李慧敏，陳 星，許 欽，許 釗，李炳鋒，王新奎

(1.河海大學水文水資源學院，南京 210098；2. 南京水利科學研究院水文水資源研究所，南京 210029；3.中國水權(quán)交易所股份有限公司，北京 100053)

0 引 言

隨著工業(yè)化進程加快，我國很多地區(qū)河湖水體污染情況嚴峻，制約水資源的高效利用。我國城市化率從1970年的不足20%增加到2018年約60%，但河流水系單位面積的污水排放量也大幅增加[1]。此背景下，“河長制”這一治河模式適時出現(xiàn)?；谖覈当姸?、地形復雜、氣候差異明顯、河流治理起步晚的復雜國情，河長制提出六大任務(wù)[2,3]。

國內(nèi)外治河思路從減少洪水期對人類損害發(fā)展至利用水資源為人類服務(wù)，延伸至河流能保持良好的生態(tài)環(huán)境、提供多樣服務(wù)功能。河流治理提出以河流健康和可持續(xù)利用為目標[4]。研究學者從不同角度出發(fā)建立河流健康評價模型。從自然屬性出發(fā)，運用生物完整性指數(shù)(IBI) 評估河流健康[5]；結(jié)合植被、無脊椎動物和魚類等指標評估河流的生態(tài)健康狀況[6]。從生態(tài)系統(tǒng)健康的角度出發(fā)，評價生態(tài)系統(tǒng)的完整性、適應(yīng)性和效率[7]。從河流服務(wù)功能角度出發(fā)，選擇河流的服務(wù)功能、環(huán)境功能、防洪功能、開發(fā)利用功能和生態(tài)功能5個方面進行評價[8]。河長制對全國河湖治理提出宏觀共性要求，將其反映到具體河流的個性化治理時，需要結(jié)合地方實際情況側(cè)重不同指標，提出基于河長制的評價體系。該評價體系綜合考慮流域社會經(jīng)濟、水資源、水環(huán)境和水生態(tài)對河流健康狀況影響，將河流健康與可持續(xù)發(fā)展有機結(jié)合，評價全面、細致、真實，具有實際指導意義，可針對評價結(jié)果提出相應(yīng)治理方案。

健康評價評估作為一種管理工具，有助于流域管理者提高管理決策能力[9]。本文在河長制的框架下定義河流健康與可持續(xù)利用內(nèi)涵，構(gòu)建包含河長制六大任務(wù)的評價體系。通過對研究區(qū)現(xiàn)狀年(2016年)河流健康分析，明確河流關(guān)鍵問題并提出個性化治理建議。預測在河長制驗收年(2020年)，不同社會經(jīng)濟發(fā)展水平與相應(yīng)河流治理方案下河流健康水平，尋找河流自然屬性與社會經(jīng)濟價值屬性動態(tài)平衡，為流域管理者提供發(fā)展治理的決策依據(jù)。

1 基于河長制的河流健康與可持續(xù)利用內(nèi)涵分析

人類活動影響使河流轉(zhuǎn)變?yōu)椤八?生態(tài)-社會經(jīng)濟”復合系統(tǒng)，因此對河流的研究范圍不應(yīng)局限于河道內(nèi)部，需將河流與流域內(nèi)與用水耗水有關(guān)的經(jīng)濟活動視作有機統(tǒng)一體。對于影響河流健康與可持續(xù)發(fā)展的因素不應(yīng)只考慮河流本身，還應(yīng)考慮其與社會經(jīng)濟之間的互相作用機制[10]。河流為人類生產(chǎn)生活提供水源、行洪通道、親水平臺、特色景觀，對河流健康與可持續(xù)發(fā)展的定義應(yīng)當體現(xiàn)人水和諧，最終為人類社會發(fā)展服務(wù)的思想。本文將河流健康與可持續(xù)發(fā)展定義為河流在能保持自然屬性完整，又具有為人類社會服務(wù)的經(jīng)濟價值屬性，并具有可持續(xù)不斷發(fā)展完善的特性。

深度解讀河長制要求，結(jié)合當?shù)亍耙缓右徊摺?，?個子因素表達河流健康與可持續(xù)利用狀態(tài)：①水資源利用水平，指用水量與用水效率等代表生活與工農(nóng)業(yè)用水狀況的用水指標；②水環(huán)境影響因素，對水質(zhì)、污水處理排放提出要求；③水生態(tài)修復狀況，水生態(tài)修復不僅指河道內(nèi)生態(tài)護岸建設(shè)情況與生態(tài)補水量，還包括流域內(nèi)的居民節(jié)水意識與小流域生態(tài)綜合整治結(jié)果。在當前定義下，河流健康與經(jīng)濟發(fā)展之間具有可持續(xù)性、協(xié)調(diào)性和同步性[11]。判斷河流健康與可持續(xù)利用水平還需加入經(jīng)濟水平和經(jīng)濟結(jié)構(gòu)。④經(jīng)濟發(fā)展水平與經(jīng)濟結(jié)構(gòu)，反映依托河流流域經(jīng)濟發(fā)展狀況。4種子因素相互作用方式與綜合作用結(jié)果見圖1。

圖1 基于河長制的河流健康與可持續(xù)利用理論框架圖Fig. 1 Theoretical framework of river health and sustainable utilization based on river chief system

評價指標體系以河流健康與可持續(xù)利用為要求，圍繞河長制六大任務(wù)，考慮社會經(jīng)濟發(fā)展對河流健康的壓力，分為目標層、準則層和指標層3個層次進行研究。目標層是河流健康評價的最終結(jié)果；準則層根據(jù)河流功能屬性分為多個；指標層則是對準則層進行打分的多個評價指標[12]。選擇“一河一策”落地實施較迅速流域為研究區(qū)，參考研究區(qū)《“一河一策”實施方案》, 使指標層選取能結(jié)合當?shù)貙嶋H情況，評價體系具有生產(chǎn)實踐代表性。

2 研究方法

2.1 評價指標體系構(gòu)建

河流健康評價體系的構(gòu)建過程是從復雜信息流中篩選主導性指標進行研究的過程[12]。依據(jù)本文定義的河流健康與可持續(xù)利用要求，結(jié)合河長制目標與框架，使評價體系具有實際可操作性，指標層選定22個評價指標。考慮三方面情況:①理論與代表性：反映河流健康與可持續(xù)發(fā)展內(nèi)涵；②評價的指標具有獨立性; ③體系可操作性：實測資料易獲取[13]。選用層次分析法(AHP)確定各指標權(quán)重[14,15]。通過專家打分判斷各因素重要性并構(gòu)造矩陣，進行一致性檢驗，檢驗值為0.065，此評價體系權(quán)重值(見表1)具有客觀性。

表1 涑河河流健康與可持續(xù)利用評價指標體系Tab.1 Evaluation index system of river health and sustainable utilization in Su River

2.2 評價模型

選擇可變模糊評價法作為評價模型。可變模糊集理論與方法是描述事物量變、質(zhì)變時的量化工具，具有理論嚴謹、模型簡潔和概念清晰的優(yōu)點，適用于多指標多級別評價體系[16,17]。

設(shè)定兩個有限論域X={x1，x2，…，xm},V={v1,v2,…,vn}，其中，X表示綜合評判的因素集合；V表示評語集合[18]。借助隸屬函數(shù)確定因素集X中每一個指標隸屬V中某一級評語程度，X中全部隸屬度的合成構(gòu)成評判矩陣[19]。參照河流健康賦分等級確定河流健康與可持續(xù)利用水平可變集合的吸引(為主)域矩陣Iab與范圍域矩陣Icd[20]。Iab=([aih,bih])根據(jù)賦分等級區(qū)間值確定，Icd=([cih,dih])根據(jù)矩陣Iab中各級指標標準值區(qū)間兩側(cè)相鄰區(qū)間的上下限值確定[21]。確定相對隸屬度μA(xij)h=1點值矩陣M=(Mih)：

(1)

根據(jù)樣本特征值屬性判斷xij在Mih左側(cè)還是右側(cè)。若在左側(cè),相對隸屬度函數(shù)為：

(2)

若在左側(cè)，相對隸屬度函數(shù)為：

(3)

(4)

式中：xij為樣本i指標j(=1，…，m)的評價值；h(=1，…，n)為健康等級；wi為指標權(quán)重；α為模型優(yōu)化準則參數(shù)；p為距離參數(shù)，p=1為海明距離，p=2為歐式距離。

考慮評價為非線性系統(tǒng)，選取α=2，p=1。文中m=22，xij選取2016-2020年(驗收年)的分情境目標值作為標準值。

由式(4)歸一化得綜合相對隸屬度矩陣和評價結(jié)果如下：

U=(μij)

(5)

H=(1,2,3,4,5)°U

(6)

3 案例應(yīng)用與分析

3.1 研究區(qū)概況與數(shù)據(jù)來源

涑河是沂河一級支流，發(fā)源于費縣馬莊鎮(zhèn)大寨村一帶，于臨沂城東關(guān)自右岸入沂河，全長60 km，流域總面積297.27 km2，河道平均比降0.137%。流域呈柳葉形，地勢西高東低，山丘區(qū)面積 137.56 km2，平原面積 159.71 km2，各占全流域面積的46.3%和 53.7%。涑河流域多年平均年降水量為823 mm，多年平均年徑流深為291 mm，折合年徑流量為0.88 億m3。降雨量主要集中在6-9月份，約占全年降水量的74%，暴雨則多發(fā)在7-8月。多年平均氣溫為12.6 ℃，歷年極端最高氣溫為40.5 ℃，極端最低氣溫為-24.9 ℃，無霜期在199-209 d之間。涑河干流在費縣境內(nèi)主要流經(jīng)馬莊鎮(zhèn)和探沂鎮(zhèn)，蘭山境內(nèi)主要流經(jīng)朱保鎮(zhèn)、義堂鎮(zhèn)、蘭山街道和金雀山街道。費縣經(jīng)濟發(fā)展以農(nóng)業(yè)為主，流域內(nèi)人口9.36 萬人，全縣實現(xiàn)生產(chǎn)總值282.46 億元。蘭山區(qū)屬臨沂市市區(qū)，流域內(nèi)人口44.7萬人，全區(qū)實現(xiàn)生產(chǎn)總值860.92 億元。

研究區(qū)社會經(jīng)濟人口數(shù)據(jù)來自《臨沂市統(tǒng)計年鑒(2016)》，自然資源數(shù)據(jù)來自《臨沂市水資源公報(2016)》、《臨沂市水功能區(qū)水質(zhì)監(jiān)測報告(2016)》、《臨沂市污染源普查數(shù)據(jù)》《臨沂市涑河“一河一策”實施方案》。預測數(shù)據(jù)及分級標準來自《臨沂市總體規(guī)劃(2020年)》、《臨沂市“十三五”環(huán)境保護規(guī)劃》、《臨沂市水利發(fā)展“十三五”規(guī)劃報告》、《臨沂市水土保持規(guī)劃(2016-2030年)》。

3.2 評價因素的分級與評分

根據(jù)《臨沂市涑河“一河一策”實施方案》、《臨沂市水利發(fā)展“十三五”規(guī)劃報告》、《臨沂市“十三五”環(huán)境保護規(guī)劃》、《臨沂市水土保持規(guī)劃(2016-2030年)》，結(jié)合區(qū)域現(xiàn)狀對評價指標進行賦分。其中0～1分表示河流處于完全健康狀態(tài)，該地區(qū)水資源利用合理，開發(fā)潛力大，能配合區(qū)域社會經(jīng)濟發(fā)展。4～5分表示河流健康體系崩潰，社會發(fā)展受水資源短缺制約，1～2、2～3、3～4分別對應(yīng)較健康狀態(tài)、輕度健康崩潰狀態(tài)、中度健康崩潰狀態(tài)。

表2 涑河河流健康和可持續(xù)利用水平Tab.2 Level of river health and sustainable utilization in Su River

3.3 評價結(jié)果與分析

以2016年為現(xiàn)狀水平年，通過3.2節(jié)評價模型計算得到涑河河流健康與可持續(xù)利用水平H1和各準則層評價結(jié)果(圖2)。綜合評價結(jié)果為2.92，屬于輕度健康崩潰狀態(tài)。限制性因素主要出現(xiàn)在水環(huán)境和水生態(tài)層面。

圖2 涑河現(xiàn)狀水平年河流健康與可持續(xù)利用水平評價結(jié)果Fig.2 Evaluation results of river health and sustainable utilization level in current level of Su River

HB1評價分數(shù)2.72。流域內(nèi)費縣地處沂蒙山區(qū)腹地，板栗、核桃和西瓜等種植業(yè)是支柱產(chǎn)業(yè)。蘭山區(qū)化學纖維制造業(yè)、石油加工、煉焦和核燃料加工業(yè)增長迅速，產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)有升級調(diào)整空間。HB2評價結(jié)果為2.06，流域水資源利用水平在四要素中對河流健康與可持續(xù)利用水平反饋最優(yōu)。下一步河流治理中在兼顧提高用水效率的同時，可將重心轉(zhuǎn)移至水環(huán)境改善和水生態(tài)修復。HB3評價分數(shù)3.11。涑河流域現(xiàn)有3個臨沂市重點監(jiān)測斷面，2016年涑河馬莊豹窩橋、西外環(huán)橋監(jiān)測斷面水質(zhì)為Ⅳ類水，鳳凰閣監(jiān)測斷面為劣Ⅴ類。鳳凰閣位于涑河下游蘭山區(qū)市區(qū)，局部河段存在富營養(yǎng)化及黑臭現(xiàn)象。涑河源頭水保護區(qū)氨氮入河量超水環(huán)境容量25.9%，涑河蘭山開發(fā)利用區(qū)COD和氨氮入河量分別超水功能區(qū)水環(huán)境容量17.3%和10.3%。后續(xù)治理中需截污減排，控制污染入河量。HB4評價分數(shù)為3.25，流域內(nèi)有侵占建筑物3處，侵占岸線活動4處。受灘地內(nèi)農(nóng)耕活動影響，易造成邊坡土體松散，產(chǎn)生季節(jié)性的水土流失。河道彎道及排澇溝排澇溝未進行護砌，排澇時水流較快，致使溝道兩岸沖刷嚴重，溝道下切，土壤流失。

3.4 保護方案制定與河流健康水平預測

為使河流達到更好的健康狀態(tài)，維持河流可持續(xù)利用水平，依據(jù)流域現(xiàn)狀及《臨沂市城市總體規(guī)劃(2011-2020)》、《臨沂市“十三五”環(huán)境保護規(guī)劃》要求，以2020年為目標年提出3種治理情境。方案一經(jīng)濟正常發(fā)展配合適度生態(tài)環(huán)境治理；方案二考慮經(jīng)濟快速發(fā)展放寬水資源、水環(huán)境和水生態(tài)的限制性目標；方案三在經(jīng)濟快速發(fā)展的基礎(chǔ)上強化河道資源、環(huán)境和生態(tài)治理(見表3)。

表3 涑河流域河流健康與可持續(xù)利用水平2020年目標值Tab.3 River health and sustainable utilization level of Su River basin 2020 target value

按照提出的指標層目標值，通過3.2評價模型計算得到2016-2020年不同經(jīng)濟發(fā)展水平下涑河河流健康與可持續(xù)發(fā)展水平變化情況(表4、圖3)。2020年涑河綜合評價分值為1.66、1.77、1.54，較2016年分別下降43.6%、39.4%、47.3%。

圖3 不同治理情境下河流健康與可持續(xù)水平評價結(jié)果Fig.3 Evaluation results of river health and sustainability under different treatment scenarios

表4 河流健康與可持續(xù)發(fā)展準則層評價結(jié)果Tab.4 Evaluation results of criteria for Su River health and sustainable development

方案一治理情境下，保持適度的經(jīng)濟增長速度和相當?shù)暮恿髦卫硭剑恿鹘】蹬c可持續(xù)利用水平穩(wěn)步提升。方案二治理情境下，加速經(jīng)濟發(fā)展而沒有配合合適的河流治理力度，河流健康與可持續(xù)發(fā)展水平上升速率低于方案一。由此提出方案三，在加速經(jīng)濟發(fā)展的同時提升河流治理力度，并用評價模型預判該治理力度能否使河流健康與可持續(xù)發(fā)展水平得到較高狀態(tài)。方案三評價分數(shù)明顯優(yōu)于方案二。當加快經(jīng)濟發(fā)展時，對河流可持續(xù)利用的壓力增大，需要采用方案三的強化治理方案才能保證較高河流健康水平。

4 結(jié) 論

本文提出的評價體系依據(jù)中國河流國情，從河長制治河思路出發(fā)，涵蓋社會經(jīng)濟發(fā)展、水資源有效利用、水環(huán)境治理和水生態(tài)修復四方面，結(jié)構(gòu)合理清晰，對涑河現(xiàn)狀評價符合實際，可分析出影響河流健康與可持續(xù)發(fā)展的限制性因素。結(jié)果表明：

(1)2016年涑河健康與可持續(xù)發(fā)展評價結(jié)果為2.92，屬輕度健康崩潰狀態(tài)，在減排入河污染物、岸線管護、水土流失治理等方面有較大挖掘潛力。

(2)2020年涑河最優(yōu)評價結(jié)果為1.54，河流達到較健康狀態(tài)。當區(qū)域經(jīng)濟快速增長，給出定量化河流治理強化目標，河流自然屬性完備與流域經(jīng)濟效益提升共同穩(wěn)步提升，河流可持續(xù)利用得以實現(xiàn)。