胡青坤

(遼寧省遼陽水文局，遼寧 遼陽 111000)

不同區(qū)域的河流開發(fā)利用程度存在一定差異，且人類活動對河流的影響作用也不盡相同，因此應因地制宜地建立河流健康評價指標體系和分級標準，并選取合適的評價方法[3]。目前，物元分析法、層次法、模糊綜合評價以及集對分析法為國內外合理健康評價的常用方法，許多學者對此開展了大量研究，如趙彥偉[4]以寧波市城市河流為研究對象通過分析水生物種、水質、含水量、河岸帶和物理結構5大特征建立了指標體系，并利用層次分析法評價了河流生態(tài)系統(tǒng)健康狀況；李國英等[5]分別從河道的排洪能力、水質類別、流量、灘地坡降比等9個方面，并利用合適的方法對黃河的生態(tài)健康進行了評價；胡曉雪等[6]以瀾滄江河流為研究對象，基于河流健康內涵層的25個評價指標對其進行了生態(tài)健康的定量評價分析。然而，上述研究往往不能同時考慮河流健康評價的模糊性與隨機性特征，而云模型可利用數字特征實現隨機性與模糊性的有效結合，在河流健康評價方面表現出較強的適用性與可行性，已成為目前較為常用的方法。喬丹穎等[7]在運河水安全評價中引入云模型，通過對比分析2種不同方法的評價結果，表明云模型的具有較高的準確性與可靠性。據此，本文結合以往實踐經驗和目前已有理論研究成果，在野外調研與遙感影像分析的基礎上，分別從河流自然環(huán)境與社會服務功能2個角度，建立了適用于遼河流域的河流健康評價指標體系，利用云模型進行客觀科學評價并探討了其主要影響因素。

1 構建河流健康評價指標體系

1.1 遼河流域概況

遼河流域位于我國東北地區(qū)西南部，不僅是我國的重要糧食基地而且位于東北地區(qū)工業(yè)發(fā)展核心位置，流域內各支流縱橫交錯、蜿蜒曲折，主要支流有老哈河、渾河、太子河、柴河等，流域全長1345km，占地面積為21.9萬km2。冬季漫長寒冷、夏季炎熱干燥屬于半干旱半濕潤氣候過渡區(qū)，年均降水量為350～1000mm，并且主要集中在6—9月份，多以暴雨或強降雨的形式出現，降雨量由東南向西北方向整體呈降低趨勢。區(qū)域內海拔高度由西北向中南部逐漸降低，最高和最低處約為1650和860m；氣溫在平原地區(qū)較高，山地較低由南向北整體呈降低趨勢，多年平均氣溫為4～9℃，東部區(qū)域蒸發(fā)量較大且降雨徑流量較低，而西部區(qū)域降水徑流量大且蒸發(fā)量相對較低，該流域水資源開采潛力較大。

近年來，隨著遼河流域人口的快速增長、城鎮(zhèn)化規(guī)模的不斷擴張以及大量的油、氣、煤炭等資源的開采利用，區(qū)域水環(huán)境問題日趨嚴峻，河流生態(tài)健康已成為限制城鎮(zhèn)發(fā)展與引水安全的主要因素。據此，本文結合以往實踐經驗和遼河流域2015年有關數據資料，對遼河的河流健康利用云模型進行了客觀、全面地評價，以期為相關部門制定河流污染治理措施及水資源合理開發(fā)利用提供決策依據[8- 13]。

1.2 建立指標體系

利用一系列可衡量的動態(tài)指標構建的河流健康評價指標體系，不僅要反映河流健康的社會服務功能，而且還要考慮河流現狀條件下的功能作用與河流結構。根據遼河流域生態(tài)環(huán)境、水文水資源以及地理位置等自然條件選取河流健康評價主要因子，并建立了包含4個層次的指標體系，見表1。

表1 遼河流域河流健康評價指標體系

1.3 指標權重與分級標準

遼河流域河流健康評價標準的確定應結合目前已有研究成果、流域現狀、國家與地方發(fā)展規(guī)劃總體要求以及相關標準?？刹捎眠b感數據分析、查閱歷史資料的方式確定水土流失率、河流封凍期等指標的分級標準；利用現場拍照對比與野外實地考察的方式確定岸坡穩(wěn)定性指數與水利工程干擾程度等指標的分析狀況，最終可將遼河流域河流健康狀態(tài)劃分為Ⅰ～Ⅴ級5個標準，所對應的健康狀態(tài)分別為優(yōu)、良、中、差、極差[14]。

利用組合賦權法確定河流健康評價指標權重，并以此避免指標賦權存在的不確定性與隨機性。該方法是一種將主、客觀方法相結合的綜合賦權法，可有效提高評價結果的可靠性與可行性。對遼河流域健康評價指標分別從主觀與客觀的角度利用層次分析和熵值法，進行權重值的計算，然后對賦權結果的一致性利用統(tǒng)計學中的Spearman秩相關系數進行驗證，最后利用均衡理論對2種賦權結果進行綜合，從而得到各指標的組合權重，見表2。

表2 河流健康分級標準與各指標組合權重

2 云模型河流健康評價

2.1 評價流程

在確定各評價指標、組合權重以及評價標準之后，對河流健康狀態(tài)利用云模型進行評價，主要流程如下：首先確定云模型的數字特征并將各指標實測數據輸入模型發(fā)生器，然后確定不同健康級別下各指標的隸屬確定度；將指標權重向量w與該確定度矩陣進行乘積運算，從而得到河流隸屬于不同級別的確定度，按照最大隸屬度原則最終得到河流健康評價狀態(tài)。

2.2 模型參數

概率統(tǒng)計學和傳統(tǒng)的模糊數學是建立云模型的基礎理論，它是通過利用精確數值與不確定性語言值之間的模糊性和隨機性的變化規(guī)律所構建的定性定向互換模型。云模型定性概念是對精確數據利用定性語言值實現有效的恰當轉化，并且也可利用語言值所表述的定性信息進行定量數據分布規(guī)律和適用范圍的提取并實現不確定性信息與定量指標之間的轉換[15]。期望值(Ex)、超熵(He)、熵(En)等是云模型主要的數字特征，其中云滴群的云重心即定性概念可利用Ex進行表征，而定性語言在數域中可被接受的區(qū)間即定性概念的模糊性，可采用En進行表征，超熵(He)即熵的熵是熵的不確定性程度，是表征云滴的凝聚程度的重要參數。

單因素試驗數據處理使用Excel 2016、Origin 8.5軟件進行，差異顯著性分析使用DPS 9.5軟件進行，P<0.05有統(tǒng)計學意義，中心組合法試驗數據處理使用Design Expert 8.0.5 軟件進行。

對云模型的3個數字特征可利用下述方法確定，如果某河流健康級別評價標準存在上、下邊界條件[Bij，min，Bij，max]，則數字特征可表述為：

(1)

式中，Bij，max、Bij，min—第j個級別下指標i的上、下邊界；Exij、Enij—第j個級別下指標i的期望與熵；He—超熵，可依據變量模糊閥度進行適量的調整。

根據指標上、下限可確定單邊界線(-∞，Bij，max]或[Bij，min，+∞)的期望值和缺省邊界參數，然后再對其數字特征利用上述公式確定。

2.3 云模型確定度

(2)

(4)對上述過程進行迭代計算，直至符合相關要求則計算終止。然后對各指標的確定度矩陣U=[uij(x)]M×N進行歸一化處理，公式如下：

(3)

然后對河流健康綜合確定度向量v=[v1，v2，…，vN]利用標準化后的確定度矩陣與指標權重向量進行求解，并按照最大隸屬度原則得到河流健康評價結果。

v=wTU

(4)

2.4 結果分析

對遼河流域2015年河流健康利用上述方法和相關數據資料進行評價，各指標特征值依據文獻進行提取，并利用正向云發(fā)生器最終得到指標的確定度矩陣U見表3。

表3 河流健康評價指標確定度矩陣U

結合各個分析標準和上述指標確定度，可直觀反映遼河流域河流健康狀態(tài)。表3確定度計算結果顯示，在河流封凍期的水文特征層面中隸屬于“差”等級的程度較大為0.64，由此表明該區(qū)域封凍期作用時間相對較大；水利工程干擾程度隸屬于Ⅱ級“良”的程度最大為0.82，由此表明水利工程對生態(tài)環(huán)境的影響作用較小。同理，可依次分析其他各指標的隸屬狀態(tài)，并進一步了解河流健康狀態(tài)。利用文中所述計算公式(4)以及各指標權重，最終得到綜合確定度向量v=(0.041，0.255，0.042，0.265，0.037)。按照最大隸屬度原則最終可判定遼河流域2015年河流健康屬于Ⅲ級“中”水平。結合遼河流域實際狀況，導致該河流健康不斷惡化的關鍵性因素為人類不合理的生產活動。流域內大部分區(qū)域水質較好，但個別地區(qū)的水體污染嚴重，水土流失、毀林毀草等問題較為突出，并且由于水利工程的興建以及環(huán)境保護措施的不到位可進一步加劇水土流失并造成河道演變。河流生物多樣性在水環(huán)境與生態(tài)的持續(xù)破壞下，不斷減少。

如何恢復河流社會服務功能并修復已破壞的生態(tài)環(huán)境系統(tǒng)，成為遼河流域相關部門面臨的主要難題。本文結合已有文獻資料提出如下措施：為保持河流系統(tǒng)健康，應加強遼河流域水環(huán)境治理、加固沿岸地方并加快生態(tài)調整等措施的實施；通過對水利工程調度方式的合理調整滿足河流生態(tài)基本需水要求，從而實現修復與保護水體生態(tài)環(huán)境的目標。

3 結論

本文根據遼河流域生態(tài)環(huán)境、水文水資源以及地理位置等自然條件選取河流健康評價主要因子，并建立了包含16項典型指標的體系和分析標準，然后利用云模型對該流域2015年的河流狀態(tài)進行評價，得出的主要結論如下：

(1)對河流健康評價指標利用熵值法與層次分析組合法進行確定，從而提高了評價結果的準確性與科學性，對遼河流域2015年河流健康利用云模型進行評價，按照最大隸屬度原則最終可判定其河流健康屬于Ⅲ級“中”水平。

(2)結合遼河流域實際狀況，影響該河流健康不斷惡化的關鍵性因素為人類不合理的生產活動。流域內大部分區(qū)域水質較好，但個別地區(qū)的水體污染嚴重，水土流失、毀林毀草等問題較為突出，并且由于水利工程的興建以及環(huán)境保護措施的不到位進一步加劇了水土流失并造成河道演變。為保持河流系統(tǒng)健康，應加強遼河流域水環(huán)境治理、加固沿岸地方并加快生態(tài)調整等措施的實施。