南票區女兒河流域烏金塘水庫上游段河流健康評價

(葫蘆島市南票區農業發展服務中心，遼寧 葫蘆島 125027)

河流系統健康主要體現在提供娛樂景觀和防災減災的社會價值、支撐河流生態系統生存與發展的生態環境價值以及滿足人類生產生活的經濟價值，其中最大化實現河流服務功能為最終目標[1]。河流健康評價是依據河流的基本特征和河流健康的概念，針對河流的個性與共性建立系統、科學的指標體系，考慮到河流健康具有高度的不確定性和非線性特征，屬于一個模糊、籠統的概念，因此評價過程中引入模糊數學法，可為河流水生態保護和管理提供指導。

張喜等[2]針對指標的隨機性，利用正態隸屬度函數進行處理，并在中運河系統健康評價中提出改進的集對分析模型。李浩等[3]對傳統SPA模型中的聯系度分量用不同灰類的聚類系統替代，結合相關資料提出了河流健康評價模型。段長桂等[4]提出的猴群算法投影尋蹤模型有效解決了河流健康評價受人為因素影響較為突出的問題。本文結合相關研究資料和“壓力-狀態-響應”模型，構建了南票區女兒河流域烏金塘水庫上游河流段健康評價體系和等級標準，對該河流健康狀態利用模糊集對分析法進行評價，綜合考慮主、客觀賦權法處理指標權重分配問題，從而保證了評價結果的可靠性與合理性。

1 河流健康評價體系及標準

1.1 河流健康評價體系

“壓力-狀態-響應”模型為當前環境質量和生態健康評價中最為常用的模型之一，該模型統一考慮了生態環境與社會經濟發展情況，體現了環境變化與人類發展之間的相互反饋、互相作用的機制[5]。其中，壓力子模塊主要是人類活動和自然為驅動力對河流系統產生的干擾，狀態和響應子模型體現了外界壓力干擾下河流系統所發生的改變及其在功能上作出的響應[6-7]。

根據女兒河流域的管理需求和功能定位，遵循區域性、可行性、科學性、系統性和代表性等原則構建變量層、指標層、準則層和目標層評價體系，從響應、狀態和壓力3個方面選擇河流健康影響因子，見表1。

表1 女兒河流域河流健康評價體系

1.2 河流健康評價標準

根據女兒河流域水土流失、水資源開發和人口密度等實際情況，將評價標準劃分為病態、不健康、亞健康、健康、很健康5個等級，從數據獲取方法和指標類型的角度分為定性、定量兩大類指標[8]。依據文獻資料獲取不同等級定量標準值，經適當調整后見表2。

表2 女兒河流域河流健康評價等級

2 改進的集對分析模型

2.1 集對分析模型

用聯系度描述特定屬性集對的同(同一性)、異(差異不確定性)、反(對立性)關系為集對分析的核心思想，其中評價標準與評價指標之間的綜合關系運用定量指標聯系數表征。聯系數越大則同一性越高，反之則對立性越高。將標準集合與評價指標集合構成一個集對為河流健康評價的主要內容，由此確定等級標準與指標間的結構關系，其基本流程如下：

設x1、x2、…、xm為河流健康評價指標，其中m為參評因子數。將評價樣本的評價指標植Xl(l=1,2,…,m)看作集合Xl，結合樣本實際情況設立K級標準，運用集合Yk表示第k級標準，從而構成集對H(Xl,Yk)，利用下式獲取河流健康評價五元聯系度：

μxl-yk=al+bl,1I1+bl,2I2+bl,3I3+clJ

(1)

式中：al+bl,1+bl,2+bl,3+cl=1；al、cl分別為河流對很健康和病態情況的接近程度，即同一度和對立度；bl,3、bl,2、bl,1分別為河流接近于不健康、亞健康、健康的程度；bl,3、bl,2、bl,1、al取值區間為0～1。

設X、Y為參評樣本所有指標集和5級評價標準集，則河流健康評價集對H(X,Y)的五元聯系度計算式為

(2)

式中：wl為參評因子xl的權重。

2.2 基于正態隸屬度的分析模型

河流健康評價等級間存在一定的模糊性，因此將聯系度用模糊數學法計算。選用不同的計算公式確定效益和成本指標的聯系度，其中成本類因子的聯系度計算式為

(3)

效益類因子的聯系度計算式為

(4)

針對河流健康評價上一級系統各級子系統的五元聯系度，利用式(3)、式(4)求解，從而確定五元聯系度。為了更加客觀、準確地衡量各參評因子的隨機性，將集對分析和模糊數學法相結合，用隸屬度替代聯系度分量，其數學表達式為

(5)

式中：u5l、u4l、u3l、u2l、u1l分別為參評因子l隸屬度病態、不健康、亞健康、健康和很健康的程度。

將參評指標的隨機性利用正態隸屬度進行處理，其計算式為

(6)

集合H的綜合關系利用聯系數定量描述，運用置信度準則確定聯系數的計算式為

(7)

式中：λ為取值范圍0.50～0.70的置信度，其值越大則評價結果保守度越高，根據置信度準則確定關于評價等級k樣本的隸屬度hk值。

2.3 組合賦權法確定權重

人為因素對主觀賦權法評價結果的影響較為顯著，且因決策者經驗不同存在較大差異；客觀賦權法依據參數信息獲取權值大小，但未考慮主觀意愿對健康評價的影響。結合河流生態實際情況，將熵權法與層次分析法相結合綜合確定因子權重，見表1。設w1、w2為AHP法和熵權法確定的河流健康各評價因子權重，兩者的差異程度利用距離函數d(w1,w2)確定，其表達式為

(8)

綜合權重w利用線性加權法和分配系數確定，計算式為

w=αw1+βw2

(9)

為盡可能地降低差異程度，設定分配系數與距離函數具有相同的差異程度，即

d(w1,w2)=(α-β)2;α+β=1

(10)

2.4 模型運算流程

步驟一：依據河流生態實際情況確定不同標準的上下邊界值和實際值xkl，運用式(6)求解vkl和ukl值。

步驟二：根據式(5)和上述運算結果確定分量bl,3、bl,2、bl,1、cl、al值，結合w1、w2值和式(8)～式(10)獲取各評價因子綜合權重值。

步驟三：結合綜合權重值和聯系度分量運算結果，對河流健康五元聯系度利用式(2)求解，最終獲得河流系統健康聯系度及其評價等級。

3 實例分析

3.1 烏金塘水庫上游段河流健康評價

女兒河流域發源于興城市藥王廟鄉五頂山五股泉，流經張相公屯鄉、山神廟鄉、白馬石鄉、新臺門鎮、鋼屯鎮、暖池塘鎮，經烏金塘水庫后進入南票區境內，后經萬屯入連山區至錦州市東南部匯入小凌河，流域面積為518.2km2，全長17km，河道比降1.63%。烏金塘水庫上游河段河道水深較淺、徑流量逐年遞減、水體自凈能力差、水流速度緩慢、底泥容易沉積，隨著人類活動和氣候變化的影響，干支流來水量的減少及污染物數量的增大對河流生命健康構成嚴重威脅。為了改善河流水質，恢復河流生物多樣性及河流地貌形態，促進人水和諧的協調持續發展，選用科學的方法系統評價河流健康狀態具有重要意義[12]。

女兒河流域定量數據來源于《2017年遼寧省統計年鑒》《遼寧省水文年鑒》《遼寧省水資源調查評價》《女兒河流域水污染防治計劃》等。公眾參與和專家評判為部分定性數據來源。根據改進的模糊集對分析模型實現流程和構建的河流生態系統健康評價PSR指標體系，利用分級聯系度獲取研究區各指標五元聯系度，結合22項具體指標的權重及其對應標準的五元聯系度，確定河流健康評價綜合指數及其等級標準，見表3～表6。

表3 烏金塘水庫上游段河流健康評價四級指標聯系度

表4 烏金塘水庫上游段河流健康評價三級指標聯系度

表5 烏金塘水庫上游段河流健康評價二級指標聯系度

表6 烏金塘水庫上游段河流健康評價一級指標聯系度

當λ值取0.6時，烏金塘水庫上游河段h3=0.12+0.15+0.43=0.70>λ值，依據等級劃分標準可認為該河段處于亞健康狀態。

3.2 結果分析

從表3各個分量運算結果可知，指示生物存活數量、水資源開發利用率和水土流失率指標的對立度均為1，可見這3項因子對河流健康具有最大的接近程度，即處于病態狀態。同時，河流健康狀態主要受指示生物存活數量、水資源開發利用率和水土流失率的影響。

為了更加直觀地反映烏金塘水庫上游段河流三級指標分析結果，將表4中的聯系度繪制成圖1。從圖1可以看出，河流生態、水文、水質、形態、人為壓力和自然壓力三級指標的聯系度al值均為0，表明這些指標接近很健康的程度為0。隸屬于亞健康占比最大的指標包括河流水文、水質、形態、社會功能、人為和自然壓力，由此表明，烏金塘水庫上游段河流處于不好狀態，主要體現在河岸植被覆蓋較少、部分河道渠化、河床淤積和河流存在少量障礙物等方面。通過對表4、表5的綜合分析發現，指標層中7個分量和準則層3個分量中b2的聯系度最大，可見隸屬于亞健康的程度較高，該評價結果與表6運算結果保持較高的一致性。

圖1 烏金塘水庫上游段河流健康評價三級指標聯系度百分比

4 結 論

a.本文遵循時效性、綜合性、區域性和科學性原則選擇能夠反映河流系統健康狀態的評價因子，結合PSR框架模型建立綜合評價體系。通過對河流生態系統的模糊性分析，對評價標準與河流健康指標之間的關系結構利用改進的集對分析模型進行同一性、對立性和差異性表達，考慮各指標間的梯階層次關系和PSR模型框架結構建立四級評價標準。以烏金塘水庫上游段河流健康為例，運用置信度準則和五元關聯度評價分析河流健康水平，結果表明該河段處于亞健康水平，評價結果與河流生態實際情況保持較高的一致性。

b.系統科學地評價河流健康水平可為流域水資源管理和水生態保護提供科學依據，考慮女兒河流域水生態實際狀況，有必要結合國內外河流管理模式和灰色、綠色工程措施及非工程措施進行河流治理，使河流自然生態與管理模式協調持續發展，在水資源合理利用的同時強調保護環境的必要性，權衡自然生態與社會發展需求，實現人水和諧發展。