基于层次分析法的丹江流域河流健康评价

2019-01-08李晓刚薛雯朱敏

商洛学院学报 2018年6期

李晓刚，薛雯，朱敏

（商洛学院城乡规划与建筑工程学院，陕西商洛 726000)

从人类诞生以来，河流一直起着举足轻重的作用。但是在开发过程中也出现了水体富营养化、珍稀动物减少、断流或洪水漫淹等问题，从而使得河流生态系统逐渐退化[1]。国家十八大做出了“大力推进生态文明建设”的战略决策，正是对当前生态问题给出的准确判断和治理方向。对河流健康进行评价是发现河流生态问题的科学依据，是河流生态文明的建设的第一步。

西方国家在20世纪80年代提出了生态系统健康的概念[2]，河流健康概念也随之出现，并用生物完整性指数、河流无脊椎动物、溪流状态指数等指标对河流健康进行评价[3-4]。到21世纪以来河流健康研究则主要集中在北美地区、马来西亚等几个国家。我国河流健康评价的研究较少，主要集中在汾河、珠江、温榆河、纳谟尔河、大汶河等[5-10]。丹江流域是我国南水北调中线工程水源区，又是典型的山地型河流。目前对丹江流域地区的研究主要集中在水文状况、水污染治理以及土壤植被等方面[11-15]，对河流健康的整体评价尚属空白。本文运用层次分析法从河道自身、生态和社会经济三方面构建丹江流域河流健康评价体系，确定权重，建立隶属度矩阵，对丹江流域进行河流健康评价。

1 区域概况

丹江是汉江最长的一级支流，发源于秦岭，途经陕西和河南汇入丹江口水库。其干流全长433 km，流域面积16 812 km2，河流比降为4.75‰。季风性大陆性半湿润气候，多年平均流量 174 m3·s-1，多年平均径流量为 1.64×1010m3，多年平均输沙量181.9万吨，年平均含沙量 2.97 kg·m-3，水系径流的年际、年内变化明显，旱涝灾害发生频繁且具有一定的周期性。流域内土地松散，抗冲力差，水土流失较为严重，崩滑流等地质灾害频发。渔业资源丰富和生物资源较为丰富，植被有9个植被型、47个群系，脊椎动物共363种。沿途修建有二龙山水库、龙潭水库、鱼岭水库等六个水利设施，为丹江流域的防洪调蓄提供保障，也是集中式饮用水水源地。

2 丹江流域河流健康评价

2.1 评价体系的构建

根据国内外河流健康研究成果和山区河流的特点确立丹江流域河流评价指标体系，力求做到较全面地概括影响丹江流域河流健康的各类影响因子，为丹江流域后续研究提供有力支持。丹江流域的河流健康指数评估分为三个层次：第一层目标层，丹江流域河流健康综合指数，是对丹江流域健康评价的总结与归纳，是丹江流域河流健康状况的综合评价。第二层准则层，由B1河道自身状况，B2河流生态状况，B3社会经济服务三方面反应丹江流域河流健康状况。第三层指标层，确立C11径流年季变化，C12河流蜿蜒系数，C13河流比降等19个具体指标，直接反映丹江流域的河流健康状况（见表1）。

2.2 评价权重的确定

采用层次分析法进行指标权重的计算。首先设计丹江流域河流健康指标重要性比较调查表，其次邀请水文、水利、环境、生态和地理等方面的11位专家对评价指标体系中各层级中指标的重要性进行两两之间的相互对比，据此得出判断矩阵。在此基础上运用Matlab数学工具对各判断矩阵最大特征值和最大特征根所对应的归一化向量进行计算，并且对各个判断矩阵的合格性进行检验，最终确定各项指标的权重系数（表2）。

由表2可见，权重的分析评价分为两层，第一层为准则层B相对于目标层A的权重。根据层次分析法和专家对于指标的赋值得出准则层B的计算结果并对它的重要性进行排序：河流生态状况 B2(0.637)＞河道自身状况 B1(0.258)＞社会经济服务B3(0.105)，据排序可知，河流生态状况是准则层中最重要的一层，且河流生态状况 B2(0.637)权重大于河道自身状况 B1(0.258)和社会经济服务 B3(0.105)权重之和 0.363，重要性约占64%，即丹江河流健康评价体系中显得极其重要。

表1 丹江流域河流健康评价指标体系

第二层为指标层C相对于目标层A的权重。通过对数据的计算（见表2），得到指标层中各个指标的重要性比较，其中水污染对丹江流域健康评价的影响最为显著。本文的指标层中包含19个指标，这些指标所占的权重各不相同。将各指标权重与平均权重（1/n，n为指标个数）和1/2平均权重（1/2n）比较，可对指标重要性进行等级评价分析[8]。由表2可知，水污染C29（0.196）>河岸带植被 C23（0.140）>径流深度/径流量 C14（0.113）>水生植物C24（0.097）>流域人口（健康状况）C32(0.067)>径流年际变化和季节变化C11（0.066）>0.053（1/19，19个指标的平均值），可见这六个指标是影响丹江流域河流健康等级评定的重要的因子。在对丹江调控时应当着重治理水污染，并进行河岸带植被保护与增加植树。其次，珍稀生物C25（0.065）＞含沙量C21（0.043）＞河流横纵连通性C17（0.036）＞防洪调蓄C33（0.027）＞水体营养盐水平C26（0.0267）＝导电率C27（0.0267）＝土壤酸碱性影响C28（0.0267）＞0.0263（1/38），因此这七个指标对丹江河流健康状况有着较为重要的影响。在对丹江进行调控治理时要重视丹江流域生物保护、防洪调蓄等水利工程建设。再次，水域面积宽窄C15（0.019）＞冲淤状况C22（0.017）＞湿地C31（0.011）＞河流蜿蜒指数C12（0.009）＝河流比降C13（0.009）＝河床形态C16（0.009），说明这六个指标对丹江河流健康状况有影响，但相对来说影响不大，在丹江的河流管理中要注意对湿地进行保护。

2.3 隶属度矩阵的确定

为确保评价结果的准确性，丹江流域河流健康评价体系中的各项指标均采用专家打分评价与实地调查研究相结合的方法进行，而后确定隶属度矩阵。设计制作各项指标的等级评价打分表，由11位长期从事丹江流域研究的资深专家对丹江流域河流健康状况进行评价。将打分结果与冯民权等[14]对丹江流域水污染控制研究作对比、赵培等[15]对丹江流域的植物、土壤CNP研究作比较、李堆淑等[16]对丹江流域作物及其根际土壤重金属研究作对比，综合发现专家打分结果客观合理，可信度高。进而对打分结果统计整理，最终得出各项指标的隶属度矩阵（见表3）。

表2 丹江流域河流健康评价体系及其权重

2.4 丹江流域河流健康分层模糊评价

2.4.1 一级综合评价

式中：Bi是第i（i=1,2,…,5）个准则层的模糊评价，Wcim代表第i(i=1,2,…,5)个准则层下的第m个指标相较于准则层m的权重。

准则层“河道自身状况(B1)”为例：

本研究借助Matlab数学工具合成模糊算子。以B1层为例，可分别计算出其余指标的模糊综合评价矩阵R，并通过对计算所得结果汇总整理，生成由各个指标模糊运算结果组成的一级评价结果（见表4）。河道自身状况和河流生态状况为亚健康，社会经济服务为健康。

表3 丹江流域河流健康模糊综合评价隶属矩阵

表4 丹江流域河流健康一级指标评价

2.4.2 二级综合评价

二级综合评价即为准则层B相对于目标层A的权重和所计算的一级综合评价的结果所得的最终评价结果（见表5）。

根据二级评价结果并综合隶属度的评价原则，在这五个等级的隶属度中，指标RHI数值41.9%最大，故丹江流域大部分河段的河流健康状况水平为亚健康。

表5 丹江流域河流健康二级指标评价

3 讨论与结论

3.1 讨论

评价指标体系构建是河流健康评价研究的开端，体系建立的恰当与否直接关系到评价结果的准确性。健康的河流是自然属性与社会属性的协调统一，所以在准则层中设立了河道自身状况、河流生态状况和社会经济服务三类。指标层是直接测算丹江流域河流健康的依据，由于丹江流域主要在秦岭山区，因此在构建指标体系时着重考虑河流比降、径流变化、河床形态等自身特征，最终确定19个指标。

指标权重的确定尽可能降低主观因素的影响，故采用层次分析法。该方法可通过合格性检验对专家的权重比较进行复核校正。经计算水污染、河岸带植被、径流深度/径流量、水生植物、流域人口（健康状况）、径流年际变化和季节变化这六个指标是影响丹江流域河流健康等级评定的重要的因子。其中水污染指标权重达到0.1956，远远超过19个指标的权重平均值，说明该指标是丹江流域河流健康评价的首要因子。这与寻乌水河[7]和温榆河[8]研究结果是一致的，因为水污染直接关系到河流健康的生态状况，还可能对其它平行指标构成间接影响，如水生植物、珍稀生物等。

丹江流域河流健康评价结果显示19个指标层中10个属健康、7个属亚健康、2个属疾病。3个准则层中河道自身状况和河流生态状况评价为亚健康，社会经济服务为健康。最终目标层河流健康综合评价结果显示结果为亚健康状态。分析指标之间的自然属性和相关关系可以发现丹江流域河流健康问题主要集中在两方面：一是由水域面积宽窄、河床形态和河流横纵连通性3个指标反映出的丹江流域河堤破旧，拦截泥沙的能力弱，且防洪能力差、水土流失严重问题；二是由水生植物、珍稀生物、导电率、土壤酸碱性影响、水污染和湿地6个属疾病的指标反映出的丹江流域水环境遭到破坏、珍稀动植物缺少问题。建议丹江流域水利各部门和沿线居民借国家生态文明建设之东风，加强流域人口河流保护的思想建设，涵养水源增强其防洪蓄水能力，减少受污范围，保障南水北调中线丹江水源地的水质健康，为珍稀生物的繁育生存提供良好的水环境。