基于河长制的河流健康与可持续利用评价

李慧敏，陈 星，许 钦，许 钊，李炳锋，王新奎

(1.河海大学水文水资源学院，南京 210098；2. 南京水利科学研究院水文水资源研究所，南京 210029；3.中国水权交易所股份有限公司，北京 100053)

0 引 言

随着工业化进程加快，我国很多地区河湖水体污染情况严峻，制约水资源的高效利用。我国城市化率从1970年的不足20%增加到2018年约60%，但河流水系单位面积的污水排放量也大幅增加[1]。此背景下，“河长制”这一治河模式适时出现。基于我国水系众多、地形复杂、气候差异明显、河流治理起步晚的复杂国情，河长制提出六大任务[2,3]。

国内外治河思路从减少洪水期对人类损害发展至利用水资源为人类服务，延伸至河流能保持良好的生态环境、提供多样服务功能。河流治理提出以河流健康和可持续利用为目标[4]。研究学者从不同角度出发建立河流健康评价模型。从自然属性出发，运用生物完整性指数(IBI) 评估河流健康[5]；结合植被、无脊椎动物和鱼类等指标评估河流的生态健康状况[6]。从生态系统健康的角度出发，评价生态系统的完整性、适应性和效率[7]。从河流服务功能角度出发，选择河流的服务功能、环境功能、防洪功能、开发利用功能和生态功能5个方面进行评价[8]。河长制对全国河湖治理提出宏观共性要求，将其反映到具体河流的个性化治理时，需要结合地方实际情况侧重不同指标，提出基于河长制的评价体系。该评价体系综合考虑流域社会经济、水资源、水环境和水生态对河流健康状况影响，将河流健康与可持续发展有机结合，评价全面、细致、真实，具有实际指导意义，可针对评价结果提出相应治理方案。

健康评价评估作为一种管理工具，有助于流域管理者提高管理决策能力[9]。本文在河长制的框架下定义河流健康与可持续利用内涵，构建包含河长制六大任务的评价体系。通过对研究区现状年(2016年)河流健康分析，明确河流关键问题并提出个性化治理建议。预测在河长制验收年(2020年)，不同社会经济发展水平与相应河流治理方案下河流健康水平，寻找河流自然属性与社会经济价值属性动态平衡，为流域管理者提供发展治理的决策依据。

1 基于河长制的河流健康与可持续利用内涵分析

人类活动影响使河流转变为“水-生态-社会经济”复合系统，因此对河流的研究范围不应局限于河道内部，需将河流与流域内与用水耗水有关的经济活动视作有机统一体。对于影响河流健康与可持续发展的因素不应只考虑河流本身，还应考虑其与社会经济之间的互相作用机制[10]。河流为人类生产生活提供水源、行洪通道、亲水平台、特色景观，对河流健康与可持续发展的定义应当体现人水和谐，最终为人类社会发展服务的思想。本文将河流健康与可持续发展定义为河流在能保持自然属性完整，又具有为人类社会服务的经济价值属性，并具有可持续不断发展完善的特性。

深度解读河长制要求，结合当地“一河一策”，用3个子因素表达河流健康与可持续利用状态：①水资源利用水平，指用水量与用水效率等代表生活与工农业用水状况的用水指标；②水环境影响因素，对水质、污水处理排放提出要求；③水生态修复状况，水生态修复不仅指河道内生态护岸建设情况与生态补水量，还包括流域内的居民节水意识与小流域生态综合整治结果。在当前定义下，河流健康与经济发展之间具有可持续性、协调性和同步性[11]。判断河流健康与可持续利用水平还需加入经济水平和经济结构。④经济发展水平与经济结构，反映依托河流流域经济发展状况。4种子因素相互作用方式与综合作用结果见图1。

图1 基于河长制的河流健康与可持续利用理论框架图Fig. 1 Theoretical framework of river health and sustainable utilization based on river chief system

评价指标体系以河流健康与可持续利用为要求，围绕河长制六大任务，考虑社会经济发展对河流健康的压力，分为目标层、准则层和指标层3个层次进行研究。目标层是河流健康评价的最终结果；准则层根据河流功能属性分为多个；指标层则是对准则层进行打分的多个评价指标[12]。选择“一河一策”落地实施较迅速流域为研究区，参考研究区《“一河一策”实施方案》, 使指标层选取能结合当地实际情况，评价体系具有生产实践代表性。

2 研究方法

2.1 评价指标体系构建

河流健康评价体系的构建过程是从复杂信息流中筛选主导性指标进行研究的过程[12]。依据本文定义的河流健康与可持续利用要求，结合河长制目标与框架，使评价体系具有实际可操作性，指标层选定22个评价指标。考虑三方面情况:①理论与代表性：反映河流健康与可持续发展内涵；②评价的指标具有独立性; ③体系可操作性：实测资料易获取[13]。选用层次分析法(AHP)确定各指标权重[14,15]。通过专家打分判断各因素重要性并构造矩阵，进行一致性检验，检验值为0.065，此评价体系权重值(见表1)具有客观性。

表1 涑河河流健康与可持续利用评价指标体系Tab.1 Evaluation index system of river health and sustainable utilization in Su River

2.2 评价模型

选择可变模糊评价法作为评价模型。可变模糊集理论与方法是描述事物量变、质变时的量化工具，具有理论严谨、模型简洁和概念清晰的优点，适用于多指标多级别评价体系[16,17]。

设定两个有限论域X={x1，x2，…，xm},V={v1,v2,…,vn}，其中，X表示综合评判的因素集合；V表示评语集合[18]。借助隶属函数确定因素集X中每一个指标隶属V中某一级评语程度，X中全部隶属度的合成构成评判矩阵[19]。参照河流健康赋分等级确定河流健康与可持续利用水平可变集合的吸引(为主)域矩阵Iab与范围域矩阵Icd[20]。Iab=([aih,bih])根据赋分等级区间值确定，Icd=([cih,dih])根据矩阵Iab中各级指标标准值区间两侧相邻区间的上下限值确定[21]。确定相对隶属度μA(xij)h=1点值矩阵M=(Mih)：

(1)

根据样本特征值属性判断xij在Mih左侧还是右侧。若在左侧,相对隶属度函数为：

(2)

若在左侧，相对隶属度函数为：

(3)

(4)

式中：xij为样本i指标j(=1，…，m)的评价值；h(=1，…，n)为健康等级；wi为指标权重；α为模型优化准则参数；p为距离参数，p=1为海明距离，p=2为欧式距离。

考虑评价为非线性系统，选取α=2，p=1。文中m=22，xij选取2016-2020年(验收年)的分情境目标值作为标准值。

由式(4)归一化得综合相对隶属度矩阵和评价结果如下：

U=(μij)

(5)

H=(1,2,3,4,5)°U

(6)

3 案例应用与分析

3.1 研究区概况与数据来源

涑河是沂河一级支流，发源于费县马庄镇大寨村一带，于临沂城东关自右岸入沂河，全长60 km，流域总面积297.27 km2，河道平均比降0.137%。流域呈柳叶形，地势西高东低，山丘区面积 137.56 km2，平原面积 159.71 km2，各占全流域面积的46.3%和 53.7%。涑河流域多年平均年降水量为823 mm，多年平均年径流深为291 mm，折合年径流量为0.88 亿m3。降雨量主要集中在6-9月份，约占全年降水量的74%，暴雨则多发在7-8月。多年平均气温为12.6 ℃，历年极端最高气温为40.5 ℃，极端最低气温为-24.9 ℃，无霜期在199-209 d之间。涑河干流在费县境内主要流经马庄镇和探沂镇，兰山境内主要流经朱保镇、义堂镇、兰山街道和金雀山街道。费县经济发展以农业为主，流域内人口9.36 万人，全县实现生产总值282.46 亿元。兰山区属临沂市市区，流域内人口44.7万人，全区实现生产总值860.92 亿元。

研究区社会经济人口数据来自《临沂市统计年鉴(2016)》，自然资源数据来自《临沂市水资源公报(2016)》、《临沂市水功能区水质监测报告(2016)》、《临沂市污染源普查数据》《临沂市涑河“一河一策”实施方案》。预测数据及分级标准来自《临沂市总体规划(2020年)》、《临沂市“十三五”环境保护规划》、《临沂市水利发展“十三五”规划报告》、《临沂市水土保持规划(2016-2030年)》。

3.2 评价因素的分级与评分

根据《临沂市涑河“一河一策”实施方案》、《临沂市水利发展“十三五”规划报告》、《临沂市“十三五”环境保护规划》、《临沂市水土保持规划(2016-2030年)》，结合区域现状对评价指标进行赋分。其中0～1分表示河流处于完全健康状态，该地区水资源利用合理，开发潜力大，能配合区域社会经济发展。4～5分表示河流健康体系崩溃，社会发展受水资源短缺制约，1～2、2～3、3～4分别对应较健康状态、轻度健康崩溃状态、中度健康崩溃状态。

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

3.3 评价结果与分析

以2016年为现状水平年，通过3.2节评价模型计算得到涑河河流健康与可持续利用水平H1和各准则层评价结果(图2)。综合评价结果为2.92，属于轻度健康崩溃状态。限制性因素主要出现在水环境和水生态层面。

图2 涑河现状水平年河流健康与可持续利用水平评价结果Fig.2 Evaluation results of river health and sustainable utilization level in current level of Su River

HB1评价分数2.72。流域内费县地处沂蒙山区腹地，板栗、核桃和西瓜等种植业是支柱产业。兰山区化学纤维制造业、石油加工、炼焦和核燃料加工业增长迅速，产业结构有升级调整空间。HB2评价结果为2.06，流域水资源利用水平在四要素中对河流健康与可持续利用水平反馈最优。下一步河流治理中在兼顾提高用水效率的同时，可将重心转移至水环境改善和水生态修复。HB3评价分数3.11。涑河流域现有3个临沂市重点监测断面，2016年涑河马庄豹窝桥、西外环桥监测断面水质为Ⅳ类水，凤凰阁监测断面为劣Ⅴ类。凤凰阁位于涑河下游兰山区市区，局部河段存在富营养化及黑臭现象。涑河源头水保护区氨氮入河量超水环境容量25.9%，涑河兰山开发利用区COD和氨氮入河量分别超水功能区水环境容量17.3%和10.3%。后续治理中需截污减排，控制污染入河量。HB4评价分数为3.25，流域内有侵占建筑物3处，侵占岸线活动4处。受滩地内农耕活动影响，易造成边坡土体松散，产生季节性的水土流失。河道弯道及排涝沟排涝沟未进行护砌，排涝时水流较快，致使沟道两岸冲刷严重，沟道下切，土壤流失。

3.4 保护方案制定与河流健康水平预测

为使河流达到更好的健康状态，维持河流可持续利用水平，依据流域现状及《临沂市城市总体规划(2011-2020)》、《临沂市“十三五”环境保护规划》要求，以2020年为目标年提出3种治理情境。方案一经济正常发展配合适度生态环境治理；方案二考虑经济快速发展放宽水资源、水环境和水生态的限制性目标；方案三在经济快速发展的基础上强化河道资源、环境和生态治理(见表3)。

表3 涑河流域河流健康与可持续利用水平2020年目标值Tab.3 River health and sustainable utilization level of Su River basin 2020 target value

按照提出的指标层目标值，通过3.2评价模型计算得到2016-2020年不同经济发展水平下涑河河流健康与可持续发展水平变化情况(表4、图3)。2020年涑河综合评价分值为1.66、1.77、1.54，较2016年分别下降43.6%、39.4%、47.3%。

图3 不同治理情境下河流健康与可持续水平评价结果Fig.3 Evaluation results of river health and sustainability under different treatment scenarios

表4 河流健康与可持续发展准则层评价结果Tab.4 Evaluation results of criteria for Su River health and sustainable development

方案一治理情境下，保持适度的经济增长速度和相当的河流治理水平，河流健康与可持续利用水平稳步提升。方案二治理情境下，加速经济发展而没有配合合适的河流治理力度，河流健康与可持续发展水平上升速率低于方案一。由此提出方案三，在加速经济发展的同时提升河流治理力度，并用评价模型预判该治理力度能否使河流健康与可持续发展水平得到较高状态。方案三评价分数明显优于方案二。当加快经济发展时，对河流可持续利用的压力增大，需要采用方案三的强化治理方案才能保证较高河流健康水平。

4 结 论

本文提出的评价体系依据中国河流国情，从河长制治河思路出发，涵盖社会经济发展、水资源有效利用、水环境治理和水生态修复四方面，结构合理清晰，对涑河现状评价符合实际，可分析出影响河流健康与可持续发展的限制性因素。结果表明：

(1)2016年涑河健康与可持续发展评价结果为2.92，属轻度健康崩溃状态，在减排入河污染物、岸线管护、水土流失治理等方面有较大挖掘潜力。

(2)2020年涑河最优评价结果为1.54，河流达到较健康状态。当区域经济快速增长，给出定量化河流治理强化目标，河流自然属性完备与流域经济效益提升共同稳步提升，河流可持续利用得以实现。