基于组合赋权与有序度熵模型的干旱内陆河流健康评价

2018-07-21雷晓云

水资源与水工程学报 2018年3期

蓝利，雷晓云，高凡，黄霄

(新疆农业大学水利与土木工程学院，新疆乌鲁木齐 830052)

1 研究背景

人水关系一直是人类发展的核心命题，在经历了人类对水的被动依存、主动对抗、积极利用以及由于人类对水循环认识不足及自身用水行为管理不当而导致一系列人水危机后，人水和谐成为当前及今后流域发展的关键主题[1]。河流是各类水体中较易被开发利用的淡水资源，同时也是地球上多样化生态系统中最重要的生态系统之一。整个20世纪发生在地球上的种种生态危机事实促使人们不得不重新看待河流，思考河流价值，重新定位人与河流之间的关系，并采取措施修复或恢复河流生态系统，持续稳定发挥河流服务功能，河流健康理念即基于此背景提出[2]。作为一种适应性的河流管理工具，如何界定概念与内涵、尺度与范围、指标与标准、模型与方法，是河流健康研究技术方法体系的关键环节。自20世纪80年代以来，许多学者在河流健康评价方面做了大量工作，并形成了多种如河流健康计划(RHP)[3]、鱼类评估指数(FAI)[4]、倒位寄生虫指数(IPI)[5]、生物完整性指数(IBI)[6]、定量微生物风险评估法(QMRA)[7]、多元标准决策法(MCDM)[8]等经实践推行的评价方法。我国从20世纪90年代开始关注国内河流健康问题，并在长江、珠江、黄河、海河、辽河等大江大河进行河流健康评价试点研究[9]，已于2010年启动了全国重要河湖健康试点评估工作，制定了《河流健康评估指标、标准与方法(试点工作用)》。

由于在流域范围内对所有干扰都敏感的单一河流健康指标是不可能存在的[10]，且考虑到我国幅员辽阔、类型多样、河流开发与人类干扰程度不一，河流健康评价涉及的关键指标应因地制宜。干旱区内陆河流域是水资源系统与生态系统最脆弱的地区之一[11]，确定有效指示干旱内陆河流健康状态及变化的关键因子，对于干旱内陆河流生态水文保育与河流适应性管理至关重要。据统计，2000年以来我国公开发表的以“河流健康”为主题的论文4 000余篇，多集中在湿润、半湿润、半干旱地区的河流、湖泊、三角洲等区域[12]，针对干旱区内陆河流的河流健康评价成果较少，主要集中在塔里木河、黑河、石羊河流域[11]，且从河流复合生态系统角度出发，综合考虑河流自然与人类价值的河流健康评价成果较少，缺乏一套有效指导该类型河流健康评价与适应性管理的理论方法体系。因此，本文结合干旱内陆河流生态水文特性，以叶尔羌河干流段为评价对象，参考水利部《河流健康评估指标、标准与方法(试点工作用)》，采用 “压力-状态-响应”(PSR)模型选择关键指标构建评价指标体系，建立“基于可达最佳标准的”评价标准，并运用组合赋权和有序度熵模型对叶尔羌河河流健康状况进行综合评估，以期指导该类型河流适应性管理。

2 数据与方法

2.1 研究区概况、尺度界定与数据来源

叶尔羌河流域是塔里木河流域“四源一干”水系格局的重要组成部分，干流全长1 078 km，多年平均河川径流量65.45×108m3。目前该流域突出的水资源开发利用与生态环境问题表现为春灌缺水、夏洪突出、盐渍化及沙漠化趋势增加、向塔里木河生态输水严重不足、水资源供需矛盾突出、生产生活挤占生态用水现象显著等问题。

针对河流健康概念界定的三要素：定义主体、研究对象、参照标准[2]，根据干旱区内陆河流生态水文特征[13]，将叶尔羌河河流健康概念定义为，可为人类健康工作的河流复合生态系统健康[12]。同时，借鉴地理学空间尺度概念中河流健康评价的点尺度(点位、断面)、线尺度(河流、河段)、面尺度(流域、水系)划分，本文采用点尺度与线尺度嵌套的空间尺度界定方法，评价范围为叶尔羌河干流卡群渠首断面至艾里克塔木渠首断面(见图1)，河段长333 km，分为两个分河段，分别为：卡群渠首至依干其渠首断面(长60 km)、依干其渠首至艾里克塔木渠首断面(长273 km)。评价的现状年为2015年。评价所需数据资料来自叶尔羌河流域管理局1962-2015年水文站降水、蒸发、泥沙、水位、实测流量等数据，并参考相关文献、流域规划报告、统计年鉴以及相关专业报告等。

图1 叶尔羌河流域范围及水系站点分布示意图

2.2 基于PSR模型的河流健康评价指标体系构建

“压力-状态-响应”(PSR)模型广泛应用于生态安全评价、土地资源质量评价、土地利用可持续评价以及生态系统健康评价等领域[2]，用于回答“发生了什么、为什么发生、将如何做”的问题，应用于河流健康评价成果较少。本文依据指标体系构建的科学性、系统性、层次性、独立性和指标定量性与可操作性等原则，分别从压力、状态、响应因子选择指标初步构建河流健康评价指标体系框架，并采用设计问卷调查表等方式通过被调查人员(相关领域专家、流域管理局人员、公众等)分析各评价指标对于河流健康影响程度的评分[14]，考虑干旱区内陆河流关键生态环境机理，选择关键评价指标，构建了压力指数、状态指数和响应指数涵盖的23项指标的河流健康评价指标体系，见表1。

表1 叶尔羌河卡群-艾里克塔木段河流健康评价指标体系及权重系数

2.3 基于 “可达最佳状态”的河流健康评价标准

河流健康是一个相对的概念，需要选择参照状态，即河流健康标准[12]，参照状态(Reference Condition，RC)旨在定义和表征河流在自然条件下应有的状态，被越来越多地作为基准应用于评估人类活动干扰程度[15]。根据当前对参考状态的几种理解，包括最小干扰状态(MDC)、历史参考状态(HC)、最低干扰状态(LDC)、最佳可达状态(BAC)[15]，本文以“近自然准则”为原则，依据国家相关标准，借鉴国内外有关河流健康标准成果，并聘请行业专家、流域管理人员及沿岸居民公众，人为规定一种通过有效调控与管理可达的期望状态作为河流健康评价标准，构建基于“可达最佳状态”的叶尔羌河河流健康评价标准，以避免以河流天然状态为基准而可能导致的忽略河流保护目标实现的可能性与可操作性弊端，见表2。该标准以“很健康、健康、亚健康、不健康、病危”为河流健康评价等级[2]，评价标准中指标阈值范围确定依据指标类型(定量指标和定性指标)分别率定，对于定性指标(特色生物存活状况、河流景观效应)，聘请专家采用赋分法用分值<20、20～40、40～60、60～80、>80分别对应5个级别[12]；对于定量指标，借鉴历史资料、流域实际及国家标准[11-15]，并充分听取社会各方利益者的意见后，通过对比分析确定。

表2 河流健康等级表

2.4 基于内置权重与用户权重的综合权重确定

内置权重系数采用层次分析法获得[16]。用户权重系数采用客观赋权法——熵权法计算。依据信息论基本原理，信息量越大，不确定性越小，熵越小；反之，信息量越小，不确定性越大，熵越大[16]。

设有m个河段，n项指标，构成原始数据矩阵(xij)m×n。

(1)归一化处理。

(1)

(i=1,2，…，m;j=1,2,…,n)

(2)计算第j项指标的信息熵。

(2)

(3)计算第j项指标的权重，令

uj=1-ej(j=1,2,…,n)

(3)

对uj进行归一化处理，得∑wj=1，第j项的指标权重wj为：

(4)

在综合考虑主客观因素基础上，将内置权重与用户权重综合，计算各指标综合权重，公式为：

(5)

式中：Qj为综合权重系数；vi为内置权重系数；wj为用户权重系数。

2.5 基于有序度熵的河流健康评价模型

基于河流耗散结构理论，从系统角度出发，引入有序度概念衡量河流健康评价的压力、状态、响应因子之间的协同性，构建基于有序度熵的河流健康评价模型。设第j个子系统的第i个序参量xij，其值应在临界阈值区间，若在阈值区间的取值越大，子系统的有序程度越高；取值越小，则相反[17]。

对于递增型序参量，设最小临界值为Rmin，最大临界值为Rmax，序参量值为Rij，则序参量的有序度ε为[18]：

(6)

对于递减型序参量，序参量的有序度ε为[3]：

(7)

对于趋中型序参量，设序参量的临界固定值为Rfix，序参量有序度ε为[18]：

(8)

采用系统熵衡量系统有序性程度，计算评价河流综合健康指数。设河流系统分为m段，各河段指标数为n，则各河段子系统健康指数可采用公式(9)进行计算，各河段各因子的健康指数可由公式(10)计算可得，各河段的总体健康指数可由公式(11)进行计算，河流总体健康指数在河段健康指数计算的基础上，采用算术平均的计算方法，由公式(12)可计算得出[18-19]：

(9)

(10)

(11)

(12)

式中：Ipj为第p河段第j个子系统的健康指数;ωpij为第p河段第j个子系统中第i个序参量的权重系数；εpij为第p河段第j子系统第i个序参量的有序度；n为第j子系统中序参量的个数；Ipk为第p河段第k个因子的健康指数；ωpjk为第p河段第k个因子中第j个子系统的权重系数；q为第p河段第k个因子中子系统的个数；Ip为第p河段的总体健康指数；ωpk为第p河段第k个因子的权重系数；HI为河流系统总体健康指数；m为河段数；其中，i=1，2，…n；j=1，2，…q；k=1，2，3；p=1，2，…m。

3 叶尔羌河现状年河段河流健康评价结果与分析

3.1 序参量权重

本文内置权重系数采用层次分析法确定，经计算判断矩阵最大特征值λmax=6.08，一致性比率CR=0.013<0.1，满足要求。用户权重系数采用熵权法确定，并计算各指标综合权重系数(见表1)。

3.2 序参量有序度值

各序参量有序度值成果见图2。其中，S1、S2分别表示卡群渠首至依干其渡口渠首河段、依干其渡口渠首至艾里克塔木渠首河段(以下简称S1河段、S2河段)。由图2可知，S1河段与S2河段各序参量有序度值变化趋势基本一致，人口密度(D4)、纵向连通性(D10)、河道蜿蜒性(D11)、流量变化率(D12)以及水质综合污染指数(D15)有序度值较高，均大于0.8，对河流系统健康的贡献度较高，地下水开采率(D6)、水沙平衡程度(D13)、天然植被盖度(D17)以及荒漠化面积(D19)有序度值较低，均小于0.2，对系统健康的贡献较小，其余序参量有序度值则在0.2～0.8之间上下波动。

3.3 河流健康综合指数

叶尔羌河分河段的河流健康综合指数与健康等级划分见表3。可以得出，叶尔羌河干流卡群渠首断面至艾里克塔木渠首断面河流健康综合指数0.529，且响应健康指数(0.537)>状态健康指数(0.530)>压力健康指数(0.521)，河流健康等级为III级，处于亚健康状态。其中，S1河段河流健康综合指数为0.546，S2河段河流健康综合指数为0.511，均为亚健康状态，S1河段河流健康综合指数略高于S2河段。各河段指标层河流健康分指数分析结果见图3，压力指数中，S1河段与S2河段的自然压力(C1)健康指数均高于人为压力(C2)健康指数，属亚健康等级，且S1河段优于S2河段；状态指数中，S1河段与S2河段河流形态指标(C3)健康指数在0.7～0.8之间，属健康状态，说明河流形态指标对状态指数的健康贡献度较大。两河段水文指标(C4)健康值均在0.4～0.6之间，为亚健康状态。S1河段水质指标(C5)健康指数为健康状态，而S2河段水质指标(C5)健康指数为亚健康状态，值得引起注意。S2河段的生态指标(C6)健康指数为0.3～0.4，属不健康状态，说明河流生态指标对状态因子的健康贡献度较小；响应指数中，S2河段的社会功能指标(C7)健康指数略微高于S1河段，均属于亚健康等级。

综合评价结果显示现状年2015年，叶尔羌河干流河段(卡群-艾里克塔木)河流健康状态由健康向不健康临界状态过渡。导致该河段河流健康受损的原因主要是，水资源开发利用率高而有效使用率低(地表水引水率达92%，地下水开采率达61%，灌溉水利用系数仅0.47[20])、水沙关系不平衡、水环境出现河段敏感性转折性变化(由S1至S2)、流域天然植被覆盖率下降、土壤盐渍化沙漠化加剧等，河道内几乎未见以土著生物存活为表征的水生态沿程本底脆弱并趋于急剧恶化趋势，下坂地水库投入运行与平原水库的联合水资源调配虽在一定程度上有效缓解了流域春旱缺水程度，农田灌溉用水保证率和防洪能力相应提高，但向塔河7-9月生态输水(3.3×108m3)的规划目标仍未有效实现。评价结果与实际情况基本符合[12]，河流健康生命受到威胁，需引起有关管理部门重视，河流健康维护工作势在必行。