程海湖水生態(tài)承載力變化研究

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1 流域概況

1.1 地理位置

程海湖位于云南省麗江市永勝縣中部，距永勝縣城45 km，距昆明市476 km。地理坐標為東經(jīng)100°38′～100°41′，北緯26°27′～26°28′。

隨著周邊地區(qū)社會經(jīng)濟和公路建設(shè)的快速發(fā)展，程海鎮(zhèn)由過去的封閉落后逐漸發(fā)展成為一個開放型的經(jīng)濟開發(fā)區(qū)，鄉(xiāng)村公路發(fā)達，交通便利。

1.2 氣候及水文

程海湖區(qū)位于金沙江河谷地帶，屬于亞熱帶高原季風氣候，全年盛行南風；年平均氣溫19.1℃，最冷月平均氣溫8℃～11℃。每年11月至次年5月中旬，天氣晴朗，空氣干燥，日照充足。由于身處內(nèi)陸，地形閉塞，加上受熱帶大陸性氣團控制，北方冷氣團不易入侵，難以形成降水。而5～10月受熱帶海洋東南季風影響，云雨量增多，水氣充足，形成雨季。干旱指數(shù)(降雨量/蒸發(fā)量)為0.32，屬半干旱帶。程海日照時數(shù)2 500～7 500 h/a，多年平均日照數(shù)為2 403.6 h/a，湖區(qū)常年光照充足。

程海湖區(qū)多年平均降雨量為740.6 mm，蒸發(fā)量為2 000.3 mm，多年水面積為77.12 km2，是流域陸地面積(319 km2) 的24%。由于蒸發(fā)量是降雨量的2.69倍，尤其在枯水少雨年份，程海湖面的來水量減少，湖泊水位下降。同時，由于降雨量時空分布很不均勻，6～8月降雨量為全年主要降雨量來源，旱季較長，地面基本上無徑流，生產(chǎn)、生活用水在蒸發(fā)和滲漏下，不產(chǎn)生集中排水現(xiàn)象。

1.3 河流水系

據(jù)史料記載，程海湖曾經(jīng)河口流入程河，并匯入金沙江。歷史上湖水最大深度達72 m，湖水水位于1779年開始下降，1995年水位趨于穩(wěn)定，在1 500 m 上下波動。程海湖湖面呈橢圓型，水位在1 501 m時的湖水面南北長19.2 km，東西平均寬4.3 km。湖區(qū)最大寬度5.2 km，最小寬度2 km，湖岸線長45 km，最大水深35 m，平均水深25.7 m。2016年平均水位為1 496.92 m，對應(yīng)的湖泊容積為16.44億km3。受地形的限制，調(diào)蓄地表徑流能力有限，不具備修建蓄水等水利工程的地理條件。湖區(qū)的來水水源主要有4種：①湖面的天然降水；②湖區(qū)的地下出水；③地表徑流；④仙人河引水。

程海主要入湖河流有32條，多為季節(jié)性河流，雨季河流水量充沛，枯季基本為干河。由于水位低于湖水出口高程近40 m，形成了一個獨立的封閉型湖泊。

1.4 社會經(jīng)濟狀況

2015年程海湖流域在程海鎮(zhèn)范圍內(nèi)涉及9個行政村47個自然村共36 152人，其中有農(nóng)業(yè)人口31 300人，占總?cè)丝诘?6.5%。大部人口分布在程海的南部和北部，其中有一半的人口分布在南部，1/5的人口居住在北部，其余人口則散落分布在東部和西部。

2 程海湖水環(huán)境容量

水環(huán)境容量是指在不影響水的正常用途的情況下,水體所能容納污染物的量或自身調(diào)節(jié)凈化并保持生態(tài)平衡的能力。水環(huán)境容量大小與水體特征、水質(zhì)目標、污染物特征有關(guān)。水環(huán)境容量是制定地方性、專業(yè)性水域排放標準的依據(jù)之一，也是環(huán)境管理部門用以確定在固定水域污染物排放量標準之一。因此，本文將水環(huán)境容量作為一個重要的技術(shù)指標。

根據(jù)程海湖的特性，采用零維模型計算程海湖的水環(huán)境容量。具體公式如下：

W=31.54×(Q·Cs+K·Cs·V/86 400)

(1)

式中，W為水環(huán)境容量，t/a；Q為設(shè)計出庫(湖)流量，m3/s；K為污染綜合衰減系數(shù)，1/s；Cs為水質(zhì)目標濃度值，mg/L。

在進行水環(huán)境容量計算時，一般選取COD、氨氮、總氮和總磷4個指標。程海湖所在的程海開發(fā)利用區(qū)的目標水質(zhì)為Ⅲ類，因此，選取的目標濃度值為地表水Ⅲ類的標準值，分別為6,1,1,0.05 mg/L。根據(jù)庫容曲線率定程海湖容積，取2016年平均水位1 496.92 m對應(yīng)的16.44億km3，K取0.000 5 (取自《程海湖健康評估及可持續(xù)利用對策研究》)。由于程海湖為沒有出流的封閉型湖泊，Q取值為0。

綜上，程海湖COD、氨氮、總氮和總磷4個指標的環(huán)境容量分別為 0.03,0.03,0.03,0.001 5 t/a。

3 評估指標體系的構(gòu)建

遵循評價指標體系的構(gòu)建原則，依據(jù)程海湖的自身特點和特殊屬性，結(jié)合水生態(tài)承載力的承載主體和承載客體的關(guān)系，考慮數(shù)據(jù)的可獲得性進行指標層的構(gòu)建。本文選取生態(tài)水位指數(shù)、水環(huán)境質(zhì)量指數(shù)和社會經(jīng)濟指數(shù)3個準則層對程海湖的水生態(tài)承載力進行評估，詳見圖1。

圖1 程海湖水生態(tài)承載力評估指標體系結(jié)構(gòu)

4 評估模型的選擇

仙人河輸水隧洞工程于1993～2002年向程海湖大量輸水，為了解程海湖自身水生態(tài)承載力的變化情況，研究選取了2005～2015年的數(shù)據(jù)資料對程海湖11 a間的水生態(tài)承載力進行了分析評估。

為消除指標單位對計算結(jié)果的影響，研究首先對所有評價指標進行了標準化處理，并采用極差法來去除量綱對評估值的影響。通過極差變換之后，評價標準滿足0≤Z≤1，將正、逆向指標均換為正向指標，最優(yōu)值為1，最劣值為0[1]。

采用熵值法確定各個指標權(quán)重，該方法屬于客觀賦權(quán)法，通過評價指標值構(gòu)成的判斷矩陣來確定指標權(quán)重，能有效地避免主觀賦權(quán)法中專家主觀因素的影響(如層次分析)，使評價結(jié)果更符合實際。對于n個方案m個評價指標的初始矩陣，熵值法的本質(zhì)是利用該指標信息的效用值來計算，效用值越高，對評價的重要性越大[2]。

4.1 改進的內(nèi)梅羅指數(shù)法

內(nèi)梅羅指數(shù)法是國內(nèi)外用于評判水質(zhì)綜合指數(shù)的最常用方法之一。然而，由于各項水質(zhì)評價因子的得分值均為大于0的實數(shù)，理論上來說數(shù)值并無上限；因此造成水環(huán)境評價指數(shù)無法與其他系統(tǒng)的評價指數(shù)進行對比。為了便于對比分析，將內(nèi)梅羅指數(shù)進行歸一化，使其數(shù)值位于0～1之間，0為最差，1為最優(yōu)。

改進的內(nèi)梅羅指數(shù)法計算公式如下[3]：

(2)

式中，RWQI為改進的內(nèi)梅羅指數(shù)，取值0～1實數(shù)，數(shù)值越大表示水環(huán)境質(zhì)量越優(yōu)；Fave和Fmin分別為單向水質(zhì)評價因子的平均和最低得分值；AC和SC分別為水質(zhì)因子的實測濃度與環(huán)境標準目標值(在本研究中取地表水環(huán)境質(zhì)量標準的Ⅰ類水質(zhì)濃度)；SMC為水質(zhì)標準中最差等級的濃度值(在本研究中為地表水環(huán)境質(zhì)量標準的V類水質(zhì)濃度)。對應(yīng)于地表水質(zhì)的5類標準，將改進的內(nèi)梅羅指數(shù)劃分為5個等級，見表1。

4.2 生態(tài)水位評估模型

生態(tài)水位是維護湖泊生態(tài)系統(tǒng)正常運行的合理水位。若低于生態(tài)水位，湖泊體積會縮小，污染物濃度增加，從而導致污染加劇、魚類死亡、農(nóng)田土質(zhì)惡化、鹽堿化加劇、濕地面積減少和生物多樣性遭到破環(huán)等情況，不但會對湖泊的生態(tài)系統(tǒng)產(chǎn)生嚴重損壞，并且也會威脅到流域內(nèi)居民的生產(chǎn)生活。因此生態(tài)水位的保持對湖泊自身生態(tài)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和功能的維護以及湖泊的可持續(xù)發(fā)展和利用都有著重要的作用[4]。

生態(tài)水位評估的目的是通過比較實測水位和理論生態(tài)水位，評判程海湖的生態(tài)水位滿足程度。由于生態(tài)水位計算出的數(shù)值帶有量綱，難以與其他指標相綜合。根據(jù)實際的水位觀測值與生態(tài)水位的比較情況，提出評估生態(tài)水位滿足程度的指標——生態(tài)水位指數(shù)，用于反映程海湖的生態(tài)用水情況。為了便于理解，生態(tài)水位指數(shù)的取值在0～1，數(shù)值越大表示生態(tài)水位滿足程度越高，具體計算公式如下：

(3)

式中，R為兩項比值;Z實為實際觀測水位;Zs為生態(tài)水位。

(4)

式中，RWRI為生態(tài)水位指數(shù);Rmax為比值的最大值;Rmin為比值的最小值。

4.3 水生態(tài)承載力評估模型

水生態(tài)承載力評估模型的基本功能是采用數(shù)學綜合方法對水量、水質(zhì)、經(jīng)濟社會3個方面的信息進行綜合。鑒于這3方面的信息分別反映水生態(tài)系統(tǒng)的不同屬性，難以區(qū)分各自的權(quán)重大小，因此采用均權(quán)法進行信息綜合，計算整體的水生態(tài)承載力指數(shù)。水生態(tài)承載力指數(shù)的取值為0～1，數(shù)值越大，表示承載能力越高、承載狀態(tài)越好。0表示承載狀態(tài)較差，社會經(jīng)濟發(fā)展程度低，水生態(tài)環(huán)境質(zhì)量差；1表示承載狀態(tài)優(yōu)，社會經(jīng)濟發(fā)展水平高，水生態(tài)環(huán)境質(zhì)量好，為理想狀態(tài)。具體公式為

(5)

式中，WECCI為水生態(tài)承載力指數(shù)；RWRI為生態(tài)水位指數(shù)；IWQI為水環(huán)境質(zhì)量指數(shù)；ECDI為經(jīng)濟社會發(fā)展指數(shù)。

為分析不同組分的變化對水生態(tài)承載力指數(shù)的貢獻程度與影響，引入貢獻率指標，計算公式如下：

(6)

式中，XCP為某項水生態(tài)承載力組分(RWRI，IWQI或ECDI中的一項)對水生態(tài)承載力指數(shù)變化的貢獻率；XI為某項水生態(tài)承載力組分的指數(shù)值；下標i和0分別表示第i年(非起始年)和評價起始年份。流域水生態(tài)承載力指數(shù)的概念相對抽象，為了進一步表明水生態(tài)承載力的含義，根據(jù)水資源承載力、水環(huán)境承載力、水生態(tài)承載力研究中常用的定級規(guī)則，采用等間距法將水生態(tài)承載力指數(shù)進行5等劃分，從而制定了本研究對水生態(tài)承載力的判別標準，根據(jù)水生態(tài)承載力指數(shù)由低到高，分別設(shè)定劣、低、中、高、優(yōu)5個等級，見表2。

表2 流域水生態(tài)承載力WECCI判別標準

圖4 程海湖流域不同經(jīng)濟社會指標指數(shù)評價值

5 水生態(tài)承載力評估

5.1 水環(huán)境質(zhì)量評估

本次水環(huán)境質(zhì)量評估采用改進的內(nèi)梅羅指數(shù)法，評價依據(jù)為《地表水環(huán)境質(zhì)量標準》 (GB3838—2002)，環(huán)境標準目標值取I類標準值，最差等級的濃度值取V類標準值。根據(jù)計算得到程海湖1995～2015年的水質(zhì)綜合指數(shù)評價結(jié)果(見圖2)，其數(shù)值均在0～1之間，0為最差，1為最優(yōu)。結(jié)果表明，2006年以前，各組分的指數(shù)均在0.82～1之間， 2006年以后各項指標指數(shù)均呈下降趨勢。

圖2 1995～2015年水質(zhì)綜合指數(shù)評價結(jié)果

總體來說，2005～2015年程海湖的水質(zhì)不斷惡化，水環(huán)境質(zhì)量綜合指數(shù)由2005年的0.46降至2015年的 0.40，屬于“差”等級，對應(yīng)的水質(zhì)類別為Ⅳ類。對整個水環(huán)境質(zhì)量指數(shù)的累計貢獻率最大的是葉綠素a(49.4%)，其次是總氮(28.1%)和高錳酸鹽指數(shù)(17.4%)。

5.2 生態(tài)水位指數(shù)評估

基于程海河口街站1995～2015年的實測水位，采用生態(tài)水位評估模型可得到程海湖的生態(tài)水位指數(shù)。由圖3可看出，程海的生態(tài)水位指數(shù)呈下降趨勢，說明程海的生態(tài)水位情況逐年惡化。根據(jù)相關(guān)公式進行計算，生態(tài)水位指數(shù)取值0～1，數(shù)值越大表示生態(tài)水位滿足程度越高，結(jié)果見圖3。

圖3 近10 a程海湖的生態(tài)水位指數(shù)變化情況

5.3 社會經(jīng)濟指數(shù)評估

程海湖流域2005～2015年的6項社會經(jīng)濟指標評價得分見圖4。本文將人口密度、農(nóng)業(yè)人口和化肥施用量作為負向指標，即指標值越大對程海的水生態(tài)環(huán)境越差，將人均GDP、鄉(xiāng)鎮(zhèn)企業(yè)產(chǎn)值和單位土地面積GDP作為正向指標，指標值越大說明社會經(jīng)濟發(fā)展得越好。在這6項指標中，人口密度和農(nóng)業(yè)人口的評分最低，整個評價期間評分值均接近于0，說明該地區(qū)面臨的人口壓力相對較大。化肥的施用量波動較大，且指數(shù)呈下降狀態(tài)，說明該地區(qū)的農(nóng)藥化肥施用量逐年增加，無疑對程海湖流域的生態(tài)系統(tǒng)產(chǎn)生壓力。人均GDP和單位國土面積GDP則幾乎一致，該現(xiàn)象也說明近11 a流域總?cè)丝谧兓淮蟆５梅肿罡叩氖青l(xiāng)鎮(zhèn)企業(yè)產(chǎn)值，說明在程海湖流域的經(jīng)濟社會發(fā)展中，鄉(xiāng)鎮(zhèn)企業(yè)對整個經(jīng)濟社會的發(fā)展的貢獻最大，其指數(shù)也是呈上升趨勢，這種轉(zhuǎn)變說明流域內(nèi)的鄉(xiāng)鎮(zhèn)企業(yè)對程海湖的水生態(tài)系統(tǒng)也將產(chǎn)生一定的壓力。

綜合各個評價指標得到程海湖流域社會經(jīng)濟發(fā)展指數(shù)的變化情況(見圖5)可知，流域社會經(jīng)濟綜合變化指數(shù)呈上升趨勢，表明這11 a的社會經(jīng)濟發(fā)展是顯著的。對該變化情況貢獻率占比最大的是鄉(xiāng)鎮(zhèn)企業(yè)產(chǎn)值，占44.2%，其次是人均GDP和單位土地面積GDP，分別占27.8%和28.7%；而人口密度和化肥施用量的貢獻為負值，10 a期間人口密度和化肥施用量有增加，但因為其為負向因子，對社會經(jīng)濟綜合指數(shù)上升的貢獻是負向的；農(nóng)業(yè)人口在研究期內(nèi)有所下降，雖然對社會經(jīng)濟綜合指數(shù)的貢獻為正值，但微乎其微。而2007年的轉(zhuǎn)折與當年由于螺旋藻廠的技改造成的鄉(xiāng)鎮(zhèn)企業(yè)產(chǎn)值降低直接相關(guān)。

圖5 程海湖流域社會經(jīng)濟綜合指數(shù)(ECDI)評價值

圖6 程海湖流域水生態(tài)承載力變化

5.4 水生態(tài)承載力評估及其成因分析

基于水生態(tài)承載力概念和評估模型，計算出了程海湖流域2005～2015年的水生態(tài)承載力分別為0.52,0.49,0.43,0.49,0.50,0.53,0.59,0.56,0.53,0.52,0.46。指數(shù)變化如圖6所示。由于缺少有關(guān)資料，2015年社會經(jīng)濟綜合指數(shù)用2014年的數(shù)據(jù)代替。結(jié)果表明，程海湖流域2005～2015年的水生態(tài)承載力呈輕微波動、基本穩(wěn)定的狀態(tài)，水生態(tài)承載力指數(shù)在0.4～0.6之間，表明研究期的經(jīng)濟社會、水資源和水環(huán)境評價狀態(tài)位于中等水平，經(jīng)歷了下降、上升、下降3個階段，說明該時期內(nèi)流域水生態(tài)承載力呈現(xiàn)出惡化-改善-惡化的過程，其水生態(tài)承載力從2005年的0.52下降至0.46，表明整個研究期內(nèi)的水生態(tài)承載力呈不斷惡化趨勢。

從構(gòu)成流域水生態(tài)承載力的3個組分變化情況看(圖7)，造成該時期WECCI變化的主要原因是水位的下降。其中生態(tài)水位指數(shù)(RWRI)的下降對WECCI的貢獻率是638%，其次是水環(huán)境質(zhì)量指數(shù)(RWQI)的下降對WECCI的貢獻率是39%；社會經(jīng)濟發(fā)展指數(shù)在研究期內(nèi)呈顯著上升趨勢，所以對WECCI下降的貢獻率為負值，為-577%(圖8)。

圖7 程海湖流域水生態(tài)承載力組份變化

圖8 程海湖流域不同組分對水生態(tài)承載力指數(shù)的貢獻率

總體來看，該時期內(nèi)流域經(jīng)濟社會發(fā)展水平不斷上升而生態(tài)水位指數(shù)和水環(huán)境質(zhì)量指數(shù)則不斷下降，社會經(jīng)濟與水生態(tài)總體未能同步改善，原因是水生態(tài)系統(tǒng)質(zhì)量下降效益超過了社會經(jīng)濟的改善效應(yīng)。

6 結(jié)論與建議

本文利用湖泊零維模型計算了程海湖的水環(huán)境容量，由于程海湖綜合消減能力弱，主要污染指標的水環(huán)境容量不大，隨著水質(zhì)不斷惡化，水環(huán)境容量已消耗完，提出消減污染物的量及治理措施迫在眉睫。程海湖蒸發(fā)量是降雨量的2.69倍，近10 a來，程海水環(huán)境質(zhì)量指數(shù)及其組分指數(shù)都呈下降趨勢；社會經(jīng)濟指數(shù)呈顯著上升趨勢；水生態(tài)承載力呈下降趨勢，造成水生態(tài)承載力變化的貢獻主要來源于水位的下降，其次是水環(huán)境質(zhì)量指數(shù)的下降，而社會經(jīng)濟發(fā)展指數(shù)在研究期內(nèi)對水生態(tài)承載力指數(shù)的貢獻率為負值。為了使程海湖水位和水環(huán)境質(zhì)量狀況不再繼續(xù)惡化，保證其社會經(jīng)濟發(fā)展與水資源狀況及水環(huán)境容量在最佳水平，提出以下對策：

(1) 通過外流域調(diào)水對程海湖進行水位調(diào)控。由于程海湖湖水偏堿性，適宜發(fā)展螺旋藻養(yǎng)殖業(yè)，若能夠?qū)崿F(xiàn)調(diào)水，建議將外流域引調(diào)水部分用于流域的農(nóng)灌用水和生產(chǎn)用水，最大限度減少程海湖的取水壓力。調(diào)水前需要開展系統(tǒng)性調(diào)查、分析和模擬研究，做好可行性研究。

(2) 對流域內(nèi)的污染源進行嚴格控制。重點對農(nóng)業(yè)面源、農(nóng)村生活污水進行治理；對螺旋藻產(chǎn)業(yè)的取用水和排水進行嚴格的監(jiān)管，減少生產(chǎn)車間用水和終端廢污水的跑、冒、滴、漏現(xiàn)象。

(3) 加大投資力度。采取必要的工程措施對污染源進行前處理，如生態(tài)溝渠、人工濕地、農(nóng)村小型污水處理廠和生態(tài)浮床等，并加強流域的生態(tài)保護與修復力度。

(4) 合理進行土地規(guī)劃。弱化建設(shè)用地和耕地對湖泊生態(tài)系統(tǒng)健康的侵犯和影響、增加流域內(nèi)的森林覆蓋率、提高土壤的涵養(yǎng)能力。

因此，要解決目前程海湖面臨的諸多問題，不能單純靠水質(zhì)管理和水位調(diào)節(jié)，還需重視周邊城鎮(zhèn)的社會經(jīng)濟發(fā)展狀況，嚴格控制污染源，由水質(zhì)管理和水位調(diào)節(jié)向流域生態(tài)系統(tǒng)綜合管理轉(zhuǎn)變。

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