奎屯河流域健康評價

黃 霄，雷曉云，高 凡，張新平

(1.新疆農業大學水利與土木工程學院，新疆 烏魯木齊 830052； 2.新疆生產建設兵團勘測設計院(集團)有限責任公司，新疆 烏魯木齊 830002)

流域內自然和人為過程是復雜的、動態的和空間變化的，不可持續的流域規劃和管理可造成環境災難，影響人類福祉。目前，流域已被廣泛認為是許多水資源規劃和管理問題的最合適的分析單位，流域健康評價(watershed health assessment，WHA)也被公認為流域研究和管理之間的最適合的結合方式[1-2]。如何界定流域健康的概念與內涵、確定評價標準、構建評價指標體系、選擇評價模型及方法是流域健康評價的關鍵[3-4]。美國環境保護署(EPA)采用底棲生物完整性指數(B.IBI)指標體系評價流域生態健康[5]。Jun等[6]提出了利用水資源脆弱性指數評價流域健康狀況，為韓國Bukhan河流域管理提供空間優先權。Chung等[7]開發了一種基于指標的多準則方法評估流域健康狀況。Sanchez等[8]使用土壤和水評估工具(SWAT)，利用空間聚類技術和驗證性因子分析方法進行流域健康評價。我國自20世紀90年代開始關注流域健康問題，針對干旱內陸河流域的健康評價多集中在甘肅河西走廊一帶，新疆流域鮮有涉及[9-10]。流域的結構、功能和動態過程是以時空相互作用為特征的，其對自然或人類干擾的響應均在時空尺度下進行[11]，流域健康評價以流域巨系統為評價對象，如果忽略了其時空尺度劃分，將難以保證流域健康規律及驅動因子的有效識別。目前，我國對流域健康評價的研究多從生物棲息地質量、水文、水質等方面進行[12]，而評估流域整體健康狀況，尤其考慮干旱內陸河流域水資源、涉水生態環境、社會經濟等方面的研究較少。本文在界定時空尺度的前提下，以新疆典型干旱內陸河流域——奎屯河流域為研究對象，確定指示奎屯河流域健康狀況變化的關鍵指標，構建涵蓋流域水資源健康、涉水生態環境健康、社會經濟健康的指標體系，運用組合賦權法和協調發展度評估流域健康狀況，以期為流域適應性管理及生態環境整治提供理論依據與決策支持。

1 研究區概況與數據來源

1.1 研究區概況

奎屯河流域地處東經83°22′～85°47′，北緯 43°30′～47°04′，流域內有31個行政區，主要包括獨山子區、奎屯市、新疆生產建設兵團第七師的9個團場、烏蘇市以及所屬的鄉(鎮、場)。流域總面積約為2.83萬km2，山區面積約占42%，平原面積約占58%，是新疆天山北坡經濟帶的重要組成部分，是北疆具有代表性的流域之一[13]。奎屯河、四棵樹河、古爾圖河是組成奎屯河流域三大水系(圖1)，奎屯河全長320 km，四棵樹河全長130 km，古爾圖河全長115 km。流域地表水多年平均徑流量為16.59億m3，地下水天然補給量為0.7億m3，水資源總量為17.29億m3。農業用水是該流域的用水大戶，約占總用水量的89%，遠高于全國平均水平(62%)。近年來，受氣候變化和人類活動雙重影響，奎屯河流域生態環境問題日益突出，主要表現為總用水需求迅猛增長、地下水超采嚴重、水資源承載力不足、土壤鹽漬化沙化面積日趨增加、甘家湖生態用水不足等，迫切需要構建一套完整指標體系診斷流域健康狀況，以促進經濟社會與水生態環境可持續發展。

圖1 奎屯河流域水系Fig.1 Water system of Kuitun River Basin

1.2 數據來源

基礎數據源包括：①1970—2015年水文氣象數據：奎屯河流域內奎屯河新渠首、四棵樹河新渠首、古爾圖河新渠首、奎屯、車排子、123團等多個水文氣象站降水、流量、氣溫、風速等資料；②2016年發布的人口統計數據及社會經濟數據：2015年流域內人口數量、國民生產總值、流域社會保障、工業、農業、甘家湖區區內人員環境保護意識等資料，數據來源于2016年新疆統計年鑒、奎屯河流域規劃報告、烏蘇市人民政府網；③生態環境數據來源于2015年30 m分辨率Landsat-TM影像和中巴資源衛星數據，以地理信息系統與遙感(GIS、RS)為技術手段，對流域的自然資源，主要包括土地資源和植物資源進行解譯。

2 研究方法

2.1 時空尺度界定

確定流域健康評價的時空尺度是流域健康評價工作的前提。基于資料的可獲取性，考慮自然與社會經濟耦合、行政區域(市、鄉、鎮、團場等)完整性、保證區域內自然與人類具有相對獨立的空間、順應可持續發展、自然保護區重點保護等原則[14]，將流域健康評價時間尺度選取為2015年，空間尺度劃分基于Ward系統聚類法和GIS空間疊加方法，以奎屯河流域內31個行政區作為分區基本單元，聚類結果見圖2。與平原區相比，山區人口分布稀少，蒸發量小，山區產流基本涵蓋了整個流域的徑流量，且山區水量充足，鹽堿地面積小，受人類活動的影響少，因此，流域健康評價范圍主要在平原區。在此基礎上，修正區域邊界，將流域灌區劃分圖、水功能區劃圖、水資源供水系統網絡圖等進行疊加，結果見圖3，以“地理位置+供水水源”方式命名。

圖2 奎屯河流域分區Fig.2 Subregion of Kuitun River Basin

圖3 奎屯河流域健康評價分區Fig.3 Health assessment subregion of Kuitun River Basin

2.2 評價指標體系構建

利用綜合健康指數法建立多層次、多指標的綜合評價指標體系，對奎屯河流域健康狀態進行定量評價[15]。遵循流域健康評價指標體系構建的獨立性、系統性、差異性、可量化性等原則[16]，在借鑒國內外相關文獻[17-20]的基礎上，考慮奎屯河流域水循環與生態環境過程機理，以流域健康評價指數為目標層，以水資源健康指數、涉水生態環境健康指數、社會經濟健康指數為準則層，構建含氣候、地表水、地下水、水環境、土壤、植被、社會、經濟條件17個指標的子區1、子區2、子區3、子區4、子區5評價指標體系。子區6(甘家湖區)位于奎屯河流域尾閭地帶，該區西北邊為阿拉山口，東、南臨近兵團七師墾區和烏蘇市綠洲，地理位置十分獨特；該區植被區系豐富，其西北邊是甘家湖梭梭林自然保護區，梭梭是西北地區重要的固沙植物之一[21]；野生動物種類和數量較多，且該區荒漠生態環境對于保護該區生物多樣性、維護物種資源的穩定性、防止沙漠化起重要作用；區內流經的河流主要發源于南、北山區，其中發源于南部山區的3條河流因其上中游大規模的開發利用，至下游甘家湖區地區時水文情勢均發生了較大的變化；因此，構建含氣候條件、水資源、水質條件、植被條件、動物條件、社會條件、經濟條件12個指標的子區6評價指標體系。奎屯河流域評價指標體系見表1、表2。

表1 子區1～5的評價指標體系
Table1Evaluationindexsystemofsubregion1～5

表2 子區6的評價指標體系Table 2 Evaluation index system of subregion 6

2.3 權重的確定

為避免單一賦權方法造成的主客觀影響，采用主觀賦權與客觀賦權相結合的方法確定指標權重。本文選取層次分析法和熵權法計算指標的綜合權重。層次分析法確定指標主觀權重，具體步驟見文獻[22-23]；熵權法確定指標客觀權重，具體步驟見文獻[24-25]。在主觀賦權和客觀賦權的基礎上，計算流域健康評價指標綜合權重，見表1、表2的括號中。綜合權重Qj的計算公式為

(1)

式中：vi為層次分析法計算的權重；wj為熵權法計算的權重。

2.4 綜合評價指數

以最佳可達狀態為目標，以“近自然準則”為原則[26]，構建奎屯河流域健康評價標準。引入水資源、涉水生態環境和社會經濟綜合評價指數T反映流域健康狀況，公式[27-28]為

T=αf(x)+βg(y)+γh(z)

(2)

式中：f(x)、g(y)、h(z)分別為水資源健康指數、涉水生態環境健康指數和社會經濟健康指數；xi、yj、zk分別為水資源、涉水生態和社會經濟健康指數評價指標層下各指標的標準化值；wi、wj、wk分別為水資源健康指數、涉水生態健康指數和社會經濟健康指數評價指標層各指標的權重；α、β、γ分別為水資源、涉水生態環境和社會經濟權重。

參照人體健康等級劃分的研究成果，將奎屯河流域健康標準劃分為5個等級：很健康、健康、亞健康、不健康、病態。借鑒國家、地方及行業規定的標準和規范，同時查閱流域歷史資料，在獲取流域的背景和本底值并聽取有關專家的意見后，得到不同等級下綜合評價指數T的閾值及含義(表3)。

表3 流域健康等級及含義Table 3 Basin health level and meaning

2.5 協調度

用系統要素間的離差系數作為協調度的定量表達方式來反映水資源、涉水生態環境、社會經濟3個子系統間的協調程度，離差系數越小，則系統間的協調性就越好[29]，協調度計算公式[30]為

(3)

式中：C為協調度，0≤C≤1；k為研究中需調節子系統的數量，本研究中k=3。

2.6 協調發展度

引入協調發展度反映奎屯河流域水資源、涉水生態環境和社會經濟3個子系統間的協調發展情況，協調發展度越高，流域整體協調發展狀況越好。協調發展度D的計算公式[31]為

(4)

為衡量系統間協調發展的相對尺度，借鑒國內外有關協調發展度等級劃分的研究成果[23,29]，將協調發展度閾值劃分為5個區間：[0，0.2)、[0.2，0.4)、[0.4，0.6)、[0.6，0.8)、[0.8，1.0]，分別對應的協調發展度類型為極度不協調衰退型、中度不協調衰退、臨界協調發展、中度協調發展、良好協調發展。綜合評價的結果分為兩種情況：①當m=min{f(x),g(y),h(z)}時，為滯后型，如m=h(z)，為社會經濟滯后型。②當f(x)=g(y)=h(z)時，流域水資源功能、涉水生態環境功能、社會經濟功能同步發展，現狀流域各系統間協調性良好，今后目標是實現更高水平的協調。

3 結果分析

利用各子區的相關數據進行計算，得到結果見表4。子區1、子區2、子區3以及子區6的健康狀況屬于亞健康狀態，協調發展類型為臨界協調發展；而子區4和子區5的健康狀況屬于不健康狀態，協調發展類型屬于中度不協調衰退型。

表4 評價模型計算結果Table 4 Calculation results of evaluation model

由表4中f(x)的變化趨勢可知，從奎屯河流域中下游至尾閭地帶水資源健康指數呈下降的趨勢。子區1水資源開發利用規模較大，地下水開采率已達110.68%，處于不健康的狀態；地表水資源開發利用率為68.20%，處于亞健康狀態。子區2的地下水開采率達127.18%，處于不健康的狀態；地表水資源開發利用率為63.20%，處于亞健康狀態。子區3降雨稀少，蒸發強烈，2015年年均降水量為186.91 mm，干旱指數達11.40，處于不健康狀態；水資源開發利用規模較大，地下水開采率已達99.15%，地表水資源開發利用率為70%。子區4、5位于奎屯河流域下游，平均降水量為178 mm，蒸發強烈，這兩個子區平均干旱指數為10.61，處于不健康狀態；同時，子區4、5灌區較多且人口分布較為密集，農業用水量與生活用水量已達到9.01億m3，通過水利工程設施的引水量與河道的水量勉強維系兩個子區的基本需水量，用水結構不合理，水資源承載力已經不足。子區6年均降雨稀少(158 mm)，蒸發強烈，干旱指數達11.39，處于不健康的狀態；奎屯河、四棵樹河、古爾圖河向該區的生態輸水保證率低，僅為30.29%，而該區健康生態輸水保證率需達到90%以上。

從表4中g(y)的變化趨勢可知，從奎屯河流域中下游至尾閭地帶涉水生態環境指數基本呈下降的趨勢。子區1水土流失率達64.02%，已處于病態；植被覆蓋率低，僅為40.25%，處于亞健康狀態；該區水質綜合污染指數較高(0.47)，處于亞健康狀態。子區2水質綜合污染指數高(1.17)，相當于地表水環境質量標準的Ⅲ類標準，該區的氟化物已處于劣Ⅴ類狀態；同時該區生態環境脆弱，土壤鹽漬化現象嚴重，水土流失率達68.44%，已處于病態。子區3、4、5土壤鹽漬化現象嚴重，植被覆蓋率低，子區3平均植被覆蓋率僅為39.69%，處于不健康狀態。子區6水質礦化度為11 g/L，處于不健康的狀態；該區植被覆蓋率為65%，處于健康的狀態，灌木林地所占面積比例為50%，處于亞健康狀態；以梭梭和白梭梭為主的荒漠生態環境較好，在考慮到外界干擾時，甘家湖區白梭梭種群零級動態指數約為1.5%，大于0，白梭梭種群是較為穩定的；該區野生動植物豐富度達60%，處于健康的狀態。綜合全流域涉水生態環境健康指數來看，流域土壤鹽漬化、水土流失現象較為嚴重，全流域耕地鹽漬化面積占耕地面積的90.16%，荒地土壤鹽漬化更為嚴重，兵團第七師荒地土壤幾乎100%鹽漬化，全流域無明顯侵蝕面積僅為8 112 km2，占流域土地面積的28.66%。

從表4中h(z)的變化趨勢可知，從奎屯河流域中下游至尾閭地帶社會經濟指數也基本處于下降的趨勢。子區1水利工程措施不完善，輸水渠道損失率為45.8%，處于亞健康的狀態；該區的農業用水效率低，節水灌溉率僅為36.90%，處于不健康的狀態。子區2飲水困難人口比例較高(45.95%)，已處于不健康的狀態；城鎮化健康水平低，城鎮化率為26.75%，《國家新型城鎮化規劃(2014—2020年)》指出城鎮化健康有序發展，常住人口城鎮化率應達到60%左右；水利工程措施不完善，輸水渠道損失率為46.06%，處于亞健康狀態；防洪標準較低，僅為5年一遇，抗洪能力較差。子區3飲水困難人口比例高(71.72%)，處于不健康的狀態；城鎮化健康水平低，城鎮化率為41.2%；該區的農業用水效率較低，節水灌溉率為59.78%；防洪標準較低，僅為5年一遇，抗洪能力較差。子區4萬元工業值用水量較大，現狀年均值為24.16 m3/萬元，處于亞健康狀態；農業用水效率較低，節水灌溉率為43.21%，處于不健康狀態；飲水困難人口比例為46.20%，處于不健康的狀態。子區5萬元工業值用水量較大，現狀年均值為24.32 m3/萬元，處于亞健康狀態；城鎮化健康水平較低，該區城鎮化率為44.80%，處于亞健康狀態。對子區6的環境保護意識較高，區內人員環境保護意識比例為69.80%；但該區的環保投資指數較低，2015年僅為0.38%，遠小于2.5%，今后政府應著重關注該區的投資環保建設工作。

奎屯河流域水資源匱乏，涉水生態環境完整性正逐漸衰退，社會服務功能發展極不均勻。由表4可見，子區1、子區6屬于水資源健康滯后性區域，子區2、3、4、5屬于涉水生態環境健康滯后性區域，說明奎屯河流域水資源短缺、涉水生態環境脆弱，流域內水資源供需、水生態環境和人類經濟社會發展已處于不平衡狀態。各子區的協調度較高，而協調發展度較低，表明各子區的協調發展水平受水資源、涉水生態環境、社會經濟間綜合發展水平的制約，今后流域管理應著重提高水資源、涉水生態環境、社會經濟的發展水平。

4 結 論

a. 奎屯河流域健康評價結果表明，現狀年(2015年)處于亞健康狀態的分區有：子區1、子區2、子區3、子區6，綜合評價指數分別為：0.419、0.404、0.408、0.401，協調發展類型為臨界協調發展；處于不健康狀態的分區有子區4和子區5，綜合評價指數為0.358和0.343，協調發展類型屬于中度不協調衰退型。

b. 從水資源、涉水生態環境、社會經濟健康指數比較來看，水資源健康指數制約奎屯河流域健康發展占有最高比例，流域內總用水需求的增長，水資源承載能力已經嚴重不足，受人為因素與極端氣候因素的影響，流域內涉水生態環境受到一定破壞，社會經濟健康狀況不容樂觀。從流域協調發展狀況來看，提高流域綜合健康評價指數是協調發展該流域的關鍵。