基于物元可拓原理的河流健康評價體系

史衛東

(甘肅省定西水文站，甘肅 定西 743000)

河流是地表水循環的一種重要形式，往往是維系一個生態系統的關鍵，具有重要的生態價值和社會價值，健康的河流是人類進行生產生活的前提。隨著社會的發展，人類對河流的開發程度也隨之提高，水電能源開發、河流資源開采以及污染物排放對河流健康造成了嚴重的損害，威脅著生態系統的穩定。為此，人們提出了“健康河流”概念，并開展了許多恢復河流健康的實踐研究[1-3]。

因此對河流進行健康評價十分必要。河流健康評價方法從評價原理方面可分為預測模型法及多指標評價法[4]。預測模型法通過對比理想環境下經驗模型的預期值與參考點的差異進行評價，比較典型的方法有AUSRIVAS和RIVPACS等。但其對河流健康評價存在局限性，不能完整反映河流生態系統的真實情況。多指標評價法是目前國內外研究使用的普遍方法，通過對能夠反映河流生態特征的多種指標進行打分，并利用不同的權計算方法進行總分計算。常見的多指標體系有美國快速生物監測協議(RBPs)、英國的河流生境調查(RHS)、澳大利亞的溪流狀況指數(ISC)等[5-9]。國內對河流健康的研究起步較晚，但也有不少學者利用模糊矩陣法、組合賦權法、集對分析、灰色聚類模型等方法對河流健康進行了評估，為發展河流健康評價體系做出了重要的貢獻。但河流健康系統是一個復雜的系統，現有的評價體系中包含河流物理、化學、生物等各種特征指標，而各指標中存在的模糊性以及各單項特征指標之間存在不相容的問題，是進行河流健康評價中必須要考慮的問題[10-13]。

因此，本研究結合《河湖健康評估技術導則》(SL/T 793—2020)，針對渭河流域甘肅段河流近年來水資源過度利用、水文特征變化明顯、水生生物量銳減等問題，選用河流形態、水文、水環境、水生生物、陸生生物5類評價參數，運用物元可拓原理建立多層河流健康評價體系，對渭河干流甘肅段進行健康評價，并通過對比驗證了該評價體系的優越性。

1 物元可拓評價體系

本研究的總體思路是將影響河流健康的所有因子，分為河流形態特征、水文特征、水環境狀況、水生生物狀況、陸生生物狀況5類評價參數，并作為五大類型層，每類參數選取重要的影響因子，按照物元可拓原理和加法合成原理相結合的方式分別進行評價。然后采取專家打分的方法確定影響因子對河流健康的貢獻值，以各影響因子的貢獻值作為影響系數，應用物元可拓原理進行綜合評判。最后得出很健康、健康、亞健康、不健康、病態5種河流健康水平評估結果。

1.1 物元可拓原理

1.1.1 物元建立

本研究中評價等級用N表示，N的評價參數記作C，關于C的量值記作X，則三元有序組R=(N，C，X)，稱為物元。設有n個評價等級N1，N2,…,Nn，若等級Ni的特征指標有多個，用c1，c2,…,cm表示，其經典域用Xi1，Xi2,…,Xim表示，則該評價等級表示為[14]

i=1,2,…，n;Xim=(aim,bim)

(1)

式中:aim、bim分別為各等級取值范圍的下限及上限。

建立物元Rp，取Rp?Ri，Xpm=(apm,bpm)，Xpm所取的量值范圍即為Ni關于評價指標cm的節域。其中經典域參考各評估指標的年度歷史資料平均值的最小值及最大值來確定；節域參考各評估指標歷史資料的最小值及最大值來確定，經典域是將所有的值都作為參考來取平均值，而節域只是取出一組數據里的最大值和最小值。

1.1.2 權系數

應用專家打分法確定權系數的取值。專家打分法是根據專家的經驗進行權重賦值，含有一定的主觀因素，但具有豐富經驗的專家能夠根據實際需求給出更為合理的權重系數。

1.1.3 關聯函數的計算

第i個指標對應第j種健康等級的關聯度表達式為

(2)

式中：|Xji|=|aji-bji|。

其中D(Xi,Xji)為某一點Xi與對應特征向量的有限區間[a，b]的距，計算方式為

i=1,2,3,…,n;j=1,2,3,…,m

(3)

式中：Xi，Xji，Xpi分別為河流健康評價物元的量值、經典域物元的量值范圍和節域物元的量值范圍。

1.1.4 綜合關聯度和評價等級

待評事物N的綜合關聯度公式為

(4)

式中：Kj(N)為待評物元的綜合關聯度；λi為各評價因子的權系數。

利用等級評價的方法，可計算實測指標確定等級：

(5)

式中：j*為實測指標的最終評價等級指數，即可拓指數。

1.2 加法合成原理

采用加法合成，計算公式為

(6)

式中：ji為第i種類型的評分值；v為河段個數；ωi為第i河段的河長占總河長的比例；xi為第i河段的評分值。

2 河流健康評價體系構建

2.1 研究區概況及數據來源

渭河上游甘肅段主要指渭河的源頭至甘肅和陜西交界之間的渭河干流區域。該流域多年平均降水量為515.1mm，最大年降水量約為711.0mm，最小年降水量約為339.0mm。流域多年平均氣溫8.7℃，最高氣溫10.1℃，最低氣溫7.6℃，氣溫分布由南向北、由西向東遞增[15-16]，流域水系見圖1。

圖1 渭河流域(甘肅境內)水系、站點以及水利工程示意圖

本研究依據各項評價指標，對渭河干流甘肅境內河段相關資料進行了收集整理，包括渭河干流水文站北道站的1956—2010年共55年的水文資料、渭河流域水功能水質監測資料、1982—2018年共37年的河流遙感影像數據、水生生物的現狀資料(2016年3月25日至4月14日為期20天的現場采樣調查資料)。

2.2 河流健康評價指標體系及計算

2.2.1 權系數的確定

本次專家權重打分表共10份，表1中權重值為其算數平均值。由表1可以看出，在指標體系第2層的五大類型指標中，重要性按水環境狀況、水文特征、水生生物狀況、河流形態特征、陸生生物狀況依次降低，即水質、水量最重要。這與“河流健康的核心是有相應足夠而潔凈的河川徑流”的理念完全一致，說明此次打分得出的權重值合理且可信。

表1 打分權重值及其歸一化匯總

2.2.2 分級標準

將五大類型健康指標均處理為與表2的分級標準相一致再進行評價。

表2 五大類型健康指標等級分級標準

2.2.3 河流形態特征評價

利用水文統計資料和遙感資料對渭河干流形態健康進行評價。評價體系擬定分為目標層、狀態層和指標層3個層次。目標層是對渭河干流形態健康評價指標體系的高度概括，表示渭河干流流域健康狀況的總體綜合水平；狀態層是對河流各項功能狀態的具體分述，包括河流形態結構和河岸帶狀況兩個狀態指標；指標層表示各個狀態指標的不同要素，反映渭河干流特點。據此，渭河干流(甘肅境內)形態健康評價指標體系由6個指標組成，見表3。

表3 渭河干流(甘肅境內)形態健康評價指標體系結構

河流形態綜合評分包括指標層評分、狀態層評分和目標層評分,歸一化后，1～5級標準對應的取值范圍為經典域R01～R05，節域Rp根據經典域及實測數據的取值范圍來確定。經典域R01、節域Rp為

(7)

(8)

綜合關聯度計算結果見表4。

表4 河流形態綜合關聯度

結合給定的評價方法，對渭河干流(甘肅境內)河段從指標層到目標層自下而上進行評價，評價結果見表5。

表5 渭河干流(甘肅境內)河流形態健康評價結果

2.2.4 水文特征評價

水文特征評價中，河川徑流是其他影響因素的綜合體現，因此本文選擇河川徑流變差系列傾向率作為指標，其評分值采用如下處理：

j=ji-[(ai-x)/(ai-bi)]i=1,2,3,4,5

(9)

式中：j為該項評分值；ji為實際徑流變差系列傾向率所處等級；ai為該等級上限；bi為該等級下限；x為實際徑流變差系列傾向率數值。

通過式(9)計算得到的渭河干流水文特征評價分值為1.9，屬不健康等級。

2.2.5 水環境狀況評價

根據所收集的整個渭河上游干流的水環境狀況資料，進行水環境狀況評價，按照河流水質類別對應河流健康評價指標的方法，可以確定為Ⅰ類水質屬很健康、Ⅱ類水質屬健康、Ⅲ類水質屬亞健康、Ⅳ類水質屬不健康、Ⅴ類以上水質屬病態，評分值分別記為0.5、1.5、2.5、3.5、4.5。不同河段水質類別不同，因而采用加法合成原理，用式(8)對綜合考慮河長和相應的水質類別進行計算和轉換，具體結果見表6。

表6 水環境狀況評價

對小者為優的水質狀況指標而言，評分值按下式處理:

(10)

式中：ji為評分值；xi為未歸一化的標準值；xv為第5級標準值。

2.2.6 水生生物狀況評價

通過調查渭河干流的自然概況、人為因素干擾概況、水生生物和水生生態保護概況、外來物種入侵概況，并收集整理渭河干流的水生生物歷史資料，開展渭河干流的水生生物現狀調查監測和分析，并結合歷史資料和現狀調查監測結果，對渭河干流的河流水生生物健康狀況進行評估。水生生物狀況有4個指標，健康等級分為病態(差)、不健康(劣)、亞健康(中)、健康(良)、很健康(優)5個等級，評分值分別按照0.5、1.5、2.5、3.5、4.5計算。各河流水生生物狀況指標評分及歸一化情況見表7。

表7 水生生物狀況指標評分及歸一化

采用物元可拓原理進行評價，歸一化后，1～5級標準對應的取值范圍即為經典域R01～R05，節域Rp根據經典域及實測數據的取值范圍來確定。經典域R01、節域Rp為

(11)

(12)

綜合關聯度和可拓指數計算結果見表8。由表8可看出，渭河干流評分為2.7，屬亞健康。

表8 水生生物綜合關聯度及可拓指數

2.2.7 陸生生物狀況評價

陸生生物狀況評價采用陸生植被覆蓋度作為指標，采用像元二分模型估算植被覆蓋度：

(13)

式中：Ci為植被覆蓋度；NDVImax為接近純植被像元的NDVI值；NDVImin為接近裸土時的NDVI值。將計算出的植被覆蓋度劃分為不同等級：小于0.1為極低植被覆蓋度，評分值定為0.5；0.1～0.3為低植被覆蓋度，評分值定為1.5；0.3～0.5為中等植被覆蓋度，評分值定為2.5；0.5～0.7為中高植被覆蓋度，評分值定為3.5；大于0.7為高植被覆蓋度，評分值定為4.5。

采用加法合成原理，按照式(6)進行計算，具體結果見表9。由表9可知，渭河干流評分為2.1，屬亞健康。

表9 陸生生物狀況評價

2.3 渭河流域健康綜合評估

渭河干流(甘肅段)健康綜合評估采用物元可拓原理，綜合考慮五大類型層健康狀況，得出河流健康最終結論。五大類型層指標評分及歸一化結果見表10。

表10 渭河干流(甘肅段)五大類型指標及歸一化

歸一化后，1～5級標準對應的取值范圍即為經典域R01～R05，節域Rp根據經典域及實測數據的取值范圍來確定。經典域R01、節域Rp為

(14)

(15)

綜合關聯度和可拓指數計算結果見表11。由表11可知，渭河干流評分為2.7，屬亞健康。

表11 渭河干流(甘肅段)健康綜合評價綜合關聯度及可拓指數

2.4 結果對比

為驗證本評價體系的合理性和可行性，對比以下兩種方法計算的結果。

a.以物元可拓原理和加法合成原理相結合為基礎，各層指標權重采用專家打分方式取得，評價結果見表12。

表12 渭河干流(甘肅段)健康評價結果(專家打分法求權重)

由表12可知，本評價體系最終河流健康綜合評分為2.7，屬亞健康。五大類型層中，評分由高到低依次為河流形態特征(健康，3.7)、水生生物狀況(亞健康，2.7)、陸生生物狀況(亞健康，2.1)、水文特征(不健康，1.9)、水環境狀況(不健康，1.6)。該模型處理方法突出了水文、水環境、水生生物對于河流健康的重要性，降低了陸生生物狀況的重要性，較為客觀地反映了渭河近年來河川徑流持續減少、水質水污染嚴重的實際情況。

b.各層指標評分由下層指標采用算術平均法計算得到，評價結果見表13。

表13 渭河干流(甘肅境內)健康評價結果(算術平均法)

算術平均法計算得到的渭河干流河流健康綜合評價評分為2.1，屬亞健康，健康程度低于本評價體系得到的結果。算數平均法采用等權重，且未考慮到每個指標的評分與各等級之間的關聯度，因而最終結果較為粗糙。五大類型層中，評分由高到低依次為河流形態特征(健康，3.4)、陸生生物狀況(亞健康，2.1)、水文特征(不健康，1.9)、水環境狀況(不健康，1.6)、水生生物狀況(不健康，1.6)。水生生物狀況評分受兩棲類資源指標0分的影響，被劃入不健康等級，但渭河干流歷史上兩棲類資源匱乏，算術平均法模型放大了該指標的影響，不能全面地反映河流健康的實際情況。

通過分析，可以看出基于物元可拓的河流健康評價體系結果更符合渭河實際情況，主要原因為渭河干流水生態狀況中兩棲類資源指標等級為0，算術平均法結果放大了該指標的影響，而本文中所采用的物元可拓方法均衡了各指標的影響，從渭河干流歷史上兩棲類資源匱乏的角度來講，物元可拓法在這類問題上的處理更優。

3 結 語

本次研究選用五大類能夠較好體現渭河流域甘肅段河流實際情況的評價參數，運用物元可拓原理建立了一套河流健康評價體系，根據55年的水文資料和20天的現場采樣數據，對渭河流域進行了綜合評估，并對兩種評價方法進行了對比。結果表明：渭河干流的五大類型評估中，水文特征、水環境狀況評價為不健康；水生生物狀況和陸生生物狀況評價為亞健康，河流形態特征評價為健康；綜合河流健康評價結果為亞健康。相對于基于算術平均法的河流健康評價體系，本研究建立的評價體系更為優越，可為廣泛開展河流健康調查提供基礎數據和決策依據。但在各類指標權重確定時如何保證精確合理，避免人為因素影響將是需要進一步研究的課題。