常州市河流生態用水效率評價研究

潘 磊，何曉靜，李勛章，胡騰騰，劉飛詩，付梁其，6

(1.常州市金壇區水利規劃服務中心，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.常州市金壇區水資源管理服務中心，江蘇 常州 213200；4.常州市金壇區水利建設管理所，江蘇 常州 213200；5.江蘇遠瀚建筑設計有限公司，江蘇 常州 213000；6.常州市金壇區人力資源服務有限公司，江蘇 常州 213200)

0 引 言

隨著社會經濟和城市的快速發展，城市河流面臨著嚴峻的挑戰。一方面，工業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施導致河流長期干涸[1-2]。此外，工業和生活廢水的過量排放，對河流造成了嚴重污染，破壞了城市生態系統，有的還形成了新的生態環境問題。另一方面，要改善城市的生活條件，就必須恢復城市河流的環境健康，滿足人們的生態和景觀要求。因此，城市河流生態用水的需求量以及生態修復目標的制定至關重要。

大量研究者從水文循環、水環境保護、水資源開發利用等方面給出了城市河流生態用水的定義。最初的定義是由Covich(1993)[3]提出的，認為城市河流生態用水量是確保恢復和維持河流健康生態系統所需的水。隨后，Gleick[4]提出了基本城市河流生態用水的概念框架，認為提供一定數量和質量的徑流對于維持生態系統健康、保護物種多樣性和生態系統完整性非常重要。劉昌明[5]總結了城市河流生態用水的3種定量方法：①防止現有生態系統進一步退化的“最小”用水量；②基于生態系統水文條件最佳匹配的“合適”用水量；③“最大”區域缺水量或氣候學定義的區域性缺水量，包括該區域的生態缺水。

城市河流生態用水的定義和計算方法以及河流功能的實現不能有效地解決時間目標和恢復標準問題。因此，針對不同的功能目標和標準，需要用城市河流生態用水效率來評估[6]。如對于一些城市河流，就水生生境目標而言，當前河流的許多部分已經干涸，水生功能早已不復存在。因此，根據目前的標準，水生生境的生態需水量幾乎為0，無法提供科學合理的生態參考值，導致水資源短缺與生態環境之間的矛盾日益凸顯。基于此，本文探討用模糊綜合評判的方法評估城市河流生態用水效率，應用數據包絡分析的手段檢驗評估是否有效，再根據加權平均法得到各指標的總評價值，最終建立一套對于城市生態用水效率評價較為適用的指標體系和評價方法。本研究的具體目標是：①確定常州市城市河流生態用水效率的評價指標和標準，提出一種改進的河流生態用水效率計算模型；②根據常州市2010年～2020年城市河流生態用水效率變化情況，計算該市河流生態用水效率的分類等級；③將研究結果用于分析常州市河流生態用水狀況的合理性，并提出建設性意見。

1 材料與方法

1.1 城市河流生態用水效率評價指標體系及其評價等級標準

城市生態用水主要包括公園湖泊用水、風景觀賞河流用水、城市綠化與園林建設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個指標為評價城市河流生態用水效率的指標。

首先，河道疏浚和底泥處理可以使水系疏通，從而提高河流生態用水效率。本文為了簡化指標，用水面率表征河道疏浚頻率[7]，并根據資料查得常州市最優水面率為0.2[8]；其次，城市高速發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致水體與土壤的物質交換減弱，“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、亂排現象時有發生，也干擾了河流生態系統的平衡，致使城市生態用水的效果不能體現[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。

根據以上選取的指標及其解釋，本文還需對城市河流生態用水效率進行劃分，共有5個評價等級，分別對應了生態用水效率的很差(一級)、較差(二級)、普通(三級)、好(四級)、很好(五級)。各指標相對于5個等級的評價標準臨界值見表1。

表1 常州市河流生態用水單因素評價標準

1.2 城市河流生態用水效率的模糊綜合評價模型

模糊物元評價法是蔡文教授1986年提出的一種評價決策方法，已成功應用于許多工程領域[12]。該方法推理過程嚴格，計算工作量小，且項目描述機制不受項目特征的限制，能有效地解決大量的問題，適用于各類多指標因子問題的綜合評價。基于這一思想，物元分析包括以下基本步驟：首先，將系統劃分為物元(對象)。其次，選擇分析或評估因素并定義類別，然后定義每個因素的分類區間，對于每個類，區間的范圍稱為經典域，而所有類的整個值范圍稱為分段域。最后，計算每個因素的相關度(每個因素與類別標準的匹配程度)，通過加權平均法等模型積分方法，計算出各類物元的綜合關聯度。

類(包括最大綜合相關度)定義了物元屬于什么樣的等級[13-14]。物元分析法結合事物的特性和價值，建立它們之間的函數關系，具體公式如下

R={M，C，X}

(1)

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

對于已經選取的常州市河流生態用水效率表征指標，本文根據各指標的特征值，需要確定出每個指標相對于5個評價等級的模糊隸屬度矩陣，即

(2)

(3)

式中，μij為第i個事物第j項特征對應的模糊量值，即隸屬度[13]。處理后，可得到常州市城市生態用水效率評價的模糊物元矩陣，即

(4)

為了判別模糊綜合評價是否有效，本文引入數據包絡分析方法[15]，形成一種改進的模糊綜合評價，目的是為了在保證評估有效的同時，還可以找出河流生態用水效率較差的原因，從而給出改善的建議和要求。具體的技術路線見圖1。

圖1 改進的模糊綜合評價技術路線

2 實證分析

本文以江蘇省常州市為研究對象。常州市地處江蘇省南部，位于北緯31°09′～32°04′，東經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、鎮江兩市接壤[16]。常州市境內河流縱橫交織，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，三湖相連的水系網絡[16]。

常州市河流生態用水主要通過換水所得，根據常州市水利局提供的有關數據，以及歷年統計年鑒及水資源公報，統計得到2010年～2020年常州市生態用水效率評價指標值，見表2。

表2 常州市生態用水效率評價指標值

以2020年為例，計算常州市生態用水效率等級，分別計算出2020年各指標相對于5個等級的用水效率評價的模糊物元矩陣為

(5)

i=1，2，…，5

(6)

(7)

計算可知，2020年城市河流生態用水效率各指標的基本狀態為

(8)

根據計算結果，2020年各指標的評價值均在3.5以上，即均高于中等效率，生態用水效果良好。同理，可求其他各年度的常州市河流生態用水效率等級，計算結果見表3。

表3 2010年～2020年對應的的取值情況

表4 2010年～2020年對應的的檢驗情況

通過常州市的實證研究，對2010年～2020年11個決策單元進行對比計算可以得到，2010年、2017年、2018年、2019年、2020年5個決策單元通過了數據包絡分析的檢驗，即這5個決策單元相對于11個同類單元已經是最優單元。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)數學模型計算結果基本符合事實，以2011年為例，常州市在2011年的河道整治、綠化、污水處理、河道生態景觀化上確實做得還不到位，需要加大投入。但是，計算結果也表明了常州市的生態水系整治卓有成效，從2016年開始，常州市形成了一套水資源安全供給與生態環境保護相協調的水環境保護體系，實現了水功能區水質改善的階段目標，建成了水質潔凈、河道景觀優美、城市綠化率高的生態城區；完善了防洪除澇工程體系，保障了水系安全，實現了人、水和諧共處，促進了經濟社會可持續發展；完成了區內水系調整工程，骨干水系拓浚、溝通工作，區內配套建筑物工程；建設了活水工程、生態河流與景觀河道；制定了新北高鐵片區活水工程方案、河道建設和管理條例等。

(2)根據常州市城市水系管理的客觀需求，建議選擇水安全、水資源、水環境、水景觀、水經濟、水文化作為未來城市水系治理的主要研究目標。其中，水安全目標主要針對城市水系的蓄水功能和滯洪功能；水資源目標主要針對城市長期生活和生產活動中所需要的兼具數量要求和質量前提的水的功能；水景觀目標主要針對城市水系的土地升值功能和旅游增收功能；水生態目標主要針對城市水系的水質凈化功能和大氣調節功能；水經濟目標主要針對水產品功能和水運功能；水文化目標主要針對科學治水方法之外的，由文化治水方法所帶來社會、經濟進步的功能。

4 結 語

本文運用基于模糊綜合評判方法的數學模型，對常州市河流生態用水效率進行研究，引入數據包絡分析進行結果檢驗，得到的結論基本符合實際情況。此外，本文還從水安全、水資源、水環境、水景觀、水經濟、水文化等角度提出了改善意見，為未來城市生態用水效率的評價找到新思路、新方法。本文還有許多不足之處，需要進一步研究：

(1)指標的選取。涉及生態環境的指標，需要指示一個確定的區域上，最近的以及(或)預期的生態或自然質量，這些參數是生態系統自身的特性，并且至少包含部分生物參數(物種、存在性、組成豐富性、物種數量等)。因此，生態用水效率的指標應該是包括生態系統的方方面面的，未來還需深入研究，進一步完善指標體系。

(2)數據包絡分析模型的改進。本文所使用的數據包絡分析模型雖然對各個決策單元做了很好的比較，找出了最優單元。但不足之處是，在同類單元之中最優并不能說明就是優秀單元，還需要有參照標準。未來可致力于引入最優單元，修正生產可能集，從而評價每個決策單元是否是優秀單元，使城市生態用水效率評價體系更加可靠。