基于HDE的流域生态系统健康评价方法及应用

王徐洋，李阿龙，张浩然

(华北水利水电大学 水利学院，郑州 450046)

0 引 言

自然生态系统为人类提供了赖以生存和发展的物质条件和生态服务，维持生态系统健康是实现人类社会经济可持续发展必不可少的前提。在全球社会经济高速发展导致生态系统健康状况日益恶化的严峻形势下，生态系统健康及其评价研究不仅丰富了现代生态学的研究内容，而且具有重要的应用价值，已成为当前生态系统管理的重要内容[1]。从流域系统出发，评价系统的健康状况在促进流域生态系统建设及稳定发展等方面具有重要意义[2-3]。

生态系统概念最早出现可以追溯到苏格兰地质学家James Hutton提出的地球是一个综合系统的概念[4]。Rapport[5]最先阐述了生态系统健康的含义，认为一个生态系统所具有的内在潜能能够保持它的状态稳定和自我修复能力。Schaeffer[6]认为一个健康的生态系统不应该超过它的功能极限。

流域生态系统健康意义重大，健康评价研究是流域生态系统健康研究的关键问题，是健康管理的重要技术支撑。目前，关于流域生态系统健康评价，国内外学者都展开了大量研究。美国对新泽西内流域进行评价，把流域划分成6个层次逐一打分，具有一定的实用性和代表性。加拿大从水质、水量、经济因素等几个方面开展对流域健康的评价和保护。国内针对流域生态健康评价的研究也取得了一定的进展，2002年，刘建军[7]把小流域作为评价单元，以PRS指标为基本框架，通过GIS技术对小流域单元的健康状况作出评价。2003年，刘国彬[8]利用层次分析法，选取了包含农田面积、粮食单产在内的多个指标，定量分析了安塞纸坊沟生态系统恢复的过程。流域生态健康评价在我国还不够普及，目前主要集中在对河道水质的监测，需要更多的专家学者不断研究丰富其应用。

清水河是宁夏境内汇入黄河的第一大支流，起源于固原市原州城区，全长320 km，清水河流域开发历史悠久，有着丰富的水资源哺育着广大人民。但是近年来人类社会活动对生态环境产生了较大影响，如水土流失严重、水质污染、植被破坏等严重影响了清水河流域的生态系统健康，也因此受到政府和社会的广泛重视。本文选取清水河流域作为典型流域，对生态系统健康进行评价。

1 研究方法——和谐度方程(HDE)

左其亭教授2009年在《和谐论的数学描述方法及应用》中把研究“和谐”行为的理论和方法统称为和谐论，并且把它进一步定义为“和谐论是研究多方参与者共同实现和谐行为的理论和方法”[9-10]。此后，又提出了和谐度方程，构建了以和谐论量化研究为主的和谐论理论方法体系。和谐度方程是和谐论量化研究的重要基础，在2015年被英文期刊《The Scientific World Journal》注释称为“Zuo harmony degree equation”(左氏和谐度方程)，简称HD方程[11]。自提出和谐度方程以来，由于它具有简便性和灵活性等优点，已经出现在众多领域。如应用于流域人水关系和谐程度评估问题[12]；水资源优化配置问题[13]；河流分水问题[14]以及水资源管理配置问题等方面[15]。和谐度方程具有的优点使其能够处理生态系统健康评价存在的问题，因此本文提出基于HDE的健康评价方法体系，并在清水河流域开展应用，以期为流域生态系统健康评价提供新的思路和方法。

1.1 和谐度方程表达式

和谐度方程表达式为:

HD=ai-bj

其中:HD为和谐度，是表示和谐程度的指标，HD∈[-1,1]；a为统一度，表示和谐参与者按照相应的和谐规则具有“相同目标”所占的比重；b为分歧度，表示和谐参与者按照相应的和谐规则和目标存在的分歧情况所占的比重，a，b∈[0,1]且a+b≤1；i为和谐系数，反映的是和谐目标的满足程度；j为不和谐系数，反映的是和谐参与者对分歧现象的重视程度，i，j∈[0,1]。

1.2 和谐度方程参数确定方法

1) 统一度a：a=φ(A1，A2)，式中φ(A1，A2)是和谐行为A1，A2之间关联程度的隶属度，通常建立线性函数来计算[9]。

2) 分歧度b：分歧度b与统一度a是对立的，二者表达意思相反，并且a+b=1，所以b=1-a。

3) 和谐系数i：i反映的是和谐目标的满足程度，完全满足时，i=1；完全不满足时，i=0；其他情况在0～1之间，可以通过目标满足程度函数图像来求解。

4) 不和谐系数j：和谐方存在分歧现象是正常的，分歧度b通常不为0，不和谐系数j是为了表明和谐方对分歧现象的反对程度。j=1，表示完全反对；j=0，表示完全不反对。j的确定有多种方法，可以依据分歧度确定不和谐系数的函数曲线，或者依据和谐方对分歧现象的反对程度给出不和谐系数。下面列举几种关于j和b的函数曲线，可供参考，见图1。

图1 和谐系数i函数曲线示意图

5) 确定指标权重wk：指标权重的大小是反映各个指标在指标集合中的重要程度，但是往往由于量纲不同导致权重不能直观判断，需要采用专门的权重确定方法如专家调查法、等权重法、层次分析法等。

6) 根据求得的a,b,i,j的值，按和谐度方程HD=ai-bj求出单因素和谐度HD。再根据权重，采用加权平均法计算多因素和谐度方程：

式中:HD为综合和谐度，HD∈[-1,1]；wk为权重，wk∈[0,1]。因和谐度方程参数选取较为灵活，详细计算参阅文献[9]。

1.3 和谐度方程评价方法

目前，常用的和谐度方程评价方法有分类等级评价和综合程度评价两大类。分类等级评价是按照判别等级的标准来对评价对象进行评价，评价结果以分类或者分等级形式呈现。综合程度评价是对有代表性的各要素进行归纳和计算，得到一个能表征评价对象整体特征和性能的指标，通过对比该指标的评判标准来确定最终评价结果。

虽然上述两种方法的适用条件和思路不同，但是其采取的评价一般步骤大体一致，即：①确定评价目的，据此选择合适的评价指标；②确定评价的标准；③确定各指标权重；④按照实际需要选择合适的评价方法；⑤计算结果，分析合理性。

HDE评价方法是通过计算和谐度大小作为综合评价值来得到分类等级评价结果或是综合程度评价结果。本文采取综合程度评价，计算的和谐度值表示的是“评价对象”与“综合最优”之间的和谐程度。根据和谐度值确定综合程度评价结果，为了表述方便，人为划分等级。比如，根据定性描述习惯，对HD值在[0,0.2)、[0.2,0.4)、[0.4,0.6)、[0.6,0.8)、[0.8,1)分别定义为极差、较差、一般、较好、很好5个等级，本文在实例中对此进行描述。

1.4 针对“综合程度评价”的和谐度方程评价流程

1) 确定评价指标、指标标准及节点标准。

2) 确定单因素和谐度。根据求得的a,i,b,j的值用和谐度方程求得。

3) 计算出权重。采用层次分析法求得。

4) 确定综合和谐度。依据单因素和谐度和权重采用加权平均法求得。

5) 确定评价结果。通过对比评价指标标准求得。见图2。

图2 和谐度方程评价流程

2 清水河流域生态系统健康评价

2.1 评价指标数据

选择清水河流域(原州区段)原州城区、寨科乡、开城镇3个控制断面，于2013-2014年对其进行调研监测，收集汇总数据，建立评价指标体系。评价指标体系建立要遵循系统性、客观性、科学合理性、可操作性等原则[16]。本文将流域健康评价指标体系分为目标层、准则层和指标层3个层次。其中：

1) 目标层：是对流域健康评价指标体系的高度概括，代表要达到的预定目标，这里的目标层是指流域生态系统的健康状况。

2) 准则层：是指从不同方面反映流域健康状况程度，包括生境结构、水生生物、生态压力3个方面。

3) 指标层：是在准则层下选择若干指标构成。这里选取水质状况指数、枯水期径流量占同期年均径流量比例、河道连通性、大型底栖动物多样性综合指数、鱼类物种多样性综合指数、特有性物种保持率、水资源开发利用强度、水生生境干扰指数等8项指标来进行生态系统健康评价。本文采用的数据绝大部分为公开出版的数据资料，部分资料直接来源于国土资源、环境保护、水利等部门的内部资料，因此这些数据具有可靠准确性，具体数据见表1。

表1 清水河流域3个控制断面评价指标体系和数据

2.2 评价等级指标标准

根据指标层不同指标的等级标准，依据环保部《地表水环境质量评价方法》、《河流生态调查技术方法》等要求将指标层8项指标划分为差、较差、一般、良好、优秀5类，具体划分见表2。

表2 清水河流域生态健康评价相关指标及其标准值

2.3 评价指标和谐度参数计算

2.3.1 统一度a的计算

统一度a表示和谐参与者在一定的和谐规则要求下，具有“相同目标”所占的比重，根据表1和表2，建立相关的线性函数图像求a的值如下：

水质：

径流量占比：

连通性：

动物多样性：

将指标数据代入上述公式，求出a值。同理，可得到其余4组指标的a值，计算结果见表3。

2.3.2 分歧度b的计算

分歧度是和谐参与者按照规则和目标产生的分歧情况所占的比重，与和谐度相反，b=1-a，代入数值计算结果见表3。

2.3.3 和谐系数i的计算

i反映的是和谐目标的满足程度，通过目标满足程度函数图像来求解，如下：

水质：

径流量占比:

公式与求统一度a公式相等，计算求得i值与a值相等，因此取i=a。代入数值计算结果见表3。

2.3.4 不和谐系数j的计算

j反映的是和谐参与者对存在的分歧现象的重视程度，根据具体问题取值。本文根据分歧度函数图像取j=b，代入数值计算结果见表3。

表3 评价指标和谐度计算各参数的值

续表3

2.4 确定各指标和谐度

将各参数的值代入公式HD=ai-bj，得到各指标的和谐度，见表4。

表4 各指标和谐度值

2.5 确定权重

由于清水河流域各单项指标对系统健康的影响程度不同，为了避免片面性和主观性，采用层次分析法来确定权重，通过对各因素进行分析、比较和计算，得到指标层对于目标层的权重。由于本文要与运用综合指数法评价的结果[17]进行对比，所以为了控制变量，使对比结果更加客观，采用同综合指数法相同的权重进行计算，见表5。由于开城镇、原州城区和寨科乡分别位于清水河流域(原州区)的上游、中游和下游，间隔距离较远，具有同等作用，对清水河流域生态系统健康评价的影响相当，因此按照等权重来计算，3个断面权重均为0.33。

表5 各指标权重

2.6 确定和谐度

表6 各断面和谐度值

根据3断面等权重法，把3断面和谐度经过加权平均，计算得到最终清水河流域生态系统健康评价的和谐度为0.5。

2.7 确定最终结果

运用和谐度方程得出清水河流域生态系统健康和谐度值为0.5，根据和谐度节点划分等级表(表7)，确定最终整体生态健康处于一般状态，将此结果与综合指数法求得结果进行对比分析。

表7 生态系统健康和谐度划分标准

2.8 评价结果对比分析

通过将和谐度方程评价所计算的结果与运用综合指数法进行清水河流域生态系统健康评价的结果[17]进行对比，发现二者结果相同，均显示清水河流域(原州区段)生态系统健康处于一般状态，对于各单项指标的好坏也均有所体现。但是综合指数法要求原始资料必须齐全，需要更多的指标划分情况和对应的数据资料，并且要求各指标必须为同向指标，如果不同向，必须要进行同向处理，有时会给实际操作带来困难。而HDE评价方法简便易懂，根据不同实际情况采取不同的i，j值，得到不同的评价计算结果，体现了HDE评价方法极大的灵活性，避免了综合指数法“一锤定音”的现象，虽然该方法有较大的人为因素，但这也正是灵活性的表现。因为综合指数法本身存在比较大的模糊性，不容易用一种确定性的模式去评价不同问题，需要根据具体问题选择更合适的、更灵活的方法，这正是HDE评价方法的优势所在。因此，通过对比发现，HDE方法更能适用于不同问题，具有更强的灵活性，要优于综合指数法。

3 结 论

1) 流域健康评价正在成为生态学热点之一，本文采用了HDE评价方法对清水河流域生态系统健康进行评价，结果显示生态健康系统处于一般状态。存在的问题主要包括：水质污染造成的水环境问题、乱丢垃圾造成的固废污染、人类活动造成的生态功能退化、水资源短缺开发强度大等问题。有必要采取对污水处理进行规划和管理、控制人类活动以减轻对生态的破坏、提高水环境治理水平、提高水资源利用效率等一系列措施来解决问题，提高该流域的生态健康水平，维持生态系统稳定。不同断面不同指标之间存在较大差异，对于原州城区来说，由于城镇工业企业排放废水以及生活污水的排放造成了水质污染，导致水质状况很差，对生物多样性和物种保持率造成较大伤害，在干流建坝对生态环境也产生了一些负面影响。对于寨科乡，整体健康状态较好，除了枯水期径流量和物种保持率较差外，其他方面都处于不错的水平，尤其在水质、水资源开发利用和水生生境干扰3方面最优。开城镇健康状态整体不均衡，还需进一步改进。

2) 通过与综合指数法对比得出，HDE评价方法完全符合一般评价方法的思路，既适用于单因素评价，又适用于多因素的评价，应用范围广，操作性强，可应用于处理生态系统健康评价的问题中。该方法考虑到评价指标、指标标准以及权重等不同特性，同时又可根据实际问题选取不同参数来进行计算评价，体现出该方法具有很强的灵活性，这正是HDE评价方法的优势，可以推广应用于一般综合评价工作中。