河流生态系统健康评价指标体系及权重的研究

郑 保，罗文胜

(湖南省岳阳市水利水电勘测设计院，湖南 岳阳 414000)

河流生态系统健康与人类活动、社会和经济的发展以及生态环境等是息息相关的，是区域水平上的环境安全、资源安全和经济安全的有机统一。一个河流生态系统健康应该是组织结构合理，运转功能良好，能量的流动和物质的循环在系统内部是未受到损害的，对突发的或长期的，人为的或自然的扰动都能够保持稳定性和弹性以及一定的自愈的能力，河流生态系统的功能展现出复杂性和多样性，所有受益者的合理目标和要求能够得到满足，能够根据区域发展需求，保证不同区域均衡发展，水资源分配和利用更加合理，同时生态环境能够得到改善。其内涵是动态变化的，在不同的空间尺度和不同的时间尺度具有不同涵义[1]。

生态指标体系( Ecological indicator system, EIS)是评估、监测和管理生态系统的一种实用的工具和有效的方法，它的构成包括一系列有一定层次结构的指标，这些指标用来代表生态系统复杂的结构、成分和功能及相互之间的联系，体现生态系统的完整性和层次性[2-4]。对于任何多指标评价系统，各个评价指标之间的相互重要程度是不相同(即指标权重互不相同)的，不同的指标权重对应的评价结果不一样，故合理地确定指标权重对任何评价系统都十分重要[5]。

本研究以层次分析法作为分析理论的框架，在归纳总结了熊文[6]等学者提出的河流生态系统健康评价指标体系的基础上，以层次分析法原则做了德尔菲问卷调查，将专家答卷调查结果运用Exper Choice软件进行了分析计算，得到了各相关指标在区位选择决策过程所占的权重值以及各项区位指标要素的优先级，为管理者对河流生态系统健康状况的建设、管理和评价提供了参考依据，同时还可以评估健康受到破坏的河流生态恢复的成效，从而提高管理决策能力。

1 河流生态系统健康评价指标体系层次结构构建

熊文[6]等学者根据国内外主要江河水生态与水环境保护研究成果，在分析和研究重要河流生态健康评价实践的基础上，综合考虑河流生态系统的恢复力、活力、功能和组织结构以及河流生态系统层级性、动态性、多样性和局限性，从河流的水文水资源状况、水环境状况、水生生物及生境状况、水资源开发利用状况等4个方面筛选17项关键指标，本研究建议将水资源状况下指标层级生态用水配置程度归入生态基流指标中，指标体系如图1、表1。

图1 河流生态系统健康评价指标体系图

指标分类指标名称指标说明水文水资源状况地下水埋深评价范围内地表至浅层地下水水位之间的平均垂线距离地下水开采年平均地下水实际开采量与年均地下水可开采量之比生态基流维持河流基本形态和基本生态功能,避免河流水生生物群落遭受到无法恢复破坏的河道内最小流量,及生态用水配置保障程度水环境状况水功能区水质达标率水功能区水质达到其水质目标的数量(河长、面积)占水功能区总数(总河长、总面积)的比例湖库富营养化指数评价湖泊、水库水体富营养化程度饮用水源地水质指数以《地表水环境质量标准》(GB3838-2002)、《生活饮用水卫生标准》(GB5749-2006)为基础,结合饮用水安全保障的要求,进行综合调整,提出的综合评价标准和水质分级指数,客观反映饮用水源地水质状况水生生物及生境状况纵向连通性在河流系统内生态元素在空间结构上的纵向联系横向连通性具有连通性的水面面积或滨岸带长度占评价水体的比值珍稀水生生物存活状况珍稀水生生物或者特征水生生物物种存活质量与数量的状况湿地保留率指某区域或流域的湿地面积所占土地面积(含水域面积)的比例。具体体现对河流湿地调蓄洪水的能力,资源的保护状况,景观、生态和人类生存环境状况等生态需水满足程度指天然最小流量与维持河流水沙平衡、水生生物生存和河口生态、污染物稀释自净所需要的最小流量之比。反映河道内水资源量满足生态保护要求的状况涉水自然保护区状况定性评价涉水自然保护区保护状况涉水景观保护程度定性评价自然或人工形成的,因其独特性、多样性而具有景观价值并以水为主体的景观体系保护程度鱼类生境状况国家重点保护的、珍稀濒危的、土著的、特有的、重要经济价值的鱼类种群生存繁衍的栖息地状况水资源开发利用状况水资源开发利用程度指区域或流域已开发利用的水资源量与水资源总量之比。反映区域或流域内水资源开发利用的程度以及经济社会发展与水资源开发利用的协调程度水能开发利用程度指区域或流域已开发利用的水能资源量与水能资源技术可开发量之比。反映流域内水能资源的开发利用程度

2 河流生态系统健康评价指标权重的确定

2.1 AHP方法原理

层次分析法[7](AHP)是美国学者T. L. Saaty 于1970-1979年间提出的,它运用1-9标度把人的主观判断进行了客观量化,将定性问题进行定量分析,是一种简单实用的多准则评价方法。层次分析法为管理决策者提供了用一个简单的结构层次形式解决复杂的问题的方法。

利用层次分析法原理确定权重集[8]

A={A1，A2，…，An}

(1)

其步骤为：

1)设计德尔菲专家问卷，通过问卷在每一层次上，对该层指标进行逐对比较，构造两两比较判断矩阵为

(2)

因素x1，x2，…，xn，每次取两个因素xi，xj。正数aij表示xi与xj的重要性程度之比，由Saaty提出处的1-9标度法确定，见表2。

表2 标度及其描述表

其中矩阵为互反矩阵的条件：aij>0,aij=1/aij，aii=1。互反矩阵的性质是对一个n阶判断矩阵仅需给出其上三角(或下三角)的n(n-1)/2个元素就可以了(只需要做n(n-1)/2个判断即可)。

2)检验每个矩阵的一致性。可采用Matlab软件中[v,d]=eig(a)函数计算最大特征根λmax

一致性指标为

(3)

一致性比例为：

(4)

其中R.I.为平均随机一致性指标，其值可以通过查表3得出。

表3 平均随机一致性指标表

(5)

当C.R.不可接受时应当对矩阵做适当修正。

3)解判断矩阵,得到权重向量。本研究采用根法计算权重其法如下[9]：

(6)

所得的W经归一化后可作为权向量记作：

W=(w1,w,…,wn)T

(7)

4)计算各元素对目标层的合成权重。计算合成权重要从上到下每个层级一一计算，将单评价准则下的权重进行合成，然后对其进行一致性检验(检验方法与步骤3相同)。

2.2 问卷设计、发放与回收及一致性检验

问卷设计、发放与回收。每一层级要素在上一层级的某一要素作为评估准则下，进行两两成对比较，在1～9的标尺下，让选择的专家或决策者填写问卷。以回收的专家A的填答问卷为例，来说明各评价指标的相对重要性，用矩阵表示如表4所示。

同样水文水资源状况、水环境状况、水生生物及生境状况、水资源开发利用状况4个重要层面下的各评估准则也仿照上例分别设计具有成对比较矩阵的问卷。本研究的德尔菲问卷针对对象包括：生态学、水利学、教育学专家，相关政府机构人员四大群体。问卷以邮寄、电子邮件的形式寄发20份调查问卷，回收问卷10份(以专家A、B、C、D、E、F、G、F表示)，回收率为50%。

本研究通过Expert Choice软件对每对偶矩阵的一致性进行检验。专家A问卷填答第一层级指标的检验结果如图2所示。

表4 问卷设计样例表

图2 专家A的问卷填答与检验图

Expert Choice软件计算结果的矩阵中水环境状况指标下的红色9表示水文水资源状况相对水环境状况的权重为1/9(水环境状况比水文水资源状况极重要)。同理，黑色的含义与红色含义代表的意义相反。其中不一致比例incon与C.R.意义一致。incon=0.03<0.1，固问卷调查的此层级是收敛的。

由此可以得到两两比较判断矩阵为：

采用ExpertChoice软件计算得到第一层级指标在目标层下的权重分配如图3所示。

如果C.R.不收敛时，应当对调查的问卷逐一分析找到不收敛的原因，将信息反馈给专家，让专家重新填写问卷，直到问卷收敛为止。

同理，水文水资源状况、水环境状况、水生生物及生境状况、水资源开发利用状况四大层级下的指标权重的计算方法与第一层级指标的计算相同。

最后计算各指标对目标层的合成权重并进行整体一致性检验，计算结果如图4所示。

整体一致性incon=0.03<0.1说明此问卷收敛。如果不收敛，应当对问卷进行分析找出不一致性的原因，回馈给专家，直到问卷收敛为止。

2.3 综合问卷确定权重

根据以上章节的方法对专家(A、B、C、D、E、F、G)的问卷一致性进行检验，使得每个专家的问卷收敛在合理的范围内。最后得到各个层级在总目标层下的合成权重，以专家A为例进行说明，如图5所示。

图5 各个层级指标在总目标层下的合成权重图

由图5可知专家A对水生生物及生境状况评价最高为45.7%，其余依次是水环境状况、水资源开发利用状况、水文水资源状况，第二层级中水功能区水质达标率和生态需水满足程度占得比例最大都为20.1%。

其余专家的问卷计算方法与专家A的计算方法一致，最后成果形式与图5类似。在分析统计完各个专家的指标权重值以后，本研究以等比量表几何平均数的计算方法，计算出四大层面与各层面下的指标相对于目标层的平均权重值如表5所示。

由表5分析可知，依据最后几何平均数统计结果显示，各专家对水生生物及生境的评价最高为60%其余依次是水环境状况26.7%、水资源开发利用状况6.7%、水文水资源状况6.6%。对于评估内容中各专家对生态需水满足程度评价最高为21.5%，其次是涉水自然保护区状况12.7%，水功能区水质达标率10.7%，饮用水源地水质指数8.9%等。在河流开发和建设程中，以上计算的层级各个指标的权重，可为建设管理者提供决策依据。

表5 河流生态系统评价指标体系权重及优先等级表

3 结论及建议

本研究以河流生态健康为总目标，从河流生态系统的开发利用和可持续发展理念出发，总结熊文等学者的研究成果基础上，提炼出了河流生态系统健康评价关键指标，构建了河流生态系统健康评价指标体系，此指标体系融合了生态类、物理化学类、环境类、生物类和人文类等众多专业指标属于综合性评价体系。在指标体系的建立过程中，虽然选取了多专业的能全面代表河流生态健康化水平的指标，但是指标的全面代表性，具体到每个地区，每条河流情况是不同的，有待我们去调查和研究。

通过利用AHP专家决策软件Expert Choice对构建的河流生态系统健康评价指标体系权重进行了计算，结果表明：水生生物及生境是河流生态健康建设过程中应当考虑的重点。河流生态健康建设过程中要注重河流的生态需水要求，涉水自然保护区状况，同时兼顾水环境状况，注重水功能区水质达标率、引水水源地水质指数等。河流生态系统健康评价指标体系的权重不仅为生态河流健康的建设提供了参考依据，而且还为河流的生态建设指明了方向。不同地区的河流生态健康情况不同，本研究所采用的指标体系权重并不代表河流生态健康评价体系的最终权重，不同地区的河流生态健康还需要按实际情况对指标进行修改和筛选重新确定权重。