辽河流域水文生态完整性模糊评价研究

2018-12-10李爽

水利规划与设计 2018年11期

李爽

(辽宁省辽阳水文局，辽宁辽阳 111000)

河流作为人类赖以生存和繁衍的基础条件，其生态系统的完整性将直接决定经济发展速度与人类生活质量[1]。随着人类开发生态自然能力的不断升级以及社会各方面的快速发展，大部分流域的生态环境在一定程度上均遭到破坏和污染，如地貌条件退化、河道断流、结构破损、水文情势变化、水质变差等情况，河流的健康发展受到严峻的威胁[2]。已成为影响人类社会持续健康稳定发展的主要因素之一[3]。世界范围内的生态研究者和水利学者针对目前河流生态恶化问题开展了大量研究，对生态系统完整性研究引起了众多学者的广泛关注并已成为解决上述问题的主要手段和必要前提，流域生态完整性评价对于促进流域未开科学合理的规划治理以及经济社会的可持续发展具有十分重要的意义[4]。

流域水文情形的循环往复不仅是影响河流生物多样性的决定性因素，而且对河流生态整体环境造成重要影响。水的运动作为地形地貌的内在驱动力，水的淤积、冲刷和侵蚀作用为河道生物群落的生存和繁衍创造了基础和前提[5]。近年来，对辽河流域的不合理开发利用以及水资源过度开采等活动造成河道断流现象，动植物的生存环境和生长要素在一定程度上遭到威胁，因此流域的生态功能和水文功能逐渐丧失并已成发展为不容忽视的情形[6]。据此，本文以辽河流域为例构建了水文生态完整性评价指标体系和等级标准，并结合相关文献和研究成果对其水文运行状态进行了全面、客观的系统性评价。

1 评价方法与模型

1.1 构建评价指标体系

目前，针对河流水文生态完整性的研究相对较少，而考虑评价指标模糊性和不确定性的研究更少[7]。据此，本文评价指标的选取不仅参考了河道水文生态相关文献资料，而且借鉴了国内外学者进行水文生态完整性研究时所采用的水文指标；通过专家咨询并结合辽河流域水文生态实际状况和自然条件，在遵循指标客观性、可获取性、科学性、代表性原则的基础上通过筛选和评估，综合考虑多种因素的作用影响并构建了评价指标体系[8]。该体系为多层级评价指标体系主要有目标层、准则层和指标层，其中辽河流域水文完整性评价为体系的目标层即首要目标，准则层主要从5个方面对河流水文的影响因子进行选取，所选取的具有代表性的评价指标共9个，各指标求解方法及内涵见表1。

1.2 确定评价标准

结合水文生态完整性评价标准相关研究成果和辽河流域实际状态、特征[9]，将水文评价标准划分为Ⅰ～Ⅴ级5个等级，所对应的评价标准分别“好、较好、一般、较差、差”，各评价指标在不同级别内的取值范围见表2。

表1 辽河流域水文生态完整性评价指标体系

表2 评价指标在评价等级标准的取值范围

1.3 模型选取

动态性和不确定性为河流水文生态完整性评价的基本特征，对其完整性影响要素多种多样，且不同要素之间相互关联，相互作用具有一定的模糊性。因此，本文通过多种计算模型的对比和分析，采用目前应用较为广泛且理论发展较为程度的模糊综合评价法进行流域水文生态完整性评价分析[10]。该方法适用于多目标、多要素指标的评价分析，其基本过程为首先对各个评价指标在相应等级标准条件下的隶属度，利用评价数据进行求解并构建模糊关系矩阵，然后对模糊关系矩阵和权重集进行合成计算并建立综合评语集，最终对各评级等级标准利用最大隶属度原则进行评价。

结合相关理论和数据构建评价指标集合指标类集，分别如下：

U={U1，U2，，Un};Ui={ui1，ui2，，uij，uin}

(1)

式中，U、Un—分别为指标评语集合指标评价类；Ui—指标集，即每类指标中的分项指标。

对各指标权重利用专家咨询法进行确定，结合各指标对评价对象的作用程度的大小，对其进行相应的赋值即权重系数，采用A={a1，a2，，an}代表指标类的权重；依据各指标在分项指标的影响程度，对其进行权重赋值，采用aij代表第j个指标对应于第i类指标的系数，因此所构建的指标权重集可表示为Ai={ai1，ai2，，ain}。

对评价指标隶属度采用隶属度函数进行求解得到其备择集为V={V1，V2，V3，V4，V5}，其中vijk代表集合中第k个元素vik的隶属度，第i类指标的一级模糊关系矩阵可依据各分项指标对评价等级的隶属度进行构建，其表达式如下：

(2)

通过对比分析，本文采用柯西分布函数作为评价指标的隶属函数进行求解，计算公式如下：

(3)

式中，U(x)—隶属度函数；x、α—分别为指标值和函数参数。

若指标值属于评价标准Ⅱ～Ⅳ类中点时，则隶属度函数值为1；若指标值属于评价标准Ⅱ～Ⅳ类中点的临界点，则隶属度函数值为0.5；若指标值属于评价标准Ⅰ类左侧或Ⅴ类右侧，则隶属度函数只为1；若指标位于Ⅱ～Ⅳ类区间范围内，则参数函数可按下述公式计算：

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(4)

若指标位于Ⅰ类或Ⅴ类范围，则参数计算公式分别如下：

(5)

(6)

式中，xu、xi—分别为对应级别相应参数的上下边界值。

一级模糊评价集可通过对第i类指标的一级模糊综合评价进行求解，并采用普通矩阵法进行求解，计算公式如下：

Bi=Ai·Ri=(ai1，ai2，，aij，)=(bi1，bi2，bi3，bi4，bi5)

(7)

式中，Bi、Ai—分别为一级评语集和指标权重集；Ri—一级模糊关系矩阵。

结合上述计算结果可对各二级模糊综合评价集进行求解，公式如下：

(8)

1.4 权重计算

本文采用辽河流域相关管理人员和生态学专家咨询的方式对各评价指标的权重进行确定[11]，结果如表3所示。由表可知，保证河流生物生存和发展的必要条件和主要因素为最小生态基流满足率，其权重为0.35；而保证河床健康发展以及河道内动植物多样性的基本条件和指标为输沙平衡度指数与环境适宜度指数，其比重为0.2；维持生态系统正常循环的决定性伊苏为含沙量指数和断流指数，权重系数为0.1。综上所述，本文所选取的各指标权重系数与辽河流域客观实际状况具有较强的一致性。

表3 水文生态完整性评价指标权重

2 结果分析

分别选取了老哈河、东辽河、浑河、太子河、饶阳河等主要支流的8个水站进行水文相关数据的提取站点，主要包括对水温、河流流量、实测断面以及含沙量等数据进行选取，考虑到数据的真实性以及可获取性，参考辽河流域水文统计年鉴选取1990—2010年进行水文生态完整性评价研究，其中丰水年、枯水年以及平水年分别按照各年份的径流量进行划分。

2.1 数据统计

按照文中所述求解方法和各过程对各评价指标进行计算和求解，经过统计整理各指标数据结果见表4。

表4 各评价指标的计算结果

2.2 评价过程

对辽河流域水文生态完整习性利用模糊综合评价法和文中所述相关公式进行求解，依据各级别隶属函数，并结合各指标所属类别和指标数据进行求解，各一级模糊关系矩阵计算结果如图1所示，其关系矩阵计算结果为：

图1 一级模糊评价结果

利用上述结果可对各二级评价结果进行求解，如图2所示。由图2可知，评价结果为Ⅲ类即“一般”等级标准其隶属度最高，辽河流域水文生态完整程度按照最大隶属度原则可评价为“一般”水平。

2.3 结果分析

按照最大隶属度原则并结合一级评价结果可知，“一般”状态的最小生态基流满足率最大为0.755，由此说明该流域不能完全保证其最小生态基流。依据相关资料，该流域自21世纪以来降低了约25%，河流生物生存和发展空间随着工农业用水量的急剧增大以及生态用水的严重短缺而逐渐降低，其生物生存空间拥挤且最小流量得不到满足，因此水利管理相关部门应对其足够重视并采取必要的防护保护措施。断流指数隶属度最高为0.522，处于“较好”的水平等级，由此可造成动植物能量流中断、空间物质发展得不到保证并最终所引起的生态环境的严重破坏。环境适宜指数隶属最高值为0.286，属于较好的水平等级，而起流速指数为Ⅴ类级别即属于极差等级，由此表明该流域的水温适宜鱼类的繁殖和生存，而其流速状态不适宜生物的生存。通过实地考察和调查分析，辽河流域河道污染虽然较低但起整体仍处于较高的污染水平，生活垃圾的随意摆放以及工农业污水处理不达标排放等问题突出，河道的高污染水平不仅对鱼类及其他生物的生存发展带来严重威胁，而且可对河流的流速及水温带来不利影响；含沙量指数的隶属度最高值为0.401，由此表明辽河流域含沙量近年来的偏离程度较低。输沙平衡程度指数隶属度最高位0.982属于“较差”的水平等级，由此表明该流域的输沙极度不均衡，结合有关数据资料可知，该河道几年来一直处于泥沙淤积状态，并且在太子河下游区域的淤泥现象最为严重，河道治理相关部门有必要采取措施对淤泥进行处理并保证河道的通畅。