瞿 奐，陳 璇，鄭 鵬，蔡芫鑌，潘文斌

(福州大學(xué)環(huán)境與資源學(xué)院，福州 350108)

1 引 言

新中國成立以來，我國水利建設(shè)有了很大的發(fā)展，興建了許多水庫，在發(fā)電、灌溉、供水、防洪、航運、水產(chǎn)養(yǎng)殖及旅游等方面對我國的社會經(jīng)濟發(fā)展產(chǎn)生了巨大的影響，為保障社會和諧穩(wěn)定，提高人民生活水平做出了巨大的貢獻。20世紀80年代，加拿大學(xué)者Schaeff和Rapport提出 “生態(tài)系統(tǒng)健康”這一概念和內(nèi)涵[1]，它為進行生態(tài)系統(tǒng)評價提供了一種語言，并逐漸得到專家學(xué)者們的關(guān)注[2]。自20世紀90年代以來，流域健康作為“生態(tài)系統(tǒng)健康”的分支，也被專家學(xué)者們運用不同的評價方法和指標體系展開了較多也較為深入的研究[3-4]。如美國EPA提出“Healthy Watersheds Initiative(HWI)”，計劃建立完整河川流域健康評估制度[5]，并提出60個可以評估修復(fù)后水體或流域的指標[6]；不久，EPA又提出了健康流域評估涉及景觀狀況、地形地貌、生物棲息地、水質(zhì)、水文、生物狀態(tài)等六大方面內(nèi)容[7]。2000年歐盟頒布《水框架指令》，將河流健康指標分為生態(tài)要素、水文形態(tài)要素、水體物理-化學(xué)質(zhì)量要素三大類共幾十個條目。我國針對河湖健康問題，江河湖庫環(huán)境綜合整治工作起步較晚，湖庫健康評估尚處于起步階段。高永勝等人先后提出采用評價指數(shù)、二元對比模糊分析法及多目標綜合模糊模型來評價水庫的健康狀況(高永勝等，2005，2014)，但未對其進行解釋并加以運用；魏海等人也提出可采用AHP法建立評價模型，但對于各個具體指標的計算沒有進行深入的研究和表述(魏海等，2008)；吳騰等人將水庫健康狀況劃分為五級的評估標準，但并沒有實現(xiàn)其實際應(yīng)用(吳騰等，2008)；周富春等人基于AHP模糊評價法構(gòu)建了一套水庫健康評價指標體系，將評價等價劃分為健康、亞健康、病變、危情四個等級(周富春，2015)；劉新陽等人通過四種不同的客觀賦權(quán)法計算各指標權(quán)重，并運用基于兼容度和差異度的灰色關(guān)聯(lián)分析法，將結(jié)合灰關(guān)聯(lián)定權(quán)法的模糊優(yōu)先模型選為最優(yōu)方案(劉新陽，2008)；于福蘭和陳昊參照由中國水利部于2010年印發(fā)的技術(shù)文件《湖泊健康評估指標、標準與方法》(試點工作用)分別在大伙房水庫和雞心石水庫進行水庫健康評估分析，根據(jù)評估結(jié)果分析了水庫存在的問題和水庫不健康表征，并提出了相應(yīng)的保護對策(于福蘭，2015；陳昊，2014)[8～15]。

總結(jié)近幾年對健康水庫進行的研究，我國對健康水庫的定義總體分為兩類，一類由肖金鳳等人提出，認為健康的水庫既要有良好的水庫生態(tài)系統(tǒng)，又具有其良好的社會服務(wù)功能[16]；另一類則是高永勝、吳騰等人在此基礎(chǔ)上對健康水庫概念的發(fā)展，認為水庫健康還應(yīng)包含水庫對庫區(qū)周圍生態(tài)系統(tǒng)的支撐程度，對河流下游生態(tài)環(huán)境的影響程度，以及水庫與周圍環(huán)境的可持續(xù)性發(fā)展[8，11]。本文通過總結(jié)上述觀念，提出了水庫安全、水庫生態(tài)、水庫效益及水庫管理等4個準則層，并建立了16個指標，以東圳水庫為例，闡述了健康水庫評價指標體系及其評價方法在實際中的應(yīng)用。

2 研究區(qū)域概況

2.1 自然環(huán)境概況

東圳水庫壩址位于福建省莆田市荔城區(qū)常太鎮(zhèn)東圳尾村境內(nèi)，所在河流為西北7km的木蘭溪支流延壽溪中游地帶(圖1)，河道長40.5km，河道平均坡降12.4‰。東圳水庫于1960年4月建成竣工通水，正常水位水庫水面面積17.8km2，總庫容4.35億m3，興利庫容2.787億m3，調(diào)洪庫容1.87億m3，死庫容400萬m3，水庫正常蓄水位80.5m，多年平均來水量3.13億m3，防洪標準為千年一遇洪水設(shè)計、萬年一遇加20%洪水校核，是一座主要以農(nóng)業(yè)灌溉為主，同時兼具防洪、發(fā)電、養(yǎng)殖和城鎮(zhèn)工業(yè)與生活供水等多功能利用的多年調(diào)節(jié)大型水庫[17]。庫區(qū)屬中、南亞熱帶海洋性季風(fēng)氣候，多年平均氣溫17℃～20℃，多年平均降水量1 710～1 970mm，分布不均，自東南向西北遞增。庫區(qū)土壤土層較薄，結(jié)構(gòu)疏松，主要以紅壤或赤紅壤類型為主，植被一旦破壞，較易引起水土流失[18]。

圖1 東圳水庫流域位置圖Fig.1 Location of Dongzhen Reservoir

2.2 社會經(jīng)濟概況

據(jù)統(tǒng)計，庫區(qū)范圍有53個行政村，人口約9.35萬人，以集居或散居的方式分布在庫區(qū)內(nèi)，主要集鎮(zhèn)為常太鎮(zhèn)。庫區(qū)經(jīng)濟以農(nóng)業(yè)為主，有林地面積32.85萬畝，果園地面積6.9萬畝。庫區(qū)森林覆蓋率達85.6%，森林樹種以馬尾松、濕地松為主；經(jīng)濟林以枇杷、龍眼、橄欖為主，種植業(yè)在1995年后發(fā)展迅速，形成了規(guī)模化、產(chǎn)業(yè)化經(jīng)營[17-18]。

莆田市東圳水庫管理局是水庫和灌區(qū)的管理機構(gòu)，屬自收自支的事業(yè)單位，隸屬莆田市水利局領(lǐng)導(dǎo)，編制290人，局機關(guān)設(shè)7個股室，灌區(qū)設(shè)8個渠道管理所和38個管理站，有魚苗養(yǎng)殖場2個，捕撈場和木蘭提水泵站各1個。年經(jīng)濟收入約2 000萬元，先后榮獲“2007～2010年度福建省水利系統(tǒng)先進集體”、“2010～2011年度先進基層黨組織”等榮譽稱號。

3 研究方法

3.1 數(shù)據(jù)來源

東圳水庫健康評價所需數(shù)據(jù)主要來源于水利部安全管理中心、《水利科技》《2015年福建省水資源》、福建省環(huán)境保護廳官網(wǎng)以及《福建魚類志》，其它定量指標的現(xiàn)狀值主要是在資料收集和實地調(diào)研的基礎(chǔ)上征詢相關(guān)專家建議得出，各類指標的現(xiàn)狀值及數(shù)據(jù)來源具體見表1。

表1 東圳水庫評價指標現(xiàn)狀值及其數(shù)據(jù)來源Tab.1 Current status and data source of evaluation index of Dongzhen Reservoir

3.2 權(quán)重分配

首先根據(jù)健康水庫評價指標體系和層次分析法的原理設(shè)計出準則層和指標層的專家咨詢表，發(fā)放給東圳水庫評估專家，隨后回收問卷進行數(shù)據(jù)整理、計算相關(guān)矩陣的特征值和特征向量，接著檢驗各評判矩陣的一致性確定各要素和指標的權(quán)重，最后結(jié)合專家給出的評定結(jié)果確定最終權(quán)重值并排序(表2)。

表2 健康水庫評價指標體系及其指標權(quán)重Tab.2 Index system of healthy reservoir evaluation and relevant weight

3.3 評價標準確定

鑒于目前健康水庫尚無明確統(tǒng)一標準，因而在綜合國內(nèi)外健康水庫評價的研究成果及東圳水庫的實際情況的基礎(chǔ)上，本研究將健康水庫的評價標準分為理想、健康、亞健康、不健康、病態(tài)等5個級別，結(jié)合收回的專家問卷調(diào)查表，并借鑒國內(nèi)外健康水庫評價標準和國家相關(guān)標準，確定各指標的標準值如表3所示。

3.4 健康水庫AHP-模糊綜合評價模型的應(yīng)用

一致性矩陣A的最大特征根對λamx應(yīng)的已歸一化后的特征向量，即為同一層次中諸因素對于上一層次某因素的相對重要性權(quán)值，也稱為權(quán)向量。

根據(jù)各類單項指標對水庫健康程度的不同響應(yīng)關(guān)系(正向或逆向)，將指標項分成兩類，以確定單因素模糊集，即隸屬度矩陣。

最后通過權(quán)系數(shù)矩陣W與隸屬度矩陣R的模糊合成運算，變換得到模糊綜合評判集S。

即：設(shè)W=(μj)j×m，R=(rij)m×n,那么

其中“°”為模糊合成算子。進行模糊變化時要選擇適宜的模糊合成算子，本文選擇最優(yōu)的M(·,⊕)算子[30]，

模糊評判集S=(S1,S2,…,Sn)中Si是等級Vi對模糊評判集S的隸屬度，按最大隸屬度原則得出綜合結(jié)論，即M=max(S1,S2,…,Sn)，M所對應(yīng)的元素即為綜合評價結(jié)果。

3.5 采用相對級別特征值判定水庫健康級別

相對級別特征值計算公式為[31]：

其中，H：相對級別特征值；h：水質(zhì)級別；c：水質(zhì)分級數(shù)；μh：相對隸屬度。

4 結(jié) 果

4.1 隸屬度矩陣的確定及權(quán)重計算

本研究將定量指標采用公式計算法，定性指標采用單項指標評價標準與實地調(diào)查專家評價相結(jié)合的方法，結(jié)合表2的評價指標體系權(quán)重，得到各類指標的隸屬度，結(jié)果如圖2所示。

圖2 指標等級分布Fig.2 Grade distribution of indexes

4.2 水庫健康分層模糊評價

健康水庫模糊評價先根據(jù)健康水庫評價指標體系四個準則層進行分層模糊評價，依據(jù)公式1得到模糊綜合評價矩陣S，匯總結(jié)果如圖3所示。

圖3 準則層模糊評價結(jié)果Fig.3 Results for the criteria layer of fuzzy performance matrix

4.3 水庫健康總體模糊評價

根據(jù)公式1、準則層B相對于目標層A的權(quán)重以及水庫分層模糊評價結(jié)果，可計算得出水庫健康模糊綜合評價，評價結(jié)果如圖4所示。

圖4 健康水庫綜合評價結(jié)果Fig.4 Results of evaluation of Dongzhen Reservoir

由相對級別特征值原則可知，相對級別特征值H等于不同健康級別與其相應(yīng)隸屬度的乘積之和，結(jié)合圖4所得目標層A的評價結(jié)果為：

H=0.316 7×1+0.295 9×2+0.350 2×3+0.029 0×4+0.008 2×5=2.116 1

該值介于處于第2級與第3級之間，且更接近第2級，即在5個等級的隸屬度中，第2級代表的健康程度“健康”即為東圳水庫的健康水庫評價結(jié)果。

5 結(jié) 論

本文在總結(jié)前人關(guān)于健康水庫評價的理論與實踐研究的基礎(chǔ)上，結(jié)合水庫的生態(tài)與社會經(jīng)濟服務(wù)功能，構(gòu)建了基于AHP-模糊綜合評價方法的健康水庫評價指標體系，確定了評價標準及其權(quán)重，并加以實例研究——對東圳水庫的健康狀況進行了分析。從評價結(jié)果中可以看出，東圳水庫管理局非常重視大壩安全，能通過實施規(guī)劃和計劃，有效的實現(xiàn)對東圳水庫的全面管理；然而，由于灌溉效益的重要性沒有得到重視，“灌溉”及“發(fā)電”兩項指標占“不健康”比重較大，降低了東圳水庫的整體健康水平；其次，“大壩安全”、“大壩風(fēng)險”及“水庫生態(tài)系統(tǒng)健康”等三項指標占“亞健康”比重較大，需要引起相對重視。

致謝:感謝臺灣大學(xué)環(huán)境工程學(xué)研究所蔣本基教授和莆田市東圳水文站林建森站長在論文寫作中的悉心指導(dǎo)和熱情幫助。