史衛(wèi)東

(甘肅省定西水文站，甘肅 定西 743000)

河流是地表水循環(huán)的一種重要形式，往往是維系一個生態(tài)系統(tǒng)的關(guān)鍵，具有重要的生態(tài)價值和社會價值，健康的河流是人類進(jìn)行生產(chǎn)生活的前提。隨著社會的發(fā)展，人類對河流的開發(fā)程度也隨之提高，水電能源開發(fā)、河流資源開采以及污染物排放對河流健康造成了嚴(yán)重的損害，威脅著生態(tài)系統(tǒng)的穩(wěn)定。為此，人們提出了“健康河流”概念，并開展了許多恢復(fù)河流健康的實踐研究[1-3]。

因此對河流進(jìn)行健康評價十分必要。河流健康評價方法從評價原理方面可分為預(yù)測模型法及多指標(biāo)評價法[4]。預(yù)測模型法通過對比理想環(huán)境下經(jīng)驗?zāi)Ｐ偷念A(yù)期值與參考點的差異進(jìn)行評價，比較典型的方法有AUSRIVAS和RIVPACS等。但其對河流健康評價存在局限性，不能完整反映河流生態(tài)系統(tǒng)的真實情況。多指標(biāo)評價法是目前國內(nèi)外研究使用的普遍方法，通過對能夠反映河流生態(tài)特征的多種指標(biāo)進(jìn)行打分，并利用不同的權(quán)計算方法進(jìn)行總分計算。常見的多指標(biāo)體系有美國快速生物監(jiān)測協(xié)議(RBPs)、英國的河流生境調(diào)查(RHS)、澳大利亞的溪流狀況指數(shù)(ISC)等[5-9]。國內(nèi)對河流健康的研究起步較晚，但也有不少學(xué)者利用模糊矩陣法、組合賦權(quán)法、集對分析、灰色聚類模型等方法對河流健康進(jìn)行了評估，為發(fā)展河流健康評價體系做出了重要的貢獻(xiàn)。但河流健康系統(tǒng)是一個復(fù)雜的系統(tǒng)，現(xiàn)有的評價體系中包含河流物理、化學(xué)、生物等各種特征指標(biāo)，而各指標(biāo)中存在的模糊性以及各單項特征指標(biāo)之間存在不相容的問題，是進(jìn)行河流健康評價中必須要考慮的問題[10-13]。

因此，本研究結(jié)合《河湖健康評估技術(shù)導(dǎo)則》(SL/T 793—2020)，針對渭河流域甘肅段河流近年來水資源過度利用、水文特征變化明顯、水生生物量銳減等問題，選用河流形態(tài)、水文、水環(huán)境、水生生物、陸生生物5類評價參數(shù)，運用物元可拓原理建立多層河流健康評價體系，對渭河干流甘肅段進(jìn)行健康評價，并通過對比驗證了該評價體系的優(yōu)越性。

1 物元可拓評價體系

本研究的總體思路是將影響河流健康的所有因子，分為河流形態(tài)特征、水文特征、水環(huán)境狀況、水生生物狀況、陸生生物狀況5類評價參數(shù)，并作為五大類型層，每類參數(shù)選取重要的影響因子，按照物元可拓原理和加法合成原理相結(jié)合的方式分別進(jìn)行評價。然后采取專家打分的方法確定影響因子對河流健康的貢獻(xiàn)值，以各影響因子的貢獻(xiàn)值作為影響系數(shù)，應(yīng)用物元可拓原理進(jìn)行綜合評判。最后得出很健康、健康、亞健康、不健康、病態(tài)5種河流健康水平評估結(jié)果。

1.1 物元可拓原理

1.1.1 物元建立

本研究中評價等級用N表示，N的評價參數(shù)記作C，關(guān)于C的量值記作X，則三元有序組R=(N，C，X)，稱為物元。設(shè)有n個評價等級N1，N2,…,Nn，若等級Ni的特征指標(biāo)有多個，用c1，c2,…,cm表示，其經(jīng)典域用Xi1，Xi2,…,Xim表示，則該評價等級表示為[14]

i=1,2,…，n;Xim=(aim,bim)

(1)

式中:aim、bim分別為各等級取值范圍的下限及上限。

建立物元Rp，取Rp?Ri，Xpm=(apm,bpm)，Xpm所取的量值范圍即為Ni關(guān)于評價指標(biāo)cm的節(jié)域。其中經(jīng)典域參考各評估指標(biāo)的年度歷史資料平均值的最小值及最大值來確定；節(jié)域參考各評估指標(biāo)歷史資料的最小值及最大值來確定，經(jīng)典域是將所有的值都作為參考來取平均值，而節(jié)域只是取出一組數(shù)據(jù)里的最大值和最小值。

1.1.2 權(quán)系數(shù)

應(yīng)用專家打分法確定權(quán)系數(shù)的取值。專家打分法是根據(jù)專家的經(jīng)驗進(jìn)行權(quán)重賦值，含有一定的主觀因素，但具有豐富經(jīng)驗的專家能夠根據(jù)實際需求給出更為合理的權(quán)重系數(shù)。

1.1.3 關(guān)聯(lián)函數(shù)的計算

第i個指標(biāo)對應(yīng)第j種健康等級的關(guān)聯(lián)度表達(dá)式為

(2)

式中：|Xji|=|aji-bji|。

其中D(Xi,Xji)為某一點Xi與對應(yīng)特征向量的有限區(qū)間[a，b]的距，計算方式為

i=1,2,3,…,n;j=1,2,3,…,m

(3)

式中：Xi，Xji，Xpi分別為河流健康評價物元的量值、經(jīng)典域物元的量值范圍和節(jié)域物元的量值范圍。

1.1.4 綜合關(guān)聯(lián)度和評價等級

待評事物N的綜合關(guān)聯(lián)度公式為

(4)

式中：Kj(N)為待評物元的綜合關(guān)聯(lián)度；λi為各評價因子的權(quán)系數(shù)。

利用等級評價的方法，可計算實測指標(biāo)確定等級：

(5)

式中：j*為實測指標(biāo)的最終評價等級指數(shù)，即可拓指數(shù)。

1.2 加法合成原理

采用加法合成，計算公式為

(6)

式中：ji為第i種類型的評分值；v為河段個數(shù)；ωi為第i河段的河長占總河長的比例；xi為第i河段的評分值。

2 河流健康評價體系構(gòu)建

2.1 研究區(qū)概況及數(shù)據(jù)來源

渭河上游甘肅段主要指渭河的源頭至甘肅和陜西交界之間的渭河干流區(qū)域。該流域多年平均降水量為515.1mm，最大年降水量約為711.0mm，最小年降水量約為339.0mm。流域多年平均氣溫8.7℃，最高氣溫10.1℃，最低氣溫7.6℃，氣溫分布由南向北、由西向東遞增[15-16]，流域水系見圖1。

圖1 渭河流域(甘肅境內(nèi))水系、站點以及水利工程示意圖

本研究依據(jù)各項評價指標(biāo)，對渭河干流甘肅境內(nèi)河段相關(guān)資料進(jìn)行了收集整理，包括渭河干流水文站北道站的1956—2010年共55年的水文資料、渭河流域水功能水質(zhì)監(jiān)測資料、1982—2018年共37年的河流遙感影像數(shù)據(jù)、水生生物的現(xiàn)狀資料(2016年3月25日至4月14日為期20天的現(xiàn)場采樣調(diào)查資料)。

2.2 河流健康評價指標(biāo)體系及計算

2.2.1 權(quán)系數(shù)的確定

本次專家權(quán)重打分表共10份，表1中權(quán)重值為其算數(shù)平均值。由表1可以看出，在指標(biāo)體系第2層的五大類型指標(biāo)中，重要性按水環(huán)境狀況、水文特征、水生生物狀況、河流形態(tài)特征、陸生生物狀況依次降低，即水質(zhì)、水量最重要。這與“河流健康的核心是有相應(yīng)足夠而潔凈的河川徑流”的理念完全一致，說明此次打分得出的權(quán)重值合理且可信。

表1 打分權(quán)重值及其歸一化匯總

2.2.2 分級標(biāo)準(zhǔn)

將五大類型健康指標(biāo)均處理為與表2的分級標(biāo)準(zhǔn)相一致再進(jìn)行評價。

表2 五大類型健康指標(biāo)等級分級標(biāo)準(zhǔn)

2.2.3 河流形態(tài)特征評價

利用水文統(tǒng)計資料和遙感資料對渭河干流形態(tài)健康進(jìn)行評價。評價體系擬定分為目標(biāo)層、狀態(tài)層和指標(biāo)層3個層次。目標(biāo)層是對渭河干流形態(tài)健康評價指標(biāo)體系的高度概括，表示渭河干流流域健康狀況的總體綜合水平；狀態(tài)層是對河流各項功能狀態(tài)的具體分述，包括河流形態(tài)結(jié)構(gòu)和河岸帶狀況兩個狀態(tài)指標(biāo)；指標(biāo)層表示各個狀態(tài)指標(biāo)的不同要素，反映渭河干流特點。據(jù)此，渭河干流(甘肅境內(nèi))形態(tài)健康評價指標(biāo)體系由6個指標(biāo)組成，見表3。

表3 渭河干流(甘肅境內(nèi))形態(tài)健康評價指標(biāo)體系結(jié)構(gòu)

河流形態(tài)綜合評分包括指標(biāo)層評分、狀態(tài)層評分和目標(biāo)層評分,歸一化后，1～5級標(biāo)準(zhǔn)對應(yīng)的取值范圍為經(jīng)典域R01～R05，節(jié)域Rp根據(jù)經(jīng)典域及實測數(shù)據(jù)的取值范圍來確定。經(jīng)典域R01、節(jié)域Rp為

(7)

(8)

綜合關(guān)聯(lián)度計算結(jié)果見表4。

表4 河流形態(tài)綜合關(guān)聯(lián)度

結(jié)合給定的評價方法，對渭河干流(甘肅境內(nèi))河段從指標(biāo)層到目標(biāo)層自下而上進(jìn)行評價，評價結(jié)果見表5。

表5 渭河干流(甘肅境內(nèi))河流形態(tài)健康評價結(jié)果

2.2.4 水文特征評價

水文特征評價中，河川徑流是其他影響因素的綜合體現(xiàn)，因此本文選擇河川徑流變差系列傾向率作為指標(biāo)，其評分值采用如下處理：

j=ji-[(ai-x)/(ai-bi)]i=1,2,3,4,5

(9)

式中：j為該項評分值；ji為實際徑流變差系列傾向率所處等級；ai為該等級上限；bi為該等級下限；x為實際徑流變差系列傾向率數(shù)值。

通過式(9)計算得到的渭河干流水文特征評價分值為1.9，屬不健康等級。

2.2.5 水環(huán)境狀況評價

根據(jù)所收集的整個渭河上游干流的水環(huán)境狀況資料，進(jìn)行水環(huán)境狀況評價，按照河流水質(zhì)類別對應(yīng)河流健康評價指標(biāo)的方法，可以確定為Ⅰ類水質(zhì)屬很健康、Ⅱ類水質(zhì)屬健康、Ⅲ類水質(zhì)屬亞健康、Ⅳ類水質(zhì)屬不健康、Ⅴ類以上水質(zhì)屬病態(tài)，評分值分別記為0.5、1.5、2.5、3.5、4.5。不同河段水質(zhì)類別不同，因而采用加法合成原理，用式(8)對綜合考慮河長和相應(yīng)的水質(zhì)類別進(jìn)行計算和轉(zhuǎn)換，具體結(jié)果見表6。

表6 水環(huán)境狀況評價

對小者為優(yōu)的水質(zhì)狀況指標(biāo)而言，評分值按下式處理:

(10)

式中：ji為評分值；xi為未歸一化的標(biāo)準(zhǔn)值；xv為第5級標(biāo)準(zhǔn)值。

2.2.6 水生生物狀況評價

通過調(diào)查渭河干流的自然概況、人為因素干擾概況、水生生物和水生生態(tài)保護概況、外來物種入侵概況，并收集整理渭河干流的水生生物歷史資料，開展渭河干流的水生生物現(xiàn)狀調(diào)查監(jiān)測和分析，并結(jié)合歷史資料和現(xiàn)狀調(diào)查監(jiān)測結(jié)果，對渭河干流的河流水生生物健康狀況進(jìn)行評估。水生生物狀況有4個指標(biāo)，健康等級分為病態(tài)(差)、不健康(劣)、亞健康(中)、健康(良)、很健康(優(yōu))5個等級，評分值分別按照0.5、1.5、2.5、3.5、4.5計算。各河流水生生物狀況指標(biāo)評分及歸一化情況見表7。

表7 水生生物狀況指標(biāo)評分及歸一化

采用物元可拓原理進(jìn)行評價，歸一化后，1～5級標(biāo)準(zhǔn)對應(yīng)的取值范圍即為經(jīng)典域R01～R05，節(jié)域Rp根據(jù)經(jīng)典域及實測數(shù)據(jù)的取值范圍來確定。經(jīng)典域R01、節(jié)域Rp為

(11)

(12)

綜合關(guān)聯(lián)度和可拓指數(shù)計算結(jié)果見表8。由表8可看出，渭河干流評分為2.7，屬亞健康。

表8 水生生物綜合關(guān)聯(lián)度及可拓指數(shù)

2.2.7 陸生生物狀況評價

陸生生物狀況評價采用陸生植被覆蓋度作為指標(biāo)，采用像元二分模型估算植被覆蓋度：

(13)

式中：Ci為植被覆蓋度；NDVImax為接近純植被像元的NDVI值；NDVImin為接近裸土?xí)r的NDVI值。將計算出的植被覆蓋度劃分為不同等級：小于0.1為極低植被覆蓋度，評分值定為0.5；0.1～0.3為低植被覆蓋度，評分值定為1.5；0.3～0.5為中等植被覆蓋度，評分值定為2.5；0.5～0.7為中高植被覆蓋度，評分值定為3.5；大于0.7為高植被覆蓋度，評分值定為4.5。

采用加法合成原理，按照式(6)進(jìn)行計算，具體結(jié)果見表9。由表9可知，渭河干流評分為2.1，屬亞健康。

表9 陸生生物狀況評價

2.3 渭河流域健康綜合評估

渭河干流(甘肅段)健康綜合評估采用物元可拓原理，綜合考慮五大類型層健康狀況，得出河流健康最終結(jié)論。五大類型層指標(biāo)評分及歸一化結(jié)果見表10。

表10 渭河干流(甘肅段)五大類型指標(biāo)及歸一化

歸一化后，1～5級標(biāo)準(zhǔn)對應(yīng)的取值范圍即為經(jīng)典域R01～R05，節(jié)域Rp根據(jù)經(jīng)典域及實測數(shù)據(jù)的取值范圍來確定。經(jīng)典域R01、節(jié)域Rp為

(14)

(15)

綜合關(guān)聯(lián)度和可拓指數(shù)計算結(jié)果見表11。由表11可知，渭河干流評分為2.7，屬亞健康。

表11 渭河干流(甘肅段)健康綜合評價綜合關(guān)聯(lián)度及可拓指數(shù)

2.4 結(jié)果對比

為驗證本評價體系的合理性和可行性，對比以下兩種方法計算的結(jié)果。

a.以物元可拓原理和加法合成原理相結(jié)合為基礎(chǔ)，各層指標(biāo)權(quán)重采用專家打分方式取得，評價結(jié)果見表12。

表12 渭河干流(甘肅段)健康評價結(jié)果(專家打分法求權(quán)重)

由表12可知，本評價體系最終河流健康綜合評分為2.7，屬亞健康。五大類型層中，評分由高到低依次為河流形態(tài)特征(健康，3.7)、水生生物狀況(亞健康，2.7)、陸生生物狀況(亞健康，2.1)、水文特征(不健康，1.9)、水環(huán)境狀況(不健康，1.6)。該模型處理方法突出了水文、水環(huán)境、水生生物對于河流健康的重要性，降低了陸生生物狀況的重要性，較為客觀地反映了渭河近年來河川徑流持續(xù)減少、水質(zhì)水污染嚴(yán)重的實際情況。

b.各層指標(biāo)評分由下層指標(biāo)采用算術(shù)平均法計算得到，評價結(jié)果見表13。

表13 渭河干流(甘肅境內(nèi))健康評價結(jié)果(算術(shù)平均法)

算術(shù)平均法計算得到的渭河干流河流健康綜合評價評分為2.1，屬亞健康，健康程度低于本評價體系得到的結(jié)果。算數(shù)平均法采用等權(quán)重，且未考慮到每個指標(biāo)的評分與各等級之間的關(guān)聯(lián)度，因而最終結(jié)果較為粗糙。五大類型層中，評分由高到低依次為河流形態(tài)特征(健康，3.4)、陸生生物狀況(亞健康，2.1)、水文特征(不健康，1.9)、水環(huán)境狀況(不健康，1.6)、水生生物狀況(不健康，1.6)。水生生物狀況評分受兩棲類資源指標(biāo)0分的影響，被劃入不健康等級，但渭河干流歷史上兩棲類資源匱乏，算術(shù)平均法模型放大了該指標(biāo)的影響，不能全面地反映河流健康的實際情況。

通過分析，可以看出基于物元可拓的河流健康評價體系結(jié)果更符合渭河實際情況，主要原因為渭河干流水生態(tài)狀況中兩棲類資源指標(biāo)等級為0，算術(shù)平均法結(jié)果放大了該指標(biāo)的影響，而本文中所采用的物元可拓方法均衡了各指標(biāo)的影響，從渭河干流歷史上兩棲類資源匱乏的角度來講，物元可拓法在這類問題上的處理更優(yōu)。

3 結(jié) 語

本次研究選用五大類能夠較好體現(xiàn)渭河流域甘肅段河流實際情況的評價參數(shù)，運用物元可拓原理建立了一套河流健康評價體系，根據(jù)55年的水文資料和20天的現(xiàn)場采樣數(shù)據(jù)，對渭河流域進(jìn)行了綜合評估，并對兩種評價方法進(jìn)行了對比。結(jié)果表明：渭河干流的五大類型評估中，水文特征、水環(huán)境狀況評價為不健康；水生生物狀況和陸生生物狀況評價為亞健康，河流形態(tài)特征評價為健康；綜合河流健康評價結(jié)果為亞健康。相對于基于算術(shù)平均法的河流健康評價體系，本研究建立的評價體系更為優(yōu)越，可為廣泛開展河流健康調(diào)查提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)和決策依據(jù)。但在各類指標(biāo)權(quán)重確定時如何保證精確合理，避免人為因素影響將是需要進(jìn)一步研究的課題。