討賴河流域水生態健康評價

拜亞麗

(甘肅省水環境監測中心,甘肅 蘭州 730000)

當前,隨著經濟社會的高度發展,受人類活動影響,流域下墊面條件不斷改變,各種廢污水進入水體導致水環境不斷惡化,水生物不斷銳減,水生態系統健康程度不斷受損,河流服務功能不斷喪失等,改變了流域水生態系統的結構和功能,嚴重威脅到河湖的水生態健康。

河流健康是生態文明建設的重要標志。早在20世紀70年代,世界各國就開始對河流水生態進行長期監測,從而對流域生態健康狀況進行相關研究和綜合評價。國外研究多集中在預測模型法、生物完整性法等評價方法上,重點關注流域生態永續發展,強調流域生物多樣性保護和生態修復,注重流域生境與棲息地評價。我國在這方面的研究起步相對較晚,在引進和推廣國外評價體系與技術方法方面開展了大量研究,同時借鑒國外學者的研究成果,近年來國內學者的研究成果頗為豐富[1],其中3S技術在該領域的應用、流域水生態健康等都是其研究的熱點方向。

我們定義如果一個流域的水生態結構穩定、合理、功能齊全,所蘊含的能量流動和物質循環能夠發揮流域正常的生態環境效益,進而滿足人類和自然需求,則稱這個流域的水生態是健康的[2]。

流域水生態健康評價逐漸成為流域生態環境管理重點,受到社會公眾廣泛關注。2022年生態環境部印發的《“十四五”生態環境監測規劃》,明確要求各地“增強水生態環境監測” “完善水生態監測評價”[3]。近年來,各地在生態文明建設實踐中陸續頒布了流域生態健康評價的地方標準,如:2017年山東省發布了《山東省生態河道評價標準》(DB37/T 3081—2017),2021年蘇州市發布了《河湖健康評價規范》(DB3205/T 1016—2021),2023年甘肅省發布了《河流健康評價技術規范》(DB62/T 4681—2023)等。

甘肅省是我國河流健康調查評價工作開展較早的省份之一。從2017年開始,甘肅省河長制辦公室統一安排部署,全省14個市(州)及蘭州新區依據相關技術規范陸續完成了107條河流的健康評價,2022年面向社會公開發布甘肅省河流健康藍皮書——《甘肅省河流健康評價報告(2017—2021)》。該報告結果顯示,河湖健康評估工作是全面推進河湖長制、不斷提升河湖水生態質量和穩定性的重要依據,對推進全省河湖生態環境復蘇、促進生態文明建設和高質量發展具有重要指導作用[4]。

1 研究區域概況

討賴河流域地處河西走廊中部,位于東經97°22′46″～99°27′11″,北緯38°24′16″～40°56′08″,東起山丹馬營河,西以嘉峪關的黑山為界,南與疏勒河流域毗鄰,北以金塔盆地的馬鬃山為界,涉及青海省祁連縣,甘肅省張掖市肅南縣、嘉峪關市以及酒泉市肅州區、金塔縣,流域面積2.81萬km2。

流域地勢總體西南高東北低,由西南向東北傾斜,區域內氣溫變化較大,冬季嚴寒,夏季酷熱,屬溫帶大陸性氣候,晝夜溫差較大,歷年最高氣溫38.7℃,最低氣溫-31.6℃,多年平均氣溫為6.7～7.7℃。年降水量稀少,多年平均年降水量272.7mm,多年平均年水面蒸發量(E601型蒸發器觀測值)為1800～2500mm。日照時間較長,全年約3000h;無霜期較短,全年約130天;風沙較大,夏季多東南風,冬季多西北風,最大風速為34.0m/s。

討賴河屬黑河水系一級支流,發源于青海省祁連山中段討賴掌,河長179.4km,集水面積6883km2。黑河的主要支流包括洪水河、紅山河、觀山河、豐樂河與馬營河等。流域內河床比降大,洪水陡漲陡落,峰高量小、歷時短。降水是討賴河流域的主要補給來源,主要來水量集中在汛期。其中討賴河出山口年均徑流量6.27億m3,徑流年際變化幅度小,變差系數Cv為0.13,年極值比為2.41,年最大徑流量9.13億m3(1972年),年最小徑流量4.89億m3(1990年),是西部地區徑流量變化幅度最小的河流。

討賴河出山口以上為高山峽谷區,出山后經嘉峪關市向西南進入平原區,東流進入酒泉市,之后北折轉向金塔縣,匯入鴛鴦池水庫,經引水灌溉后消失于金塔盆地。討賴河流域開發歷史悠久,流域中下游為重要的農業和工業經濟區,水利工程設施已初具規模,形成了較為完善的灌溉網絡系統,對水資源依賴程度很高。現狀已有蓄水工程44座,引水工程17處,機井工程6945眼,水電站10座(已建電站6座,在建4座),蓄水工程總庫容為21285萬m3,其中鴛鴦池水庫為大(2)型水庫,大草灘水庫和解放村水庫為中型水庫,其余均為小型水庫[5-6]。

2 評價方法

流域水生態健康評價主要參考河流健康評價的方法:生物監測法和綜合評價法。根據文獻情況,國內外研究基本傾向于綜合評價法。綜合評價法以層次分析法、灰色關聯分析法、模糊綜合評價法以及上述多方法耦合綜合分析法為代表[7]。本文采用灰關聯綜合評價法和模糊綜合評價法評價賴河流域水生態健康狀況。

2.1 灰關聯綜合評價法

灰關聯綜合評價法是一種多因素統計分析方法,該方法彌補了單因子評價的不足,系統考慮了影響流域生態系統的各因素與參考指標之間的關聯度,在此基礎上對流域健康程度進行評價[8]。

2.2 模糊綜合評價法

模糊綜合評價法是一種常見而較為有效的評價方法,是在確定評價因素等級標準和權值的基礎上,運用模糊集合變換原理,以隸屬度描述各因素及因子,構造模糊評判矩陣,通過多層次的復合運算,最終確定評價對象所屬等級[9]。

上述兩種評價方法的計算過程詳見文獻[8][9]。

3 研究成果

3.1 灰關聯綜合評價

3.1.1 評價體系

將流域水生態系統健康評價分解為三個層次:最上層為目標層,即討賴河流域水生態系統健康評價;中間層為準則層,有自然、經濟、社會屬性等影響因素;最下層為措施層,即各項評價標準,包括人口密度、城鎮化率、干旱指數、人均可利用水資源量、產水模數、單位GDP用水量、水資源開發利用程度、地表水開發利用率、城鎮人均污水排放量、徑流深、流量變異程度、植被覆蓋率、灌溉水利用系數、人均GDP、第三產業占GDP比例、節水灌溉率、工業用水重復率、重要濕地保留率、水功能區達標率、水利投資占GDP比例。

3.1.2 評價標準

灰關聯綜合評價將流域水生態健康評價分為五個等級:健康(0.8～1);即流域水生態環境沒有壓力;亞健康(0.6～0.8),即流域水生態環境有較輕壓力;較健康(0.4～0.6),即流域水生態環境有一定壓力;不健康(0.2～0.4),即流域水生態環境有壓力;病態(0～0.2),即流域水生態環境壓力很大。討賴河流域灰關聯綜合評價標準見表1。

表1 討賴河流域灰關聯綜合評價標準

3.1.3 灰關聯系數

從表1可知,討賴河流域評價指標的初始數據取值范圍、度量方法和單位不同,因此需要將評價模型中各種指標的初始數據進行標準化處理,可以采用越大越優、越小越優以及區間最優等方法,將其轉換到0～1的無量綱可比較數值范圍內,從而保證評價的科學性和客觀性。原始數據經過變換后求得絕對差序列,從而得到灰關聯系數,見表2。

表2 灰關聯系數

分別按照三個層次計算權重系數、組合權向量,并做一致性檢驗,計算結果見表3。

表3 歸一化權重結果

由此計算得到各指標的灰關聯度r=0.54,按照評價標準,計算結果處于0.4～0.6這個區間,即討賴河流域水生態屬于較健康狀態,說明討賴河流域水生態環境有一定壓力。

3.2 模糊綜合評價

3.2.1 建立評價因素集

影響流域健康程度的核心因素是河流自然屬性、經濟社會功能、社會服務能力的發展規模與質量。按照評價指標的可靠性及充分性原則,考慮討賴河水資源特點,建立評價因素集U={u1,u2,…,u20}={人口密度、城鎮化率、干旱指數、……、重要濕地保留率、水功能區達標率、水利投資占GDP比例}。

3.2.2 建立評判集

模糊綜合評價將流域水生態健康評價也分為五個等級,即評判集V={v1,v2,…,v5}={健康(0.8～1.0):流域恢復能力強,水生態環境沒有壓力,完全滿足經濟社會發展;基本健康(0.6～0.8):流域恢復能力較強,水生態環境有壓力,基本滿足經濟社會發展;亞健康(0.4～0.6):流域恢復能力一般,水生態環境有一定壓力,只能滿足一定程度的經濟社會發展;病態(0.2～0.4):流域恢復能力差,水生態環境壓力很大,無法滿足經濟社會發展;瀕于崩潰(0～0.2):流域恢復能力很差,水生態環境壓力非常大,完全無法滿足經濟社會發展}。

3.2.3 建立模糊關系矩陣

根據模糊關系矩陣的計算公式,討賴河流域水生態系統健康程度隸屬度評價矩陣為

3.2.4 計算關聯度

由表3可知各指標的權重,由此求得各指標的關聯度w=0.42,按照評判集,計算結果處于0.4～0.6這個區間,即討賴河流域水生態屬于亞健康,說明討賴河流域恢復能力一般,水生態環境有一定壓力,只能滿足一定程度的經濟社會發展。

4 結論與建議

a.采用灰關聯和模糊綜合評價方法對討賴河流域水生態環境進行評價,其中灰關聯評價方法計算結果為0.54,模糊綜合評價方法計算結果為0.42,結果表明:討賴河流域水生態環境有一定壓力,處于較健康狀態。

b.討賴河流域地處內陸,受人類活動影響,生態環境脆弱,干流縱向連通性評價為劣,中游工業發展迅速,下游農業生產用水量大,電站及蓄水工程較多,其開發利用區主要集中在中下游地區,造成水資源開發利用程度高,用水結構不合理,用水效率偏低等,上述因素對評價結果存在一定影響,需進一步分析[10-11]。

c.流域水生態健康評價指標體系受到有關研究及模型的建立、研究資料、方法的限制,可以通過AHP、集對分析等方法[12-16]對指標體系進一步完善,以期更好地為流域水資源服務。