程海湖水生態承載力變化研究

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1 流域概況

1.1 地理位置

程海湖位于云南省麗江市永勝縣中部，距永勝縣城45 km，距昆明市476 km。地理坐標為東經100°38′～100°41′，北緯26°27′～26°28′。

隨著周邊地區社會經濟和公路建設的快速發展，程海鎮由過去的封閉落后逐漸發展成為一個開放型的經濟開發區，鄉村公路發達，交通便利。

1.2 氣候及水文

程海湖區位于金沙江河谷地帶，屬于亞熱帶高原季風氣候，全年盛行南風；年平均氣溫19.1℃，最冷月平均氣溫8℃～11℃。每年11月至次年5月中旬，天氣晴朗，空氣干燥，日照充足。由于身處內陸，地形閉塞，加上受熱帶大陸性氣團控制，北方冷氣團不易入侵，難以形成降水。而5～10月受熱帶海洋東南季風影響，云雨量增多，水氣充足，形成雨季。干旱指數(降雨量/蒸發量)為0.32，屬半干旱帶。程海日照時數2 500～7 500 h/a，多年平均日照數為2 403.6 h/a，湖區常年光照充足。

程海湖區多年平均降雨量為740.6 mm，蒸發量為2 000.3 mm，多年水面積為77.12 km2，是流域陸地面積(319 km2) 的24%。由于蒸發量是降雨量的2.69倍，尤其在枯水少雨年份，程海湖面的來水量減少，湖泊水位下降。同時，由于降雨量時空分布很不均勻，6～8月降雨量為全年主要降雨量來源，旱季較長，地面基本上無徑流，生產、生活用水在蒸發和滲漏下，不產生集中排水現象。

1.3 河流水系

據史料記載，程海湖曾經河口流入程河，并匯入金沙江。歷史上湖水最大深度達72 m，湖水水位于1779年開始下降，1995年水位趨于穩定，在1 500 m 上下波動。程海湖湖面呈橢圓型，水位在1 501 m時的湖水面南北長19.2 km，東西平均寬4.3 km。湖區最大寬度5.2 km，最小寬度2 km，湖岸線長45 km，最大水深35 m，平均水深25.7 m。2016年平均水位為1 496.92 m，對應的湖泊容積為16.44億km3。受地形的限制，調蓄地表徑流能力有限，不具備修建蓄水等水利工程的地理條件。湖區的來水水源主要有4種：①湖面的天然降水；②湖區的地下出水；③地表徑流；④仙人河引水。

程海主要入湖河流有32條，多為季節性河流，雨季河流水量充沛，枯季基本為干河。由于水位低于湖水出口高程近40 m，形成了一個獨立的封閉型湖泊。

1.4 社會經濟狀況

2015年程海湖流域在程海鎮范圍內涉及9個行政村47個自然村共36 152人，其中有農業人口31 300人，占總人口的86.5%。大部人口分布在程海的南部和北部，其中有一半的人口分布在南部，1/5的人口居住在北部，其余人口則散落分布在東部和西部。

2 程海湖水環境容量

水環境容量是指在不影響水的正常用途的情況下,水體所能容納污染物的量或自身調節凈化并保持生態平衡的能力。水環境容量大小與水體特征、水質目標、污染物特征有關。水環境容量是制定地方性、專業性水域排放標準的依據之一，也是環境管理部門用以確定在固定水域污染物排放量標準之一。因此，本文將水環境容量作為一個重要的技術指標。

根據程海湖的特性，采用零維模型計算程海湖的水環境容量。具體公式如下：

W=31.54×(Q·Cs+K·Cs·V/86 400)

(1)

式中，W為水環境容量，t/a；Q為設計出庫(湖)流量，m3/s；K為污染綜合衰減系數，1/s；Cs為水質目標濃度值，mg/L。

在進行水環境容量計算時，一般選取COD、氨氮、總氮和總磷4個指標。程海湖所在的程海開發利用區的目標水質為Ⅲ類，因此，選取的目標濃度值為地表水Ⅲ類的標準值，分別為6,1,1,0.05 mg/L。根據庫容曲線率定程海湖容積，取2016年平均水位1 496.92 m對應的16.44億km3，K取0.000 5 (取自《程海湖健康評估及可持續利用對策研究》)。由于程海湖為沒有出流的封閉型湖泊，Q取值為0。

綜上，程海湖COD、氨氮、總氮和總磷4個指標的環境容量分別為 0.03,0.03,0.03,0.001 5 t/a。

3 評估指標體系的構建

遵循評價指標體系的構建原則，依據程海湖的自身特點和特殊屬性，結合水生態承載力的承載主體和承載客體的關系，考慮數據的可獲得性進行指標層的構建。本文選取生態水位指數、水環境質量指數和社會經濟指數3個準則層對程海湖的水生態承載力進行評估，詳見圖1。

圖1 程海湖水生態承載力評估指標體系結構

4 評估模型的選擇

仙人河輸水隧洞工程于1993～2002年向程海湖大量輸水，為了解程海湖自身水生態承載力的變化情況，研究選取了2005～2015年的數據資料對程海湖11 a間的水生態承載力進行了分析評估。

為消除指標單位對計算結果的影響，研究首先對所有評價指標進行了標準化處理，并采用極差法來去除量綱對評估值的影響。通過極差變換之后，評價標準滿足0≤Z≤1，將正、逆向指標均換為正向指標，最優值為1，最劣值為0[1]。

采用熵值法確定各個指標權重，該方法屬于客觀賦權法，通過評價指標值構成的判斷矩陣來確定指標權重，能有效地避免主觀賦權法中專家主觀因素的影響(如層次分析)，使評價結果更符合實際。對于n個方案m個評價指標的初始矩陣，熵值法的本質是利用該指標信息的效用值來計算，效用值越高，對評價的重要性越大[2]。

4.1 改進的內梅羅指數法

內梅羅指數法是國內外用于評判水質綜合指數的最常用方法之一。然而，由于各項水質評價因子的得分值均為大于0的實數，理論上來說數值并無上限；因此造成水環境評價指數無法與其他系統的評價指數進行對比。為了便于對比分析，將內梅羅指數進行歸一化，使其數值位于0～1之間，0為最差，1為最優。

改進的內梅羅指數法計算公式如下[3]：

(2)

式中，RWQI為改進的內梅羅指數，取值0～1實數，數值越大表示水環境質量越優；Fave和Fmin分別為單向水質評價因子的平均和最低得分值；AC和SC分別為水質因子的實測濃度與環境標準目標值(在本研究中取地表水環境質量標準的Ⅰ類水質濃度)；SMC為水質標準中最差等級的濃度值(在本研究中為地表水環境質量標準的V類水質濃度)。對應于地表水質的5類標準，將改進的內梅羅指數劃分為5個等級，見表1。

4.2 生態水位評估模型

生態水位是維護湖泊生態系統正常運行的合理水位。若低于生態水位，湖泊體積會縮小，污染物濃度增加，從而導致污染加劇、魚類死亡、農田土質惡化、鹽堿化加劇、濕地面積減少和生物多樣性遭到破環等情況，不但會對湖泊的生態系統產生嚴重損壞，并且也會威脅到流域內居民的生產生活。因此生態水位的保持對湖泊自身生態系統結構和功能的維護以及湖泊的可持續發展和利用都有著重要的作用[4]。

生態水位評估的目的是通過比較實測水位和理論生態水位，評判程海湖的生態水位滿足程度。由于生態水位計算出的數值帶有量綱，難以與其他指標相綜合。根據實際的水位觀測值與生態水位的比較情況，提出評估生態水位滿足程度的指標——生態水位指數，用于反映程海湖的生態用水情況。為了便于理解，生態水位指數的取值在0～1，數值越大表示生態水位滿足程度越高，具體計算公式如下：

(3)

式中，R為兩項比值;Z實為實際觀測水位;Zs為生態水位。

(4)

式中，RWRI為生態水位指數;Rmax為比值的最大值;Rmin為比值的最小值。

4.3 水生態承載力評估模型

水生態承載力評估模型的基本功能是采用數學綜合方法對水量、水質、經濟社會3個方面的信息進行綜合。鑒于這3方面的信息分別反映水生態系統的不同屬性，難以區分各自的權重大小，因此采用均權法進行信息綜合，計算整體的水生態承載力指數。水生態承載力指數的取值為0～1，數值越大，表示承載能力越高、承載狀態越好。0表示承載狀態較差，社會經濟發展程度低，水生態環境質量差；1表示承載狀態優，社會經濟發展水平高，水生態環境質量好，為理想狀態。具體公式為

(5)

式中，WECCI為水生態承載力指數；RWRI為生態水位指數；IWQI為水環境質量指數；ECDI為經濟社會發展指數。

為分析不同組分的變化對水生態承載力指數的貢獻程度與影響，引入貢獻率指標，計算公式如下：

(6)

式中，XCP為某項水生態承載力組分(RWRI，IWQI或ECDI中的一項)對水生態承載力指數變化的貢獻率；XI為某項水生態承載力組分的指數值；下標i和0分別表示第i年(非起始年)和評價起始年份。流域水生態承載力指數的概念相對抽象，為了進一步表明水生態承載力的含義，根據水資源承載力、水環境承載力、水生態承載力研究中常用的定級規則，采用等間距法將水生態承載力指數進行5等劃分，從而制定了本研究對水生態承載力的判別標準，根據水生態承載力指數由低到高，分別設定劣、低、中、高、優5個等級，見表2。

表2 流域水生態承載力WECCI判別標準

圖4 程海湖流域不同經濟社會指標指數評價值

5 水生態承載力評估

5.1 水環境質量評估

本次水環境質量評估采用改進的內梅羅指數法，評價依據為《地表水環境質量標準》 (GB3838—2002)，環境標準目標值取I類標準值，最差等級的濃度值取V類標準值。根據計算得到程海湖1995～2015年的水質綜合指數評價結果(見圖2)，其數值均在0～1之間，0為最差，1為最優。結果表明，2006年以前，各組分的指數均在0.82～1之間， 2006年以后各項指標指數均呈下降趨勢。

圖2 1995～2015年水質綜合指數評價結果

總體來說，2005～2015年程海湖的水質不斷惡化，水環境質量綜合指數由2005年的0.46降至2015年的 0.40，屬于“差”等級，對應的水質類別為Ⅳ類。對整個水環境質量指數的累計貢獻率最大的是葉綠素a(49.4%)，其次是總氮(28.1%)和高錳酸鹽指數(17.4%)。

5.2 生態水位指數評估

基于程海河口街站1995～2015年的實測水位，采用生態水位評估模型可得到程海湖的生態水位指數。由圖3可看出，程海的生態水位指數呈下降趨勢，說明程海的生態水位情況逐年惡化。根據相關公式進行計算，生態水位指數取值0～1，數值越大表示生態水位滿足程度越高，結果見圖3。

圖3 近10 a程海湖的生態水位指數變化情況

5.3 社會經濟指數評估

程海湖流域2005～2015年的6項社會經濟指標評價得分見圖4。本文將人口密度、農業人口和化肥施用量作為負向指標，即指標值越大對程海的水生態環境越差，將人均GDP、鄉鎮企業產值和單位土地面積GDP作為正向指標，指標值越大說明社會經濟發展得越好。在這6項指標中，人口密度和農業人口的評分最低，整個評價期間評分值均接近于0，說明該地區面臨的人口壓力相對較大。化肥的施用量波動較大，且指數呈下降狀態，說明該地區的農藥化肥施用量逐年增加，無疑對程海湖流域的生態系統產生壓力。人均GDP和單位國土面積GDP則幾乎一致，該現象也說明近11 a流域總人口變化不大。得分最高的是鄉鎮企業產值，說明在程海湖流域的經濟社會發展中，鄉鎮企業對整個經濟社會的發展的貢獻最大，其指數也是呈上升趨勢，這種轉變說明流域內的鄉鎮企業對程海湖的水生態系統也將產生一定的壓力。

綜合各個評價指標得到程海湖流域社會經濟發展指數的變化情況(見圖5)可知，流域社會經濟綜合變化指數呈上升趨勢，表明這11 a的社會經濟發展是顯著的。對該變化情況貢獻率占比最大的是鄉鎮企業產值，占44.2%，其次是人均GDP和單位土地面積GDP，分別占27.8%和28.7%；而人口密度和化肥施用量的貢獻為負值，10 a期間人口密度和化肥施用量有增加，但因為其為負向因子，對社會經濟綜合指數上升的貢獻是負向的；農業人口在研究期內有所下降，雖然對社會經濟綜合指數的貢獻為正值，但微乎其微。而2007年的轉折與當年由于螺旋藻廠的技改造成的鄉鎮企業產值降低直接相關。

圖5 程海湖流域社會經濟綜合指數(ECDI)評價值

圖6 程海湖流域水生態承載力變化

5.4 水生態承載力評估及其成因分析

基于水生態承載力概念和評估模型，計算出了程海湖流域2005～2015年的水生態承載力分別為0.52,0.49,0.43,0.49,0.50,0.53,0.59,0.56,0.53,0.52,0.46。指數變化如圖6所示。由于缺少有關資料，2015年社會經濟綜合指數用2014年的數據代替。結果表明，程海湖流域2005～2015年的水生態承載力呈輕微波動、基本穩定的狀態，水生態承載力指數在0.4～0.6之間，表明研究期的經濟社會、水資源和水環境評價狀態位于中等水平，經歷了下降、上升、下降3個階段，說明該時期內流域水生態承載力呈現出惡化-改善-惡化的過程，其水生態承載力從2005年的0.52下降至0.46，表明整個研究期內的水生態承載力呈不斷惡化趨勢。

從構成流域水生態承載力的3個組分變化情況看(圖7)，造成該時期WECCI變化的主要原因是水位的下降。其中生態水位指數(RWRI)的下降對WECCI的貢獻率是638%，其次是水環境質量指數(RWQI)的下降對WECCI的貢獻率是39%；社會經濟發展指數在研究期內呈顯著上升趨勢，所以對WECCI下降的貢獻率為負值，為-577%(圖8)。

圖7 程海湖流域水生態承載力組份變化

圖8 程海湖流域不同組分對水生態承載力指數的貢獻率

總體來看，該時期內流域經濟社會發展水平不斷上升而生態水位指數和水環境質量指數則不斷下降，社會經濟與水生態總體未能同步改善，原因是水生態系統質量下降效益超過了社會經濟的改善效應。

6 結論與建議

本文利用湖泊零維模型計算了程海湖的水環境容量，由于程海湖綜合消減能力弱，主要污染指標的水環境容量不大，隨著水質不斷惡化，水環境容量已消耗完，提出消減污染物的量及治理措施迫在眉睫。程海湖蒸發量是降雨量的2.69倍，近10 a來，程海水環境質量指數及其組分指數都呈下降趨勢；社會經濟指數呈顯著上升趨勢；水生態承載力呈下降趨勢，造成水生態承載力變化的貢獻主要來源于水位的下降，其次是水環境質量指數的下降，而社會經濟發展指數在研究期內對水生態承載力指數的貢獻率為負值。為了使程海湖水位和水環境質量狀況不再繼續惡化，保證其社會經濟發展與水資源狀況及水環境容量在最佳水平，提出以下對策：

(1) 通過外流域調水對程海湖進行水位調控。由于程海湖湖水偏堿性，適宜發展螺旋藻養殖業，若能夠實現調水，建議將外流域引調水部分用于流域的農灌用水和生產用水，最大限度減少程海湖的取水壓力。調水前需要開展系統性調查、分析和模擬研究，做好可行性研究。

(2) 對流域內的污染源進行嚴格控制。重點對農業面源、農村生活污水進行治理；對螺旋藻產業的取用水和排水進行嚴格的監管，減少生產車間用水和終端廢污水的跑、冒、滴、漏現象。

(3) 加大投資力度。采取必要的工程措施對污染源進行前處理，如生態溝渠、人工濕地、農村小型污水處理廠和生態浮床等，并加強流域的生態保護與修復力度。

(4) 合理進行土地規劃。弱化建設用地和耕地對湖泊生態系統健康的侵犯和影響、增加流域內的森林覆蓋率、提高土壤的涵養能力。

因此，要解決目前程海湖面臨的諸多問題，不能單純靠水質管理和水位調節，還需重視周邊城鎮的社會經濟發展狀況，嚴格控制污染源，由水質管理和水位調節向流域生態系統綜合管理轉變。

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