洞庭湖区水系连通工程指标体系与评价方法

李凯轩，李志威,2，胡旭跃,2，陈 帮，钱 湛，王赞成

(1.长沙理工大学水利工程学院，湖南 长沙 410114； 2.洞庭湖水环境治理与水生态修复湖南省重点实验室，湖南 长沙 410114；3.湖南省水利水电勘测设计研究总院，湖南 长沙 410007； 4.湖南百舸水利建设股份有限公司，湖南 长沙 410007)

洞庭湖区的水资源在时空上分布不均匀，局部水系状况与当地经济发展要求不相匹配，未发挥应有的连通功能，导致洞庭湖区局部出现较严重的洪涝灾害、水环境污染和水生态问题。实施河湖水系连通工程是实现洞庭湖区水资源统一调配和防洪排涝的重要途径，是改善洞庭湖区水质和修复水生态系统的有效措施，对社会经济发展起到推动作用[1]。目前洞庭湖区(湖南省部分)已规划和在建24个水系连通工程，以改善当前河湖的亚健康状况[2]。这些工程虽已通过前期的工程规划和可行性研究论证，但由于投资额度较大，对工程区域也将产生较大影响，其科学性和合理性应得到更多定量评价。

水系连通作为维持、改善和构建健康河湖关系以及合理配置水资源的有效举措，在国内外已得到较多工程实践和理论研究[3-5]。近年来，诸多学者运用指标法分析和评价特定区域的水系连通状况及其变化。Bracken等[6]运用评价指标探讨和预测宏观尺度下河流的水文连通性，Rivers-Moore等[7]选取指标从纵向、横向和时间3个维度，分析局部河段或断面尺度的综合连通性。在国内，构建水系连通性评价指标体系是最常用的方法之一。体系的层次构建大多按照相同的步骤，即首先确定水系连通性评价的最终目标层，再从水系连通格局[8]、结构连通性[9-11]、水力连通性[9-10]、自然功能[12-13]、社会功能[10,12-13]、社会经济[14-15]和生态环境[9,10,14-15]等方面设置准则层，最后选取与准则层相关的指标组成指标层。前人还讨论了指标权重的设置[9]、水系连通形态指标与功能指标之间的内在相关性[8]以及城镇化进程与水利工程建设对水系连通形态和功能的影响[10,12]。评价指标可以作为一种理论工具，指导综合合理运用经济和社会资源，使得水系连通工程获得最大收益[7]。现有的水系连通性评价指标体系具有一定的客观性和通用性，但并不完全适用于洞庭湖区的特定水系连通工程的综合评价。

表1 洞庭湖区水系连通工程指标体系

当前对洞庭湖区水系连通工程的理论研究落后于实践，主要研究水系连通工程实施前后水系的形态格局和连通性变化[16]，对洞庭湖区水系连通工程实施效果的综合评价尚缺少相关阐述。本文构建了与洞庭湖区社会经济发展和生态文明建设要求相适应的水系连通工程指标体系与评价方法，并应用于水系连通示范工程，评价其对水系格局、水资源配置、水生态环境和社会经济发展的综合影响，可为现有水系连通工程的评估提供定量方法，也为实施新的水系连通工程提供参考。

1 洞庭湖区水系连通工程指标体系

1.1 指标体系构建的基本原则

①适用性：指标体系的构建最终服务于洞庭湖区水系连通工程评价，不仅要考虑目前已规划和在建的水系连通工程，还应符合洞庭湖区社会经济发展和生态文明建设要求，适用于洞庭湖区未来新的水系连通工程评价；②层次性：指标体系应由主到次，逐层细化，用清晰明了的方式呈现；③关键性：选取的指标应能描述水系连通工程的关键特点和主要实施效果；④定性和定量结合：应包含定量评价指标，保证结果的客观性，又能将难以量化的指标通过定性分析予以评价。

1.2 指标选取与体系构建

充分参考已有研究中的指标，综合考虑洞庭湖区已有水系连通工程的性质、特征和目的，寻找其中的共性和差异，最终确定4个主要评价要素，共12个指标，构建指标体系如表1所示[8,15,17]。

2 水系连通工程综合评价方法

2.1 确定指标的权重

洞庭湖区水系连通工程主要有城市水系连通工程、跨水系跨垸连通工程和垸内水系连通工程3类。城市水系连通工程通常会新增连通渠道，应将表征水系形态格局的结构连通性纳入综合评价中。跨水系跨垸连通工程主要通过长距离水资源调度进行定向补水，垸内水系连通工程主要通过清淤疏浚的方式加强水体流通，二者通常未新增连通渠道，因此在综合评价中不考虑结构连通性。根据4类指标与各类水系连通工程实施目标的相关性及其重要程度确定单类指标权重(表2)。根据单个指标在单类指标评价中的重要程度，确定单类指标中单个指标的权重(表1)。

表2 洞庭湖区水系连通工程单类指标权重

2.2 确定指标的评分规则

总结相关已有研究[12,16,18]，制定适用于洞庭湖区水系连通工程定量指标的评分标准(表3)。对于定性指标的评价，首先分析该水系连通工程的实施是否符合洞庭湖生态经济区规划的总体要求，其次是否符合当地独有的社会经济发展要求，最后考量符合要求的程度，同样分好、良、中和差4个等级，依次计10、8、6和4分。

表3 定量指标评分标准

图1 水系连通工程综合评价逻辑流程

图2 澧县城区水系连通工程

2.3 水系连通工程综合评分计算方法

从水系连通工程相关报告中提取基础数据，依据相应计算方法得到指标值，对照前文提到的指标评分规则进行指标计分。单个工程若限于数据完整性，遇到难以评价的指标时可适当采用相似指标进行替代评价[15]。单类指标得分A和综合评价得分Z的计算公式为

A=βA1A1+βA2A2+βA3A3

(1)

Z=β1A+β2B+β3C+β4D

(2)

式中：An为A类指标中单个指标得分；βAn为单个指标在A类指标评价中所占权重;βn为单类指标在综合评价中所占权重。B、C、D的计分方式与A相同。若Z<6，认为工程合理性较差；若6≤Z<8，认为工程合理性良好；若Z≥8，则可评定为优秀等级(图1)。

3 案例分析

由于部分工程的资料收集困难，难以对洞庭湖区(湖南省部分)已规划和在建的24个水系连通工程逐个分析评价。本研究选取资料较完整的澧县城区水系连通工程为典型案例，对指标体系和评价方法进行验证和应用，为城市水系连通工程及其他类型的水系连通工程的综合评价提供参考。

3.1 工程简介

湖南省澧县城区水资源总量丰富，但水系未整体连通，加之部分工业废水和生活污水汇入其中，导致局部水环境恶化。尤其是在枯水干旱季节，澹水、栗河、襄阳河及部分灌排沟渠污染严重，制约了城区社会经济发展。为适应洞庭湖区城市发展和治水理念，创造良好的生态环境，满足澧县海绵城市发展和社会公众的水环境需要，当地启动了澧县城区水系连通工程。该工程规划了引澧济澹济涔片、老城区3线活水片和新城区活水片3个项目分片，共5条引水线路(图2)。其中，老城区活水南线分为东、西两段，西是回水渠渡槽出口—栗河凤凰堰段，东是栗河凤凰堰—黄沙湾自排闸引水渠段。项目区总面积为61 km2，人口为20多万人。

3.2 评价结果

3.2.1结构连通性评价

经计算结构连通性评价指标，Rr=1.85，α=0.06，γ=0.38。工程实施后，区域内每1 km2面积上分布河、渠约2 km，水系发育水平和通达情况较好，但水系之间仍未能形成较好的连通通道，连接成环的水平一般。

3.2.2水力连通性评价

通过幸福引水闸从澧水干流引流9 m3/s进入澹水，可解决引澧济澹济涔活水线路水源问题。澹水流经涔水后又汇入澧水，以循环利用区域的水资源。由表4可知，工程实施后澧县新、老城区各活水路线的换水周期都大幅度缩短，特别是老城区活水中线的换水周期缩短至工程前的1/8，表明工程实施后水体置换效率提高。各路线常年保证2.00～5.00 m3/s的适宜流量和0.30～0.50 m/s的适宜流速(老城区活水南线的栗河及襄阳河水面宽、水深大，流速维持在0.02～0.03 m/s)，可较好实现交换自如和余缺互补的水力连通。

表4 澧县新、老城区各活水路线部分评价指标

3.2.3生态环境效益评价

栗河和襄阳河是贯穿澧县城区的主要排涝内河，据《澧县水功能区划》为Ⅲ类水质功能区。工程对其进行清淤截污，并保证流量为5.00 m3/s，可将原Ⅴ类水质提升至Ⅲ类，水功能区达标率为100%。由表4可得，工程实施后新、老城区各活水路线的最小换水流量提升至工程前的3倍以上，水体纳污能力强，表明河流水生态环境得到较好改善。

3.2.4社会经济效益评价

工程实施后项目区周边土地预计升值2.7亿元，按50 a的正常使用期计算，年化收益为1 466万元。工程实施前灌溉保证率低，导致粮食减产约1 200 kg/hm2，按2.5元/kg计算，年损失6 810万元，工程实施后可为耕地提供灌溉需水，增加灌溉效益2 724万元[19]。栗河和襄阳河同时也是城区的主要防洪内河，但二者在实际中主要用于打造水生态休闲景观，尚未见明显的防洪效益。

3.2.5案例综合评价

将定量指标值对比表3的评价标准，以洞庭湖区和澧县当地对生态经济区和特定工程区域的规划要求为定性评价依据，综合工程实施的实际效果，按照前文提出的评分规则和计算方法进行计分。其中，单类指标的权重是以表2中的城市水系连通工程为准。如表5所示，综合得分Z=9.4>8，可评定为优秀等级。该工程主要是由幸福引水闸和群星闸从澧水干流引水，分别对新、老城区及澹水进行水资源调配，以创造良好的生态环境，打造澧县水域靓城，因此水力连通性和生态环境效益评分最高，各项评价结果符合工程实际。在未来应以提高α和γ为重点，继续优化水系连通格局设计，并促进生态效益转化为社会经济效益。

表5 澧县城区水系连通工程综合评价评分

4 结 论

a. 选取了结构连通性、水力连通性、生态环境效益和社会经济效益4大要素的12个评价指标，构建评价指标体系。根据实际工程类型不同，对单类指标赋相应权值，并确定了单个指标在单类指标评价中的权重。制定了综合评价方法，可用于评价洞庭湖区水系连通工程实施的综合影响，也为其他区域的水系连通工程综合评价提供参考。

b. 澧县城区水系连通工程可评定为优秀等级，其评价结果与规划设计目标和工程实际情况相符。该区域的水系结构连通性较差，未来应调整水系的整体规划布局，并逐渐将生态效益转化为社会经济效益。

c. 本文采用的指标加权计算方法具有较好的可操作性和适用性，计算过程较为简单，下一步仍需结合水系连通工程实践，进一步探索科学的计算方法。