长江江苏段饮用水水源地生态风险评价

2018-11-22方国华林榕杰

水资源保护 2018年6期

方国华,袁婷,林榕杰

(河海大学水利水电学院，江苏南京 210098)

饮用水水源地是城市生存和发展的重要基础，与人民的生命安全和健康水平息息相关。随着社会经济的高速发展，水资源开发利用程度不断加大，水体污染日益严重，城市供水安全面临严峻的挑战，饮用水水源地安全是社会经济稳定有序发展的有力保障。水源地生态风险评价作为水源地安全保障的重要环节，其目的在于掌握水源地生态系统的基本状况、识别生态风险源、定量评价水源地生态状况，从而有效规避外部胁迫对水源地生态的不利影响，为饮用水水源地的综合整治和决策提供科学依据[1-2]。

针对生态数据较难获取的特点，近年来通过遥感(RS)和地理信息系统(GIS)相结合来量化处理生态指标的方法得到较为广泛的应用[3-5]。通过RS/GIS能够获取精确的地理空间数据，借助高效的空间数据处理技术，能够快速地实现区域的生态质量评价，提高评价的精度和效率，并使评价结果可视化[6]。

本文运用压力-状态-响应模型，通过主成分分析法筛选指标，在考虑专家意见的基础上，采用层次分析法确定指标权重，综合考虑国内外生态保护状况和区划特征确定指标风险度划分，采用分级量化方法实现评价指标值统一化，构建生态风险评价模型，并运用RS/GIS技术对生态风险评价指标赋值，计算水源地生态风险值，分析水源地生态评价结果，验证评价体系适用性。

1 评价指标体系构建

1.1 评价指标的选取

压力-状态-响应模型常用于资源利用和环境质量评估，其中压力(驱动力)指标体现人类活动对环境造成的破坏和负面作用，状态指标体现环境及生态系统的状态和变化，响应指标体现人类应对压力和缓解负面影响所采取的对策[7-8]。该模型适用于建立结构复杂、影响因素众多的指标体系。

综合考虑长江江苏段水源地生态环境现状，参考生态风险评价相关研究成果，从自然条件、农业开发、生物、植被、土壤条件、水体自净力及环保举措等方面初步选取17个指标来构建水源地生态风险评价指标体系，包括降雨量、气温、人均耕地、工业活动污染和农药化肥使用强度等压力指标，植被覆盖率、物种多样性、水土流失率、土壤侵蚀强度等状态指标，水环境自净能力、退耕还林率、水土流失治理率等响应指标[9-12]。采用主成分分析法进行指标优选，收集整理长江江苏段23个饮用水水源地的生态指标数据，运用MTALAB软件实现主成分分析计算，优选出6个全面反映长江江苏段水源地生态风险且彼此之间互不相关的评价指标：农药化肥施用强度、植被覆盖率、环保投资占GDP比例、水土流失率、水环境自净能力和土壤侵蚀强度[13]。

农药化肥使用强度即水源地周边陆域范围内单位耕地面积所使用的农药化肥量，其值越大越易造成严重的面源污染问题，危及水源地水质。植被覆盖率即植被覆盖面积占研究区陆域缓冲区的比例，是衡量水源地生态风险的重要指标，其值较低会导致地表径流增大，易引发水土流失，造成水源地周边生态环境恶化。环保投资占GDP比例体现管理机构对于水源地周边环境保护及污染治理力度，研究表明当其值达到1%～1.5%时，才能基本控制环境污染，提高到2%～3%时，才能改善环境质量。水土流失率，即水源地研究区内水土流失面积与土地总面积的比值，水土流失造成土壤剥蚀，易造成水体富营养化，严重影响水资源的开发利用，对水源地陆域范围内生态造成严重破坏。环境自净能力主要取决于区域内水环境的总量，当环境受到污染时，在物理、生物与化学作用下，环境可以逐步消除污染达到自然净化，选用水源地保护区陆域范围内年产水模数[14]作为计算自净能力等级的特征量，计算公式为

M=4lgRm

(1)

式中：M为水环境自净能力等级；Rm为研究区多年平均年产水模数。

土壤侵蚀强度是衡量水土流失强度的指标，它反映了单位时间内单位面积上的土壤在人类活动及自然作用下的土壤侵蚀量。本文采用水源地20 km缓冲区范围内的DEM、遥感影像、降雨数据、土壤等数据，通过GIS、ENVI遥感软件处理得到水源地陆域土壤侵蚀各侵蚀因子栅格分布，根据修正通用土壤流失方程，利用各因子栅格叠加计算得到土壤侵蚀强度分布。

A=RKLSCP

(2)

式中：A为土壤侵蚀强度；R为降雨侵蚀力因子；K为土壤可蚀性因子；LS为坡长坡度因子；C为地表植被覆盖与管理因子；P为水土保持措施因子。

1.2 评价指标权重的确定

在充分考虑专家意见的基础上，采用层次分析法确定评价指标权重，既避免了过于主观，又能保证决策者意愿导向的准确表达。采用1～9标度对指标相对重要程度赋值，从而构造比较判断矩阵X，元素Xij表示第i行因素Xi相对于第j列因素Xj的重要程度，1～9标度的具体含义见表1。

表1 标度的含义

邀请10位经验丰富的专家学者对指标间的相对重要性程度进行讨论，构建长江江苏段水源地生态风险评价的比较判断矩阵V(式(3))，计算判断矩阵的最大特征值为6.275，一致性检验指标为0.043 7，满足一致性检验要求。进而求得农药化肥施用强度、植被覆盖率、环保投资占GDP比例、水土流失率、水环境自净能力、土壤侵蚀强度的相对权重分别为0.066 5、0.219 3、0.039 3、0.133 1、0.295 6、0.246 1。

(3)

1.3 生态风险值的计算

由于各个生态指标量纲不同，不能直接计算其生态环境风险值，通过统一化计算消除指标间不同量纲的影响：

(4)

式中：Ii为指标i的风险值；Cik为指标i的k级数值；Cik+1为指标i的k+1级数值；Iik为指标i的k级指数值。植被覆盖率、环保投资占比和水环境自净能力3个指标为数值越高生态风险越低，所以计算公式与其他指标的指数计算公式相反。

生态风险值由各指标的风险值加权计算得到：

(5)

式中：Re为水源地生态风险值；Wi为各生态指标权重；n为指标数。

表2 风险度等级划分及含义

表3 不同生态风险等级对应的指标值范围

1.4 风险度划分

根据水源地特征将水源地生态风险评价标准分为5个等级，即低、较低、一般、较高、高，具体划分标准和含义见表2。通过换算以及长江江苏段水源地历史资料纵向对比和国内其他饮用水水源地资料横向对比，得到不同生态风险等级对应的指标值范围见表3。

2 实例研究

2.1 江浦-浦口水源地概况

江浦-浦口饮用水水源地位于长江南京河段干流浦口区城南河河口处，现为浦口区重要供水水源地，目前建有江浦水厂和浦口水厂。江浦水厂取水能力10万m3/d，供水人口约32万人，供水面积380 km2；浦口水厂供水人口42万人。

2.2 江浦-浦口水源地生态风险评价

基于遥感卫星影像和统计年鉴数据，运用RS/GIS技术对水源地20 km陆域缓冲区进行目视解译、空间插值、植被参数提取以及栅格计算等操作，提取相关数据，对各生态风险指标值赋值。

a. 农药化肥使用强度。据2016年南京市统计年鉴，2015年末农作物总播种面积为31.688万hm2，农药化肥施用量为7.45万t，农药化肥使用强度为235.1 kg/hm2，低于全国平均施用强度，属于较低施用水平，判断其对应低风险度。

b. 植被覆盖率。选取2013—2016年的7—9月3期遥感影像，运用ENVI及GIS进行土地利用目视解译(图1)，裁剪并提取水源地保护区外20 km缓冲区内的植被覆盖面积，得出植被覆盖率为50.11%，根据植被盖度划分标准，属于植被中覆盖，能够较好的涵养水源，减少水土流失程度，判断其对应较低风险度。

c. 环保投资占GDP比例。据2016年南京市统计年鉴，2015年GDP为9 720.77亿元，其中环保支出31.57亿元，占GDP总量的0.33%，南京市环保投入占比偏低，资金不足将会影响环保治理力度以及完成程度，对于水源地环保措施的落实造成一定的影响，判断其对应高风险度。

d. 水土流失率。据2013年江苏省水土保持通报，南京市水土流失面积为612 km2，水土流失率为9.29%，总体流失程度一般，而水源地周边多为城镇与植被用地，水土流失对于水源地影响较小，判断对应较低风险度。

e. 水环境自净能力。据2015年南京市统计年鉴及水资源公报，计算南京市浦口区产水模数为65.37万m3/km2，得出水环境自净能力等级为7.26，表明水源地周边水环境自净能力较强，水源地具有较强纳污能力，判断其对应较低风险度。

f. 土壤侵蚀强度。根据浦口-江浦水源地20 km缓冲区范围内的DEM高程数据、遥感影像数据、降雨数据、土壤数据，通过GIS、ENVI软件处理得到水源地陆域土壤侵蚀强度分布见图2。由式(2)计算得平均土壤侵蚀强度为724.31 t/(hm2·a)，根据土壤侵蚀分类分级标准并结合水源地周边特征，判断其土壤侵蚀强度为轻度侵蚀，对应一般风险度。

根据前文计算方法得到长江江浦-浦口水源地生态环境风险值为0.365 7，对应较低风险度。江浦-浦口水源地保护区外20 km缓冲区范围内植被中度覆盖，水土流失范围少，土壤侵蚀为轻度侵蚀，总体生态环境保持较好。但水源地周边开发程度高，多为住宅区，居民生产生活对水源地水质产生一定的不利影响。同时，环保投资力度不足，增加了环境保护以及污染治理的难度，不利于饮用水环境的维护和进一步改善。