鲁班水库生态安全状态评估研究

邓地娟，王静雅，谢 强，田 雨，魏瑞龙

(1. 成都理工大学地球探测与信息技术教育部重点实验室，成都610059；2.成都理工大学环境学院，成都610059；3. 四川省生态环境科学研究院，成都610059)

引 言

随着社会经济的发展，人类对水资源调控能力的增强，水库成为一种储存水体的重要形式之一。由于区域社会经济的快速发展以及人类活动对水库的干扰，水库的生态环境问题愈加严重，富营养化问题尤为突出，由此导致水库生态系统健康安全状况突出，严重制约了社会经济发展。根据监测报告，鲁班水库小流域水环境污染较为严重，鲁班水库目前未达到《地表水环境质量标准》(GB3838-2002)中的Ⅱ类水标准。

1 研究区域概况

鲁班水库位于四川省绵阳市三台县鲁班镇，是四川省第三大水库，于1980年按设计基本建成，期间1979年8月开始蓄水，设计洪水位(正常水位)460.00m，具有13.2km2的水面，辖六沟十二湾，位于凯江支流绿豆河上游的铁线沟处，坝址以上控制流域面积21km2，总库容为2.78亿m3，年提供灌溉、防洪、环境供水量1.2亿m3，是都江堰人民渠七期工程尾段的一个以灌溉为主，兼顾发电、防洪等综合利用的多年调节大Ⅱ型囤蓄水库，水库水源来自于都江堰岷江，通过人民渠以及21km2的集水面经过地表径流流入水库[1]。

鲁班水库处于扬子准台地之四川中台拗，川中台拱，新华夏系第三沉降带四川盆地中褶皱带旋钮构造，属四川盆地中生代陆相碎屑岩系及新生界第四系冲击沉淀物，流域范围内地势北高南低，东北向西南倾斜。海拔高度一般为450～600m，相对高差在200m以下。气候属四川盆地中亚热带季风性湿润气候区，大陆性季风气候显著，多年平均气温为16.7℃，年均变化为17.3～15.9℃，年平均最高气温为17.3℃，最低为15.9℃。年际变化不大，无霜期为238～324d，平均为283d，作物全年基本都能生长。流域范围内降水多分布在5～10月，多年年均降雨量为882.2mm[1]。

2 研究方法

2.1 数据调查

数据收集主要通过绵阳市三台县鲁班镇统计年鉴、公报、三台县规划、三台县鲁班镇政府工作报告、鲁班水库相关科技论文等为主，以现场调查、实测为辅。野外调查是通过对该区域设一定的典型样地进行调查，典型样地的数量要求包含整个区域的各种资源和生境类型。

2.2 基于IROW框架的水库生态安全评估指标体系

根据鲁班水库实际情况，本次研究从水生态健康、流域发展影响和生态灾变三个方面分别选取评价指标，基于IROW (Inflow-Reservoir-Outflow-Watershed )框架[2]，采用“4+1”湖泊生态安全评估方法[3]，选择AHP(层次分析法)数学模型[4]，对鲁班水库生态环境状况进行综合评估分析。

(1)基于水库生态系统特征构建的IROW框架[2]，见表1，指标体系为目标层(A层)、方案层(B层)、因素层(C层)、指标层(D层)。

表1 基于水库生态系统特征构建的IROW框架Tab.1 IROW framework constructed based on the characteristics of reservoir ecosystem

评估标准主要通过资料调研法、国内外类比法、空间参照点法，针对各个指标逐一确认，评估级别划分为5级，评分采用百分制，类别分为很安全、安全、基本安全、不安全、很不安全[3]，其内容及意义见表2。

表2 水库生态安全状态及评估级别对应表Tab.2 Corresponding table of ecological security status and assessment level of the reservoir

续表2

2.3 评估指标得分计算方法

水生态健康、流域发展影响和生态灾变评估分别建立自己的评估指标体系，确定各指标的权重，利用数学模型计算评估指数以及确定评估标准，从而建立各自的评估方法。评估指标得分计算方法如下：

(1)

式中，Wi为第i个指标的权重，Fi为第i个指标的得分值。

2.3.1 水生态健康指数

水生态健康采取了生态系统健康结构功能指标体系方法[2]，本文采用物理化学指标和生物多样性指数构建评估体系。生态指标选取三台县生物多样性指数(BI)，数据来源于四川省生物多样性调查；生物多样性指数(BI)是以县级行政区域为单元，收集物种丰富度、生态系统类型多样性、植被垂直层谱的完整性、物种特有性、外来物种入侵度、物种受威胁程度等指标的数据，评估生物多样性现状。鲁班水库小流域除鲁班水库外，还包含周边区域，可选取三台县整体生物多样性指数作为评估鲁班水库小流域生物多样性指标。计算方法如下：

BI=归一化后的野生高等动物丰富度×0.2+归一化后的野生维管束植物丰富度×0.2+归一化后的生态系统类型多样性×0.15+归一化后的植被垂直层谱的完整性×0.05+归一化后的物种特有性×0.20+(100-归一化后的外来物种入侵度)×0.10+(100-归一化后的物种受威胁程度)×0.10

物理化学指标分级标准如表3，采用层次分析法进行权重赋值，结合专家咨询结果得到各评价指标的权重，加权求和得出物理化学指标得分。依据指标分值，指标权重，再根据公式(1)计算得出水生态健康指数Iw。

表3 水生态健康指数物理化学指标评分标准Tab.3 scoring standard of physical and chemical indexes of water ecological health index (mg/L)

2.3.2 流域发展影响指数

根据生态安全的原理，流域发展影响指数选取社会经济压力指标、污染负荷指标以及其他压力指标构建评估体系[8-9]，指标等级及赋分标准如表4，各指标采取AHP和专家咨询法得到权重值。最后根据指标得分和指标权重，由公式(1)计算得到流域发展影响指数Is。

表4 流域发展影响评价指标评分标准Tab.4 Evaluation criteria for watershed development impact assessment

2.3.3 生态灾变指数

三台县鲁班水库库区生态灾变影响选取关键性指标和一般指标进行评价[10]，关键性指标选取综合营养状态指数[11]，计算方法参考照《地表水环境质量评价办法》，赋分标准见表5；一般指标用死鱼情况和高等植物死亡率来进行评价[11-12]。各指标采取AHP和专家咨询法得到权重值。依据指标分值，指标权重，由公式(1)计算得出生态灾变指数Ih。

表5 生态灾变评价指标评分标准Tab.5 evaluation criteria of ecological disaster

2.3.4 生态安全综合指数

三台县鲁班水库的生态环境整体状况利用综合指数法进行综合评估，结合AHP法对其进行加权，即通过水生态健康指数、社会经济影响指数和生态灾变指数加权求和，构建生态状况综合指数ESI[13]。生态状况综合指数ESI如下：

ESI=IwWw+IsWs+IhWh

(2)

其中：Iw为水生态健康指数值，Ww为水生态健康指数权重；Is为社会经济影响指数值，Ws为社会经济影响指数权重；Ih为生态灾变指数值，Ww为生态灾变指数权重。

3 生态环境状况调查结果

3.1 水生态健康调查

3.1.1 生物多样性

据现场调查和资料收集结果，鲁班水库水生生物主要包括水生动物和水生植物，水生动物包括鱼类、浮游动物、爬行类和甲壳及软体动物，水生植物包括浮游植物和水生维管束植物等。本文选取四川省三台县生物多样性调查数据来评估鲁班水库小流域生物多样性指数，来评价鲁班水库生态指标，BI值为33.29。

3.1.2 水质

本次水质评估采用三台县环境监测站2016年～2019年9月对鲁班水库的监测数据说明鲁班水库水环境质量现状，例行监测断面为水库入库口、鲁班岛、麻雀湾以及库尾。水质监测项目分别为水温、pH值、溶解氧、高锰酸盐指数、化学需氧量、五日生化需氧量、氨氮、总磷、总氮、铜、锌、氟化物、硒、砷、汞、镉、六价铬、铅、氰化物、挥发酚、石油类、阴离子表面活性剂、硫化物、粪大肠菌群共计24个指标。

监测数据表明，鲁班水库各水质监测点位pH值、氨氮含量达到《地表水环境质量标准 GB 3838-2002》Ⅱ类水标准，溶解氧、COD、BOD5、粪大肠菌群除个别月份外，大部分月份能达到《地表水环境质量标准 GB 3838-2002》Ⅱ类标准。高锰酸盐指数整体呈现下降趋势。总磷、总氮含量超标，大部分月份难以达到《地表水环境质量标准 GB 3838-2002》Ⅱ类标准。挥发酚、石油类、铜、锌、铅、镉、砷、硒、汞、六价铬、阴离子表面活性剂、硫化物、氰化物一直满足《地表水环境质量标准 GB 3838-2002》I类水要求，近些年来几乎无变化。

3.2 流域发展影响调查

3.2.1 社会经济压力

(1)人均GDP

根据三台县2018年统计年鉴。2018年，幸福乡总人口15 532人，地区生产总值2.45亿万元；鲁班镇总人口33 243人，地区生产总值2.64亿万元。根据各乡镇人均GDP和流域内人口估算鲁班水库小流域内2018年人均GDP为10435元。

(2)人口密度

鲁班水库小流域包括三台县鲁班镇及三台县幸福乡(现已规划为鲁班镇管辖)的部分区域。根据2018年数据，流域内共有人口21 787人，鲁班水库小流域总面积20.8043km2，流域人口密度为人1 047/km2。

(3)土地利用

鲁班水库流域范围内的土地利用现状如下图。从图上可以看出，小流域内的主要地类包括林地、草地、耕地、园地、水域、村镇、交通用地和其他用地八个地类。基于ArcGIS对各地类面积进行统计，面积如表6。

表6 鲁班水库小流域土地利用现状面积统计Tab.6 Statistics of land use status in small watershed of Luban Reservoir

3.2.2 污染负荷

本文主要研究鲁班水库小流域点源污染。该流域点源污染主要包括生活污染及旅游污染。

(1)生活污染

图1 鲁班水库土地利用现状图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，生活污水直接和间接排放量约占产生量的40%，参照全国污染源普查办发布的源强系数说明，农村生活污水中主要污染物产生量按照COD：16.4g/(人·d)，NH3-N：4.0g/(人·d)，TN：6.0g/(人·d)，TP：0.5g/(人·d)计算；生活垃圾的COD、NH3-N、TN、TP源强系数分别按0.01t/a、0.001t/a、0.0015t/a和0.0001t/a计算，根据上述数据，可以计算出生活污染物入湖量，具体数据见表7。

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

(2)旅游污染

鲁班水库自1990以来，游客数量逐渐增加，2016年游客数量达到20.5万人，从调研数据可预测出游客平均停留天数为2.269d。据此估算，鲁班水库小流域的旅游人次为46.5万人次/a。游客生活污水产生量以及污染物产生系数按照城镇人口标准计算，即人均耗水量140L/(人·d)，产污率按80%计算。参照全国污染源普查办发布的源强系数说明，旅游人口污染物负荷按COD：59g/(人·d)，NH3-N：7.2g/(人·d)，TN：10.8g/(人·d)，TP：0.9g/(人·d)计算。该类污水进入鲁班水库的系数按0.3计算，则鲁班水库旅游污染污水产生量及主要污染物产生情况见表8。

表8 鲁班水库旅游污染产生量及其主要污染物产生情况Tab.8 Tourism and its main pollutants in Luban Reservoir (t)

3.2.3 其他压力

其他压力选取入库河流水质进行评价。根据2015年三台县环境监测站对进水口水质进行的监测数据表明，鲁班水库进水水质的化学需氧量、总磷、总氮、硫化物和粪大肠菌群等5个指标不能达到Ⅱ类水标准，其他指标均达到Ⅱ类水标准。

3.3 生态灾变调查

3.3.1 关键性指标

生态灾变调查关键性指标选取叶绿素a(chla)、总磷(TP)、总氮(TN)、透明度(SD)、高锰酸盐指数(CODMn)计算综合营养状态指数。指标数据来源于三台县监测站2016～2019年6月监测数据。根据监测报告数据和综合营养状态指数的计算方法，得到鲁班水库小流域各监测点位综合营养状态指数平均值为42.14，属于中营养状态。

3.3.2 一般性指标

经现场调查和资料收集，鲁班水库近年来没有水华爆发。1999年～2012年每年1月开始直至3月中旬，由于水质变差，平均每年死鱼30万斤。随着2013年4月26日水库网箱养殖的取缔，鲁班水库水质变好，没有死鱼及水生高等植物死亡情况。

4 鲁班水库生态安全综合评价

4.1 水生态健康评估结果

水生态健康各评价指标权重和得分如表9所示，水生态健康综合得分为63.40分。

表9 鲁班水库小流域水生态健康评估结果Tab.9 Evaluation results of water ecological health in the small watershed of Luban Reservoir

4.2 流域发展影响评估结果

社会经济影响评价各指标的得分和权重见表10，鲁班水库小流域流域发展影响综合得分为51.67分，污染负荷指标得分较低，是主要制约因素。

表10 鲁班水库社会经济发展影响评估结果Tab.10 Impact assessment results of social and economic development of Luban Reservoir

4.3 生态灾变评估结果

鲁班水库小流域水生态灾变评估指标各指标权重和得分如表11，根据各指标加权求和，得到生态灾变指数值为78.93，综合营养状态指数得分较低，是主要影响因素。

表11 鲁班水库小流域水生态灾变评估权重及结果Tab.11 Evaluation weights and results of water ecological catastrophe in the small watershed of Luban Reservoir

4.4 鲁班水库生态安全综合评估结果

通过对各指标加权求和，最后得出鲁班水库生态安全得分为60.26，属于较安全状态，水库生态系统基本健康，服务功能尚好；库区流域社会活动对水库生态系统干扰较小，见表12。

表12 鲁班水库生态环境状况综合评估结果Tab.12 Results of comprehensive ecological environment assessment of Luban Reservoir

5 结论和建议

本文在对三台县鲁班水库生态环境现状调查的基础上，建立评估体系评估了鲁班水库的生态环境现状，分析了目前存在的问题并提出了对策和建议。主要结论如下。

5.1 在调查的基础上，结合国内外研究成果，构建了鲁班水库生态环境现状评估体系，从水生态健康、流域发展影响和生态灾变三个方面进行评估后进行综合评估。

5.2 经评估，鲁班水库小流域的水生态健康指数、流域发展影响指数和生态灾变指数分别为63.40、51.67和78.93分，综合得分为60.26分。属于较安全状态，水库生态系统基本健康，服务功能尚好；库区流域社会活动对水库生态系统干扰较小。

5.3 鲁班水库主要面临三个问题：饮用水安全、库区TN和TP污染以及进水渠进水污染。经分析，生活污染、旅游污染等点源污染物未得到有效处理，环保设施落后、人们环保意识薄弱等也是造成这些问题的原因。

5.4 针对鲁班水库存在的问题，提出了改善库区水质、加强库周污染治理和保证进水渠进水水质的建议，并提出了相应的措施。

鲁班水库承担着饮用水源地服务、农业灌溉和休闲娱乐服务等多种功能。根据目前水质现状和水质要求，应该实施“分区治理，逐步推进”的原则[14]。根据资金状况，优先开展饮用水源地的建设和保护工作；按照《饮用水水源保护区划分技术规范》划定饮用水水源保护区，保护区内划分一级保护区和二级保护区，并根据需要划分出准保护区；多方面筹措资金，开展保护区居民生态补偿、水源涵养林(生态公益林) 建设等工作，做好饮用水水源防护工程建设及维护工作；加大饮用水水源保护环境监管能力、环境监管应急能力建设，以及水源保护基础性工作的投入；在水库上游采取拦沙方法，减少入库泥沙，是防止和减少水库淤积的最根本办法；可以采用水土保持、修建拦泥坝、引洪放淤以及绕库排浑等方法[14]，加强对水库淤泥的清理；加强对生活污水的治理，一方面要加强污水处理设施和配套管网的建设，尽量实现生活污水处理全覆盖；另一方面，要加强生活污水的处理深度，提高污水排放标准，防止对鲁班水库水质造成二次污染。