1. 引言
生态清洁小流域建设是以控制水土流失和面源污染为重点,统筹农村生活垃圾、污水处理、美丽乡村建设的小流域治理新阶段重要举措 [1]。对生态清洁小流域建设成果开展客观评价,反映流域内土壤、水环境、生态等的现状,对于保护流域生态系统良性循环具有重要意义 [2]。
北京早在2003年以水源保护区为重点开展生态清洁小流域建设,构筑“三道防线”的思路 [3],发布地方标准《生态清洁小流域技术规范》(DB11/T 548-2008),列举13个生态清洁小流域评价指标。此后谢磊等 [4] 在北京山区小流域开展生态清洁程度评价,按照坡面、沟道和村庄3个部分,筛选出土壤侵蚀强度、流域出口断面水质等10项关键指标,对小流域的局部和整体生态清洁程度进行排序,判断小流域间的相对生态清洁状况。水利部印发的《生态清洁小流域建设技术导则》(SL 534-2013)监测与评价中提出了10项生态清洁小流域建设应符合的评价指标 [5]。张磊等 [6] 在江西省按照土壤状况、生态系统、水环境、人类社会与经济发展4个方面筛选出14个指标构建小流域生态清洁评价指标体系,提出了生态清洁小流域模糊综合评价方法。江西省于2020年发布地方标准《小流域水土流失综合治理第2部分生态清洁小流域评级规范》(DB36/T 1344.2-2020)。
湖北省近十年在丹江口库区、三峡库区、大别山区、武陵山区、幕阜山区等陆续开展生态清洁流域建设100多条,结合生态清洁小流域建设的需求重点、功能定位以及发展目标,湖北省山区生态清洁小流域建设大致可分为水源涵养型、生态旅游型、生态农业型、宜居环境型等4种模式。构建湖北省山区小流域生态清洁评价指标,评价不同建设模式小流域生态清洁程度,为科学度量小流域建设实现的生态效益、经济效益和社会效益提供了技术支撑。
2. 小流域生态清洁评价指标选取
2.1. 指标选取原则
1) 代表性:选取的指标能反映小流域某一方面的特征。
2) 系统性:评价体系能系统表征小流域土壤环境、水环境、生态环境、人居环境的生态清洁状况,反映小流域生态清洁的内涵。
3) 差异性:选取的指标间具有明显的差异性,既简明扼要,又能涵盖流域生态清洁的主要方面。
4) 可获取性:指标测度方法应简单易行,计算指标所需数据容易获得且比较可靠,便于计算、比较和分析。
2.2. 指标选取方法
查阅国内前人研究成果和相关法规、标准,小流域生态清洁评价指标大致从土壤资源保护与配置、水资源保护与利用、河流沟道自然环境、人类活动影响几个方面进行筛选。因此本研究拟定从“土壤环境、水环境、生态环境、人居环境”4个准则层上初拟出各准则层中前人使用较多的指标,根据指标选取原则,对初选指标进行相关性分析,对差异性不大的指标进行合并、归类,对代表性不强、不具有可获取性的指标予以筛除,最终形成生态清洁小流域的主要评价指标。
3. 小流域生态清洁评价指标体系构建
3.1. 土壤环境指标
反映土壤环境指标主要包括水土流失、土壤肥力、人为活动影响等3类。水土流失方面的指标包括土壤侵蚀强度、土壤侵蚀模数、水土流失率、水土流失治理度等。其中,水土流失治理率和水土流失治理度内涵相同,水土流失率与土壤侵蚀模数相关性较好,且比水土流失治理率获取简单、易操作,故从差异性和获取性上确定水土流失率为主要评价指标。土壤肥力方面的指标包括土壤有机质含量、土壤厚度等,考虑到这两个指标反映的是土壤自身的理化性质,不能直接反映土壤清洁状况,可筛除。人为活动影响方面的指标包括化肥施用强度、农药施用强度,两者均表征农业面源污染可能对流域的影响,且没有相关性,故确定为主评指标。
综上,土壤环境方面确定水土流失率、化肥施用强度、农药施用强度为主评指标。
3.2. 水环境指标
反映水环境的指标主要包括水文、水质、水生态等3类。水文方面的指标主要包括水域面积、输沙模数、年径流深、径流系数等,径流系数与年径流深都反映了河流径流量;输沙模数与年径流量之间存在一定相关关系,可筛除;水域面积受径流量、泥沙淤积、水利工程等人类活动影响,不予考虑。水质方面的指标主要包括水质状况、河流断面水质、小流域出口地表水环境质量、饮用水源水质达标率等,水质状况定义较为笼统,断面水质需设置断面开展监测,可选择小流域出口地表水环境质量作为评价小流域水质的重要指标。水生态方面的指标包括水源涵养功能指数等,但水源涵养功能指数与植被覆盖、土壤物理性质等因素相关,可在生态环境或土壤指标中考虑,因此筛除。
综上,水环境方面确定径流系数、小流域出口地表水环境质量为主评指标。
3.3. 生态环境指标
反映生态环境的指标主要包括植被覆盖、生态功能、生物多样性等3类。植被覆盖方面的指标包括植被覆盖度、林草覆盖率、林草面积占宜林宜草面积比等,植被覆盖度常用于流域生态健康评价,生态清洁小流域较多采用林草覆盖率或林草面积占宜林宜草面积比,从水土保持的角度来讲林草覆盖率数据获取更简单,故选择。生物多样性指数是包括陆生和水生生物的综合性指标,评价有一定难度,故筛除。
综上,生态环境方面确定林草覆盖率为主评指标。
3.4. 人居环境指标
人居环境指标可分为人口、经济、污染等3类。人口密度反映人口活动密集程度,可列入人居环境的主评指标;经济方面的指标包括人均生产总值、恩格尔系数等,但小流域生态清洁情况与经济发展水平没有直接的必然联系,可筛除;污染方面的指标包括工业污水达标排放率、规模养殖污水处理率、生活污水处理率、生活垃圾无害化处理率等,通常山区小流域较少涉及工业,因此选择规模养殖污水处理率、生活污水处理率、生活垃圾无害化处理率等指标。
综上,人居环境方面确定为人口密度、规模养殖污水处理率、生活污水处理率、生活垃圾无害化处理率为主评指标。
3.5. 指标体系构建
从湖北省山区实际情况出发,按照土壤环境、水环境、生态环境、人居环境四个部分构建指标体系,共包括10项指标,具体含义见表1。
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Table 1. The ecological cleanness evaluation index system of small watershed in mountainous area of Hubei province
表1. 湖北省山区小流域生态清洁评价指标体系
4. 生态清洁评价方法
4.1. 小流域生态清洁指数
根据评价体系结构,参考对流域健康指数的计算方法,采用多层次的方式开展小流域生态清洁评价,使用小流域生态清洁指数(C)表征,计算方法如下:
(1)
式中:Ai为准则层内第i个准则层的权重;Bj为某准则层下第j个指标在该准则层所占权重;Pij为准则层内第i个准则层下选取的第j个指标无量纲化后的分值;m为准则层内准则层的个数;n为准则层内指标的个数。
4.2. 小流域生态清洁评价指标分级
采用专家打分法 [7] 并参照已有规划、标准等,将各评价指标按阈值范围对应小流域生态清洁无量纲分值,分级标准见表2。湖北省山区小流域生态清洁程度分为很清洁、清洁、不清洁三个等级。
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Table 2. Grading standard of ecological cleanness evaluation index for small watersheds
表2. 小流域生态清洁评价指标分级标准
4.3. 小流域生态清洁评价指标权重
针对小流域的建设模式,分别确定土壤环境、水环境、生态环境、人居环境相对于山区小流域生态清洁程度的权重值(表3),以及各准则层内各指标相对于该准则层的权重值(表4),最终获得湖北省山区小流域生态清洁评价指标权重值。
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Table 3. Weights of criteria layer for ecological cleanness evaluation of different construction models
表3. 不同建设模式生态清洁评价各准则层权重表
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Table 4. Weight table of ecological cleanness evaluation index in small watershed in Mountainous area of Hubei Province
表4. 湖北省山区小流域生态清洁评价指标权重表
5. 典型小流域生态清洁程度评价
由于目前湖北省生态清洁小流域建设尚处于持续推进阶段,对于污染源、水土流失、水质水量等方面的监测未能在每个建设的小流域内系统性开展,因此选择建设时间较早、投入力度较大、数据收集较全的胡家山小流域开展生态清洁程度评价。胡家山小流域位于汉江以北丹江口市习家店镇和嵩坪镇,介于东经111˚12'22''至111˚15'20.5''和北纬32˚44'17.8''至32˚49'15.6''之间,属于汉江二级小支流,面积22.57 km2,距南水北调核心水源区约6 km。2007年,胡家山小流域被列入“丹治”工程后,全面开展了生态清洁小流域建设。
胡家山小流域治理的主要方向是治理流域内农业面源污染,保护丹江口水库支流水源。治理围绕“远山生态修复防线、农地综合治理防线、库周生态缓冲防线”三道防线,实施“荒坡地径流控制、农田径流控制、村庄面源污染控制、传输途中控制、流域出口控制”五级防护,突出农田整治和农村污染防治,通过营造水源涵养林,修建坡面工程、人工湿地、沼气池,整治溪沟、塘堰,集中处理村落污水和垃圾,建成了较为完整的水土流失和点源、面源污染控制体系,形成有水则清、无水则绿的生态清洁小流域水土保持生态系统。
综合考虑胡家山小流域的功能定位,将其划定为水源涵养型与生态农业型兼顾的建设模式,在生态清洁程度评价中土壤环境(B1)、水环境(B2)、生态环境(B3)、人居环境(B4)各准则层相对于目标层(A)的权重取水源涵养型、生态农业型各准则层相对于目标层(A)的权重的平均值,即0.3,0.25,0.3,0.15。胡家山小流域各指标值及各指标(C)相对于目标层(A)的权重值见表5。由式(1)计算得到胡家山小流域生态清洁指数值为5.4225,属于清洁等级。
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Table 5. Values and weights of ecological cleanness evaluation indexes of the Hujiashan watershed
表5. 胡家山小流域生态清洁评价各指标取值与权重
6. 结论与建议
本文从土壤环境、水环境、生态环境、人居环境4个方面选择了10个指标构建了湖北省山区小流域生态清洁评价指标体系。采用生态清洁指数计算水源涵养型、生态旅游型、生态农业型、宜居环境型小流域的生态清洁程度,最终将小流域生态清洁程度划分为很清洁、清洁、不清洁三个等级。由于目前湖北省山区生态清洁小流域数据资料有限,仅对典型小流域——胡家山小流域开展生态清洁程度评价,生态清洁指数值为5.4225,属于清洁等级。
建议后期加强对已建设和规划建设的生态清洁小流域在污染源、水土流失、水质水量方面的定点长期观测,可选择典型小流域开展对选取指标相关性的定量分析。此外,各指标对应各准则层,各准则层对应目标层的权重赋值主要依靠前人研究、相关标准及专家经验,后期建议基于大量数据资料在权重赋值方面开展进一步研讨与论证,为定量评估小流域生态清洁程度、掌握生态清洁小流域建设成效及水土保持高质量发展提供科学依据。
基金项目
湖北省水利重点科研项目“湖北省山区小流域生态清洁评价指标体系研究”(HBSLKY202006)。