奎屯河流域健康评价

黄 霄，雷晓云，高 凡，张新平

(1.新疆农业大学水利与土木工程学院，新疆 乌鲁木齐 830052； 2.新疆生产建设兵团勘测设计院(集团)有限责任公司，新疆 乌鲁木齐 830002)

流域内自然和人为过程是复杂的、动态的和空间变化的，不可持续的流域规划和管理可造成环境灾难，影响人类福祉。目前，流域已被广泛认为是许多水资源规划和管理问题的最合适的分析单位，流域健康评价(watershed health assessment，WHA)也被公认为流域研究和管理之间的最适合的结合方式[1-2]。如何界定流域健康的概念与内涵、确定评价标准、构建评价指标体系、选择评价模型及方法是流域健康评价的关键[3-4]。美国环境保护署(EPA)采用底栖生物完整性指数(B.IBI)指标体系评价流域生态健康[5]。Jun等[6]提出了利用水资源脆弱性指数评价流域健康状况，为韩国Bukhan河流域管理提供空间优先权。Chung等[7]开发了一种基于指标的多准则方法评估流域健康状况。Sanchez等[8]使用土壤和水评估工具(SWAT)，利用空间聚类技术和验证性因子分析方法进行流域健康评价。我国自20世纪90年代开始关注流域健康问题，针对干旱内陆河流域的健康评价多集中在甘肃河西走廊一带，新疆流域鲜有涉及[9-10]。流域的结构、功能和动态过程是以时空相互作用为特征的，其对自然或人类干扰的响应均在时空尺度下进行[11]，流域健康评价以流域巨系统为评价对象，如果忽略了其时空尺度划分，将难以保证流域健康规律及驱动因子的有效识别。目前，我国对流域健康评价的研究多从生物栖息地质量、水文、水质等方面进行[12]，而评估流域整体健康状况，尤其考虑干旱内陆河流域水资源、涉水生态环境、社会经济等方面的研究较少。本文在界定时空尺度的前提下，以新疆典型干旱内陆河流域——奎屯河流域为研究对象，确定指示奎屯河流域健康状况变化的关键指标，构建涵盖流域水资源健康、涉水生态环境健康、社会经济健康的指标体系，运用组合赋权法和协调发展度评估流域健康状况，以期为流域适应性管理及生态环境整治提供理论依据与决策支持。

1 研究区概况与数据来源

1.1 研究区概况

奎屯河流域地处东经83°22′～85°47′，北纬 43°30′～47°04′，流域内有31个行政区，主要包括独山子区、奎屯市、新疆生产建设兵团第七师的9个团场、乌苏市以及所属的乡(镇、场)。流域总面积约为2.83万km2，山区面积约占42%，平原面积约占58%，是新疆天山北坡经济带的重要组成部分，是北疆具有代表性的流域之一[13]。奎屯河、四棵树河、古尔图河是组成奎屯河流域三大水系(图1)，奎屯河全长320 km，四棵树河全长130 km，古尔图河全长115 km。流域地表水多年平均径流量为16.59亿m3，地下水天然补给量为0.7亿m3，水资源总量为17.29亿m3。农业用水是该流域的用水大户，约占总用水量的89%，远高于全国平均水平(62%)。近年来，受气候变化和人类活动双重影响，奎屯河流域生态环境问题日益突出，主要表现为总用水需求迅猛增长、地下水超采严重、水资源承载力不足、土壤盐渍化沙化面积日趋增加、甘家湖生态用水不足等，迫切需要构建一套完整指标体系诊断流域健康状况，以促进经济社会与水生态环境可持续发展。

图1 奎屯河流域水系Fig.1 Water system of Kuitun River Basin

1.2 数据来源

基础数据源包括：①1970—2015年水文气象数据：奎屯河流域内奎屯河新渠首、四棵树河新渠首、古尔图河新渠首、奎屯、车排子、123团等多个水文气象站降水、流量、气温、风速等资料；②2016年发布的人口统计数据及社会经济数据：2015年流域内人口数量、国民生产总值、流域社会保障、工业、农业、甘家湖区区内人员环境保护意识等资料，数据来源于2016年新疆统计年鉴、奎屯河流域规划报告、乌苏市人民政府网；③生态环境数据来源于2015年30 m分辨率Landsat-TM影像和中巴资源卫星数据，以地理信息系统与遥感(GIS、RS)为技术手段，对流域的自然资源，主要包括土地资源和植物资源进行解译。

2 研究方法

2.1 时空尺度界定

确定流域健康评价的时空尺度是流域健康评价工作的前提。基于资料的可获取性，考虑自然与社会经济耦合、行政区域(市、乡、镇、团场等)完整性、保证区域内自然与人类具有相对独立的空间、顺应可持续发展、自然保护区重点保护等原则[14]，将流域健康评价时间尺度选取为2015年，空间尺度划分基于Ward系统聚类法和GIS空间叠加方法，以奎屯河流域内31个行政区作为分区基本单元，聚类结果见图2。与平原区相比，山区人口分布稀少，蒸发量小，山区产流基本涵盖了整个流域的径流量，且山区水量充足，盐碱地面积小，受人类活动的影响少，因此，流域健康评价范围主要在平原区。在此基础上，修正区域边界，将流域灌区划分图、水功能区划图、水资源供水系统网络图等进行叠加，结果见图3，以“地理位置+供水水源”方式命名。

图2 奎屯河流域分区Fig.2 Subregion of Kuitun River Basin

图3 奎屯河流域健康评价分区Fig.3 Health assessment subregion of Kuitun River Basin

2.2 评价指标体系构建

利用综合健康指数法建立多层次、多指标的综合评价指标体系，对奎屯河流域健康状态进行定量评价[15]。遵循流域健康评价指标体系构建的独立性、系统性、差异性、可量化性等原则[16]，在借鉴国内外相关文献[17-20]的基础上，考虑奎屯河流域水循环与生态环境过程机理，以流域健康评价指数为目标层，以水资源健康指数、涉水生态环境健康指数、社会经济健康指数为准则层，构建含气候、地表水、地下水、水环境、土壤、植被、社会、经济条件17个指标的子区1、子区2、子区3、子区4、子区5评价指标体系。子区6(甘家湖区)位于奎屯河流域尾闾地带，该区西北边为阿拉山口，东、南临近兵团七师垦区和乌苏市绿洲，地理位置十分独特；该区植被区系丰富，其西北边是甘家湖梭梭林自然保护区，梭梭是西北地区重要的固沙植物之一[21]；野生动物种类和数量较多，且该区荒漠生态环境对于保护该区生物多样性、维护物种资源的稳定性、防止沙漠化起重要作用；区内流经的河流主要发源于南、北山区，其中发源于南部山区的3条河流因其上中游大规模的开发利用，至下游甘家湖区地区时水文情势均发生了较大的变化；因此，构建含气候条件、水资源、水质条件、植被条件、动物条件、社会条件、经济条件12个指标的子区6评价指标体系。奎屯河流域评价指标体系见表1、表2。

表1 子区1～5的评价指标体系
Table1Evaluationindexsystemofsubregion1～5

表2 子区6的评价指标体系Table 2 Evaluation index system of subregion 6

2.3 权重的确定

为避免单一赋权方法造成的主客观影响，采用主观赋权与客观赋权相结合的方法确定指标权重。本文选取层次分析法和熵权法计算指标的综合权重。层次分析法确定指标主观权重，具体步骤见文献[22-23]；熵权法确定指标客观权重，具体步骤见文献[24-25]。在主观赋权和客观赋权的基础上，计算流域健康评价指标综合权重，见表1、表2的括号中。综合权重Qj的计算公式为

(1)

式中：vi为层次分析法计算的权重；wj为熵权法计算的权重。

2.4 综合评价指数

以最佳可达状态为目标，以“近自然准则”为原则[26]，构建奎屯河流域健康评价标准。引入水资源、涉水生态环境和社会经济综合评价指数T反映流域健康状况，公式[27-28]为

T=αf(x)+βg(y)+γh(z)

(2)

式中：f(x)、g(y)、h(z)分别为水资源健康指数、涉水生态环境健康指数和社会经济健康指数；xi、yj、zk分别为水资源、涉水生态和社会经济健康指数评价指标层下各指标的标准化值；wi、wj、wk分别为水资源健康指数、涉水生态健康指数和社会经济健康指数评价指标层各指标的权重；α、β、γ分别为水资源、涉水生态环境和社会经济权重。

参照人体健康等级划分的研究成果，将奎屯河流域健康标准划分为5个等级：很健康、健康、亚健康、不健康、病态。借鉴国家、地方及行业规定的标准和规范，同时查阅流域历史资料，在获取流域的背景和本底值并听取有关专家的意见后，得到不同等级下综合评价指数T的阈值及含义(表3)。

表3 流域健康等级及含义Table 3 Basin health level and meaning

2.5 协调度

用系统要素间的离差系数作为协调度的定量表达方式来反映水资源、涉水生态环境、社会经济3个子系统间的协调程度，离差系数越小，则系统间的协调性就越好[29]，协调度计算公式[30]为

(3)

式中：C为协调度，0≤C≤1；k为研究中需调节子系统的数量，本研究中k=3。

2.6 协调发展度

引入协调发展度反映奎屯河流域水资源、涉水生态环境和社会经济3个子系统间的协调发展情况，协调发展度越高，流域整体协调发展状况越好。协调发展度D的计算公式[31]为

(4)

为衡量系统间协调发展的相对尺度，借鉴国内外有关协调发展度等级划分的研究成果[23,29]，将协调发展度阈值划分为5个区间：[0，0.2)、[0.2，0.4)、[0.4，0.6)、[0.6，0.8)、[0.8，1.0]，分别对应的协调发展度类型为极度不协调衰退型、中度不协调衰退、临界协调发展、中度协调发展、良好协调发展。综合评价的结果分为两种情况：①当m=min{f(x),g(y),h(z)}时，为滞后型，如m=h(z)，为社会经济滞后型。②当f(x)=g(y)=h(z)时，流域水资源功能、涉水生态环境功能、社会经济功能同步发展，现状流域各系统间协调性良好，今后目标是实现更高水平的协调。

3 结果分析

利用各子区的相关数据进行计算，得到结果见表4。子区1、子区2、子区3以及子区6的健康状况属于亚健康状态，协调发展类型为临界协调发展；而子区4和子区5的健康状况属于不健康状态，协调发展类型属于中度不协调衰退型。

表4 评价模型计算结果Table 4 Calculation results of evaluation model

由表4中f(x)的变化趋势可知，从奎屯河流域中下游至尾闾地带水资源健康指数呈下降的趋势。子区1水资源开发利用规模较大，地下水开采率已达110.68%，处于不健康的状态；地表水资源开发利用率为68.20%，处于亚健康状态。子区2的地下水开采率达127.18%，处于不健康的状态；地表水资源开发利用率为63.20%，处于亚健康状态。子区3降雨稀少，蒸发强烈，2015年年均降水量为186.91 mm，干旱指数达11.40，处于不健康状态；水资源开发利用规模较大，地下水开采率已达99.15%，地表水资源开发利用率为70%。子区4、5位于奎屯河流域下游，平均降水量为178 mm，蒸发强烈，这两个子区平均干旱指数为10.61，处于不健康状态；同时，子区4、5灌区较多且人口分布较为密集，农业用水量与生活用水量已达到9.01亿m3，通过水利工程设施的引水量与河道的水量勉强维系两个子区的基本需水量，用水结构不合理，水资源承载力已经不足。子区6年均降雨稀少(158 mm)，蒸发强烈，干旱指数达11.39，处于不健康的状态；奎屯河、四棵树河、古尔图河向该区的生态输水保证率低，仅为30.29%，而该区健康生态输水保证率需达到90%以上。

从表4中g(y)的变化趋势可知，从奎屯河流域中下游至尾闾地带涉水生态环境指数基本呈下降的趋势。子区1水土流失率达64.02%，已处于病态；植被覆盖率低，仅为40.25%，处于亚健康状态；该区水质综合污染指数较高(0.47)，处于亚健康状态。子区2水质综合污染指数高(1.17)，相当于地表水环境质量标准的Ⅲ类标准，该区的氟化物已处于劣Ⅴ类状态；同时该区生态环境脆弱，土壤盐渍化现象严重，水土流失率达68.44%，已处于病态。子区3、4、5土壤盐渍化现象严重，植被覆盖率低，子区3平均植被覆盖率仅为39.69%，处于不健康状态。子区6水质矿化度为11 g/L，处于不健康的状态；该区植被覆盖率为65%，处于健康的状态，灌木林地所占面积比例为50%，处于亚健康状态；以梭梭和白梭梭为主的荒漠生态环境较好，在考虑到外界干扰时，甘家湖区白梭梭种群零级动态指数约为1.5%，大于0，白梭梭种群是较为稳定的；该区野生动植物丰富度达60%，处于健康的状态。综合全流域涉水生态环境健康指数来看，流域土壤盐渍化、水土流失现象较为严重，全流域耕地盐渍化面积占耕地面积的90.16%，荒地土壤盐渍化更为严重，兵团第七师荒地土壤几乎100%盐渍化，全流域无明显侵蚀面积仅为8 112 km2，占流域土地面积的28.66%。

从表4中h(z)的变化趋势可知，从奎屯河流域中下游至尾闾地带社会经济指数也基本处于下降的趋势。子区1水利工程措施不完善，输水渠道损失率为45.8%，处于亚健康的状态；该区的农业用水效率低，节水灌溉率仅为36.90%，处于不健康的状态。子区2饮水困难人口比例较高(45.95%)，已处于不健康的状态；城镇化健康水平低，城镇化率为26.75%，《国家新型城镇化规划(2014—2020年)》指出城镇化健康有序发展，常住人口城镇化率应达到60%左右；水利工程措施不完善，输水渠道损失率为46.06%，处于亚健康状态；防洪标准较低，仅为5年一遇，抗洪能力较差。子区3饮水困难人口比例高(71.72%)，处于不健康的状态；城镇化健康水平低，城镇化率为41.2%；该区的农业用水效率较低，节水灌溉率为59.78%；防洪标准较低，仅为5年一遇，抗洪能力较差。子区4万元工业值用水量较大，现状年均值为24.16 m3/万元，处于亚健康状态；农业用水效率较低，节水灌溉率为43.21%，处于不健康状态；饮水困难人口比例为46.20%，处于不健康的状态。子区5万元工业值用水量较大，现状年均值为24.32 m3/万元，处于亚健康状态；城镇化健康水平较低，该区城镇化率为44.80%，处于亚健康状态。对子区6的环境保护意识较高，区内人员环境保护意识比例为69.80%；但该区的环保投资指数较低，2015年仅为0.38%，远小于2.5%，今后政府应着重关注该区的投资环保建设工作。

奎屯河流域水资源匮乏，涉水生态环境完整性正逐渐衰退，社会服务功能发展极不均匀。由表4可见，子区1、子区6属于水资源健康滞后性区域，子区2、3、4、5属于涉水生态环境健康滞后性区域，说明奎屯河流域水资源短缺、涉水生态环境脆弱，流域内水资源供需、水生态环境和人类经济社会发展已处于不平衡状态。各子区的协调度较高，而协调发展度较低，表明各子区的协调发展水平受水资源、涉水生态环境、社会经济间综合发展水平的制约，今后流域管理应着重提高水资源、涉水生态环境、社会经济的发展水平。

4 结 论

a. 奎屯河流域健康评价结果表明，现状年(2015年)处于亚健康状态的分区有：子区1、子区2、子区3、子区6，综合评价指数分别为：0.419、0.404、0.408、0.401，协调发展类型为临界协调发展；处于不健康状态的分区有子区4和子区5，综合评价指数为0.358和0.343，协调发展类型属于中度不协调衰退型。

b. 从水资源、涉水生态环境、社会经济健康指数比较来看，水资源健康指数制约奎屯河流域健康发展占有最高比例，流域内总用水需求的增长，水资源承载能力已经严重不足，受人为因素与极端气候因素的影响，流域内涉水生态环境受到一定破坏，社会经济健康状况不容乐观。从流域协调发展状况来看，提高流域综合健康评价指数是协调发展该流域的关键。