王志凱，毛曉月，許 瑤，田曉剛

(四川省生態(tài)環(huán)境科學(xué)研究院，成都 610041)

前 言

小流域的概念尚無統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)。Black[1]在《流域水文學(xué)》中把河道和地下水儲量對洪峰水量影響不大的流域稱之為小流域，而王禮先[2]在《流域管理學(xué)》一書中將小流域定義為面積小于100 km2的流域。我國小流域面積通常以100 km2為限。

隨著小流域所在區(qū)域的經(jīng)濟(jì)快速發(fā)展，小流域水生態(tài)環(huán)境問題日益突出，從小流域所在區(qū)域社會可持續(xù)發(fā)展角度出發(fā)，對小流域水生態(tài)環(huán)境現(xiàn)狀進(jìn)行分析、掌握小流域水生態(tài)環(huán)境狀況與人類活動之間的關(guān)系以及探究影響小流域水生態(tài)環(huán)境的重要影響指標(biāo)勢在必行，同時，也可為政策決策者提供充足的理論依據(jù)。

目前，國內(nèi)外學(xué)者對流域水生態(tài)環(huán)境綜合評價研究多集中在水環(huán)境質(zhì)量、生態(tài)環(huán)境質(zhì)量和生物指示物種三者之間的單一評價和兩兩組合評價。鮮有將三者利用分析方法對小流域水生態(tài)環(huán)境進(jìn)行全面的綜合評價?；疑P(guān)聯(lián)分析法(Grey relational analysis, GRA)作為灰色系統(tǒng)理論中一個分支，具有形式簡潔，計算方便等特點[3]，是被廣泛用于各個領(lǐng)域的評價方法[4]，而選取此方法對小流域水生態(tài)環(huán)境進(jìn)行綜合評價也少有報道。

本文以邛崍境內(nèi)南河小流域為例，利用灰色關(guān)聯(lián)分析法對南河小流域(邛崍境內(nèi))從水環(huán)境質(zhì)量、水生生態(tài)以及水生生境3個方面進(jìn)行綜合評價，以期為南河小流域水生態(tài)環(huán)境管控提供決策支持。

1 研究區(qū)域概況

南河小流域(邛崍段)位于成都平原西南部的邛崍市，介于東經(jīng)102°54′～104°53′、北緯30°05′～31°26′之間，多年平均氣溫為16.3℃，平均降水量為1 117.2mm，流域內(nèi)自然資源豐富，木本植物共計93科438種，野生動物共計3綱22目43科51種，魚類共計4目13科35屬。南河小流域?qū)籴航?，發(fā)源于邛崍市境西南部的天臺山和鎮(zhèn)西山，上源有支流兩條，左為文井江，右為白沫江，于水口鎮(zhèn)齊口處河流后始稱南河。南河左岸支流主要有來自大邑縣的江河、斜江河以及由排灌形成小南河，右岸支流主要為來自蒲江縣的蒲江。南河于白鶴鄉(xiāng)境出山谷后進(jìn)入平原，于黃塔村東出境進(jìn)入新津縣，注入岷江。

2 研究方法

2.1 采樣布點

根據(jù)2018年10～12月對南河小流域開展的實地踏勘、資料收集，根據(jù)小流域內(nèi)的環(huán)境壓力、社會經(jīng)濟(jì)情況，結(jié)合海拔、河流水系、行政區(qū)劃等基礎(chǔ)地理信息數(shù)據(jù)，在南河小流域(邛崍段)內(nèi)選取了15個采樣點位，編號為S1～S15，點位分布圖如圖1所示。

圖1 南河小流域采樣點位分布Fig.1 Distribution of sampling spots in small basin of Nanhe river

2.2 樣品采集

在15個采樣點位(S1～S15)分別進(jìn)行水生生物及水質(zhì)采樣。

2.2.1 水生生物采樣

水生生物采樣分為定性采集和定量采集兩種，采樣物種包括浮游植物、浮游動物和大型無脊椎底棲動物。定性采集用以觀察鑒定種類，采樣范圍更廣，定量采集用以計數(shù)，采樣范圍固定，具體采樣方法如下：

(1)浮游植物、浮游動物的采樣方法大體相同，其定性和定量采集均使用25號浮游生物網(wǎng)采集，采集后加入10mL哥魯氏液固定、靜置沉淀48h后，將樣品濃縮至30mL后取0.1mL于0.1mL計數(shù)框內(nèi)，在顯微鏡下按視野法計數(shù)2次取平均值并鑒別種類。

(2)底棲動物定性采樣方法也通常采用浮游生物網(wǎng)采集，將樣品放入50mL樣品瓶中，加福爾馬林液2.5mL進(jìn)行固定，定量采集則采用2 500mL采水器在不同水層中采集一定量的水樣，經(jīng)充分混合后，取10L的水樣用25號浮游生物網(wǎng)過濾后，將樣品放入50mL樣品瓶中，加2.5mL福爾馬林液進(jìn)行固定。將采集到的定量樣品分別濃縮到10mL，搖勻后取1mL置于以1mL的計數(shù)柜中，蓋上蓋玻片后在4×10倍的顯微鏡下全片計數(shù)，每個樣品計數(shù)10片，在解剖鏡下將不同種類挑選出來置于載玻片上，蓋上蓋玻片后用壓片法在顯微鏡檢測種類。

2.2.2 水質(zhì)采樣

在各采樣點分別取1 000mL水樣參照《地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》(GB3838-2002)中地表水監(jiān)測方法，在實驗室中分別測定各樣品中的化學(xué)需氧量、氨氮、總磷。

2.3 生物多樣性指數(shù)

根據(jù)水生生物中浮游植物和浮游動物的采樣結(jié)果，本文選取Shannon-Weiner指數(shù)模型進(jìn)行對浮游植物、浮游動物和底棲動物的生物多樣性進(jìn)行分析，計算模型如下，分析計算在PAST 3.0中完成：

(1)

式中：ni——第i個種的個體數(shù)目；

N——群落中所有種的個體總數(shù)。

Shannon-Weiner指數(shù)評價標(biāo)準(zhǔn)[5]見表1。

表1 Shannon-Weiner指數(shù)評價標(biāo)準(zhǔn)Tab.1 Shannon-Weiner index evaluation standard

2.4 水生境分析

鄭丙輝等借鑒了Barbour于1996年提出的棲息地評價指標(biāo)，在其研究基礎(chǔ)之上建立了一個涵蓋物理結(jié)構(gòu)、水量與水質(zhì)等多種特征的棲息地評價指標(biāo)體系，為多項水生境指標(biāo)賦予分值，以反映河流水生境的質(zhì)量狀況。本文參考鄭炳輝的棲息地評價指標(biāo)體系，選取生境復(fù)雜性、河水水量狀況、植被多樣性、人類活動強(qiáng)度、河岸土地利用類型5個指標(biāo)對南河小流域(邛崍段)的水生境進(jìn)行評價，評價標(biāo)準(zhǔn)見表2。

表2 水生境評價指標(biāo)與評價標(biāo)準(zhǔn)Tab.2 Evaluation index and standard of water habitat

2.5 數(shù)據(jù)歸一化

為消除由評價指標(biāo)物理量量綱不同帶來的影響，在評價之前需將樣本矩陣中各指標(biāo)無綱量化處理。本文采用線性插值法的標(biāo)準(zhǔn)化方法對原始數(shù)據(jù)進(jìn)行無量綱處理。

一般情況下，所有指標(biāo)可劃分為逆向指標(biāo)和正向指標(biāo)等[6]。

正向指標(biāo)是指數(shù)值越大越好的指標(biāo)，其歸一化方法：

(2)

負(fù)向指標(biāo)是指數(shù)值越小越好的指標(biāo)，其歸一化方法：

(3)

式中：Xij為指標(biāo)xij無量綱化的數(shù)值，xij為j列xi指標(biāo)原值，xjmin為j列中指標(biāo)原值的最小值，xjmax為j列中指標(biāo)原值的最大值。

2.6 灰色關(guān)聯(lián)分析

灰色系統(tǒng)理論提出對各系統(tǒng)進(jìn)行灰色關(guān)聯(lián)度分析的概念，灰色關(guān)聯(lián)度是以因素之間發(fā)展趨勢的相似或相異程度作為衡量各系統(tǒng)因素關(guān)聯(lián)程度的一種方法。通過灰色關(guān)聯(lián)度分析，認(rèn)為兩個系統(tǒng)因素變化的態(tài)勢是一致的，即同步變化程度較高，則兩者關(guān)聯(lián)度較大；反之，則兩者關(guān)聯(lián)度較小。

設(shè)有n個對象，每個對象有m項指標(biāo)，對評價指標(biāo)數(shù)據(jù)進(jìn)行歸一化處理，歸一化后的數(shù)據(jù)為x1，x2，……，xm=[xi(1)，xi(2)，……，xi(n)]，i=1,2……m。令x0為比較數(shù)列，則x0與xi關(guān)于第k個元素的關(guān)聯(lián)系數(shù)[7]為：

第1節(jié)分析了云計算中信任面臨的問題及挑戰(zhàn)，對本文提出的SLA-Trust模型進(jìn)行了概述；第2節(jié)對現(xiàn)階段云計算中信任計算的相關(guān)研究進(jìn)行了概述；第3節(jié)對SLA-Trust模型進(jìn)行了設(shè)計與實現(xiàn)；最后對本文進(jìn)行了總結(jié)，并對未來的研究熱點進(jìn)行了展望。

(4)

(5)

(6)

式中：ρ為分辨系數(shù)，取值區(qū)間為[0,1]。

第i個參考數(shù)列與比較數(shù)列的關(guān)聯(lián)度為：

(7)

式中：γi為第i個參考數(shù)列的關(guān)聯(lián)度。

3 分析與討論

3.1 評價指標(biāo)的確定

各評價子系統(tǒng)可參評的指標(biāo)因子很多，考慮到數(shù)據(jù)的易獲取性，結(jié)合現(xiàn)場踏勘和南河小流域斷面例行監(jiān)測數(shù)據(jù)，本文選取評價指標(biāo)如下。

3.1.1 區(qū)域水環(huán)境質(zhì)量評價

3.1.2 區(qū)域水生生態(tài)質(zhì)量評價

①浮游植物多樣性指數(shù)B1、②浮游動物多樣性指數(shù)B2、③大型底棲動物多樣性指數(shù)B3：比較數(shù)列標(biāo)準(zhǔn)值按照蔡立哲[5]多樣性指數(shù)評價法中最優(yōu)指標(biāo)計取，參考數(shù)列中各指標(biāo)數(shù)據(jù)根據(jù)采樣結(jié)果計算香農(nóng)-維納指數(shù)。

3.1.3 區(qū)域水生態(tài)質(zhì)量評價

①生境復(fù)雜性C1、②河水水量狀況C2、③植被多樣性C3、④人類活動強(qiáng)度C4、⑤河岸土地利用類型C5：比較數(shù)列標(biāo)準(zhǔn)值按照鄭丙輝[8]河流棲息地評價方法中最優(yōu)指標(biāo)計取，參考數(shù)列中各指標(biāo)數(shù)據(jù)根據(jù)現(xiàn)場踏勘，結(jié)合河流棲息地評價法進(jìn)行打分獲得。

綜合評價指標(biāo)體系見表3。

表3 南河小流域水生態(tài)環(huán)境綜合評價指標(biāo)體系Tab.3 Comprehensive evaluation index system of water ecological environment in small basin of Nanhe river

3.2 關(guān)聯(lián)系數(shù)和關(guān)聯(lián)度的計算

對比較數(shù)列和參考數(shù)列進(jìn)行無量綱化處理后，利用公式(4)～(7)進(jìn)行關(guān)聯(lián)系數(shù)和關(guān)聯(lián)度的計算，其中分辨系數(shù)ρ取0.5[9-10]，各指標(biāo)權(quán)重采用平權(quán)處理，由式(4)～(6)計算可得灰色關(guān)聯(lián)系數(shù)矩陣

由式(7)計算可得灰色關(guān)聯(lián)度Υ=(0.8107,0.6213,0.6454,0.6186,0.4570, 0.6403,0.5926,0.6024,0.6173,0.5483,0.5077,0.4071,0.5091,0.5447,0.5704)。各采樣點關(guān)聯(lián)度排序如圖2所示。

圖2 南河小流域水生態(tài)環(huán)境綜合評價關(guān)聯(lián)度排序情況Fig.2 Sorting of correlation degree in comprehensive evaluation of water ecological environment in small basin of Nanhe river

由南河小流域各采樣點灰色關(guān)聯(lián)度排序情況可知，文井江、白沫江、江河水生態(tài)環(huán)境良好，其中文井江上游河段關(guān)聯(lián)度最高可達(dá)0.810 7，究其原因，文井江、白沫江為邛崍水系的發(fā)源河流，與江河同受生態(tài)環(huán)境壓力相對其他河段少，人類活動程度較低，大部分河段仍然保留天然的河流形態(tài)，生態(tài)功能相對健全。

而小南河、石頭河、蒲江、斜江河、南河下游水生態(tài)環(huán)境相對較差，其中小南河上游河段關(guān)聯(lián)度最低為0.407 1，究其原因，這些河段多位于人口較為集中區(qū)域，受人類影響程度較大，流域內(nèi)河道硬化、畜禽養(yǎng)殖、農(nóng)田種植以及工業(yè)企業(yè)的廣泛分布導(dǎo)致河流水質(zhì)惡化，水生態(tài)功能出現(xiàn)不同程度的下降，水生態(tài)環(huán)境較差。

4 結(jié) 論

4.1 本文利用灰色關(guān)聯(lián)模型結(jié)合數(shù)據(jù)的易獲取性，從河流水質(zhì)、水生生態(tài)、水生境3方面共選取了11項指標(biāo)對南河小流域水生態(tài)環(huán)境進(jìn)行了綜合評價，評價結(jié)果達(dá)到預(yù)期成果，對區(qū)域水生態(tài)環(huán)境進(jìn)行綜合評價基本可行。

4.3 在下一步的研究中，需要進(jìn)一步對指標(biāo)的選取和篩選進(jìn)行研究；對于各指標(biāo)加權(quán)建模，使評價結(jié)果更具說服力。