周 萍, 文安邦, 严冬春, 史忠林, 周 继

(1.中国科学院，水利部 成都山地灾害与环境研究所, 山地表生过程与生态调控重点实验室, 成都 610041; 2.中国科学院大学，北京 100049)

小流域作为水源汇集的最小单元，是区域水源保护和水土保持工作的基本要素[1-2]。小流域作为一个开放的、多元化的自然—社会—经济综合体，是生态经济活动的基础，其可持续、健康发展对区域人口的生存与发展起着重要作用[3]。中国的小流域治理工作始于20世纪50 年代[4]。并于80年代初在全国各地相继开展，到1991年《水土保持法》的颁布，标志着小流域治理进入到以预防为主、依法综合治理阶段。生态清洁小流域建设的提出源于2003 年，北京市以水源保护为首要目的，首次开展生态清洁小流域的建设和探索[5]。建设生态清洁小流域是对传统的小流域综合治理的继承和发展，生态清洁小流域综合治理涉及水土保持、面源污染、点源污染、河流健康和人居环境等方面[6]。到2014 年底，全国已有30个省的335个县开展了生态清洁小流域建设，实施小流域约800 条[7-8]。2018年根据《关于实施乡村振兴战略加快推进生态清洁小流域建设的指导意见》，提出了以生产发展、生活富裕、生态良好的文明发展为要求，结合区域自然和经济社会条件禀赋，生态清洁小流域建设原则上划分为生态区、生产区、生活区。根据“三区”功能，因地制宜开展流域水系整治、水土流失综合治理、生态农业推广和人居环境整治。生态清洁小流域涉及了系统论、生态经济学、景观生态学、可持续发展理论、水土保持学及生态系统控制理论等[1]。中国目前在生态清洁小流域的建设、治理模式等方面已取得了一定成效[9]。

为对小流域的生态清洁现状和建设成果进行客观评价，需建立科学可行的评价指标体系。已有研究主要针对小流域生态系统健康、小流域生态经济评价、小流域水环境质量等方面评价，对生态清洁小流域整体综合评价的研究较缺乏，未建立系统的指标体系及评价方法[10]。选择合适的评价方法是小流域综合治理效果评价的关键，主要从生态、经济和社会三大效益框架出发[11-12]，利用定性与定量相结合的方法进行流域生态系统评价。主要研究方法有综合指数法[13]、主成分分析法[14]、层次分析法[15-16]、PSR框架模型法[17]、模糊数学法等。史晓霞等[18]运用逐次投影寻踪模型对马来西亚雪兰莪州的生态环境脆弱度进行评价研究。林积泉等[19]构建了小流域环境质量的综合评价指标体系。李智广等[20]对典型小流域治理综合效益评价的主要指标体系进行了分析和归类。而与生态清洁小流域“三区”功能评价相关的研究还较缺乏。同时急需结合当前研究与实践的重点，建立科学、可操作的生态清洁小流域评价指标体系，为不同类型小流域建立相应治理模式提供参考依据[21]。本文根据生态清洁小流域的基本理论及建设实践，并选择川南地区清溪谷典型生态清洁小流域建设的实际情况，拟采用模糊数学分析方法和层次分析法，从生态清洁小流域新要求的生态、生产、生活3方面进行分析，结合研究区调研和专家咨询，选取24个评价指标，构建符合该区特征的综合评价指标体系框架，对川南地区典型生态清洁小流域清溪谷小流域的生态清洁程度进行科学的评价研究，以期体现小流域生态环境在综合治理后的清洁现状和水平，有效指导山区各级生态清洁小流域建设工程实施方案的制定，同时为类似区域生态清洁小流域建设及其效果评价提供科学理论与数据支持。

1 研究内容与方法

1.1 研究区概况

清溪谷小流域位于四川省泸州市纳溪区西北大渡口镇中部，地理位置105°14′20″—105°18′40″E，28°40′40″—28°43′20″N，距离纳溪城区15 km。小流域面积23.58 km2，地势南高北低，地形地貌属于丘陵地貌，海拔在264～480 m之间，相对高差60～100 m，流域内沟谷纵横，狭窄，箱形谷发育，构造轴部丘顶多形成坪状高地，轴部两侧呈紧凑排列的陡斜面丘。清溪谷小流域属亚热带季风性湿润气候，年平均气温17.4 ℃，年极端最高气温40.2 ℃，年极端最低气温-1.2 ℃，年日照时数1 050.5 h，无霜期315 d。年平均降水量1 300 mm，降雨量集中在夏秋季的5—9月，占全年降水量的70%，6—8月是暴雨季节，最大日降雨达150 mm。植被覆盖率为67.81%。小流域内主要粮食作物是水稻、玉米，主要经济作物有茶、李子等。流域内的丘顶、部分丘坡有成片天然林，主要为杂竹林。水土流失面积为1.25 km2，占土地总面积的5.3%，主要为水力侵蚀。近年来，随着流域旅游产业的发展，污水、垃圾污染较严重，河道水质明显下降。部分地区由于植被破坏、径流改变，土壤乃至地质结构受到影响，存在潜在地质灾害。2016年以来，清溪谷小流域严格按照建设生态清洁型小流域的水土保持思路，开展清洁小流域综合治理工作。目前，该小流域水土流失综合治理程度在85%以上，林草保存面积占宜林宜草面积的80%以上，25°以上的坡耕地全部退耕还林还草，小流域内平均土壤侵蚀量控制在土壤容许流失量以下。

1.2 资料收集及指标数据获取

清溪谷典型小流域生态清洁度综合评价采用的基础资料有1∶5 万地形图，1∶5万土壤侵蚀强度图，1∶5 万植被覆盖图(2017年)，1∶10 万土地利用现状图(2017年)。基础数据主要来源于实地调研和研究区域内长期监测数据。清溪谷典型小流域水土流失数据依据2011年全国第一次水利普查成果资料，结合现场调查复核的方法确定，土地利用结构及比例、人均水资源量、人口数量、人均农业产值、人均住房、第一和第三产业比值、人均旅游文化产值及人均纯收入等数据通过以流域为单位实地调研获取，沟道水文形态、水质状况及土壤侵蚀等数据来自研究区内长期定位观测气象站和把口站。社会经济数据依据泸州市纳溪区2017年统计年鉴、已有文献资料、现场访谈调查和实地考察等形式获取，并通过采样分析补充部分评价指标并验证指标信息的准确性。

1.3 评价指标体系的框架

生态清洁小流域评价指标体系应充分体现出小流域在水土流失综合治理后的清洁现状和水平,指标可衡量研究区实施清洁小流域建设后的生产生活条件和生态环境状况。生态清洁小流域建设评价指标体系的建立应遵循科学性、代表性、可操作性、适用性等原则[22]，根据指标体系的遴选和建立方法以及清溪谷典型小流域的自然、社会和经济特征，采用层次分析法构建生态经济评价指标体系的框架，清溪谷小流域的生态经济指标体系分为3个层次(目标层、准则层、指标层)，包含3个子系统(生态区子系统、生产区子系统、生活区子系统)。剔除有关联的指标，本研究初选可以反映典型小流域生态清洁度的要素指标24项作为小流域生态清洁度综合评价指标(表1)。

表1 清溪谷典型小流域生态清洁度综合评价指标体系

注：表1 中沟道水文形态指河流中支撑生物生存的水文及形态要素，其对水体自然状态保持、生物群落的多样性等具有重要意义，受人类活动的影响较显著[23]。沟道行洪能力指小流域内村庄不被淹没或者淹没损失较小的洪水重现期几年一遇。

1.4 评价方法

1.4.1 评价指标的归一化 清溪谷典型小流域生态清洁度综合评价首先是对评价指标进行归一化处理，由于评价系统的具体指标具有不同的量纲和量纲单位，为了解决模型参数的量纲统一问题，需对具体指标的原始数据进行无量纲化处理。首先运用模糊集合理论引入隶属函数进行指标量化(无量纲标准化处理)。

对于效益型指标，有：yij=(xij/xjmax)c×100%

(1)

对于成本型指标，有：yij=(xjmin/xij)c×100%

(2)

式中：xjmax,xjmin——Ij指标的最大值和最小值，系统运行最佳值。C——刻画模糊度的常数，一般C>1，这里取1.1(生态清洁小流域系统模糊度较低)。基于生态清洁小流域综合评价的调查，结合相关标准和专家意见确定清溪谷小流域各项评价指标的上、下限阈值。

1.4.2 评价指标权重的确定 评价过程的关键是评价指标权重的确定，评价指标权重的确定是对评价指标的重要性进行赋权，即对各评价指标在整个系统中的影响程度进行度量，以量化和区分其贡献大小。由于层次分析法确定多层次多要素的指标权重具有高度的逻辑性、系统性、简洁性和实用性等优点，涉及到的数据指标明确简单，可操作性较好[24]，且考虑生态清洁小流域评价的多层次性、多因素性，是一个定性与定量相结合的评价系统，因此，本文采用层次分析法来确定评价指标的权重，并进行判断矩阵的一致性检验[25]。若A层次中因素Ak与下层次B1、B2、B3…Bn有联系，则判断矩阵如下：

(3)

式中：bij——判断矩阵P中的元素，表示对因素Ak而言，Bi与Bj相对重要性的数值。通过判断矩阵可以得出各评价指标对上一层因素的权重以及各要素对目标层的权重。

根据评价体系结构，选用能够较好解决复杂系统中多层次、多结构和单目标的层次分析法进行小流域生态清洁评价，提出小流域生态清洁指数(C)的计算方法：

(4)

式中：Ai——子目标层内第i个子目标的权重；Bj——某子目标层下第j个指标在该子目标层所占权重；Pij——子目标层内第i个子目标层下选取的第j个指标无量纲化后的分值；m——子目标层内子目标的个数；n——指标层内指标的个数。

1.4.3 划分标准 参考李浩宇等[26]对于流域生态健康指标评价标准的相关研究的划分标准，将生态清洁小流域评价结果分为4 个等级:很清洁、清洁、较清洁、不清洁，并建立生态清洁小流域评价总得分与评价等级的对应关系为：>0.85 分，“很清洁”等级，0.85 ～0.75 分，“清洁”等级；0.75 ～0.60 分，“较清洁”等级；<0.60 分，“不清洁”等级(表2)。

表2 生态清洁小流域评价等级划分评价总得分

2 结果与分析

2.1 清溪谷典型小流域生态清洁度综合评价指标体系的权重

根据生产发展、生活富裕、生态良好的文明发展要求，结合当地自然和经济社会条件禀赋，清溪谷生态清洁小流域划分为生态区、生产区、生活区。需根据“三区”功能，因地制宜实施了流域水系整治、水土流失综合治理、生态农业推广和人居环境整治。首先对统计数据和实地调查数据进行归一化无量纲处理。并运用模糊集合理论分别对效益型指标和成本型指标进行无量纲标准化处理量化。再通过建立指标决策矩阵，并计算指标层和准则层的权重系数(表3)。

由表3可以看出，清溪谷典型小流域生态清洁度综合评价中生产指标和生活指标权重明显高于生态指标，说明清溪谷典型小流域经过生态清洁治理后，生态环境显著改善，对该小流域的生态农业发展及人居环境整治还需加强。清溪谷典型小流域由于其独特的地质地貌及气候水文条件，较适合发展农业生态旅游及具有地方区域特色的特早茶种植，这对该生态清洁小流域的生态农业发展、农民增收及聚落环境改善具有较强的促进作用。清溪谷小流域的生态指标主要是针对流域水系整治及水土流失综合治理，其中沟道水文形态(指标权重为0.045)、土壤侵蚀模数(指标权重为0.045)和林业用地比例(指标权重为0.047)3个指标对生态环境的影响较大。生产指标主要是针对小流域的生态农业建设和发展提出的，其中人均旅游文化产值(指标权重为0.051)，第一和第三产业比值(指标权重为0.055)及农民人均纯收入(指标权重为0.054)3个指标对该小流域生态农业产业发展影响较大。生活指标主要是指对小流域人居环境的整治。生活指标中影响较大的指标为生活垃圾处理率(指标权重为0.048)、化肥施用强度(指标权重为0.053)和农药施用强度(指标权重为0.055)。从生态清洁小流域的评价指标框架及评价结果来看，生态指标(流域水系整治及水土流失综合治理)所占权重为0.247，生产指标(生态农业)所占权重为0.373，生活指标(人居环境整治)所占权重为0.380。清溪谷生态清洁小流域建设的重点为生态农业建设和人居环境整治，即生产区和生活区建设为主。

表3 清溪谷典型小流域生态清洁度综合评价指标权重

2.2 清溪谷典型小流域生态清洁度综合评价与等级划分

对清溪谷典型小流域生态清洁系统进行综合评价与等级划分时，运用模糊数学理论和层次分析法，将评价总指数的范围划分成若干连续区间，每一区间代表一个评价等级，每个区间代表一种流域发展状况，形成连续的等级阶梯。同时，参考李浩宇等[26]对流域生态健康指标评价标准的相关研究的划分标准，本研究运用多目标分级评价方法，得出清溪谷生态清洁小流域生态指标层得分为0.732，生产指标层得分为0.807，生活指标层得分为0.764，小流域综合评价总得分为0.772(表4)。

由表4可知，该小流域系统已达到“清洁”等级，系统处于良性、协调、稳定发展状态。通过清洁型小流域治理，改善了当地农业生产条件、完善产业结构调整，有效控制了面源污染，提供了洁净的水源、优美的生态和人居环境，促进了流域水土资源、生态环境和经济社会的可持续发展。

表4 清溪谷典型小流域生态清洁度综合评价及等级

3 讨论与结论

本研究基于清溪谷典型小流域的自然、社会和经济特征，采用模糊数学法和层次分析法构建生态清洁评价指标体系的框架，将清溪谷生态清洁小流域的综合评价指标体系分为3个层次，即目标层、准则层、指标层，包含生态区、生产区、生活区3个子系统，剔除关联度较高的指标，本研究初选沟道水文形态、农业用地比例、生活污水处理率等24项作为清溪谷小流域生态清洁度综合评价的指标因子。

通过开展清溪谷清洁小流域的各项综合治理，使得该小流域的土壤侵蚀面积减少，部分水土流失区域转化成了农业用地或经济林用地，小流域水质状况由治理之前的Ⅳ类水质提升为Ⅲ类水质。近几年来，清溪谷生态清洁小流域的生态旅游观光业、特早生态有机茶园建设、特色农家乐等不断发展，带动了流域系统人均旅游文化产值的提高，一定程度上增加了农民收入。在人居环境整治方面，主要从农村生活污水处理率、生活垃圾处理率的提高和农业化肥、农药使用强度的减少为主要抓手，进行清洁小流域生活区的建设和改善，从而提高整个清洁小流域的建设效果。从研究结果来看，清溪谷生态清洁小流域建设以生态区、生产区、生活区“三区”建设为核心。因地制宜实施流域水系整治、水土流失综合治理、生态农业推广和人居环境整治，从生态清洁小流域的评价指标框架及评价结果来看，流域水系整治及水土流失综合治理的生态指标所占权重为0.247，生态指标层得分为0.732，生产指标所占权重为0.373，生产指标层得分为0.807，人居环境整治所占权重为0.380，生活指标层得分为0.764，该生态清洁小流域建设的重点为生态农业建设和人居环境整治，即生产区和生活区建设为主。再运用多目标分级评价方法得出清溪谷典型小流域生态清洁度的综合评价总指数分值为0.772，说明清溪谷典型小流域生态清洁系统已达到“清洁”等级，小流域系统处于良性、协调、稳定的发展状态。

本研究运用模糊数学法和层次分析法不仅避免了人为制定权重的主观性，评价理论清晰，评价方法简捷，可操作性强，也反映了生态清洁小流域在建设前后的突变特征。但本研究中仍存在一些不足。如本研究在各指标的选取过程中不可避免的受到人为主观因素的影响，各指标间的相对重要性可能会随着生态清洁小流域在治理和发展而变化。同时，当前生态清洁小流域建设中还存在前期的调查和监测较少或缺失等问题。且随着生态清洁小流域建设工作不断推进，如何系统地开展监测以及准确地评价生态清洁小流域建设效果，仍是摆在水土保持管理者和建设者面前的一个难题[27]。需要在今后的工作中，将评价体系不断运用于实践，根据分析评价效果与实际效果的契合度进行不断修正，使评价结果更加客观和准确，使评价体系更趋完善和科学，为类似小流域或区域生态清洁综合治理提供理论依据和数据支持。