蘇南新型農(nóng)業(yè)社區(qū)水生態(tài)環(huán)境健康綜合評價與分析
----以常熟市生態(tài)農(nóng)業(yè)社區(qū)為例

孫小鳳，李建華

(同濟(jì)大學(xué)環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院長江水環(huán)境教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，上海 200092)

0 引 言

蘇南農(nóng)業(yè)社區(qū)以江南水鄉(xiāng)聞名，是典型的平原河網(wǎng)區(qū)域，其發(fā)展與水環(huán)境緊密相關(guān)。近年來由于人類活動的劇烈影響，其水環(huán)境污染、水生態(tài)系統(tǒng)失衡、水生境破壞等問題突出，嚴(yán)重制約平原河網(wǎng)水生態(tài)的健康發(fā)展與農(nóng)業(yè)社區(qū)的經(jīng)濟(jì)發(fā)展[1]。伴隨國家經(jīng)濟(jì)發(fā)展，江南水鄉(xiāng)建設(shè)推行城鄉(xiāng)一體化，促進(jìn)農(nóng)業(yè)集約化、產(chǎn)業(yè)化，發(fā)展農(nóng)業(yè)生態(tài)旅游，一方面優(yōu)質(zhì)的水資源對農(nóng)業(yè)區(qū)域發(fā)展起到至關(guān)重要的作用，另一方面新型農(nóng)業(yè)社區(qū)結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)型對水環(huán)境的影響也在不斷擴(kuò)大，因此農(nóng)業(yè)社區(qū)水環(huán)境管理面臨著一些亟待解決的新情況和新問題。對于蘇南農(nóng)業(yè)社區(qū)的水生態(tài)環(huán)境，河網(wǎng)水體水質(zhì)評價具有單一性，難以全面反映河網(wǎng)的水生態(tài)健康狀況，不能滿足其管理需求。為此，國內(nèi)外已對水生態(tài)環(huán)境健康評價體系和方法等方面開展了大量的研究。美國早在1989年提出流域生態(tài)健康評價指標(biāo)體系[2]，國內(nèi)學(xué)者最早注重水質(zhì)和生物完整性指數(shù)評價，而后研究提出河網(wǎng)水生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能需求，強(qiáng)調(diào)河流健康必須依賴于社會服務(wù)的判斷，對水生態(tài)環(huán)境的研究偏重于治理[3-6]，對農(nóng)業(yè)社區(qū)水生態(tài)環(huán)境的綜合評價較少涉及。為此，本文利用GIS技術(shù)結(jié)合PSR概念模型以及層次分析模型對蘇南新型農(nóng)業(yè)社區(qū)研究區(qū)域水生態(tài)系統(tǒng)健康影響因子進(jìn)行篩選，再根據(jù)實(shí)際調(diào)研情況確定，構(gòu)建河網(wǎng)水生態(tài)健康評價指標(biāo)體系，并運(yùn)用Delphi(專家咨詢法)和AHP(層次分析法)劃分各指標(biāo)權(quán)重，以研究區(qū)域15個比較有代表性監(jiān)測斷面的實(shí)地調(diào)查和監(jiān)測數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，對其水生態(tài)環(huán)境進(jìn)行綜合評價，并結(jié)合各控制單元生態(tài)環(huán)境現(xiàn)狀的定量化評價對評價結(jié)果進(jìn)行驗(yàn)證和綜合分析，從而為蘇南農(nóng)業(yè)社區(qū)平原河網(wǎng)水生態(tài)環(huán)境重點(diǎn)治理區(qū)域及其關(guān)鍵影響因子識別提供科學(xué)依據(jù)，以期為水生態(tài)環(huán)境管理提供基礎(chǔ)支撐。

1 研究區(qū)域及研究方法

1.1 研究區(qū)域概況

研究對象農(nóng)業(yè)社區(qū)位于常熟市地處長江下游，東以S38為界、西至中涇塘，北達(dá)走馬塘、南及望虞河與盤錦北路。其行政面積為14.2 km2，社區(qū)人口為14 052人，面積較大的水系為東部的望虞河、中部的界涇河以及西部的中涇塘，主要特點(diǎn)可概括如下：①河網(wǎng)密集，主支流間層次復(fù)雜，河網(wǎng)水流流向往復(fù)不定，受閘、泵等水利工程干擾；②平坦地勢使得河流水動力不足，水流流速緩慢，水體自凈能力較差、富營養(yǎng)化程度顯著；③居民傍水而建，區(qū)域經(jīng)濟(jì)發(fā)展迅速，大量生活污水和工、農(nóng)業(yè)廢水直接或間接排入河流，導(dǎo)致水體污染問題嚴(yán)重；④設(shè)施農(nóng)業(yè)(包括大棚養(yǎng)殖)、標(biāo)準(zhǔn)廠房和店面房出租為農(nóng)業(yè)社區(qū)主要集體經(jīng)濟(jì)收入來源；⑤隨著經(jīng)濟(jì)發(fā)展，政府愈加重視加大對鄉(xiāng)村濕地建設(shè)、發(fā)展生態(tài)農(nóng)業(yè)旅游業(yè)，以提高區(qū)域生態(tài)環(huán)境影響。研究區(qū)域示意圖如圖1所示。

圖1 研究區(qū)域Fig.1 Research area 注：監(jiān)測斷面依次為S1(界涇河上游)、S2(界姚涇交匯)、S3(香花橋河)、S4(走馬塘)、S5(中涇塘上游)、S6(朱涇塘支流)、S7(陸家浜)、S8(歷家浜)、S9(福山塘)、S10(姚涇)、S11(雙墻門)、S12(九節(jié)支流)、S13(小望虞)、S14(九節(jié))、S15(中涇下游)

1.2 農(nóng)業(yè)社區(qū)河網(wǎng)水生態(tài)健康概念及評價指標(biāo)分析

鑒于河流水生態(tài)健康是實(shí)現(xiàn)農(nóng)業(yè)社區(qū)河網(wǎng)健康、又是實(shí)現(xiàn)河網(wǎng)生態(tài)、社會服務(wù)功能的基礎(chǔ)，本人在前人研究基礎(chǔ)上提出蘇南農(nóng)業(yè)社區(qū)河網(wǎng)水生態(tài)健康概念：農(nóng)業(yè)社區(qū)河網(wǎng)水系自身結(jié)構(gòu)和各項功能如防治水患、改善水質(zhì)、水生生物棲息地保護(hù)以及江南水鄉(xiāng)的自然景觀均處于相對穩(wěn)定的狀態(tài)，即河流具有充足水量，良好的河流連通性、水質(zhì)和天然的河岸棲息地環(huán)境，且保持良好的生物完整性和豐富的生物多樣性，能夠?yàn)閷?shí)現(xiàn)河網(wǎng)生態(tài)、社會服務(wù)功能提供基礎(chǔ)。

依據(jù)對農(nóng)業(yè)社區(qū)河網(wǎng)水生態(tài)健康概念的理解，采用“壓力-狀態(tài)-響應(yīng)”(PSR)模式構(gòu)建農(nóng)業(yè)社區(qū)河網(wǎng)水生態(tài)健康的評價指標(biāo)體系[7,8]。對水環(huán)境脅迫因子P、水環(huán)境狀況S以及水環(huán)境生物響應(yīng)R進(jìn)行指標(biāo)分析，不但可以全面把握水環(huán)境的綜合狀況，還可以具體了解每個分項的狀況，明確今后所需重點(diǎn)解決的問題。農(nóng)業(yè)社區(qū)水環(huán)境脅迫因子主要為人為因素類指標(biāo)(土地利用狀況、景觀設(shè)施、水系溝通程度、生產(chǎn)生活類型、垃圾清潔管理、社區(qū)管理組織等)；水環(huán)境狀況主要為水體理化類指標(biāo)(TOC/BOD/COD、NH3-N、TN、TP、濁度、DO電導(dǎo)率等)、棲息地指標(biāo)(護(hù)岸形式/堤岸穩(wěn)定性、岸帶寬度、水體內(nèi)沉積物/低質(zhì)、淺灘、深潭或曲流/河道變化等)、水利水文指標(biāo)(防洪情況、排澇情況、流速狀況、水量狀況等)；水環(huán)境生物響應(yīng)主要為生物多樣性指標(biāo)(魚類、岸帶植被、水生植被、腐殖質(zhì)類型、大型底棲動物等)。在對河網(wǎng)水生態(tài)健康評價過程中，可針對當(dāng)?shù)貙?shí)際情況和需求對以上5個方面中的具體指標(biāo)進(jìn)行篩選。

1.3 現(xiàn)場調(diào)查及分析

水生態(tài)調(diào)查的主要目的是識別水生態(tài)系統(tǒng)基本特征以及影響因素，為水生態(tài)功能區(qū)劃的指標(biāo)篩選提供依據(jù)。水生態(tài)調(diào)查數(shù)據(jù)為2016年8月對研究區(qū)域農(nóng)業(yè)社區(qū)水生態(tài)系統(tǒng)現(xiàn)狀進(jìn)行現(xiàn)場調(diào)研采樣獲取，重點(diǎn)調(diào)查較有代表性的15個監(jiān)測斷面(如圖1所示)的臨近河流的人為因素指標(biāo)、水體理化指標(biāo)、河流結(jié)構(gòu)形態(tài)、水利水文、生物多樣性以及河流棲息地環(huán)境等情況。

1.4 數(shù)據(jù)處理

1.4.1 指標(biāo)權(quán)重計算

目前大多數(shù)的權(quán)重分配研究成果可分為三類：主觀賦權(quán)法、客觀賦權(quán)法和組合賦權(quán)法[9]。理論上組合賦權(quán)法應(yīng)是達(dá)到各指標(biāo)權(quán)重的實(shí)際情況最為復(fù)合，誤差最小的評價方法，然而無法合理確定加權(quán)系數(shù)及需要同時運(yùn)用兩種模型進(jìn)行評價等因素，而客觀賦權(quán)法同樣存在此問題，不僅需要在指標(biāo)體系構(gòu)建完成之前收集所有指標(biāo)數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)學(xué)運(yùn)算，且會出現(xiàn)確定的權(quán)重與實(shí)際重要程度完全相悖的情況，這種不確定性會增大評價及分析過程中的誤差影響評價效率。鑒于此，本文決定選取主觀賦權(quán)法研究比較深入的Delphi(專家咨詢法)、AHP(層次分析法)以及根據(jù)現(xiàn)場調(diào)研確定各指標(biāo)權(quán)重[9,10]，按照結(jié)構(gòu)圖的層次關(guān)系進(jìn)行判別比較，分別構(gòu)造判斷矩陣，最后經(jīng)過一定的數(shù)學(xué)處理與一致性檢驗(yàn)，得到標(biāo)準(zhǔn)化后的特征向量W，即是本層次相應(yīng)因素對上層次某因素的相對重要性即權(quán)重值。

1.4.2 分級評價標(biāo)準(zhǔn)

評價指標(biāo)的標(biāo)準(zhǔn)以現(xiàn)有的地方及國家標(biāo)準(zhǔn)優(yōu)先，參考國內(nèi)外相關(guān)文獻(xiàn)上的標(biāo)準(zhǔn)，并結(jié)合評價區(qū)域的實(shí)際情況進(jìn)行劃分確定，本文中的評價區(qū)域即為太湖流域平原河網(wǎng)農(nóng)業(yè)社區(qū)水環(huán)境[11-16]。

結(jié)合本文采用的評價方法，對所有評價指標(biāo)進(jìn)行定量化。其中，對于易于定量的連續(xù)性指標(biāo)，采取相應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)對其進(jìn)行等級劃分；而對于定性的離散型指標(biāo)，在參考相關(guān)文獻(xiàn)或評價方法后，對其不同等級標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行定性描述，之后根據(jù)專家咨詢打分法確定各項指標(biāo)得分，定性指標(biāo)的標(biāo)準(zhǔn)得分從從I到V級分別為10-8、8-6、6-4、4-2、2-0。

1.4.3 水生態(tài)健康程度綜合評價計算方法及量化分級

(1)根據(jù)構(gòu)建的蘇南農(nóng)業(yè)社區(qū)水生態(tài)環(huán)境健康評價指標(biāo)體系，計算水生態(tài)健康綜合指數(shù)(Composite Health Index,CHI)如下：

(1)

式中：CHI為水生態(tài)環(huán)境健康綜合指數(shù)，其值范圍為0～10；Wi為評價指標(biāo)在綜合評價指標(biāo)體系中的權(quán)重，其值范圍為0～1；Ii為評價指標(biāo)的得分值，其值范圍0～10；i為評價指標(biāo)類別；n為評價指標(biāo)序列。

(2)目前，水生態(tài)健康評價在國內(nèi)外已有大量的研究成果，本文在參考國內(nèi)外研究的基礎(chǔ)上，結(jié)合平原河網(wǎng)地域特色，建立適合蘇南農(nóng)業(yè)社區(qū)的水生態(tài)健康綜合評價標(biāo)準(zhǔn)，分為5個等級。見表1。

表1 水生態(tài)環(huán)境健康評價量化分級Tab.1 Different levels of water ecological health evaluation

2 評價結(jié)果與分析

2.1 蘇南農(nóng)業(yè)社區(qū)水生態(tài)環(huán)境健康評價指標(biāo)遴選

以主題“平原河網(wǎng)+水生態(tài)健康+指標(biāo)體系”進(jìn)行文獻(xiàn)檢索以及國外河流生態(tài)綜合評價方法，結(jié)合蘇南農(nóng)業(yè)社區(qū)當(dāng)?shù)靥厣?，完成評價指標(biāo)篩選和體系構(gòu)建。首先，對準(zhǔn)則層進(jìn)行確認(rèn)，基于水生態(tài)環(huán)境PSR模型，在已有文獻(xiàn)中出現(xiàn)的準(zhǔn)則層指標(biāo)頻率較高分別有“人為因素指標(biāo)、水體理化指標(biāo)、棲息地指標(biāo)、水利水文指標(biāo)以及生物多樣性指標(biāo)”[11-16]。其次，對指標(biāo)層指標(biāo)進(jìn)行篩選，結(jié)合農(nóng)業(yè)社區(qū)當(dāng)?shù)卣{(diào)研情況，以及相關(guān)文獻(xiàn)中出現(xiàn)頻率較高的指標(biāo)，并考慮指標(biāo)評價可行性的前提下，初步篩選以下指標(biāo)，詳見表2。

表2 蘇南農(nóng)業(yè)社區(qū)河網(wǎng)水生態(tài)健康綜合評價指標(biāo)體系評價標(biāo)準(zhǔn)與權(quán)重劃分Tab.2Theevaluation standard and weight distribution of water ecologicalhealth evaluation index system in agricultural community of south Jiangsu province

續(xù)表2 蘇南農(nóng)業(yè)社區(qū)河網(wǎng)水生態(tài)健康綜合評價指標(biāo)體系評價標(biāo)準(zhǔn)與權(quán)重劃分

2.2 河網(wǎng)水生態(tài)健康程度綜合評價

為了判斷構(gòu)建評價指標(biāo)體系的合理性，了解研究區(qū)域農(nóng)業(yè)社區(qū)河網(wǎng)水生態(tài)健康狀況，選取2016年8月現(xiàn)場調(diào)研實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，對該區(qū)域水生態(tài)系統(tǒng)的健康狀況進(jìn)行評價。根據(jù)前文中給出的水生態(tài)環(huán)境健康綜合指數(shù)計算公式和水生態(tài)環(huán)境健康評價標(biāo)準(zhǔn)，對研究區(qū)域生態(tài)農(nóng)業(yè)社區(qū)水生態(tài)環(huán)境健康情況進(jìn)行評價，評價結(jié)果如表3所示。

從表3可以看出，大部分監(jiān)測斷面(53.3%)水生態(tài)健康程度均處于“亞健康”水平，46.7%監(jiān)測斷面處于“不健康”水平，評價結(jié)果與生態(tài)調(diào)查情況相符。從該評價結(jié)果可以看出，伴隨著新型農(nóng)業(yè)社區(qū)的建設(shè)，研究區(qū)域農(nóng)業(yè)社區(qū)河網(wǎng)水生態(tài)健康問題依然比較嚴(yán)重。

表3 各監(jiān)測斷面水生態(tài)健康程度評價結(jié)果Tab. 3 The ecological health evaluation results of each monitoring site

2.3 各控制層指標(biāo)評價結(jié)果與綜合評價指數(shù)對比分析

為了研究評價區(qū)域內(nèi)水生態(tài)健康影響因子，就PSR模型中各準(zhǔn)則層評價指標(biāo)得分與綜合評價得分進(jìn)行對比分析(如圖2)。從圖2中可以看出綜合指標(biāo)評價為“病態(tài)”的監(jiān)測斷面S6，其人為因素指標(biāo)、水利水文指標(biāo)及生物多樣性指標(biāo)皆處于Ⅴ類，尤其是附近的紡織類小作坊污水隨意傾倒以及提壩工程，導(dǎo)致該區(qū)域處于斷頭浜狀態(tài)水體污染嚴(yán)重，生物多樣性偏低。對于各評價指標(biāo)與綜合指標(biāo)的相關(guān)關(guān)系，水生態(tài)健康綜合評價受人為因素類影響較大的監(jiān)測斷面分別為S3、S6、S10、S11、S13、S14，除S13外其他監(jiān)測斷面受水體理化指標(biāo)影響均較大，受棲息地指標(biāo)影響較大的分別為S3、S4、S5、S8、S9、S10、S14、S15，受水利水文類指標(biāo)影響除S6外其他均較小，受生物多樣性指標(biāo)影響較大的分別為S2、S4、S6。

圖2 各準(zhǔn)則層指標(biāo)與綜合指標(biāo)對比分析Fig.2 Contrastive analysis between each criterion index and comprehensive index

從整體看來，農(nóng)業(yè)社區(qū)河網(wǎng)水生態(tài)環(huán)境健康受人為因素、水體理化指標(biāo)、棲息地指標(biāo)以及生物多樣性指標(biāo)影響較大，尤其是水體理化指標(biāo)，水利水文類指標(biāo)影響較小。

2.4 對策和建議

伴隨著經(jīng)濟(jì)發(fā)展要求，國家經(jīng)過“十一五”“十二五”規(guī)劃對水環(huán)境治理愈加重視，河流水污染惡化的勢頭得到有效控制，然而農(nóng)村水生態(tài)環(huán)境退化仍然很嚴(yán)重[17]。對此，蘇南農(nóng)業(yè)社區(qū)水生態(tài)環(huán)境問題，不僅僅是設(shè)施工程建設(shè)多少和資金投入多少的問題，更是在農(nóng)村缺少一個科學(xué)的水環(huán)境綜合管理體系，包括水環(huán)境保護(hù)措施、后續(xù)長效運(yùn)行維護(hù)機(jī)制、社區(qū)自治能力等問題[18]。結(jié)合本文中提出的農(nóng)業(yè)社區(qū)水生態(tài)環(huán)境健康評價體系以及相關(guān)分析，為提高農(nóng)業(yè)社區(qū)水生態(tài)健康程度建議采取以下對策。

(1)落實(shí)農(nóng)業(yè)社區(qū)水生態(tài)環(huán)境健康評價工作，如涉及水利水文、水環(huán)境和水生物等指標(biāo)的調(diào)研監(jiān)測工作。明確農(nóng)業(yè)社區(qū)水生態(tài)環(huán)境保護(hù)目標(biāo)，跟蹤調(diào)研農(nóng)業(yè)社區(qū)水生態(tài)環(huán)境健康程度，分析水生態(tài)環(huán)境與社區(qū)經(jīng)濟(jì)發(fā)展相關(guān)聯(lián)系，避免顧此失彼。針對水生態(tài)環(huán)境健康較差的區(qū)域，分析該區(qū)域水生態(tài)環(huán)境影響較大的因素，針對這些因素進(jìn)行優(yōu)先治理。以監(jiān)測斷面S6(朱家塘斷頭浜)為例，若是構(gòu)建該支流與朱家塘的水系溝通，控制周邊紡織業(yè)污水排放量，即使在不改變其他條件的情況下，該點(diǎn)的水生態(tài)健康評價結(jié)果將由“不健康”轉(zhuǎn)化為“亞健康”或更佳。隨著人為因素指標(biāo)的控制，其他準(zhǔn)則層指標(biāo)也將逐步得到改善。

(2)加強(qiáng)農(nóng)業(yè)社區(qū)水生態(tài)環(huán)境綜合管理。水生態(tài)環(huán)境健康評價需要水利、環(huán)保、水產(chǎn)等多個部門的合作與協(xié)調(diào)，強(qiáng)化各部門間的信息溝通，切實(shí)做好河網(wǎng)水生態(tài)建設(shè)工作。

(3)發(fā)展科學(xué)治理手段。河網(wǎng)水生態(tài)環(huán)境修復(fù)只能在外來污染得到有效控制時才能進(jìn)行。針對不同河網(wǎng)水環(huán)境狀況，根據(jù)PSR模型評價分析其生態(tài)健康影響因子，針對主要外來因素進(jìn)行優(yōu)先治理，避免盲目進(jìn)行恢復(fù)植被、放羊食藻魚類等生態(tài)工程。

(4)促進(jìn)宣傳教育，提高公眾意識。農(nóng)業(yè)社區(qū)居民文化素養(yǎng)不高，對水生態(tài)環(huán)境保護(hù)意識不夠，因此提高環(huán)境保護(hù)公眾意識對促進(jìn)其水生態(tài)環(huán)境健康發(fā)展尤為重要。一方面，農(nóng)業(yè)社區(qū)可通過廣播、環(huán)保法規(guī)宣傳墻、環(huán)保專題知識講座，增強(qiáng)社區(qū)群眾環(huán)境保護(hù)法治意識；另一方面，積極指導(dǎo)有條件的村、社區(qū)開展“生態(tài)鄉(xiāng)村”、“綠色社區(qū)”等創(chuàng)建活動，發(fā)展生態(tài)旅游業(yè)取代污染環(huán)境的產(chǎn)業(yè)。

3 結(jié) 語

本文利用PSR分析模型與水生態(tài)健康相關(guān)文獻(xiàn)資料，并結(jié)合2016年8月對蘇南農(nóng)業(yè)社區(qū)河網(wǎng)水生態(tài)環(huán)境調(diào)研實(shí)驗(yàn)資料，最終確定5個準(zhǔn)則層指標(biāo)類別以及26項評價指標(biāo)，采用層次分析法確定各項指標(biāo)權(quán)重，根據(jù)模糊評價法計算該研究區(qū)域不同監(jiān)測斷面的水生態(tài)健康程度，分析各準(zhǔn)則層評價得分對綜合評價指數(shù)的不同影響，以此提出相應(yīng)的對策與建議。本文提出的評價指標(biāo)體系結(jié)構(gòu)簡單、層次清楚、指標(biāo)明確，應(yīng)用于常熟農(nóng)業(yè)社區(qū)河網(wǎng)生態(tài)環(huán)境評價，客觀地反映了2016年該農(nóng)業(yè)社區(qū)的水生態(tài)狀況，并對進(jìn)一步的水生態(tài)修復(fù)提供科學(xué)依據(jù)，可推廣至其他蘇南農(nóng)業(yè)社區(qū)河網(wǎng)水生態(tài)評價中，具有良好的實(shí)際應(yīng)用價值。

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