奎屯河流域健康評價

黃 霄，雷曉云，高 凡，張新平

(1.新疆農(nóng)業(yè)大學水利與土木工程學院，新疆 烏魯木齊 830052； 2.新疆生產(chǎn)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(nèi)自然和人為過程是復雜的、動態(tài)的和空間變化的，不可持續(xù)的流域規(guī)劃和管理可造成環(huán)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(guī)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(nèi)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(huán)境保護署(EPA)采用底棲生物完整性指數(shù)(B.IBI)指標體系評價流域生態(tài)健康[5]。Jun等[6]提出了利用水資源脆弱性指數(shù)評價流域健康狀況，為韓國Bukhan河流域管理提供空間優(yōu)先權。Chung等[7]開發(fā)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(nèi)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(tài)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(tǒng)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(guī)律及驅(qū)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(zhì)量、水文、水質(zhì)等方面進行[12]，而評估流域整體健康狀況，尤其考慮干旱內(nèi)陸河流域水資源、涉水生態(tài)環(huán)境、社會經(jīng)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(nèi)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(tài)環(huán)境健康、社會經(jīng)濟健康的指標體系，運用組合賦權法和協(xié)調(diào)發(fā)展度評估流域健康狀況，以期為流域適應性管理及生態(tài)環(huán)境整治提供理論依據(jù)與決策支持。

1 研究區(qū)概況與數(shù)據(jù)來源

1.1 研究區(qū)概況

奎屯河流域地處東經(jīng)83°22′～85°47′，北緯 43°30′～47°04′，流域內(nèi)有31個行政區(qū)，主要包括獨山子區(qū)、奎屯市、新疆生產(chǎn)建設兵團第七師的9個團場、烏蘇市以及所屬的鄉(xiāng)(鎮(zhèn)、場)。流域總面積約為2.83萬km2，山區(qū)面積約占42%，平原面積約占58%，是新疆天山北坡經(jīng)濟帶的重要組成部分，是北疆具有代表性的流域之一[13]?？秃印⑺目脴浜?、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(nóng)業(yè)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(tài)環(huán)境問題日益突出，主要表現(xiàn)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(tài)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(jīng)濟社會與水生態(tài)環(huán)境可持續(xù)發(fā)展。

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

1.2 數(shù)據(jù)來源

基礎數(shù)據(jù)源包括：①1970—2015年水文氣象數(shù)據(jù)：奎屯河流域內(nèi)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(fā)布的人口統(tǒng)計數(shù)據(jù)及社會經(jīng)濟數(shù)據(jù)：2015年流域內(nèi)人口數(shù)量、國民生產(chǎn)總值、流域社會保障、工業(yè)、農(nóng)業(yè)、甘家湖區(qū)區(qū)內(nèi)人員環(huán)境保護意識等資料，數(shù)據(jù)來源于2016年新疆統(tǒng)計年鑒、奎屯河流域規(guī)劃報告、烏蘇市人民政府網(wǎng)；③生態(tài)環(huán)境數(shù)據(jù)來源于2015年30 m分辨率Landsat-TM影像和中巴資源衛(wèi)星數(shù)據(jù)，以地理信息系統(tǒng)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(jīng)濟耦合、行政區(qū)域(市、鄉(xiāng)、鎮(zhèn)、團場等)完整性、保證區(qū)域內(nèi)自然與人類具有相對獨立的空間、順應可持續(xù)發(fā)展、自然保護區(qū)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(tǒng)聚類法和GIS空間疊加方法，以奎屯河流域內(nèi)31個行政區(qū)作為分區(qū)基本單元，聚類結果見圖2。與平原區(qū)相比，山區(qū)人口分布稀少，蒸發(fā)量小，山區(qū)產(chǎn)流基本涵蓋了整個流域的徑流量，且山區(qū)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(qū)。在此基礎上，修正區(qū)域邊界，將流域灌區(qū)劃分圖、水功能區(qū)劃圖、水資源供水系統(tǒng)網(wǎng)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(qū)Fig.2 Subregion of Kuitun River Basin

圖3 奎屯河流域健康評價分區(qū)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(shù)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(tài)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(tǒng)性、差異性、可量化性等原則[16]，在借鑒國內(nèi)外相關文獻[17-20]的基礎上，考慮奎屯河流域水循環(huán)與生態(tài)環(huán)境過程機理，以流域健康評價指數(shù)為目標層，以水資源健康指數(shù)、涉水生態(tài)環(huán)境健康指數(shù)、社會經(jīng)濟健康指數(shù)為準則層，構建含氣候、地表水、地下水、水環(huán)境、土壤、植被、社會、經(jīng)濟條件17個指標的子區(qū)1、子區(qū)2、子區(qū)3、子區(qū)4、子區(qū)5評價指標體系。子區(qū)6(甘家湖區(qū))位于奎屯河流域尾閭地帶，該區(qū)西北邊為阿拉山口，東、南臨近兵團七師墾區(qū)和烏蘇市綠洲，地理位置十分獨特；該區(qū)植被區(qū)系豐富，其西北邊是甘家湖梭梭林自然保護區(qū)，梭梭是西北地區(qū)重要的固沙植物之一[21]；野生動物種類和數(shù)量較多，且該區(qū)荒漠生態(tài)環(huán)境對于保護該區(qū)生物多樣性、維護物種資源的穩(wěn)定性、防止沙漠化起重要作用；區(qū)內(nèi)流經(jīng)的河流主要發(fā)源于南、北山區(qū)，其中發(fā)源于南部山區(qū)的3條河流因其上中游大規(guī)模的開發(fā)利用，至下游甘家湖區(qū)地區(qū)時水文情勢均發(fā)生了較大的變化；因此，構建含氣候條件、水資源、水質(zhì)條件、植被條件、動物條件、社會條件、經(jīng)濟條件12個指標的子區(qū)6評價指標體系?？秃恿饔蛟u價指標體系見表1、表2。

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

表2 子區(qū)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(shù)

以最佳可達狀態(tài)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(tài)環(huán)境和社會經(jīng)濟綜合評價指數(shù)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(shù)、涉水生態(tài)環(huán)境健康指數(shù)和社會經(jīng)濟健康指數(shù)；xi、yj、zk分別為水資源、涉水生態(tài)和社會經(jīng)濟健康指數(shù)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(shù)、涉水生態(tài)健康指數(shù)和社會經(jīng)濟健康指數(shù)評價指標層各指標的權重；α、β、γ分別為水資源、涉水生態(tài)環(huán)境和社會經(jīng)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(tài)。借鑒國家、地方及行業(yè)規(guī)定的標準和規(guī)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(shù)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(xié)調(diào)度

用系統(tǒng)要素間的離差系數(shù)作為協(xié)調(diào)度的定量表達方式來反映水資源、涉水生態(tài)環(huán)境、社會經(jīng)濟3個子系統(tǒng)間的協(xié)調(diào)程度，離差系數(shù)越小，則系統(tǒng)間的協(xié)調(diào)性就越好[29]，協(xié)調(diào)度計算公式[30]為

(3)

式中：C為協(xié)調(diào)度，0≤C≤1；k為研究中需調(diào)節(jié)子系統(tǒng)的數(shù)量，本研究中k=3。

2.6 協(xié)調(diào)發(fā)展度

引入?yún)f(xié)調(diào)發(fā)展度反映奎屯河流域水資源、涉水生態(tài)環(huán)境和社會經(jīng)濟3個子系統(tǒng)間的協(xié)調(diào)發(fā)展情況，協(xié)調(diào)發(fā)展度越高，流域整體協(xié)調(diào)發(fā)展狀況越好。協(xié)調(diào)發(fā)展度D的計算公式[31]為

(4)

為衡量系統(tǒng)間協(xié)調(diào)發(fā)展的相對尺度，借鑒國內(nèi)外有關協(xié)調(diào)發(fā)展度等級劃分的研究成果[23,29]，將協(xié)調(diào)發(fā)展度閾值劃分為5個區(qū)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(xié)調(diào)發(fā)展度類型為極度不協(xié)調(diào)衰退型、中度不協(xié)調(diào)衰退、臨界協(xié)調(diào)發(fā)展、中度協(xié)調(diào)發(fā)展、良好協(xié)調(diào)發(fā)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(jīng)濟滯后型。②當f(x)=g(y)=h(z)時，流域水資源功能、涉水生態(tài)環(huán)境功能、社會經(jīng)濟功能同步發(fā)展，現(xiàn)狀流域各系統(tǒng)間協(xié)調(diào)性良好，今后目標是實現(xiàn)更高水平的協(xié)調(diào)。

3 結果分析

利用各子區(qū)的相關數(shù)據(jù)進行計算，得到結果見表4。子區(qū)1、子區(qū)2、子區(qū)3以及子區(qū)6的健康狀況屬于亞健康狀態(tài)，協(xié)調(diào)發(fā)展類型為臨界協(xié)調(diào)發(fā)展；而子區(qū)4和子區(qū)5的健康狀況屬于不健康狀態(tài)，協(xié)調(diào)發(fā)展類型屬于中度不協(xié)調(diào)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(shù)呈下降的趨勢。子區(qū)1水資源開發(fā)利用規(guī)模較大，地下水開采率已達110.68%，處于不健康的狀態(tài)；地表水資源開發(fā)利用率為68.20%，處于亞健康狀態(tài)。子區(qū)2的地下水開采率達127.18%，處于不健康的狀態(tài)；地表水資源開發(fā)利用率為63.20%，處于亞健康狀態(tài)。子區(qū)3降雨稀少，蒸發(fā)強烈，2015年年均降水量為186.91 mm，干旱指數(shù)達11.40，處于不健康狀態(tài)；水資源開發(fā)利用規(guī)模較大，地下水開采率已達99.15%，地表水資源開發(fā)利用率為70%。子區(qū)4、5位于奎屯河流域下游，平均降水量為178 mm，蒸發(fā)強烈，這兩個子區(qū)平均干旱指數(shù)為10.61，處于不健康狀態(tài)；同時，子區(qū)4、5灌區(qū)較多且人口分布較為密集，農(nóng)業(yè)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(qū)的基本需水量，用水結構不合理，水資源承載力已經(jīng)不足。子區(qū)6年均降雨稀少(158 mm)，蒸發(fā)強烈，干旱指數(shù)達11.39，處于不健康的狀態(tài)；奎屯河、四棵樹河、古爾圖河向該區(qū)的生態(tài)輸水保證率低，僅為30.29%，而該區(qū)健康生態(tài)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(tài)環(huán)境指數(shù)基本呈下降的趨勢。子區(qū)1水土流失率達64.02%，已處于病態(tài)；植被覆蓋率低，僅為40.25%，處于亞健康狀態(tài)；該區(qū)水質(zhì)綜合污染指數(shù)較高(0.47)，處于亞健康狀態(tài)。子區(qū)2水質(zhì)綜合污染指數(shù)高(1.17)，相當于地表水環(huán)境質(zhì)量標準的Ⅲ類標準，該區(qū)的氟化物已處于劣Ⅴ類狀態(tài)；同時該區(qū)生態(tài)環(huán)境脆弱，土壤鹽漬化現(xiàn)象嚴重，水土流失率達68.44%，已處于病態(tài)。子區(qū)3、4、5土壤鹽漬化現(xiàn)象嚴重，植被覆蓋率低，子區(qū)3平均植被覆蓋率僅為39.69%，處于不健康狀態(tài)。子區(qū)6水質(zhì)礦化度為11 g/L，處于不健康的狀態(tài)；該區(qū)植被覆蓋率為65%，處于健康的狀態(tài)，灌木林地所占面積比例為50%，處于亞健康狀態(tài)；以梭梭和白梭梭為主的荒漠生態(tài)環(huán)境較好，在考慮到外界干擾時，甘家湖區(qū)白梭梭種群零級動態(tài)指數(shù)約為1.5%，大于0，白梭梭種群是較為穩(wěn)定的；該區(qū)野生動植物豐富度達60%，處于健康的狀態(tài)。綜合全流域涉水生態(tài)環(huán)境健康指數(shù)來看，流域土壤鹽漬化、水土流失現(xiàn)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(jīng)濟指數(shù)也基本處于下降的趨勢。子區(qū)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(tài)；該區(qū)的農(nóng)業(yè)用水效率低，節(jié)水灌溉率僅為36.90%，處于不健康的狀態(tài)。子區(qū)2飲水困難人口比例較高(45.95%)，已處于不健康的狀態(tài)；城鎮(zhèn)化健康水平低，城鎮(zhèn)化率為26.75%，《國家新型城鎮(zhèn)化規(guī)劃(2014—2020年)》指出城鎮(zhèn)化健康有序發(fā)展，常住人口城鎮(zhèn)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(tài)；防洪標準較低，僅為5年一遇，抗洪能力較差。子區(qū)3飲水困難人口比例高(71.72%)，處于不健康的狀態(tài)；城鎮(zhèn)化健康水平低，城鎮(zhèn)化率為41.2%；該區(qū)的農(nóng)業(yè)用水效率較低，節(jié)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(qū)4萬元工業(yè)值用水量較大，現(xiàn)狀年均值為24.16 m3/萬元，處于亞健康狀態(tài)；農(nóng)業(yè)用水效率較低，節(jié)水灌溉率為43.21%，處于不健康狀態(tài)；飲水困難人口比例為46.20%，處于不健康的狀態(tài)。子區(qū)5萬元工業(yè)值用水量較大，現(xiàn)狀年均值為24.32 m3/萬元，處于亞健康狀態(tài)；城鎮(zhèn)化健康水平較低，該區(qū)城鎮(zhèn)化率為44.80%，處于亞健康狀態(tài)。對子區(qū)6的環(huán)境保護意識較高，區(qū)內(nèi)人員環(huán)境保護意識比例為69.80%；但該區(qū)的環(huán)保投資指數(shù)較低，2015年僅為0.38%，遠小于2.5%，今后政府應著重關注該區(qū)的投資環(huán)保建設工作。

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

4 結 論

a. 奎屯河流域健康評價結果表明，現(xiàn)狀年(2015年)處于亞健康狀態(tài)的分區(qū)有：子區(qū)1、子區(qū)2、子區(qū)3、子區(qū)6，綜合評價指數(shù)分別為：0.419、0.404、0.408、0.401，協(xié)調(diào)發(fā)展類型為臨界協(xié)調(diào)發(fā)展；處于不健康狀態(tài)的分區(qū)有子區(qū)4和子區(qū)5，綜合評價指數(shù)為0.358和0.343，協(xié)調(diào)發(fā)展類型屬于中度不協(xié)調(diào)衰退型。

b. 從水資源、涉水生態(tài)環(huán)境、社會經(jīng)濟健康指數(shù)比較來看，水資源健康指數(shù)制約奎屯河流域健康發(fā)展占有最高比例，流域內(nèi)總用水需求的增長，水資源承載能力已經(jīng)嚴重不足，受人為因素與極端氣候因素的影響，流域內(nèi)涉水生態(tài)環(huán)境受到一定破壞，社會經(jīng)濟健康狀況不容樂觀。從流域協(xié)調(diào)發(fā)展狀況來看，提高流域綜合健康評價指數(shù)是協(xié)調(diào)發(fā)展該流域的關鍵。