鄭 保，羅文勝

(湖南省岳陽市水利水電勘測(cè)設(shè)計(jì)院，湖南 岳陽 414000)

河流生態(tài)系統(tǒng)健康與人類活動(dòng)、社會(huì)和經(jīng)濟(jì)的發(fā)展以及生態(tài)環(huán)境等是息息相關(guān)的，是區(qū)域水平上的環(huán)境安全、資源安全和經(jīng)濟(jì)安全的有機(jī)統(tǒng)一。一個(gè)河流生態(tài)系統(tǒng)健康應(yīng)該是組織結(jié)構(gòu)合理，運(yùn)轉(zhuǎn)功能良好，能量的流動(dòng)和物質(zhì)的循環(huán)在系統(tǒng)內(nèi)部是未受到損害的，對(duì)突發(fā)的或長(zhǎng)期的，人為的或自然的擾動(dòng)都能夠保持穩(wěn)定性和彈性以及一定的自愈的能力，河流生態(tài)系統(tǒng)的功能展現(xiàn)出復(fù)雜性和多樣性，所有受益者的合理目標(biāo)和要求能夠得到滿足，能夠根據(jù)區(qū)域發(fā)展需求，保證不同區(qū)域均衡發(fā)展，水資源分配和利用更加合理，同時(shí)生態(tài)環(huán)境能夠得到改善。其內(nèi)涵是動(dòng)態(tài)變化的，在不同的空間尺度和不同的時(shí)間尺度具有不同涵義[1]。

生態(tài)指標(biāo)體系( Ecological indicator system, EIS)是評(píng)估、監(jiān)測(cè)和管理生態(tài)系統(tǒng)的一種實(shí)用的工具和有效的方法，它的構(gòu)成包括一系列有一定層次結(jié)構(gòu)的指標(biāo)，這些指標(biāo)用來代表生態(tài)系統(tǒng)復(fù)雜的結(jié)構(gòu)、成分和功能及相互之間的聯(lián)系，體現(xiàn)生態(tài)系統(tǒng)的完整性和層次性[2-4]。對(duì)于任何多指標(biāo)評(píng)價(jià)系統(tǒng)，各個(gè)評(píng)價(jià)指標(biāo)之間的相互重要程度是不相同(即指標(biāo)權(quán)重互不相同)的，不同的指標(biāo)權(quán)重對(duì)應(yīng)的評(píng)價(jià)結(jié)果不一樣，故合理地確定指標(biāo)權(quán)重對(duì)任何評(píng)價(jià)系統(tǒng)都十分重要[5]。

本研究以層次分析法作為分析理論的框架，在歸納總結(jié)了熊文[6]等學(xué)者提出的河流生態(tài)系統(tǒng)健康評(píng)價(jià)指標(biāo)體系的基礎(chǔ)上，以層次分析法原則做了德爾菲問卷調(diào)查，將專家答卷調(diào)查結(jié)果運(yùn)用Exper Choice軟件進(jìn)行了分析計(jì)算，得到了各相關(guān)指標(biāo)在區(qū)位選擇決策過程所占的權(quán)重值以及各項(xiàng)區(qū)位指標(biāo)要素的優(yōu)先級(jí)，為管理者對(duì)河流生態(tài)系統(tǒng)健康狀況的建設(shè)、管理和評(píng)價(jià)提供了參考依據(jù)，同時(shí)還可以評(píng)估健康受到破壞的河流生態(tài)恢復(fù)的成效，從而提高管理決策能力。

1 河流生態(tài)系統(tǒng)健康評(píng)價(jià)指標(biāo)體系層次結(jié)構(gòu)構(gòu)建

熊文[6]等學(xué)者根據(jù)國(guó)內(nèi)外主要江河水生態(tài)與水環(huán)境保護(hù)研究成果，在分析和研究重要河流生態(tài)健康評(píng)價(jià)實(shí)踐的基礎(chǔ)上，綜合考慮河流生態(tài)系統(tǒng)的恢復(fù)力、活力、功能和組織結(jié)構(gòu)以及河流生態(tài)系統(tǒng)層級(jí)性、動(dòng)態(tài)性、多樣性和局限性，從河流的水文水資源狀況、水環(huán)境狀況、水生生物及生境狀況、水資源開發(fā)利用狀況等4個(gè)方面篩選17項(xiàng)關(guān)鍵指標(biāo)，本研究建議將水資源狀況下指標(biāo)層級(jí)生態(tài)用水配置程度歸入生態(tài)基流指標(biāo)中，指標(biāo)體系如圖1、表1。

圖1 河流生態(tài)系統(tǒng)健康評(píng)價(jià)指標(biāo)體系圖

指標(biāo)分類指標(biāo)名稱指標(biāo)說明水文水資源狀況地下水埋深評(píng)價(jià)范圍內(nèi)地表至淺層地下水水位之間的平均垂線距離地下水開采年平均地下水實(shí)際開采量與年均地下水可開采量之比生態(tài)基流維持河流基本形態(tài)和基本生態(tài)功能,避免河流水生生物群落遭受到無法恢復(fù)破壞的河道內(nèi)最小流量,及生態(tài)用水配置保障程度水環(huán)境狀況水功能區(qū)水質(zhì)達(dá)標(biāo)率水功能區(qū)水質(zhì)達(dá)到其水質(zhì)目標(biāo)的數(shù)量(河長(zhǎng)、面積)占水功能區(qū)總數(shù)(總河長(zhǎng)、總面積)的比例湖庫(kù)富營(yíng)養(yǎng)化指數(shù)評(píng)價(jià)湖泊、水庫(kù)水體富營(yíng)養(yǎng)化程度飲用水源地水質(zhì)指數(shù)以《地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》(GB3838-2002)、《生活飲用水衛(wèi)生標(biāo)準(zhǔn)》(GB5749-2006)為基礎(chǔ),結(jié)合飲用水安全保障的要求,進(jìn)行綜合調(diào)整,提出的綜合評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)和水質(zhì)分級(jí)指數(shù),客觀反映飲用水源地水質(zhì)狀況水生生物及生境狀況縱向連通性在河流系統(tǒng)內(nèi)生態(tài)元素在空間結(jié)構(gòu)上的縱向聯(lián)系橫向連通性具有連通性的水面面積或?yàn)I岸帶長(zhǎng)度占評(píng)價(jià)水體的比值珍稀水生生物存活狀況珍稀水生生物或者特征水生生物物種存活質(zhì)量與數(shù)量的狀況濕地保留率指某區(qū)域或流域的濕地面積所占土地面積(含水域面積)的比例。具體體現(xiàn)對(duì)河流濕地調(diào)蓄洪水的能力,資源的保護(hù)狀況,景觀、生態(tài)和人類生存環(huán)境狀況等生態(tài)需水滿足程度指天然最小流量與維持河流水沙平衡、水生生物生存和河口生態(tài)、污染物稀釋自凈所需要的最小流量之比。反映河道內(nèi)水資源量滿足生態(tài)保護(hù)要求的狀況涉水自然保護(hù)區(qū)狀況定性評(píng)價(jià)涉水自然保護(hù)區(qū)保護(hù)狀況涉水景觀保護(hù)程度定性評(píng)價(jià)自然或人工形成的,因其獨(dú)特性、多樣性而具有景觀價(jià)值并以水為主體的景觀體系保護(hù)程度魚類生境狀況國(guó)家重點(diǎn)保護(hù)的、珍稀瀕危的、土著的、特有的、重要經(jīng)濟(jì)價(jià)值的魚類種群生存繁衍的棲息地狀況水資源開發(fā)利用狀況水資源開發(fā)利用程度指區(qū)域或流域已開發(fā)利用的水資源量與水資源總量之比。反映區(qū)域或流域內(nèi)水資源開發(fā)利用的程度以及經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展與水資源開發(fā)利用的協(xié)調(diào)程度水能開發(fā)利用程度指區(qū)域或流域已開發(fā)利用的水能資源量與水能資源技術(shù)可開發(fā)量之比。反映流域內(nèi)水能資源的開發(fā)利用程度

2 河流生態(tài)系統(tǒng)健康評(píng)價(jià)指標(biāo)權(quán)重的確定

2.1 AHP方法原理

層次分析法[7](AHP)是美國(guó)學(xué)者T. L. Saaty 于1970-1979年間提出的,它運(yùn)用1-9標(biāo)度把人的主觀判斷進(jìn)行了客觀量化,將定性問題進(jìn)行定量分析,是一種簡(jiǎn)單實(shí)用的多準(zhǔn)則評(píng)價(jià)方法。層次分析法為管理決策者提供了用一個(gè)簡(jiǎn)單的結(jié)構(gòu)層次形式解決復(fù)雜的問題的方法。

利用層次分析法原理確定權(quán)重集[8]

A={A1，A2，…，An}

(1)

其步驟為：

1)設(shè)計(jì)德爾菲專家問卷，通過問卷在每一層次上，對(duì)該層指標(biāo)進(jìn)行逐對(duì)比較，構(gòu)造兩兩比較判斷矩陣為

(2)

因素x1，x2，…，xn，每次取兩個(gè)因素xi，xj。正數(shù)aij表示xi與xj的重要性程度之比，由Saaty提出處的1-9標(biāo)度法確定，見表2。

表2 標(biāo)度及其描述表

其中矩陣為互反矩陣的條件：aij>0,aij=1/aij，aii=1?；シ淳仃嚨男再|(zhì)是對(duì)一個(gè)n階判斷矩陣僅需給出其上三角(或下三角)的n(n-1)/2個(gè)元素就可以了(只需要做n(n-1)/2個(gè)判斷即可)。

2)檢驗(yàn)每個(gè)矩陣的一致性。可采用Matlab軟件中[v,d]=eig(a)函數(shù)計(jì)算最大特征根λmax

一致性指標(biāo)為

(3)

一致性比例為：

(4)

其中R.I.為平均隨機(jī)一致性指標(biāo)，其值可以通過查表3得出。

表3 平均隨機(jī)一致性指標(biāo)表

(5)

當(dāng)C.R.不可接受時(shí)應(yīng)當(dāng)對(duì)矩陣做適當(dāng)修正。

3)解判斷矩陣,得到權(quán)重向量。本研究采用根法計(jì)算權(quán)重其法如下[9]：

(6)

所得的W經(jīng)歸一化后可作為權(quán)向量記作：

W=(w1,w,…,wn)T

(7)

4)計(jì)算各元素對(duì)目標(biāo)層的合成權(quán)重。計(jì)算合成權(quán)重要從上到下每個(gè)層級(jí)一一計(jì)算，將單評(píng)價(jià)準(zhǔn)則下的權(quán)重進(jìn)行合成，然后對(duì)其進(jìn)行一致性檢驗(yàn)(檢驗(yàn)方法與步驟3相同)。

2.2 問卷設(shè)計(jì)、發(fā)放與回收及一致性檢驗(yàn)

問卷設(shè)計(jì)、發(fā)放與回收。每一層級(jí)要素在上一層級(jí)的某一要素作為評(píng)估準(zhǔn)則下，進(jìn)行兩兩成對(duì)比較，在1～9的標(biāo)尺下，讓選擇的專家或決策者填寫問卷。以回收的專家A的填答問卷為例，來說明各評(píng)價(jià)指標(biāo)的相對(duì)重要性，用矩陣表示如表4所示。

同樣水文水資源狀況、水環(huán)境狀況、水生生物及生境狀況、水資源開發(fā)利用狀況4個(gè)重要層面下的各評(píng)估準(zhǔn)則也仿照上例分別設(shè)計(jì)具有成對(duì)比較矩陣的問卷。本研究的德爾菲問卷針對(duì)對(duì)象包括：生態(tài)學(xué)、水利學(xué)、教育學(xué)專家，相關(guān)政府機(jī)構(gòu)人員四大群體。問卷以郵寄、電子郵件的形式寄發(fā)20份調(diào)查問卷，回收問卷10份(以專家A、B、C、D、E、F、G、F表示)，回收率為50%。

本研究通過Expert Choice軟件對(duì)每對(duì)偶矩陣的一致性進(jìn)行檢驗(yàn)。專家A問卷填答第一層級(jí)指標(biāo)的檢驗(yàn)結(jié)果如圖2所示。

表4 問卷設(shè)計(jì)樣例表

圖2 專家A的問卷填答與檢驗(yàn)圖

Expert Choice軟件計(jì)算結(jié)果的矩陣中水環(huán)境狀況指標(biāo)下的紅色9表示水文水資源狀況相對(duì)水環(huán)境狀況的權(quán)重為1/9(水環(huán)境狀況比水文水資源狀況極重要)。同理，黑色的含義與紅色含義代表的意義相反。其中不一致比例incon與C.R.意義一致。incon=0.03<0.1，固問卷調(diào)查的此層級(jí)是收斂的。

由此可以得到兩兩比較判斷矩陣為：

采用ExpertChoice軟件計(jì)算得到第一層級(jí)指標(biāo)在目標(biāo)層下的權(quán)重分配如圖3所示。

如果C.R.不收斂時(shí)，應(yīng)當(dāng)對(duì)調(diào)查的問卷逐一分析找到不收斂的原因，將信息反饋給專家，讓專家重新填寫問卷，直到問卷收斂為止。

同理，水文水資源狀況、水環(huán)境狀況、水生生物及生境狀況、水資源開發(fā)利用狀況四大層級(jí)下的指標(biāo)權(quán)重的計(jì)算方法與第一層級(jí)指標(biāo)的計(jì)算相同。

最后計(jì)算各指標(biāo)對(duì)目標(biāo)層的合成權(quán)重并進(jìn)行整體一致性檢驗(yàn)，計(jì)算結(jié)果如圖4所示。

整體一致性incon=0.03<0.1說明此問卷收斂。如果不收斂，應(yīng)當(dāng)對(duì)問卷進(jìn)行分析找出不一致性的原因，回饋給專家，直到問卷收斂為止。

2.3 綜合問卷確定權(quán)重

根據(jù)以上章節(jié)的方法對(duì)專家(A、B、C、D、E、F、G)的問卷一致性進(jìn)行檢驗(yàn)，使得每個(gè)專家的問卷收斂在合理的范圍內(nèi)。最后得到各個(gè)層級(jí)在總目標(biāo)層下的合成權(quán)重，以專家A為例進(jìn)行說明，如圖5所示。

圖5 各個(gè)層級(jí)指標(biāo)在總目標(biāo)層下的合成權(quán)重圖

由圖5可知專家A對(duì)水生生物及生境狀況評(píng)價(jià)最高為45.7%，其余依次是水環(huán)境狀況、水資源開發(fā)利用狀況、水文水資源狀況，第二層級(jí)中水功能區(qū)水質(zhì)達(dá)標(biāo)率和生態(tài)需水滿足程度占得比例最大都為20.1%。

其余專家的問卷計(jì)算方法與專家A的計(jì)算方法一致，最后成果形式與圖5類似。在分析統(tǒng)計(jì)完各個(gè)專家的指標(biāo)權(quán)重值以后，本研究以等比量表幾何平均數(shù)的計(jì)算方法，計(jì)算出四大層面與各層面下的指標(biāo)相對(duì)于目標(biāo)層的平均權(quán)重值如表5所示。

由表5分析可知，依據(jù)最后幾何平均數(shù)統(tǒng)計(jì)結(jié)果顯示，各專家對(duì)水生生物及生境的評(píng)價(jià)最高為60%其余依次是水環(huán)境狀況26.7%、水資源開發(fā)利用狀況6.7%、水文水資源狀況6.6%。對(duì)于評(píng)估內(nèi)容中各專家對(duì)生態(tài)需水滿足程度評(píng)價(jià)最高為21.5%，其次是涉水自然保護(hù)區(qū)狀況12.7%，水功能區(qū)水質(zhì)達(dá)標(biāo)率10.7%，飲用水源地水質(zhì)指數(shù)8.9%等。在河流開發(fā)和建設(shè)程中，以上計(jì)算的層級(jí)各個(gè)指標(biāo)的權(quán)重，可為建設(shè)管理者提供決策依據(jù)。

表5 河流生態(tài)系統(tǒng)評(píng)價(jià)指標(biāo)體系權(quán)重及優(yōu)先等級(jí)表

3 結(jié)論及建議

本研究以河流生態(tài)健康為總目標(biāo)，從河流生態(tài)系統(tǒng)的開發(fā)利用和可持續(xù)發(fā)展理念出發(fā)，總結(jié)熊文等學(xué)者的研究成果基礎(chǔ)上，提煉出了河流生態(tài)系統(tǒng)健康評(píng)價(jià)關(guān)鍵指標(biāo)，構(gòu)建了河流生態(tài)系統(tǒng)健康評(píng)價(jià)指標(biāo)體系，此指標(biāo)體系融合了生態(tài)類、物理化學(xué)類、環(huán)境類、生物類和人文類等眾多專業(yè)指標(biāo)屬于綜合性評(píng)價(jià)體系。在指標(biāo)體系的建立過程中，雖然選取了多專業(yè)的能全面代表河流生態(tài)健康化水平的指標(biāo)，但是指標(biāo)的全面代表性，具體到每個(gè)地區(qū)，每條河流情況是不同的，有待我們?nèi)フ{(diào)查和研究。

通過利用AHP專家決策軟件Expert Choice對(duì)構(gòu)建的河流生態(tài)系統(tǒng)健康評(píng)價(jià)指標(biāo)體系權(quán)重進(jìn)行了計(jì)算，結(jié)果表明：水生生物及生境是河流生態(tài)健康建設(shè)過程中應(yīng)當(dāng)考慮的重點(diǎn)。河流生態(tài)健康建設(shè)過程中要注重河流的生態(tài)需水要求，涉水自然保護(hù)區(qū)狀況，同時(shí)兼顧水環(huán)境狀況，注重水功能區(qū)水質(zhì)達(dá)標(biāo)率、引水水源地水質(zhì)指數(shù)等。河流生態(tài)系統(tǒng)健康評(píng)價(jià)指標(biāo)體系的權(quán)重不僅為生態(tài)河流健康的建設(shè)提供了參考依據(jù)，而且還為河流的生態(tài)建設(shè)指明了方向。不同地區(qū)的河流生態(tài)健康情況不同，本研究所采用的指標(biāo)體系權(quán)重并不代表河流生態(tài)健康評(píng)價(jià)體系的最終權(quán)重，不同地區(qū)的河流生態(tài)健康還需要按實(shí)際情況對(duì)指標(biāo)進(jìn)行修改和篩選重新確定權(quán)重。