苗雨池

(遼寧省錦州水文局，遼寧 錦州 121000)

中小河流的集水面積小于3000km2，主要分布在城市和農村地區(qū)的河段，相比于大型河流，中小河流具有數目多、分布廣的特點，與農村、城市生活關系十分密切[1]。城市、農場生活也對中小河流生態(tài)環(huán)境狀況產生直接影響[2]。河流的健康包含自身河流的結構功能、生態(tài)功能、社會功能三個方面[3-5]，河流健康是河流持續(xù)發(fā)展的重要保障[6]。當前，對于河流健康的研究逐步得到國內許多學者的關注[7-14]，但這些研究大都針對大型河流，而對于中小河流研究較少。近些年來，中小河流治理和生態(tài)環(huán)境保護已成為鄉(xiāng)村振興戰(zhàn)略的重要內容。本文結合粗糙集簡約方法[15]，構建中小河流健康診斷的指標體系，以遼寧地區(qū)為研究實例，對其區(qū)域中小河流進行河流健康診斷，并對其影響因子進行定量識別。研究成果對于區(qū)域中小生態(tài)保護和治理措施制定具有重要的參考價值。

1 中小河流健康診斷方法

1.1 健康診斷指標

結合中小河流的特點，綜合考慮其防洪、河流形態(tài)、河流生態(tài)三個方面功能選取9個指標進行健康程度診斷，將中小河流劃分為5個標準，各標準賦分分別為理想狀態(tài)(0.8～1.0)、健康(0.5～0.8)、亞健康(0.3～0.5)、不健康(0.2～0.3)、病態(tài)(0～0.2)，并結合相關研究成果確定各指標的評價標準，指標及其標準見表1。

表1 中小河流評價指標賦分標準

1.2 評估方法

結合粗糙集簡約方法對其健康度進行綜合評估，該方法通過對各屬性指標進行隸屬函數離散分析，對其上、下集合進行相似計算，計算方程分別為：

μpx(Fi)=inf max{1-μFi(x)，μX(x)}

(1)

(2)

式中，U—各評價指標的求解域；Fi—模糊評價屬性結合；P—模型優(yōu)化屬性值。

對模糊集進行正域計算，計算方程為：

μPOSp=sup min{μFi(x)，μPOSp(Fi)}

(3)

式中，Uposp—模糊集的正域屬性值；UFi(x)—評估方程的等價集合；UPOSp(Fi)—模糊正域屬性值。

在模型正域屬性計算后，結合模糊梯度函數對變量隸屬度進行分析，分析方程為：

μPOSp(x)=sup min{μFi(x)，μPOSp(Fi)}

(4)

式中，各變量含義同上述方程中變量含義。

對評價方程變量的依賴度進行計算，計算方程為：

(5)

式中，γP(Q)—變量依賴度屬性值。

在變量依賴度計算的基礎上，對評估方程決策屬性變量進行計算，計算方程為：

σPQ(P)=γP+{P}(Q)-γP(Q)

(6)

對式(6)進行簡約化計算，轉換方程為：

(7)

2 實例應用

2.1 遼寧省河流概況

遼寧省流域面積10km2以上，河流共計3536條，其中山區(qū)性河流3419條，平原河流117條。中小河流主要定義流域面積在1000km2以下的河流，遼寧省中小河流為2949條，其中遼河水系中小河流數最多，占總數47.7%，松花江水系分布最少，站總數0.54%。各水系分布見表1。

2.2 各評價區(qū)指標權重的設置

對遼寧省典型中小河流進行實地調研，從其河流特性、防洪安全、生態(tài)保護三個層面9個評價指標，進行專家打分制方法對各區(qū)域不同指標的權重進行設定，設定結果見表2。

表1 遼寧省不同流域水系中小河流分布情況

表2 遼寧省各區(qū)域中小河流健康評價指標設定權重值

從表2分析結果可看出，對于遼東地區(qū)而言，河岸穩(wěn)定性及魚類保有指數的權重值最高，這是因為遼東地區(qū)主要為山區(qū)型河流，河流沖刷性能較強，因此河岸穩(wěn)定性要求較高，其魚類多樣性要求較高。遼寧南部河流特性和東部地區(qū)河流類型較為相似，因此其各指標權重和遼寧東部地區(qū)具有一致性。從遼中地區(qū)的指標權重分布可看出，對于遼寧中部而言，其區(qū)域河流大部分屬于平原型河流，其中河流植被覆蓋率及脈動指數權重值最大，主要因為對于遼寧中部平原區(qū)而言，其植被覆蓋率相對較低，此外受平原地形影響，其河流脈動指數較低，因此這兩項指標是影響區(qū)域中小河流健康程度的關鍵。遼西和遼北地形也較為相似，其指標權重分布也較為一致，同樣河流植被覆蓋率及脈動指數權重值較大，特別是受到植被覆蓋影響程度較高。通過對各區(qū)域中小河流進行實地調研結果表明各指標權重設定值較為合理。

2.3 各區(qū)域指標評價確定度分析結果

在指標權重設定的基礎上，對遼寧各區(qū)域中小河流不同等級評價指標的確定度進行分析，分析結果見表3—5。

表3 遼寧東南部地區(qū)典型中小河流指標確定度分析結果

表4 遼寧中部地區(qū)典型中小河流指標確定度分析結果

從遼寧東、南部地區(qū)指標確定度分析結果可知，其和指標的權重關聯度較高，指標權重較大其相應的確定度也較高。因此對于遼寧東、南部地區(qū)而言，其河岸穩(wěn)定性及魚類保有指數的確定度最大，且隨著健康等級的遞減，其指標的確定度也逐步較大。這主要是因為隨著健康等級的逐步遞減，其指標影響度逐步增加，使得其確定度相應加大。從遼寧中部的指標確定度分析結果也可看出，和遼寧東南部較為相似，各指標的確定度和其權重具有較大的相關性，因此遼寧中部地區(qū)中小河流各健康等級下的河流植被覆蓋率及脈動指數確定度最高。對于遼寧西部和北部地區(qū)而言，各指標的確定度變化幅度小于其他地區(qū)，這主要是因為遼西北部地區(qū)，中小河流健康影響因素較多，不同指標的確定度變化范圍較小，因此其變幅較小。

2.4 各區(qū)域指標評價指標關聯度分析結果

各指標關聯度是分析其區(qū)域中小河流健康影響因子識別的關鍵，為此對不同區(qū)域9個評價指標的關聯度進行分析，分析結果見表6—8。

表6 遼寧東南部地區(qū)典型中小河流健康評價指標關聯度分析結果

表7 遼寧中部地區(qū)典型中小河流健康評價指標關聯度分析結果

表8 遼寧西北部地區(qū)典型中小河流健康評價指標關聯度分析結果

表9 各區(qū)域典型中小河流健康診斷結果

從遼寧東南部區(qū)域9個評價指標的關聯度可看出，各指標關聯度和區(qū)域河流特征具有較為明顯的關聯性。東南部地區(qū)河岸穩(wěn)定性和防洪指標的關聯度最高，而河流脈動指數和魚類保有指數關聯度最高，這主要是因為魚類受到河流脈動影響較大。遼寧中部地區(qū)，河岸植被覆蓋率和灘地保留率關聯度最高，這主要是因為遼寧中部地區(qū)大部分為平原河流，其灘地保留率較大，因此使得其河岸植被覆蓋率關聯度較大。遼寧西北部地區(qū)，由于區(qū)域水土保持治理措施力度的加大，區(qū)域山區(qū)型中小河流水質指數和河流流暢性指數的關聯度最大。因此可綜合分析出，中小河流健康評價指標的關聯度和區(qū)域中小河流特征相關度最高，影響程度也最大。

2.5 各區(qū)域典型河流健康診斷結果

在各指標關聯度和確定度分析的基礎上，結合粗糙集簡約方法對其健康度進行綜合評估，評估結果見表9。

從分析結果可看出，遼東、南地區(qū)中小河流健康度在0.43～0.75，屬于亞健康～健康狀態(tài)，遼西、北部地區(qū)健康度在0.24～0.47，屬于不健康～亞健康狀態(tài)，遼寧中部地區(qū)決策屬性值在0.21～0.46之間，屬于不健康～亞健康狀態(tài)。遼寧東南部區(qū)域由于中小河流覆蓋度較好，且水量較為充沛，因此其健康狀態(tài)總體好于遼寧中部以及西北部，遼寧中部主要為平原型河流，受到平原河流脈動影響較為強烈，因此其河流健康狀態(tài)較為平穩(wěn)。遼寧西、北部地區(qū)中小河流植被覆蓋度低于東南部以及中部地區(qū)，且水量較少，因此這一區(qū)域中小河流健康狀態(tài)總體處于亞健康狀態(tài)。通過對9條典型河流進行實地調研，各河流健康評估結果和實際情況吻合度較高，因此構建的評估方法和評價指標體系適用于遼寧地區(qū)中小河流健康評價。

2.6 各區(qū)域典型河流健康影響因子識別

在區(qū)域中小河流健康診斷的基礎上，通過定量分解方法結合各指標的關聯度，對遼寧各區(qū)域中小河流健康影響因子進行定量識別，識別結果見表10。

表10 各區(qū)域典型中小河流健康影響因子定量識別結果 單位：%

結合各指標關聯度及影響因子分離方法對各區(qū)域中小河流健康影響因子進行了識別，從定量識別結果可看出，遼寧東部地區(qū)河岸穩(wěn)定性以及魚類保有指數影響程度超過30%，這兩個指標權重值也最大，而遼寧南部地區(qū)同樣這兩個指標的影響度最大，可見對于遼寧東南部地區(qū)，要提高區(qū)域中小河流健康度，需要加大河岸穩(wěn)定性的治理以及增加魚類的保有種類。遼寧、西北部地區(qū)影響度超過35%的分別為河岸植被覆蓋率以及河流脈動指數，因此要加大遼寧西北部地區(qū)中小河流健康保護度，則需要加大河岸植被覆蓋率以及脈動指數的治理。而對于遼寧中部地區(qū)而言，防洪指標和灘地保留率影響度較大，其中灘地保留率的影響度達到29.0%，則主要是因為對于遼寧中部的平原型河流而言，灘地保留率的降低將對區(qū)域中小河流健康保護起到至關作用。

3 應用結論

(1)本文提出了適合于中小河流特點的9種河流健康評價指標，對于較為復雜及資料極為稀缺的中小河流，建議保留防洪指標、水質指數、魚類保有指數、以及河岸植被覆蓋率4種可以通過實地調查得到的指標。

(2)從指標關聯度分析結果可看出，灘地保留率與河岸植被覆蓋率具有較為明顯的關聯度，河岸植被覆蓋率可以通過遙感數據獲得，建議在具體評價過程中可通過建立兩種指標的相關方程，進行灘地保留率指標的定量獲取。

(3)本文的指標權重主要采用專家打分法及實地調研得到，存在一定的主觀性，在以后的研究中還需要對權重進行客觀計算分析。