)進行了評價。但現(xiàn)有研究大多針對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)通常同時存在河流和湖泊兩種生態(tài)系統(tǒng)，現(xiàn)有生態(tài)健康評價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，提出了針對該地區(qū)的河湖生態(tài)健康評價指標體系，并基于模糊理論的評價模型，選取漢北河和半頭湖為典型，對灌區(qū)河湖水生態(tài)健康系統(tǒng)進行了量化評估，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。天門市河流流域面積達50 km2的河流38條，河道總長1 014.15 km2，境內(nèi)湖泊眾多，面積100 畝以上的湖泊達45個，總面積達37.38 km2。天門市引漢灌區(qū)承擔著全市的農(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、華嚴湖等重要河湖提供生態(tài)補水，同時還具有排澇、發(fā)電、沖污、航運等功能，范圍涉及全市各鄉(xiāng)鎮(zhèn)辦場。灌區(qū)自然條件優(yōu)越，經(jīng)濟資源豐富，盛產(chǎn)糧、棉、油、食鹽等，是湖北省乃至全國著名的商品糧、優(yōu)質(zhì)棉生產(chǎn)基地，地下儲有無水芒硝132 萬t、鹽184億t，沉湖地區(qū)南岸已探明石油資源100 萬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70 年代初開挖的一條人工河，兼有撇洪、灌溉和航運的作用。自天門市萬家臺接天門河起，在武漢市東西湖區(qū)新溝鎮(zhèn)注入漢江，全長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90 年代始，湖北省對漢北河的防洪排澇、航運等開展了持續(xù)研究和治理，總投資約18 205.5 萬元。

2 灌區(qū)河湖生態(tài)健康評價指標體系

2.1 評價體系構(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)評價常以水質(zhì)、環(huán)境作為指標，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?，參考國內(nèi)外河流湖泊生態(tài)評價指標體系的研究成果［7-9］，結(jié)合引漢灌區(qū)的實際，本文建立了引漢灌區(qū)河湖生態(tài)健康評價指標體系。該體系由目標層、準則層和指標層構(gòu)成。目標層即為河湖生態(tài)系統(tǒng)健康狀況，準則層包括物理形態(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。指標層包括22個，其中13 個指標為河流和湖泊共有，5 個指標為河流獨有，4 個指標為湖泊獨有。各指標的具體內(nèi)涵及計算方法見表1。從各指標的內(nèi)涵可以看出，本文提出的評價指標可分為兩大類：第一類指標與河湖生態(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；第二類指標與河湖生態(tài)系統(tǒng)健康狀況呈負相關(guān)，如內(nèi)梅羅綜合污染指數(shù)、營養(yǎng)指數(shù)和浮游植物密度等。

表1 引漢灌區(qū)河湖生態(tài)健康評價指標體系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，本文對各個指標進行了量化，并按照“健康、微健康、亞健康、微病態(tài)和病態(tài)”將其分為5 個等級，見表2。由于各指標物理屬性差異較大，為便于綜合評價，每個指標統(tǒng)一按0～1 計算隸屬度，1 代表最大健康指數(shù)，0 代表最小健康指數(shù)。5 個健康等級平均劃分為5 個刻度區(qū)（0～0.2、0.2～0.4、0.4～0.6、0.6～0.8、0.8～1.0），分別對應(yīng)5 個健康等級。

表2 引漢灌區(qū)河湖生態(tài)健康評價標準Tab.2 Evaluation standard of ecological health of rivers and lakes for the Han Diversion Irrigation District

2.2 評價模型

河湖生態(tài)健康評估模型首先采用層次分析法（AHP）法對各個指標確定對應(yīng)的權(quán)重，然后采用最大隸屬度原理對各個指標進行綜合評判。AHP 法簡單易行，在處理多層次和多結(jié)構(gòu)的評價體系方面具有明顯的優(yōu)勢［10］。AHP 法需要將影響評價對象的不同因素進行分層，以便于建立一個多層次的結(jié)構(gòu)模型。然后根據(jù)AHP法基本原則，構(gòu)造判定矩陣。最終通過數(shù)理分析方法進行整合，得到綜合測評分數(shù)。具體進行評價時，首先根據(jù)調(diào)查統(tǒng)計或?qū)嵉赜^測獲得各指標的指標值，并與已制訂的河湖生態(tài)健康評價指標標準進行比較，得到各指標的健康等級。再通過加權(quán)權(quán)重，將不同指標對河湖生態(tài)健康狀況的影響效果進行綜合分析，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)健康評價模型按以下步驟構(gòu)建：

（1）建立目標層、準則層和指標層。目標層E被劃分為諸多準則層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個指標層，其特定值取決于i準則層下的指數(shù)。

Ai=｛Bi1，Bi2，…，Bim｝

式中：Bim為第i準則層下的第m個指標。

（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準則層下的第m個特定指數(shù)的權(quán)重向量。評價指標的權(quán)重是否合理，對評估的效果有很大的影響。

“這次評議對我們來說既是壓力，更是動力。我們將以此次評議會為契機，提升工作水平，讓工作更接地氣，更出實效，努力為全市經(jīng)濟社會持續(xù)健康發(fā)展貢獻力量。”受評議單位紛紛表示。

為了使權(quán)重分配合理，將AHP 法和熵權(quán)法相結(jié)合，通過AHP方法對定性指標進行加權(quán)［11］，并利用熵權(quán)法對量化指標確定權(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，確定了隸屬度函數(shù)R［13］。

式中：Ri為第i個準則的隸屬度矩陣，其中，i=1，2，3，4，5。im表示第i個準則中所包括的指標總數(shù)。指標的隸屬度函數(shù)選用升降半梯形分布函數(shù)，對于遞減型指標（指從1 級至c級指標標準特征值逐漸減?。杀硎緸椋?/p>

式中：rijk為第i個準則第j個指標第k級的相對隸屬度；其中Sijk，Sijc分別表示第i個準則第j個指標第k級、第c級的特征值，即表2 中各指標不同等級的標準值；xij為第i個準則第j個指標的指標值。

對于遞增型指標（指從1 級至c級指標標準特征值逐漸增加），指標的隸屬度函數(shù)只需改變上式的不等號方向。

（4）健康等級評價。本文的河湖生態(tài)健康評價指標體系包括目標層、準則層和指標層，考慮到準則層的健康狀況可以分項反映出河湖的生態(tài)健康狀況，這里分別對準則層的5 個方面進行評價。評價方法采用模糊評價法，如式（5）。健康等級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應(yīng)的健康等級即為第i準則層的健康等級。

式中：Di為第i準則的健康等級向量；FBi為第i準則的權(quán)重向量；Ri為第i個準則的隸屬度矩陣。

3 案例應(yīng)用

3.1 半頭湖生態(tài)健康狀況評價

采用上述河湖生態(tài)健康評價體系和標準及評價模型，選擇引漢灌區(qū)半頭湖作為典型湖泊，對其2020年的生態(tài)健康狀況進行評價。其中，水文特征、水質(zhì)狀況、水生生物、底棲生物定量指標采用該年度水質(zhì)監(jiān)測數(shù)據(jù)資料，而物理結(jié)構(gòu)形態(tài)的定性與半定量指標值則以問卷調(diào)查和專家主觀評分為依據(jù)。各指標的指標值及權(quán)重見表3。

表3 半頭湖生態(tài)健康評價指標值及權(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)健康評價模型進行模糊計算，5項準則層的評價結(jié)果如下：

（1）物理形態(tài)結(jié)構(gòu)：其評價值為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”，即“微病態(tài)”等級。

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

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

（4）水生生物：其評價值為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”，即“亞健康”等級。

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

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)境進一步惡化。而導(dǎo)致這一現(xiàn)象的主要因素可能是因為半頭湖湖水流動性較小，污染物的繁衍以及聚積超過了湖泊的自我恢復(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)富營養(yǎng)化超過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岸的維護工作。

3.2 漢北河生態(tài)健康狀況評價

同樣地，采用上述河湖生態(tài)健康評價體系及評價標準，對漢北河2020 年的健康狀況進行了評價。其中，水質(zhì)、水生生物和底棲生物的量化指標根據(jù)該年度的實際監(jiān)測數(shù)據(jù)得出；物理形態(tài)結(jié)構(gòu)和水文特征指標值采用問卷調(diào)查和專家的主觀評分法確定。各指標的指標值和權(quán)重見表4。

從評價結(jié)果來看，漢北河物理形態(tài)結(jié)構(gòu)所處的狀態(tài)為“三級”，即“亞健康”等級。從表4 可以看出，這一評價結(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)完整性等指標均為“亞健康”等級。除物理形態(tài)結(jié)構(gòu)外，其余準則層指標，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”，即“微健康”等級。這一評價結(jié)果總體上符合漢北河的現(xiàn)有實際狀況，說明漢北河生態(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?shù)男迯?fù)和完善。

表4 漢北河生態(tài)健康評價指標值及權(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)健康評價模型，并分別對漢北河和半頭湖進行了評價。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)果較為準確地反映了漢北河和半頭湖的生態(tài)健康實際狀況。因此，在今后灌區(qū)的管理過程中，建議重點對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治理；建設(shè)智慧監(jiān)控系統(tǒng)，對水質(zhì)等指標進行實時監(jiān)測，以及時且有效地制定改善方案；針對河流和湖泊開展水生態(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河湖的污染；盡可能減少灌區(qū)農(nóng)藥和化肥的使用，加強環(huán)境保護治理，從而達到改善生態(tài)環(huán)境的最終目的。