基于突变级数法的小流域生态健康研究

田林钢 胡起源

摘 要：小流域生态健康受多方面因素的影响，为了评价流域生态健康状况，以突变级数法为基础，建立了小流域河流生态健康评价指标体系，从自然和人为两方面，共选取了2个一级指标、5个二级指标、15个三级指标，对新密市8个小流域生态健康的影响因素进行了计算和分析，结果表明：2015—2017年研究流域生态健康受影响程度等级均为4級，但流域生态健康受影响程度逐年上升;自然因素的影响较为稳定，人为因素的影响明显增大，流域生态健康受影响程度与人为因素的变化趋势一致。

关键词：生态健康;突变级数法;生态治理;小流域

中图分类号：TV214   文献标志码：A

doi：10.3969/j.issn.1000-1379.2020.04.014

Abstract： The ecological-health of small watershed is affected by many aspects. In order to improve the ecological-health of the watershed and provide theoretical support and work direction for the study of ecological governance of the watershed， based on the catastrophe progression method， an evaluation system for the factors affecting the ecological-health of small watershed was established. Two first-class indicators， five second-class indicators and 15 third-class indicators were selected from the natural and human aspects.The results show that from 2015 to 2017， the affected degree of ecological health in the study basin is grade 4 and the affected degree of ecological-health in the basin is increased year by year; the impact of natural factors is relatively stable， the impact of human factors is significantly increased and the affected degree of ecological health in the basin is consistent with the change trend of human factors.

Key words： eco-health of watershed; catastrophe series method; ecological control; small watershed

水是生态系统中不可或缺的构成要素和重要介质，人和其他生物的生存都与水密切相关。但是，我国水资源分布不均，人均水资源量较少，该情况在北方地区尤为严重。随着人口增长和工农业生产的发展，流域河道和河岸带不断受到人类活动的干扰，如土地围垦、污水直接排入河道，水环境生态健康面临着严峻考验，流域生态系统整体性被破坏，景观生态可持续性下降[1-2]。另外，气候变化对水循环和水资源产生影响，进而影响岸边带生态环境与功能[3]。

水生态治理迫在眉睫。党的“十八大”以来，党中央着眼于生态文明建设全局，明确了“节水优先、空间均衡、系统治理、两手发力”的治水思路。2019年9月，习近平总书记在黄河流域生态保护和高质量发展座谈会上，对黄河治理提出了明确要求，其中加强生态环境的保护，充分考虑上中下游的差异，促进河流生态系统健康，提高生物多样性;推进水资源的节约集约利用，把水资源作为最大的刚性约束，发展节水产业和技术，实施全社会节水行动，推动用水方式由粗放向节约集约转变;推动流域高质量发展，从实际出发，积极探索富有地域特色的高质量发展新路子等，也是多数北方河流治理的重点与要点。

为了保证水生态修复工作的准确性和高效性，需要建立起有效的评价机制及时对河流的情况进行监控和治理。目前对大江大河的生态健康研究已相对完善，相关部门根据各流域特点，制定了对应的政策，河流生态健康情况有了明显改善，如对黄河流域水功能区、水域纳污能力、水污染治理等方面进行监督和治理，并在水土流失严重的地区建设淤地坝，较大程度缓解了黄河流域水体污染及水土流失情况[4]。但是小流域生态健康情况研究不足，多数河流存在不同程度的污染，但因缺乏合适的评价指标体系，存在治理方向不明确、治理重点不突出等问题。

为了实现小流域的有效治理，基于突变级数法建立小流域生态健康评价指标体系，根据2015—2017年新密市8个小流域的数据，对影响流域生态健康的因素进行分析，找出其中重要的影响因素，以期为下一步生态治理工作指明方向。

1 研究对象

1.1 研究对象概况

以新密市境内泽河、杨河、云岩水、微水、澧泉河、里湾河、朝阳水、腾蛟水等8个小流域为研究对象。新密市为郑州市下辖县级市，距郑州市40 km，面积1 001 km2，人口80.97万人。新密市境内河流径流来源主要为降水，径流时空变化规律与降水时空变化规律基本一致。受亚热带季风气候影响，降水年内分配不均，年际变化大。多年平均降水量为648.6 mm，降水多集中于夏秋两季，汛期6—8月降水量约占全年降水量的54.6%，年均蒸发能力1 730.3 mm。

所研究小流域未进行过系统治理，缺少管护，河道大部分完整，河流弯曲程度较好，上游均属山区，植被覆盖率高，水质较好。现状调查发现，地下水开采管理粗放，节水灌溉技术推广率不高，生活污水和工业废水直排入河，沿岸生活垃圾随意堆放，部分河段岸线被侵占或破坏。随着河南省人口结构变化和经济快速发展，非农业用水大幅增加，不可避免挤占农业用水，造成农业用水形勢紧张[5-6]。

目前已修建的工业污水处理厂均建于工厂集中区域，用于处理附近工业污水，但目前仍有部分工业企业不在污水处理厂覆盖范围内，且内部无污水处理设施，产生的工业污水直排入河，对水生态健康造成了严重影响。生活污水处理厂主要集中于城区和社区中，还有少部分建于乡镇，但该部分污水处理厂处理能力和覆盖范围有限，大多仅能处理周围4～7个村的生活污水，并且大多数村污水收集设施建设不完善，大量生活污水直排入河，对水质和环境造成了不利影响。在河道治理方面，河流沿岸修建工厂、围垦近岸土地、拦河养殖等情况十分突出，不仅不利于河道防洪安全，而且不利于河道生态健康。

1.2 数据来源和信息收集

数据分为现场数据与历史数据两部分。为了获取真实有效的现场数据，2018年1月对新密市8条小流域河流现状进行了实地调查，调查内容为河道形态、河道周边现状、流域现状、植被情况和河岸治理情况等，其中植被情况和河岸治理情况采用现场调查和卫星影像相结合的方法得到。历史数据如当地年降水量、水资源量、各类用水情况来源于《河南统计年鉴》等。

2 评价指标体系建立

2.1 突变理论

突变级数法是一种基于突变理论和微积分理论推导的模糊函数理论，通过突变隶属函数和归一化公式计算出各目标的定量值，并进行归一化综合量化运算的综合评价方法[7]。与常见的评价方法如层次分析法、熵权法相比，突变级数法考虑了指标间的相对重要程度，通过归一化公式计算指标值，不进行人为主观赋值，减少了在权重分配时的主观性，降低了软件操作难度，减少了计算程序，因此普遍适用于评价指标体系年际发生变化的研究。

突变级数法的主要计算步骤：①建立评价指标体系。将系统分解为若干指标组成的多层次系统，建立评价指标体系，各指标层需要将较重要的指标放在前面。需要注意的是，分解的子指标不得多于4个。②指标处理。将指标按照正向或负向进行无量纲化处理，使指标值为[0，1]。③归一化计算。利用归一化公式（见表1）从下层向上层推导各指标层的定量值，直至总突变隶属度值。另外，系统内指标间存在“互补”与“非互补”两种关系，若指标间是互补关系，则将各指标归一化计算结果的均值作为系统的控制变量x;若指标间是非互补关系，则将各指标归一化计算结果中的最小值作为系统的x值。

2.2 指标选取及评价指标体系建立

根据环境保护部《流域生态健康评价技术指引》（环办函[2013]320号），结合流域具体情况，遵循科学性、系统性、全面性等原则，按照主导生态功能的影响因素，将一级指标分为自然因素和人为因素两方面，见表2（其中，一级指标为非互补关系，二级指标、三级指标各指标间为互补关系）。

流域是一个独立的生态与地理单元，流域水文循环推动着流域内各生命体间的联系与信息交流。小流域作为一个较小的单元，水文因素的影响显得尤为重要，所以将自然因素分为水资源和河道地形2个二级指标，其中水资源分为年降水量变化率、地表水资源量变化率、水资源总量变化率3个三级指标，河道地形分为河流弯曲河道比例、河道比降、植被覆盖良好河段比例（由于植被覆盖情况对土壤储存雨水功能起到正向作用，对土壤各项指标如水土流失、土壤入渗、土壤荒漠化有重要影响，因此近岸土地植被覆盖率与河道地形关系密切[8]）3个三级指标。

流域的生态健康受人为因素影响较大，包含积极影响与消极影响两方面，研究选取了用水、水污染和治理3个二级指标，其中用水分为工业用水量变化率、农业用水量变化率、生活用水量变化率、生态环境用水量变化率4个三级指标，水污染分为工业污水排污口处理率、生活污水排污口处理率、单位面积化肥施用量变化率3个三级指标，治理选取了污水处理厂控制范围比例、河道治理比例2个三级指标。

根据研究流域的现状，共选取了2个一级指标、5个二级指标、15个三级指标来分析不同因素对流域健康情况的影响程度。三级指标根据数据计算方式的不同分为年际指标和河流指标，年际指标采用相邻两年的数据计算求出，河流指标根据选取的8条河流相应的数据计算求出。三级指标计算方式和分类见表3。

将流域生态健康受影响程度分为4级，受影响级别越高，影响程度越大，影响程度等级划分见表4。

2.4 数据分析

（1）自然因素。影响小流域生态健康最主要的自然因素是流域径流量，研究区8条河流均为降水补给型河流，故直接受降水年际变化的影响。流域内径流的产生不仅与降水有关，还与下垫面有关，河道弯曲程度和坡降影响河道调节洪峰的能力，同时与生态系统的多样性有着紧密联系，而河道周边植被覆盖情况决定了河岸的稳定程度。通过谷歌地图可以看出，研究区8条河流整体河道走向、坡降及沿岸植被覆盖情况基本保持长期不变，因此可将河道地形因素视为固定影响。

（2）人为因素。人为因素主要包括用水、水污染和治理三方面，其中影响最大的是水污染情况。水污染情况主要受排污口治理情况和农业面源污染治理情况影响。由表5可以看出，2017年在排污口治理方面，生活排污口处理情况较好，工业排污口治理工作还有很大提升空间。新密市2013—2017年各项用水量呈逐年增加趋势，其中工业用水量在2013—2016年是逐年增加的，原因是新密市的主要产业为工业生产，冶金业、造纸业和耐火材料业十分发达，但2017年工业用水量有所减少，这与国家的节水政策和发展集约节约产业的思路一致;农业用水量的变化情况与工业用水量的变化情况一致，与国家发展高效灌溉的趋势一致，但是经现场调查，研究流域农业灌溉大多采取漫灌方式，灌溉水利用效率有待进一步提高;生活用水量除2014年以外，其余年份均呈增加趋势，与新密市推进城镇化、扩大自来水供水范围的实际情况一致;生态环境用水量数据仅查到2015年，虽然2015—2017年生态环境用水量小幅提高，但除了市区周边的生态情况较好外，市区内及远离市区的地区生态环境较差，还有较大提升空间。

（3）小流域生态健康受影响情况评价。通过表4、表8可以看出，2015—2017年研究流域生态健康受影响程度等级均为4级，但流域生态健康受影响程度逐年上升。由图1可以看出，2015—2017年，自然因素的影响较为稳定，人为因素的影响明显增大，流域生态健康受影响程度与人为因素变化趋势一致。

3 结 语

对比2015—2017年数据可知，流域自然因素的突变隶属度变化幅度很小，对流域生态健康起到持续、积极的影响，但流域整体生态健康情况还有很大的提升空间，要在维持和保护好目前自然环境的前提下，将大幅度提高人为因素对流域生态环境的积极影响作为下一步工作的重点。

在人为因素方面，国家和当地政府对生态环境健康逐渐重视。在用水方面，要继续发展节约集约产业，合理利用水资源，从新密市的实际情况出发，建设有地方特色的、高质量的产业。在保证工农业等用水量的前提下，提高生态环境用水量，不仅要注重城区水生态建设，流域内水土流失情况也要予以重视，保证河道生态基流，保持河道自净能力。水污染治理方面，继续推进生活、工业污水处理工作，提高污水处理厂（站）覆盖范围。在河道治理方面，主要目标是恢复自然河道，保证河道防洪安全，尽量采用生态护坡，减少硬化、渠化河段。

生态治理是一项长期、动态工作，不仅要解决历史性问题，還要解决随着社会发展产生的新问题，建立的小流域生态健康影响因素评价指标体系的各项指标会随着时间的变化而变化，因此在以后的工作中要不断完善和改进。

参考文献：

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【责任编辑 吕艳梅】