侯姝君，孫海龍，李 航，郭 珍

(1. 四川大學水力學與山區(qū)河流開發(fā)保護國家重點實驗室，成都 610065； 2. 成都市河湖保護和智慧水務(wù)中心，成都 610072；3. 四川華標測檢測技術(shù)有限公司，成都 611731)

前 言

河流是生態(tài)系統(tǒng)物質(zhì)循環(huán)的重要基礎(chǔ)，是關(guān)系到工農(nóng)業(yè)、航運和商業(yè)等方面的必要環(huán)境資源和生態(tài)介質(zhì)，同時也是受人類活動影響最嚴重的生態(tài)系統(tǒng)之一。目前，水環(huán)境惡化、生物棲息地退化和河岸帶侵蝕等問題迫在眉睫，開展河流整治成為當前形勢的迫切需要。而河流健康評價可為河流整治評估提供參考思路，因此如何選用合適的河流健康評價方法也已成為近些年國內(nèi)外學術(shù)界的研究熱點[1]。

上個世紀國外就已開展河流健康評估。美國環(huán)保局1999年制定了快速生物監(jiān)測協(xié)議法[2]，根據(jù)魚群、附著生物和大型底棲無脊椎動物的生物數(shù)據(jù)，為河湖健康評價體系提供依據(jù)。國內(nèi)關(guān)于河湖健康評價的研究也有很多，李曉峰的TOPSIS模型的改進算法[3]、傅春的BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模擬[4]、閆正龍的PSR模型和粗糙集[5]等等。但這些方法在評價過程中訓練樣本較難獲取，同時當遇到不同樣本的同一指標值接近時，微小變化將引起指標權(quán)重翻倍變化。

本文以錦江為研究對象，在參考水利部2020年8月頒發(fā)的《河湖健康評價指南(試行)》[6]基礎(chǔ)上，選取合適指標構(gòu)建指標體系，同時用改進熵權(quán)法修正主觀判斷權(quán)重帶來的誤差。運用多級模糊綜合評價法建立錦江生態(tài)效果指標體系的河流健康評價模型，研究物理結(jié)構(gòu)、水質(zhì)及水資源、水質(zhì)、生物和社會服務(wù)功能之間的發(fā)展狀況，為今后河流的保護治理工作和相關(guān)研究提供可靠參考。

1 研究區(qū)概況

成都市屬長江流域岷沱江水系，岷江及沱江干流穿越市境。市境內(nèi)岷江流域面積占全市總面積70.4%，沱江流域面積占29.6%。全市流域面積大于50km2的河流58條，流域面積在100km2以上的河流有45條，500km2以上的河流12條，1 000km2以上的河流9條。都江堰灌區(qū)渠系與自然水系縱橫交錯形成了成都平原水網(wǎng)。受地勢西北高、東南低的影響，成都市的河流基本為西北-東南流向[7]，山區(qū)坡降大、平原區(qū)坡降相對較小。

根據(jù)《2019年成都市水資源公報》[8]綜述，2019年成都市地表水資源量為101.04億m3，地下水資源量為29.21億m3，扣除地表水與地下水重復計算量后，全市水源總量為101.87億m3，總用水量為53.58億m3。

錦江為岷江左岸一級支流，長江二級支流。府河和南河是流經(jīng)成都市區(qū)的兩條主要河流，錦江則是這兩條河流的合稱，即府南河。錦江是成都市中心城區(qū)重要的生態(tài)景觀河道和排洪河道，其南河長約5.3km，府河全長約115km(石堤堰至江口)，其府河成都段長94.67km，進水口年平均流量48m3/s，河口年平均流量123.37m3/s，年徑流量14.33億m3。錦江為市管河道。成都市錦江流域主要涉及成都市12個區(qū)、市(縣)，流域面積1 991.2km2。

2 多級模糊綜合評價法

根據(jù)河流狀況選取合適指標構(gòu)建模糊綜合評價模型，再基于隸屬度矩陣，應(yīng)用最大隸屬度原則對河流健康隸屬等級狀況進行綜合性評判[8]。具體方法：①根據(jù)河流狀況選取指標，構(gòu)建錦江對應(yīng)的模糊綜合評價模型。②運用改進熵權(quán)法確定各層指標的權(quán)重集。③根據(jù)指標數(shù)據(jù)對應(yīng)的評價等級構(gòu)建隸屬度函數(shù)，確定隸屬度矩陣。④將權(quán)重集與隸屬度矩陣進行線性變換。⑤根據(jù)最大隸屬度原理得到綜合評價結(jié)果。詳細步驟如下：

2.1 模糊綜合評價模型

2.1.1 建立因素集

U={U1,U2,U3……Un}

(1)

式中，U為一級指標因素集。

對每個一級指標按屬性劃分建立二級指標因素集：

U1={Ui1,Ui2,Ui3,……Uij}

(i=1，2，……n)

(2)

式中，Uij表示第i層第j個指標。

2.1.2 建立評語集

V={V1,V2,V3……Vk}

(3)

式中，k為評價等級數(shù)

2.1.3 確定指標權(quán)重集

用改進熵權(quán)法確定指標權(quán)重，得到指標層的權(quán)重集W=(w1,w2,w3……wn)和準則層的權(quán)重集M=(m1,m2,m3……mn)

2.1.4 建立隸屬度矩陣

根據(jù)指標特征類型，建立指標對應(yīng)的隸屬函數(shù)，進而得到隸屬度矩陣Ri：

(4)

2.1.5 模糊綜合評價

先將指標層的權(quán)重集W和隸屬度矩陣Ri進行線性變換，得到一級評價集Si：

(5)

把每個一級評價集Si合并得到一級評價總集S，再把準則層的權(quán)重集M和一級評價總集S進行矩陣乘法運算，得到最終的模糊綜合評價集A：

A=W×S

(6)

2.2 計算指標權(quán)重集

2.2.1 建立初始數(shù)據(jù)矩陣：設(shè)有m個評價對象，n個評價指標，則初始數(shù)據(jù)矩陣 Y =[yij]m×n

(7)

式中，yij為第i個評價對象的第j項評價指標值。

2.2.2 指標歸一化處理：各評價指標代表事物不同屬性，對于負向指標(數(shù)值越小效果越好的指標)，按如下方法轉(zhuǎn)化：

(8)

式中， y’ij為轉(zhuǎn)化后的正向指標值。

不同指標量綱及單位有差異，不能直接比較。因此要對指標值標準化處理，公式如下:

(9)

最后得到標準化后的矩陣X =[xij]m×n，如下：

(10)

式中， xij為第i個評價對象的第j項評價指標值。

2.2.3 計算熵值：根據(jù)熵的定義，指標的離散程度可依據(jù)熵值的大小來鑒定，指標的離散程度越小，則其對綜合評價的影響越小，權(quán)重越小，計算各評價指標的熵值公式為：

(11)

(12)

(13)

2.2.4 計算熵權(quán)：在傳統(tǒng)熵權(quán)法中，計算Ej趨于1的指標權(quán)重，其微小的變化會引起熵權(quán)成倍變化[9-10]，因此該方法存在一定誤差。為減小此類誤差，采用改進熵權(quán)法：

(14)

(15)

(16)

2.3 構(gòu)造隸屬度矩陣

依據(jù)隸屬函數(shù)構(gòu)建隸屬度矩陣。對于正向(數(shù)值越大效果越好)指標，采用升半梯形隸屬函數(shù)，其公式如下：

若j取1：

(17)

若j取2，3，…，k-1：

(18)

若j取k：

(19)

對于負向指標，采用降半梯形隸屬函數(shù)，可將上述三個式子中的“>”和“<”互換。

式中，x為評價對象與其對應(yīng)的評價指標的數(shù)據(jù)；rij為第i個因素的評價相對第j個評價等價的隸屬度。

根據(jù)所建立的隸屬函數(shù)，對評價指標及等級進行運算即可得到隸屬度矩陣Ri，最后再依據(jù)最大隸屬度原則即可得到最終評價。

3 河流健康評價應(yīng)用實例

3.1 評價對象及數(shù)據(jù)來源

錦江評價河段長度為96.75km，根據(jù)河流水文特征、河床及河濱帶形態(tài)、水質(zhì)狀況、水生生物特征以及流域經(jīng)濟社會發(fā)展特征的相同性和差異性，沿河流縱向?qū)㈠\江分為5個評價河段，水系流域和評價河段見圖1，河段詳情見表1。

表1 劃分河段特性Tab.1 Partitioning river section characteristics

續(xù)表1

圖1 水系流域和評價河段圖Fig.1 Map of river basins and assessed river sections

3.2 評價指標體系

參考水利部頒布的《河湖健康評價指南(試行)》，選取物理結(jié)構(gòu)、水質(zhì)及水資源、生物、社會服務(wù)功能共4個準則層作為一級評價指標，選取岸線植被覆蓋率、河岸穩(wěn)定性、違規(guī)開發(fā)利用水域岸線程度等共計10個影響因素作為二級評價指標。評價指標及其說明見表2。

指標的數(shù)據(jù)來源：物理結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)通過官方數(shù)據(jù)及現(xiàn)場調(diào)查獲??；水質(zhì)及水資源數(shù)據(jù)通過水質(zhì)取樣送檢、及水資源公報獲取；生物數(shù)據(jù)通過現(xiàn)場調(diào)查、咨詢官方機構(gòu)獲取；社會服務(wù)功能通過現(xiàn)場問卷調(diào)查獲??；具體指標數(shù)據(jù)見表3。

表2 城市河流健康評價指標及說明Tab.2 Urban river health evaluation index and description

續(xù)表2

表3 錦江健康評價指標與各項指標數(shù)據(jù)Tab.3 Jinjiang health evaluation index and various index data

3.3 評語集的建立

根據(jù)《河湖健康評價指南(試行)》，將評價等級劃分為5個等級，分別為Ⅰ(非常健康)、Ⅱ(健康)、Ⅲ(亞健康)、Ⅳ(不健康)、Ⅴ(劣態(tài))，詳見表4。

表4 城市河流健康評價指標標準及分級Tab.4 Urban river health evaluation index standards and classification

3.4 指標權(quán)重的確定

本研究中的指標均屬于正效應(yīng)指標，將表3中的數(shù)據(jù)先采用公式(7)進行指標歸一化處理，再按照改進熵權(quán)法即可得到表5中的各項指標權(quán)重。

表5 各評價指標權(quán)重的計算結(jié)果Tab.5 Calculation results of the weight of each evaluation index

3.5 隸屬矩陣的建立

根據(jù)評價等級，運用隸屬函數(shù)即可求得評價因素集U對評價集V的隸屬矩陣R：

3.6 多級模糊評價

首先，利用公式(5)將隸屬度矩陣和指標層權(quán)重集W(表5)運算，得到5個河段的一級模糊綜合評價集Si及不同河段每個準則層的隸屬度(圖2～圖5)。

圖2 5個河段的物理結(jié)構(gòu)隸屬度Fig.2 Subordination degree of physical structure of 5 river sections

圖3 5個河段的水質(zhì)及水資源隸屬度Fig.3 Subordination degree of water quality and water resources of 5 river sections

圖4 5個河段的生物隸屬度Fig.4 Subordination degree of biology of 5 river sections

圖5 5個河段的社會服務(wù)功能隸屬度Fig.5 Subordination degree of social service functions of 5 river sections

基于最大隸屬度原則[11]，由圖2可知，5個河段的物理結(jié)構(gòu)均處于Ⅰ(非常健康)狀態(tài)。由圖3可知，L1、L2、L5的水質(zhì)及水資源處于Ⅰ(非常健康)狀態(tài)，L3、L4處于Ⅱ(健康)狀態(tài)。由圖4可知，L1、L5的生物結(jié)構(gòu)處于Ⅰ(非常健康)狀態(tài)，L2、L3、L4處于Ⅱ(健康)狀態(tài)。由圖5可知，L1、L5的社會服務(wù)功能處于Ⅱ(健康)狀態(tài)，L2、L3、L4處于Ⅲ(亞健康)狀態(tài)。

再根據(jù)一級模糊綜合評價和準則層權(quán)重(表5)，利用公式(6)得到錦江5個評價河段的綜合模糊評價集A，并依據(jù)最大隸屬度原則，確定每個河段的評價等級，見表6。

表6 錦江評價河段河流健康綜合評價Tab.6 Comprehensive evaluation of river health of Jinjiang

根據(jù)以上數(shù)據(jù)，建立評價整個錦江河段河流的模糊關(guān)系矩陣，將5個河段的長度和熵值賦權(quán)法相結(jié)合，得到w*s=[0.3302,0.3460,0.2740,0.050,0]。根據(jù)最大隸屬度原則，錦江河段河流的健康等級為健康。

3.7 結(jié)果分析

3.7.1 結(jié)合表6和最大隸屬度原則可知L1、L5的最大隸屬度0.583，評價結(jié)果為Ⅰ類；L2的最大隸屬度0.489，評價結(jié)果為Ⅱ類；L3的最大隸屬度0.346，評價結(jié)果為Ⅲ類；L4的最大隸屬度0.354，評價結(jié)果為Ⅱ類?？傮w而言錦江評價等級為健康，但L3河段評價明顯次于其它河段。L3為成都市主城區(qū)，受工業(yè)和人為影響較大，其水生態(tài)完整性、社會服務(wù)功能等還有待提升，與實際情況相符。

3.7.2 由圖3知L1、L2、L5三個河段的水質(zhì)及水資源處于Ⅰ類，L3、L4處于Ⅱ類；L3為主城區(qū)，水質(zhì)雖然由2015年的Ⅴ類提升到Ⅳ類；但評價期間，部分河段數(shù)據(jù)顯示未達到Ⅲ類。錦江超標污染物主要為氨氮。其污染來源主要來自城鎮(zhèn)排放的含有大量有機氮和無機氮污染物的工業(yè)廢水和生活污水[12]。建議加強排污口排查與監(jiān)測，整治排放不合格的排污口；可在評價河段采用底泥生態(tài)處理、水生植物修復、生態(tài)浮床、生態(tài)護岸等技術(shù)，去除水體的氨氮。

3.7.3 由圖5知L1、L5兩個河段的社會服務(wù)功能處于Ⅱ類，L2、L3、L4處于Ⅲ類。主要原因是公眾滿意度較低。建議政府加強河流岸線管理。加強沿線巡查，及時對河流漂浮物進行清理，加強愛護環(huán)境衛(wèi)生意識的宣傳，修建景觀建筑，提高水景觀舒適程度。

3.7.4 錦江的水質(zhì)及水資源、生物、社會服務(wù)功能均有改善空間。其中，生態(tài)流量滿足程度指標分數(shù)最低。由于成都市的排洪河道，不承擔上游的分洪任務(wù)，只排泄區(qū)間洪水，汛期錦江干支流上游控制閘門關(guān)閉，上游洪水引入外江及沱江；而枯水期，為了保證城區(qū)生態(tài)用水，錦江干支流上游控制閘門打開，泄放生態(tài)用水，因此汛期最小日均流量小于枯水期，故從而影響生態(tài)滿足程度。

4 結(jié) 論

4.1 運用多級模糊綜合評價可把河岸穩(wěn)定性等10個定性指標清晰地轉(zhuǎn)換為定量評價，極大解決河流健康評價中各指標難以量化的問題。運用改進熵權(quán)法計算每項指標的權(quán)重，有效消除主觀思維影響。與傳統(tǒng)熵權(quán)法相比，改進熵權(quán)法合理減小了熵值趨于1時，熵值微小的變化會引起熵權(quán)成倍變化所帶來的誤差，更加客觀地衡量各項指標的權(quán)重。

4.2 錦江實例結(jié)果表明，錦江的健康評價結(jié)果為健康狀況。但L3評價河段處于亞健康狀態(tài)，有較大改善空間。L3流經(jīng)成都主城區(qū)，受工業(yè)廢水和人為污染干擾較大，與實際相符。錦江代表成都形象，應(yīng)針對該河段采取水生態(tài)修復措施，著重改善水質(zhì)和岸坡植被情況。