一種湖泊生態(tài)環(huán)境改善方案比選方法
——以白洋淀為例

尚青，王晨，常碩，麻曉梅，曾勇*

（1.中國石油大學(xué)（北京）化學(xué)工程與環(huán)境學(xué)院，重質(zhì)油國家重點實驗室，北京市油氣污染防治重點實驗室，北京 102249；2.北京市門頭溝區(qū)生態(tài)環(huán)境局，北京 102300；3.北京師范大學(xué)環(huán)境學(xué)院，水環(huán)境模擬國家重點實驗室，北京 100875）

湖泊是陸地上主要的淡水資源，具備提供水源、凈化污染、維護生物多樣性等重要生態(tài)服務(wù)功能。水資源過度開發(fā)等人類活動導(dǎo)致湖泊水量減少、水體富營養(yǎng)化、水生生物多樣性下降顯著，因此迫切需要實施湖泊生態(tài)環(huán)境治理。隨著雄安新區(qū)的成立，作為區(qū)內(nèi)的重要生態(tài)依托，白洋淀過度惡化的生態(tài)環(huán)境制約了新區(qū)可持續(xù)發(fā)展，其恢復(fù)與改善得到各方重視。

湖泊生態(tài)環(huán)境受人為活動及自然過程作用，涉及多要素、多因子協(xié)同影響，其改善與治理是多變量、多目標的復(fù)雜系統(tǒng)工程，方案篩選的研究受到廣泛關(guān)注。目前基于水動力、水質(zhì)模型構(gòu)建比選指標來選擇最佳湖泊改善方案的研究已有一定的成果，但在比選指標體系的構(gòu)建上存在一定問題。楊衛(wèi)等、華祖林等和王磊等分別結(jié)合數(shù)值模擬與所構(gòu)建比選指標體系，得到玄武湖、湯遜湖最優(yōu)改善方案，但比選指標體系由水力、水質(zhì)、經(jīng)濟指標構(gòu)成，未考慮水生態(tài)方面指標。ZHANG等構(gòu)建了環(huán)境、生態(tài)、社會、經(jīng)濟指標體系用于太湖恢復(fù)方案比選，環(huán)境層面主要包括各類水質(zhì)指標的平均濃度，但忽略了湖泊水質(zhì)整體改善，且未考慮水動力指標?？傮w上看，以往的湖泊治理方案比選研究中，多選取水動力、水質(zhì)、經(jīng)濟成本等方面的部分指標，未全面考慮水質(zhì)、水動力、水生境改善方面的指標，選擇的比選指標體系不夠系統(tǒng)，難以反映湖泊生態(tài)環(huán)境系統(tǒng)的完整性和復(fù)雜性，且指標處理中的定量性也需要提升，這制約了方案比選的科學(xué)性和實用性。

本文提出一種湖泊生態(tài)環(huán)境改善方案的比選方法，以水動力、水質(zhì)模擬模型為基礎(chǔ)，建立包括水質(zhì)、水動力、水生境3要素指標的方案比選指標體系和綜合決策方法，并以白洋淀為例進行案例研究，為湖泊生態(tài)環(huán)境改善與恢復(fù)提供依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

白洋淀地處河北省保定市，位于38°43'～39°02'N，115°38'～116°07'E（圖1），總面積366 km，為華北平原最大的淺水型湖泊，享有“華北之腎”之稱。近年來白洋淀入淀水量減少，2010年至2016年平均入淀水量低于1×10m，淀區(qū)水位降低至6.6 m以下，水面面積縮減，湖泊萎縮；水體流速緩慢（低于0.8 cm·s），部分水體基本不流動，水動力條件與水文連通性差。同時，攜帶工業(yè)污水的入淀河流水質(zhì)欠佳，且受淀區(qū)生活污水、農(nóng)業(yè)非點源污染影響，湖泊水質(zhì)差，基本為Ⅳ～Ⅴ類水平，主要污染物為COD、總磷等，生態(tài)環(huán)境形勢不容樂觀，亟需進行改善。

圖1 白洋淀地理位置圖Figure 1 The geographic location of the Baiyangdian Lake

1.2 方案比選方法

應(yīng)用水動力水質(zhì)模型對備選方案進行情景模擬與預(yù)測，基于本研究所構(gòu)建方案比選指標體系，采用TOPSIS決策方法進行方案排序與比選。

1.2.1 模型率定驗證

獲取水下地形、氣象、水文、水質(zhì)等數(shù)據(jù)，利用MIKE21軟件平臺中的HD（水動力）模塊和ECO lab（水質(zhì)）模塊，構(gòu)建白洋淀水動力水質(zhì)模型，用淀區(qū)3個水 位站 點2018年3月 至2019年3月、2019年3月 至2020年3月的水位逐日時間序列數(shù)據(jù)分別進行水動力模型率定與驗證，用2個水質(zhì)監(jiān)測點2019年3月至2020年1月、2018年3月至7月的水質(zhì)逐月時間序列數(shù)據(jù)分別進行水質(zhì)模型率定與驗證，代表性點位率定與驗證結(jié)果見圖2～圖3，根據(jù)MORIASI等的模型精度評價標準，水動力模型精度非常好，水質(zhì)模型精度處于好和非常好之間，滿足精度要求，可用于模擬預(yù)測。

圖2 水位模擬值與實測值比較（王家寨站）Figure 2 The comparison of simulated and observed water level values（Wangjiazhai station）

圖3 DO模擬值與實測值比較（采浦臺站）Figure 3 The comparison of simulated and observed DO values（Caiputai station）

1.2.2 比選指標體系確定

白洋淀水動力條件弱化，水質(zhì)下降，湖泊面積縮減，根據(jù)生態(tài)環(huán)境系統(tǒng)現(xiàn)狀，構(gòu)建包括水動力、水質(zhì)、水生境等的湖泊生態(tài)環(huán)境改善方案比選指標體系，包括目標層、準則層、指標層，共12項指標，具體見表1。

表1 湖泊生態(tài)環(huán)境改善方案比選指標Table 1 The screening indicators for improvement scenarios of lake ecological environment

1.2.3 方案比選

式中：為規(guī)范化加權(quán)矩陣；x為第個方案第個比選指標的規(guī)范化加權(quán)計算值，=1,2,,;=1,2,,。

2 結(jié)果與討論

針對白洋淀水動力和水質(zhì)差等問題，目前已通過生態(tài)補水、治理入淀河流污染等舉措展開生態(tài)環(huán)境治理的嘗試。目前生態(tài)補水主要是“引黃濟淀”通道，位于淀區(qū)東南部，但淀區(qū)地形西高東低，水流易在東南部形成區(qū)域雍水，無法向中部和北部流動，不利于生態(tài)環(huán)境改善。為此，本研究設(shè)定了3套生態(tài)環(huán)境改善備選方案：（1）補水格局優(yōu)化（S1方案），即原補水分配流量至西部入淀河道，治污保持現(xiàn)狀；（2）深度治污（S2方案），即深度治理入淀河流至Ⅳ類水質(zhì)。（3）補水格局優(yōu)化+適度治污（S3方案），即原補水分配流量至西部入淀河道，適度治理入淀河流至Ⅴ類水質(zhì)。

各情景方案比選指標計算結(jié)果見表2，方案貼近度計算結(jié)果見表3。

表2 各情景方案比選指標結(jié)果Table 2 Results of screening indicators under various scenarios

表3 各方案貼近度計算結(jié)果Table 3 Calculation results of closeness

計算結(jié)果表明，方案S1、S2和S3與理想解的貼近度分別為0.35、0.55、0.84，方案S3的綜合效果優(yōu)于S2和S1，補水格局優(yōu)化的同時進行治污比單獨補水或單純治污的效果更加明顯，因此推薦實施S3方案。

不同方案的實施具有不同的水動力、水質(zhì)與水生境改善效果。水動力改善效果方面，S1、S3方案效果相同。兩方案下，湖泊流線分布密度為0.14 km，水體暢通程度得到提升，流路狀況優(yōu)于S2方案；兩方案水體流速的模擬結(jié)果均為0.017 m·s，略優(yōu)于S2方案的0.016 m·s，有利于水體復(fù)氧，平均流速時間、空間標準差小于S2方案；這主要是由于補水分流至西側(cè)上游入淀通道，淀區(qū)西南、西北部流速增大，流場條件更加均勻；兩方案的水力停留時間為553 d，優(yōu)于S2方案的1 383 d，水體更新加快，有利于污染物下泄；滯水區(qū)面積比例均為14.9%，相較S2方案的25.0%有明顯降低。相較于S2方案，S1、S3方案對淀區(qū)水動力改善的整體效果更好。

水質(zhì)改善效果方面，S2方案下的水質(zhì)改善度（28.37%）最高，優(yōu)于S3方案（27.70%）和S1方案（5.46%）；S2方案下的水質(zhì)平均達標率（97.8%）優(yōu)于S3（96.3%）和S1（71.6%），這表明對入淀河流深度治污對改善淀區(qū)水質(zhì)起到關(guān)鍵作用。S3方案下的水質(zhì)達標率時空標準差優(yōu)于S2和S1方案，達標較為均勻，水質(zhì)整體達標效果較好。S2方案的水質(zhì)改善效果優(yōu)于S3和S1方案，但S2方案下的平均達標率僅稍優(yōu)于S3方案，達標率時空均勻性上不如S3方案，表明補水和治污綜合措施更加有效。

水生境改善效果方面，S1和S3方案下的生態(tài)水位滿足度為86.7%，略高于S2方案的83.5%，S1、S3方案下的水面面積率為77.94%，高于S2方案下的56.60%。S1和S3方案均包括補水格局優(yōu)化內(nèi)容，對生態(tài)水位與生境狀況的改善效果更好。

本文提出的比選方法，從水動力、水質(zhì)、水生境3方面選擇了具有代表性的12項指標構(gòu)成指標體系。相較于以往研究，指標更加系統(tǒng)，全面反映了組成湖泊生態(tài)環(huán)境的關(guān)鍵要素和各要素的關(guān)聯(lián)和傳遞特征，且選取的指標包含時間與空間上的均衡性指標，更能體現(xiàn)湖泊生態(tài)環(huán)境時空整體改善要求。由于生物監(jiān)測數(shù)據(jù)相對缺乏，以水生境指標間接指示了湖泊水生態(tài)狀況，同時未考慮生態(tài)補水、污染治理措施實施的經(jīng)濟成本，這可能會影響方案篩選的結(jié)果，需要在以后的研究中逐步完善。

3 結(jié)論

（1）依據(jù)湖泊生態(tài)治理的系統(tǒng)性與整體性要求，考慮當(dāng)前湖泊生態(tài)環(huán)境存在的問題，構(gòu)建包括水動力、水質(zhì)和水生境三要素指標的生態(tài)環(huán)境改善方案比選指標體系，提出了基于TOPSIS決策的方案比選方法。

（2）以白洋淀為例進行了案例研究，結(jié)果表明：S1與S3方案的水動力、水生境改善效果優(yōu)于S2方案，S2方案的水質(zhì)改善優(yōu)于S1、S3方案，綜合決策比選出S3方案最佳，即“補水格局優(yōu)化+適度治污”方案具有更好的生態(tài)環(huán)境改善效果，驗證了方法的科學(xué)合理性。