邱祖凱，黃天寅，胡小貞，龐 燕， 吳 瑋，薛鵬程

(1.中國(guó)環(huán)境科學(xué)研究院，北京 100012；2.蘇州科技學(xué)院環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院，江蘇 蘇州 215000)

入湖河流是一種特殊的河流類型，它是湖泊流域生態(tài)環(huán)境的重要組成部分，是湖泊陸域污染物入湖的主要輸送者。我國(guó)湖泊入湖河流具有類型多樣、地貌豐富、生態(tài)多樣化等特征，但受長(zhǎng)期人為強(qiáng)烈干擾的影響，不同類型入湖河流往往水質(zhì)污染嚴(yán)重、河道渠道化、河流生態(tài)健康嚴(yán)重受損，清水產(chǎn)流機(jī)制出現(xiàn)退化，難以輸送清水入湖，因此開展入湖河流環(huán)境保護(hù)與污染治理迫在眉睫[1]。

對(duì)入湖河流進(jìn)行保護(hù)與治理，首先要了解其生態(tài)系統(tǒng)的演變規(guī)律，沒(méi)有科學(xué)的依據(jù)則難以制定有效的管理措施以及整治方案。而對(duì)入湖河流進(jìn)行水環(huán)境健康評(píng)價(jià)，則是獲取這種科學(xué)依據(jù)的有效方式。目前國(guó)內(nèi)已有較多學(xué)者對(duì)河流健康評(píng)價(jià)體系進(jìn)行過(guò)研究，如：卞錦宇[2]、韓玉玲[3]等，但是針對(duì)入湖河流健康評(píng)價(jià)只有龔蕾婷、王龍鳳和蘇玉等人分別在太湖、南四湖和滇池流域進(jìn)行的幾次實(shí)踐研究[4-6]，沒(méi)有建立針對(duì)入湖河流的健康評(píng)價(jià)理論及方法。本文綜合了國(guó)內(nèi)外相關(guān)研究成果，闡述了入湖河流的特征，梳理出了入湖河流健康的概念與內(nèi)涵，并初步建立了針對(duì)入湖河流的水環(huán)境健康評(píng)價(jià)方法體系。

1 入湖河流水環(huán)境健康評(píng)價(jià)體系

1.1 入湖河流水環(huán)境健康評(píng)價(jià)指標(biāo)體系構(gòu)建

(1)入湖河流特征。入湖河流，是由一定區(qū)域內(nèi)地表水和地下水補(bǔ)給、經(jīng)?；蜷g歇地沿著狹長(zhǎng)凹地流動(dòng)的水流，較多以高山區(qū)域?yàn)樵搭^，然后沿地勢(shì)向下流，一直流入湖泊[1]。它是湖泊主要水資源的補(bǔ)給通道，是湖泊水量與水質(zhì)的基本保障。從湖泊環(huán)境或生態(tài)保護(hù)角度來(lái)看，可將入湖河流看做是湖泊生態(tài)環(huán)境的一個(gè)組成部分。國(guó)內(nèi)外在湖泊與河流水環(huán)境保護(hù)中，往往將湖泊與河流看成兩類不同的水體，因此評(píng)估它們的標(biāo)準(zhǔn)也不相同。由于入湖河流是一種特殊類型的河流，它的保護(hù)和治理目標(biāo)應(yīng)與湖泊的保護(hù)和治理目標(biāo)銜接，因此入湖河流應(yīng)當(dāng)執(zhí)行“雙標(biāo)準(zhǔn)”、設(shè)置“雙目標(biāo)”，即在入湖河流的水污染治理與水環(huán)境評(píng)價(jià)中既要滿足河流的治理與評(píng)價(jià)要求，又要滿足湖泊富營(yíng)養(yǎng)化控制的需求，這是入湖河流的重要特征之一。

(2)入湖河流健康的內(nèi)涵。河流健康概念源于20世紀(jì)80年代西方發(fā)達(dá)國(guó)家河流生態(tài)保護(hù)活動(dòng)中的生態(tài)系統(tǒng)健康概念。由于各國(guó)研究者所在國(guó)家的發(fā)展?fàn)顩r、自然地理?xiàng)l件以及歷史背景的不同，目前國(guó)內(nèi)外對(duì)河流健康的涵義還尚未明確。從各國(guó)研究者的結(jié)論來(lái)看，對(duì)河流健康概念認(rèn)識(shí)的分歧主要在于是否包含社會(huì)服務(wù)價(jià)值，以及包含的程度。隨著研究的深入，大多研究者認(rèn)為健康的河流不但要保持生態(tài)學(xué)意義上的完整性，還應(yīng)強(qiáng)調(diào)對(duì)社會(huì)服務(wù)功能的發(fā)揮[7]。入湖河流作為湖泊流域的重要組成部分，其健康不僅關(guān)系到其自身的健康，并且與其入湖湖泊的健康也密切相關(guān)。我國(guó)現(xiàn)階段正處于經(jīng)濟(jì)高速發(fā)展階段，水資源開發(fā)力度過(guò)高，很難讓河流自然生態(tài)功能與社會(huì)服務(wù)功能都處于理想狀態(tài)。在這種特定的背景條件下，這里定義入湖河流健康的內(nèi)涵為：在保證人類社會(huì)正常發(fā)展的前提下，入湖河流本身以及其入湖湖泊自然生態(tài)功能與社會(huì)服務(wù)功能良好發(fā)揮的狀態(tài)。

(3)入湖河流水環(huán)境健康評(píng)價(jià)指標(biāo)體系及標(biāo)準(zhǔn)。國(guó)內(nèi)外的學(xué)者們較多從河流水文、水質(zhì)、河流形態(tài)、水生生物以及河岸帶狀況這5個(gè)方面來(lái)構(gòu)建河流健康評(píng)價(jià)指標(biāo)體系。根據(jù)入湖河流的特征及健康內(nèi)涵，入湖河流健康評(píng)價(jià)指標(biāo)體系與普通河流健康評(píng)價(jià)指標(biāo)體系的不同在于，入湖河流的健康是與湖泊的健康緊密相連的，所以在其指標(biāo)體系中必然要突出這一點(diǎn)。而入湖河流對(duì)湖泊的影響主要在于其水質(zhì)及部分水生生物指標(biāo)，綜上本文建立的入湖河流水環(huán)境健康評(píng)價(jià)的指標(biāo)體系包含溶解氧、總磷、總氮、氨氮、高錳酸鹽指數(shù)、懸浮物及浮游植物香濃多樣性指數(shù)7項(xiàng)，其中溶解氧、總磷、總氮、氨氮和高錳酸鹽指數(shù)按照地方河流管理部門的要求，以《地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)GB3838-2002》中三類水的標(biāo)準(zhǔn)作為目標(biāo)值(其中總磷執(zhí)行湖庫(kù)標(biāo)準(zhǔn))，懸浮物以《污水綜合排放標(biāo)準(zhǔn)》中一級(jí)標(biāo)準(zhǔn)最低值作為目標(biāo)值，浮游植物香濃多樣性指數(shù)的目標(biāo)值參照文獻(xiàn)資料[8]，一般認(rèn)為浮游植物香濃多樣性指數(shù)大于3時(shí)為清潔。

(4)入湖河流健康評(píng)價(jià)指標(biāo)權(quán)重分配。在河流健康評(píng)價(jià)的過(guò)程中，考慮到評(píng)價(jià)結(jié)果的準(zhǔn)確性，常常需要對(duì)各個(gè)指標(biāo)賦予相應(yīng)的權(quán)重來(lái)反映它們重要程度的不同。目前確定權(quán)重常用方法主要有3種，第一種單一采用主觀權(quán)重法，較為常用的有層次分析法、專家打分法、德爾菲法等，在單一采用這一類方法時(shí)，過(guò)度依賴于主觀決策者的意圖，一定程度上忽略了客觀事實(shí)。第二種單一采用客觀權(quán)重法，較為常用的有熵權(quán)法、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)分析法、主成分分析法等。在單一采用這一類方法時(shí)，過(guò)度依賴于數(shù)據(jù)本身的規(guī)律，而忽略了主觀決策者的意圖，并且樣本數(shù)往往也不夠充足?？梢妴我徊捎弥饔^權(quán)重法或者客觀權(quán)重法都會(huì)造成一定量信息的缺失。第三種將主觀權(quán)重法和客觀權(quán)重法相結(jié)合即組合賦權(quán)法或綜合權(quán)重法，較為常用的有乘法綜合法、線性綜合法、博弈論綜合法等。采用綜合權(quán)重法可以最大限度地減少信息的損失，使賦權(quán)的結(jié)果盡可能地與實(shí)際結(jié)果接近。本文中的權(quán)重采用乘法綜合法來(lái)獲取。

主觀權(quán)重部分：采用層次分析法來(lái)確定，層次分析法是一種主觀權(quán)重確定方法，被較多采用于河流健康評(píng)價(jià)指標(biāo)的權(quán)重確定，具體步驟見文獻(xiàn)[9-11]，這里不做具體介紹?？陀^權(quán)重部分：采用熵權(quán)法確定。熵原本是一個(gè)熱力學(xué)概念，后被引入信息技術(shù)、工程技術(shù)、社會(huì)經(jīng)濟(jì)等多個(gè)領(lǐng)域，在河流健康評(píng)價(jià)領(lǐng)域也得到廣泛應(yīng)用[12-14]。熵權(quán)法是根據(jù)所提供信息量大小，嚴(yán)格按照數(shù)學(xué)規(guī)律來(lái)計(jì)算一個(gè)指標(biāo)權(quán)重的數(shù)學(xué)方法。具體步驟見專著[15]。

1.2 入湖河流健康評(píng)價(jià)方法

可拓學(xué)是由我國(guó)學(xué)者蔡文于1983年提出用于探究事物拓展可能性的新學(xué)科[16]。目前該學(xué)科已形成初步的理論框架，主要應(yīng)用于各個(gè)學(xué)科矛盾解決方案的制定。王錦國(guó)[17]最早將其應(yīng)用于水環(huán)境健康評(píng)價(jià)領(lǐng)域，在這之后可拓學(xué)在水環(huán)境評(píng)價(jià)領(lǐng)域較少被采用。依據(jù)本文建立的入湖河流健康評(píng)價(jià)指標(biāo)體系及標(biāo)準(zhǔn)，結(jié)合物元模型、可拓?cái)?shù)學(xué)方法與關(guān)聯(lián)函數(shù)理論，建立了入湖河流水環(huán)境健康評(píng)價(jià)的物元可拓模型。在將多指標(biāo)的評(píng)價(jià)依托于單目標(biāo)決策的基礎(chǔ)上，以過(guò)去的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)作為基底值，以當(dāng)前的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)作為現(xiàn)狀值，進(jìn)行綜合關(guān)聯(lián)度的計(jì)算，然后得出定量的評(píng)定結(jié)果，最終利用綜合關(guān)聯(lián)度進(jìn)行綜合定量分析，這樣的評(píng)價(jià)結(jié)果中同時(shí)反映著河流當(dāng)前的健康狀態(tài)和河流可持續(xù)發(fā)展態(tài)勢(shì)，這樣能夠更加直觀全面地衡量入湖河流水環(huán)境健康狀況，從而可以準(zhǔn)確、公正、科學(xué)的為地方河流管理部門提供決策參考。

1.2.1建立物元可拓模型

根據(jù)物元分析理論，依據(jù)之前所建立的入湖河流水環(huán)境健康評(píng)價(jià)指標(biāo)體系結(jié)合已有數(shù)據(jù)，建立入湖河流水環(huán)境健康評(píng)價(jià)的物元模型:

(1)

式中：N表示入湖河流水環(huán)境健康水平，i=1,2,…,n，表示影響入湖河流水環(huán)境健康水平的各個(gè)指標(biāo)；Xi,i=1,2,…,n為入湖河流水環(huán)境健康水平N關(guān)于指標(biāo)Ci所確定的量值范圍。

1.2.2確定經(jīng)典域、待評(píng)物元

(1)經(jīng)典域。

(2)

式中：N表示入湖河流水環(huán)境健康水平；Ci，i=1,2,…,n，表示影響入湖河流水環(huán)境健康水平的各個(gè)指標(biāo)；Xi,i=1,2,…,n為入湖河流水環(huán)境健康水平N關(guān)于Ci所確定的量值范圍，即經(jīng)典域(ai，bi)。

(2)待評(píng)物元。將待評(píng)入湖河流水環(huán)境健康水平的得分情況用物元表示:

(3)

式中：R0為入湖河流水環(huán)境健康水平待評(píng)物元；P0表示待評(píng)入湖河流水環(huán)境健康水平；Ci為P0的各個(gè)指標(biāo)；Xi，i=1,2,…,n表示特征參數(shù)Ci的具體取值，即該入湖河流的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)。

1.2.3構(gòu)造關(guān)聯(lián)函數(shù)

為反映入湖河流水環(huán)境健康水平，根據(jù)物元理論和實(shí)際需要，結(jié)合上面的物元模型，需要建立相應(yīng)的關(guān)聯(lián)函數(shù)。本評(píng)價(jià)體系中有的指標(biāo)值越大越好，而有的指標(biāo)值越小越好，因而關(guān)聯(lián)函數(shù)也有所區(qū)別，具體如下(其中ai為基底值，bi為目標(biāo)值)。

(1)xi為有利指標(biāo)。

ai≤bi時(shí)：

(4)

k(xi)=1xi≥bi

(5)

k(xi)=0xi≤ai

(6)

ai≥bi時(shí)：

(7)

k(xi)=1xi≥ai

(8)

k(xi)=0xi≤bi

(9)

(2)xi為不利指標(biāo)。

ai≤bi時(shí)：

(10)

k(xi)=0xi≥bi

(11)

k(xi)=1xi≤ai

(12)

ai≥bi時(shí)：

(13)

k(xi)=0xi≥ai

(14)

k(xi)=1xi≤bi

(15)

1.2.4綜合關(guān)聯(lián)度計(jì)算及評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)

本文采用綜合關(guān)聯(lián)度的計(jì)算來(lái)集成各個(gè)指標(biāo)的評(píng)價(jià)數(shù)值。根據(jù)可拓集合的關(guān)聯(lián)函數(shù)，待評(píng)物元R0關(guān)于入湖河流水環(huán)境健康水平N的綜合關(guān)聯(lián)度為:

(16)

式中：Wi(i=1,2,…,n)為各個(gè)指標(biāo)的綜合權(quán)重；關(guān)聯(lián)函數(shù)k(xi)表示待評(píng)物元R0關(guān)于指標(biāo)Ci的具體值xi屬于入湖河流水環(huán)境健康水平N的程度。

由于k(xi)為分段線性函數(shù)，故待評(píng)物元R0關(guān)于入湖河流水環(huán)境健康水平N的綜合關(guān)聯(lián)度α為非線性函數(shù)，綜合評(píng)價(jià)為非線性評(píng)價(jià)分析。 按照河流健康評(píng)價(jià)領(lǐng)域較為常用的5級(jí)分法，當(dāng)綜合關(guān)聯(lián)度α≥0.8時(shí)，河流健康;當(dāng)0.6≤α<0.8時(shí)，河流亞健康;當(dāng)0.4≤α<0.6時(shí)，河流輕微病態(tài)；當(dāng)0.2≤α<0.4時(shí)，河流病態(tài);當(dāng)α<0.2，河流差。需要注意的是這里河流的健康程度包含河流當(dāng)前的健康狀態(tài)以及可持續(xù)發(fā)展態(tài)勢(shì)兩方面。

2 波羅江水環(huán)境健康評(píng)價(jià)

2.1 研究區(qū)概況

波羅江是云南第二大高原淡水湖泊洱海的主要入湖河流之一，波羅江地處鳳儀鎮(zhèn)境內(nèi)，全長(zhǎng)17.5 km(由山腳至滿江入?？?，年徑流量為7 044萬(wàn)m3，占洱海多年平均徑流量的8.6%。近年來(lái)由于湖區(qū)社會(huì)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，污染嚴(yán)重，部分區(qū)域水質(zhì)已達(dá)到劣V類標(biāo)準(zhǔn)，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)Ⅲ類水質(zhì)保護(hù)目標(biāo)，給洱海帶入了大量污染物質(zhì)，特別氮、磷等有機(jī)污染，由于洱海逆時(shí)針?lè)较虻暮鬟\(yùn)動(dòng)使波羅江水體在進(jìn)入洱海后長(zhǎng)時(shí)間滯留湖內(nèi)，造成氮、磷等有機(jī)污染物在洱海內(nèi)的沉積，加劇了洱海富營(yíng)養(yǎng)化進(jìn)程。

2.2 數(shù)據(jù)來(lái)源

本論文評(píng)價(jià)數(shù)據(jù)主要來(lái)源本課題組從2014年1月起至今在波羅江的河流監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，選用其中2014年上半年的監(jiān)測(cè)平均數(shù)據(jù)作為本評(píng)價(jià)方法中的基底值，選取2015年上半年的監(jiān)測(cè)平均數(shù)據(jù)作為本評(píng)價(jià)方法中的現(xiàn)狀值，水質(zhì)指標(biāo)依據(jù)《水和廢水監(jiān)測(cè)分析方法》中的相關(guān)規(guī)定進(jìn)行測(cè)定；水生生物指標(biāo)的采樣及測(cè)定方法參照文獻(xiàn)[4]。

2.3 權(quán)重結(jié)果

根據(jù)上文中權(quán)重分配方法確定波羅江健康評(píng)價(jià)指標(biāo)體系權(quán)重，具體見表1，從表1中可知各指標(biāo)的權(quán)重結(jié)果，其中主觀權(quán)重主要反映決策者的意圖，客觀權(quán)重主要反映每項(xiàng)指標(biāo)的變化程度，就綜合權(quán)重而言總磷、總氮、氨氮以及浮游植物香濃多樣性指數(shù)的權(quán)重明顯高于其他指標(biāo)的權(quán)重，因?yàn)樗鼈儾粌H是河流健康的評(píng)價(jià)指標(biāo)也是湖泊富營(yíng)養(yǎng)化的關(guān)鍵影響因子，而總磷指標(biāo)權(quán)重顯著高于其他指標(biāo)權(quán)重的原因，一是由于氮類指標(biāo)分為總氮及氨氮，它們二者有一定重合度。二是因?yàn)樵诓_江流域總磷有明顯超標(biāo)現(xiàn)象，需要對(duì)其加大重視(其他入湖河流也可根據(jù)其具體情況作出修改)。

表1 波羅江健康評(píng)價(jià)指標(biāo)體系權(quán)重Tab.1 Weights of various indices for river health assessment in Boluo River

2.4 數(shù)據(jù)處理結(jié)果

將本文建立的入湖河流水環(huán)境健康評(píng)價(jià)體系應(yīng)用于洱海入湖河流波羅江，分別對(duì)其上中下游進(jìn)行評(píng)價(jià)，計(jì)算結(jié)果如表2～表4所示。

表2 波羅江上游評(píng)價(jià)結(jié)果Tab.2 The evaluation of upstream in Boluo River

表3 波羅江中游評(píng)價(jià)結(jié)果Tab.3 The evaluation of midstream in Boluo River

表4 波羅江下游評(píng)價(jià)結(jié)果Tab.3 The evaluation of downstream in Boluo River

由表2～表4可得，波羅江上中下游的綜合關(guān)聯(lián)度分別為0.705、0.305、0.637，這說(shuō)明波羅江的上游區(qū)域與下游區(qū)域處于亞健康狀態(tài)，而中游區(qū)域處于病態(tài)。其中上游區(qū)域總氮指標(biāo)即沒(méi)有達(dá)標(biāo)而且有惡化趨勢(shì)，溶解氧指標(biāo)雖然達(dá)標(biāo)但略有惡化趨勢(shì)，其他指標(biāo)要么達(dá)標(biāo)要么有向目標(biāo)值靠近的趨勢(shì)；中游區(qū)域只有溶解氧指標(biāo)狀況良好，水生生物指標(biāo)與懸浮物指標(biāo)略有變優(yōu)趨勢(shì)，但是現(xiàn)狀值依然離目標(biāo)值較遠(yuǎn)，氨氮指標(biāo)與高錳酸鹽指標(biāo)雖然達(dá)標(biāo)但都有惡化趨勢(shì)，總磷、總氮指標(biāo)既沒(méi)有達(dá)標(biāo)而且還在惡化。下游區(qū)域所有指標(biāo)都有變優(yōu)趨勢(shì)，其中氨氮、高錳酸鹽及懸浮物指標(biāo)達(dá)標(biāo)，其他指標(biāo)未達(dá)標(biāo)。從具體的分析結(jié)果中可以看出，該評(píng)價(jià)體系的評(píng)價(jià)結(jié)果是結(jié)合河流當(dāng)前的達(dá)標(biāo)狀況和變化趨勢(shì)共同得出的。對(duì)于一條河流健康與否，我們不能單純的看它目前的健康狀況，還需要關(guān)注它的變化趨勢(shì)，這樣能更加科學(xué)準(zhǔn)確地制定河流的整治方案。

3 結(jié) 語(yǔ)

(1)入湖河流健康是近年來(lái)伴隨著湖泊生態(tài)系統(tǒng)健康而出現(xiàn)的一個(gè)嶄新的概念，正確理解入湖河流健康的內(nèi)涵是開展其評(píng)價(jià)的基礎(chǔ)。在構(gòu)建指標(biāo)體系、制定評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)以及賦權(quán)等河流健康評(píng)價(jià)的重要步驟上體現(xiàn)出入湖河流與湖泊相接壤的方面。

(2)本文所構(gòu)建的用于評(píng)價(jià)入湖河流水環(huán)境健康水平的物元可拓模型，具有明確的物理意義，不只是對(duì)河流當(dāng)前的健康狀況作出評(píng)價(jià)，而且反映出河流的可持續(xù)發(fā)展水平，假設(shè)一條河流雖然現(xiàn)狀是健康的但是它不斷地在惡化，我們也無(wú)法稱它為一條健康的河流。所以本文構(gòu)建的入湖河流水環(huán)境健康評(píng)價(jià)體系對(duì)河流健康評(píng)價(jià)領(lǐng)域有一定的推動(dòng)作用。

(3)在波羅江實(shí)踐評(píng)價(jià)表明，波羅江的上游與下游健康狀況比較良好，而中游的健康狀況較差，這是由波羅江當(dāng)前的健康狀況與它的發(fā)展態(tài)勢(shì)共同決定的。

(4)本文建立的入湖河流水環(huán)境健康評(píng)價(jià)體系從一定程度上拓寬和發(fā)展了河流健康研究的思路和理論，但仍需要探討與改進(jìn)，如河流健康在發(fā)展趨勢(shì)與達(dá)標(biāo)現(xiàn)狀這兩方面的權(quán)重是否應(yīng)等權(quán)考慮(本文中做等權(quán)處理)，評(píng)價(jià)指標(biāo)的選取不夠全面系統(tǒng)等。

□

[1] 金相燦.入湖河流水環(huán)境改善與修復(fù)[M].北京:科學(xué)出版社，2014:3-25.

[2] 卞錦宇,耿雷華,方 瑞.河流健康評(píng)價(jià)體系研究[J].中國(guó)農(nóng)村水利水電,2010,(9):39-42.

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