張澤中，和春華，蘇之鴻，李依洋

（華北水利水電大學，河南 鄭州 450045）

河流生態(tài)系統(tǒng)對人類生存和發(fā)展起著至關(guān)重要的作用［1-2］。 近年來，受人類活動影響，河流生物多樣性降低、水土流失、河岸植被破壞等問題日益突出［3］。國內(nèi)很多學者對河流健康評價進行了研究。 劉娟等［4］采用改進的灰色關(guān)聯(lián)度分析方法確定所評價河流生態(tài)系統(tǒng)健康狀況；李海霞等［5］將河流健康評價指標和河流健康評價標準構(gòu)成一個集對，分析其同異反聯(lián)系度，并將多個指標系統(tǒng)表示成一個能從總體上衡量河流健康程度的五元聯(lián)系數(shù)，從而定量計算出河流健康狀況。 從評價方法看，多數(shù)學者采用層次分析法、灰色關(guān)聯(lián)度分析法和五元聯(lián)系數(shù)等對河流健康進行評價。 但是，上述方法評價樣本指標值與評價等級之間的符合程度有待進一步精準度量，權(quán)重的確定也容易受主觀和客觀因素的影響，進而影響最終的評價結(jié)果。針對傳統(tǒng)突變理論通過歸一化公式計算得到的健康標準不盡相同的問題，本文采用等級指示值改進突變模型，將5 個等級的健康標準依次統(tǒng)一為劣態(tài)區(qū)間、不健康區(qū)間、亞健康區(qū)間、基本健康區(qū)間、健康區(qū)間，從而可以從指標的突變級直觀地看出指標的健康狀態(tài)。 將改進突變模型運用到潮田河健康評價中，以期為潮田河河道整治、河流保護和水行政管理提供參考。

1 河流健康評價指標體系

針對河流健康評價指標體系、權(quán)重和指標賦值標準不同的問題［6］，將河流按照沿程特征和受人類社會活動負面影響的程度劃分為4 類。 基本不受人類社會活動負面影響或似自然狀態(tài)的河流為Ⅰ類河流，主要包括自然保護區(qū)、自然風景區(qū)和飲用水水源地。 受中度人類社會活動負面干擾，但幾乎無“亂占”“亂建”“亂堆”“亂采”（簡稱“四亂”）問題的河流為Ⅱ類河流，Ⅱ類河流的社會服務功能以灌溉供水、城鎮(zhèn)供水和行洪為主。 受人類社會活動負面重度干擾的河流為Ⅲ類河流，Ⅲ類河流“四亂”現(xiàn)象較為嚴重，以景觀和行洪為主要社會服務功能。 季節(jié)性河流是受大陸性季風氣候影響、上中游過度取水和當?shù)剡^度開采地下水造成基流消失的河流，它表現(xiàn)為河流流量、水位等隨季節(jié)變化顯著，枯水期經(jīng)常斷流［7］，往往不能滿足生產(chǎn)、生活和生態(tài)用水需求，河流生態(tài)系統(tǒng)較為脆弱［8］。 季節(jié)性河流為Ⅳ類河流，其主要社會服務功能為行洪。

根據(jù)河流的流域規(guī)模，結(jié)合河湖長制中河湖分為省級、市級和縣級三級管轄，將河流等級劃分為省級、市級、縣級，并分別以P、M、C 表示。 通過已有文獻［9-14］的河流健康評價指標體系，遵循《河流健康評價指南（試行）》，構(gòu)建以河流總體健康綜合評價M 為目標層，“盆”形態(tài)結(jié)構(gòu)完整性B1、“水”生態(tài)完整性B2、生物多樣性B3 和社會服務功能可持續(xù)性B4 為準則層，河流縱向連通指數(shù)C11、岸線自然狀況C12 和河道行洪能力C13 等16 項指標為指標層的四類三級河流健康評價指標體系。

“盆”形態(tài)結(jié)構(gòu)完整性包括河流縱向連通指數(shù)、岸線自然狀況、河道行洪能力、違規(guī)開發(fā)利用水域岸線程度4 個指標：河流縱向連通指數(shù)C11 以規(guī)定長度內(nèi)阻斷河流產(chǎn)生負面影響的水工建筑物或其他水利設(shè)施的個數(shù)來判斷；岸線自然狀況C12 包括河岸穩(wěn)定性、岸線植被覆蓋率和護岸生態(tài)化狀況；河道行洪能力C13包括河岸帶寬度指數(shù)（AW）和河道淤泥厚度；違規(guī)開發(fā)利用水域岸線程度C14 包括入河排污口規(guī)范化建設(shè)率、入河排污口布局合理程度和河流“四亂”狀況。

“水”生態(tài)完整性B2 包括生態(tài)流量、流量過程變異程度／河流斷流程度、水質(zhì)優(yōu)劣程度、水體自凈能力4 個指標：生態(tài)流量C21 用4—9 月和10 月至次年3月的最小日均流量占比表示，取二者最低評分值為河流生態(tài)流量滿足程度評分；流量過程變異程度／河流斷流程度C22 中，流量過程變異程度以實測月徑流量與月徑流量的平均偏離程度表示，河流斷流程度采用本年度評價天數(shù)內(nèi)斷流河段長度和斷流天數(shù)的乘積與總河段長度和評價天數(shù)的乘積之比來表示；水質(zhì)優(yōu)劣程度C23 以《地表水環(huán)境質(zhì)量標準》（GB 3838—2002）為基準，依據(jù)實測結(jié)果在水質(zhì)等級標準內(nèi)線性內(nèi)插得到；水體自凈能力C24 以水體中溶解氧（DO）濃度來衡量。

生物多樣性B3 包括大型底棲無脊椎動物生物完整性指數(shù)、魚類保有指數(shù)、水生植物群落狀況3 個指標：大型底棲無脊椎動物生物完整性指數(shù)C31 通過對比參考點和受損點大型底棲無脊椎動物數(shù)量的比值進行評分；魚類保有指數(shù)C32 以現(xiàn)在調(diào)查獲得的魚類物種數(shù)量與20 世紀80 年代以前的數(shù)量的比值來評價；水生植物群落狀況C33 以植物的物種、配置和數(shù)量來衡量。

社會服務功能可持續(xù)性B4 包括防洪達標率、供水水量保證程度、河流集中式飲用水水源地水質(zhì)達標率、公眾滿意度、河道管理能力與管理范圍5 個指標：防洪達標率C41 參考國家防洪標準取值；供水水量保證程度C42 以達到供水要求的天數(shù)和1 a 總天數(shù)的比值表示；河流集中式飲用水水源地水質(zhì)達標率C43 以水質(zhì)達標的水源地個數(shù)與總個數(shù)的比值表示；公眾滿意度C44 取流域（區(qū)域）內(nèi)參與調(diào)查的公眾評分的平均值；河道管理能力與管理范圍C45 以公眾對河長工作滿意度的打分衡量。

河流健康評價指標中定量指標評價標準見表1（其中PS1為10 月至次年3 月最小日均流量占比，PS2為4—9 月最小日均流量占比）。 定性指標中，違規(guī)開發(fā)利用水域岸線程度C14 省級評價標準：劣態(tài)為入河排污口規(guī)范化建設(shè)中等，布局中等，“四亂”問題一般；不健康為入河排污口規(guī)范化建設(shè)中等，布局良好，“四亂”問題一般；亞健康為入河排污口規(guī)范化建設(shè)良好，布局良好，“四亂”問題一般；基本健康為入河排污口規(guī)范化建設(shè)優(yōu)秀，布局良好，無“四亂”問題；健康為入河排污口規(guī)范化建設(shè)優(yōu)秀，布局合理，無“四亂”問題。C14 市級評價標準：劣態(tài)為入河排污口規(guī)范化建設(shè)較差，布局較差，“四亂”問題一般；不健康為入河排污口規(guī)范化建設(shè)中等，布局中等，“四亂”問題一般；亞健康為入河排污口規(guī)范化建設(shè)中等，布局合理，“四亂”問題一般；基本健康為入河排污口規(guī)范化建設(shè)良好，布局良好，無“四亂”問題；健康為入河排污口規(guī)范化建設(shè)優(yōu)秀，布局良好，無“四亂”問題。 C14 縣級評價標準：劣態(tài)為入河排污口規(guī)范化建設(shè)差，布局較差，“四亂”問題嚴重；不健康為入河排污口規(guī)范化建設(shè)較差，布局較差，“四亂”問題較嚴重；亞健康為入河排污口規(guī)范化建設(shè)中等，布局中等，“四亂”問題較嚴重；基本健康為入河排污口規(guī)范化建設(shè)良好，布局良好，“四亂”問題一般；健康為入河排污口規(guī)范化建設(shè)良好，布局良好，無“四亂”問題。 水質(zhì)優(yōu)劣程度C23 劣態(tài)、不健康、亞健康、基本健康、健康省級評價標準為分別達到Ⅳ類、Ⅲ類、Ⅱ類偏下、Ⅱ類偏上、Ⅰ類水質(zhì)評價標準，市級評價標準為分別達到Ⅴ類、Ⅳ類、Ⅲ類、Ⅱ類、Ⅰ類水質(zhì)標準，縣級評價標準為分別達到劣Ⅴ類、Ⅴ類、Ⅳ類、Ⅲ類、Ⅰ類或Ⅱ類水質(zhì)標準。 水生植物群落狀況C33省級評價標準：劣態(tài)為種類尚多，數(shù)量不多且散布；不健康為種類尚多，配置合理，數(shù)量多；亞健康為種類多，配置較合理，數(shù)量多；基本健康為種類很多，配置合理，數(shù)量多；健康為種類很多，配置合理，植株密閉。C33市級評價標準：劣態(tài)為種類單一，數(shù)量少且稀疏；不健康為種類單一，數(shù)量不多且散布；亞健康為種類尚多，數(shù)量不多且散布；基本健康為種類多，配置合理，數(shù)量多；健康為種類多，配置較合理，植株密閉。C33 縣級評價標準：劣態(tài)為難以觀測到植物；不健康為種類單一數(shù)量少且稀疏；亞健康為種類單一，數(shù)量不多且散布；基本健康為種類尚多，數(shù)量不多且散布；健康為種類多，配置合理，數(shù)量多。

表1 河流健康評價定量指標評價標準

指標層各評價指標評價結(jié)果的平均值為準則層的突變級數(shù)值，運用歸一化公式對準則層突變級數(shù)值進行計算，得到河流總體健康綜合評價結(jié)果，進而判斷河流總體健康狀況。

2 河流健康評價模型

2.1 突變理論

突變理論是法國數(shù)學家Rene Thom 創(chuàng)立的一門研究非連續(xù)變化和突變（質(zhì)變）現(xiàn)象的新興數(shù)學學科。突變級數(shù)法是一種對評價目標進行排序分析的綜合評價方法，利用突變理論與模糊數(shù)學相結(jié)合的突變模糊隸屬函數(shù)，由歸一化公式綜合量化運算后得到的參數(shù)，即總突變隸屬度［15］。 突變理論根據(jù)系統(tǒng)的勢函數(shù)將系統(tǒng)的臨界點分類，研究分類臨界點附近非連續(xù)變化狀態(tài)的特征，從而歸納出若干個初等突變模型。f（X）為系統(tǒng)狀態(tài)變量X的勢函數(shù)，X的系數(shù)為狀態(tài)變量的控制變量。 勢函數(shù)中狀態(tài)變量和控制變量是矛盾的兩個方面，系統(tǒng)所處的任一狀態(tài)是狀態(tài)變量與控制變量的統(tǒng)一，也是控制變量之間相互作用的統(tǒng)一。

當模型中控制變量不多于5 個，狀態(tài)變量不多于2 個時，突變模型有5 種基本形式，5 種基本形式的狀態(tài)變量均為1 個，控制變量的數(shù)量分別有1、2、3、4、5，根據(jù)控制變量的數(shù)量選擇不同的突變模型，依次為折疊突變、尖點突變、燕尾突變、蝴蝶突變及印第安人茅舍突變，見表2。 在計算過程中只有嚴格遵守“越大越優(yōu)”的原則，才可以運用歸一化公式來計算狀態(tài)變量，狀態(tài)變量與控制變量取值范圍為0～1。

表2 幾種常見突變模型

2.2 改進突變模型

由于突變模型中每一項評價指標突變級數(shù)值都有不同的健康等級劃分標準，某一項指標的評價結(jié)果看不出河流處于何種健康狀態(tài)，因此將依據(jù)突變理論得到的突變級數(shù)值與健康狀態(tài)等級相結(jié)合表示河流健康狀態(tài)。 健康狀態(tài)等級指示值是河流健康狀態(tài)處在某個健康等級區(qū)間內(nèi)的指示值，用阿拉伯數(shù)字-2、-1、0 和1 表示。 最終結(jié)果小數(shù)點前一位表示河流所處健康狀態(tài)，小數(shù)點后幾位數(shù)字表示河流健康狀況處于距離這個等級區(qū)間上限或下限的位置。 例如：突變級數(shù)標準化數(shù)值為a.b，a 為河流所處的健康等級，a 為正值，b為河流健康狀況處于距離這個等級區(qū)間下限b%的位置；a 為負值，b 為河流健康狀況處于距離這個等級區(qū)間上限b%的位置。

以0 為亞健康狀態(tài)與基本健康狀態(tài)臨界點，劣態(tài)等級指示值為-2，不健康等級指示值為-1，健康狀態(tài)等級指示值為1。 對所有指標的突變級數(shù)值使用內(nèi)插法得到河流健康等級標準，劣態(tài)標準為［-3，-2），不健康狀態(tài)標準為［-2，-1），亞健康狀態(tài)標準為［-1，0），基本健康狀態(tài)標準為［0，1），健康狀態(tài)標準為［1，2）。評價結(jié)果突變級數(shù)標準化計算公式為

式中：Sv為突變級數(shù)標準化數(shù)值；Xc為突變級數(shù)值；SBU為原突變理論健康標準上限值；SBL為原突變理論健康標準下限值；Hsi為等級標準下限值，劣態(tài)、不健康、亞健康、基本健康和健康狀態(tài)的等級標準下限值分別為-3、-2、-1、0、1。

2.3 最終結(jié)果展示

為了使河流分級分類采用四類三級河流評價標準時更便捷，提出河流。 定義：“??”表示兩者（數(shù)字、字母）相連，兩者共同表示評價結(jié)果。 河流等級類別指示值是由代表河流等級的指示值和河流類別的指標值組成，改進后最終結(jié)果表現(xiàn)形式為

式中：Fr為河流健康評價最終結(jié)果；SvM為河流健康綜合評價的突變級數(shù)標準化數(shù)值；R為河流等級指示值，分別為P、M 和C；T為河流類別指示值，Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ類河流分別取值1、2、3、4。

最終結(jié)果由河流健康狀況得分與河流等級類別指示值表示。 例如：某條河流的綜合評價突變級數(shù)標準化數(shù)值為1.708，該河流為省級Ⅱ類河流，則該河流最終評價結(jié)果為1.708P2。

3 潮田河健康評價

3.1 流域概況

潮田河是漓江第二大支流，發(fā)源于廣西壯族自治區(qū)靈川縣，流經(jīng)靈川縣海洋鄉(xiāng)、大境鄉(xiāng)、潮田鄉(xiāng)、大圩鎮(zhèn)4 個鄉(xiāng)鎮(zhèn)，年平均氣溫為19.6 ℃，河長44.2 km，流域面積450.14 km2。 多年平均流量13.3 m3／s，多年平均降水量1 712.2 mm，河床坡度0.23%。 河流以灌溉和供水為主要社會服務功能。 潮田河為Ⅱ類河流，縣級河。

3.2 數(shù)據(jù)處理

評價指標由定量指標和定性指標兩部分組成，表1 只給出了定量指標的評價標準，定性指標采用實地調(diào)研法和專家打分法確定。 根據(jù)現(xiàn)場調(diào)研和2020 年《靈川年鑒》，同時聘請各領(lǐng)域?qū)＜遥ㄋ⒒鶎雍娱L、生態(tài)、環(huán)境和縣水利局管理者各1 人）和年齡30～50歲的常住居民4 人對潮田河的河流健康狀況進行評價打分。 需要定性評價的指標，其評價標準均以分值表示，并按照權(quán)重計算得到指標最終得分。 例如：河道行洪能力C13 包括河岸帶寬度指數(shù)（AW）和河道淤泥高度，河岸帶寬度指數(shù)為0.9，處于（0.8，1.0］之間，在（80，100］之間線性內(nèi)插得到得分為90 分。 河道淤泥高度以影響河道泄洪的程度進行打分，不影響河道泄洪得分（80，100］，定性判斷打分為86 分。 根據(jù)兩個指標權(quán)重，經(jīng)計算得到C13 最終得分為84 分。 經(jīng)整理計算得到原始指標值C11 ～C45 分別為1.10 個／（100 km）、76.5 分、84 分、74 分、50%、0.05、90 分、6.3 mg／L、1.03、74%、80 分、93%、86.3%、88.3%、85、80。

為保證量綱統(tǒng)一，采用百分比方法對評價指標進行標準化處理。 指標賦分采用內(nèi)插法，指標為正X ＝指標為負其中X為初始隸屬函數(shù)值，Si為潮田河健康評價實際指標值，qi為健康評價標準值。 接著運用歸一化公式對初始隸屬函數(shù)進行計算，并結(jié)合“非互補”“互補”準則計算出總隸屬突變函數(shù)值。 指標C11、C12、C13、C14 是“盆”形態(tài)結(jié)構(gòu)完整性準則層B1 的4 個控制變量，為互補蝴蝶突變模型，對其運用歸一化公式計算得到：XC11＝0.289，XC12＝0.915，XC13＝0.957，XC14＝0.942。 根據(jù)“互補”原則，對XC11、XC12、XC13、XC14計算均值：

同樣的，計算出QB2＝0.911（互補蝴蝶突變模型）、QB3＝0.883（互補燕尾突變模型）、QB4＝0.965（互補印第安人茅舍突變模型），河流總體健康綜合評價QM ＝0.953（互補蝴蝶突變模型）。 依據(jù)突變級數(shù)標準化數(shù)值在突變級數(shù)基礎(chǔ)上根據(jù)式（1）計算得到：

同理計算得出其他所有指標突變級數(shù)標準化數(shù)值，最終評價結(jié)果見表3。

表3 潮田河評價等級標準標準化數(shù)值及突變級數(shù)標準化數(shù)值

潮田河屬于縣級Ⅱ類河，所以河流等級類別指示值取值為C2，根據(jù)式（2）計算得到潮田河最終評價結(jié)果：

同時參考水利部《河流健康評價指南（試行）》，以0～40 表示河流健康狀況為劣態(tài)、以40 ～60 表示不健康狀態(tài)、以60～75 表示亞健康狀態(tài)、以75 ～90 表示基本健康狀態(tài)、以90～100 表示健康狀態(tài)，采用層次分析法計算準則層和指標層權(quán)重，原始得分乘以相應的權(quán)重得到潮田河整體健康狀態(tài)得分，最終得分為74.54分，處于亞健康狀態(tài)。

3.3 結(jié)果分析與建議

從上述評價結(jié)果來看，河流總體健康評價結(jié)果為-0.029C2，河流屬于縣級Ⅱ類河，處于亞健康狀態(tài)，潮田河正從亞健康向基本健康狀態(tài)轉(zhuǎn)變，實施河湖長制以來潮田河健康狀況越來越好。 通過實地調(diào)研，利用專家打分法和層次分析法計算得到潮田河整體健康狀況得分為74.54 分，處于亞健康狀態(tài)。 評價結(jié)果與實地調(diào)研結(jié)果一致。 潮田河“水”生態(tài)完整性突變級數(shù)標準化數(shù)值為1.026，處于健康狀態(tài)；生物多樣性和社會服務功能可持續(xù)性突變級數(shù)標準化數(shù)值分別為0.770和0.778，均處于基本健康狀態(tài)；“盆”形態(tài)結(jié)構(gòu)完整性突變級數(shù)標準化數(shù)值為-0.819，處于亞健康狀態(tài)。

河流縱向連通指數(shù)突變級數(shù)標準化數(shù)值為-2.292，處于劣態(tài)，建議加強對河流水工建筑物或設(shè)施的改造，增添魚類洄游通道并保證其能正常運行。 生物多樣性評價準則層中，魚類保有指數(shù)突變級數(shù)標準化數(shù)值為-0.035，處于亞健康狀態(tài)。 針對潮田河魚類種數(shù)自20 世紀80 年代以來逐漸減少的問題，建議提升漁業(yè)管理水平，改善魚類生存環(huán)境，實施魚類多樣性保護措施。 特別是實施生態(tài)調(diào)度，提高河流上下游的縱向連通性，確保魚類洄游通道通暢。 水生植物群落狀況突變級數(shù)標準化數(shù)值為0，處于基本健康狀態(tài)，建議在岸線保護與利用過程中增大植株密度，進而改善植物群落生物多樣性和覆蓋程度。 河流集中式飲用水水源地水質(zhì)達標率突變級數(shù)標準化數(shù)值為0.339，處于基本健康狀態(tài)。 為了加強飲水安全保障，建議加快信息化管理建設(shè)，實現(xiàn)數(shù)字賦能潮田河，保障潮田河飲用水水源地安全，進一步提升飲水安全水平。

4 結(jié) 語

本文提出等級指示值和河流等級類別指示值改進突變模型。 該方法極大減少了河流健康評價中人的主觀因素影響，提高了評價結(jié)果的準確性，健康標準區(qū)間層次更加分明，可以直觀地從評價結(jié)果得知河流健康狀態(tài)和河流等級類別。 運用改進突變模型對潮田河進行健康評價，評價結(jié)果與實際情況一致。 改進突變模型能直觀地識別出河流健康系統(tǒng)的弱項指標。 潮田河總體健康評價結(jié)果為-0.029C2，說明潮田河在河湖長制大力推動背景下，正從亞健康向基本健康狀態(tài)轉(zhuǎn)變。河流縱向連通指數(shù)突變級數(shù)標準化數(shù)值為-2.292，魚類保有指數(shù)突變級數(shù)標準化數(shù)值為-0.035，水生植物群落狀況突變級數(shù)標準化數(shù)值為0，這3 項為潮田河的弱項，相對于河流其他方面更加脆弱，遭受輕微破壞就會對潮田河的健康產(chǎn)生較大影響，需要格外注意加強對這3 個方面的生態(tài)治理和管理。