(葫蘆島市南票區(qū)農(nóng)業(yè)發(fā)展服務中心，遼寧 葫蘆島 125027)

河流系統(tǒng)健康主要體現(xiàn)在提供娛樂景觀和防災減災的社會價值、支撐河流生態(tài)系統(tǒng)生存與發(fā)展的生態(tài)環(huán)境價值以及滿足人類生產(chǎn)生活的經(jīng)濟價值，其中最大化實現(xiàn)河流服務功能為最終目標[1]。河流健康評價是依據(jù)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(tǒng)、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(tǒng)的概念，因此評價過程中引入模糊數(shù)學法，可為河流水生態(tài)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(tài)隸屬度函數(shù)進行處理，并在中運河系統(tǒng)健康評價中提出改進的集對分析模型。李浩等[3]對傳統(tǒng)SPA模型中的聯(lián)系度分量用不同灰類的聚類系統(tǒng)替代，結(jié)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(jié)合相關研究資料和“壓力-狀態(tài)-響應”模型，構(gòu)建了南票區(qū)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(tài)利用模糊集對分析法進行評價，綜合考慮主、客觀賦權(quán)法處理指標權(quán)重分配問題，從而保證了評價結(jié)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(tài)-響應”模型為當前環(huán)境質(zhì)量和生態(tài)健康評價中最為常用的模型之一，該模型統(tǒng)一考慮了生態(tài)環(huán)境與社會經(jīng)濟發(fā)展情況，體現(xiàn)了環(huán)境變化與人類發(fā)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(qū)動力對河流系統(tǒng)產(chǎn)生的干擾，狀態(tài)和響應子模型體現(xiàn)了外界壓力干擾下河流系統(tǒng)所發(fā)生的改變及其在功能上作出的響應[6-7]。

根據(jù)女兒河流域的管理需求和功能定位，遵循區(qū)域性、可行性、科學性、系統(tǒng)性和代表性等原則構(gòu)建變量層、指標層、準則層和目標層評價體系，從響應、狀態(tài)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(jù)女兒河流域水土流失、水資源開發(fā)和人口密度等實際情況，將評價標準劃分為病態(tài)、不健康、亞健康、健康、很健康5個等級，從數(shù)據(jù)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(jù)文獻資料獲取不同等級定量標準值，經(jīng)適當調(diào)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(lián)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(lián)系數(shù)表征。聯(lián)系數(shù)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(gòu)成一個集對為河流健康評價的主要內(nèi)容，由此確定等級標準與指標間的結(jié)構(gòu)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(shù)。將評價樣本的評價指標植Xl(l=1,2,…,m)看作集合Xl，結(jié)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(gòu)成集對H(Xl,Yk)，利用下式獲取河流健康評價五元聯(lián)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(tài)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(qū)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(lián)系度計算式為

(2)

式中：wl為參評因子xl的權(quán)重。

2.2 基于正態(tài)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(lián)系度用模糊數(shù)學法計算。選用不同的計算公式確定效益和成本指標的聯(lián)系度，其中成本類因子的聯(lián)系度計算式為

(3)

效益類因子的聯(lián)系度計算式為

(4)

針對河流健康評價上一級系統(tǒng)各級子系統(tǒng)的五元聯(lián)系度，利用式(3)、式(4)求解，從而確定五元聯(lián)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(shù)學法相結(jié)合，用隸屬度替代聯(lián)系度分量，其數(shù)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(tài)、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(tài)隸屬度進行處理，其計算式為

(6)

集合H的綜合關系利用聯(lián)系數(shù)定量描述，運用置信度準則確定聯(lián)系數(shù)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(jié)果保守度越高，根據(jù)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(quán)法確定權(quán)重

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

(8)

綜合權(quán)重w利用線性加權(quán)法和分配系數(shù)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(shù)與距離函數(shù)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(jù)河流生態(tài)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(jù)式(5)和上述運算結(jié)果確定分量bl,3、bl,2、bl,1、cl、al值，結(jié)合w1、w2值和式(8)～式(10)獲取各評價因子綜合權(quán)重值。

步驟三：結(jié)合綜合權(quán)重值和聯(lián)系度分量運算結(jié)果，對河流健康五元聯(lián)系度利用式(2)求解，最終獲得河流系統(tǒng)健康聯(lián)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(fā)源于興城市藥王廟鄉(xiāng)五頂山五股泉，流經(jīng)張相公屯鄉(xiāng)、山神廟鄉(xiāng)、白馬石鄉(xiāng)、新臺門鎮(zhèn)、鋼屯鎮(zhèn)、暖池塘鎮(zhèn)，經(jīng)烏金塘水庫后進入南票區(qū)境內(nèi)，后經(jīng)萬屯入連山區(qū)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(shù)量的增大對河流生命健康構(gòu)成嚴重威脅。為了改善河流水質(zhì)，恢復河流生物多樣性及河流地貌形態(tài)，促進人水和諧的協(xié)調(diào)持續(xù)發(fā)展，選用科學的方法系統(tǒng)評價河流健康狀態(tài)具有重要意義[12]。

女兒河流域定量數(shù)據(jù)來源于《2017年遼寧省統(tǒng)計年鑒》《遼寧省水文年鑒》《遼寧省水資源調(diào)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(shù)據(jù)來源。根據(jù)改進的模糊集對分析模型實現(xiàn)流程和構(gòu)建的河流生態(tài)系統(tǒng)健康評價PSR指標體系，利用分級聯(lián)系度獲取研究區(qū)各指標五元聯(lián)系度，結(jié)合22項具體指標的權(quán)重及其對應標準的五元聯(lián)系度，確定河流健康評價綜合指數(shù)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(lián)系度

表4 烏金塘水庫上游段河流健康評價三級指標聯(lián)系度

表5 烏金塘水庫上游段河流健康評價二級指標聯(lián)系度

表6 烏金塘水庫上游段河流健康評價一級指標聯(lián)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(jù)等級劃分標準可認為該河段處于亞健康狀態(tài)。

3.2 結(jié)果分析

從表3各個分量運算結(jié)果可知，指示生物存活數(shù)量、水資源開發(fā)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(tài)狀態(tài)。同時，河流健康狀態(tài)主要受指示生物存活數(shù)量、水資源開發(fā)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(jié)果，將表4中的聯(lián)系度繪制成圖1。從圖1可以看出，河流生態(tài)、水文、水質(zhì)、形態(tài)、人為壓力和自然壓力三級指標的聯(lián)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(zhì)、形態(tài)、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(tài)，主要體現(xiàn)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(fā)現(xiàn)，指標層中7個分量和準則層3個分量中b2的聯(lián)系度最大，可見隸屬于亞健康的程度較高，該評價結(jié)果與表6運算結(jié)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(lián)系度百分比

4 結(jié) 論

a.本文遵循時效性、綜合性、區(qū)域性和科學性原則選擇能夠反映河流系統(tǒng)健康狀態(tài)的評價因子，結(jié)合PSR框架模型建立綜合評價體系。通過對河流生態(tài)系統(tǒng)的模糊性分析，對評價標準與河流健康指標之間的關系結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)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(lián)度評價分析河流健康水平，結(jié)果表明該河段處于亞健康水平，評價結(jié)果與河流生態(tài)實際情況保持較高的一致性。

b.系統(tǒng)科學地評價河流健康水平可為流域水資源管理和水生態(tài)保護提供科學依據(jù)，考慮女兒河流域水生態(tài)實際狀況，有必要結(jié)合國內(nèi)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(tài)與管理模式協(xié)調(diào)持續(xù)發(fā)展，在水資源合理利用的同時強調(diào)保護環(huán)境的必要性，權(quán)衡自然生態(tài)與社會發(fā)展需求，實現(xiàn)人水和諧發(fā)展。