常州市河流生態(tài)用水效率評(píng)價(jià)研究

潘 磊，何曉靜，李勛章，胡騰騰，劉飛詩，付梁其，6

(1.常州市金壇區(qū)水利規(guī)劃服務(wù)中心，江蘇 常州 213200；2.江蘇省水文水資源勘測局常州分局，江蘇 常州 213100；3.常州市金壇區(qū)水資源管理服務(wù)中心，江蘇 常州 213200；4.常州市金壇區(qū)水利建設(shè)管理所，江蘇 常州 213200；5.江蘇遠(yuǎn)瀚建筑設(shè)計(jì)有限公司，江蘇 常州 213000；6.常州市金壇區(qū)人力資源服務(wù)有限公司，江蘇 常州 213200)

0 引 言

隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)和城市的快速發(fā)展，城市河流面臨著嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)。一方面，工業(yè)和生活用水量的不斷增加，大大減少了城市河流的徑流量，水閘和水壩等水利設(shè)施導(dǎo)致河流長期干涸[1-2]。此外，工業(yè)和生活廢水的過量排放，對(duì)河流造成了嚴(yán)重污染，破壞了城市生態(tài)系統(tǒng)，有的還形成了新的生態(tài)環(huán)境問題。另一方面，要改善城市的生活條件，就必須恢復(fù)城市河流的環(huán)境健康，滿足人們的生態(tài)和景觀要求。因此，城市河流生態(tài)用水的需求量以及生態(tài)修復(fù)目標(biāo)的制定至關(guān)重要。

大量研究者從水文循環(huán)、水環(huán)境保護(hù)、水資源開發(fā)利用等方面給出了城市河流生態(tài)用水的定義。最初的定義是由Covich(1993)[3]提出的，認(rèn)為城市河流生態(tài)用水量是確?；謴?fù)和維持河流健康生態(tài)系統(tǒng)所需的水。隨后，Gleick[4]提出了基本城市河流生態(tài)用水的概念框架，認(rèn)為提供一定數(shù)量和質(zhì)量的徑流對(duì)于維持生態(tài)系統(tǒng)健康、保護(hù)物種多樣性和生態(tài)系統(tǒng)完整性非常重要。劉昌明[5]總結(jié)了城市河流生態(tài)用水的3種定量方法：①防止現(xiàn)有生態(tài)系統(tǒng)進(jìn)一步退化的“最小”用水量；②基于生態(tài)系統(tǒng)水文條件最佳匹配的“合適”用水量；③“最大”區(qū)域缺水量或氣候?qū)W定義的區(qū)域性缺水量，包括該區(qū)域的生態(tài)缺水。

城市河流生態(tài)用水的定義和計(jì)算方法以及河流功能的實(shí)現(xiàn)不能有效地解決時(shí)間目標(biāo)和恢復(fù)標(biāo)準(zhǔn)問題。因此，針對(duì)不同的功能目標(biāo)和標(biāo)準(zhǔn)，需要用城市河流生態(tài)用水效率來評(píng)估[6]。如對(duì)于一些城市河流，就水生生境目標(biāo)而言，當(dāng)前河流的許多部分已經(jīng)干涸，水生功能早已不復(fù)存在。因此，根據(jù)目前的標(biāo)準(zhǔn)，水生生境的生態(tài)需水量幾乎為0，無法提供科學(xué)合理的生態(tài)參考值，導(dǎo)致水資源短缺與生態(tài)環(huán)境之間的矛盾日益凸顯。基于此，本文探討用模糊綜合評(píng)判的方法評(píng)估城市河流生態(tài)用水效率，應(yīng)用數(shù)據(jù)包絡(luò)分析的手段檢驗(yàn)評(píng)估是否有效，再根據(jù)加權(quán)平均法得到各指標(biāo)的總評(píng)價(jià)值，最終建立一套對(duì)于城市生態(tài)用水效率評(píng)價(jià)較為適用的指標(biāo)體系和評(píng)價(jià)方法。本研究的具體目標(biāo)是：①確定常州市城市河流生態(tài)用水效率的評(píng)價(jià)指標(biāo)和標(biāo)準(zhǔn)，提出一種改進(jìn)的河流生態(tài)用水效率計(jì)算模型；②根據(jù)常州市2010年～2020年城市河流生態(tài)用水效率變化情況，計(jì)算該市河流生態(tài)用水效率的分類等級(jí)；③將研究結(jié)果用于分析常州市河流生態(tài)用水狀況的合理性，并提出建設(shè)性意見。

1 材料與方法

1.1 城市河流生態(tài)用水效率評(píng)價(jià)指標(biāo)體系及其評(píng)價(jià)等級(jí)標(biāo)準(zhǔn)

城市生態(tài)用水主要包括公園湖泊用水、風(fēng)景觀賞河流用水、城市綠化與園林建設(shè)用水以及污水稀釋用水[6]。本文選取了河道疏浚頻率、透水表面率、植被覆蓋率、污水處理率、河道未渠化率等5個(gè)指標(biāo)為評(píng)價(jià)城市河流生態(tài)用水效率的指標(biāo)。

首先，河道疏浚和底泥處理可以使水系疏通，從而提高河流生態(tài)用水效率。本文為了簡化指標(biāo)，用水面率表征河道疏浚頻率[7]，并根據(jù)資料查得常州市最優(yōu)水面率為0.2[8]；其次，城市高速發(fā)展使不透水的表面積越來越大，造成植被覆蓋率不斷減小，從而使得“滲透量減少→徑流的增加→河流基流的減少”[9]，影響河流生態(tài)用水效率，透水表面率可查閱年鑒獲得；再次，河道渠化率的增加導(dǎo)致水體與土壤的物質(zhì)交換減弱，“四水平衡”無法得到有效滿足[10]。同樣，污水處理得不到重視，偷排、亂排現(xiàn)象時(shí)有發(fā)生，也干擾了河流生態(tài)系統(tǒng)的平衡，致使城市生態(tài)用水的效果不能體現(xiàn)[11]。因此，植被覆蓋率、污水處理率、河道未渠化率均是本文研究的重點(diǎn)。

根據(jù)以上選取的指標(biāo)及其解釋，本文還需對(duì)城市河流生態(tài)用水效率進(jìn)行劃分，共有5個(gè)評(píng)價(jià)等級(jí)，分別對(duì)應(yīng)了生態(tài)用水效率的很差(一級(jí))、較差(二級(jí))、普通(三級(jí))、好(四級(jí))、很好(五級(jí))。各指標(biāo)相對(duì)于5個(gè)等級(jí)的評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)臨界值見表1。

表1 常州市河流生態(tài)用水單因素評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)

1.2 城市河流生態(tài)用水效率的模糊綜合評(píng)價(jià)模型

模糊物元評(píng)價(jià)法是蔡文教授1986年提出的一種評(píng)價(jià)決策方法，已成功應(yīng)用于許多工程領(lǐng)域[12]。該方法推理過程嚴(yán)格，計(jì)算工作量小，且項(xiàng)目描述機(jī)制不受項(xiàng)目特征的限制，能有效地解決大量的問題，適用于各類多指標(biāo)因子問題的綜合評(píng)價(jià)?；谶@一思想，物元分析包括以下基本步驟：首先，將系統(tǒng)劃分為物元(對(duì)象)。其次，選擇分析或評(píng)估因素并定義類別，然后定義每個(gè)因素的分類區(qū)間，對(duì)于每個(gè)類，區(qū)間的范圍稱為經(jīng)典域，而所有類的整個(gè)值范圍稱為分段域。最后，計(jì)算每個(gè)因素的相關(guān)度(每個(gè)因素與類別標(biāo)準(zhǔn)的匹配程度)，通過加權(quán)平均法等模型積分方法，計(jì)算出各類物元的綜合關(guān)聯(lián)度。

類(包括最大綜合相關(guān)度)定義了物元屬于什么樣的等級(jí)[13-14]。物元分析法結(jié)合事物的特性和價(jià)值，建立它們之間的函數(shù)關(guān)系，具體公式如下

R={M，C，X}

(1)

式中，R為物元；M為物(本文中表示生態(tài)用水效率)；C為物的特征；X為C的價(jià)值。

對(duì)于已經(jīng)選取的常州市河流生態(tài)用水效率表征指標(biāo)，本文根據(jù)各指標(biāo)的特征值，需要確定出每個(gè)指標(biāo)相對(duì)于5個(gè)評(píng)價(jià)等級(jí)的模糊隸屬度矩陣，即

(2)

(3)

式中，μij為第i個(gè)事物第j項(xiàng)特征對(duì)應(yīng)的模糊量值，即隸屬度[13]。處理后，可得到常州市城市生態(tài)用水效率評(píng)價(jià)的模糊物元矩陣，即

(4)

為了判別模糊綜合評(píng)價(jià)是否有效，本文引入數(shù)據(jù)包絡(luò)分析方法[15]，形成一種改進(jìn)的模糊綜合評(píng)價(jià)，目的是為了在保證評(píng)估有效的同時(shí)，還可以找出河流生態(tài)用水效率較差的原因，從而給出改善的建議和要求。具體的技術(shù)路線見圖1。

圖1 改進(jìn)的模糊綜合評(píng)價(jià)技術(shù)路線

2 實(shí)證分析

本文以江蘇省常州市為研究對(duì)象。常州市地處江蘇省南部，位于北緯31°09′～32°04′，東經(jīng)119°08′～120°12′之間，北倚長江天塹，南與安徽省交界，東瀕太湖與無錫市相連，西與南京、鎮(zhèn)江兩市接壤[16]。常州市境內(nèi)河流縱橫交織，湖塘星羅棋布，著名的有泊洮湖(長蕩湖)、滆湖、太湖三大天然湖泊，并有沙河(天目湖)、大溪兩大人工水庫，貫通全境的京杭大運(yùn)河更是支流密布，脈脈相連，形成江河相通，三湖相連的水系網(wǎng)絡(luò)[16]。

常州市河流生態(tài)用水主要通過換水所得，根據(jù)常州市水利局提供的有關(guān)數(shù)據(jù)，以及歷年統(tǒng)計(jì)年鑒及水資源公報(bào)，統(tǒng)計(jì)得到2010年～2020年常州市生態(tài)用水效率評(píng)價(jià)指標(biāo)值，見表2。

表2 常州市生態(tài)用水效率評(píng)價(jià)指標(biāo)值

以2020年為例，計(jì)算常州市生態(tài)用水效率等級(jí)，分別計(jì)算出2020年各指標(biāo)相對(duì)于5個(gè)等級(jí)的用水效率評(píng)價(jià)的模糊物元矩陣為

(5)

i=1，2，…，5

(6)

(7)

計(jì)算可知，2020年城市河流生態(tài)用水效率各指標(biāo)的基本狀態(tài)為

(8)

根據(jù)計(jì)算結(jié)果，2020年各指標(biāo)的評(píng)價(jià)值均在3.5以上，即均高于中等效率，生態(tài)用水效果良好。同理，可求其他各年度的常州市河流生態(tài)用水效率等級(jí)，計(jì)算結(jié)果見表3。

表3 2010年～2020年對(duì)應(yīng)的的取值情況

表4 2010年～2020年對(duì)應(yīng)的的檢驗(yàn)情況

通過常州市的實(shí)證研究，對(duì)2010年～2020年11個(gè)決策單元進(jìn)行對(duì)比計(jì)算可以得到，2010年、2017年、2018年、2019年、2020年5個(gè)決策單元通過了數(shù)據(jù)包絡(luò)分析的檢驗(yàn)，即這5個(gè)決策單元相對(duì)于11個(gè)同類單元已經(jīng)是最優(yōu)單元。而2011年～2016年則還存在上升空間，在某些方面有所欠缺。

3 討論與建議

(1)數(shù)學(xué)模型計(jì)算結(jié)果基本符合事實(shí)，以2011年為例，常州市在2011年的河道整治、綠化、污水處理、河道生態(tài)景觀化上確實(shí)做得還不到位，需要加大投入。但是，計(jì)算結(jié)果也表明了常州市的生態(tài)水系整治卓有成效，從2016年開始，常州市形成了一套水資源安全供給與生態(tài)環(huán)境保護(hù)相協(xié)調(diào)的水環(huán)境保護(hù)體系，實(shí)現(xiàn)了水功能區(qū)水質(zhì)改善的階段目標(biāo)，建成了水質(zhì)潔凈、河道景觀優(yōu)美、城市綠化率高的生態(tài)城區(qū)；完善了防洪除澇工程體系，保障了水系安全，實(shí)現(xiàn)了人、水和諧共處，促進(jìn)了經(jīng)濟(jì)社會(huì)可持續(xù)發(fā)展；完成了區(qū)內(nèi)水系調(diào)整工程，骨干水系拓浚、溝通工作，區(qū)內(nèi)配套建筑物工程；建設(shè)了活水工程、生態(tài)河流與景觀河道；制定了新北高鐵片區(qū)活水工程方案、河道建設(shè)和管理?xiàng)l例等。

(2)根據(jù)常州市城市水系管理的客觀需求，建議選擇水安全、水資源、水環(huán)境、水景觀、水經(jīng)濟(jì)、水文化作為未來城市水系治理的主要研究目標(biāo)。其中，水安全目標(biāo)主要針對(duì)城市水系的蓄水功能和滯洪功能；水資源目標(biāo)主要針對(duì)城市長期生活和生產(chǎn)活動(dòng)中所需要的兼具數(shù)量要求和質(zhì)量前提的水的功能；水景觀目標(biāo)主要針對(duì)城市水系的土地升值功能和旅游增收功能；水生態(tài)目標(biāo)主要針對(duì)城市水系的水質(zhì)凈化功能和大氣調(diào)節(jié)功能；水經(jīng)濟(jì)目標(biāo)主要針對(duì)水產(chǎn)品功能和水運(yùn)功能；水文化目標(biāo)主要針對(duì)科學(xué)治水方法之外的，由文化治水方法所帶來社會(huì)、經(jīng)濟(jì)進(jìn)步的功能。

4 結(jié) 語

本文運(yùn)用基于模糊綜合評(píng)判方法的數(shù)學(xué)模型，對(duì)常州市河流生態(tài)用水效率進(jìn)行研究，引入數(shù)據(jù)包絡(luò)分析進(jìn)行結(jié)果檢驗(yàn)，得到的結(jié)論基本符合實(shí)際情況。此外，本文還從水安全、水資源、水環(huán)境、水景觀、水經(jīng)濟(jì)、水文化等角度提出了改善意見，為未來城市生態(tài)用水效率的評(píng)價(jià)找到新思路、新方法。本文還有許多不足之處，需要進(jìn)一步研究：

(1)指標(biāo)的選取。涉及生態(tài)環(huán)境的指標(biāo)，需要指示一個(gè)確定的區(qū)域上，最近的以及(或)預(yù)期的生態(tài)或自然質(zhì)量，這些參數(shù)是生態(tài)系統(tǒng)自身的特性，并且至少包含部分生物參數(shù)(物種、存在性、組成豐富性、物種數(shù)量等)。因此，生態(tài)用水效率的指標(biāo)應(yīng)該是包括生態(tài)系統(tǒng)的方方面面的，未來還需深入研究，進(jìn)一步完善指標(biāo)體系。

(2)數(shù)據(jù)包絡(luò)分析模型的改進(jìn)。本文所使用的數(shù)據(jù)包絡(luò)分析模型雖然對(duì)各個(gè)決策單元做了很好的比較，找出了最優(yōu)單元。但不足之處是，在同類單元之中最優(yōu)并不能說明就是優(yōu)秀單元，還需要有參照標(biāo)準(zhǔn)。未來可致力于引入最優(yōu)單元，修正生產(chǎn)可能集，從而評(píng)價(jià)每個(gè)決策單元是否是優(yōu)秀單元，使城市生態(tài)用水效率評(píng)價(jià)體系更加可靠。