王徐洋，李阿龍，張浩然

(華北水利水電大學(xué) 水利學(xué)院，鄭州 450046)

0 引 言

自然生態(tài)系統(tǒng)為人類提供了賴以生存和發(fā)展的物質(zhì)條件和生態(tài)服務(wù)，維持生態(tài)系統(tǒng)健康是實(shí)現(xiàn)人類社會(huì)經(jīng)濟(jì)可持續(xù)發(fā)展必不可少的前提。在全球社會(huì)經(jīng)濟(jì)高速發(fā)展導(dǎo)致生態(tài)系統(tǒng)健康狀況日益惡化的嚴(yán)峻形勢下，生態(tài)系統(tǒng)健康及其評(píng)價(jià)研究不僅豐富了現(xiàn)代生態(tài)學(xué)的研究內(nèi)容，而且具有重要的應(yīng)用價(jià)值，已成為當(dāng)前生態(tài)系統(tǒng)管理的重要內(nèi)容[1]。從流域系統(tǒng)出發(fā)，評(píng)價(jià)系統(tǒng)的健康狀況在促進(jìn)流域生態(tài)系統(tǒng)建設(shè)及穩(wěn)定發(fā)展等方面具有重要意義[2-3]。

生態(tài)系統(tǒng)概念最早出現(xiàn)可以追溯到蘇格蘭地質(zhì)學(xué)家James Hutton提出的地球是一個(gè)綜合系統(tǒng)的概念[4]。Rapport[5]最先闡述了生態(tài)系統(tǒng)健康的含義，認(rèn)為一個(gè)生態(tài)系統(tǒng)所具有的內(nèi)在潛能能夠保持它的狀態(tài)穩(wěn)定和自我修復(fù)能力。Schaeffer[6]認(rèn)為一個(gè)健康的生態(tài)系統(tǒng)不應(yīng)該超過它的功能極限。

流域生態(tài)系統(tǒng)健康意義重大，健康評(píng)價(jià)研究是流域生態(tài)系統(tǒng)健康研究的關(guān)鍵問題，是健康管理的重要技術(shù)支撐。目前，關(guān)于流域生態(tài)系統(tǒng)健康評(píng)價(jià)，國內(nèi)外學(xué)者都展開了大量研究。美國對(duì)新澤西內(nèi)流域進(jìn)行評(píng)價(jià)，把流域劃分成6個(gè)層次逐一打分，具有一定的實(shí)用性和代表性。加拿大從水質(zhì)、水量、經(jīng)濟(jì)因素等幾個(gè)方面開展對(duì)流域健康的評(píng)價(jià)和保護(hù)。國內(nèi)針對(duì)流域生態(tài)健康評(píng)價(jià)的研究也取得了一定的進(jìn)展，2002年，劉建軍[7]把小流域作為評(píng)價(jià)單元，以PRS指標(biāo)為基本框架，通過GIS技術(shù)對(duì)小流域單元的健康狀況作出評(píng)價(jià)。2003年，劉國彬[8]利用層次分析法，選取了包含農(nóng)田面積、糧食單產(chǎn)在內(nèi)的多個(gè)指標(biāo)，定量分析了安塞紙坊溝生態(tài)系統(tǒng)恢復(fù)的過程。流域生態(tài)健康評(píng)價(jià)在我國還不夠普及，目前主要集中在對(duì)河道水質(zhì)的監(jiān)測，需要更多的專家學(xué)者不斷研究豐富其應(yīng)用。

清水河是寧夏境內(nèi)匯入黃河的第一大支流，起源于固原市原州城區(qū)，全長320 km，清水河流域開發(fā)歷史悠久，有著豐富的水資源哺育著廣大人民。但是近年來人類社會(huì)活動(dòng)對(duì)生態(tài)環(huán)境產(chǎn)生了較大影響，如水土流失嚴(yán)重、水質(zhì)污染、植被破壞等嚴(yán)重影響了清水河流域的生態(tài)系統(tǒng)健康，也因此受到政府和社會(huì)的廣泛重視。本文選取清水河流域作為典型流域，對(duì)生態(tài)系統(tǒng)健康進(jìn)行評(píng)價(jià)。

1 研究方法——和諧度方程(HDE)

左其亭教授2009年在《和諧論的數(shù)學(xué)描述方法及應(yīng)用》中把研究“和諧”行為的理論和方法統(tǒng)稱為和諧論，并且把它進(jìn)一步定義為“和諧論是研究多方參與者共同實(shí)現(xiàn)和諧行為的理論和方法”[9-10]。此后，又提出了和諧度方程，構(gòu)建了以和諧論量化研究為主的和諧論理論方法體系。和諧度方程是和諧論量化研究的重要基礎(chǔ)，在2015年被英文期刊《The Scientific World Journal》注釋稱為“Zuo harmony degree equation”(左氏和諧度方程)，簡稱HD方程[11]。自提出和諧度方程以來，由于它具有簡便性和靈活性等優(yōu)點(diǎn)，已經(jīng)出現(xiàn)在眾多領(lǐng)域。如應(yīng)用于流域人水關(guān)系和諧程度評(píng)估問題[12]；水資源優(yōu)化配置問題[13]；河流分水問題[14]以及水資源管理配置問題等方面[15]。和諧度方程具有的優(yōu)點(diǎn)使其能夠處理生態(tài)系統(tǒng)健康評(píng)價(jià)存在的問題，因此本文提出基于HDE的健康評(píng)價(jià)方法體系，并在清水河流域開展應(yīng)用，以期為流域生態(tài)系統(tǒng)健康評(píng)價(jià)提供新的思路和方法。

1.1 和諧度方程表達(dá)式

和諧度方程表達(dá)式為:

HD=ai-bj

其中:HD為和諧度，是表示和諧程度的指標(biāo)，HD∈[-1,1]；a為統(tǒng)一度，表示和諧參與者按照相應(yīng)的和諧規(guī)則具有“相同目標(biāo)”所占的比重；b為分歧度，表示和諧參與者按照相應(yīng)的和諧規(guī)則和目標(biāo)存在的分歧情況所占的比重，a，b∈[0,1]且a+b≤1；i為和諧系數(shù)，反映的是和諧目標(biāo)的滿足程度；j為不和諧系數(shù)，反映的是和諧參與者對(duì)分歧現(xiàn)象的重視程度，i，j∈[0,1]。

1.2 和諧度方程參數(shù)確定方法

1) 統(tǒng)一度a：a=φ(A1，A2)，式中φ(A1，A2)是和諧行為A1，A2之間關(guān)聯(lián)程度的隸屬度，通常建立線性函數(shù)來計(jì)算[9]。

2) 分歧度b：分歧度b與統(tǒng)一度a是對(duì)立的，二者表達(dá)意思相反，并且a+b=1，所以b=1-a。

3) 和諧系數(shù)i：i反映的是和諧目標(biāo)的滿足程度，完全滿足時(shí)，i=1；完全不滿足時(shí)，i=0；其他情況在0～1之間，可以通過目標(biāo)滿足程度函數(shù)圖像來求解。

4) 不和諧系數(shù)j：和諧方存在分歧現(xiàn)象是正常的，分歧度b通常不為0，不和諧系數(shù)j是為了表明和諧方對(duì)分歧現(xiàn)象的反對(duì)程度。j=1，表示完全反對(duì)；j=0，表示完全不反對(duì)。j的確定有多種方法，可以依據(jù)分歧度確定不和諧系數(shù)的函數(shù)曲線，或者依據(jù)和諧方對(duì)分歧現(xiàn)象的反對(duì)程度給出不和諧系數(shù)。下面列舉幾種關(guān)于j和b的函數(shù)曲線，可供參考，見圖1。

圖1 和諧系數(shù)i函數(shù)曲線示意圖

5) 確定指標(biāo)權(quán)重wk：指標(biāo)權(quán)重的大小是反映各個(gè)指標(biāo)在指標(biāo)集合中的重要程度，但是往往由于量綱不同導(dǎo)致權(quán)重不能直觀判斷，需要采用專門的權(quán)重確定方法如專家調(diào)查法、等權(quán)重法、層次分析法等。

6) 根據(jù)求得的a,b,i,j的值，按和諧度方程HD=ai-bj求出單因素和諧度HD。再根據(jù)權(quán)重，采用加權(quán)平均法計(jì)算多因素和諧度方程：

式中:HD為綜合和諧度，HD∈[-1,1]；wk為權(quán)重，wk∈[0,1]。因和諧度方程參數(shù)選取較為靈活，詳細(xì)計(jì)算參閱文獻(xiàn)[9]。

1.3 和諧度方程評(píng)價(jià)方法

目前，常用的和諧度方程評(píng)價(jià)方法有分類等級(jí)評(píng)價(jià)和綜合程度評(píng)價(jià)兩大類。分類等級(jí)評(píng)價(jià)是按照判別等級(jí)的標(biāo)準(zhǔn)來對(duì)評(píng)價(jià)對(duì)象進(jìn)行評(píng)價(jià)，評(píng)價(jià)結(jié)果以分類或者分等級(jí)形式呈現(xiàn)。綜合程度評(píng)價(jià)是對(duì)有代表性的各要素進(jìn)行歸納和計(jì)算，得到一個(gè)能表征評(píng)價(jià)對(duì)象整體特征和性能的指標(biāo)，通過對(duì)比該指標(biāo)的評(píng)判標(biāo)準(zhǔn)來確定最終評(píng)價(jià)結(jié)果。

雖然上述兩種方法的適用條件和思路不同，但是其采取的評(píng)價(jià)一般步驟大體一致，即：①確定評(píng)價(jià)目的，據(jù)此選擇合適的評(píng)價(jià)指標(biāo)；②確定評(píng)價(jià)的標(biāo)準(zhǔn)；③確定各指標(biāo)權(quán)重；④按照實(shí)際需要選擇合適的評(píng)價(jià)方法；⑤計(jì)算結(jié)果，分析合理性。

HDE評(píng)價(jià)方法是通過計(jì)算和諧度大小作為綜合評(píng)價(jià)值來得到分類等級(jí)評(píng)價(jià)結(jié)果或是綜合程度評(píng)價(jià)結(jié)果。本文采取綜合程度評(píng)價(jià)，計(jì)算的和諧度值表示的是“評(píng)價(jià)對(duì)象”與“綜合最優(yōu)”之間的和諧程度。根據(jù)和諧度值確定綜合程度評(píng)價(jià)結(jié)果，為了表述方便，人為劃分等級(jí)。比如，根據(jù)定性描述習(xí)慣，對(duì)HD值在[0,0.2)、[0.2,0.4)、[0.4,0.6)、[0.6,0.8)、[0.8,1)分別定義為極差、較差、一般、較好、很好5個(gè)等級(jí)，本文在實(shí)例中對(duì)此進(jìn)行描述。

1.4 針對(duì)“綜合程度評(píng)價(jià)”的和諧度方程評(píng)價(jià)流程

1) 確定評(píng)價(jià)指標(biāo)、指標(biāo)標(biāo)準(zhǔn)及節(jié)點(diǎn)標(biāo)準(zhǔn)。

2) 確定單因素和諧度。根據(jù)求得的a,i,b,j的值用和諧度方程求得。

3) 計(jì)算出權(quán)重。采用層次分析法求得。

4) 確定綜合和諧度。依據(jù)單因素和諧度和權(quán)重采用加權(quán)平均法求得。

5) 確定評(píng)價(jià)結(jié)果。通過對(duì)比評(píng)價(jià)指標(biāo)標(biāo)準(zhǔn)求得。見圖2。

圖2 和諧度方程評(píng)價(jià)流程

2 清水河流域生態(tài)系統(tǒng)健康評(píng)價(jià)

2.1 評(píng)價(jià)指標(biāo)數(shù)據(jù)

選擇清水河流域(原州區(qū)段)原州城區(qū)、寨科鄉(xiāng)、開城鎮(zhèn)3個(gè)控制斷面，于2013-2014年對(duì)其進(jìn)行調(diào)研監(jiān)測，收集匯總數(shù)據(jù)，建立評(píng)價(jià)指標(biāo)體系。評(píng)價(jià)指標(biāo)體系建立要遵循系統(tǒng)性、客觀性、科學(xué)合理性、可操作性等原則[16]。本文將流域健康評(píng)價(jià)指標(biāo)體系分為目標(biāo)層、準(zhǔn)則層和指標(biāo)層3個(gè)層次。其中：

1) 目標(biāo)層：是對(duì)流域健康評(píng)價(jià)指標(biāo)體系的高度概括，代表要達(dá)到的預(yù)定目標(biāo)，這里的目標(biāo)層是指流域生態(tài)系統(tǒng)的健康狀況。

2) 準(zhǔn)則層：是指從不同方面反映流域健康狀況程度，包括生境結(jié)構(gòu)、水生生物、生態(tài)壓力3個(gè)方面。

3) 指標(biāo)層：是在準(zhǔn)則層下選擇若干指標(biāo)構(gòu)成。這里選取水質(zhì)狀況指數(shù)、枯水期徑流量占同期年均徑流量比例、河道連通性、大型底棲動(dòng)物多樣性綜合指數(shù)、魚類物種多樣性綜合指數(shù)、特有性物種保持率、水資源開發(fā)利用強(qiáng)度、水生生境干擾指數(shù)等8項(xiàng)指標(biāo)來進(jìn)行生態(tài)系統(tǒng)健康評(píng)價(jià)。本文采用的數(shù)據(jù)絕大部分為公開出版的數(shù)據(jù)資料，部分資料直接來源于國土資源、環(huán)境保護(hù)、水利等部門的內(nèi)部資料，因此這些數(shù)據(jù)具有可靠準(zhǔn)確性，具體數(shù)據(jù)見表1。

表1 清水河流域3個(gè)控制斷面評(píng)價(jià)指標(biāo)體系和數(shù)據(jù)

2.2 評(píng)價(jià)等級(jí)指標(biāo)標(biāo)準(zhǔn)

根據(jù)指標(biāo)層不同指標(biāo)的等級(jí)標(biāo)準(zhǔn)，依據(jù)環(huán)保部《地表水環(huán)境質(zhì)量評(píng)價(jià)方法》、《河流生態(tài)調(diào)查技術(shù)方法》等要求將指標(biāo)層8項(xiàng)指標(biāo)劃分為差、較差、一般、良好、優(yōu)秀5類，具體劃分見表2。

表2 清水河流域生態(tài)健康評(píng)價(jià)相關(guān)指標(biāo)及其標(biāo)準(zhǔn)值

2.3 評(píng)價(jià)指標(biāo)和諧度參數(shù)計(jì)算

2.3.1 統(tǒng)一度a的計(jì)算

統(tǒng)一度a表示和諧參與者在一定的和諧規(guī)則要求下，具有“相同目標(biāo)”所占的比重，根據(jù)表1和表2，建立相關(guān)的線性函數(shù)圖像求a的值如下：

水質(zhì)：

徑流量占比：

連通性：

動(dòng)物多樣性：

將指標(biāo)數(shù)據(jù)代入上述公式，求出a值。同理，可得到其余4組指標(biāo)的a值，計(jì)算結(jié)果見表3。

2.3.2 分歧度b的計(jì)算

分歧度是和諧參與者按照規(guī)則和目標(biāo)產(chǎn)生的分歧情況所占的比重，與和諧度相反，b=1-a，代入數(shù)值計(jì)算結(jié)果見表3。

2.3.3 和諧系數(shù)i的計(jì)算

i反映的是和諧目標(biāo)的滿足程度，通過目標(biāo)滿足程度函數(shù)圖像來求解，如下：

水質(zhì)：

徑流量占比:

公式與求統(tǒng)一度a公式相等，計(jì)算求得i值與a值相等，因此取i=a。代入數(shù)值計(jì)算結(jié)果見表3。

2.3.4 不和諧系數(shù)j的計(jì)算

j反映的是和諧參與者對(duì)存在的分歧現(xiàn)象的重視程度，根據(jù)具體問題取值。本文根據(jù)分歧度函數(shù)圖像取j=b，代入數(shù)值計(jì)算結(jié)果見表3。

表3 評(píng)價(jià)指標(biāo)和諧度計(jì)算各參數(shù)的值

續(xù)表3

2.4 確定各指標(biāo)和諧度

將各參數(shù)的值代入公式HD=ai-bj，得到各指標(biāo)的和諧度，見表4。

表4 各指標(biāo)和諧度值

2.5 確定權(quán)重

由于清水河流域各單項(xiàng)指標(biāo)對(duì)系統(tǒng)健康的影響程度不同，為了避免片面性和主觀性，采用層次分析法來確定權(quán)重，通過對(duì)各因素進(jìn)行分析、比較和計(jì)算，得到指標(biāo)層對(duì)于目標(biāo)層的權(quán)重。由于本文要與運(yùn)用綜合指數(shù)法評(píng)價(jià)的結(jié)果[17]進(jìn)行對(duì)比，所以為了控制變量，使對(duì)比結(jié)果更加客觀，采用同綜合指數(shù)法相同的權(quán)重進(jìn)行計(jì)算，見表5。由于開城鎮(zhèn)、原州城區(qū)和寨科鄉(xiāng)分別位于清水河流域(原州區(qū))的上游、中游和下游，間隔距離較遠(yuǎn)，具有同等作用，對(duì)清水河流域生態(tài)系統(tǒng)健康評(píng)價(jià)的影響相當(dāng)，因此按照等權(quán)重來計(jì)算，3個(gè)斷面權(quán)重均為0.33。

表5 各指標(biāo)權(quán)重

2.6 確定和諧度

表6 各斷面和諧度值

根據(jù)3斷面等權(quán)重法，把3斷面和諧度經(jīng)過加權(quán)平均，計(jì)算得到最終清水河流域生態(tài)系統(tǒng)健康評(píng)價(jià)的和諧度為0.5。

2.7 確定最終結(jié)果

運(yùn)用和諧度方程得出清水河流域生態(tài)系統(tǒng)健康和諧度值為0.5，根據(jù)和諧度節(jié)點(diǎn)劃分等級(jí)表(表7)，確定最終整體生態(tài)健康處于一般狀態(tài)，將此結(jié)果與綜合指數(shù)法求得結(jié)果進(jìn)行對(duì)比分析。

表7 生態(tài)系統(tǒng)健康和諧度劃分標(biāo)準(zhǔn)

2.8 評(píng)價(jià)結(jié)果對(duì)比分析

通過將和諧度方程評(píng)價(jià)所計(jì)算的結(jié)果與運(yùn)用綜合指數(shù)法進(jìn)行清水河流域生態(tài)系統(tǒng)健康評(píng)價(jià)的結(jié)果[17]進(jìn)行對(duì)比，發(fā)現(xiàn)二者結(jié)果相同，均顯示清水河流域(原州區(qū)段)生態(tài)系統(tǒng)健康處于一般狀態(tài)，對(duì)于各單項(xiàng)指標(biāo)的好壞也均有所體現(xiàn)。但是綜合指數(shù)法要求原始資料必須齊全，需要更多的指標(biāo)劃分情況和對(duì)應(yīng)的數(shù)據(jù)資料，并且要求各指標(biāo)必須為同向指標(biāo)，如果不同向，必須要進(jìn)行同向處理，有時(shí)會(huì)給實(shí)際操作帶來困難。而HDE評(píng)價(jià)方法簡便易懂，根據(jù)不同實(shí)際情況采取不同的i，j值，得到不同的評(píng)價(jià)計(jì)算結(jié)果，體現(xiàn)了HDE評(píng)價(jià)方法極大的靈活性，避免了綜合指數(shù)法“一錘定音”的現(xiàn)象，雖然該方法有較大的人為因素，但這也正是靈活性的表現(xiàn)。因?yàn)榫C合指數(shù)法本身存在比較大的模糊性，不容易用一種確定性的模式去評(píng)價(jià)不同問題，需要根據(jù)具體問題選擇更合適的、更靈活的方法，這正是HDE評(píng)價(jià)方法的優(yōu)勢所在。因此，通過對(duì)比發(fā)現(xiàn)，HDE方法更能適用于不同問題，具有更強(qiáng)的靈活性，要優(yōu)于綜合指數(shù)法。

3 結(jié) 論

1) 流域健康評(píng)價(jià)正在成為生態(tài)學(xué)熱點(diǎn)之一，本文采用了HDE評(píng)價(jià)方法對(duì)清水河流域生態(tài)系統(tǒng)健康進(jìn)行評(píng)價(jià)，結(jié)果顯示生態(tài)健康系統(tǒng)處于一般狀態(tài)。存在的問題主要包括：水質(zhì)污染造成的水環(huán)境問題、亂丟垃圾造成的固廢污染、人類活動(dòng)造成的生態(tài)功能退化、水資源短缺開發(fā)強(qiáng)度大等問題。有必要采取對(duì)污水處理進(jìn)行規(guī)劃和管理、控制人類活動(dòng)以減輕對(duì)生態(tài)的破壞、提高水環(huán)境治理水平、提高水資源利用效率等一系列措施來解決問題，提高該流域的生態(tài)健康水平，維持生態(tài)系統(tǒng)穩(wěn)定。不同斷面不同指標(biāo)之間存在較大差異，對(duì)于原州城區(qū)來說，由于城鎮(zhèn)工業(yè)企業(yè)排放廢水以及生活污水的排放造成了水質(zhì)污染，導(dǎo)致水質(zhì)狀況很差，對(duì)生物多樣性和物種保持率造成較大傷害，在干流建壩對(duì)生態(tài)環(huán)境也產(chǎn)生了一些負(fù)面影響。對(duì)于寨科鄉(xiāng)，整體健康狀態(tài)較好，除了枯水期徑流量和物種保持率較差外，其他方面都處于不錯(cuò)的水平，尤其在水質(zhì)、水資源開發(fā)利用和水生生境干擾3方面最優(yōu)。開城鎮(zhèn)健康狀態(tài)整體不均衡，還需進(jìn)一步改進(jìn)。

2) 通過與綜合指數(shù)法對(duì)比得出，HDE評(píng)價(jià)方法完全符合一般評(píng)價(jià)方法的思路，既適用于單因素評(píng)價(jià)，又適用于多因素的評(píng)價(jià)，應(yīng)用范圍廣，操作性強(qiáng)，可應(yīng)用于處理生態(tài)系統(tǒng)健康評(píng)價(jià)的問題中。該方法考慮到評(píng)價(jià)指標(biāo)、指標(biāo)標(biāo)準(zhǔn)以及權(quán)重等不同特性，同時(shí)又可根據(jù)實(shí)際問題選取不同參數(shù)來進(jìn)行計(jì)算評(píng)價(jià)，體現(xiàn)出該方法具有很強(qiáng)的靈活性，這正是HDE評(píng)價(jià)方法的優(yōu)勢，可以推廣應(yīng)用于一般綜合評(píng)價(jià)工作中。