基于灰色关联分析法的辽河保护区河流水生态健康评价

李海霞，韩丽花，蔚青,2，王育鹏，段亮，徐笠,2*

1.北京市农林科学院，北京农业质量标准与检测技术研究中心 2.农产品产地环境监测北京市重点实验室 3.安徽农业大学资源与环境学院 4.中国环境科学研究院水生态环境研究所

河流水生态系统是生命之源，是生物圈物质循环、能量流动和信息传递的重要通道，具有改变地表形态、净化水质、调节气候、改善生态环境和维护生物多样性等重要作用；河流还为人类提供了农田灌溉、排洪、航运、渔业、水利发电、生产生活用水和休闲娱乐等一系列社会功能，其健康状况对自然生态系统和社会服务系统都具有重要影响[1-3]。近年来，随着我国经济社会的快速发展，城市化进程的不断加速以及人口数量的快速膨胀，人类活动对辽河流域河流的干扰不断加剧，改变了河岸带原有结构，扰乱了河流流态与水文循环过程，导致许多河流出现径流量减少、水系恶化、水体富营养化加重、河流功能下降和生物多样性损失等问题，对人类的生存和发展构成威胁。选择合理的指标与评价方法，建立科学的评价体系，对河流水生态健康状况进行评价成为当前研究的热点之一。

北美和西欧等发达国家较早出现河流污染问题，因此在河流健康评价方面的研究也开展得较早，研究人员从最初仅仅考虑理化(物理、化学和生物完整性)指标的单一思维，逐渐转向对河流生态系统进行全面综合的评价[4-8]，目前在河流水生态健康评价方面已基本形成一套较完整的体系。国内对河流健康研究起步较晚，部分学者参考国外的研究成果，针对不同河流的实际情况，在河流水生态系统健康评价指标选取、评价方法和健康标准等方面做了很多探索[9-12]，但与国外的研究水平相比仍存在一定差距，尤其在河流水生态系统健康的表征框架、评价方法、评价标准以及多时空尺度的联系等方面还有待进一步提高。

从评价原理看，河流健康评价大致分为预测模型法和多指标评价法。预测模型法最大的缺陷在于主要通过单一物种评价河流健康状况，并且假设河流的任何变化都会反映在所选物种的变化上，一旦出现河流健康状况受到破坏且未反映在所选物种变化的情况，评价结果就无法反映河流的真实状况[13]。灰色关联分析法依据不同因素间发展趋势的同异程度进行评价，适用于数据量较少，各因素间关联未知的系统，可将其作为衡量河流不同因素之间关联程度的一种方法[14]。笔者基于辽河保护区河流的实际情况，构建了由河流自然形态状况、水质状况、底质状况、水生生物及生态环境状况四大类共20个指标组成的河流水生态健康评价体系，参考现有标准规范及专家评判确定评价标准，基于灰色关联分析法，对辽河保护区水生态健康进行综合评价，以期为辽河保护区水生态环境建设与目标管理提供科学依据。

1 研究区概况

辽河流域是我国七大河流之一，流经河北、内蒙古、吉林、辽宁4省(区)。2007年辽河流域被列为重点示范流域，2010年3月划定了国内第一个大型河流保护区——辽河保护区，对保护区实行全线封闭保护，实施禁牧、禁渔、禁采、禁伐，对辽河干流流域进行一站式综合治理。辽河保护区全长538 km，总面积为1 869.2 km2，起始于东、西辽河交汇的铁岭昌图县福德店，终止于盘锦入海口，涉及铁岭、沈阳、鞍山、盘锦4市(图1)。辽河保护区地处辽河平原，农田面积占比较大(41.22%)，河流两岸村庄遍布，分布有较多的农业人口(29.8万人)。保护区干流接纳了铁岭、沈阳、鞍山和盘锦沿途城市的工业废水和生活污水。

图1 辽河保护区概况Fig.1 General situation of Liaohe Conservation Area

2 辽河保护区河流水生态健康评价方法

2.1 指标体系建立

遵照科学性、层次性、代表性、可操作性和定量与定性相结合的原则，结合辽河保护区水质的实际情况，最终确定构建目标层、准则层和指标层3个层次的评价体系进行综合评价(表1)。第1层为目标层(A)，为辽河保护区河流水生态健康综合评价，全面反映河流水生态健康状况；第2层为准则层(B)，从自然形态状况(B1)、水质状况(B2)、底质状况(B3)、水生生物及生态环境状况(B4)4个不同侧面反映河流水生态健康状况水平；第3层为指标层(C)，由河岸稳定性(C1)、河床稳定性(C12)、水系连通性(C13)、河道弯曲程度(C14)、溶解氧浓度(C21)、化学需氧量(C22)等20个指标组成。

2.2 评价标准与数据来源

根据辽河保护区自身特点，参照历史数据和相关标准，将辽河保护区河流水生态健康评价标准分为优秀(Ⅰ级)、良好(Ⅱ级)、中等(Ⅲ级)、不健康(Ⅳ级)、病态(Ⅴ级)5个等级(表1)。对于定量指标，直接给出具体数值；对于定性指标，则根据文献查阅和专家咨询，现场定性打分描述。

表1 河流水生态健康评价指标体系、评价标准及数据来源

(续表1)

收集了包括河流自然状况、水质、底质、水生生物和土地利用等方面的数据，数据来源包括现场调查、实验室检测与分析、文献与资料(辽宁省统计年鉴、水资源公报及防洪规划等)查阅和专家咨询等。河流自然形态、水质、底质、流域植被覆盖率数据均为2018年数据，由于着生藻类、底栖动物和鱼类数据获得较困难，因此采用2011—2016年数据。

2.3 层次分析法确定指标权重

美国运筹学家Saaty于20世纪70年代提出一种定性与定量相结合的系统、简变、灵活的分析方法——层次分析法(AHP)[24]。本研究采用层次分析法，基于辽河保护区相关数据，通过构造判断矩阵，进行权重计算及一致性检验，得到准则层相对于目标层的权重和指标层相对于准则层的权重，结果如表2所示。

表2 不同层权重计算结果

(续表2)

2.4 灰色关联度分析评价

多层次灰色关联综合评价法[25]将河流水生态健康评价体系分为3个层次自下而上依次进行评价：先对20个指标分别进行评价，再对自然形态状况、水质状况、底质状况、水生生物及生态环境状况4个子系统进行评价，最后汇总得出河流水生态健康综合评价。

2.4.1确定参考数列和比较数列

确定参考数列为xij〔i为准则层下各要素(指标类别)包含的评价指标个数，i=1，2，…，n；j为准则层下要素的个数，j=1，2，3，4〕，确定比较数列为yik(k为评价指标的等级，k=1，2，3，4，5分别代表评价等级Ⅰ级、Ⅱ级、Ⅲ级、Ⅳ级、Ⅴ级)。

2.4.2数列的归一化处理

由于选取的不同评价指标的量纲不同，且数量级相差较大，需消除不同评价指标量纲对结果的影响。采用初始化方法将原始指标数列和等级标准数列进行规范化处理，将其归一化至[0，1]区间。对数列xij、yik进行归一化处理时，存在越大越优型和越小越优型2种关系，对应采用不同的变换公式。

当指标为越大越优型时，采用如下公式：

(1)

(2)

当指标为越小越优型时，采用如下公式：

(3)

(4)

2.4.3求解关联系数和关联度

由参考数列yik中取任意一个指标向量，同比较数列xij组成数列矩阵，求取各向量间对应的绝对差值〔Δij(k)〕，即

Δij(k) = |xij′-yik′|

(5)

对Δij(k)组成的数列进行分析，找出矩阵中min min Δij(k)和max max Δij(k)，分别记为Δ1和Δ2，则关联系数〔ξij(k)〕的计算公式为：

(6)

式中：ρ为权重系数。

通过关联系数，即可得到比较数列与参考数列中各向量间的灰色关联度。计算公式为：

(7)

式中：Rjk为准则层j对评价等级k的灰色关联度；wi为准则层下各要素的权重。

2.4.4评价结果的分析

根据关联度最大原则，Rij越大，表示参考数列i与比较数列j的关联性越好。

3 辽河保护区河流水生态健康评价结果与分析

3.1 指标层的灰色关联度及评价结果

通过式(1)～式(7)，基于辽河保护区相关数据，计算指标层各指标与水生态健康评价5个等级的灰色关联度，结果如表3所示。由表3可知，根据关联度最大原则，自然形态状况中，河岸稳定性(C11)、水系连通性(C13)评价等级处于良好；河床稳定性(C12)处于中等，说明河床还不稳定，存在冲淤现象。水质状况中，溶解氧浓度(C21)的评价等级处于优秀，化学需氧量(C22)和总磷浓度(C25)处于中等；而总氮浓度(C24)较高，处于病态，说明总氮浓度严重超标，在后续治理和管理中应重点关注。底质状况(B3)评价等级总体处于优秀，其中Cd潜在生态风险(C34)处于良好，在后续治理中应重点关注Cd浓度的变化。水生生物及生态环境状况中，底栖动物完整性(C41)和流域植被覆盖率(C44)评价等级处于优秀，鱼类多样性指数(C42)和着生藻类多样性指数(C43)处于中等。总体来讲，近年来辽河保护区水质已得到明显改善，水体主要污染物浓度均呈显著下降趋势，这说明自辽河保护区划定以来，实施的一系列污染治理措施取得了一定成效。

表3 辽河保护区河流水生态健康评价指标层与5个等级的灰色关联度及评价结果

3.2 准则层、目标层的灰色关联度及评价结果

由指标层的评价结果，计算得到准则层各要素与水生态健康评价5个等级的灰色关联度，在此基础上，结合准则层各要素的权重，计算得到目标层与水生态健康评价5个等级的灰色关联度，结果如表4所示。

表4 辽河保护区河流水生态健康评价准则层和目标层与5个等级的灰色关联度及评价等级

由表4可知，根据最大隶属度、最大关联度和最大联系度原则，基于灰色关联分析法，辽河保护区河流水生态健康综合评价(A)的灰色关联度为0.727 7，评价等级为中等。准则层中，自然形态状况(B1)灰色关联度为0.868 4，评价等级为中等；水质状况(B2)灰色关联度为0.691 2，评价等级为中等；水生生物及生态环境状况(B4)灰色关联度为0.750 4，评价等级为中等；底质状况(B3)灰色关联度为0.968 6，评价等级为优秀。可见，辽河保护区河流沉积物重金属污染较轻，但在河流自然形态、水质、水生物及生境方面存在问题，后续需加强治理。

3.3 辽河保护区河流水生态健康评价结果分析

3.3.1准则层评价结果分析

准则层各要素评价等级为中等～优秀，可见，与“十二五”期间相比，目前辽河保护区河流水质状况有了较大提升，但部分污染物(如总氮、总磷)浓度仍较高，这主要是由于保护区上游铁岭市工业废水和生活污水通过5个排污口直接排入辽河，中下游沈阳和鞍山市工厂较多，存在废水直排现象，加之辽河沈阳段是沈阳的主要农业区域，农业面源污染也对河流水质造成污染。

3.3.2指标层评价结果分析

指标层中，河床稳定性(C12)和河道弯曲程度(C14)评价结果为中等，说明目前辽河保护区河流的河床还不稳定，存在冲淤现象，同时城市化的进程导致部分河流截弯取直，对河床的稳定不利。在河床不稳定的河段，建议在河流两岸设置石笼网，提高河床边坡的稳定性，保护河床不被冲刷，同时积极开展河道疏浚和堤防建设。2018年辽河保护区河流水体化学需氧量(C22)年均值为21.00 mg/L，为GB 3838—2002《地面水环境质量标准》中Ⅰ类水质，与“十二五”期间化学需氧量基本处于Ⅳ类水质[26-28]相比，健康状况得到大幅度提升。2018年河流水体氨氮浓度(C23)年均值为0.33 mg/L，为Ⅱ类水质，与“十一五”期间的Ⅳ类水质[29-31]和“十二五”期间的Ⅲ类水质相比，水体氨氮浓度明显降低。可见，自辽河保护区划定以来，辽河水体化学需氧量和氨氮污染状况均有所好转[32]。总磷浓度(C25)年均值为0.23 mg/L，为Ⅳ类水质，已消除了“十二五”期间的Ⅴ类水质；但总氮浓度(C24)年均值为2.62 mg/L，仍属于劣Ⅴ类水质。本次评价中Cd潜在生态风险指数(C33)为28.54，评价等级为良好，2011年Cd潜在生态风险等级为极强[33]，2011—2013年Cd潜在生态风险等级极强的区域比例降低[19]，2014年消除了Cd极强风险等级[34]，与历史评价结果相比较可知，辽河保护区河流底泥Cd污染治理成效显著。2018年流域植被覆盖率(C44)为73.40%，评价结果为优秀，这与辽河保护区划定后辽宁省政府大力实施植树造林和退耕还林等政策相关，现场调研也发现，辽河铁岭段植被覆盖率很高，河岸比较稳定。此次鱼类多样性指数(C42)和着生藻类多样性指数(C43)评价结果为中等，其原因可能是较高营养盐浓度影响了鱼类的分布和藻类生长。刘斌等[22]发现秋季河流水体总氮浓度对鱼类群落组成有显著影响，秋季降雨丰富，农田径流携带较高浓度的营养盐入河，影响水体中藻类的繁殖与生长，间接影响鱼类的分布。鱼类和着生藻类群落变化可直接反映辽河水环境变化，鱼类、藻类多样性指数评价结果表明，仍需持续对辽河保护区水环境污染进行治理。

自辽河保护区划定以来，通过一系列治理与修复措施的实施，辽河保护区水质和底质状况得到了一定提高，但仍需持续削减工业废水的污染物排放，同时加强对农业、农村生活垃圾和畜禽养殖污染的治理，推进农村生活污水处理设施的建设，以进一步提高辽河水生态健康状况。

4 结论

(1)构建了包含河流自然形态状况、水质状况、底质状况、水生生物及生态环境状况四大类共20项指标的辽河保护区河流水生态健康评价指标体系，由层次分析法确定权重，利用灰色关联分析法对辽河保护区河流水生态健康状况进行综合评价。结果表明，辽河保护区河流水生态健康状况为中等，其中自然形态、水质、水生生物及生态环境健康状况的评价结果均为中等，底质状况评价结果为优秀。

(2)辽河保护区河流水生态健康评价结果显示，目前辽河保护区存在河床稳定性差、水质污染、鱼类多样性和着生藻类多样性指数较低等问题，建议加强对农业、农村生活污染的治理，提高民众环保意识，加强河流生态修复等，以提高辽河保护区河流水生态健康水平。