引汉灌区河湖生态健康评价体系研究

严少军，董建华，冯亮

（1.天门市水利水电勘测设计院，湖北天门 431700；2.武汉大学水利水电学院，湖北武汉 430072）

0 引言

河流湖泊是人类淡水资源的最主要来源，其生态健康状况关乎人类社会的可持续发展。然而，随着社会不断进步和发展，人类的资源开发利用活动不断增加，河湖的生态健康状况日益令人担忧。以引汉灌区为例，该灌区水道纵横、湖荡棋布，河网水流流向、流态不定。由于河网、河道的大规模开发，以及对河道的过度改建、渠化、闸控等工程建设，加上大量的工业废水和生活污水排放，导致灌区河湖生态环境质量日趋下降。为防止引汉灌区河湖生态健康状况恶化，建立引汉灌区河湖生态健康评价指标体系，进而提出合理的管理与保护措施，具有非常重要的现实意义。

针对河流或者湖泊的生态健康评价问题，国内外已有不少研究［1，2］。方国华等［3］从河道功能、形态、生态和环境等6 个方面建立了生态环境评估指标体系。董哲仁等［4］根据生物质量、水文、物理化学和地貌因素等10 项指标，确定了评价指标的权重和等级，并构建了相应的评价体系。蔡永久等［5］从自然形态、水文水资源、水环境质量、水生态等方面，对洪泽湖健康状态进行了评价。但现有研究大多针对单一的河流或者湖泊，而类似引汉灌区这样的平原河网灌区通常同时存在河流和湖泊两种生态系统，现有生态健康评价体系难以直接用于类似灌区。因此，本文根据引汉灌区河湖特征，提出了针对该地区的河湖生态健康评价指标体系，并基于模糊理论的评价模型，选取汉北河和半头湖为典型，对灌区河湖水生态健康系统进行了量化评估，以期为灌区河湖生态系统的管理、治理和修复提供决策参考。

1 研究区域

天门引汉灌区位于湖北省天门市，地处汉江下游的江汉平原北部，流经灌区的河流主要是汉北河和天门河，汉江从灌区边缘流过。天门市河流流域面积达50 km2的河流38条，河道总长1 014.15 km2，境内湖泊众多，面积100 亩以上的湖泊达45个，总面积达37.38 km2。天门市引汉灌区承担着全市的农田灌溉任务，并为天门河、汉北河、杨家新沟、东湖、西湖、张家大湖、华严湖等重要河湖提供生态补水，同时还具有排涝、发电、冲污、航运等功能，范围涉及全市各乡镇办场。灌区自然条件优越，经济资源丰富，盛产粮、棉、油、食盐等，是湖北省乃至全国著名的商品粮、优质棉生产基地，地下储有无水芒硝132 万t、盐184亿t，沉湖地区南岸已探明石油资源100 万t，为轻纺工业、盐化工业提供了充足的原料。

汉北河是20 世纪70 年代初开挖的一条人工河，兼有撇洪、灌溉和航运的作用。自天门市万家台接天门河起，在武汉市东西湖区新沟镇注入汉江，全长91.8 km。多年平均流量92.2 m3/s，年径流总量29.1 亿m3。汉北河流域地处江汉平原北部边缘，从20 世纪90 年代始，湖北省对汉北河的防洪排涝、航运等开展了持续研究和治理，总投资约18 205.5 万元。

2 灌区河湖生态健康评价指标体系

2.1 评价体系构建

平原水网河湖生态系统一般具有以下特征：①河湖关系紧密，相互之间水量交换显著；②河流系统的环境质量对湖泊的影响较大；③低水深区域容易形成垂直混合；④适宜的气候环境可能导致“水华”的爆发；⑤水体与土壤之间物质交换频繁［6］。传统的河湖系统评价常以水质、环境作为指标，而忽略了河流、湖泊、水文、地貌、水质、生态群落等因素的综合作用。基于以上特征，参考国内外河流湖泊生态评价指标体系的研究成果［7-9］，结合引汉灌区的实际，本文建立了引汉灌区河湖生态健康评价指标体系。该体系由目标层、准则层和指标层构成。目标层即为河湖生态系统健康状况，准则层包括物理形态结构、水文特征、水质状况、水生生物和底栖生物等5项。指标层包括22个，其中13 个指标为河流和湖泊共有，5 个指标为河流独有，4 个指标为湖泊独有。各指标的具体内涵及计算方法见表1。从各指标的内涵可以看出，本文提出的评价指标可分为两大类：第一类指标与河湖生态系统健康状况呈正相关，如天然植被覆盖率和口门畅通率等；第二类指标与河湖生态系统健康状况呈负相关，如内梅罗综合污染指数、营养指数和浮游植物密度等。

表1 引汉灌区河湖生态健康评价指标体系Tab.1 Evaluation index system of river and lake ecological health for the Han Diversion Irrigation District

为了分析河湖生态系统的健康状况，本文对各个指标进行了量化，并按照“健康、微健康、亚健康、微病态和病态”将其分为5 个等级，见表2。由于各指标物理属性差异较大，为便于综合评价，每个指标统一按0～1 计算隶属度，1 代表最大健康指数，0 代表最小健康指数。5 个健康等级平均划分为5 个刻度区（0～0.2、0.2～0.4、0.4～0.6、0.6～0.8、0.8～1.0），分别对应5 个健康等级。

表2 引汉灌区河湖生态健康评价标准Tab.2 Evaluation standard of ecological health of rivers and lakes for the Han Diversion Irrigation District

2.2 评价模型

河湖生态健康评估模型首先采用层次分析法（AHP）法对各个指标确定对应的权重，然后采用最大隶属度原理对各个指标进行综合评判。AHP 法简单易行，在处理多层次和多结构的评价体系方面具有明显的优势［10］。AHP 法需要将影响评价对象的不同因素进行分层，以便于建立一个多层次的结构模型。然后根据AHP法基本原则，构造判定矩阵。最终通过数理分析方法进行整合，得到综合测评分数。具体进行评价时，首先根据调查统计或实地观测获得各指标的指标值，并与已制订的河湖生态健康评价指标标准进行比较，得到各指标的健康等级。再通过加权权重，将不同指标对河湖生态健康状况的影响效果进行综合分析，从而判定河湖生态系统的健康状况。

引汉灌区河湖生态健康评价模型按以下步骤构建：

（1）建立目标层、准则层和指标层。目标层E被划分为诸多准则层Ai，其中i=1，2，3，4，5。也可以表示为：E=｛A1，A2，A3，A4，A5｝，而Ai中还包括m个指标层，其特定值取决于i准则层下的指数。

Ai=｛Bi1，Bi2，…，Bim｝

式中：Bim为第i准则层下的第m个指标。

（2）确定权重。权重FB也可以表示为：FBi=（FBi1，FBi2，…，FBim）。其中，FBim是在第i准则层下的第m个特定指数的权重向量。评价指标的权重是否合理，对评估的效果有很大的影响。

“这次评议对我们来说既是压力，更是动力。我们将以此次评议会为契机，提升工作水平，让工作更接地气，更出实效，努力为全市经济社会持续健康发展贡献力量。”受评议单位纷纷表示。

为了使权重分配合理，将AHP 法和熵权法相结合，通过AHP方法对定性指标进行加权［11］，并利用熵权法对量化指标确定权重［12］。

（3）建立隶属度矩阵。在此基础上，根据各指数特点，确定了隶属度函数R［13］。

式中：Ri为第i个准则的隶属度矩阵，其中，i=1，2，3，4，5。im表示第i个准则中所包括的指标总数。指标的隶属度函数选用升降半梯形分布函数，对于递减型指标（指从1 级至c级指标标准特征值逐渐减小），可表示为：

式中：rijk为第i个准则第j个指标第k级的相对隶属度；其中Sijk，Sijc分别表示第i个准则第j个指标第k级、第c级的特征值，即表2 中各指标不同等级的标准值；xij为第i个准则第j个指标的指标值。

对于递增型指标（指从1 级至c级指标标准特征值逐渐增加），指标的隶属度函数只需改变上式的不等号方向。

（4）健康等级评价。本文的河湖生态健康评价指标体系包括目标层、准则层和指标层，考虑到准则层的健康状况可以分项反映出河湖的生态健康状况，这里分别对准则层的5 个方面进行评价。评价方法采用模糊评价法，如式（5）。健康等级采用最大隶属度原则判定，即Di向量中隶属度最大的分量对应的健康等级即为第i准则层的健康等级。

式中：Di为第i准则的健康等级向量；FBi为第i准则的权重向量；Ri为第i个准则的隶属度矩阵。

3 案例应用

3.1 半头湖生态健康状况评价

采用上述河湖生态健康评价体系和标准及评价模型，选择引汉灌区半头湖作为典型湖泊，对其2020年的生态健康状况进行评价。其中，水文特征、水质状况、水生生物、底栖生物定量指标采用该年度水质监测数据资料，而物理结构形态的定性与半定量指标值则以问卷调查和专家主观评分为依据。各指标的指标值及权重见表3。

表3 半头湖生态健康评价指标值及权重Tab.3 Index value and weight of ecological health evaluation for Bantou Lake

根据2.2所建立的生态健康评价模型进行模糊计算，5项准则层的评价结果如下：

（1）物理形态结构：其评价值为D1=FB1R1=（0.148 0，0.169 2，0.298 1，0.350 8，0.033 0）。根据最大隶属度原则，半头湖物理形态结构所处的状态为“四级”，即“微病态”等级。

（2）水文特征：其评价值为D2=FB2R2=（0，0，1，0，0）。其所处状态为“三级”，即“亚健康”等级。

（3）水质状况：其评价值为D3=FB3R3=（0，0，0.005 6，0.658 1，0.336 3）。其所处状态为“四级”，即“微病态”等级。

（4）水生生物：其评价值为D4=FB4R4=（0.120 7，0.136 2，0.482 0，0.134 6，0.126 5）。其所处状态为“三级”，即“亚健康”等级。

（5）底栖生物：其评价值为D5=FB5R5=（0，0，0.203 8，0.694 9，0.101 3）。其所处状态为“四级”，即“微病态”等级。

从上述结果可知，半头湖生态健康系统整体上处于“微病态”状态。需要采取一定的措施，防止湖泊生态系统环境进一步恶化。而导致这一现象的主要因素可能是因为半头湖湖水流动性较小，污染物的繁衍以及聚积超过了湖泊的自我恢复和自净能力，湖泊生态系统的稳定性受到一定影响，导致水质较差；由于灌区作物较多，因农药和化肥的大量使用和工业废水的随意排放等原因，造成水体污染，使得湖泊水质富营养化超过了水生生物净化能力，从而影响水生生物健康状态。此外，护岸的状态也可直接影响水体的氮磷等污染物含量，从而间接影响水质，因此有必要加固湖泊护岸的维护工作。

3.2 汉北河生态健康状况评价

同样地，采用上述河湖生态健康评价体系及评价标准，对汉北河2020 年的健康状况进行了评价。其中，水质、水生生物和底栖生物的量化指标根据该年度的实际监测数据得出；物理形态结构和水文特征指标值采用问卷调查和专家的主观评分法确定。各指标的指标值和权重见表4。

从评价结果来看，汉北河物理形态结构所处的状态为“三级”，即“亚健康”等级。从表4 可以看出，这一评价结果主要是由于河道蜿蜒度、纵向连通性、河道渠化程度、河岸带平均宽度以及植被结构完整性等指标均为“亚健康”等级。除物理形态结构外，其余准则层指标，包括水文特征、水质状况、水生生物和底栖生物所处的状态均为“二级”，即“微健康”等级。这一评价结果总体上符合汉北河的现有实际状况，说明汉北河生态健康状况总体尚好，但河道的物理形态结构需要加以适当的修复和完善。

表4 汉北河生态健康评价指标值及权重Tab.4 Index value and weight of ecological health evaluation for Hanbei River

4 结论与建议

针对引汉灌区河流和湖泊水生态系统特征，综合考虑灌区河流和湖泊物理形态结构、水文特征、水质状况、水生生物和底栖生物方面，建立了引汉灌区河湖生态健康评价模型，并分别对汉北河和半头湖进行了评价。结果表明汉北河生态健康状况整体尚好，除了河流物理形态结构状态为“亚健康”外，水文特征、水质、水生生物和底栖生物均处在“微健康”水平。而半头湖的整体生态健康状况相对较差。其物理形态结构、水质状况和底栖生物状态均为“微病态”，其水文特征及水生生物状况为“亚健康”。本研究分析结果较为准确地反映了汉北河和半头湖的生态健康实际状况。因此，在今后灌区的管理过程中，建议重点对半头湖及类似湖泊物理形态结构、水质状况和底栖生物方面加强治理；建设智慧监控系统，对水质等指标进行实时监测，以及时且有效地制定改善方案；针对河流和湖泊开展水生态修复建设工程，包括河湖断面改造和生态护坡等，从而改善水生态环境，提高灌区河湖自我净化能力；健全灌区污水收集系统，有效控制面源污染等对河湖的污染；尽可能减少灌区农药和化肥的使用，加强环境保护治理，从而达到改善生态环境的最终目的。