基于免疫理论的河流健康预警研究

朱成立，任 姣(.河海大学 南方地区高效灌排与农业水土环境教育部重点实验室，南京 20098；2.河海大学水利水电学院，南京 20098)

随着社会经济的不断发展，在开发河流服务功能的过程中，人类社会也对河流进行着取水、分流、河岸固化等活动。近些年来，人类对河流的开发利用规模越来越大，频率越来越高，导致河流流态、水文循环过程、水生物结构都遭受到了巨大的影响，河流生态系统在不断退化[1-5]，进而反作用于人类自身。河流生态系统存在的诸多问题受到了国家部门的密切关注，于2002年黄河水利委员会主任李国英对河流健康问题进行了详细研究，对河流生命、河流健康等概念进行了定义，提高了河流健康、河流生态系统的社会关注度。美国、南非、澳大利亚等国先后建立了适应本国的河流健康评价机制[7-10]，我国相关学者也开展了针对性的研究，主要集中于河流健康概念、评价指标体系、河流运行机制[11-14]等方面，主要是静态评价和探讨，而关于河流健康预警的研究仍然不足。

河流不仅与人类一样具有生命，与血管在结构、功能、力学、物质交换机理上也存在着相似性[15]，当人体面对外界干扰时，发挥主要作用维持人体健康的就是人体的免疫系统[16]。当外界抗原侵入人体，免疫系统将通过应答——识别——反馈——记忆等步骤消灭抗原、产生抗体。从免疫理论的角度出发，把河流类比于生命系统研究河流预警，当外界因素干扰河流正常运行时，河流的免疫系统开启应答反馈机制，同时人为对河流健康状况进行实时预警，辅助河流抵抗外界干扰、恢复自身健康，这对河流管理部门及时采取措施治理河流具有实际意义。趋势外推分析预测在假设未来是过去和现在连续发展的结果，随时间的变化呈一定的变化趋势，通过函数对过去和现在的状况进行拟合，从而对预测目标进行预测。本文基于免疫理论构建河流健康指标体系，采用趋势外推分析的方法建立河流健康预警模型，并对南京市七乡河进行实例分析，旨在探求一种合理的河流健康预警模型。

1 河流免疫机制

河流是一个与人体具有高度相似性的复杂系统，同样也具有自己的免疫系统。在河流健康中发挥关键性作用的有以下4个方面：一是河岸带、河床、调节工程；二是河流水体；三是水生生物；四是外部干预。通过对生物免疫系统多层防御结构的学习、研究、参考，把河流系统健康程度的影响因素作为构成维持河流维持自身健康的四道防线，如图1所示。

图1 河流免疫系统的多层防线Fig.1 Multimedia layer defense line of river immune system

第一道防线是完整的生态河岸带、河床及调节工程。作为河流系统的皮肤，生态河岸带由土壤和植被构成，具有对进入河流的物质进行过滤渗透、吸收、滞留以及沉淀，削弱有毒物质的毒性等功能，阻止外界污染物进入河流、净化水体，保护河流系统健康。

第二道防线是河流水体。水体具有自净能力，污染物随着物理作用沉淀、化学作用分解转化，或者降低其的毒性，使得河流基本上或者完全恢复到污染前的状态[18,19]。另外，通过流动的水流把水体中的污染物质运输、稀释，有利于污染物质的进一步分解转化。就像河流的吞噬细胞一样，能够吞噬河流中的污染物质，保护河流健康。

第三道防线是河流中的生物，包括水生动物、水生植物、微生物等。其中水生动物、植物利用它们的根系和躯体完成对水中污染物质的“吸收、富集、降解”过程。而微生物在自身新陈代谢的作用下，将大分子有机物的污染物分解成稳定的小分子无机物；发酵型微生物能够减少恶臭气体的产生[20,21]。这些作用都保证了河流系统的健康。

第四道防线是外部干预，包括人类活动与自然活动。河流系统作为生态系统中的一份子不能够脱离自然与人类而单独存在，人类与自然活动可以直接对河流系统产生一定的影响，也可以间接提高河流系统应对外界干扰的能力。适宜的人类活动不仅能够引导河流向健康的方向发展，还能够通过影响河岸带、河床、水体及动植物、微生物等来间接地影响河流健康。

河流免疫系统四道防线进行“应答-识别-反馈-记忆”的免疫预警工作机制用流程图的方式表达，如图2所示。

2 河流健康预警指标体系

2.1 预警指标体系

遵从科学性、完备性、独立性、可操作性和区域性的构建原则，并充分考虑影响河流系统健康的各因素和河流系统四道免疫防线构建预警指标体系。具体指标及其含义见表1。

图2 河流系统的免疫机制图Fig.2 Immune mechanism of river system

表1 河流健康预警指标体系Tab.1 Warning index system for river healthy

续表1 河流健康预警指标体系

注：括号内为对应指标权重。

本文指标权重的确定采用较为成熟的层次分析法，鉴于该方法具有一定的主观性，再用熵权法对权重进行修正，增加预警计算的科学性和可靠性。首先，参考相关文献、规范，依据免疫理论分层次确定14个评价指标，并由领域专家进行打分，确定评价指标重要性的水平矩阵；其次，对水平矩阵数据进行标准化处理，计算评价指标的熵权，并结合层次分析法处理指标矩阵获得的指标权重，计算指标综合权数；最后，根据熵的定义计算信息熵的距离，选取距离最小的评价方案。计算结果见表1。

2.2 预警模型及警限划分

2.2.1预测方法

根据多年份的单项指标数据结合层次分析与熵权法确定的免疫层的权重，得到4个防线的预警指标，再利用差分法修匀数据，使非平稳序列达到平稳序列，根据差分特性，对于三阶以内的差分相等或大致相等的采用线性模型，对于差分环比相等或大致相等的采用指数曲线模型或修正指数曲线模型，通过不同的预测模型计算得到预测年份的防线预警指标数据，通过对各防线预警指标权重的计算、分配，得到河流生态健康综合预警的预测值。

2.2.2计算公式

(1)多项式曲线外推模型的通式为：

(1)

(2) 指数曲线预测模型的通式为：

(2)

(3)修正指数曲线预测模型的通式为：

(3)

2.3 警限划分

警限是将河流健康预警值划分为不同层次，进而判断河流健康预警级别。本文采用欧式几何空间的状态空间模型进行描述[22]，采用预警度进行表征，预警度越低，河流健康越差。预警度表达式为：

(4)

式中：Fr代表第r层次的预警度；χi指r层防线下的指标值；ωi为其权重。

由于预警指标体系中各指标的阀值上限为1 ，因此Fr无限趋近于1，结合当前河流健康评价级别、国内外其他领域预警警限划分以及生物免疫机制，在河流最健康状态(Fr=1)向下浮动25%作为预警最轻的等级，在此基础上以0.25的容差共确定4个预警等级。分别为：“正常、黄色(轻度警戒)、橙色(中度警戒)、红色(重度警戒)”分别与河流系统的4个状态相对应，即“健康、亚健康、疾病和严重疾病”状态。如表2。

3 实例分析

论文选取槐泗河进行河流健康预警。槐泗河位于扬州市邗江区的乡级河道，是邵伯湖下游支流，河流为东西走向，长10.69 km，流域面积为44.04 km2，是沿河居民灌溉、养殖等的重要水源，也承担着容纳生活生产污水的作用。在2004-2005年，扬州市对槐泗河进行了大规模的疏浚整治，此后每年进行小范围的维护管理，在2012年再次进行疏浚整治，本文选取2004-2011年之间的数据进行预警分析。

通过查阅《邗江区统计年鉴》、《邗江区水资源公报》、《淮河流域水文资料》、《邗江区河道疏浚整治规划》及相关文献[23]，结合现场调研，运用基于免疫理论的河流健康预警指标体系和预警模型，对槐泗河2004-2011年的河流健康进行预警分析，结合指数外推法对2012-2016年河流健康进行预测，进而针对性的提出河流治理的方向。

表2 河流健康预警标准分级表Tab.2 Grading of river health early warning standards

3.1 预警计算

首先对槐泗河2004-2011数据进行处理，分别计算2004-2009年四个防线的预警数值，再利用差分法修匀数据，使非平稳序列达到平稳序列，根据差分特性，选择线性预测模型、指数曲线预测模型或修正指数曲线预测模型预测2007-2011年的对应预警数值，并验证预测模型的可靠性。根据计算结果(见表3、图3)，拟合的曲线R2值都在0.95以上，相对误差在5%以内，拟合度高，模型预测可靠。

应用预测模型对2012-2017年个防线预警数值进行预测，并计算综合预警值(表4)，从而对河流健康治理提出针对性建议。

表3 槐泗河2004-2011河流健康预警计算Tab.3 The river health warning of Huai Si river between 2004 to 2011

3.2 数据分析

结合表2、表3可以看出，经过疏浚整治，在2005年槐泗河达到了正常(无警戒)的健康状态。随时间的推移，槐泗河的综合预警数值呈现下降趋势，从2008年起，槐泗河预警等级下降到黄色(轻度警戒)。从表4中的预测看，如果不对槐泗河进行大规模的疏浚整治，2013年槐泗河将进入橙色预警(中度警戒)，并于2017年达到重度警戒。可见，除了日常的健康维护，有针对性的疏浚整治对维护河流健康具有显著作用。根据预测分析，槐泗河在疏浚整治过后的7年后河流系统的结构和部分功能遭到了轻度破坏，虽然系统无明显的病症但是却正处于健康的边缘状态。

从时间变化分析，四道防线的预警值都随时间变化逐年下降。作为河流的“皮肤”，防线一肩负着抵御外来干扰，维护河流健康的责任，也最先最易受到外来干扰的侵袭，因此防线一的预警指标下降幅度最陡。而防线二和防线三主要为河流的水体和水生生物指标，当受到外界干扰时，指标变化需要一定的反应时间，因此下降幅度较防线一缓慢。防线四为人类对河流健康的外部干预，人为可控性性强，随时间变化最为缓慢。四道防线随时间变化的灵敏度，可以间接反映出治理河流的措施响应程度。下降幅度越陡，则采取相应治理措施后见效时间越短，对于时间敏感度低的防线，则应在日常的河道管理中进行维护。

注：图中标注*为预测年份图3 槐泗河2004-2011河流健康预警Fig.3 The river health warning of Huai Si river between 2004 to 2011

表4 槐泗河2012-2017河流健康预警预测Tab.4 The river health warning forecast of Huai Si river between 2012 to 2017

4 结论与建议

本文通过构建基于免疫理论的河流健康预警体系，采用指数曲线模型或修正指数曲线模型对扬州槐泗河健康状况进行预测，从而定性定量的分析了槐泗河流健康变化趋势，做出河流健康预警预报。研究表明：

(1)基于免疫理论的河流健康预警指标体系的构建科学、可靠度高，基于层次分析法得到的各指标权重的分配科学、合理，基于趋势外推法构建的预警预测模型的预测结果符合实际变化趋势。

(2)扬州市槐泗河在预测期内从轻度警戒逐步上升至中度警戒，并有发展到重度警戒的趋势，在现有河流健康维护措施的基础上，建议一定期限内进行针对性的疏浚整治或水质水生物治理，否则河流健康将持续恶化，影响当地生态安全。

针对槐泗河的预警分析，建议河道管理机构采取以下措施改善河流健康发展趋势，促进槐泗河健康预警的警戒下降：

(1)定期对淮泗河河道进行疏浚整治。结合表4的槐泗河河流健康预警预测，在河道濒临中度警戒之前，应对槐泗河开展全面的疏浚整治，进行清理河道底泥、加护岸坡、排沙植树等一系列活动，综合改善河流健康，保证淮泗河河道的生态健康。

(2)大力开展河道健康评估，密切监管河道健康预警状态。将河道健康状况的评估常态化，将河道健康状况的监督常态化，将河道健康状况的维护常态化，保证预警值达到或接近中度警戒时，能够及时采取针对性的治理措施，协助河流四道防线，维护河流生态健康。

(3)加强日常管理，保障河流健康维护投入。将河流健康的隐患消灭在日常管理中，及时发现问题，及时处理问题，辅助河流抵御外界干扰。

□

[1] Karr J R, Chu E. Sustaining Living Rivers [J]. Hydrobiology,2000,422/423:1-14.

[2] Poff L N，Allan D，Bain M B，et al. The natural flow regine，a paradigm for river conservation and restoration[J].Bioscience，1997,47：769-784.

[3] Aguiar F C，Ferreira M T，Moreira I. Exotic and native vegetation establishment following channelization of a western Iberian river[J].Regulated Rivers: Research & Managment, 2001,17：509-526.

[4] Chovanec A, Schiemer F, Waidbacher H,el al. Rehabilitation of a heavily modified river section of the danube in vienna(austria):biological assessment of landscape linkages on different scales[J].Internet Rev Hydrobiol，2001,87：183-195.

[5] Norris R H, Thoms M C. What is river health?[J].Freshwater Biology,1999,41(2):197-209.

[6] 李国英.黄河治理的终极目标是“维持黄河健康生命”[J].人民黄河,2004,26(1):1-2.

[7] T J 森特纳，朱庆云. 美国《清洁水法》的公众参与要求辨析[J]. 水利水电快报,2011,(5):1-4,27.

[8] 吴阿娜. 河流健康评价：理论、方法与实践[D].上海：华东师范大学,2008.

[9] An K G, Park S,Shin J Y. An evaluation of a river health using the index of biological along with relations to chemical and habitat conditions[J].Environment International,2002,28(5):411-420.

[10] 刘 瑛,高甲荣,崔 强,等. 4种国外河溪健康评价方法述评[J]. 水土保持通报,2009,(3):40-44.

[11] 曾小瑱,车 越,吴阿娜.3种河流健康综合性评价方法的比较[J]. 中国给水排水,2007,(4):92-96.

[12] 王韶伟,徐劲草,许新宜. 河流生态修复浅议[J]. 北京师范大学学报(自然科学版),2009,(Z1):626-630.

[13] 蔡庆华,唐 涛,邓红兵. 淡水生态系统服务及其评价指标体系的探讨[J]. 应用生态学报,2003,(1):135-138.

[14] 杜 东,余 辉,李中强,等. 河流水环境健康评价研究与展望[J]. 水科学与工程技术,2013,(1):1-6.

[15] 韩玉玲,夏继红,严忠民,等.河道生态建设——河流健康诊断技术[M].北京：中国水利水电出版社,2012.

[16] 龚非力. 医学免疫学[M]. 北京: 科学出版社, 2003.

[17] 夏继红,严忠民.生态河岸带的概念及功能[J].水利水电技术,2006,37(5):14-17.

[18] Frimmel F H.Strategies of maintaining the natural purification potential of rivers and lakes[J]. Environmental Science and Pollution Research, 2003,10(4):251-255.

[19] Vagnetti R, Miana P, Fabris M, et al. Self-purification ability of a resurgence stream[J]. Chemosphere, 2003,52(10):1 781-1 795.

[20] 黄文红．浅谈水体污染与自净机制[J].江西水利科技,2000,26(4):222-224．

[21] 林 静,谢 冰.复合微生物制剂在环境保护中的应用[J].上海化工,2004,(12):7-11．

[22] 毛汉英,余丹林.环渤海地区区域承载力研究[J].地理学报,2001,56(3):343-351．

[23] 薄丽洁.槐泗河水环境整治预测评价研究[D]. 江苏扬州：扬州大学,2012:16-21．