引漢灌區河湖生態健康評價體系研究

嚴少軍，董建華，馮亮

（1.天門市水利水電勘測設計院，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，其生態健康狀況關乎人類社會的可持續發展。然而，隨著社會不斷進步和發展，人類的資源開發利用活動不斷增加，河湖的生態健康狀況日益令人擔憂。以引漢灌區為例，該灌區水道縱橫、湖蕩棋布，河網水流流向、流態不定。由于河網、河道的大規模開發，以及對河道的過度改建、渠化、閘控等工程建設，加上大量的工業廢水和生活污水排放，導致灌區河湖生態環境質量日趨下降。為防止引漢灌區河湖生態健康狀況惡化，建立引漢灌區河湖生態健康評價指標體系，進而提出合理的管理與保護措施，具有非常重要的現實意義。

針對河流或者湖泊的生態健康評價問題，國內外已有不少研究［1，2］。方國華等［3］從河道功能、形態、生態和環境等6 個方面建立了生態環境評估指標體系。董哲仁等［4］根據生物質量、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重和等級，并構建了相應的評價體系。蔡永久等［5］從自然形態、水文水資源、水環境質量、水生態等方面，對洪澤湖健康狀態進行了評價。但現有研究大多針對單一的河流或者湖泊，而類似引漢灌區這樣的平原河網灌區通常同時存在河流和湖泊兩種生態系統，現有生態健康評價體系難以直接用于類似灌區。因此，本文根據引漢灌區河湖特征，提出了針對該地區的河湖生態健康評價指標體系，并基于模糊理論的評價模型，選取漢北河和半頭湖為典型，對灌區河湖水生態健康系統進行了量化評估，以期為灌區河湖生態系統的管理、治理和修復提供決策參考。

1 研究區域

天門引漢灌區位于湖北省天門市，地處漢江下游的江漢平原北部，流經灌區的河流主要是漢北河和天門河，漢江從灌區邊緣流過。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。天門市引漢灌區承擔著全市的農田灌溉任務，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補水，同時還具有排澇、發電、沖污、航運等功能，范圍涉及全市各鄉鎮辦場。灌區自然條件優越，經濟資源豐富，盛產糧、棉、油、食鹽等，是湖北省乃至全國著名的商品糧、優質棉生產基地，地下儲有無水芒硝132 萬t、鹽184億t，沉湖地區南岸已探明石油資源100 萬t，為輕紡工業、鹽化工業提供了充足的原料。

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，在武漢市東西湖區新溝鎮注入漢江，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、航運等開展了持續研究和治理，總投資約18 205.5 萬元。

2 灌區河湖生態健康評價指標體系

2.1 評價體系構建

平原水網河湖生態系統一般具有以下特征：①河湖關系緊密，相互之間水量交換顯著；②河流系統的環境質量對湖泊的影響較大；③低水深區域容易形成垂直混合；④適宜的氣候環境可能導致“水華”的爆發；⑤水體與土壤之間物質交換頻繁［6］。傳統的河湖系統評價常以水質、環境作為指標，而忽略了河流、湖泊、水文、地貌、水質、生態群落等因素的綜合作用?；谝陨咸卣?，參考國內外河流湖泊生態評價指標體系的研究成果［7-9］，結合引漢灌區的實際，本文建立了引漢灌區河湖生態健康評價指標體系。該體系由目標層、準則層和指標層構成。目標層即為河湖生態系統健康狀況，準則層包括物理形態結構、水文特征、水質狀況、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。各指標的具體內涵及計算方法見表1。從各指標的內涵可以看出，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系統健康狀況呈正相關，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系統健康狀況呈負相關，如內梅羅綜合污染指數、營養指數和浮游植物密度等。

表1 引漢灌區河湖生態健康評價指標體系Tab.1 Evaluation index system of river and lake ecological health for the Han Diversion Irrigation District

為了分析河湖生態系統的健康狀況，本文對各個指標進行了量化，并按照“健康、微健康、亞健康、微病態和病態”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，每個指標統一按0～1 計算隸屬度，1 代表最大健康指數，0 代表最小健康指數。5 個健康等級平均劃分為5 個刻度區（0～0.2、0.2～0.4、0.4～0.6、0.6～0.8、0.8～1.0），分別對應5 個健康等級。

表2 引漢灌區河湖生態健康評價標準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的權重，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構的評價體系方面具有明顯的優勢［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構模型。然后根據AHP法基本原則，構造判定矩陣。最終通過數理分析方法進行整合，得到綜合測評分數。具體進行評價時，首先根據調查統計或實地觀測獲得各指標的指標值，并與已制訂的河湖生態健康評價指標標準進行比較，得到各指標的健康等級。再通過加權權重，將不同指標對河湖生態健康狀況的影響效果進行綜合分析，從而判定河湖生態系統的健康狀況。

引漢灌區河湖生態健康評價模型按以下步驟構建：

（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。

Ai=｛Bi1，Bi2，…，Bim｝

式中：Bim為第i準則層下的第m個指標。

（2）確定權重。權重FB也可以表示為：FBi=（FBi1，FBi2，…，FBim）。其中，FBim是在第i準則層下的第m個特定指數的權重向量。評價指標的權重是否合理，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，努力為全市經濟社會持續健康發展貢獻力量?！笔茉u議單位紛紛表示。

為了使權重分配合理，將AHP 法和熵權法相結合，通過AHP方法對定性指標進行加權［11］，并利用熵權法對量化指標確定權重［12］。

（3）建立隸屬度矩陣。在此基礎上，根據各指數特點，確定了隸屬度函數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。指標的隸屬度函數選用升降半梯形分布函數，對于遞減型指標（指從1 級至c級指標標準特征值逐漸減?。?，可表示為：

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準則的權重向量；Ri為第i個準則的隸屬度矩陣。

3 案例應用

3.1 半頭湖生態健康狀況評價

采用上述河湖生態健康評價體系和標準及評價模型，選擇引漢灌區半頭湖作為典型湖泊，對其2020年的生態健康狀況進行評價。其中，水文特征、水質狀況、水生生物、底棲生物定量指標采用該年度水質監測數據資料，而物理結構形態的定性與半定量指標值則以問卷調查和專家主觀評分為依據。各指標的指標值及權重見表3。

表3 半頭湖生態健康評價指標值及權重Tab.3 Index value and weight of ecological health evaluation for Bantou Lake

根據2.2所建立的生態健康評價模型進行模糊計算，5項準則層的評價結果如下：

（1）物理形態結構：其評價值為D1=FB1R1=（0.148 0，0.169 2，0.298 1，0.350 8，0.033 0）。根據最大隸屬度原則，半頭湖物理形態結構所處的狀態為“四級”，即“微病態”等級。

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

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

從上述結果可知，半頭湖生態健康系統整體上處于“微病態”狀態。需要采取一定的措施，防止湖泊生態系統環境進一步惡化。而導致這一現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和自凈能力，湖泊生態系統的穩定性受到一定影響，導致水質較差；由于灌區作物較多，因農藥和化肥的大量使用和工業廢水的隨意排放等原因，造成水體污染，使得湖泊水質富營養化超過了水生生物凈化能力，從而影響水生生物健康狀態。此外，護岸的狀態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，因此有必要加固湖泊護岸的維護工作。

3.2 漢北河生態健康狀況評價

同樣地，采用上述河湖生態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、水生生物和底棲生物的量化指標根據該年度的實際監測數據得出；物理形態結構和水文特征指標值采用問卷調查和專家的主觀評分法確定。各指標的指標值和權重見表4。

從評價結果來看，漢北河物理形態結構所處的狀態為“三級”，即“亞健康”等級。從表4 可以看出，這一評價結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構完整性等指標均為“亞健康”等級。除物理形態結構外，其余準則層指標，包括水文特征、水質狀況、水生生物和底棲生物所處的狀態均為“二級”，即“微健康”等級。這一評價結果總體上符合漢北河的現有實際狀況，說明漢北河生態健康狀況總體尚好，但河道的物理形態結構需要加以適當的修復和完善。

表4 漢北河生態健康評價指標值及權重Tab.4 Index value and weight of ecological health evaluation for Hanbei River

4 結論與建議

針對引漢灌區河流和湖泊水生態系統特征，綜合考慮灌區河流和湖泊物理形態結構、水文特征、水質狀況、水生生物和底棲生物方面，建立了引漢灌區河湖生態健康評價模型，并分別對漢北河和半頭湖進行了評價。結果表明漢北河生態健康狀況整體尚好，除了河流物理形態結構狀態為“亞健康”外，水文特征、水質、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健康狀況相對較差。其物理形態結構、水質狀況和底棲生物狀態均為“微病態”，其水文特征及水生生物狀況為“亞健康”。本研究分析結果較為準確地反映了漢北河和半頭湖的生態健康實際狀況。因此，在今后灌區的管理過程中，建議重點對半頭湖及類似湖泊物理形態結構、水質狀況和底棲生物方面加強治理；建設智慧監控系統，對水質等指標進行實時監測，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修復建設工程，包括河湖斷面改造和生態護坡等，從而改善水生態環境，提高灌區河湖自我凈化能力；健全灌區污水收集系統，有效控制面源污染等對河湖的污染；盡可能減少灌區農藥和化肥的使用，加強環境保護治理，從而達到改善生態環境的最終目的。