基于組合賦權與有序度熵模型的干旱內陸河流健康評價

藍 利， 雷曉云， 高 凡， 黃 霄

(新疆農業大學 水利與土木工程學院， 新疆 烏魯木齊 830052)

1 研究背景

人水關系一直是人類發展的核心命題，在經歷了人類對水的被動依存、主動對抗、積極利用以及由于人類對水循環認識不足及自身用水行為管理不當而導致一系列人水危機后，人水和諧成為當前及今后流域發展的關鍵主題[1]。河流是各類水體中較易被開發利用的淡水資源，同時也是地球上多樣化生態系統中最重要的生態系統之一。整個20世紀發生在地球上的種種生態危機事實促使人們不得不重新看待河流，思考河流價值，重新定位人與河流之間的關系，并采取措施修復或恢復河流生態系統，持續穩定發揮河流服務功能，河流健康理念即基于此背景提出[2]。作為一種適應性的河流管理工具，如何界定概念與內涵、尺度與范圍、指標與標準、模型與方法，是河流健康研究技術方法體系的關鍵環節。自20世紀80年代以來，許多學者在河流健康評價方面做了大量工作，并形成了多種如河流健康計劃(RHP)[3]、魚類評估指數(FAI)[4]、倒位寄生蟲指數(IPI)[5]、生物完整性指數(IBI)[6]、定量微生物風險評估法(QMRA)[7]、多元標準決策法(MCDM)[8]等經實踐推行的評價方法。我國從20世紀90年代開始關注國內河流健康問題，并在長江、珠江、黃河、海河、遼河等大江大河進行河流健康評價試點研究[9]，已于2010年啟動了全國重要河湖健康試點評估工作，制定了《河流健康評估指標、標準與方法(試點工作用)》。

由于在流域范圍內對所有干擾都敏感的單一河流健康指標是不可能存在的[10]，且考慮到我國幅員遼闊、類型多樣、河流開發與人類干擾程度不一，河流健康評價涉及的關鍵指標應因地制宜。干旱區內陸河流域是水資源系統與生態系統最脆弱的地區之一[11]，確定有效指示干旱內陸河流健康狀態及變化的關鍵因子，對于干旱內陸河流生態水文保育與河流適應性管理至關重要。據統計，2000年以來我國公開發表的以“河流健康”為主題的論文4 000余篇，多集中在濕潤、半濕潤、半干旱地區的河流、湖泊、三角洲等區域[12]，針對干旱區內陸河流的河流健康評價成果較少，主要集中在塔里木河、黑河、石羊河流域[11]，且從河流復合生態系統角度出發，綜合考慮河流自然與人類價值的河流健康評價成果較少，缺乏一套有效指導該類型河流健康評價與適應性管理的理論方法體系。因此，本文結合干旱內陸河流生態水文特性，以葉爾羌河干流段為評價對象，參考水利部《河流健康評估指標、標準與方法(試點工作用)》，采用 “壓力-狀態-響應”(PSR)模型選擇關鍵指標構建評價指標體系，建立“基于可達最佳標準的”評價標準，并運用組合賦權和有序度熵模型對葉爾羌河河流健康狀況進行綜合評估，以期指導該類型河流適應性管理。

2 數據與方法

2.1 研究區概況、尺度界定與數據來源

葉爾羌河流域是塔里木河流域“四源一干”水系格局的重要組成部分，干流全長1 078 km，多年平均河川徑流量65.45×108m3。目前該流域突出的水資源開發利用與生態環境問題表現為春灌缺水、夏洪突出、鹽漬化及沙漠化趨勢增加、向塔里木河生態輸水嚴重不足、水資源供需矛盾突出、生產生活擠占生態用水現象顯著等問題。

針對河流健康概念界定的三要素：定義主體、研究對象、參照標準[2]，根據干旱區內陸河流生態水文特征[13]，將葉爾羌河河流健康概念定義為，可為人類健康工作的河流復合生態系統健康[12]。同時，借鑒地理學空間尺度概念中河流健康評價的點尺度(點位、斷面)、線尺度(河流、河段)、面尺度(流域、水系)劃分，本文采用點尺度與線尺度嵌套的空間尺度界定方法，評價范圍為葉爾羌河干流卡群渠首斷面至艾里克塔木渠首斷面(見圖1)，河段長333 km，分為兩個分河段，分別為：卡群渠首至依干其渠首斷面(長60 km)、依干其渠首至艾里克塔木渠首斷面(長273 km)。評價的現狀年為2015年。評價所需數據資料來自葉爾羌河流域管理局1962-2015年水文站降水、蒸發、泥沙、水位、實測流量等數據，并參考相關文獻、流域規劃報告、統計年鑒以及相關專業報告等。

圖1 葉爾羌河流域范圍及水系站點分布示意圖

2.2 基于PSR模型的河流健康評價指標體系構建

“壓力-狀態-響應”(PSR)模型廣泛應用于生態安全評價、土地資源質量評價、土地利用可持續評價以及生態系統健康評價等領域[2]，用于回答“發生了什么、為什么發生、將如何做”的問題，應用于河流健康評價成果較少。本文依據指標體系構建的科學性、系統性、層次性、獨立性和指標定量性與可操作性等原則，分別從壓力、狀態、響應因子選擇指標初步構建河流健康評價指標體系框架，并采用設計問卷調查表等方式通過被調查人員(相關領域專家、流域管理局人員、公眾等)分析各評價指標對于河流健康影響程度的評分[14]，考慮干旱區內陸河流關鍵生態環境機理，選擇關鍵評價指標，構建了壓力指數、狀態指數和響應指數涵蓋的23項指標的河流健康評價指標體系，見表1。

表1 葉爾羌河卡群-艾里克塔木段河流健康評價指標體系及權重系數

2.3 基于 “可達最佳狀態”的河流健康評價標準

河流健康是一個相對的概念，需要選擇參照狀態，即河流健康標準[12]，參照狀態(Reference Condition，RC)旨在定義和表征河流在自然條件下應有的狀態，被越來越多地作為基準應用于評估人類活動干擾程度[15]。根據當前對參考狀態的幾種理解，包括最小干擾狀態(MDC)、歷史參考狀態(HC)、最低干擾狀態(LDC)、最佳可達狀態(BAC)[15]，本文以“近自然準則”為原則，依據國家相關標準，借鑒國內外有關河流健康標準成果，并聘請行業專家、流域管理人員及沿岸居民公眾，人為規定一種通過有效調控與管理可達的期望狀態作為河流健康評價標準，構建基于“可達最佳狀態”的葉爾羌河河流健康評價標準，以避免以河流天然狀態為基準而可能導致的忽略河流保護目標實現的可能性與可操作性弊端，見表2。該標準以“很健康、健康、亞健康、不健康、病危”為河流健康評價等級[2]，評價標準中指標閾值范圍確定依據指標類型(定量指標和定性指標)分別率定，對于定性指標(特色生物存活狀況、河流景觀效應)，聘請專家采用賦分法用分值<20、20～40、40～60、60～80、>80分別對應5個級別[12]；對于定量指標，借鑒歷史資料、流域實際及國家標準[11-15]，并充分聽取社會各方利益者的意見后，通過對比分析確定。

表2 河流健康等級表

2.4 基于內置權重與用戶權重的綜合權重確定

內置權重系數采用層次分析法獲得[16]。用戶權重系數采用客觀賦權法——熵權法計算。依據信息論基本原理，信息量越大，不確定性越小，熵越小；反之，信息量越小，不確定性越大，熵越大[16]。

設有m個河段，n項指標，構成原始數據矩陣(xij)m×n。

(1)歸一化處理。

(1)

(i=1,2，…，m;j=1,2,…,n)

(2)計算第j項指標的信息熵。

(2)

(3)計算第j項指標的權重，令

uj=1-ej(j=1,2,…,n)

(3)

對uj進行歸一化處理，得∑wj=1，第j項的指標權重wj為：

(4)

在綜合考慮主客觀因素基礎上，將內置權重與用戶權重綜合，計算各指標綜合權重，公式為：

(5)

式中：Qj為綜合權重系數；vi為內置權重系數；wj為用戶權重系數。

2.5 基于有序度熵的河流健康評價模型

基于河流耗散結構理論，從系統角度出發，引入有序度概念衡量河流健康評價的壓力、狀態、響應因子之間的協同性，構建基于有序度熵的河流健康評價模型。設第j個子系統的第i個序參量xij，其值應在臨界閾值區間，若在閾值區間的取值越大，子系統的有序程度越高；取值越小，則相反[17]。

對于遞增型序參量，設最小臨界值為Rmin，最大臨界值為Rmax，序參量值為Rij，則序參量的有序度ε為[18]：

(6)

對于遞減型序參量，序參量的有序度ε為[3]：

(7)

對于趨中型序參量，設序參量的臨界固定值為Rfix，序參量有序度ε為[18]：

(8)

采用系統熵衡量系統有序性程度，計算評價河流綜合健康指數。設河流系統分為m段，各河段指標數為n，則各河段子系統健康指數可采用公式(9)進行計算，各河段各因子的健康指數可由公式(10)計算可得，各河段的總體健康指數可由公式(11)進行計算，河流總體健康指數在河段健康指數計算的基礎上，采用算術平均的計算方法，由公式(12)可計算得出[18-19]：

(9)

(10)

(11)

(12)

式中：Ipj為第p河段第j個子系統的健康指數;ωpij為第p河段第j個子系統中第i個序參量的權重系數；εpij為第p河段第j子系統第i個序參量的有序度；n為第j子系統中序參量的個數；Ipk為第p河段第k個因子的健康指數；ωpjk為第p河段第k個因子中第j個子系統的權重系數；q為第p河段第k個因子中子系統的個數；Ip為第p河段的總體健康指數；ωpk為第p河段第k個因子的權重系數；HI為河流系統總體健康指數；m為河段數；其中，i=1，2，…n；j=1，2，…q；k=1，2，3；p=1，2，…m。

3 葉爾羌河現狀年河段河流健康評價結果與分析

3.1 序參量權重

本文內置權重系數采用層次分析法確定，經計算判斷矩陣最大特征值λmax=6.08，一致性比率CR=0.013<0.1，滿足要求。用戶權重系數采用熵權法確定，并計算各指標綜合權重系數(見表1)。

3.2 序參量有序度值

各序參量有序度值成果見圖2。其中，S1、S2分別表示卡群渠首至依干其渡口渠首河段、依干其渡口渠首至艾里克塔木渠首河段(以下簡稱S1河段、S2河段)。由圖2可知，S1河段與S2河段各序參量有序度值變化趨勢基本一致，人口密度(D4)、縱向連通性(D10)、河道蜿蜒性(D11)、流量變化率(D12)以及水質綜合污染指數(D15)有序度值較高，均大于0.8，對河流系統健康的貢獻度較高，地下水開采率(D6)、水沙平衡程度(D13)、天然植被蓋度(D17)以及荒漠化面積(D19)有序度值較低，均小于0.2，對系統健康的貢獻較小，其余序參量有序度值則在0.2～0.8之間上下波動。

3.3 河流健康綜合指數

葉爾羌河分河段的河流健康綜合指數與健康等級劃分見表3。可以得出，葉爾羌河干流卡群渠首斷面至艾里克塔木渠首斷面河流健康綜合指數0.529，且響應健康指數(0.537)>狀態健康指數(0.530)>壓力健康指數(0.521)，河流健康等級為III級，處于亞健康狀態。其中，S1河段河流健康綜合指數為0.546，S2河段河流健康綜合指數為0.511，均為亞健康狀態，S1河段河流健康綜合指數略高于S2河段。各河段指標層河流健康分指數分析結果見圖3，壓力指數中，S1河段與S2河段的自然壓力(C1)健康指數均高于人為壓力(C2)健康指數，屬亞健康等級，且S1河段優于S2河段；狀態指數中，S1河段與S2河段河流形態指標(C3)健康指數在0.7～0.8之間，屬健康狀態，說明河流形態指標對狀態指數的健康貢獻度較大。兩河段水文指標(C4)健康值均在0.4～0.6之間，為亞健康狀態。S1河段水質指標(C5)健康指數為健康狀態，而S2河段水質指標(C5)健康指數為亞健康狀態，值得引起注意。S2河段的生態指標(C6)健康指數為0.3～0.4，屬不健康狀態，說明河流生態指標對狀態因子的健康貢獻度較小；響應指數中，S2河段的社會功能指標(C7)健康指數略微高于S1河段，均屬于亞健康等級。

綜合評價結果顯示現狀年2015年，葉爾羌河干流河段(卡群-艾里克塔木)河流健康狀態由健康向不健康臨界狀態過渡。導致該河段河流健康受損的原因主要是，水資源開發利用率高而有效使用率低(地表水引水率達92%，地下水開采率達61%，灌溉水利用系數僅0.47[20])、水沙關系不平衡、水環境出現河段敏感性轉折性變化(由S1至S2)、流域天然植被覆蓋率下降、土壤鹽漬化沙漠化加劇等，河道內幾乎未見以土著生物存活為表征的水生態沿程本底脆弱并趨于急劇惡化趨勢，下坂地水庫投入運行與平原水庫的聯合水資源調配雖在一定程度上有效緩解了流域春旱缺水程度，農田灌溉用水保證率和防洪能力相應提高，但向塔河7-9月生態輸水(3.3×108m3)的規劃目標仍未有效實現。評價結果與實際情況基本符合[12]，河流健康生命受到威脅，需引起有關管理部門重視，河流健康維護工作勢在必行。

圖2序參量有序度分布柱狀圖圖3指標層健康指數分布柱狀圖

表3 葉爾羌河分河段的河流健康綜合指數與健康等級劃分

4 結論及建議

(1)基于PSR模型和“可達最佳狀態”參照標準構建了葉爾羌河流健康評價指標體系和評價標準，運用組合權重和有序度熵模型構建河流健康評價模型。

(2)評價結果顯示，葉爾羌河干流卡群-艾里克塔木河段綜合健康指數為0.529，河流健康綜合評價等級III級，處于亞健康狀態，即河流健康由健康向不健康過渡的臨界狀態，與實際情況基本符合。

(3)葉爾羌河河流健康生命已受到威脅，河流健康保護工作勢在必行。恢復河道水沙沖淤平衡、施行最嚴格的水資源管理制度及水質管理制度，提高河道外用水特別是農田灌溉水利用效率，重視上游山區水庫下坂地水庫與平原水庫的聯合調度并考慮河流生態需水調度，以保護并恢復河流健康。