常州市河流生态用水效率评价研究

潘 磊，何晓静，李勋章，胡腾腾，刘飞诗，付梁其，6

(1.常州市金坛区水利规划服务中心，江苏 常州 213200；2.江苏省水文水资源勘测局常州分局，江苏 常州 213100；3.常州市金坛区水资源管理服务中心，江苏 常州 213200；4.常州市金坛区水利建设管理所，江苏 常州 213200；5.江苏远瀚建筑设计有限公司，江苏 常州 213000；6.常州市金坛区人力资源服务有限公司，江苏 常州 213200)

0 引 言

随着社会经济和城市的快速发展，城市河流面临着严峻的挑战。一方面，工业和生活用水量的不断增加，大大减少了城市河流的径流量，水闸和水坝等水利设施导致河流长期干涸[1-2]。此外，工业和生活废水的过量排放，对河流造成了严重污染，破坏了城市生态系统，有的还形成了新的生态环境问题。另一方面，要改善城市的生活条件，就必须恢复城市河流的环境健康，满足人们的生态和景观要求。因此，城市河流生态用水的需求量以及生态修复目标的制定至关重要。

大量研究者从水文循环、水环境保护、水资源开发利用等方面给出了城市河流生态用水的定义。最初的定义是由Covich(1993)[3]提出的，认为城市河流生态用水量是确保恢复和维持河流健康生态系统所需的水。随后，Gleick[4]提出了基本城市河流生态用水的概念框架，认为提供一定数量和质量的径流对于维持生态系统健康、保护物种多样性和生态系统完整性非常重要。刘昌明[5]总结了城市河流生态用水的3种定量方法：①防止现有生态系统进一步退化的“最小”用水量；②基于生态系统水文条件最佳匹配的“合适”用水量；③“最大”区域缺水量或气候学定义的区域性缺水量，包括该区域的生态缺水。

城市河流生态用水的定义和计算方法以及河流功能的实现不能有效地解决时间目标和恢复标准问题。因此，针对不同的功能目标和标准，需要用城市河流生态用水效率来评估[6]。如对于一些城市河流，就水生生境目标而言，当前河流的许多部分已经干涸，水生功能早已不复存在。因此，根据目前的标准，水生生境的生态需水量几乎为0，无法提供科学合理的生态参考值，导致水资源短缺与生态环境之间的矛盾日益凸显。基于此，本文探讨用模糊综合评判的方法评估城市河流生态用水效率，应用数据包络分析的手段检验评估是否有效，再根据加权平均法得到各指标的总评价值，最终建立一套对于城市生态用水效率评价较为适用的指标体系和评价方法。本研究的具体目标是：①确定常州市城市河流生态用水效率的评价指标和标准，提出一种改进的河流生态用水效率计算模型；②根据常州市2010年～2020年城市河流生态用水效率变化情况，计算该市河流生态用水效率的分类等级；③将研究结果用于分析常州市河流生态用水状况的合理性，并提出建设性意见。

1 材料与方法

1.1 城市河流生态用水效率评价指标体系及其评价等级标准

城市生态用水主要包括公园湖泊用水、风景观赏河流用水、城市绿化与园林建设用水以及污水稀释用水[6]。本文选取了河道疏浚频率、透水表面率、植被覆盖率、污水处理率、河道未渠化率等5个指标为评价城市河流生态用水效率的指标。

首先，河道疏浚和底泥处理可以使水系疏通，从而提高河流生态用水效率。本文为了简化指标，用水面率表征河道疏浚频率[7]，并根据资料查得常州市最优水面率为0.2[8]；其次，城市高速发展使不透水的表面积越来越大，造成植被覆盖率不断减小，从而使得“渗透量减少→径流的增加→河流基流的减少”[9]，影响河流生态用水效率，透水表面率可查阅年鉴获得；再次，河道渠化率的增加导致水体与土壤的物质交换减弱，“四水平衡”无法得到有效满足[10]。同样，污水处理得不到重视，偷排、乱排现象时有发生，也干扰了河流生态系统的平衡，致使城市生态用水的效果不能体现[11]。因此，植被覆盖率、污水处理率、河道未渠化率均是本文研究的重点。

根据以上选取的指标及其解释，本文还需对城市河流生态用水效率进行划分，共有5个评价等级，分别对应了生态用水效率的很差(一级)、较差(二级)、普通(三级)、好(四级)、很好(五级)。各指标相对于5个等级的评价标准临界值见表1。

表1 常州市河流生态用水单因素评价标准

1.2 城市河流生态用水效率的模糊综合评价模型

模糊物元评价法是蔡文教授1986年提出的一种评价决策方法，已成功应用于许多工程领域[12]。该方法推理过程严格，计算工作量小，且项目描述机制不受项目特征的限制，能有效地解决大量的问题，适用于各类多指标因子问题的综合评价。基于这一思想，物元分析包括以下基本步骤：首先，将系统划分为物元(对象)。其次，选择分析或评估因素并定义类别，然后定义每个因素的分类区间，对于每个类，区间的范围称为经典域，而所有类的整个值范围称为分段域。最后，计算每个因素的相关度(每个因素与类别标准的匹配程度)，通过加权平均法等模型积分方法，计算出各类物元的综合关联度。

类(包括最大综合相关度)定义了物元属于什么样的等级[13-14]。物元分析法结合事物的特性和价值，建立它们之间的函数关系，具体公式如下

R={M，C，X}

(1)

式中，R为物元；M为物(本文中表示生态用水效率)；C为物的特征；X为C的价值。

对于已经选取的常州市河流生态用水效率表征指标，本文根据各指标的特征值，需要确定出每个指标相对于5个评价等级的模糊隶属度矩阵，即

(2)

(3)

式中，μij为第i个事物第j项特征对应的模糊量值，即隶属度[13]。处理后，可得到常州市城市生态用水效率评价的模糊物元矩阵，即

(4)

为了判别模糊综合评价是否有效，本文引入数据包络分析方法[15]，形成一种改进的模糊综合评价，目的是为了在保证评估有效的同时，还可以找出河流生态用水效率较差的原因，从而给出改善的建议和要求。具体的技术路线见图1。

图1 改进的模糊综合评价技术路线

2 实证分析

本文以江苏省常州市为研究对象。常州市地处江苏省南部，位于北纬31°09′～32°04′，东经119°08′～120°12′之间，北倚长江天堑，南与安徽省交界，东濒太湖与无锡市相连，西与南京、镇江两市接壤[16]。常州市境内河流纵横交织，湖塘星罗棋布，著名的有泊洮湖(长荡湖)、滆湖、太湖三大天然湖泊，并有沙河(天目湖)、大溪两大人工水库，贯通全境的京杭大运河更是支流密布，脉脉相连，形成江河相通，三湖相连的水系网络[16]。

常州市河流生态用水主要通过换水所得，根据常州市水利局提供的有关数据，以及历年统计年鉴及水资源公报，统计得到2010年～2020年常州市生态用水效率评价指标值，见表2。

表2 常州市生态用水效率评价指标值

以2020年为例，计算常州市生态用水效率等级，分别计算出2020年各指标相对于5个等级的用水效率评价的模糊物元矩阵为

(5)

i=1，2，…，5

(6)

(7)

计算可知，2020年城市河流生态用水效率各指标的基本状态为

(8)

根据计算结果，2020年各指标的评价值均在3.5以上，即均高于中等效率，生态用水效果良好。同理，可求其他各年度的常州市河流生态用水效率等级，计算结果见表3。

表3 2010年～2020年对应的的取值情况

表4 2010年～2020年对应的的检验情况

通过常州市的实证研究，对2010年～2020年11个决策单元进行对比计算可以得到，2010年、2017年、2018年、2019年、2020年5个决策单元通过了数据包络分析的检验，即这5个决策单元相对于11个同类单元已经是最优单元。而2011年～2016年则还存在上升空间，在某些方面有所欠缺。

3 讨论与建议

(1)数学模型计算结果基本符合事实，以2011年为例，常州市在2011年的河道整治、绿化、污水处理、河道生态景观化上确实做得还不到位，需要加大投入。但是，计算结果也表明了常州市的生态水系整治卓有成效，从2016年开始，常州市形成了一套水资源安全供给与生态环境保护相协调的水环境保护体系，实现了水功能区水质改善的阶段目标，建成了水质洁净、河道景观优美、城市绿化率高的生态城区；完善了防洪除涝工程体系，保障了水系安全，实现了人、水和谐共处，促进了经济社会可持续发展；完成了区内水系调整工程，骨干水系拓浚、沟通工作，区内配套建筑物工程；建设了活水工程、生态河流与景观河道；制定了新北高铁片区活水工程方案、河道建设和管理条例等。

(2)根据常州市城市水系管理的客观需求，建议选择水安全、水资源、水环境、水景观、水经济、水文化作为未来城市水系治理的主要研究目标。其中，水安全目标主要针对城市水系的蓄水功能和滞洪功能；水资源目标主要针对城市长期生活和生产活动中所需要的兼具数量要求和质量前提的水的功能；水景观目标主要针对城市水系的土地升值功能和旅游增收功能；水生态目标主要针对城市水系的水质净化功能和大气调节功能；水经济目标主要针对水产品功能和水运功能；水文化目标主要针对科学治水方法之外的，由文化治水方法所带来社会、经济进步的功能。

4 结 语

本文运用基于模糊综合评判方法的数学模型，对常州市河流生态用水效率进行研究，引入数据包络分析进行结果检验，得到的结论基本符合实际情况。此外，本文还从水安全、水资源、水环境、水景观、水经济、水文化等角度提出了改善意见，为未来城市生态用水效率的评价找到新思路、新方法。本文还有许多不足之处，需要进一步研究：

(1)指标的选取。涉及生态环境的指标，需要指示一个确定的区域上，最近的以及(或)预期的生态或自然质量，这些参数是生态系统自身的特性，并且至少包含部分生物参数(物种、存在性、组成丰富性、物种数量等)。因此，生态用水效率的指标应该是包括生态系统的方方面面的，未来还需深入研究，进一步完善指标体系。

(2)数据包络分析模型的改进。本文所使用的数据包络分析模型虽然对各个决策单元做了很好的比较，找出了最优单元。但不足之处是，在同类单元之中最优并不能说明就是优秀单元，还需要有参照标准。未来可致力于引入最优单元，修正生产可能集，从而评价每个决策单元是否是优秀单元，使城市生态用水效率评价体系更加可靠。