基于河長(zhǎng)制的疏勒河流域水環(huán)境評(píng)價(jià)

周 敏，孫棟元，崔艷強(qiáng)，武蘭珍，王興繁，馬亞麗

(甘肅農(nóng)業(yè)大學(xué)水利水電工程學(xué)院，甘肅 蘭州 730070)

人類生存和發(fā)展離不開水環(huán)境，水環(huán)境評(píng)價(jià)能夠科學(xué)表征水質(zhì)、水量、水生態(tài)等方面的狀況，早期發(fā)現(xiàn)問題并及時(shí)采取有效措施來保護(hù)水資源和人民的生命健康。而水環(huán)境評(píng)價(jià)的核心環(huán)節(jié)是構(gòu)建科學(xué)全面的評(píng)價(jià)指標(biāo)體系，已有研究主要集中于兩種方法，其一是以系統(tǒng)論為基本理論，通過水資源-社會(huì)-經(jīng)濟(jì)-自然復(fù)合系統(tǒng)[1]選取指標(biāo)；其二通過固定模型構(gòu)建指標(biāo)體系，主要有PSR模型[2]、DSR模型[3]、DPSIR模型[4]、DCSM模型[5]、DPSM模型[6]等，盡管構(gòu)建方法多種多樣，但篩選指標(biāo)的角度仍舊比較單一。河長(zhǎng)制的出現(xiàn)為構(gòu)建水環(huán)境評(píng)價(jià)指標(biāo)體系帶來新視角。因此本文從河長(zhǎng)制建設(shè)要求的6個(gè)層面(水資源管理、水污染防治、水環(huán)境治理、水生態(tài)修復(fù)、水域岸線管理、行政執(zhí)法管理)構(gòu)建評(píng)價(jià)指標(biāo)體系，運(yùn)用層次分析-灰色綜合法，評(píng)價(jià)疏勒河流域水環(huán)境狀況，用障礙度模型分析水環(huán)境主要障礙因素。旨在揭示近年來流域水環(huán)境變化規(guī)律和主要影響因素，分析河長(zhǎng)制實(shí)施對(duì)流域水環(huán)境水平的影響，從而為改善流域水環(huán)境和促進(jìn)河長(zhǎng)制建設(shè)提供科學(xué)參考依據(jù)。

1 流域概況

疏勒河是甘肅省河西走廊第二大河，干流全長(zhǎng)670km，流域面積4.13×104km2[7]，多年平均年降水量47～63mm，年蒸發(fā)量2897～3042mm，年平均氣溫6.9～8.8℃，屬典型的內(nèi)陸干旱性氣候，干流多年平均徑流量為10.31億m3。疏勒河對(duì)流經(jīng)甘肅省肅北縣、玉門市、瓜州縣、敦煌市等城鎮(zhèn)供水起重要作用，區(qū)域植被覆蓋率低，工業(yè)水平相對(duì)落后，農(nóng)業(yè)需水量大，供用水結(jié)構(gòu)極度不協(xié)調(diào)。

2 研究方法與數(shù)據(jù)來源

2.1 水環(huán)境評(píng)價(jià)指標(biāo)體系與分級(jí)

河長(zhǎng)制下水環(huán)境評(píng)價(jià)的主要目的是為了科學(xué)評(píng)價(jià)河長(zhǎng)制實(shí)施前后流域水環(huán)境變化趨勢(shì)，因此，評(píng)價(jià)指標(biāo)體系的建立可將河長(zhǎng)制工作任務(wù)[8-9]作為切入點(diǎn)，按所選指標(biāo)數(shù)值具有時(shí)間連續(xù)性、可獲得性、代表性、可量化性等原則[10]，參考疏勒河“一河一策”方案[11]、已有河長(zhǎng)制績(jī)效考核和流域水環(huán)境評(píng)價(jià)相關(guān)文獻(xiàn)[12-15]，選定6個(gè)準(zhǔn)則層共28個(gè)指標(biāo)。評(píng)價(jià)指標(biāo)體系詳見表1。

表1 疏勒河流域水環(huán)境評(píng)價(jià)指標(biāo)體系

評(píng)價(jià)指標(biāo)分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)值是疏勒河水環(huán)境評(píng)價(jià)的重要支撐數(shù)據(jù)，但標(biāo)準(zhǔn)值的確定并沒有統(tǒng)一的科學(xué)確定方法，參考依據(jù)也各不相同。結(jié)合疏勒河流域自身特點(diǎn)，綜合參考相關(guān)文獻(xiàn)[13-15]，將疏勒河流域水環(huán)境劃分為Ⅰ級(jí)(好)、Ⅱ級(jí)(較好)、Ⅲ級(jí)(良好)、Ⅳ級(jí)(較差)、Ⅴ級(jí)(差)5個(gè)等級(jí)。具體等級(jí)標(biāo)準(zhǔn)值見表2。

表2 指標(biāo)分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)值

2.2 權(quán)重計(jì)算

因疏勒河水環(huán)境評(píng)價(jià)指標(biāo)體系是個(gè)多層次、多目標(biāo)的指標(biāo)體系且評(píng)價(jià)指標(biāo)既有定量指又有定性指標(biāo)，考慮到簡(jiǎn)潔實(shí)用，采用層次分析法[17]確定指標(biāo)權(quán)重wi和準(zhǔn)則層權(quán)重Wi，具體計(jì)算過程參考文獻(xiàn)[17]。

2.3 評(píng)價(jià)方法

采用灰色綜合評(píng)價(jià)法[18]計(jì)算疏勒河流域水環(huán)境等級(jí)，運(yùn)用MATLAB軟件計(jì)算解決手算或excel運(yùn)算效率低、易錯(cuò)等缺點(diǎn)。以2013—2020年指標(biāo)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)為比較序列，依次將Ⅰ級(jí)、Ⅱ級(jí)、Ⅲ級(jí)、Ⅳ級(jí)、Ⅴ級(jí)標(biāo)準(zhǔn)值作為參考序列，重復(fù)計(jì)算程序，得出待評(píng)價(jià)年份實(shí)測(cè)值與各等級(jí)的關(guān)聯(lián)度，根據(jù)最大關(guān)聯(lián)度原則確定2013—2020年的水環(huán)境等級(jí)。具體計(jì)算流程如圖1所示。

圖1 MATLAB計(jì)算水環(huán)境等級(jí)流程圖

2.4 障礙度模型

分析疏勒河流域水環(huán)境狀況后，有必要進(jìn)一步探討河長(zhǎng)制管理下影響水環(huán)境的主要障礙因子。本研究運(yùn)用因子貢獻(xiàn)度、指標(biāo)偏離度計(jì)算障礙度[19-20]，具體計(jì)算步驟如下：

步驟一：為了消除數(shù)據(jù)量綱便于障礙度計(jì)算，采用極差標(biāo)準(zhǔn)化對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化，即：

(1)

式中，Xij—指標(biāo)原始數(shù)據(jù)；X’ij—標(biāo)準(zhǔn)化后的數(shù)據(jù)，其中i=1，2，…，n，j=1，2，…，m。

步驟二：計(jì)算因子貢獻(xiàn)度Fi。計(jì)算公式：

Fi=Ei×wi

(2)

式中，Ei—綜合權(quán)重；wi—指標(biāo)層權(quán)重，

步驟三：計(jì)算指標(biāo)偏離度Iij。計(jì)算公式：

Iij=1-X’ij

(3)

式中，X’ij—指標(biāo)標(biāo)準(zhǔn)化數(shù)值。

步驟四：計(jì)算指標(biāo)層障礙度Pij和準(zhǔn)則層障礙度Pi。計(jì)算公式：

(4)

(5)

2.5 數(shù)據(jù)來源

基礎(chǔ)數(shù)據(jù)來源于2013—2020年甘肅省水資源公報(bào)，肅北縣、瓜州縣、玉門市、敦煌市2013—2020年國(guó)民經(jīng)濟(jì)與社會(huì)發(fā)展公報(bào)及統(tǒng)計(jì)年鑒，流域?qū)嵉卣{(diào)查。個(gè)別年份缺失數(shù)據(jù)利用往年數(shù)據(jù)線性插值得到。

3 結(jié)果與分析

3.1 評(píng)價(jià)指標(biāo)權(quán)重

圖2為層析分析法計(jì)算的指標(biāo)權(quán)重徑向條形圖，由圖2(a)可知，河長(zhǎng)制建立情況(C25)、河道恢復(fù)情況(C17)、污水日排放量(C7)所占權(quán)重分別為0.1347、0.1347、0.1070，累計(jì)權(quán)重37.64%，是疏勒河流域水環(huán)境的主要影響指標(biāo)；建成區(qū)綠化覆蓋率(C21)、產(chǎn)水模數(shù)(C1)、人均水資源量(C2)、地下水開發(fā)程度、Ⅲ類及以上水質(zhì)比例(C11)所占指標(biāo)權(quán)重分別為0.0022、0.0028、0.0028、0.0049、0.0072，累計(jì)權(quán)重僅有1.99%，是流域水環(huán)境的次要影響因素。

圖2 指標(biāo)權(quán)重徑向條形圖

由圖2(b)可知，從河長(zhǎng)制管理建設(shè)層面來看，水污染防治和水生態(tài)修復(fù)(B3、B4)、行政執(zhí)法管理(B6)、水環(huán)境治理(B2)、水域岸線管理(B5)、水資源管理(B1)所占權(quán)重分別為0.2827、0.206、0.103、0.0764、0.0492，對(duì)流域水環(huán)境影響程度依次降低，即水污染防治和水生修復(fù)是流域水環(huán)境主要影響因素。

3.2 水環(huán)境及各準(zhǔn)則層等級(jí)動(dòng)態(tài)變化特征

運(yùn)用層次分析-灰色綜合評(píng)價(jià)模型，根據(jù)最大關(guān)聯(lián)度原則，得出2013—2020年疏勒河流域水環(huán)境及各準(zhǔn)則層評(píng)價(jià)等級(jí)變化趨勢(shì)，如圖3—4所示。可知，近年來疏勒河流域水環(huán)境呈Ⅴ級(jí)到Ⅰ級(jí)逐漸上升變化趨勢(shì)，與蔚靜雯[21]和吳丹[22]的研究結(jié)論基本一致，其中2020年水環(huán)境等級(jí)最高，為Ⅰ級(jí)，水環(huán)境狀況比較好；2013、2014、2015、2016年等級(jí)最低，為Ⅴ級(jí)，水環(huán)境狀況較差。進(jìn)一步分析，2017年流域?qū)嵤┖娱L(zhǎng)制，水環(huán)境整體水平高于該制度推行前。

圖3 疏勒河流域水環(huán)境等級(jí)變化趨勢(shì)

圖4 評(píng)價(jià)指標(biāo)體系中各準(zhǔn)則層等級(jí)變化趨勢(shì)

2013—2020年流域水資源管理(B1)、水污染防治(B2)、水生態(tài)修復(fù)(B4)、水域岸線管理(B5)、行政執(zhí)法管理(B6)整體呈Ⅴ級(jí)到Ⅰ級(jí)逐漸好轉(zhuǎn)趨勢(shì)，等級(jí)提升均發(fā)生在2017年以后，表明隨著河長(zhǎng)制的全面推行，管水、治水活動(dòng)明顯增多，制度管理內(nèi)容得以落實(shí)，水環(huán)境綜合治理與管理能力不斷提高，逐步形成了健全的河流治理體系，極大改善疏勒河水環(huán)境狀況。水環(huán)境治理(B3)等級(jí)呈Ⅱ-Ⅴ-Ⅱ級(jí)波動(dòng)變化，疏勒河河流自身水質(zhì)較好，人民生產(chǎn)生活密集在河流下游，中上游開發(fā)利用較少，尤其上游水環(huán)境基本處在自然狀態(tài)，疏勒河水環(huán)境整體較好，近年來流域社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展較快，人口增加導(dǎo)致用水量上升，廢污水排放量大幅度增加，導(dǎo)致河流水環(huán)境遭到破壞，直到2019年，因?qū)嵤┖娱L(zhǎng)制的績(jī)效作用得以改善。

3.3 障礙因子分析

采用障礙度模型，從準(zhǔn)則層和指標(biāo)層兩個(gè)角度進(jìn)一步分析水環(huán)境障礙因子，如圖5—6所示。由圖5可知，水資源管理(B1)、水污染防治(B2)對(duì)流域水環(huán)境的影響程度逐漸升高，水環(huán)境治理(B3)、水域岸線管理(B5)、行政執(zhí)法管理(B6)對(duì)水環(huán)境的影響程度逐漸降低。2013—2016年，行政執(zhí)法管理是水環(huán)境狀況的主要障礙因子；2017年和2018年，水生態(tài)修復(fù)(B4)的障礙度值最大，是水環(huán)境狀況的主要影響因素；2019年和2020年水環(huán)境的主要限制因子分別為水污染防治、水資源管理。自2017年后水環(huán)境狀況主要障礙因素由行政執(zhí)法管理變?yōu)樗鷳B(tài)修復(fù)和水資源管理，表明積極建立健全相關(guān)法規(guī)政策，加強(qiáng)執(zhí)法監(jiān)管力度，河長(zhǎng)制全面建設(shè)初步形成，可為治理河流突出問題提供強(qiáng)大決策制度支持，在今后的疏勒河水環(huán)境治理中，仍需堅(jiān)持河道治理和水資源綜合管治工作。

圖5 準(zhǔn)則層障礙度變化分析

分析圖6得出，污水日排放量(C7)、化肥使用強(qiáng)度(C9)、農(nóng)業(yè)灌溉用水率(C5)、污水處理回用率(C6)對(duì)水環(huán)境水平的影響逐年增強(qiáng)，河長(zhǎng)制建立情況(C25)、水域岸線垃圾清除率(C12)、水土流失治理率(C16)對(duì)水環(huán)境狀況的影響正在減弱，表明截污減排、優(yōu)化用水結(jié)構(gòu)是提高疏勒河流域水環(huán)境水平的重點(diǎn)工作方向。每年的最大障礙因子因指標(biāo)大小變化而出現(xiàn)不同，如2013年最大障礙因子為河長(zhǎng)制建立情況(C25)，2019年和2020年最大障礙因子分別是污水日排放量、萬元GDP用水量(C4)，河長(zhǎng)制的實(shí)施，河流治理法律法規(guī)逐步建立健全，流域水環(huán)境治理得到了強(qiáng)有力的制度保障。然而，社會(huì)經(jīng)濟(jì)飛速發(fā)展、人民生活水平顯著提高使得區(qū)域工農(nóng)業(yè)廢污水排放量維持在較高水平，故合理規(guī)劃區(qū)域用水，控制污水排量，提高污水凈化能力，是未來改善流域水環(huán)境狀況的有效途徑。

圖6 指標(biāo)層障礙度變化分析

4 結(jié)論

(1)疏勒河流域水環(huán)境等級(jí)由2013年的Ⅴ級(jí)提高到2020年的Ⅰ級(jí)，水環(huán)境狀況整體呈逐年上升趨勢(shì)。

(2)障礙度模型分析顯示，阻礙疏勒河水環(huán)境水平的主要障礙因子因年份不同而變化，主要集中在行政執(zhí)法管理、水生態(tài)修復(fù)、水污染防治3個(gè)層面。2013—2016年第一障礙因子為河長(zhǎng)制建立情況，第二障礙因子為河道恢復(fù)情況，第三障礙因子為“一河一策“編制完成率；2017—2018年，第一、二、三障礙因子分別是河道恢復(fù)情況、河長(zhǎng)制建立情況、污水日排放量；2019—2020年，污水日排放量、萬元GDP用水量、河道恢復(fù)情況依次為第一、二、三障礙因子。

(3)河長(zhǎng)制實(shí)施對(duì)水環(huán)境治理有積極推動(dòng)作用，未來疏勒河流域仍需深入貫徹河長(zhǎng)制，加強(qiáng)水資源管理，提高污水處理率，增強(qiáng)水污染防治能力，科學(xué)開展河道水生態(tài)修復(fù)工程，爭(zhēng)取更好地保障區(qū)域水環(huán)境狀況持續(xù)提高。研究結(jié)果對(duì)提高區(qū)域水環(huán)境綜合治理，指導(dǎo)區(qū)域未來水資源規(guī)劃與社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展提供科學(xué)參考依據(jù)和決策支撐。但由于河長(zhǎng)制建設(shè)內(nèi)容比較繁多，加上數(shù)據(jù)可獲取性及可量化性，指標(biāo)選取可能還有不足之處，另外從流域時(shí)間序列的水環(huán)境狀況進(jìn)行了評(píng)估，未詳細(xì)分析空間分布，在今后研究中進(jìn)一步加強(qiáng)對(duì)流域水環(huán)境時(shí)空分布狀況和規(guī)律研究。