鄧地娟，王靜雅，謝 強，田 雨，魏瑞龍

(1. 成都理工大學(xué)地球探測與信息技術(shù)教育部重點實驗室，成都610059；2.成都理工大學(xué)環(huán)境學(xué)院，成都610059；3. 四川省生態(tài)環(huán)境科學(xué)研究院，成都610059)

引 言

隨著社會經(jīng)濟的發(fā)展，人類對水資源調(diào)控能力的增強，水庫成為一種儲存水體的重要形式之一。由于區(qū)域社會經(jīng)濟的快速發(fā)展以及人類活動對水庫的干擾，水庫的生態(tài)環(huán)境問題愈加嚴重，富營養(yǎng)化問題尤為突出，由此導(dǎo)致水庫生態(tài)系統(tǒng)健康安全狀況突出，嚴重制約了社會經(jīng)濟發(fā)展。根據(jù)監(jiān)測報告，魯班水庫小流域水環(huán)境污染較為嚴重，魯班水庫目前未達到《地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》(GB3838-2002)中的Ⅱ類水標(biāo)準(zhǔn)。

1 研究區(qū)域概況

魯班水庫位于四川省綿陽市三臺縣魯班鎮(zhèn)，是四川省第三大水庫，于1980年按設(shè)計基本建成，期間1979年8月開始蓄水，設(shè)計洪水位(正常水位)460.00m，具有13.2km2的水面，轄六溝十二灣，位于凱江支流綠豆河上游的鐵線溝處，壩址以上控制流域面積21km2，總庫容為2.78億m3，年提供灌溉、防洪、環(huán)境供水量1.2億m3，是都江堰人民渠七期工程尾段的一個以灌溉為主，兼顧發(fā)電、防洪等綜合利用的多年調(diào)節(jié)大Ⅱ型囤蓄水庫，水庫水源來自于都江堰岷江，通過人民渠以及21km2的集水面經(jīng)過地表徑流流入水庫[1]。

魯班水庫處于揚子準(zhǔn)臺地之四川中臺拗，川中臺拱，新華夏系第三沉降帶四川盆地中褶皺帶旋鈕構(gòu)造，屬四川盆地中生代陸相碎屑巖系及新生界第四系沖擊沉淀物，流域范圍內(nèi)地勢北高南低，東北向西南傾斜。海拔高度一般為450～600m，相對高差在200m以下。氣候?qū)偎拇ㄅ璧刂衼啛釒Ъ撅L(fēng)性濕潤氣候區(qū)，大陸性季風(fēng)氣候顯著，多年平均氣溫為16.7℃，年均變化為17.3～15.9℃，年平均最高氣溫為17.3℃，最低為15.9℃。年際變化不大，無霜期為238～324d，平均為283d，作物全年基本都能生長。流域范圍內(nèi)降水多分布在5～10月，多年年均降雨量為882.2mm[1]。

2 研究方法

2.1 數(shù)據(jù)調(diào)查

數(shù)據(jù)收集主要通過綿陽市三臺縣魯班鎮(zhèn)統(tǒng)計年鑒、公報、三臺縣規(guī)劃、三臺縣魯班鎮(zhèn)政府工作報告、魯班水庫相關(guān)科技論文等為主，以現(xiàn)場調(diào)查、實測為輔。野外調(diào)查是通過對該區(qū)域設(shè)一定的典型樣地進行調(diào)查，典型樣地的數(shù)量要求包含整個區(qū)域的各種資源和生境類型。

2.2 基于IROW框架的水庫生態(tài)安全評估指標(biāo)體系

根據(jù)魯班水庫實際情況，本次研究從水生態(tài)健康、流域發(fā)展影響和生態(tài)災(zāi)變?nèi)齻€方面分別選取評價指標(biāo)，基于IROW (Inflow-Reservoir-Outflow-Watershed )框架[2]，采用“4+1”湖泊生態(tài)安全評估方法[3]，選擇AHP(層次分析法)數(shù)學(xué)模型[4]，對魯班水庫生態(tài)環(huán)境狀況進行綜合評估分析。

(1)基于水庫生態(tài)系統(tǒng)特征構(gòu)建的IROW框架[2]，見表1，指標(biāo)體系為目標(biāo)層(A層)、方案層(B層)、因素層(C層)、指標(biāo)層(D層)。

表1 基于水庫生態(tài)系統(tǒng)特征構(gòu)建的IROW框架Tab.1 IROW framework constructed based on the characteristics of reservoir ecosystem

評估標(biāo)準(zhǔn)主要通過資料調(diào)研法、國內(nèi)外類比法、空間參照點法，針對各個指標(biāo)逐一確認，評估級別劃分為5級，評分采用百分制，類別分為很安全、安全、基本安全、不安全、很不安全[3]，其內(nèi)容及意義見表2。

表2 水庫生態(tài)安全狀態(tài)及評估級別對應(yīng)表Tab.2 Corresponding table of ecological security status and assessment level of the reservoir

續(xù)表2

2.3 評估指標(biāo)得分計算方法

水生態(tài)健康、流域發(fā)展影響和生態(tài)災(zāi)變評估分別建立自己的評估指標(biāo)體系，確定各指標(biāo)的權(quán)重，利用數(shù)學(xué)模型計算評估指數(shù)以及確定評估標(biāo)準(zhǔn)，從而建立各自的評估方法。評估指標(biāo)得分計算方法如下：

(1)

式中，Wi為第i個指標(biāo)的權(quán)重，F(xiàn)i為第i個指標(biāo)的得分值。

2.3.1 水生態(tài)健康指數(shù)

水生態(tài)健康采取了生態(tài)系統(tǒng)健康結(jié)構(gòu)功能指標(biāo)體系方法[2]，本文采用物理化學(xué)指標(biāo)和生物多樣性指數(shù)構(gòu)建評估體系。生態(tài)指標(biāo)選取三臺縣生物多樣性指數(shù)(BI)，數(shù)據(jù)來源于四川省生物多樣性調(diào)查；生物多樣性指數(shù)(BI)是以縣級行政區(qū)域為單元，收集物種豐富度、生態(tài)系統(tǒng)類型多樣性、植被垂直層譜的完整性、物種特有性、外來物種入侵度、物種受威脅程度等指標(biāo)的數(shù)據(jù)，評估生物多樣性現(xiàn)狀。魯班水庫小流域除魯班水庫外，還包含周邊區(qū)域，可選取三臺縣整體生物多樣性指數(shù)作為評估魯班水庫小流域生物多樣性指標(biāo)。計算方法如下：

BI=歸一化后的野生高等動物豐富度×0.2+歸一化后的野生維管束植物豐富度×0.2+歸一化后的生態(tài)系統(tǒng)類型多樣性×0.15+歸一化后的植被垂直層譜的完整性×0.05+歸一化后的物種特有性×0.20+(100-歸一化后的外來物種入侵度)×0.10+(100-歸一化后的物種受威脅程度)×0.10

物理化學(xué)指標(biāo)分級標(biāo)準(zhǔn)如表3，采用層次分析法進行權(quán)重賦值，結(jié)合專家咨詢結(jié)果得到各評價指標(biāo)的權(quán)重，加權(quán)求和得出物理化學(xué)指標(biāo)得分。依據(jù)指標(biāo)分值，指標(biāo)權(quán)重，再根據(jù)公式(1)計算得出水生態(tài)健康指數(shù)Iw。

表3 水生態(tài)健康指數(shù)物理化學(xué)指標(biāo)評分標(biāo)準(zhǔn)Tab.3 scoring standard of physical and chemical indexes of water ecological health index (mg/L)

2.3.2 流域發(fā)展影響指數(shù)

根據(jù)生態(tài)安全的原理，流域發(fā)展影響指數(shù)選取社會經(jīng)濟壓力指標(biāo)、污染負荷指標(biāo)以及其他壓力指標(biāo)構(gòu)建評估體系[8-9]，指標(biāo)等級及賦分標(biāo)準(zhǔn)如表4，各指標(biāo)采取AHP和專家咨詢法得到權(quán)重值。最后根據(jù)指標(biāo)得分和指標(biāo)權(quán)重，由公式(1)計算得到流域發(fā)展影響指數(shù)Is。

表4 流域發(fā)展影響評價指標(biāo)評分標(biāo)準(zhǔn)Tab.4 Evaluation criteria for watershed development impact assessment

2.3.3 生態(tài)災(zāi)變指數(shù)

三臺縣魯班水庫庫區(qū)生態(tài)災(zāi)變影響選取關(guān)鍵性指標(biāo)和一般指標(biāo)進行評價[10]，關(guān)鍵性指標(biāo)選取綜合營養(yǎng)狀態(tài)指數(shù)[11]，計算方法參考照《地表水環(huán)境質(zhì)量評價辦法》，賦分標(biāo)準(zhǔn)見表5；一般指標(biāo)用死魚情況和高等植物死亡率來進行評價[11-12]。各指標(biāo)采取AHP和專家咨詢法得到權(quán)重值。依據(jù)指標(biāo)分值，指標(biāo)權(quán)重，由公式(1)計算得出生態(tài)災(zāi)變指數(shù)Ih。

表5 生態(tài)災(zāi)變評價指標(biāo)評分標(biāo)準(zhǔn)Tab.5 evaluation criteria of ecological disaster

2.3.4 生態(tài)安全綜合指數(shù)

三臺縣魯班水庫的生態(tài)環(huán)境整體狀況利用綜合指數(shù)法進行綜合評估，結(jié)合AHP法對其進行加權(quán)，即通過水生態(tài)健康指數(shù)、社會經(jīng)濟影響指數(shù)和生態(tài)災(zāi)變指數(shù)加權(quán)求和，構(gòu)建生態(tài)狀況綜合指數(shù)ESI[13]。生態(tài)狀況綜合指數(shù)ESI如下：

ESI=IwWw+IsWs+IhWh

(2)

其中：Iw為水生態(tài)健康指數(shù)值，Ww為水生態(tài)健康指數(shù)權(quán)重；Is為社會經(jīng)濟影響指數(shù)值，Ws為社會經(jīng)濟影響指數(shù)權(quán)重；Ih為生態(tài)災(zāi)變指數(shù)值，Ww為生態(tài)災(zāi)變指數(shù)權(quán)重。

3 生態(tài)環(huán)境狀況調(diào)查結(jié)果

3.1 水生態(tài)健康調(diào)查

3.1.1 生物多樣性

據(jù)現(xiàn)場調(diào)查和資料收集結(jié)果，魯班水庫水生生物主要包括水生動物和水生植物，水生動物包括魚類、浮游動物、爬行類和甲殼及軟體動物，水生植物包括浮游植物和水生維管束植物等。本文選取四川省三臺縣生物多樣性調(diào)查數(shù)據(jù)來評估魯班水庫小流域生物多樣性指數(shù)，來評價魯班水庫生態(tài)指標(biāo)，BI值為33.29。

3.1.2 水質(zhì)

本次水質(zhì)評估采用三臺縣環(huán)境監(jiān)測站2016年～2019年9月對魯班水庫的監(jiān)測數(shù)據(jù)說明魯班水庫水環(huán)境質(zhì)量現(xiàn)狀，例行監(jiān)測斷面為水庫入庫口、魯班島、麻雀灣以及庫尾。水質(zhì)監(jiān)測項目分別為水溫、pH值、溶解氧、高錳酸鹽指數(shù)、化學(xué)需氧量、五日生化需氧量、氨氮、總磷、總氮、銅、鋅、氟化物、硒、砷、汞、鎘、六價鉻、鉛、氰化物、揮發(fā)酚、石油類、陰離子表面活性劑、硫化物、糞大腸菌群共計24個指標(biāo)。

監(jiān)測數(shù)據(jù)表明，魯班水庫各水質(zhì)監(jiān)測點位pH值、氨氮含量達到《地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn) GB 3838-2002》Ⅱ類水標(biāo)準(zhǔn)，溶解氧、COD、BOD5、糞大腸菌群除個別月份外，大部分月份能達到《地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn) GB 3838-2002》Ⅱ類標(biāo)準(zhǔn)。高錳酸鹽指數(shù)整體呈現(xiàn)下降趨勢?？偭?、總氮含量超標(biāo)，大部分月份難以達到《地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn) GB 3838-2002》Ⅱ類標(biāo)準(zhǔn)。揮發(fā)酚、石油類、銅、鋅、鉛、鎘、砷、硒、汞、六價鉻、陰離子表面活性劑、硫化物、氰化物一直滿足《地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn) GB 3838-2002》I類水要求，近些年來幾乎無變化。

3.2 流域發(fā)展影響調(diào)查

3.2.1 社會經(jīng)濟壓力

(1)人均GDP

根據(jù)三臺縣2018年統(tǒng)計年鑒。2018年，幸福鄉(xiāng)總?cè)丝?5 532人，地區(qū)生產(chǎn)總值2.45億萬元；魯班鎮(zhèn)總?cè)丝?3 243人，地區(qū)生產(chǎn)總值2.64億萬元。根據(jù)各鄉(xiāng)鎮(zhèn)人均GDP和流域內(nèi)人口估算魯班水庫小流域內(nèi)2018年人均GDP為10435元。

(2)人口密度

魯班水庫小流域包括三臺縣魯班鎮(zhèn)及三臺縣幸福鄉(xiāng)(現(xiàn)已規(guī)劃為魯班鎮(zhèn)管轄)的部分區(qū)域。根據(jù)2018年數(shù)據(jù)，流域內(nèi)共有人口21 787人，魯班水庫小流域總面積20.8043km2，流域人口密度為人1 047/km2。

(3)土地利用

魯班水庫流域范圍內(nèi)的土地利用現(xiàn)狀如下圖。從圖上可以看出，小流域內(nèi)的主要地類包括林地、草地、耕地、園地、水域、村鎮(zhèn)、交通用地和其他用地八個地類。基于ArcGIS對各地類面積進行統(tǒng)計，面積如表6。

表6 魯班水庫小流域土地利用現(xiàn)狀面積統(tǒng)計Tab.6 Statistics of land use status in small watershed of Luban Reservoir

3.2.2 污染負荷

本文主要研究魯班水庫小流域點源污染。該流域點源污染主要包括生活污染及旅游污染。

(1)生活污染

圖1 魯班水庫土地利用現(xiàn)狀圖Fig.1 Land use status of Luban Reservoir

生活污染包括生活污水污染及生活垃圾污染，生活污水直接和間接排放量約占產(chǎn)生量的40%，參照全國污染源普查辦發(fā)布的源強系數(shù)說明，農(nóng)村生活污水中主要污染物產(chǎn)生量按照COD：16.4g/(人·d)，NH3-N：4.0g/(人·d)，TN：6.0g/(人·d)，TP：0.5g/(人·d)計算；生活垃圾的COD、NH3-N、TN、TP源強系數(shù)分別按0.01t/a、0.001t/a、0.0015t/a和0.0001t/a計算，根據(jù)上述數(shù)據(jù)，可以計算出生活污染物入湖量，具體數(shù)據(jù)見表7。

表7 魯班水庫小流域主要生活污染物入湖情況Tab.7 Main domestic pollutants entering the lake in the small watershed of Luban Reservoir (t/a)

(2)旅游污染

魯班水庫自1990以來，游客數(shù)量逐漸增加，2016年游客數(shù)量達到20.5萬人，從調(diào)研數(shù)據(jù)可預(yù)測出游客平均停留天數(shù)為2.269d。據(jù)此估算，魯班水庫小流域的旅游人次為46.5萬人次/a。游客生活污水產(chǎn)生量以及污染物產(chǎn)生系數(shù)按照城鎮(zhèn)人口標(biāo)準(zhǔn)計算，即人均耗水量140L/(人·d)，產(chǎn)污率按80%計算。參照全國污染源普查辦發(fā)布的源強系數(shù)說明，旅游人口污染物負荷按COD：59g/(人·d)，NH3-N：7.2g/(人·d)，TN：10.8g/(人·d)，TP：0.9g/(人·d)計算。該類污水進入魯班水庫的系數(shù)按0.3計算，則魯班水庫旅游污染污水產(chǎn)生量及主要污染物產(chǎn)生情況見表8。

表8 魯班水庫旅游污染產(chǎn)生量及其主要污染物產(chǎn)生情況Tab.8 Tourism and its main pollutants in Luban Reservoir (t)

3.2.3 其他壓力

其他壓力選取入庫河流水質(zhì)進行評價。根據(jù)2015年三臺縣環(huán)境監(jiān)測站對進水口水質(zhì)進行的監(jiān)測數(shù)據(jù)表明，魯班水庫進水水質(zhì)的化學(xué)需氧量、總磷、總氮、硫化物和糞大腸菌群等5個指標(biāo)不能達到Ⅱ類水標(biāo)準(zhǔn)，其他指標(biāo)均達到Ⅱ類水標(biāo)準(zhǔn)。

3.3 生態(tài)災(zāi)變調(diào)查

3.3.1 關(guān)鍵性指標(biāo)

生態(tài)災(zāi)變調(diào)查關(guān)鍵性指標(biāo)選取葉綠素a(chla)、總磷(TP)、總氮(TN)、透明度(SD)、高錳酸鹽指數(shù)(CODMn)計算綜合營養(yǎng)狀態(tài)指數(shù)。指標(biāo)數(shù)據(jù)來源于三臺縣監(jiān)測站2016～2019年6月監(jiān)測數(shù)據(jù)。根據(jù)監(jiān)測報告數(shù)據(jù)和綜合營養(yǎng)狀態(tài)指數(shù)的計算方法，得到魯班水庫小流域各監(jiān)測點位綜合營養(yǎng)狀態(tài)指數(shù)平均值為42.14，屬于中營養(yǎng)狀態(tài)。

3.3.2 一般性指標(biāo)

經(jīng)現(xiàn)場調(diào)查和資料收集，魯班水庫近年來沒有水華爆發(fā)。1999年～2012年每年1月開始直至3月中旬，由于水質(zhì)變差，平均每年死魚30萬斤。隨著2013年4月26日水庫網(wǎng)箱養(yǎng)殖的取締，魯班水庫水質(zhì)變好，沒有死魚及水生高等植物死亡情況。

4 魯班水庫生態(tài)安全綜合評價

4.1 水生態(tài)健康評估結(jié)果

水生態(tài)健康各評價指標(biāo)權(quán)重和得分如表9所示，水生態(tài)健康綜合得分為63.40分。

表9 魯班水庫小流域水生態(tài)健康評估結(jié)果Tab.9 Evaluation results of water ecological health in the small watershed of Luban Reservoir

4.2 流域發(fā)展影響評估結(jié)果

社會經(jīng)濟影響評價各指標(biāo)的得分和權(quán)重見表10，魯班水庫小流域流域發(fā)展影響綜合得分為51.67分，污染負荷指標(biāo)得分較低，是主要制約因素。

表10 魯班水庫社會經(jīng)濟發(fā)展影響評估結(jié)果Tab.10 Impact assessment results of social and economic development of Luban Reservoir

4.3 生態(tài)災(zāi)變評估結(jié)果

魯班水庫小流域水生態(tài)災(zāi)變評估指標(biāo)各指標(biāo)權(quán)重和得分如表11，根據(jù)各指標(biāo)加權(quán)求和，得到生態(tài)災(zāi)變指數(shù)值為78.93，綜合營養(yǎng)狀態(tài)指數(shù)得分較低，是主要影響因素。

表11 魯班水庫小流域水生態(tài)災(zāi)變評估權(quán)重及結(jié)果Tab.11 Evaluation weights and results of water ecological catastrophe in the small watershed of Luban Reservoir

4.4 魯班水庫生態(tài)安全綜合評估結(jié)果

通過對各指標(biāo)加權(quán)求和，最后得出魯班水庫生態(tài)安全得分為60.26，屬于較安全狀態(tài)，水庫生態(tài)系統(tǒng)基本健康，服務(wù)功能尚好；庫區(qū)流域社會活動對水庫生態(tài)系統(tǒng)干擾較小，見表12。

表12 魯班水庫生態(tài)環(huán)境狀況綜合評估結(jié)果Tab.12 Results of comprehensive ecological environment assessment of Luban Reservoir

5 結(jié)論和建議

本文在對三臺縣魯班水庫生態(tài)環(huán)境現(xiàn)狀調(diào)查的基礎(chǔ)上，建立評估體系評估了魯班水庫的生態(tài)環(huán)境現(xiàn)狀，分析了目前存在的問題并提出了對策和建議。主要結(jié)論如下。

5.1 在調(diào)查的基礎(chǔ)上，結(jié)合國內(nèi)外研究成果，構(gòu)建了魯班水庫生態(tài)環(huán)境現(xiàn)狀評估體系，從水生態(tài)健康、流域發(fā)展影響和生態(tài)災(zāi)變?nèi)齻€方面進行評估后進行綜合評估。

5.2 經(jīng)評估，魯班水庫小流域的水生態(tài)健康指數(shù)、流域發(fā)展影響指數(shù)和生態(tài)災(zāi)變指數(shù)分別為63.40、51.67和78.93分，綜合得分為60.26分。屬于較安全狀態(tài)，水庫生態(tài)系統(tǒng)基本健康，服務(wù)功能尚好；庫區(qū)流域社會活動對水庫生態(tài)系統(tǒng)干擾較小。

5.3 魯班水庫主要面臨三個問題：飲用水安全、庫區(qū)TN和TP污染以及進水渠進水污染。經(jīng)分析，生活污染、旅游污染等點源污染物未得到有效處理，環(huán)保設(shè)施落后、人們環(huán)保意識薄弱等也是造成這些問題的原因。

5.4 針對魯班水庫存在的問題，提出了改善庫區(qū)水質(zhì)、加強庫周污染治理和保證進水渠進水水質(zhì)的建議，并提出了相應(yīng)的措施。

魯班水庫承擔(dān)著飲用水源地服務(wù)、農(nóng)業(yè)灌溉和休閑娛樂服務(wù)等多種功能。根據(jù)目前水質(zhì)現(xiàn)狀和水質(zhì)要求，應(yīng)該實施“分區(qū)治理，逐步推進”的原則[14]。根據(jù)資金狀況，優(yōu)先開展飲用水源地的建設(shè)和保護工作；按照《飲用水水源保護區(qū)劃分技術(shù)規(guī)范》劃定飲用水水源保護區(qū)，保護區(qū)內(nèi)劃分一級保護區(qū)和二級保護區(qū)，并根據(jù)需要劃分出準(zhǔn)保護區(qū)；多方面籌措資金，開展保護區(qū)居民生態(tài)補償、水源涵養(yǎng)林(生態(tài)公益林) 建設(shè)等工作，做好飲用水水源防護工程建設(shè)及維護工作；加大飲用水水源保護環(huán)境監(jiān)管能力、環(huán)境監(jiān)管應(yīng)急能力建設(shè)，以及水源保護基礎(chǔ)性工作的投入；在水庫上游采取攔沙方法，減少入庫泥沙，是防止和減少水庫淤積的最根本辦法；可以采用水土保持、修建攔泥壩、引洪放淤以及繞庫排渾等方法[14]，加強對水庫淤泥的清理；加強對生活污水的治理，一方面要加強污水處理設(shè)施和配套管網(wǎng)的建設(shè)，盡量實現(xiàn)生活污水處理全覆蓋；另一方面，要加強生活污水的處理深度，提高污水排放標(biāo)準(zhǔn)，防止對魯班水庫水質(zhì)造成二次污染。