基于河長制的疏勒河流域水環境評價

周 敏，孫棟元，崔艷強，武蘭珍，王興繁，馬亞麗

(甘肅農業大學水利水電工程學院，甘肅 蘭州 730070)

人類生存和發展離不開水環境，水環境評價能夠科學表征水質、水量、水生態等方面的狀況，早期發現問題并及時采取有效措施來保護水資源和人民的生命健康。而水環境評價的核心環節是構建科學全面的評價指標體系，已有研究主要集中于兩種方法，其一是以系統論為基本理論，通過水資源-社會-經濟-自然復合系統[1]選取指標；其二通過固定模型構建指標體系，主要有PSR模型[2]、DSR模型[3]、DPSIR模型[4]、DCSM模型[5]、DPSM模型[6]等，盡管構建方法多種多樣，但篩選指標的角度仍舊比較單一。河長制的出現為構建水環境評價指標體系帶來新視角。因此本文從河長制建設要求的6個層面(水資源管理、水污染防治、水環境治理、水生態修復、水域岸線管理、行政執法管理)構建評價指標體系，運用層次分析-灰色綜合法，評價疏勒河流域水環境狀況，用障礙度模型分析水環境主要障礙因素。旨在揭示近年來流域水環境變化規律和主要影響因素，分析河長制實施對流域水環境水平的影響，從而為改善流域水環境和促進河長制建設提供科學參考依據。

1 流域概況

疏勒河是甘肅省河西走廊第二大河，干流全長670km，流域面積4.13×104km2[7]，多年平均年降水量47～63mm，年蒸發量2897～3042mm，年平均氣溫6.9～8.8℃，屬典型的內陸干旱性氣候，干流多年平均徑流量為10.31億m3。疏勒河對流經甘肅省肅北縣、玉門市、瓜州縣、敦煌市等城鎮供水起重要作用，區域植被覆蓋率低，工業水平相對落后，農業需水量大，供用水結構極度不協調。

2 研究方法與數據來源

2.1 水環境評價指標體系與分級

河長制下水環境評價的主要目的是為了科學評價河長制實施前后流域水環境變化趨勢，因此，評價指標體系的建立可將河長制工作任務[8-9]作為切入點，按所選指標數值具有時間連續性、可獲得性、代表性、可量化性等原則[10]，參考疏勒河“一河一策”方案[11]、已有河長制績效考核和流域水環境評價相關文獻[12-15]，選定6個準則層共28個指標。評價指標體系詳見表1。

表1 疏勒河流域水環境評價指標體系

評價指標分級標準值是疏勒河水環境評價的重要支撐數據，但標準值的確定并沒有統一的科學確定方法，參考依據也各不相同。結合疏勒河流域自身特點，綜合參考相關文獻[13-15]，將疏勒河流域水環境劃分為Ⅰ級(好)、Ⅱ級(較好)、Ⅲ級(良好)、Ⅳ級(較差)、Ⅴ級(差)5個等級。具體等級標準值見表2。

表2 指標分級標準值

2.2 權重計算

因疏勒河水環境評價指標體系是個多層次、多目標的指標體系且評價指標既有定量指又有定性指標，考慮到簡潔實用，采用層次分析法[17]確定指標權重wi和準則層權重Wi，具體計算過程參考文獻[17]。

2.3 評價方法

采用灰色綜合評價法[18]計算疏勒河流域水環境等級，運用MATLAB軟件計算解決手算或excel運算效率低、易錯等缺點。以2013—2020年指標實測數據為比較序列，依次將Ⅰ級、Ⅱ級、Ⅲ級、Ⅳ級、Ⅴ級標準值作為參考序列，重復計算程序，得出待評價年份實測值與各等級的關聯度，根據最大關聯度原則確定2013—2020年的水環境等級。具體計算流程如圖1所示。

圖1 MATLAB計算水環境等級流程圖

2.4 障礙度模型

分析疏勒河流域水環境狀況后，有必要進一步探討河長制管理下影響水環境的主要障礙因子。本研究運用因子貢獻度、指標偏離度計算障礙度[19-20]，具體計算步驟如下：

步驟一：為了消除數據量綱便于障礙度計算，采用極差標準化對數據進行標準化，即：

(1)

式中，Xij—指標原始數據；X’ij—標準化后的數據，其中i=1，2，…，n，j=1，2，…，m。

步驟二：計算因子貢獻度Fi。計算公式：

Fi=Ei×wi

(2)

式中，Ei—綜合權重；wi—指標層權重，

步驟三：計算指標偏離度Iij。計算公式：

Iij=1-X’ij

(3)

式中，X’ij—指標標準化數值。

步驟四：計算指標層障礙度Pij和準則層障礙度Pi。計算公式：

(4)

(5)

2.5 數據來源

基礎數據來源于2013—2020年甘肅省水資源公報，肅北縣、瓜州縣、玉門市、敦煌市2013—2020年國民經濟與社會發展公報及統計年鑒，流域實地調查。個別年份缺失數據利用往年數據線性插值得到。

3 結果與分析

3.1 評價指標權重

圖2為層析分析法計算的指標權重徑向條形圖，由圖2(a)可知，河長制建立情況(C25)、河道恢復情況(C17)、污水日排放量(C7)所占權重分別為0.1347、0.1347、0.1070，累計權重37.64%，是疏勒河流域水環境的主要影響指標；建成區綠化覆蓋率(C21)、產水模數(C1)、人均水資源量(C2)、地下水開發程度、Ⅲ類及以上水質比例(C11)所占指標權重分別為0.0022、0.0028、0.0028、0.0049、0.0072，累計權重僅有1.99%，是流域水環境的次要影響因素。

圖2 指標權重徑向條形圖

由圖2(b)可知，從河長制管理建設層面來看，水污染防治和水生態修復(B3、B4)、行政執法管理(B6)、水環境治理(B2)、水域岸線管理(B5)、水資源管理(B1)所占權重分別為0.2827、0.206、0.103、0.0764、0.0492，對流域水環境影響程度依次降低，即水污染防治和水生修復是流域水環境主要影響因素。

3.2 水環境及各準則層等級動態變化特征

運用層次分析-灰色綜合評價模型，根據最大關聯度原則，得出2013—2020年疏勒河流域水環境及各準則層評價等級變化趨勢，如圖3—4所示。可知，近年來疏勒河流域水環境呈Ⅴ級到Ⅰ級逐漸上升變化趨勢，與蔚靜雯[21]和吳丹[22]的研究結論基本一致，其中2020年水環境等級最高，為Ⅰ級，水環境狀況比較好；2013、2014、2015、2016年等級最低，為Ⅴ級，水環境狀況較差。進一步分析，2017年流域實施河長制，水環境整體水平高于該制度推行前。

圖3 疏勒河流域水環境等級變化趨勢

圖4 評價指標體系中各準則層等級變化趨勢

2013—2020年流域水資源管理(B1)、水污染防治(B2)、水生態修復(B4)、水域岸線管理(B5)、行政執法管理(B6)整體呈Ⅴ級到Ⅰ級逐漸好轉趨勢，等級提升均發生在2017年以后，表明隨著河長制的全面推行，管水、治水活動明顯增多，制度管理內容得以落實，水環境綜合治理與管理能力不斷提高，逐步形成了健全的河流治理體系，極大改善疏勒河水環境狀況。水環境治理(B3)等級呈Ⅱ-Ⅴ-Ⅱ級波動變化，疏勒河河流自身水質較好，人民生產生活密集在河流下游，中上游開發利用較少，尤其上游水環境基本處在自然狀態，疏勒河水環境整體較好，近年來流域社會經濟發展較快，人口增加導致用水量上升，廢污水排放量大幅度增加，導致河流水環境遭到破壞，直到2019年，因實施河長制的績效作用得以改善。

3.3 障礙因子分析

采用障礙度模型，從準則層和指標層兩個角度進一步分析水環境障礙因子，如圖5—6所示。由圖5可知，水資源管理(B1)、水污染防治(B2)對流域水環境的影響程度逐漸升高，水環境治理(B3)、水域岸線管理(B5)、行政執法管理(B6)對水環境的影響程度逐漸降低。2013—2016年，行政執法管理是水環境狀況的主要障礙因子；2017年和2018年，水生態修復(B4)的障礙度值最大，是水環境狀況的主要影響因素；2019年和2020年水環境的主要限制因子分別為水污染防治、水資源管理。自2017年后水環境狀況主要障礙因素由行政執法管理變為水生態修復和水資源管理，表明積極建立健全相關法規政策，加強執法監管力度，河長制全面建設初步形成，可為治理河流突出問題提供強大決策制度支持，在今后的疏勒河水環境治理中，仍需堅持河道治理和水資源綜合管治工作。

圖5 準則層障礙度變化分析

分析圖6得出，污水日排放量(C7)、化肥使用強度(C9)、農業灌溉用水率(C5)、污水處理回用率(C6)對水環境水平的影響逐年增強，河長制建立情況(C25)、水域岸線垃圾清除率(C12)、水土流失治理率(C16)對水環境狀況的影響正在減弱，表明截污減排、優化用水結構是提高疏勒河流域水環境水平的重點工作方向。每年的最大障礙因子因指標大小變化而出現不同，如2013年最大障礙因子為河長制建立情況(C25)，2019年和2020年最大障礙因子分別是污水日排放量、萬元GDP用水量(C4)，河長制的實施，河流治理法律法規逐步建立健全，流域水環境治理得到了強有力的制度保障。然而，社會經濟飛速發展、人民生活水平顯著提高使得區域工農業廢污水排放量維持在較高水平，故合理規劃區域用水，控制污水排量，提高污水凈化能力，是未來改善流域水環境狀況的有效途徑。

圖6 指標層障礙度變化分析

4 結論

(1)疏勒河流域水環境等級由2013年的Ⅴ級提高到2020年的Ⅰ級，水環境狀況整體呈逐年上升趨勢。

(2)障礙度模型分析顯示，阻礙疏勒河水環境水平的主要障礙因子因年份不同而變化，主要集中在行政執法管理、水生態修復、水污染防治3個層面。2013—2016年第一障礙因子為河長制建立情況，第二障礙因子為河道恢復情況，第三障礙因子為“一河一策“編制完成率；2017—2018年，第一、二、三障礙因子分別是河道恢復情況、河長制建立情況、污水日排放量；2019—2020年，污水日排放量、萬元GDP用水量、河道恢復情況依次為第一、二、三障礙因子。

(3)河長制實施對水環境治理有積極推動作用，未來疏勒河流域仍需深入貫徹河長制，加強水資源管理，提高污水處理率，增強水污染防治能力，科學開展河道水生態修復工程，爭取更好地保障區域水環境狀況持續提高。研究結果對提高區域水環境綜合治理，指導區域未來水資源規劃與社會經濟發展提供科學參考依據和決策支撐。但由于河長制建設內容比較繁多，加上數據可獲取性及可量化性，指標選取可能還有不足之處，另外從流域時間序列的水環境狀況進行了評估，未詳細分析空間分布，在今后研究中進一步加強對流域水環境時空分布狀況和規律研究。