遼河流域的河流健康評(píng)價(jià)

胡青坤

(遼寧省遼陽水文局，遼寧 遼陽 111000)

不同區(qū)域的河流開發(fā)利用程度存在一定差異，且人類活動(dòng)對(duì)河流的影響作用也不盡相同，因此應(yīng)因地制宜地建立河流健康評(píng)價(jià)指標(biāo)體系和分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)，并選取合適的評(píng)價(jià)方法[3]。目前，物元分析法、層次法、模糊綜合評(píng)價(jià)以及集對(duì)分析法為國內(nèi)外合理健康評(píng)價(jià)的常用方法，許多學(xué)者對(duì)此開展了大量研究，如趙彥偉[4]以寧波市城市河流為研究對(duì)象通過分析水生物種、水質(zhì)、含水量、河岸帶和物理結(jié)構(gòu)5大特征建立了指標(biāo)體系，并利用層次分析法評(píng)價(jià)了河流生態(tài)系統(tǒng)健康狀況；李國英等[5]分別從河道的排洪能力、水質(zhì)類別、流量、灘地坡降比等9個(gè)方面，并利用合適的方法對(duì)黃河的生態(tài)健康進(jìn)行了評(píng)價(jià)；胡曉雪等[6]以瀾滄江河流為研究對(duì)象，基于河流健康內(nèi)涵層的25個(gè)評(píng)價(jià)指標(biāo)對(duì)其進(jìn)行了生態(tài)健康的定量評(píng)價(jià)分析。然而，上述研究往往不能同時(shí)考慮河流健康評(píng)價(jià)的模糊性與隨機(jī)性特征，而云模型可利用數(shù)字特征實(shí)現(xiàn)隨機(jī)性與模糊性的有效結(jié)合，在河流健康評(píng)價(jià)方面表現(xiàn)出較強(qiáng)的適用性與可行性，已成為目前較為常用的方法。喬丹穎等[7]在運(yùn)河水安全評(píng)價(jià)中引入云模型，通過對(duì)比分析2種不同方法的評(píng)價(jià)結(jié)果，表明云模型的具有較高的準(zhǔn)確性與可靠性。據(jù)此，本文結(jié)合以往實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)和目前已有理論研究成果，在野外調(diào)研與遙感影像分析的基礎(chǔ)上，分別從河流自然環(huán)境與社會(huì)服務(wù)功能2個(gè)角度，建立了適用于遼河流域的河流健康評(píng)價(jià)指標(biāo)體系，利用云模型進(jìn)行客觀科學(xué)評(píng)價(jià)并探討了其主要影響因素。

1 構(gòu)建河流健康評(píng)價(jià)指標(biāo)體系

1.1 遼河流域概況

遼河流域位于我國東北地區(qū)西南部，不僅是我國的重要糧食基地而且位于東北地區(qū)工業(yè)發(fā)展核心位置，流域內(nèi)各支流縱橫交錯(cuò)、蜿蜒曲折，主要支流有老哈河、渾河、太子河、柴河等，流域全長1345km，占地面積為21.9萬km2。冬季漫長寒冷、夏季炎熱干燥屬于半干旱半濕潤氣候過渡區(qū)，年均降水量為350～1000mm，并且主要集中在6—9月份，多以暴雨或強(qiáng)降雨的形式出現(xiàn)，降雨量由東南向西北方向整體呈降低趨勢。區(qū)域內(nèi)海拔高度由西北向中南部逐漸降低，最高和最低處約為1650和860m；氣溫在平原地區(qū)較高，山地較低由南向北整體呈降低趨勢，多年平均氣溫為4～9℃，東部區(qū)域蒸發(fā)量較大且降雨徑流量較低，而西部區(qū)域降水徑流量大且蒸發(fā)量相對(duì)較低，該流域水資源開采潛力較大。

近年來，隨著遼河流域人口的快速增長、城鎮(zhèn)化規(guī)模的不斷擴(kuò)張以及大量的油、氣、煤炭等資源的開采利用，區(qū)域水環(huán)境問題日趨嚴(yán)峻，河流生態(tài)健康已成為限制城鎮(zhèn)發(fā)展與引水安全的主要因素。據(jù)此，本文結(jié)合以往實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)和遼河流域2015年有關(guān)數(shù)據(jù)資料，對(duì)遼河的河流健康利用云模型進(jìn)行了客觀、全面地評(píng)價(jià)，以期為相關(guān)部門制定河流污染治理措施及水資源合理開發(fā)利用提供決策依據(jù)[8- 13]。

1.2 建立指標(biāo)體系

利用一系列可衡量的動(dòng)態(tài)指標(biāo)構(gòu)建的河流健康評(píng)價(jià)指標(biāo)體系，不僅要反映河流健康的社會(huì)服務(wù)功能，而且還要考慮河流現(xiàn)狀條件下的功能作用與河流結(jié)構(gòu)。根據(jù)遼河流域生態(tài)環(huán)境、水文水資源以及地理位置等自然條件選取河流健康評(píng)價(jià)主要因子，并建立了包含4個(gè)層次的指標(biāo)體系，見表1。

表1 遼河流域河流健康評(píng)價(jià)指標(biāo)體系

1.3 指標(biāo)權(quán)重與分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)

遼河流域河流健康評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)的確定應(yīng)結(jié)合目前已有研究成果、流域現(xiàn)狀、國家與地方發(fā)展規(guī)劃總體要求以及相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)。可采用遙感數(shù)據(jù)分析、查閱歷史資料的方式確定水土流失率、河流封凍期等指標(biāo)的分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)；利用現(xiàn)場拍照對(duì)比與野外實(shí)地考察的方式確定岸坡穩(wěn)定性指數(shù)與水利工程干擾程度等指標(biāo)的分析狀況，最終可將遼河流域河流健康狀態(tài)劃分為Ⅰ～Ⅴ級(jí)5個(gè)標(biāo)準(zhǔn)，所對(duì)應(yīng)的健康狀態(tài)分別為優(yōu)、良、中、差、極差[14]。

利用組合賦權(quán)法確定河流健康評(píng)價(jià)指標(biāo)權(quán)重，并以此避免指標(biāo)賦權(quán)存在的不確定性與隨機(jī)性。該方法是一種將主、客觀方法相結(jié)合的綜合賦權(quán)法，可有效提高評(píng)價(jià)結(jié)果的可靠性與可行性。對(duì)遼河流域健康評(píng)價(jià)指標(biāo)分別從主觀與客觀的角度利用層次分析和熵值法，進(jìn)行權(quán)重值的計(jì)算，然后對(duì)賦權(quán)結(jié)果的一致性利用統(tǒng)計(jì)學(xué)中的Spearman秩相關(guān)系數(shù)進(jìn)行驗(yàn)證，最后利用均衡理論對(duì)2種賦權(quán)結(jié)果進(jìn)行綜合，從而得到各指標(biāo)的組合權(quán)重，見表2。

表2 河流健康分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)與各指標(biāo)組合權(quán)重

2 云模型河流健康評(píng)價(jià)

2.1 評(píng)價(jià)流程

在確定各評(píng)價(jià)指標(biāo)、組合權(quán)重以及評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)之后，對(duì)河流健康狀態(tài)利用云模型進(jìn)行評(píng)價(jià)，主要流程如下：首先確定云模型的數(shù)字特征并將各指標(biāo)實(shí)測數(shù)據(jù)輸入模型發(fā)生器，然后確定不同健康級(jí)別下各指標(biāo)的隸屬確定度；將指標(biāo)權(quán)重向量w與該確定度矩陣進(jìn)行乘積運(yùn)算，從而得到河流隸屬于不同級(jí)別的確定度，按照最大隸屬度原則最終得到河流健康評(píng)價(jià)狀態(tài)。

2.2 模型參數(shù)

概率統(tǒng)計(jì)學(xué)和傳統(tǒng)的模糊數(shù)學(xué)是建立云模型的基礎(chǔ)理論，它是通過利用精確數(shù)值與不確定性語言值之間的模糊性和隨機(jī)性的變化規(guī)律所構(gòu)建的定性定向互換模型。云模型定性概念是對(duì)精確數(shù)據(jù)利用定性語言值實(shí)現(xiàn)有效的恰當(dāng)轉(zhuǎn)化，并且也可利用語言值所表述的定性信息進(jìn)行定量數(shù)據(jù)分布規(guī)律和適用范圍的提取并實(shí)現(xiàn)不確定性信息與定量指標(biāo)之間的轉(zhuǎn)換[15]。期望值(Ex)、超熵(He)、熵(En)等是云模型主要的數(shù)字特征，其中云滴群的云重心即定性概念可利用Ex進(jìn)行表征，而定性語言在數(shù)域中可被接受的區(qū)間即定性概念的模糊性，可采用En進(jìn)行表征，超熵(He)即熵的熵是熵的不確定性程度，是表征云滴的凝聚程度的重要參數(shù)。

單因素試驗(yàn)數(shù)據(jù)處理使用Excel 2016、Origin 8.5軟件進(jìn)行，差異顯著性分析使用DPS 9.5軟件進(jìn)行，P<0.05有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義，中心組合法試驗(yàn)數(shù)據(jù)處理使用Design Expert 8.0.5 軟件進(jìn)行。

對(duì)云模型的3個(gè)數(shù)字特征可利用下述方法確定，如果某河流健康級(jí)別評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)存在上、下邊界條件[Bij，min，Bij，max]，則數(shù)字特征可表述為：

(1)

式中，Bij，max、Bij，min—第j個(gè)級(jí)別下指標(biāo)i的上、下邊界；Exij、Enij—第j個(gè)級(jí)別下指標(biāo)i的期望與熵；He—超熵，可依據(jù)變量模糊閥度進(jìn)行適量的調(diào)整。

根據(jù)指標(biāo)上、下限可確定單邊界線(-∞，Bij，max]或[Bij，min，+∞)的期望值和缺省邊界參數(shù)，然后再對(duì)其數(shù)字特征利用上述公式確定。

2.3 云模型確定度

(2)

(4)對(duì)上述過程進(jìn)行迭代計(jì)算，直至符合相關(guān)要求則計(jì)算終止。然后對(duì)各指標(biāo)的確定度矩陣U=[uij(x)]M×N進(jìn)行歸一化處理，公式如下：

(3)

然后對(duì)河流健康綜合確定度向量v=[v1，v2，…，vN]利用標(biāo)準(zhǔn)化后的確定度矩陣與指標(biāo)權(quán)重向量進(jìn)行求解，并按照最大隸屬度原則得到河流健康評(píng)價(jià)結(jié)果。

v=wTU

(4)

2.4 結(jié)果分析

對(duì)遼河流域2015年河流健康利用上述方法和相關(guān)數(shù)據(jù)資料進(jìn)行評(píng)價(jià)，各指標(biāo)特征值依據(jù)文獻(xiàn)進(jìn)行提取，并利用正向云發(fā)生器最終得到指標(biāo)的確定度矩陣U見表3。

表3 河流健康評(píng)價(jià)指標(biāo)確定度矩陣U

結(jié)合各個(gè)分析標(biāo)準(zhǔn)和上述指標(biāo)確定度，可直觀反映遼河流域河流健康狀態(tài)。表3確定度計(jì)算結(jié)果顯示，在河流封凍期的水文特征層面中隸屬于“差”等級(jí)的程度較大為0.64，由此表明該區(qū)域封凍期作用時(shí)間相對(duì)較大；水利工程干擾程度隸屬于Ⅱ級(jí)“良”的程度最大為0.82，由此表明水利工程對(duì)生態(tài)環(huán)境的影響作用較小。同理，可依次分析其他各指標(biāo)的隸屬狀態(tài)，并進(jìn)一步了解河流健康狀態(tài)。利用文中所述計(jì)算公式(4)以及各指標(biāo)權(quán)重，最終得到綜合確定度向量v=(0.041，0.255，0.042，0.265，0.037)。按照最大隸屬度原則最終可判定遼河流域2015年河流健康屬于Ⅲ級(jí)“中”水平。結(jié)合遼河流域?qū)嶋H狀況，導(dǎo)致該河流健康不斷惡化的關(guān)鍵性因素為人類不合理的生產(chǎn)活動(dòng)。流域內(nèi)大部分區(qū)域水質(zhì)較好，但個(gè)別地區(qū)的水體污染嚴(yán)重，水土流失、毀林毀草等問題較為突出，并且由于水利工程的興建以及環(huán)境保護(hù)措施的不到位可進(jìn)一步加劇水土流失并造成河道演變。河流生物多樣性在水環(huán)境與生態(tài)的持續(xù)破壞下，不斷減少。

如何恢復(fù)河流社會(huì)服務(wù)功能并修復(fù)已破壞的生態(tài)環(huán)境系統(tǒng)，成為遼河流域相關(guān)部門面臨的主要難題。本文結(jié)合已有文獻(xiàn)資料提出如下措施：為保持河流系統(tǒng)健康，應(yīng)加強(qiáng)遼河流域水環(huán)境治理、加固沿岸地方并加快生態(tài)調(diào)整等措施的實(shí)施；通過對(duì)水利工程調(diào)度方式的合理調(diào)整滿足河流生態(tài)基本需水要求，從而實(shí)現(xiàn)修復(fù)與保護(hù)水體生態(tài)環(huán)境的目標(biāo)。

3 結(jié)論

本文根據(jù)遼河流域生態(tài)環(huán)境、水文水資源以及地理位置等自然條件選取河流健康評(píng)價(jià)主要因子，并建立了包含16項(xiàng)典型指標(biāo)的體系和分析標(biāo)準(zhǔn)，然后利用云模型對(duì)該流域2015年的河流狀態(tài)進(jìn)行評(píng)價(jià)，得出的主要結(jié)論如下：

(1)對(duì)河流健康評(píng)價(jià)指標(biāo)利用熵值法與層次分析組合法進(jìn)行確定，從而提高了評(píng)價(jià)結(jié)果的準(zhǔn)確性與科學(xué)性，對(duì)遼河流域2015年河流健康利用云模型進(jìn)行評(píng)價(jià)，按照最大隸屬度原則最終可判定其河流健康屬于Ⅲ級(jí)“中”水平。

(2)結(jié)合遼河流域?qū)嶋H狀況，影響該河流健康不斷惡化的關(guān)鍵性因素為人類不合理的生產(chǎn)活動(dòng)。流域內(nèi)大部分區(qū)域水質(zhì)較好，但個(gè)別地區(qū)的水體污染嚴(yán)重，水土流失、毀林毀草等問題較為突出，并且由于水利工程的興建以及環(huán)境保護(hù)措施的不到位進(jìn)一步加劇了水土流失并造成河道演變。為保持河流系統(tǒng)健康，應(yīng)加強(qiáng)遼河流域水環(huán)境治理、加固沿岸地方并加快生態(tài)調(diào)整等措施的實(shí)施。