吴辉煌,范冰雄,张雪婷,黄一洲,李杨帆
面向水环境现代化治理的绩效评估与优先区识别——以九龙江流域-厦门湾为例
吴辉煌,范冰雄,张雪婷,黄一洲,李杨帆*
(厦门大学环境与生态学院,福建省海陆界面生态环境重点实验室,福建省海岸带污染防控重点实验室,福建 厦门 361102)
以福建省九龙江流域-厦门湾为例,构建了水环境治理绩效评估框架进行综合评估.结果显示,2011~2018年九龙江流域-厦门湾的水环境治理经历3个阶段,治理水平逐步上升,但存在陆源氮磷输入控制有待进一步加强、自然海岸生态修复亟需统筹等问题.结合InVEST模型、克里金插值等方法,借助污染物“源-汇”空间分析手段识别治理优先区,发现厦门岛排污口为氮磷输出主要点污染源、流域东南区域为主要面污染源,而厦门湾西海域是承接污染物的主汇区.进而提出源汇空间绩效科学评估、陆海统筹社会-生态系统监测与管理、适应自然的生态工程解决方案等现代化治理对策.
陆海统筹;生态治理;绩效评估;InVEST模型;源-汇分析
流域-海湾(近海)作为耦合陆海两大关键生态系统的核心过渡区,其生物地球化学循环与生态过程均受到人类活动的强烈影响,围填海工程、陆源排污等多种过程的生态影响叠加导致这一独特的地理空间区位呈现复合污染态势,水体富营养化[1]、生境退化[2]等问题突出,对近海水环境采取综合管理的需求极为迫切[3].陆海统筹作为国家区域发展总体战略,既是立足于沿海陆域与海洋两大生态系统整体性的科学方针,又是实现国家生态环境治理体系现代化的重要抓手.面向流域-海湾(近海)开展地域性、系统性、整体性治理,探寻陆海统筹下生态治理范式的现代转型,是实现水生态保护与可持续发展的关键[4].
如何实施科学合理的环境治理是科学界和管理界共同面临的难题,而治理绩效评价正是衡量治理是否科学有效的关键手段,从不同角度对水环境治理开展绩效评估的研究层出不穷.社会-经济-生态之间存在的交互作用显著影响着水环境治理成效[5],因此,对治理绩效的评估也由水环境、水生态的单一层面向社会-经济-生态系统耦合转变[6-7].然而目前国内有关水环境治理成效的研究多集中于水环境保护政策[8-9]、污染物总量减排[10]、水环境健康[11-12]等方面,对于从社会-生态系统视角出发评估流域-海湾水环境治理成效的研究尚少.厘清污染物“源-汇”过程与格局,是污染物总量控制和水环境扩容的有效途径[13-14],但目前相关研究在针对跨系统、跨区域的流域-海湾尺度的污染物源-汇分析与水环境治理的衔接上仍较为薄弱,不利于开展区域间生态环境的决策管理与协同治理.
本研究以九龙江流域-厦门湾为例,通过构建流域-海湾水环境治理绩效评价指标体系科学评估治理绩效,并结合污染物源-汇分析结果、“十二五”和“十三五”期间的重要政策和措施,识别九龙江流域-厦门湾水环境长效化治理中的关键问题和下一步治理的优先区,针对性提出现代化治理对策与建议.
九龙江是福建省境内的第二大河流,由北溪、西溪、南溪汇成,其流域主要覆盖龙岩市、漳州市和厦门市,年均径流量达到119亿m3.九龙江全流域面积1.47万km2,占福建省国土面积12.2%.厦门湾位于台湾海峡西岸,地处九龙江入海口,是一个半封闭型海湾,局部海域面积约为1082km2,湾内设有国家级珍稀物种(白鹭、文昌鱼、中华白海豚)自然保护区以及省级红树林自然保护区[15](图1).
图1 九龙江流域-厦门湾区位
九龙江流域因集约化农业种植、规模畜禽养殖以及水土流失,加上工业和城镇废水排放,水环境质量改善压力大,九龙江和厦门湾周边小河流、沿岸生活污水等是厦门湾水环境污染主要来源[16].由于高强度的人类活动影响导致大量营养盐输入,九龙江河口、厦门湾西海域和同安湾成为赤潮的高发区域,无机氮、活性磷酸盐超标以及富营养化已成为河口湾主要环境问题[17-18].除水环境问题外,海岸带高强度开发带来的自然岸线、生态系统服务和滨海湿地损失等水生态危机威胁着九龙江流域-厦门湾的生态系统恢复力[19-20].陆源氮磷等污染和海岸带高强度开发已成为河口湾最主要的外源扰动因素.
研究所需数据包括:①厦门湾海域无机氮(DIN)、无机磷(DIP)以及化学需氧量(COD)浓度数据;②研究区域的社会经济类数据;③红树林面积、海岸带自然岸线等生态修复成果数据;④厦门湾排污口、河流断面数据;⑤InVEST模型所需的土地利用类型、高程和降雨数据.以上数据来源详见表1.
表1 研究数据来源
通过构建流域-海湾水环境治理绩效评价指标体系,采用熵权法确定指标权重,对九龙江流域-厦门湾2011~2018年的水环境治理绩效动态演变进行科学评估,并利用污染物“源-汇”分析手段与相关的重要政策和措施,识别目前九龙江流域-厦门湾水环境治理中存在的关键问题,评估下一步陆海统筹治理的优先区,最后提出陆海统筹现代化治理转型对策与建议(图2).
1.3.1 绩效评价指标筛选 基于社会-生态系统,面向九龙江流域-厦门湾目前生活点源/产业面源氮磷污染输入、海岸带高强度开发和海域水体质量较差等核心问题,遵循指标选取可定量化、有代表性等原则,从数据可获取的实际出发,围绕海域水环境状况、陆源污染控制、生态修复与建设以及社会经济建设成效4个维度设置了16项指标(表2).
图2 流域-海湾水环境陆海统筹现代化治理研究框架
1.3.2 指标权重赋值 熵权法作为一种客观赋权法,根据信息论的基本原理确定指标权重,权重大小取决于样本数据,避免了主观划定带来的权重偏差,具有较强的客观性[22].通过熵权法计算各指标权重,步骤如下:
①对第个指标做标准化处理:
(2)
③对于个指标,年样本的评价,计算对应的第年,第项指标对应的指标比重:
④计算对应的信息熵,记第个指标的信息熵为e:
(4)
⑤求出第个指标的熵权值(结果见表2):
(6)
1.3.4 水环境污染物源-汇分析 基于水环境治理绩效评估,文章进一步利用InVEST模型中的水质净化模块计算氮磷输出量,模拟研究区陆域的氮磷净化能力,开展面源污染评估,识别九龙江流域-厦门湾氮磷污染源的空间格局,为后续开展陆源氮磷污染控制工作识别优先区.构建InVEST模型具体步骤参考张建等[31]的研究.
表2 绩效评估体系及各指标权重
注: a、b、c代表指标选取依据: a. 已有的绩效评估文献与政策[23-26];b. 研究区的实际情况[16-18];c. 研究区实行的相关政策或措施[27-30].
点源污染评估根据2011~2017年排污口数据,参照《污水综合排放标准》(GB8978-1996)一级排放标准[32]和《城镇污水处理厂污染物排放标准》(GB18918-2002)一级B排放标准[33],对排污口绩效进行汇总评分,按照表3划分等级,识别关键排污口.
注:划分标准来自2011~2012年《厦门市海洋质量公报》[34]、2013~2014年《厦门市海洋环境状况公报》[35]、2015~2016年《厦门市海洋环境公报》[36]和2017年《厦门市海洋生态环境状况公报》[37].
基于监测点位数据,利用克里金插值法构建DIN、DIP以及COD的海域浓度分布图,构建氮磷污染汇的空间格局,并计算2010~2019年期间厦门湾的水环境平均富营养化指数,并按表4进行等级划分.
表4 富营养化等级划分标准
2.1.1 整体绩效分析“十二五”、“十三五”期间,九龙江流域-厦门湾水环境治理绩效呈现稳定提升的态势(图3(a)),2018年水环境治理绩效得分为89,相比于2011年提升了35个百分点.水环境治理绩效水平在2011~2018年间经历了3个阶段,从合格向良好转变.
(1)第一阶段(2011~2013):九龙江流域-厦门湾水环境治理绩效在合格水平区间处于波动状态,主要制约因素为厦门湾海水质量状况.相较2012年,2013年近岸海域功能区水质达标比例、优良海域面积比例都有不同程度的降低,劣4类海域面积比例则呈现上升态势,影响整体绩效得分提升.
(2)第二阶段(2014~2016):海水质量的好转驱动水环境治理绩效得分提升.厦门市政府相继推出了《厦门近岸海域水环境污染治理方案》、蓝色海湾综合整治示范工程等一系列的环境治理政策与措施,开展了海漂垃圾清理、海域清淤、滨海湿地修复等综合治理工作,厦门湾海水质量得到了大幅提升.
(3)第三阶段(2017~2018):九龙江流域-厦门湾治理绩效水平从中等迈向良好,水环境管理走向跨区域陆海统筹的综合治理期.《九龙江-厦门湾污染物排海总量控制试点工作方案》(简称《福建省工作方案》)以及厦门-漳洲-龙岩在此基础制订的市级方案实施效果显著,陆源污染得到有效控制成为这一阶段综合治理绩效提升的关键.
2.1.2 准则层与指标层绩效分析 “十二五”与“十三五”时期九龙江流域-厦门湾的海水环境状况得分提升显著,其子指标C1、C2、C3、C4对整体绩效提升具有明显的正向贡献(图3(d)),准则层平均绩效高于其他维度(B1>B3>B4>B2).尽管厦门湾总体的海水环境质量得到一定改善,但九龙江流域入海污染物总量未得到根本性遏制,陆源污染控制绩效仍处于较低水平.因水产养殖量这一低绩效子指标,2011~2014年间该维度曾出现不同程度的绩效降低,但得益于入海河流氮磷总量的控制以及化肥施用量的减少,该维度绩效自2015年开始出现回升,特别是2017~2018年间,陆源污染联防联控成效突出,入海河流氮磷达标率对整体绩效提升的贡献度达30%,远超其他指标.2011~2018年间社会经济建设绩效提升明显,但是受环境治理与GDP比值、万元GDP废水排放量两个子指标的影响,2018年该维度的绩效得分仍是四个维度最低(图3(b)).生态修复与建设方面,研究区近些年来的生态修复与整治取得了一定的工作成效,红树林恢复面积与浮游生物多样性指数得分逐年提升,对整体绩效提升的贡献度均超过10%.
综上所述,尽管大部分指标得分在2011~2018年间均呈现稳中向好的态势,但仍存在以下问题:①陆源污染控制有待进一步加强,尤其是水产养殖、禽畜养殖等面源污染;②环境治理投入需要提高;③自然海岸的生态修复工作亟待推进.
图3 流域-海湾水环境治理绩效评价结果及重要政策梳理
研究区地势整体呈西北高、东南低的态势,西北地区水力坡度较大,研究区域内的多条支流均发源于该区域,如新桥河、万安溪等.西北地区年降水量可达2000mm以上,产水较多,由草地等输出的氮磷污染物浓度受到稀释作用而降低.九龙江流域中部以及南部地区林地面积较大,植被茂盛,对于氮磷污染截留效率高,受人为干预较少,因此氮磷输出量处于较低水平.九龙江下游(东南区域),人类活动剧烈,农业输入的氮磷负荷较大,加上降水量较少,临海蒸散量大,产水量低,单位体积的氮磷输出等级较高,是目前控制陆源氮磷输出的重点区域(图4).
图4 水环境污染物源-汇分析成果
2011~2017年间,厦门湾排污口以达标排污口居多,其中12、14、16、22、23、35排污口(评估结果见图5,具体点位见图4:低绩效排污口)绩效水平较低,对海域环境造成危害或潜在危害,它们主要分布在厦门岛海岸线,威胁着同安湾、西海域、南部海域的海水环境质量.
从海域环境质量空间分析结果来看,由于西海域地处海湾内部,水动力条件差,加上沿岸布局了众多排污口,无机氮与无机磷浓度都比较高,直接导致了该海域呈现重度富营养化.大嶝海域水域开阔,排污口密度低,受人为影响较低,因此该海域水质状况良好.
上述源-汇分析结果表明:流域东南区域的面源污染输出压力大、以西海域排污口为代表的点源污染对水环境构成的威胁较突出,西海域、九龙江河口区等局部海域作为污染物主汇区,水环境质量堪忧.
图5 排污口绩效评价结果
表5 2011~2017年排污口绩效得分
续表5
注:Δ代表数据缺失.
基于绩效评估与源汇分析识别出的关键问题与治理优先区,面向九龙江流域-厦门湾水环境现代化治理需求,提出如下建议(图2):
2.3.1 构建具有空间识别功能的现代化治理评价体系 流域-海湾现代化治理评价体系需融合指标分析与空间评估,不能只停留于多指标的统计分析,应将基于生态环境、社会经济数据的绩效评价和污染物陆海源-汇空间分析相结合,对流域-海湾复合系统开展时间与空间双重维度的系统评估和体检,实现时空双重约束.基于长时间序列与多源空间信息的评估结果,识别陆地的关键污染源、海域的环境脆弱区,针对水环境治理的薄弱环节和下一步治理优先区,开展科学系统化治理的最佳实践.
2.3.2 强化基于陆海统筹社会-生态系统的治理 基于社会-生态系统(SES)理念[38],构建红树林、海洋保护区、海岸带重要景观等流域-海湾一体化、动态监测体系,增设红树林生物量、湿地面积、流域(海湾)生物多样性、水土保持功能等生态考核指标以及病原微生物等环境健康指标监测.完善跨区域水环境治理的社会治理绩效评价,构建厦门、漳州、龙岩三市流域-海湾社会经济标准化水环境数据库;开展涉水社会-生态系统治理费效分析,加大对重点区域水污染治理费效比(投入费用和产出效益的比值)较低项目支持力度和经费投入(如强化沿江城镇污水收集管网、污水处理等设施的建设),针对滨海湿地、河岸带等典型生态系统开展生态修复工程,提供必要的生态补偿政策和引导支持,积极调动市场力量参与.
2.3.3 实施基于自然的生态工程解决方案 以基于自然的解决方案(NbS)为原则,针对目前流域畜禽养殖氮磷输出等级较高的地区,实施非点源污染控制工程,建设生态防护带、环境保育区、人工湿地等生态系统工程,削减九龙江流域农田径流污染;针对当前厦门湾氮磷含量较高的海域,严格管控禁养区海水养殖回潮的可能,在条件允许的区域试验绿色生态养殖示范项目,加快湾区自然岸线和海域的生态修复保育工作,可借鉴厦门市筼筜湖治理的成功经验,在西海域、同安湾等目前污染较为严重的海域实行人为干预、生态引流工程,改善海域水动力及污染物稀释扩散条件,增加厦门海域环境容量.
3.1 通过开展流域-海湾水环境治理绩效评估,发现2011~2018年间,九龙江流域-厦门湾水环境治理经历3个阶段,治理绩效水平由合格向良好转变.
3.2 借助源汇分析手段识别治理优先区,结果表明厦门湾海水受到点源与面源污染的双重威胁,氮磷面源污染源主要集中于东南沿海区域,点源污染以厦门岛岸线排污口为主,西海域为陆源污染输入的水质脆弱区.
3.3 识别出研究区当前水环境治理的主要问题,包括陆源污染控制成果有待巩固、自然海岸修复工作亟待推进等问题,提出构建具有空间识别功能的现代化治理评价体系、强化基于陆海统筹社会-生态系统的治理、实施基于自然的生态工程解决方案的现代化治理对策.
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致谢:福建省近岸海域环境监测站洪雄业副站长、厦门大学环境与生态学院陈能汪教授给予数据支持,澳大利亚国立大学王新维硕士协助英文润色,项目得到北京绿色未来环境基金会的立项资助,在此一并致谢.
Performance evaluation and priority area identification for modern governance of water environment: A case study of Jiulong River watershed-Xiamen Bay.
WU Hui-huang, FAN Bing-xiong, ZHANG Xue-ting, HUANG Yi-zhou, LI Yang-fan*
(Fujian Provincial Key Laboratory for Coastal Ecology and Environmental Studies, Fujian Key Laboratory of Coastal Pollution Prevention and Control, College of the Environment and Ecology, Xiamen University, Xiamen 361102, China)., 2022,42(5):2471~2480
Jiulong River watershed-Xiamen Bay in Fujian Province was taken as an example to assess the governance performance of the water environment using a water governance evaluation indicators system. Evaluation results showed the performance of water environment governance in the Jiulong River watershed-Xiamen bay was increasing continuously during the three periods (2011~2018). However, there are some significant issues in the modernization of water environmental governance. The input control of land-based nitrogen and phosphorus pollution needs to be further strengthened. Ecological restoration of natural coastal zones need to be coordinated. The INVEST model and Kriging interpolation were combined to identify priority areas for governance using source-sink spatial analysis of pollutants. The analysis results showed that the main point and diffused pollution sources of nitrogen and phosphorus output were the sewage outlet of Xiamen Island and the southeast area of the drainage basin, respectively. The main sink area was the west sea area severely affected. Some modern governance strategies, such as scientific evaluation of source-sink spatial performance, socio-ecological system monitoring and management based on land-sea integration, and ecological engineering solutions adapted to nature, were put forward.
land-sea integration;ecological governance;evaluation of the governance performance;InVEST model;source-sink analysis
X32
A
1000-6923(2022)05-2471-10
吴辉煌(1999-),男,福建厦门人,厦门大学环境与生态学院本科生,主要从事生态环境政策评估与管理研究.发表论文1篇.
2021-10-12
国家自然科学基金资助项目(41976208);福建省环保科技计划资助项目(2018R007);厦门大学大学生创新创业训练计划资助项目(S202010384805)
* 责任作者, 教授, yangf@xmu.edu.cn