基于突變級數法的小流域生態健康研究

田林鋼 胡起源

摘 要：小流域生態健康受多方面因素的影響，為了評價流域生態健康狀況，以突變級數法為基礎，建立了小流域河流生態健康評價指標體系，從自然和人為兩方面，共選取了2個一級指標、5個二級指標、15個三級指標，對新密市8個小流域生態健康的影響因素進行了計算和分析，結果表明：2015—2017年研究流域生態健康受影響程度等級均為4級，但流域生態健康受影響程度逐年上升;自然因素的影響較為穩定，人為因素的影響明顯增大，流域生態健康受影響程度與人為因素的變化趨勢一致。

關鍵詞：生態健康;突變級數法;生態治理;小流域

中圖分類號：TV214 ? 文獻標志碼：A

doi：10.3969/j.issn.1000-1379.2020.04.014

Abstract： The ecological-health of small watershed is affected by many aspects. In order to improve the ecological-health of the watershed and provide theoretical support and work direction for the study of ecological governance of the watershed， based on the catastrophe progression method， an evaluation system for the factors affecting the ecological-health of small watershed was established. Two first-class indicators， five second-class indicators and 15 third-class indicators were selected from the natural and human aspects.The results show that from 2015 to 2017， the affected degree of ecological health in the study basin is grade 4 and the affected degree of ecological-health in the basin is increased year by year; the impact of natural factors is relatively stable， the impact of human factors is significantly increased and the affected degree of ecological health in the basin is consistent with the change trend of human factors.

Key words： eco-health of watershed; catastrophe series method; ecological control; small watershed

水是生態系統中不可或缺的構成要素和重要介質，人和其他生物的生存都與水密切相關。但是，我國水資源分布不均，人均水資源量較少，該情況在北方地區尤為嚴重。隨著人口增長和工農業生產的發展，流域河道和河岸帶不斷受到人類活動的干擾，如土地圍墾、污水直接排入河道，水環境生態健康面臨著嚴峻考驗，流域生態系統整體性被破壞，景觀生態可持續性下降[1-2]。另外，氣候變化對水循環和水資源產生影響，進而影響岸邊帶生態環境與功能[3]。

水生態治理迫在眉睫。黨的“十八大”以來，黨中央著眼于生態文明建設全局，明確了“節水優先、空間均衡、系統治理、兩手發力”的治水思路。2019年9月，習近平總書記在黃河流域生態保護和高質量發展座談會上，對黃河治理提出了明確要求，其中加強生態環境的保護，充分考慮上中下游的差異，促進河流生態系統健康，提高生物多樣性;推進水資源的節約集約利用，把水資源作為最大的剛性約束，發展節水產業和技術，實施全社會節水行動，推動用水方式由粗放向節約集約轉變;推動流域高質量發展，從實際出發，積極探索富有地域特色的高質量發展新路子等，也是多數北方河流治理的重點與要點。

為了保證水生態修復工作的準確性和高效性，需要建立起有效的評價機制及時對河流的情況進行監控和治理。目前對大江大河的生態健康研究已相對完善，相關部門根據各流域特點，制定了對應的政策，河流生態健康情況有了明顯改善，如對黃河流域水功能區、水域納污能力、水污染治理等方面進行監督和治理，并在水土流失嚴重的地區建設淤地壩，較大程度緩解了黃河流域水體污染及水土流失情況[4]。但是小流域生態健康情況研究不足，多數河流存在不同程度的污染，但因缺乏合適的評價指標體系，存在治理方向不明確、治理重點不突出等問題。

為了實現小流域的有效治理，基于突變級數法建立小流域生態健康評價指標體系，根據2015—2017年新密市8個小流域的數據，對影響流域生態健康的因素進行分析，找出其中重要的影響因素，以期為下一步生態治理工作指明方向。

1 研究對象

1.1 研究對象概況

以新密市境內澤河、楊河、云巖水、微水、澧泉河、里灣河、朝陽水、騰蛟水等8個小流域為研究對象。新密市為鄭州市下轄縣級市，距鄭州市40 km，面積1 001 km2，人口80.97萬人。新密市境內河流徑流來源主要為降水，徑流時空變化規律與降水時空變化規律基本一致。受亞熱帶季風氣候影響，降水年內分配不均，年際變化大。多年平均降水量為648.6 mm，降水多集中于夏秋兩季，汛期6—8月降水量約占全年降水量的54.6%，年均蒸發能力1 730.3 mm。

所研究小流域未進行過系統治理，缺少管護，河道大部分完整，河流彎曲程度較好，上游均屬山區，植被覆蓋率高，水質較好。現狀調查發現，地下水開采管理粗放，節水灌溉技術推廣率不高，生活污水和工業廢水直排入河，沿岸生活垃圾隨意堆放，部分河段岸線被侵占或破壞。隨著河南省人口結構變化和經濟快速發展，非農業用水大幅增加，不可避免擠占農業用水，造成農業用水形勢緊張[5-6]。

目前已修建的工業污水處理廠均建于工廠集中區域，用于處理附近工業污水，但目前仍有部分工業企業不在污水處理廠覆蓋范圍內，且內部無污水處理設施，產生的工業污水直排入河，對水生態健康造成了嚴重影響。生活污水處理廠主要集中于城區和社區中，還有少部分建于鄉鎮，但該部分污水處理廠處理能力和覆蓋范圍有限，大多僅能處理周圍4～7個村的生活污水，并且大多數村污水收集設施建設不完善，大量生活污水直排入河，對水質和環境造成了不利影響。在河道治理方面，河流沿岸修建工廠、圍墾近岸土地、攔河養殖等情況十分突出，不僅不利于河道防洪安全，而且不利于河道生態健康。

1.2 數據來源和信息收集

數據分為現場數據與歷史數據兩部分。為了獲取真實有效的現場數據，2018年1月對新密市8條小流域河流現狀進行了實地調查，調查內容為河道形態、河道周邊現狀、流域現狀、植被情況和河岸治理情況等，其中植被情況和河岸治理情況采用現場調查和衛星影像相結合的方法得到。歷史數據如當地年降水量、水資源量、各類用水情況來源于《河南統計年鑒》等。

2 評價指標體系建立

2.1 突變理論

突變級數法是一種基于突變理論和微積分理論推導的模糊函數理論，通過突變隸屬函數和歸一化公式計算出各目標的定量值，并進行歸一化綜合量化運算的綜合評價方法[7]。與常見的評價方法如層次分析法、熵權法相比，突變級數法考慮了指標間的相對重要程度，通過歸一化公式計算指標值，不進行人為主觀賦值，減少了在權重分配時的主觀性，降低了軟件操作難度，減少了計算程序，因此普遍適用于評價指標體系年際發生變化的研究。

突變級數法的主要計算步驟：①建立評價指標體系。將系統分解為若干指標組成的多層次系統，建立評價指標體系，各指標層需要將較重要的指標放在前面。需要注意的是，分解的子指標不得多于4個。②指標處理。將指標按照正向或負向進行無量綱化處理，使指標值為[0，1]。③歸一化計算。利用歸一化公式（見表1）從下層向上層推導各指標層的定量值，直至總突變隸屬度值。另外，系統內指標間存在“互補”與“非互補”兩種關系，若指標間是互補關系，則將各指標歸一化計算結果的均值作為系統的控制變量x;若指標間是非互補關系，則將各指標歸一化計算結果中的最小值作為系統的x值。

2.2 指標選取及評價指標體系建立

根據環境保護部《流域生態健康評價技術指引》（環辦函[2013]320號），結合流域具體情況，遵循科學性、系統性、全面性等原則，按照主導生態功能的影響因素，將一級指標分為自然因素和人為因素兩方面，見表2（其中，一級指標為非互補關系，二級指標、三級指標各指標間為互補關系）。

流域是一個獨立的生態與地理單元，流域水文循環推動著流域內各生命體間的聯系與信息交流。小流域作為一個較小的單元，水文因素的影響顯得尤為重要，所以將自然因素分為水資源和河道地形2個二級指標，其中水資源分為年降水量變化率、地表水資源量變化率、水資源總量變化率3個三級指標，河道地形分為河流彎曲河道比例、河道比降、植被覆蓋良好河段比例（由于植被覆蓋情況對土壤儲存雨水功能起到正向作用，對土壤各項指標如水土流失、土壤入滲、土壤荒漠化有重要影響，因此近岸土地植被覆蓋率與河道地形關系密切[8]）3個三級指標。

流域的生態健康受人為因素影響較大，包含積極影響與消極影響兩方面，研究選取了用水、水污染和治理3個二級指標，其中用水分為工業用水量變化率、農業用水量變化率、生活用水量變化率、生態環境用水量變化率4個三級指標，水污染分為工業污水排污口處理率、生活污水排污口處理率、單位面積化肥施用量變化率3個三級指標，治理選取了污水處理廠控制范圍比例、河道治理比例2個三級指標。

根據研究流域的現狀，共選取了2個一級指標、5個二級指標、15個三級指標來分析不同因素對流域健康情況的影響程度。三級指標根據數據計算方式的不同分為年際指標和河流指標，年際指標采用相鄰兩年的數據計算求出，河流指標根據選取的8條河流相應的數據計算求出。三級指標計算方式和分類見表3。

將流域生態健康受影響程度分為4級，受影響級別越高，影響程度越大，影響程度等級劃分見表4。

2.4 數據分析

（1）自然因素。影響小流域生態健康最主要的自然因素是流域徑流量，研究區8條河流均為降水補給型河流，故直接受降水年際變化的影響。流域內徑流的產生不僅與降水有關，還與下墊面有關，河道彎曲程度和坡降影響河道調節洪峰的能力，同時與生態系統的多樣性有著緊密聯系，而河道周邊植被覆蓋情況決定了河岸的穩定程度。通過谷歌地圖可以看出，研究區8條河流整體河道走向、坡降及沿岸植被覆蓋情況基本保持長期不變，因此可將河道地形因素視為固定影響。

（2）人為因素。人為因素主要包括用水、水污染和治理三方面，其中影響最大的是水污染情況。水污染情況主要受排污口治理情況和農業面源污染治理情況影響。由表5可以看出，2017年在排污口治理方面，生活排污口處理情況較好，工業排污口治理工作還有很大提升空間。新密市2013—2017年各項用水量呈逐年增加趨勢，其中工業用水量在2013—2016年是逐年增加的，原因是新密市的主要產業為工業生產，冶金業、造紙業和耐火材料業十分發達，但2017年工業用水量有所減少，這與國家的節水政策和發展集約節約產業的思路一致;農業用水量的變化情況與工業用水量的變化情況一致，與國家發展高效灌溉的趨勢一致，但是經現場調查，研究流域農業灌溉大多采取漫灌方式，灌溉水利用效率有待進一步提高;生活用水量除2014年以外，其余年份均呈增加趨勢，與新密市推進城鎮化、擴大自來水供水范圍的實際情況一致;生態環境用水量數據僅查到2015年，雖然2015—2017年生態環境用水量小幅提高，但除了市區周邊的生態情況較好外，市區內及遠離市區的地區生態環境較差，還有較大提升空間。

（3）小流域生態健康受影響情況評價。通過表4、表8可以看出，2015—2017年研究流域生態健康受影響程度等級均為4級，但流域生態健康受影響程度逐年上升。由圖1可以看出，2015—2017年，自然因素的影響較為穩定，人為因素的影響明顯增大，流域生態健康受影響程度與人為因素變化趨勢一致。

3 結 語

對比2015—2017年數據可知，流域自然因素的突變隸屬度變化幅度很小，對流域生態健康起到持續、積極的影響，但流域整體生態健康情況還有很大的提升空間，要在維持和保護好目前自然環境的前提下，將大幅度提高人為因素對流域生態環境的積極影響作為下一步工作的重點。

在人為因素方面，國家和當地政府對生態環境健康逐漸重視。在用水方面，要繼續發展節約集約產業，合理利用水資源，從新密市的實際情況出發，建設有地方特色的、高質量的產業。在保證工農業等用水量的前提下，提高生態環境用水量，不僅要注重城區水生態建設，流域內水土流失情況也要予以重視，保證河道生態基流，保持河道自凈能力。水污染治理方面，繼續推進生活、工業污水處理工作，提高污水處理廠（站）覆蓋范圍。在河道治理方面，主要目標是恢復自然河道，保證河道防洪安全，盡量采用生態護坡，減少硬化、渠化河段。

生態治理是一項長期、動態工作，不僅要解決歷史性問題，還要解決隨著社會發展產生的新問題，建立的小流域生態健康影響因素評價指標體系的各項指標會隨著時間的變化而變化，因此在以后的工作中要不斷完善和改進。

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【責任編輯 呂艷梅】