基于層次分析法的丹江流域河流健康評價

李曉剛，薛雯，朱敏

（商洛學(xué)院 城鄉(xiāng)規(guī)劃與建筑工程學(xué)院，陜西商洛 726000)

從人類誕生以來，河流一直起著舉足輕重的作用。但是在開發(fā)過程中也出現(xiàn)了水體富營養(yǎng)化、珍稀動物減少、斷流或洪水漫淹等問題，從而使得河流生態(tài)系統(tǒng)逐漸退化[1]。國家十八大做出了“大力推進生態(tài)文明建設(shè)”的戰(zhàn)略決策，正是對當(dāng)前生態(tài)問題給出的準確判斷和治理方向。對河流健康進行評價是發(fā)現(xiàn)河流生態(tài)問題的科學(xué)依據(jù)，是河流生態(tài)文明的建設(shè)的第一步。

西方國家在20世紀80年代提出了生態(tài)系統(tǒng)健康的概念[2]，河流健康概念也隨之出現(xiàn)，并用生物完整性指數(shù)、河流無脊椎動物、溪流狀態(tài)指數(shù)等指標對河流健康進行評價[3-4]。到21世紀以來河流健康研究則主要集中在北美地區(qū)、馬來西亞等幾個國家。我國河流健康評價的研究較少，主要集中在汾河、珠江、溫榆河、納謨爾河、大汶河等[5-10]。丹江流域是我國南水北調(diào)中線工程水源區(qū)，又是典型的山地型河流。目前對丹江流域地區(qū)的研究主要集中在水文狀況、水污染治理以及土壤植被等方面[11-15]，對河流健康的整體評價尚屬空白。本文運用層次分析法從河道自身、生態(tài)和社會經(jīng)濟三方面構(gòu)建丹江流域河流健康評價體系，確定權(quán)重，建立隸屬度矩陣，對丹江流域進行河流健康評價。

1 區(qū)域概況

丹江是漢江最長的一級支流，發(fā)源于秦嶺，途經(jīng)陜西和河南匯入丹江口水庫。其干流全長433 km，流域面積16 812 km2，河流比降為4.75‰。季風(fēng)性大陸性半濕潤氣候，多年平均流量 174 m3·s-1，多年平均徑流量為 1.64×1010m3，多年平均輸沙量181.9萬噸，年平均含沙量 2.97 kg·m-3，水系徑流的年際、年內(nèi)變化明顯，旱澇災(zāi)害發(fā)生頻繁且具有一定的周期性。流域內(nèi)土地松散，抗沖力差，水土流失較為嚴重，崩滑流等地質(zhì)災(zāi)害頻發(fā)。漁業(yè)資源豐富和生物資源較為豐富，植被有9個植被型、47個群系，脊椎動物共363種。沿途修建有二龍山水庫、龍?zhí)端畮?、魚嶺水庫等六個水利設(shè)施，為丹江流域的防洪調(diào)蓄提供保障，也是集中式飲用水水源地。

2 丹江流域河流健康評價

2.1 評價體系的構(gòu)建

根據(jù)國內(nèi)外河流健康研究成果和山區(qū)河流的特點確立丹江流域河流評價指標體系，力求做到較全面地概括影響丹江流域河流健康的各類影響因子，為丹江流域后續(xù)研究提供有力支持。丹江流域的河流健康指數(shù)評估分為三個層次：第一層目標層，丹江流域河流健康綜合指數(shù)，是對丹江流域健康評價的總結(jié)與歸納，是丹江流域河流健康狀況的綜合評價。第二層準則層，由B1河道自身狀況，B2河流生態(tài)狀況，B3社會經(jīng)濟服務(wù)三方面反應(yīng)丹江流域河流健康狀況。第三層指標層，確立C11徑流年季變化，C12河流蜿蜒系數(shù)，C13河流比降等19個具體指標，直接反映丹江流域的河流健康狀況（見表1）。

2.2 評價權(quán)重的確定

采用層次分析法進行指標權(quán)重的計算。首先設(shè)計丹江流域河流健康指標重要性比較調(diào)查表，其次邀請水文、水利、環(huán)境、生態(tài)和地理等方面的11位專家對評價指標體系中各層級中指標的重要性進行兩兩之間的相互對比，據(jù)此得出判斷矩陣。在此基礎(chǔ)上運用Matlab數(shù)學(xué)工具對各判斷矩陣最大特征值和最大特征根所對應(yīng)的歸一化向量進行計算，并且對各個判斷矩陣的合格性進行檢驗，最終確定各項指標的權(quán)重系數(shù)（表2）。

由表2可見，權(quán)重的分析評價分為兩層，第一層為準則層B相對于目標層A的權(quán)重。根據(jù)層次分析法和專家對于指標的賦值得出準則層B的計算結(jié)果并對它的重要性進行排序：河流生態(tài)狀況 B2(0.637)＞河道自身狀況 B1(0.258)＞社會經(jīng)濟服務(wù)B3(0.105)，據(jù)排序可知，河流生態(tài)狀況是準則層中最重要的一層，且河流生態(tài)狀況 B2(0.637)權(quán)重大于河道自身狀況 B1(0.258)和社會經(jīng)濟服務(wù) B3(0.105)權(quán)重之和 0.363，重要性約占64%，即丹江河流健康評價體系中顯得極其重要。

表1 丹江流域河流健康評價指標體系

第二層為指標層C相對于目標層A的權(quán)重。通過對數(shù)據(jù)的計算（見表2），得到指標層中各個指標的重要性比較，其中水污染對丹江流域健康評價的影響最為顯著。本文的指標層中包含19個指標，這些指標所占的權(quán)重各不相同。將各指標權(quán)重與平均權(quán)重（1/n，n為指標個數(shù)）和1/2平均權(quán)重（1/2n）比較，可對指標重要性進行等級評價分析[8]。由表2可知，水污染C29（0.196）>河岸帶植被 C23（0.140）>徑流深度/徑流量 C14（0.113）>水生植物C24（0.097）>流域人口（健康狀況）C32(0.067)>徑流年際變化和季節(jié)變化C11（0.066）>0.053（1/19，19個指標的平均值），可見這六個指標是影響丹江流域河流健康等級評定的重要的因子。在對丹江調(diào)控時應(yīng)當(dāng)著重治理水污染，并進行河岸帶植被保護與增加植樹。其次，珍稀生物C25（0.065）＞含沙量C21（0.043）＞河流橫縱連通性C17（0.036）＞防洪調(diào)蓄C33（0.027）＞水體營養(yǎng)鹽水平C26（0.0267）＝導(dǎo)電率C27（0.0267）＝土壤酸堿性影響C28（0.0267）＞0.0263（1/38），因此這七個指標對丹江河流健康狀況有著較為重要的影響。在對丹江進行調(diào)控治理時要重視丹江流域生物保護、防洪調(diào)蓄等水利工程建設(shè)。再次，水域面積寬窄C15（0.019）＞沖淤狀況C22（0.017）＞濕地C31（0.011）＞河流蜿蜒指數(shù)C12（0.009）＝河流比降C13（0.009）＝河床形態(tài)C16（0.009），說明這六個指標對丹江河流健康狀況有影響，但相對來說影響不大，在丹江的河流管理中要注意對濕地進行保護。

2.3 隸屬度矩陣的確定

為確保評價結(jié)果的準確性，丹江流域河流健康評價體系中的各項指標均采用專家打分評價與實地調(diào)查研究相結(jié)合的方法進行，而后確定隸屬度矩陣。設(shè)計制作各項指標的等級評價打分表，由11位長期從事丹江流域研究的資深專家對丹江流域河流健康狀況進行評價。將打分結(jié)果與馮民權(quán)等[14]對丹江流域水污染控制研究作對比、趙培等[15]對丹江流域的植物、土壤CNP研究作比較、李堆淑等[16]對丹江流域作物及其根際土壤重金屬研究作對比，綜合發(fā)現(xiàn)專家打分結(jié)果客觀合理，可信度高。進而對打分結(jié)果統(tǒng)計整理，最終得出各項指標的隸屬度矩陣（見表3）。

表2 丹江流域河流健康評價體系及其權(quán)重

2.4 丹江流域河流健康分層模糊評價

2.4.1 一級綜合評價

式中：Bi是第i（i=1,2,…,5）個準則層的模糊評價，Wcim代表第i(i=1,2,…,5)個準則層下的第m個指標相較于準則層m的權(quán)重。

準則層“河道自身狀況(B1)”為例：

本研究借助Matlab數(shù)學(xué)工具合成模糊算子。以B1層為例，可分別計算出其余指標的模糊綜合評價矩陣R，并通過對計算所得結(jié)果匯總整理，生成由各個指標模糊運算結(jié)果組成的一級評價結(jié)果（見表4）。河道自身狀況和河流生態(tài)狀況為亞健康，社會經(jīng)濟服務(wù)為健康。

表3 丹江流域河流健康模糊綜合評價隸屬矩陣

表4 丹江流域河流健康一級指標評價

2.4.2 二級綜合評價

二級綜合評價即為準則層B相對于目標層A的權(quán)重和所計算的一級綜合評價的結(jié)果所得的最終評價結(jié)果（見表5）。

根據(jù)二級評價結(jié)果并綜合隸屬度的評價原則，在這五個等級的隸屬度中，指標RHI數(shù)值41.9%最大，故丹江流域大部分河段的河流健康狀況水平為亞健康。

表5 丹江流域河流健康二級指標評價

3 討論與結(jié)論

3.1 討論

評價指標體系構(gòu)建是河流健康評價研究的開端，體系建立的恰當(dāng)與否直接關(guān)系到評價結(jié)果的準確性。健康的河流是自然屬性與社會屬性的協(xié)調(diào)統(tǒng)一，所以在準則層中設(shè)立了河道自身狀況、河流生態(tài)狀況和社會經(jīng)濟服務(wù)三類。指標層是直接測算丹江流域河流健康的依據(jù)，由于丹江流域主要在秦嶺山區(qū)，因此在構(gòu)建指標體系時著重考慮河流比降、徑流變化、河床形態(tài)等自身特征，最終確定19個指標。

指標權(quán)重的確定盡可能降低主觀因素的影響，故采用層次分析法。該方法可通過合格性檢驗對專家的權(quán)重比較進行復(fù)核校正。經(jīng)計算水污染、河岸帶植被、徑流深度/徑流量、水生植物、流域人口（健康狀況）、徑流年際變化和季節(jié)變化這六個指標是影響丹江流域河流健康等級評定的重要的因子。其中水污染指標權(quán)重達到0.1956，遠遠超過19個指標的權(quán)重平均值，說明該指標是丹江流域河流健康評價的首要因子。這與尋烏水河[7]和溫榆河[8]研究結(jié)果是一致的，因為水污染直接關(guān)系到河流健康的生態(tài)狀況，還可能對其它平行指標構(gòu)成間接影響，如水生植物、珍稀生物等。

丹江流域河流健康評價結(jié)果顯示19個指標層中10個屬健康、7個屬亞健康、2個屬疾病。3個準則層中河道自身狀況和河流生態(tài)狀況評價為亞健康，社會經(jīng)濟服務(wù)為健康。最終目標層河流健康綜合評價結(jié)果顯示結(jié)果為亞健康狀態(tài)。分析指標之間的自然屬性和相關(guān)關(guān)系可以發(fā)現(xiàn)丹江流域河流健康問題主要集中在兩方面：一是由水域面積寬窄、河床形態(tài)和河流橫縱連通性3個指標反映出的丹江流域河堤破舊，攔截泥沙的能力弱，且防洪能力差、水土流失嚴重問題；二是由水生植物、珍稀生物、導(dǎo)電率、土壤酸堿性影響、水污染和濕地6個屬疾病的指標反映出的丹江流域水環(huán)境遭到破壞、珍稀動植物缺少問題。建議丹江流域水利各部門和沿線居民借國家生態(tài)文明建設(shè)之東風(fēng)，加強流域人口河流保護的思想建設(shè)，涵養(yǎng)水源增強其防洪蓄水能力，減少受污范圍，保障南水北調(diào)中線丹江水源地的水質(zhì)健康，為珍稀生物的繁育生存提供良好的水環(huán)境。

3.2 結(jié)論

1）河流生態(tài)狀況在丹江流域評價體系準則層中最重要；水污染指標是影響丹江流域河流健康等級評定的首要因子。

2）丹江流域河道自身狀況和河流生態(tài)狀況評價為亞健康，社會經(jīng)濟服務(wù)為健康；整體河流健康狀況水平評價為亞健康狀態(tài)。