蘇輝東，賈仰文，牛存穩(wěn)，童偉軍

(1.中國水利水電科學(xué)研究院流域水循環(huán)模擬與調(diào)控國家重點實驗室，北京 100038；2.中建集團水務(wù)環(huán)保有限公司，北京 100037)

隨著生態(tài)系統(tǒng)健康研究的深入，河流健康逐漸受到關(guān)注，河流健康評價工作對河流保護與管理及可持續(xù)利用的基礎(chǔ)性作用和指導(dǎo)性作用日益凸顯[1-3]。20世紀70年代以來，美國[1,4]、澳大利亞[5]、南非[6]、英國[7]以及我國[8-10]等都先后開展了河流健康評價的相關(guān)研究。有的學(xué)者強調(diào)河流的自然屬性，多從生態(tài)健康角度出發(fā)評價河流健康[11],認為結(jié)構(gòu)功能完整的或未受干擾的河流為健康河流[12-13]；有的學(xué)者認為河流也具有社會屬性[3]，河流對人類的經(jīng)濟服務(wù)功能也屬于健康河流范疇[14-16]。目前對具體河流健康進行評價時仍舊存在很大的主觀性，其原因主要有兩點：一是不同地域的河流、不同類型的河流千差萬別，如南北方差異、東西部差異、城市河道與天然河流的差異、河流干流與支流的差異等，水文水資源、生態(tài)環(huán)境、生物、經(jīng)濟社會屬性不盡相同，可以說世界上不存在兩條完全相同的河流；二是評價者或者管理者的知識背景、采用的方法、評價目的、數(shù)據(jù)的多少等因素都會導(dǎo)致河流健康評價的指標體系、權(quán)重及指標的賦值標準存在差異，甚至對河流健康內(nèi)涵的理解也不統(tǒng)一?？梢姾恿鹘】翟u價工作極其復(fù)雜，評價結(jié)果很難相互對比，不利于頂層決策、管理以及后續(xù)的生態(tài)修復(fù)工作。

針對河流健康評價會“因河而異”采用不同的指標體系、權(quán)重和指標賦值標準的問題，目前主要有兩種解決方法，一種是將不同河流的信息分類加以整理，比如將河流分為生態(tài)型河流[17]、山地型河流[18]、灌溉區(qū)河流、城市型河流[19-20]等，以及特定的河流，如長江[21]、黃河[22]和珠江[23-24]，根據(jù)相鄰或相似性原理，將一條河流的評價指標和方法移植到另一條河流。由于相似河流往往比較難找，而且仍然無法對不同類型河流的健康程度進行橫向?qū)Ρ?，適用范圍仍有限。另一種方法是構(gòu)建一種普適性的評價指標體系與方法指導(dǎo)全國的河湖健康評價[25]，如水利部試行的《河流健康評估指標、標準與方法》(1.0版)以及馮彥等[26]提出的河流健康評價主評指標體系。此方法指標體系的構(gòu)建、權(quán)重的分配以及評價標準的選擇等都存在一定的問題，有待進一步研究與完善。馮彥等[26]及楊麗萍[27]通過對大量河流健康相關(guān)文獻的河流健康評價指標體系以及指標的歸納、整理和篩選，得到一個完整的河流健康評價主評指標體系，但其對指標體系權(quán)重的分配和主評指標的賦值并未展開詳細的分析。

鑒于此，本文通過文獻調(diào)研，選出150篇相關(guān)的文獻、41個典型評價案例，對其中的指標體系及其權(quán)重進行歸納整理，分析指標體系和權(quán)重的特征和規(guī)律，尋求多樣本的指標體系和權(quán)重期望值，以期為河流健康評價指標體系的構(gòu)建、指標權(quán)重的分配及不同的河流健康評價提供參考。

1 研究方法與思路

河流健康評價的3個決定性因素為指標(index)、指標權(quán)重(weigh)和指標賦值(eigenvalue)，這3個決定性因素因河流類型以及所在地區(qū)自然地理條件不同而變化，評價結(jié)果難免具有主觀性。指標的重要性或影響因子稱為權(quán)重，指標的健康狀況稱為指標賦值。河流健康是公眾對河流的期望, 反映了不同背景下的價值取向[28]，如城市型河流水質(zhì)達到標準Ⅲ類以上，為人類提供較高的經(jīng)濟服務(wù)功能，能生存一些魚類就能滿足公眾的要求，人們就會認為河流是健康的，賦值應(yīng)該在60分及以上(滿分是100分)；而生態(tài)功能保護區(qū)的河流，公眾對河流健康的期望水質(zhì)要求可能是Ⅱ類，甚至Ⅰ類，為人類提供經(jīng)濟服務(wù)功能要求則很低，魚類要求保持未受擾動的原始狀態(tài)。兩種不同地域、類型的河流，指標的重要性(或權(quán)重)未發(fā)生改變，但公眾對指標期望值(賦值標準)發(fā)生了改變。因此，從另一個角度來看，權(quán)重是可以不變的，但指標賦值的標準(通過關(guān)鍵閾值的不同實現(xiàn))是不斷改變的，每條河流指標的關(guān)鍵閾值是不一樣的。

指標權(quán)重是指各指標對河流健康的“貢獻程度”或者“影響因子”，在河流健康評價實踐中起到關(guān)鍵的作用。確定權(quán)重的方法主要有層次分析法[29]、專家咨詢法、主成分分析法[30]、熵值法、博弈論的綜合權(quán)重法[31-32]等。由于權(quán)重確定方法本身的多樣性，再加上專家的知識背景和經(jīng)驗的差別、河流健康內(nèi)涵及評價目的的不同，使得指標和權(quán)重會出現(xiàn)很大的偏差，進而導(dǎo)致這類方法難以避免權(quán)重分配的主觀性，且很難評判、對比其優(yōu)劣。本文對國內(nèi)外具有代表性的多指標河流健康評價的權(quán)重分配進行統(tǒng)計，并采用統(tǒng)計學(xué)求數(shù)學(xué)期望的方法得到各個指標的權(quán)重(或稱為影響因子)，以期能集合大多數(shù)評價者的共識，獲得一個可供參考的較為客觀的指標體系及權(quán)重。數(shù)學(xué)期望的計算公式如下:

(1)

式中：E(x)為數(shù)學(xué)期望；f(x)為權(quán)重x的概率密度函數(shù)。

在實際計算時，如果數(shù)據(jù)中出現(xiàn)一兩個極端數(shù)據(jù)，會削弱平均數(shù)的代表性。為了消除這種現(xiàn)象，可將少數(shù)極端數(shù)據(jù)去掉，剔除概率密度較小的極大值和極小值，選擇分布較為集中的權(quán)重區(qū)段，再求數(shù)學(xué)期望來進行優(yōu)化。修正后的期望值E′(x)的計算公式如下：

(2)

其中(x1,x2)滿足以下條件：

(3)

式中：E′(x)為修正后的期望值；F(x)為變量x的概率分布函數(shù)，其計算式為

(4)

2 準則層的權(quán)重統(tǒng)計分析

在中國知網(wǎng)上搜索2000—2017年的中文核心期刊、CSCD期刊以及碩博論文關(guān)于河流健康的典型文獻及案例，并檢索SCI論文中關(guān)于國外河流健康的典型文獻及案例。根據(jù)文獻的下載次數(shù)、引用次數(shù)、發(fā)文期刊本身的質(zhì)量初步篩選出150篇相關(guān)文獻，再從中選擇在河流健康評價中給出了指標體系及權(quán)重的文獻，一共篩選出41個典型評價案例。對這些文獻分類整理發(fā)現(xiàn)，基于多指標綜合評價河流健康的文獻中，91%以上文獻的準則層為5個，分別為水文、水質(zhì)、生物、生境物理、經(jīng)濟服務(wù)功能。按照這5個分類，對41個案例中準則層權(quán)重進行統(tǒng)計分析，結(jié)果如表1所示。

從表1可以看出，經(jīng)濟服務(wù)功能的權(quán)重最大，平均值為0.24，約占準則層的1/4。為進一步分析權(quán)重的合理取值，對每個準則層權(quán)重統(tǒng)計其概率密度分布曲線，結(jié)果如圖1所示。從圖1可以看出，水文、生物、生境物理和經(jīng)濟服務(wù)功能的概率分布比較集中，且E(x) 都在權(quán)重分布集中的區(qū)間。對E(x)進行修正，修正后的E′(x)的取值分別為0.15、0.16、0.18、0.19、0.24。E(x)與E′(x)差異很小，說明E(x)取值較為合理。從圖1還可以看出，水文和經(jīng)濟服務(wù)功能基本符合正態(tài)分布，雖然水文的權(quán)重極值差異很大(0.01～0.51)，但分布較為集中(0.15上下)，具有“集中趨勢”，所以水文類指標權(quán)重取0.15能符合大多數(shù)評價者的共識。為進一步分析準則層權(quán)重平均值的可靠性，采用標準偏差來估算和評定，結(jié)果如表2所示。從標準差來看，生物的標準差最小，這說明生物在河流健康評價中的權(quán)重為0.18是普遍接受的權(quán)重值；標準差第二小的是水文，表明其權(quán)重0.15也是很認可的權(quán)重。

圖1 準則層權(quán)重的概率密度分布曲線

表1 典型案例河流健康評價準則層權(quán)重統(tǒng)計結(jié)果

注：*表示原體系中沒有、本文統(tǒng)計時加入的準則層權(quán)重，均取統(tǒng)計平均值0.24。

表2 河流健康評價準則層權(quán)重統(tǒng)計分析結(jié)果

3 指標層指標的選擇與權(quán)重的確定

采用頻度統(tǒng)計法對篩選出的150篇文獻進行頻度統(tǒng)計，對頻度靠前的指標體系進行統(tǒng)計分析。在統(tǒng)計過程中，對名稱、內(nèi)涵或表達形式相近的指標進行相似性處理，都歸為同一指標。例如，魚類多樣性指數(shù)、魚類保留率、魚類損失指數(shù)、敏感性魚種數(shù)、魚種數(shù)、土著魚種數(shù)、外來魚種數(shù)、魚優(yōu)勢度指數(shù)、個體異常性魚種數(shù)、魚生物完整性指數(shù)等，本文都歸類為魚類指標。統(tǒng)計后得到河流健康評價的指標及其出現(xiàn)次數(shù)情況如表3所示。

對表3中的主要指標進行適當合并、歸類、分析和篩選，構(gòu)建新的指標體系。新的指標體系既要盡量精簡、易于開展評價，又要盡可能多地指示河流健康的主要物理化學(xué)特征。即綜合考慮指標的代表性、普遍性、可量化性和易獲得性，同時考慮指標之間的相關(guān)性與重復(fù)性，刪除顯著相關(guān)的指標。結(jié)合國內(nèi)外41個河流健康評價實例的指標權(quán)重統(tǒng)計結(jié)果，按照準則層權(quán)重獲取的方法，對指標層的指標權(quán)重進行重新分配，構(gòu)建河流健康評價指標體系如圖2所示(括號中數(shù)據(jù)為權(quán)重)。

圖2給出的評價指標體系及指標權(quán)重可為后續(xù)河流健康評價指標體系構(gòu)建與權(quán)重分配提供參考。其中，水文指標中徑流變化率反映徑流量和過程的變異；水質(zhì)指標中水功能區(qū)水質(zhì)達標率能較多反映水質(zhì)的信息；生物指標采用可以自由移動的魚類和相對靜止的底棲動物來表征；生境物理3個指標分別表征河道的穩(wěn)定性、連通性和生境數(shù)量和質(zhì)量；經(jīng)濟服務(wù)功能中流域天然植被覆蓋率、水資源利用率、河岸景觀適宜度分別主要表征流域內(nèi)土地利用情況、水資源開發(fā)利用程度和景觀適宜性。評價與管理者可以在此指標體系的基礎(chǔ)上，根據(jù)實際情況和需要靈活增加1～3個需考慮的特色指標，并對主評指標和權(quán)重進行合理調(diào)整。

圖2 河流健康評價指標體系框架及其指標的權(quán)重

4 結(jié) 語

有效開展河流健康評價是河流管理與修復(fù)的基礎(chǔ)性工作，有利于促進生態(tài)保護與水資源可持續(xù)利用。目前對河流健康的研究處于探索階段，從指標的選擇到權(quán)重的分配存在各種觀點和方法，難以找到一種方法來評價各種指標和權(quán)重的優(yōu)劣，也難以判斷哪種方法的評價結(jié)果更合理。本文通過對150篇河流健康評價文獻的分析，發(fā)現(xiàn)不同的研究者對準則層劃分較為統(tǒng)一，集中在水文、水質(zhì)、生物、生境物理、經(jīng)濟服務(wù)功能等方面，而權(quán)重取值差別很大。通過進一步篩選得到了河流健康評價實例中準則層和指標層的常用指標及其采用情況，并計算了其相應(yīng)的歸一化后的權(quán)重期望值。通過分析現(xiàn)有研究中河流健康評價指標和權(quán)重的采用特征和期望值，提出了一個適宜河流健康評價的通用指標體系框架，并給出了準則層和指標層的權(quán)重。該通用指標體系框架集合了河流健康評價的共識，能增加河流健康評價的橫向可比性，使評價結(jié)果相對客觀，可供評價者參考?？紤]到不同地域河流的差異性，可以適當增加反映當?shù)睾恿魈匦缘闹笜耍瑏斫⒕C合指標體系。此外，應(yīng)對不同類型河流評價指標的賦值標準開展研究，采用實際案例加以驗證，以快速獲得更客觀的河流健康評價結(jié)果。

表3 河流健康評價指標的采用情況