周 敏,孙栋元,崔艳强,武兰珍,王兴繁,马亚丽
(甘肃农业大学水利水电工程学院,甘肃 兰州 730070)
人类生存和发展离不开水环境,水环境评价能够科学表征水质、水量、水生态等方面的状况,早期发现问题并及时采取有效措施来保护水资源和人民的生命健康。而水环境评价的核心环节是构建科学全面的评价指标体系,已有研究主要集中于两种方法,其一是以系统论为基本理论,通过水资源-社会-经济-自然复合系统[1]选取指标;其二通过固定模型构建指标体系,主要有PSR模型[2]、DSR模型[3]、DPSIR模型[4]、DCSM模型[5]、DPSM模型[6]等,尽管构建方法多种多样,但筛选指标的角度仍旧比较单一。河长制的出现为构建水环境评价指标体系带来新视角。因此本文从河长制建设要求的6个层面(水资源管理、水污染防治、水环境治理、水生态修复、水域岸线管理、行政执法管理)构建评价指标体系,运用层次分析-灰色综合法,评价疏勒河流域水环境状况,用障碍度模型分析水环境主要障碍因素。旨在揭示近年来流域水环境变化规律和主要影响因素,分析河长制实施对流域水环境水平的影响,从而为改善流域水环境和促进河长制建设提供科学参考依据。
疏勒河是甘肃省河西走廊第二大河,干流全长670km,流域面积4.13×104km2[7],多年平均年降水量47~63mm,年蒸发量2897~3042mm,年平均气温6.9~8.8℃,属典型的内陆干旱性气候,干流多年平均径流量为10.31亿m3。疏勒河对流经甘肃省肃北县、玉门市、瓜州县、敦煌市等城镇供水起重要作用,区域植被覆盖率低,工业水平相对落后,农业需水量大,供用水结构极度不协调。
河长制下水环境评价的主要目的是为了科学评价河长制实施前后流域水环境变化趋势,因此,评价指标体系的建立可将河长制工作任务[8-9]作为切入点,按所选指标数值具有时间连续性、可获得性、代表性、可量化性等原则[10],参考疏勒河“一河一策”方案[11]、已有河长制绩效考核和流域水环境评价相关文献[12-15],选定6个准则层共28个指标。评价指标体系详见表1。
表1 疏勒河流域水环境评价指标体系
评价指标分级标准值是疏勒河水环境评价的重要支撑数据,但标准值的确定并没有统一的科学确定方法,参考依据也各不相同。结合疏勒河流域自身特点,综合参考相关文献[13-15],将疏勒河流域水环境划分为Ⅰ级(好)、Ⅱ级(较好)、Ⅲ级(良好)、Ⅳ级(较差)、Ⅴ级(差)5个等级。具体等级标准值见表2。
表2 指标分级标准值
因疏勒河水环境评价指标体系是个多层次、多目标的指标体系且评价指标既有定量指又有定性指标,考虑到简洁实用,采用层次分析法[17]确定指标权重wi和准则层权重Wi,具体计算过程参考文献[17]。
采用灰色综合评价法[18]计算疏勒河流域水环境等级,运用MATLAB软件计算解决手算或excel运算效率低、易错等缺点。以2013—2020年指标实测数据为比较序列,依次将Ⅰ级、Ⅱ级、Ⅲ级、Ⅳ级、Ⅴ级标准值作为参考序列,重复计算程序,得出待评价年份实测值与各等级的关联度,根据最大关联度原则确定2013—2020年的水环境等级。具体计算流程如图1所示。
图1 MATLAB计算水环境等级流程图
分析疏勒河流域水环境状况后,有必要进一步探讨河长制管理下影响水环境的主要障碍因子。本研究运用因子贡献度、指标偏离度计算障碍度[19-20],具体计算步骤如下:
步骤一:为了消除数据量纲便于障碍度计算,采用极差标准化对数据进行标准化,即:
(1)
式中,Xij—指标原始数据;X’ij—标准化后的数据,其中i=1,2,…,n,j=1,2,…,m。
步骤二:计算因子贡献度Fi。计算公式:
Fi=Ei×wi
(2)
式中,Ei—综合权重;wi—指标层权重,
步骤三:计算指标偏离度Iij。计算公式:
Iij=1-X’ij
(3)
式中,X’ij—指标标准化数值。
步骤四:计算指标层障碍度Pij和准则层障碍度Pi。计算公式:
(4)
(5)
基础数据来源于2013—2020年甘肃省水资源公报,肃北县、瓜州县、玉门市、敦煌市2013—2020年国民经济与社会发展公报及统计年鉴,流域实地调查。个别年份缺失数据利用往年数据线性插值得到。
图2为层析分析法计算的指标权重径向条形图,由图2(a)可知,河长制建立情况(C25)、河道恢复情况(C17)、污水日排放量(C7)所占权重分别为0.1347、0.1347、0.1070,累计权重37.64%,是疏勒河流域水环境的主要影响指标;建成区绿化覆盖率(C21)、产水模数(C1)、人均水资源量(C2)、地下水开发程度、Ⅲ类及以上水质比例(C11)所占指标权重分别为0.0022、0.0028、0.0028、0.0049、0.0072,累计权重仅有1.99%,是流域水环境的次要影响因素。
图2 指标权重径向条形图
由图2(b)可知,从河长制管理建设层面来看,水污染防治和水生态修复(B3、B4)、行政执法管理(B6)、水环境治理(B2)、水域岸线管理(B5)、水资源管理(B1)所占权重分别为0.2827、0.206、0.103、0.0764、0.0492,对流域水环境影响程度依次降低,即水污染防治和水生修复是流域水环境主要影响因素。
运用层次分析-灰色综合评价模型,根据最大关联度原则,得出2013—2020年疏勒河流域水环境及各准则层评价等级变化趋势,如图3—4所示。可知,近年来疏勒河流域水环境呈Ⅴ级到Ⅰ级逐渐上升变化趋势,与蔚静雯[21]和吴丹[22]的研究结论基本一致,其中2020年水环境等级最高,为Ⅰ级,水环境状况比较好;2013、2014、2015、2016年等级最低,为Ⅴ级,水环境状况较差。进一步分析,2017年流域实施河长制,水环境整体水平高于该制度推行前。
图3 疏勒河流域水环境等级变化趋势
图4 评价指标体系中各准则层等级变化趋势
2013—2020年流域水资源管理(B1)、水污染防治(B2)、水生态修复(B4)、水域岸线管理(B5)、行政执法管理(B6)整体呈Ⅴ级到Ⅰ级逐渐好转趋势,等级提升均发生在2017年以后,表明随着河长制的全面推行,管水、治水活动明显增多,制度管理内容得以落实,水环境综合治理与管理能力不断提高,逐步形成了健全的河流治理体系,极大改善疏勒河水环境状况。水环境治理(B3)等级呈Ⅱ-Ⅴ-Ⅱ级波动变化,疏勒河河流自身水质较好,人民生产生活密集在河流下游,中上游开发利用较少,尤其上游水环境基本处在自然状态,疏勒河水环境整体较好,近年来流域社会经济发展较快,人口增加导致用水量上升,废污水排放量大幅度增加,导致河流水环境遭到破坏,直到2019年,因实施河长制的绩效作用得以改善。
采用障碍度模型,从准则层和指标层两个角度进一步分析水环境障碍因子,如图5—6所示。由图5可知,水资源管理(B1)、水污染防治(B2)对流域水环境的影响程度逐渐升高,水环境治理(B3)、水域岸线管理(B5)、行政执法管理(B6)对水环境的影响程度逐渐降低。2013—2016年,行政执法管理是水环境状况的主要障碍因子;2017年和2018年,水生态修复(B4)的障碍度值最大,是水环境状况的主要影响因素;2019年和2020年水环境的主要限制因子分别为水污染防治、水资源管理。自2017年后水环境状况主要障碍因素由行政执法管理变为水生态修复和水资源管理,表明积极建立健全相关法规政策,加强执法监管力度,河长制全面建设初步形成,可为治理河流突出问题提供强大决策制度支持,在今后的疏勒河水环境治理中,仍需坚持河道治理和水资源综合管治工作。
图5 准则层障碍度变化分析
分析图6得出,污水日排放量(C7)、化肥使用强度(C9)、农业灌溉用水率(C5)、污水处理回用率(C6)对水环境水平的影响逐年增强,河长制建立情况(C25)、水域岸线垃圾清除率(C12)、水土流失治理率(C16)对水环境状况的影响正在减弱,表明截污减排、优化用水结构是提高疏勒河流域水环境水平的重点工作方向。每年的最大障碍因子因指标大小变化而出现不同,如2013年最大障碍因子为河长制建立情况(C25),2019年和2020年最大障碍因子分别是污水日排放量、万元GDP用水量(C4),河长制的实施,河流治理法律法规逐步建立健全,流域水环境治理得到了强有力的制度保障。然而,社会经济飞速发展、人民生活水平显著提高使得区域工农业废污水排放量维持在较高水平,故合理规划区域用水,控制污水排量,提高污水净化能力,是未来改善流域水环境状况的有效途径。
图6 指标层障碍度变化分析
(1)疏勒河流域水环境等级由2013年的Ⅴ级提高到2020年的Ⅰ级,水环境状况整体呈逐年上升趋势。
(2)障碍度模型分析显示,阻碍疏勒河水环境水平的主要障碍因子因年份不同而变化,主要集中在行政执法管理、水生态修复、水污染防治3个层面。2013—2016年第一障碍因子为河长制建立情况,第二障碍因子为河道恢复情况,第三障碍因子为“一河一策“编制完成率;2017—2018年,第一、二、三障碍因子分别是河道恢复情况、河长制建立情况、污水日排放量;2019—2020年,污水日排放量、万元GDP用水量、河道恢复情况依次为第一、二、三障碍因子。
(3)河长制实施对水环境治理有积极推动作用,未来疏勒河流域仍需深入贯彻河长制,加强水资源管理,提高污水处理率,增强水污染防治能力,科学开展河道水生态修复工程,争取更好地保障区域水环境状况持续提高。研究结果对提高区域水环境综合治理,指导区域未来水资源规划与社会经济发展提供科学参考依据和决策支撑。但由于河长制建设内容比较繁多,加上数据可获取性及可量化性,指标选取可能还有不足之处,另外从流域时间序列的水环境状况进行了评估,未详细分析空间分布,在今后研究中进一步加强对流域水环境时空分布状况和规律研究。