郭維東，王麗，高宇，賴倩，張智勇，徐星星，李楊

（1.沈陽農(nóng)業(yè)大學(xué)水利學(xué)院，沈陽 110866;2.遼寧省白石水庫管理局，遼寧朝陽 122000; 3.撫順市水利勘測設(shè)計研究院，遼寧撫順 113000）

遼河中下游水文生態(tài)完整性模糊綜合評價

郭維東1，王麗1，高宇2，賴倩1，張智勇3，徐星星3，李楊3

（1.沈陽農(nóng)業(yè)大學(xué)水利學(xué)院，沈陽 110866;2.遼寧省白石水庫管理局，遼寧朝陽 122000; 3.撫順市水利勘測設(shè)計研究院，遼寧撫順 113000）

從水文角度，提出了包括最小生態(tài)基流滿足率、斷流指數(shù)、環(huán)境適宜指數(shù)、含沙量指數(shù)及輸沙平衡程度指數(shù)5大要素構(gòu)成的指標體系及評價標準，采用模糊綜合評價模型，得出遼河中下游河段水文生態(tài)完整性評價結(jié)果，為日后遼河中下游河段的保護、修復(fù)與管理提供了決策依據(jù)。

遼河;評價指標;模糊綜合評判;水文生態(tài)完整性

河流是人類生存與繁衍的基礎(chǔ)，流域生態(tài)系統(tǒng)的完好是人類發(fā)展和經(jīng)濟運行的重要保證。近些年，由于社會各方面的高速發(fā)展，人類的開發(fā)活動不斷升級，世界各國的河流都在一定程度上遭受了污染和破壞，河流的生態(tài)環(huán)境出現(xiàn)了一系列諸如斷流、水質(zhì)變差、結(jié)構(gòu)破損、水文情勢變化以及地貌條件退化等問題，嚴重影響了河流的健康發(fā)展［1-3］。河流生態(tài)系統(tǒng)惡化這一問題，已引起全世界水利工作者和生態(tài)研究者的廣泛關(guān)注，成為人類繼續(xù)發(fā)展的最大危機［4］。在這一背景下，河流生態(tài)系統(tǒng)的完整性評價成為解決這些矛盾的基礎(chǔ)，并逐步受到各國研究學(xué)者的廣泛關(guān)注，評價結(jié)果對經(jīng)濟社會的可持續(xù)發(fā)展及流域未來的規(guī)劃治理具有顯著意義。

河流水文情勢周而復(fù)始的循環(huán)往復(fù)是影響整個河流生態(tài)環(huán)境的根本因子，是影響生物多樣性的關(guān)鍵因素。水的運動是地球表面上地貌形成的動力之一，水的侵蝕、沖刷和淤積作用為生物群落的繁衍創(chuàng)造了富饒的棲息地［5-6］。而近些年，遼河干流水資源開發(fā)利用程度提高，河道的不合理開挖使得河道時有斷流的現(xiàn)象產(chǎn)生，河道中動植物生存的生態(tài)基流等基本要素都得不到滿足，這就意味著河道本身水文功能和生態(tài)功能的喪失或正在喪失，如同人體的某處血管斷流一樣，是不容忽視的大事［6-8］。因此，本文從水文角度首先確定河流水文生態(tài)完整性的評價指標體系，進而對遼河干流的水文現(xiàn)狀進行系統(tǒng)評價。

1 河流水文生態(tài)完整性評價方法與模型

1.1 評價指標體系

截止至目前，單一對河流水文生態(tài)完整性評價的研究少之又少。本次研究所建立的評價指標體系，是在國內(nèi)外研究人員評價河流生態(tài)完整性時所采用的水文指標及查閱河道生態(tài)水文學(xué)等書籍的基礎(chǔ)上，考慮水文要素對河道生態(tài)系統(tǒng)的影響程度及指標獲取的難易程度，結(jié)合遼河干流自身的自然條件，通過向?qū)＜易稍?，識別遼河現(xiàn)狀所面臨的關(guān)鍵環(huán)境問題，綜合多種因素對指標進行詳細的分析、評估和篩選，最終確定的評價指標體系。此體系為包含目標層、準則層和指標層在內(nèi)的多層評價指標體系，其中，目標層反映了河流水文生態(tài)完整性的情況，準則層代表了影響河流水文的5個約束因子，指標層包含9個指標，每個指標均遵循代表性、可行性、獨立性等原則選取，如圖1所示。河流水文生態(tài)完整性指標計算方法見表1。

1.2 評價標準

本文通過歸納前人研究結(jié)果，并根據(jù)遼河干流自身特點將水文評價標準分為“好、較好、一般、較差、差”5個級別分別代表“Ⅰ，Ⅱ，Ⅲ，Ⅳ，Ⅴ”5個類別，具體標準見表2。

1.3 模型選取

圖1 河流水文生態(tài)完整性綜合評價指標體系Fig.1Index system for the comprehensive assessment of hydroecological integrity of river

表1 河流水文生態(tài)完整性指標計算方法Table 1Calculation methods for the indexes of river’s hydroecological integrity

河流水文生態(tài)完整性狀況是一個動態(tài)性的相對概念，影響要素是多樣的，各要素之間的關(guān)系是復(fù)雜和模糊的。經(jīng)分析比較各種計算模型方法，本文決定選用理論研究較成熟的模糊綜合評價法。當評價難以用一個簡單的數(shù)值表示時，采用此法較為合適。具體步驟是根據(jù)評測數(shù)據(jù)計算每個指標對各個等級標準的隸屬度集，形成模糊關(guān)系矩陣，再將權(quán)重集與模糊關(guān)系矩陣進行合成運算，獲得綜合評價集，最后根據(jù)最大隸屬度原則，得出現(xiàn)狀等級標準，具體過程如下。

1.3.1 建立指標類集與指標集

式中:U為指標評價集;Un為指標評價類。每類指標中的分項指標表示為指標集Ui，

1.3.2 建立指標類權(quán)重集

本次研究采用專家咨詢法確定各指標權(quán)重。根據(jù)指標對評價目標的影響程度，對每類指標賦予相應(yīng)的權(quán)數(shù)，指標類權(quán)重集為A={a1，a2，…，an};再結(jié)合每一類指標中分項指標的重要程度，賦予相應(yīng)的權(quán)數(shù)，設(shè)第i類指標Ui的第j個指標uij的權(quán)數(shù)為aij，則指標權(quán)重集Ai={ai1，ai2，…，ain}。

1.3.3 建立模糊關(guān)系矩陣

利用隸屬函數(shù)得到評價指標隸屬于備擇集V= {V1，V2，V3，V4，V5}中第k個元素vik的隸屬度rijk。對一類指標來說，各分項指標對各評價等級的隸屬度就構(gòu)成了1個矩陣，稱之為第i類指標Ui的一級模糊關(guān)系矩陣Ri，

綜合比較，本文選用的隸屬函數(shù)為柯西分布函數(shù)（張晶等，2010），公式為

式中:U（x）為隸屬度函數(shù);x為指標值;α為函數(shù)參數(shù)，取值見式（2）至式（4）。

當指標值位于Ⅱ類、Ⅲ類、Ⅳ類的中點時，U（x）=1;當指標值位于Ⅱ類、Ⅲ類、Ⅳ類的臨界點時，U（x）=0.5;當指標值位于Ⅰ類的左端點、Ⅴ類的右端點時，U（x）=1。

表2 河流水文生態(tài)完整性評價等級標準Table 2Criteria of river’s hydroecological integrity levels

指標處于評價標準的第Ⅱ類、Ⅲ類、Ⅳ類時，

指標處于評價標準的第Ⅰ類時，

指標處于評價標準的第Ⅴ類時，

式中:xu，xi為對應(yīng)級別相應(yīng)參數(shù)的上下邊界值。對于定性指標，根據(jù)實際調(diào)查情況，對照評價標準，在相應(yīng)的所屬類別中令U（x）=1。

1.3.4 一級模糊評價

對第i類指標進行一級模糊綜合評價，得一級模糊評價集Bi，

式中:Bi為一級評價集;Ai為指標權(quán)重集;Ri為一級模糊關(guān)系矩陣;計算方法采用普通矩陣算法。

1.3.5 二級模糊評價

由一級模糊評價結(jié)果，得到二級模糊綜合評價集B，

最后根據(jù)最大隸屬度原則，將B中最大數(shù)值所對應(yīng)的等級類別作為最終評價結(jié)果

1.4 權(quán)重的確定

指標權(quán)重的確定采用向生態(tài)學(xué)專家及遼河管理部門的相關(guān)人員咨詢的方式確定指標權(quán)重，結(jié)果見表3。從表中可以看出最小生態(tài)基流滿足率是河流保證水生生物生存和繁殖的基本條件，所占比重為0.3;環(huán)境適宜指數(shù)與輸沙平衡度指數(shù)是保證河道內(nèi)動植物豐度及河床健康發(fā)展的重要條件，所占比重為0.2;斷流指數(shù)與含沙量指數(shù)是維持生態(tài)系統(tǒng)正常循環(huán)的關(guān)鍵因素，所占比重為0.15。通過以上分析可以看出本文提出的各指標權(quán)重客觀且符合實際。

表3 水文生態(tài)完整性綜合評級指標體系及其權(quán)重Table 3Indexes and their weights for the hydroecological integrity assessment

2 遼河干流水文生態(tài)完整性評價結(jié)果與分析

本次對遼河干流的水文評價選取福德店、通江口、鐵嶺、馬虎山、平安堡、遼中、六間房7個水文站的流量、水溫、含沙量、實測斷面等資料作為研究數(shù)據(jù)，鑒于數(shù)據(jù)的可獲得性，評價年份選取1988—2005年，所用數(shù)據(jù)全部來源于《水文年鑒》，真實可信無誤。在評價年份中，1994—1995，1998，2005年為豐水年;1990—1991，1996，2003—2004年為平水年;1988—1989，1992—1993，1997，1999，2000—2002年為枯水年。

2.1 指標層數(shù)據(jù)統(tǒng)計

根據(jù)上述計算過程及各個指標的計算方法，整理后可得評價所用的指標層數(shù)據(jù)，結(jié)果見表4。

2.2 評價過程

利用前面所提出的模糊綜合評價法進行遼河干流的水文生態(tài)完整性評價。首先根據(jù)各個指標數(shù)據(jù)和指標所屬類別，利用各等級的隸屬函數(shù)，求一級模糊關(guān)系矩陣，結(jié)果見圖2。

一級模糊評價結(jié)果矩陣表示為

由一級模糊評價集和權(quán)重集可得二級評價結(jié)果（圖3）。

從圖3可知，最終評價結(jié)果對“一般”即Ⅲ類的隸屬度最高，根據(jù)最大隸屬度原則，可知遼河干流水文生態(tài)完整程度處于“一般”的狀態(tài)。

表4 指標層數(shù)據(jù)Table 4Data of index level

圖2 一級模糊評價結(jié)果Fig.2Result of first-stage fuzzy assessment

圖3 二級模糊評價結(jié)果Fig.3Result of second-stage fuzzy assessment

2.3 結(jié)果分析

由一級評價結(jié)果，根據(jù)最大隸屬度原則可知:最小生態(tài)基流滿足率對“一般”狀態(tài)的隸屬度最高，達到0.750 4，說明遼河干流的最小生態(tài)基流滿足率不能完全保證。資料顯示，遼河流域近9年水資源總量均值減少了20%左右，隨著經(jīng)濟發(fā)展工業(yè)農(nóng)業(yè)用水不斷增加，生態(tài)用水更加緊缺，生物生存所需的最小流量得不到滿足，勢必引起河道內(nèi)生物生存空間的擁擠，應(yīng)該引起相關(guān)部門的高度重視，采取必要措施提高生態(tài)基流的滿足程度。斷流指數(shù)對“較好”的隸屬度最高，達到0.530 9，河道斷流造成動植物生存空間物質(zhì)流、能量流的中斷，這帶來的生態(tài)破壞后果可想而知。對于環(huán)境適宜指數(shù)，隸屬度對“較好”最高，為0.282 3，但是流速適宜指數(shù)僅為“Ⅴ”類即極差的水平，說明遼河的流速狀況極其不適宜魚類的生存，水溫比較適宜魚類產(chǎn)卵及繁殖。通過遼河實地調(diào)查發(fā)現(xiàn)，遼河河道污染總體減輕，但仍處于較高的污染水平，污水排放及生活垃圾傾倒等等，對河道水溫及流速影響較大，對魚類及其他的水生物生存環(huán)境也有較大影響。含沙量對“一般”的隸屬度最高，達到了0.64，說明近幾年的含沙量偏離遼河干流上世紀六七十年代的程度為一般。輸沙平衡程度指數(shù)對“較差”的隸屬度最高，達到了0.997 4，說明遼河干流的輸沙及其不平衡，并且通過資料可以看出，福德店、通江口、鐵嶺、馬虎山及遼中、六間房總體上是處于沖刷狀態(tài)，水多沙少，但是平安堡測站的多年平均輸沙平衡程度指數(shù)小于1，說明河道多年來一直處于淤積狀態(tài)，因其在柳河口的下游，柳河是多沙河流，致使河道在此處淤積較為嚴重，需引起相關(guān)治理部門的重視。

3 結(jié)語

本文從水文角度首先確定河流水文生態(tài)完整性的評價指標體系，進而對遼河干流的水文現(xiàn)狀進行系統(tǒng)評價，具有操作性強、簡便和全面等特點。

通過對遼河中下游水文生態(tài)完整性評價表明，遼河干流的水文總體完整程度處于一般的狀態(tài)，說明為了保證河道內(nèi)動植物生存空間的環(huán)境和質(zhì)量，需要進行一系列的整治措施和改進。

［1］高學(xué)平，趙世新，張晨，等.河流系統(tǒng)健康狀況評價體系及評價方法［J］.水利學(xué)報，2009，40（8）:962-968.（GAO Xue-ping，ZHAO Shi-xin，ZHANG Chen，et al.Index System and Method for Assessing the Health Status of River［J］.Journal of Hydraulic Engineering，2009，40（8）:962-968.（in Chinese））

［2］侯全亮，李肖強.論河流健康生命［M］.鄭州:黃河水利出版社，2007:91-95.（HOU Quan-liang，LI Xiaoqiang.River Health［M］.Zhengzhou:Yellow River Water Conservancy Press，2007:91-95.（in Chinese））

［3］黃寶榮，歐陽志云，鄭華，等.生態(tài)系統(tǒng)完整性內(nèi)涵及評價方法研究綜述［J］.應(yīng)用生態(tài)學(xué)報，2006，17 （11）:2196-2202.（HUANG Bao-rong，OUYANG Zhiyun，ZHENG Hua，et al.Connotation of Ecological Integrity and Its Assessment Methods Review［J］.Chinese Journal of Applied Ecology，2006，17（11）:2196-2202.（in Chinese））

［4］董哲仁，孫亞東.生態(tài)水利工程原理與技術(shù)［M］.北京:中國水利水電出版社，2007:105-107.（DONG Zhe-ren，SUN Ya-dong.Principles and Technologies of Eco-hydraulic Engineering［M］.Beijing:China Water Power Press，2007:105-107.（in Chinese））

［5］馬鐵民.遼河流域健康評價指標體系初探［J］.東北水利水電，2008，26（12）:1-3.（MA Tie-min.Discussion on Index System of Health Assessment in Liaohe River Basin［J］.Water Resources and Hydropower of Northeast China，2008，26（12）:1-3.（in Chinese））

［6］王龍，邵東國，鄭江麗，等.健康長江評價指標體系與標準研究［J］.中國水利，2007，12（3）:12-15. （WANG Long，SHAO Dong-guo，ZHENG Jiang-li，et al.Assessment Index System of Healthy Yangtze and Standards［J］.China Water Resources，2007，12（3）: 12-15.（in Chinese））

［7］郭維東，高宇，孫磊，等.遼河中下游柳河口至盤山閘段河流地貌生境評價［J］.水電能源科學(xué)，2012，30（2）:63-66.（GUO Wei-dong，GAO Yu，SUN Lei，et al.Evaluation of River Landscape Habitat for Middle and Lower Reaches of Liaohe River［J］.Water Resources and Power，2012，30（2）:63-66.（in Chinese））

［8］林木隆，李向陽，楊明海.珠江流域河流健康評價指標體系初探［J］.人民珠江，2006，25（3）:1-3.（LIN Mu-long，LI Xiang-yang，YANG Ming-hai.Probe into the Index System for Evaluating the Health of the Rivers in the Pearl River Basin［J］.Pearl River，2006，25（3）: 1-3.（in Chinese））

（編輯:曾小漢）

Fuzzy Comprehensive Assessment of Hydroecological Integrity for Middle and Lower Reaches of Liaohe River

GUO Wei-dong1，WANG Li1，GAO Yu2，LAI Qian1，ZHANG Zhi-yong3，XU Xing-xing3，LI Yang3
（1.School of Water Conservancy，Shenyang Agricultural University，Shenyang110866 China; 2.Management Office of Baishi Reservoir in Liaoning Province，Chaoyang122000，China; 3.Water Survey and Design Institute of Fushun City，F(xiàn)ushun113000，China）

To provide decision-making basis for the protection，restoration and management of middle and lower Liaohe river，we put forward an index system and criteria for the hydroecological integrity assessment.The index system includes minimum expected fill rate of instream flow，zero flow index，environment suitability，sediment concentration，and sediment transport equilibrium index.Fuzzy comprehensive assessment model was employed for the hydroecological integrity assessment.Results showed that the hydroecological integrity of Liaohe river is in an average level.

Liaohe river;assessment index;fuzzy comprehensive assessment;hydroecological integrity

TV211.2

A

1001-5485（2013）05-0013-04

10.3969/j.issn.1001-5485.2013.05.0042013，30（05）:13-16，33

2012-09-26;

2012-10-27

國家自然科學(xué)基金資助項目（40071183）;國家水體污染控制與治理科技重大專項（2012ZX07202-004-01）;沈陽市科學(xué)技術(shù)計劃項目（F10-097-3-00）

郭維東（1969-），男，遼寧朝陽人，教授，從事水力學(xué)與河流動力學(xué)研究，（電話）13998216708（電子信箱）gwdly@126.com。