洞庭湖區(qū)水系連通工程指標體系與評價方法

李凱軒，李志威,2，胡旭躍,2，陳 幫，錢 湛，王贊成

(1.長沙理工大學水利工程學院，湖南 長沙 410114； 2.洞庭湖水環(huán)境治理與水生態(tài)修復湖南省重點實驗室，湖南 長沙 410114；3.湖南省水利水電勘測設計研究總院，湖南 長沙 410007； 4.湖南百舸水利建設股份有限公司，湖南 長沙 410007)

洞庭湖區(qū)的水資源在時空上分布不均勻，局部水系狀況與當?shù)亟?jīng)濟發(fā)展要求不相匹配，未發(fā)揮應有的連通功能，導致洞庭湖區(qū)局部出現(xiàn)較嚴重的洪澇災害、水環(huán)境污染和水生態(tài)問題。實施河湖水系連通工程是實現(xiàn)洞庭湖區(qū)水資源統(tǒng)一調(diào)配和防洪排澇的重要途徑，是改善洞庭湖區(qū)水質(zhì)和修復水生態(tài)系統(tǒng)的有效措施，對社會經(jīng)濟發(fā)展起到推動作用[1]。目前洞庭湖區(qū)(湖南省部分)已規(guī)劃和在建24個水系連通工程，以改善當前河湖的亞健康狀況[2]。這些工程雖已通過前期的工程規(guī)劃和可行性研究論證，但由于投資額度較大，對工程區(qū)域也將產(chǎn)生較大影響，其科學性和合理性應得到更多定量評價。

水系連通作為維持、改善和構建健康河湖關系以及合理配置水資源的有效舉措，在國內(nèi)外已得到較多工程實踐和理論研究[3-5]。近年來，諸多學者運用指標法分析和評價特定區(qū)域的水系連通狀況及其變化。Bracken等[6]運用評價指標探討和預測宏觀尺度下河流的水文連通性，Rivers-Moore等[7]選取指標從縱向、橫向和時間3個維度，分析局部河段或斷面尺度的綜合連通性。在國內(nèi)，構建水系連通性評價指標體系是最常用的方法之一。體系的層次構建大多按照相同的步驟，即首先確定水系連通性評價的最終目標層，再從水系連通格局[8]、結構連通性[9-11]、水力連通性[9-10]、自然功能[12-13]、社會功能[10,12-13]、社會經(jīng)濟[14-15]和生態(tài)環(huán)境[9,10,14-15]等方面設置準則層，最后選取與準則層相關的指標組成指標層。前人還討論了指標權重的設置[9]、水系連通形態(tài)指標與功能指標之間的內(nèi)在相關性[8]以及城鎮(zhèn)化進程與水利工程建設對水系連通形態(tài)和功能的影響[10,12]。評價指標可以作為一種理論工具，指導綜合合理運用經(jīng)濟和社會資源，使得水系連通工程獲得最大收益[7]?，F(xiàn)有的水系連通性評價指標體系具有一定的客觀性和通用性，但并不完全適用于洞庭湖區(qū)的特定水系連通工程的綜合評價。

表1 洞庭湖區(qū)水系連通工程指標體系

當前對洞庭湖區(qū)水系連通工程的理論研究落后于實踐，主要研究水系連通工程實施前后水系的形態(tài)格局和連通性變化[16]，對洞庭湖區(qū)水系連通工程實施效果的綜合評價尚缺少相關闡述。本文構建了與洞庭湖區(qū)社會經(jīng)濟發(fā)展和生態(tài)文明建設要求相適應的水系連通工程指標體系與評價方法，并應用于水系連通示范工程，評價其對水系格局、水資源配置、水生態(tài)環(huán)境和社會經(jīng)濟發(fā)展的綜合影響，可為現(xiàn)有水系連通工程的評估提供定量方法，也為實施新的水系連通工程提供參考。

1 洞庭湖區(qū)水系連通工程指標體系

1.1 指標體系構建的基本原則

①適用性：指標體系的構建最終服務于洞庭湖區(qū)水系連通工程評價，不僅要考慮目前已規(guī)劃和在建的水系連通工程，還應符合洞庭湖區(qū)社會經(jīng)濟發(fā)展和生態(tài)文明建設要求，適用于洞庭湖區(qū)未來新的水系連通工程評價；②層次性：指標體系應由主到次，逐層細化，用清晰明了的方式呈現(xiàn)；③關鍵性：選取的指標應能描述水系連通工程的關鍵特點和主要實施效果；④定性和定量結合：應包含定量評價指標，保證結果的客觀性，又能將難以量化的指標通過定性分析予以評價。

1.2 指標選取與體系構建

充分參考已有研究中的指標，綜合考慮洞庭湖區(qū)已有水系連通工程的性質(zhì)、特征和目的，尋找其中的共性和差異，最終確定4個主要評價要素，共12個指標，構建指標體系如表1所示[8,15,17]。

2 水系連通工程綜合評價方法

2.1 確定指標的權重

洞庭湖區(qū)水系連通工程主要有城市水系連通工程、跨水系跨垸連通工程和垸內(nèi)水系連通工程3類。城市水系連通工程通常會新增連通渠道，應將表征水系形態(tài)格局的結構連通性納入綜合評價中?？缢悼幺B通工程主要通過長距離水資源調(diào)度進行定向補水，垸內(nèi)水系連通工程主要通過清淤疏浚的方式加強水體流通，二者通常未新增連通渠道，因此在綜合評價中不考慮結構連通性。根據(jù)4類指標與各類水系連通工程實施目標的相關性及其重要程度確定單類指標權重(表2)。根據(jù)單個指標在單類指標評價中的重要程度，確定單類指標中單個指標的權重(表1)。

表2 洞庭湖區(qū)水系連通工程單類指標權重

2.2 確定指標的評分規(guī)則

總結相關已有研究[12,16,18]，制定適用于洞庭湖區(qū)水系連通工程定量指標的評分標準(表3)。對于定性指標的評價，首先分析該水系連通工程的實施是否符合洞庭湖生態(tài)經(jīng)濟區(qū)規(guī)劃的總體要求，其次是否符合當?shù)鬲氂械纳鐣?jīng)濟發(fā)展要求，最后考量符合要求的程度，同樣分好、良、中和差4個等級，依次計10、8、6和4分。

表3 定量指標評分標準

圖1 水系連通工程綜合評價邏輯流程

圖2 澧縣城區(qū)水系連通工程

2.3 水系連通工程綜合評分計算方法

從水系連通工程相關報告中提取基礎數(shù)據(jù)，依據(jù)相應計算方法得到指標值，對照前文提到的指標評分規(guī)則進行指標計分。單個工程若限于數(shù)據(jù)完整性，遇到難以評價的指標時可適當采用相似指標進行替代評價[15]。單類指標得分A和綜合評價得分Z的計算公式為

A=βA1A1+βA2A2+βA3A3

(1)

Z=β1A+β2B+β3C+β4D

(2)

式中：An為A類指標中單個指標得分；βAn為單個指標在A類指標評價中所占權重;βn為單類指標在綜合評價中所占權重。B、C、D的計分方式與A相同。若Z<6，認為工程合理性較差；若6≤Z<8，認為工程合理性良好；若Z≥8，則可評定為優(yōu)秀等級(圖1)。

3 案例分析

由于部分工程的資料收集困難，難以對洞庭湖區(qū)(湖南省部分)已規(guī)劃和在建的24個水系連通工程逐個分析評價。本研究選取資料較完整的澧縣城區(qū)水系連通工程為典型案例，對指標體系和評價方法進行驗證和應用，為城市水系連通工程及其他類型的水系連通工程的綜合評價提供參考。

3.1 工程簡介

湖南省澧縣城區(qū)水資源總量豐富，但水系未整體連通，加之部分工業(yè)廢水和生活污水匯入其中，導致局部水環(huán)境惡化。尤其是在枯水干旱季節(jié)，澹水、栗河、襄陽河及部分灌排溝渠污染嚴重，制約了城區(qū)社會經(jīng)濟發(fā)展。為適應洞庭湖區(qū)城市發(fā)展和治水理念，創(chuàng)造良好的生態(tài)環(huán)境，滿足澧縣海綿城市發(fā)展和社會公眾的水環(huán)境需要，當?shù)貑恿隋⒖h城區(qū)水系連通工程。該工程規(guī)劃了引澧濟澹濟涔片、老城區(qū)3線活水片和新城區(qū)活水片3個項目分片，共5條引水線路(圖2)。其中，老城區(qū)活水南線分為東、西兩段，西是回水渠渡槽出口—栗河鳳凰堰段，東是栗河鳳凰堰—黃沙灣自排閘引水渠段。項目區(qū)總面積為61 km2，人口為20多萬人。

3.2 評價結果

3.2.1結構連通性評價

經(jīng)計算結構連通性評價指標，Rr=1.85，α=0.06，γ=0.38。工程實施后，區(qū)域內(nèi)每1 km2面積上分布河、渠約2 km，水系發(fā)育水平和通達情況較好，但水系之間仍未能形成較好的連通通道，連接成環(huán)的水平一般。

3.2.2水力連通性評價

通過幸福引水閘從澧水干流引流9 m3/s進入澹水，可解決引澧濟澹濟涔活水線路水源問題。澹水流經(jīng)涔水后又匯入澧水，以循環(huán)利用區(qū)域的水資源。由表4可知，工程實施后澧縣新、老城區(qū)各活水路線的換水周期都大幅度縮短，特別是老城區(qū)活水中線的換水周期縮短至工程前的1/8，表明工程實施后水體置換效率提高。各路線常年保證2.00～5.00 m3/s的適宜流量和0.30～0.50 m/s的適宜流速(老城區(qū)活水南線的栗河及襄陽河水面寬、水深大，流速維持在0.02～0.03 m/s)，可較好實現(xiàn)交換自如和余缺互補的水力連通。

表4 澧縣新、老城區(qū)各活水路線部分評價指標

3.2.3生態(tài)環(huán)境效益評價

栗河和襄陽河是貫穿澧縣城區(qū)的主要排澇內(nèi)河，據(jù)《澧縣水功能區(qū)劃》為Ⅲ類水質(zhì)功能區(qū)。工程對其進行清淤截污，并保證流量為5.00 m3/s，可將原Ⅴ類水質(zhì)提升至Ⅲ類，水功能區(qū)達標率為100%。由表4可得，工程實施后新、老城區(qū)各活水路線的最小換水流量提升至工程前的3倍以上，水體納污能力強，表明河流水生態(tài)環(huán)境得到較好改善。

3.2.4社會經(jīng)濟效益評價

工程實施后項目區(qū)周邊土地預計升值2.7億元，按50 a的正常使用期計算，年化收益為1 466萬元。工程實施前灌溉保證率低，導致糧食減產(chǎn)約1 200 kg/hm2，按2.5元/kg計算，年損失6 810萬元，工程實施后可為耕地提供灌溉需水，增加灌溉效益2 724萬元[19]。栗河和襄陽河同時也是城區(qū)的主要防洪內(nèi)河，但二者在實際中主要用于打造水生態(tài)休閑景觀，尚未見明顯的防洪效益。

3.2.5案例綜合評價

將定量指標值對比表3的評價標準，以洞庭湖區(qū)和澧縣當?shù)貙ι鷳B(tài)經(jīng)濟區(qū)和特定工程區(qū)域的規(guī)劃要求為定性評價依據(jù)，綜合工程實施的實際效果，按照前文提出的評分規(guī)則和計算方法進行計分。其中，單類指標的權重是以表2中的城市水系連通工程為準。如表5所示，綜合得分Z=9.4>8，可評定為優(yōu)秀等級。該工程主要是由幸福引水閘和群星閘從澧水干流引水，分別對新、老城區(qū)及澹水進行水資源調(diào)配，以創(chuàng)造良好的生態(tài)環(huán)境，打造澧縣水域靚城，因此水力連通性和生態(tài)環(huán)境效益評分最高，各項評價結果符合工程實際。在未來應以提高α和γ為重點，繼續(xù)優(yōu)化水系連通格局設計，并促進生態(tài)效益轉化為社會經(jīng)濟效益。

表5 澧縣城區(qū)水系連通工程綜合評價評分

4 結 論

a. 選取了結構連通性、水力連通性、生態(tài)環(huán)境效益和社會經(jīng)濟效益4大要素的12個評價指標，構建評價指標體系。根據(jù)實際工程類型不同，對單類指標賦相應權值，并確定了單個指標在單類指標評價中的權重。制定了綜合評價方法，可用于評價洞庭湖區(qū)水系連通工程實施的綜合影響，也為其他區(qū)域的水系連通工程綜合評價提供參考。

b. 澧縣城區(qū)水系連通工程可評定為優(yōu)秀等級，其評價結果與規(guī)劃設計目標和工程實際情況相符。該區(qū)域的水系結構連通性較差，未來應調(diào)整水系的整體規(guī)劃布局，并逐漸將生態(tài)效益轉化為社會經(jīng)濟效益。

c. 本文采用的指標加權計算方法具有較好的可操作性和適用性，計算過程較為簡單，下一步仍需結合水系連通工程實踐，進一步探索科學的計算方法。