基于突變級(jí)數(shù)法的小流域生態(tài)健康研究

田林鋼 胡起源

摘 要：小流域生態(tài)健康受多方面因素的影響，為了評(píng)價(jià)流域生態(tài)健康狀況，以突變級(jí)數(shù)法為基礎(chǔ)，建立了小流域河流生態(tài)健康評(píng)價(jià)指標(biāo)體系，從自然和人為兩方面，共選取了2個(gè)一級(jí)指標(biāo)、5個(gè)二級(jí)指標(biāo)、15個(gè)三級(jí)指標(biāo)，對(duì)新密市8個(gè)小流域生態(tài)健康的影響因素進(jìn)行了計(jì)算和分析，結(jié)果表明：2015—2017年研究流域生態(tài)健康受影響程度等級(jí)均為4級(jí)，但流域生態(tài)健康受影響程度逐年上升;自然因素的影響較為穩(wěn)定，人為因素的影響明顯增大，流域生態(tài)健康受影響程度與人為因素的變化趨勢(shì)一致。

關(guān)鍵詞：生態(tài)健康;突變級(jí)數(shù)法;生態(tài)治理;小流域

中圖分類(lèi)號(hào)：TV214 ? 文獻(xiàn)標(biāo)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(tài)系統(tǒng)中不可或缺的構(gòu)成要素和重要介質(zhì)，人和其他生物的生存都與水密切相關(guān)。但是，我國(guó)水資源分布不均，人均水資源量較少，該情況在北方地區(qū)尤為嚴(yán)重。隨著人口增長(zhǎng)和工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的發(fā)展，流域河道和河岸帶不斷受到人類(lèi)活動(dòng)的干擾，如土地圍墾、污水直接排入河道，水環(huán)境生態(tài)健康面臨著嚴(yán)峻考驗(yàn)，流域生態(tài)系統(tǒng)整體性被破壞，景觀生態(tài)可持續(xù)性下降[1-2]。另外，氣候變化對(duì)水循環(huán)和水資源產(chǎn)生影響，進(jìn)而影響岸邊帶生態(tài)環(huán)境與功能[3]。

水生態(tài)治理迫在眉睫。黨的“十八大”以來(lái)，黨中央著眼于生態(tài)文明建設(shè)全局，明確了“節(jié)水優(yōu)先、空間均衡、系統(tǒng)治理、兩手發(fā)力”的治水思路。2019年9月，習(xí)近平總書(shū)記在黃河流域生態(tài)保護(hù)和高質(zhì)量發(fā)展座談會(huì)上，對(duì)黃河治理提出了明確要求，其中加強(qiáng)生態(tài)環(huán)境的保護(hù)，充分考慮上中下游的差異，促進(jìn)河流生態(tài)系統(tǒng)健康，提高生物多樣性;推進(jìn)水資源的節(jié)約集約利用，把水資源作為最大的剛性約束，發(fā)展節(jié)水產(chǎn)業(yè)和技術(shù)，實(shí)施全社會(huì)節(jié)水行動(dòng)，推動(dòng)用水方式由粗放向節(jié)約集約轉(zhuǎn)變;推動(dòng)流域高質(zhì)量發(fā)展，從實(shí)際出發(fā)，積極探索富有地域特色的高質(zhì)量發(fā)展新路子等，也是多數(shù)北方河流治理的重點(diǎn)與要點(diǎn)。

為了保證水生態(tài)修復(fù)工作的準(zhǔn)確性和高效性，需要建立起有效的評(píng)價(jià)機(jī)制及時(shí)對(duì)河流的情況進(jìn)行監(jiān)控和治理。目前對(duì)大江大河的生態(tài)健康研究已相對(duì)完善，相關(guān)部門(mén)根據(jù)各流域特點(diǎn)，制定了對(duì)應(yīng)的政策，河流生態(tài)健康情況有了明顯改善，如對(duì)黃河流域水功能區(qū)、水域納污能力、水污染治理等方面進(jìn)行監(jiān)督和治理，并在水土流失嚴(yán)重的地區(qū)建設(shè)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(tài)健康情況研究不足，多數(shù)河流存在不同程度的污染，但因缺乏合適的評(píng)價(jià)指標(biāo)體系，存在治理方向不明確、治理重點(diǎn)不突出等問(wèn)題。

為了實(shí)現(xiàn)小流域的有效治理，基于突變級(jí)數(shù)法建立小流域生態(tài)健康評(píng)價(jià)指標(biāo)體系，根據(jù)2015—2017年新密市8個(gè)小流域的數(shù)據(jù)，對(duì)影響流域生態(tài)健康的因素進(jìn)行分析，找出其中重要的影響因素，以期為下一步生態(tài)治理工作指明方向。

1 研究對(duì)象

1.1 研究對(duì)象概況

以新密市境內(nèi)澤河、楊河、云巖水、微水、澧泉河、里灣河、朝陽(yáng)水、騰蛟水等8個(gè)小流域?yàn)檠芯繉?duì)象。新密市為鄭州市下轄縣級(jí)市，距鄭州市40 km，面積1 001 km2，人口80.97萬(wàn)人。新密市境內(nèi)河流徑流來(lái)源主要為降水，徑流時(shí)空變化規(guī)律與降水時(shí)空變化規(guī)律基本一致。受亞熱帶季風(fēng)氣候影響，降水年內(nèi)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(fā)能力1 730.3 mm。

所研究小流域未進(jìn)行過(guò)系統(tǒng)治理，缺少管護(hù)，河道大部分完整，河流彎曲程度較好，上游均屬山區(qū)，植被覆蓋率高，水質(zhì)較好?，F(xiàn)狀調(diào)查發(fā)現(xiàn)，地下水開(kāi)采管理粗放，節(jié)水灌溉技術(shù)推廣率不高，生活污水和工業(yè)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(jié)構(gòu)變化和經(jīng)濟(jì)快速發(fā)展，非農(nóng)業(yè)用水大幅增加，不可避免擠占農(nóng)業(yè)用水，造成農(nóng)業(yè)用水形勢(shì)緊張[5-6]。

目前已修建的工業(yè)污水處理廠均建于工廠集中區(qū)域，用于處理附近工業(yè)污水，但目前仍有部分工業(yè)企業(yè)不在污水處理廠覆蓋范圍內(nèi)，且內(nèi)部無(wú)污水處理設(shè)施，產(chǎn)生的工業(yè)污水直排入河，對(duì)水生態(tài)健康造成了嚴(yán)重影響。生活污水處理廠主要集中于城區(qū)和社區(qū)中，還有少部分建于鄉(xiāng)鎮(zhèn)，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?chē)?～7個(gè)村的生活污水，并且大多數(shù)村污水收集設(shè)施建設(shè)不完善，大量生活污水直排入河，對(duì)水質(zhì)和環(huán)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(yǎng)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(tài)健康。

1.2 數(shù)據(jù)來(lái)源和信息收集

數(shù)據(jù)分為現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)與歷史數(shù)據(jù)兩部分。為了獲取真實(shí)有效的現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)，2018年1月對(duì)新密市8條小流域河流現(xiàn)狀進(jìn)行了實(shí)地調(diào)查，調(diào)查內(nèi)容為河道形態(tài)、河道周邊現(xiàn)狀、流域現(xiàn)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(xiàn)場(chǎng)調(diào)查和衛(wèi)星影像相結(jié)合的方法得到。歷史數(shù)據(jù)如當(dāng)?shù)啬杲邓俊⑺Y源量、各類(lèi)用水情況來(lái)源于《河南統(tǒng)計(jì)年鑒》等。

2 評(píng)價(jià)指標(biāo)體系建立

2.1 突變理論

突變級(jí)數(shù)法是一種基于突變理論和微積分理論推導(dǎo)的模糊函數(shù)理論，通過(guò)突變隸屬函數(shù)和歸一化公式計(jì)算出各目標(biāo)的定量值，并進(jìn)行歸一化綜合量化運(yùn)算的綜合評(píng)價(jià)方法[7]。與常見(jiàn)的評(píng)價(jià)方法如層次分析法、熵權(quán)法相比，突變級(jí)數(shù)法考慮了指標(biāo)間的相對(duì)重要程度，通過(guò)歸一化公式計(jì)算指標(biāo)值，不進(jìn)行人為主觀賦值，減少了在權(quán)重分配時(shí)的主觀性，降低了軟件操作難度，減少了計(jì)算程序，因此普遍適用于評(píng)價(jià)指標(biāo)體系年際發(fā)生變化的研究。

突變級(jí)數(shù)法的主要計(jì)算步驟：①建立評(píng)價(jià)指標(biāo)體系。將系統(tǒng)分解為若干指標(biāo)組成的多層次系統(tǒng)，建立評(píng)價(jià)指標(biāo)體系，各指標(biāo)層需要將較重要的指標(biāo)放在前面。需要注意的是，分解的子指標(biāo)不得多于4個(gè)。②指標(biāo)處理。將指標(biāo)按照正向或負(fù)向進(jìn)行無(wú)量綱化處理，使指標(biāo)值為[0，1]。③歸一化計(jì)算。利用歸一化公式（見(jiàn)表1）從下層向上層推導(dǎo)各指標(biāo)層的定量值，直至總突變隸屬度值。另外，系統(tǒng)內(nèi)指標(biāo)間存在“互補(bǔ)”與“非互補(bǔ)”兩種關(guān)系，若指標(biāo)間是互補(bǔ)關(guān)系，則將各指標(biāo)歸一化計(jì)算結(jié)果的均值作為系統(tǒng)的控制變量x;若指標(biāo)間是非互補(bǔ)關(guān)系，則將各指標(biāo)歸一化計(jì)算結(jié)果中的最小值作為系統(tǒng)的x值。

2.2 指標(biāo)選取及評(píng)價(jià)指標(biāo)體系建立

根據(jù)環(huán)境保護(hù)部《流域生態(tài)健康評(píng)價(jià)技術(shù)指引》（環(huán)辦函[2013]320號(hào)），結(jié)合流域具體情況，遵循科學(xué)性、系統(tǒng)性、全面性等原則，按照主導(dǎo)生態(tài)功能的影響因素，將一級(jí)指標(biāo)分為自然因素和人為因素兩方面，見(jiàn)表2（其中，一級(jí)指標(biāo)為非互補(bǔ)關(guān)系，二級(jí)指標(biāo)、三級(jí)指標(biāo)各指標(biāo)間為互補(bǔ)關(guān)系）。

流域是一個(gè)獨(dú)立的生態(tài)與地理單元，流域水文循環(huán)推動(dòng)著流域內(nèi)各生命體間的聯(lián)系與信息交流。小流域作為一個(gè)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(gè)二級(jí)指標(biāo)，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(gè)三級(jí)指標(biāo)，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(duì)土壤儲(chǔ)存雨水功能起到正向作用，對(duì)土壤各項(xiàng)指標(biāo)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(guān)系密切[8]）3個(gè)三級(jí)指標(biāo)。

流域的生態(tài)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(gè)二級(jí)指標(biāo)，其中用水分為工業(yè)用水量變化率、農(nóng)業(yè)用水量變化率、生活用水量變化率、生態(tài)環(huán)境用水量變化率4個(gè)三級(jí)指標(biāo)，水污染分為工業(yè)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(gè)三級(jí)指標(biāo)，治理選取了污水處理廠控制范圍比例、河道治理比例2個(gè)三級(jí)指標(biāo)。

根據(jù)研究流域的現(xiàn)狀，共選取了2個(gè)一級(jí)指標(biāo)、5個(gè)二級(jí)指標(biāo)、15個(gè)三級(jí)指標(biāo)來(lái)分析不同因素對(duì)流域健康情況的影響程度。三級(jí)指標(biāo)根據(jù)數(shù)據(jù)計(jì)算方式的不同分為年際指標(biāo)和河流指標(biāo)，年際指標(biāo)采用相鄰兩年的數(shù)據(jù)計(jì)算求出，河流指標(biāo)根據(jù)選取的8條河流相應(yīng)的數(shù)據(jù)計(jì)算求出。三級(jí)指標(biāo)計(jì)算方式和分類(lèi)見(jiàn)表3。

將流域生態(tài)健康受影響程度分為4級(jí)，受影響級(jí)別越高，影響程度越大，影響程度等級(jí)劃分見(jiàn)表4。

2.4 數(shù)據(jù)分析

（1）自然因素。影響小流域生態(tài)健康最主要的自然因素是流域徑流量，研究區(qū)8條河流均為降水補(bǔ)給型河流，故直接受降水年際變化的影響。流域內(nèi)徑流的產(chǎn)生不僅與降水有關(guān)，還與下墊面有關(guān)，河道彎曲程度和坡降影響河道調(diào)節(jié)洪峰的能力，同時(shí)與生態(tài)系統(tǒng)的多樣性有著緊密聯(lián)系，而河道周邊植被覆蓋情況決定了河岸的穩(wěn)定程度。通過(guò)谷歌地圖可以看出，研究區(qū)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(zhǎng)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(nóng)業(yè)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(yè)排污口治理工作還有很大提升空間。新密市2013—2017年各項(xiàng)用水量呈逐年增加趨勢(shì)，其中工業(yè)用水量在2013—2016年是逐年增加的，原因是新密市的主要產(chǎn)業(yè)為工業(yè)生產(chǎn)，冶金業(yè)、造紙業(yè)和耐火材料業(yè)十分發(fā)達(dá)，但2017年工業(yè)用水量有所減少，這與國(guó)家的節(jié)水政策和發(fā)展集約節(jié)約產(chǎn)業(yè)的思路一致;農(nóng)業(yè)用水量的變化情況與工業(yè)用水量的變化情況一致，與國(guó)家發(fā)展高效灌溉的趨勢(shì)一致，但是經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查，研究流域農(nóng)業(yè)灌溉大多采取漫灌方式，灌溉水利用效率有待進(jìn)一步提高;生活用水量除2014年以外，其余年份均呈增加趨勢(shì)，與新密市推進(jìn)城鎮(zhèn)化、擴(kuò)大自來(lái)水供水范圍的實(shí)際情況一致;生態(tài)環(huán)境用水量數(shù)據(jù)僅查到2015年，雖然2015—2017年生態(tài)環(huán)境用水量小幅提高，但除了市區(qū)周邊的生態(tài)情況較好外，市區(qū)內(nèi)及遠(yuǎn)離市區(qū)的地區(qū)生態(tài)環(huán)境較差，還有較大提升空間。

（3）小流域生態(tài)健康受影響情況評(píng)價(jià)。通過(guò)表4、表8可以看出，2015—2017年研究流域生態(tài)健康受影響程度等級(jí)均為4級(jí)，但流域生態(tài)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(wěn)定，人為因素的影響明顯增大，流域生態(tài)健康受影響程度與人為因素變化趨勢(shì)一致。

3 結(jié) 語(yǔ)

對(duì)比2015—2017年數(shù)據(jù)可知，流域自然因素的突變隸屬度變化幅度很小，對(duì)流域生態(tài)健康起到持續(xù)、積極的影響，但流域整體生態(tài)健康情況還有很大的提升空間，要在維持和保護(hù)好目前自然環(huán)境的前提下，將大幅度提高人為因素對(duì)流域生態(tài)環(huán)境的積極影響作為下一步工作的重點(diǎn)。

在人為因素方面，國(guó)家和當(dāng)?shù)卣畬?duì)生態(tài)環(huán)境健康逐漸重視。在用水方面，要繼續(xù)發(fā)展節(jié)約集約產(chǎn)業(yè)，合理利用水資源，從新密市的實(shí)際情況出發(fā)，建設(shè)有地方特色的、高質(zhì)量的產(chǎn)業(yè)。在保證工農(nóng)業(yè)等用水量的前提下，提高生態(tài)環(huán)境用水量，不僅要注重城區(qū)水生態(tài)建設(shè)，流域內(nèi)水土流失情況也要予以重視，保證河道生態(tài)基流，保持河道自凈能力。水污染治理方面，繼續(xù)推進(jìn)生活、工業(yè)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(biāo)是恢復(fù)自然河道，保證河道防洪安全，盡量采用生態(tài)護(hù)坡，減少硬化、渠化河段。

生態(tài)治理是一項(xiàng)長(zhǎng)期、動(dòng)態(tài)工作，不僅要解決歷史性問(wèn)題，還要解決隨著社會(huì)發(fā)展產(chǎn)生的新問(wèn)題，建立的小流域生態(tài)健康影響因素評(píng)價(jià)指標(biāo)體系的各項(xiàng)指標(biāo)會(huì)隨著時(shí)間的變化而變化，因此在以后的工作中要不斷完善和改進(jìn)。

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【責(zé)任編輯 呂艷梅】